Quantenobjekte. 1. Beschuss des Doppelspalts mit klassischen Teilchen

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1 QUANTENPHYSIK Der Physik-Nobelpreisträger Richard P. Feynman versuchte einem breiten Publikum die Besonderheiten der quantenphysikalischen Objekte wie Photon und Elektron an der einfachen Versuchsanordnung "Doppelspalt" zu erklären. Diesem Weg werden wir im weiteren folgen (Feynman: Vom Wesen physikalischer Gesetze, Piper-Verlag). Darüber hinaus hat sich in der deutschsprachigen Didaktik in den letzten Jahren die Beschreibung von Wesenszügen von n heraus kristallisiert (Prof. Müller, Dr. Kübelbeck: Die Wesenszüge der Quantenphysik, Aulis-Verlag) auch auf diese Wesenszüge werden wir kurz eingehen. 1. Beschuss des Doppelspalts mit klassischen Teilchen Der Doppelspalt wird mit einer Schrotflinte sehr schlechter Bauart beschossen. Die resultierende "Kugelintensität" in der Nachweisebene ergibt sich aus der Addition der Einzelintensitäten. Einzelne klassische Teilchen gehen beim Doppelspaltexperiment entweder durch den linken oder den rechten Spalt. Es ist nicht von Belang, ob der jeweils andere Spalt geöffnet ist. 1

2 2. Doppelspaltversuch mit klassischen Wellen (z.b. Wasserwellen) Die resultierende Intensität bei der Öffnung beider Spalte ergibt sich nicht (ähnlich wie beim Experiment mit klassischen Teilchen) durch Addition der Einzelintensitäten. Wird die Intensität der auf den Doppelspalt auftreffenden Strahlung extrem verkleinert, so entsteht in der Nachweisebene trotzdem ein Interferenzmuster, das allerdings sehr schwach ausgeprägt ist. 2

3 3. Doppelspaltversuch mit Photonen bzw. Elektronen Der Doppelspaltversuch mit Licht von Young (bei nicht zu geringen Intensitäten) aber auch der Doppelspaltversuch mit Elektronen von Jönsson (mit nicht zu geringen Intensitäten) zeigt das bereits bekannte Interferenzmuster. Während wir die Interferenzerscheinung beim Doppelspaltversuch mit Licht mit der Wellenvorstellung recht gut deuten konnten (Photonen waren uns zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannt), erregte das Interferenzmuster bei den Elektronen doch Aufsehen. Bisher kamen wir mit der Vorstellung, dass sich Elektronen wie klassische Teilchen verhalten gut zu Rande. Führt man den Doppelspaltversuch mit Licht (Taylor, Weis und Waynands) bzw. Elektronen (Merli, Pozzi et.al. bzw. Tonomura) bei extrem geringen Intensitäten durch, so werden die in der Nachweisebene ankommenden Objekte nie gleichzeitig an verschiedenen Stellen nachgewiesen, sie treffen zu einer bestimmten Zeit nur an einem bestimmten Ort auf. Die Objekte die da ankommen treten "stückweise", in stets der gleichen Größe auf, ihre Auftrefforte scheinen zunächst regellos verteilt zu sein. Und doch, wartet man genügend lange, stellt sich das bekannte Interferenzmuster ein. Hinweis: Kurzzeitig versuchte man das Dilemma dadurch zu lösen, dass man den für die Photonen bzw. Elektronen Wellenpakete annahm. Jedoch erwies sich dieser Ansatz als nicht richtig. Fazit: Photonen, Elektronen und viele anderen Objekte aus der Mikrowelt verhalten sich weder wie klassische Teilchen noch wie klassische Wellen. Man bezeichnet Sie als. Zusammenfassung Klassische Teilchen Klassische Wellen Teilchen kommen stückweise an Wellen können jede Intensität besitzen Objekte kommen stückweise an Gemessen wird die Wahrscheinlichkeit des Eintreffens Gemessen wird die Intensität der Wellen Gemessen wird die Wahrscheinlichkeit des Eintreffens N res = N 1 + N2 I res I 1 + I2 N res N 1 + N2 Es kommt zu keiner Interferenz! Es kommt zur Interferenz! Es kommt zur Interferenz! 3

4 4. Wegentscheidung zerstört Interferenz von n Um entscheiden zu können, durch welchen Spalt ein Elektron fliegt, kann man sich in einem Gedankenexperiment eine Lichtquelle hinter den Doppelspalt eingebaut denken. Kommt z.b. ein Elektron durch Spalt 1, dann sollte vom Auge in der skizzierten Lage ein Reflex wahrnehmbar sein. Das Ergebnis aller Experimente bei denen eine Wegentscheidung für ein Quantenobjekt ermöglicht wurde, war die Zerstörung der Interferenz. Feynman schreibt: "Es ist unmöglich, irgendeine Vorrichtung zu ersinnen, die imstande wäre festzustellen, welches Loch ein Elektron (Quantenobjekt) passiert, ohne gleichzeitig das Elektron so zu stören, dass das Interferenzmuster zerstört wird." Hinweis: Gut lesbar ist ein Auszug aus dem Büchlein von Robert Gilmore: Die geheimnisvollen Visionen des Herrn S. aus dem Birkhäuser-Verlag, Basel Keine Teilchenbahn in der Mikrophysik Interferenz tritt also nur dann auf, wenn wir nicht wissen, durch welchen Spalt das Quantenobjekt zum Schirm gelangte. Dies führt dazu, dass man für den klassischen Begriff "Teilchenbahn" nicht verwenden kann. Dr. Hübel schreibt: Es ist physikalisch sinnlos, von einem Weg des Teilchens von der Quelle zum Nachweisort auf dem Schirm zu sprechen. Ja, noch schärfer: Das Teilchen tritt erst auf, wenn wir es auf dem Schirm nachweisen. Vorher hat es keinen Sinn, ihm irgendein Verhalten oder irgendwelche Eigenschaften zuzuschreiben, es sei denn, diese werden in einem Experiment gemessen. Aber dann verschwindet die Interferenz. Sehr pointiert werden die Eigenschaft von n in dem Buch von Prof. Dr. Müller und Dr. Kübelbeck: Die Wesenszüge der Quantenphysik, (Aulis-Verlag) dargestellt. Im Folgenden werden die vier Wesenszüge kurz dargestellt. Wer sich intensiver für diese Wesenszüge interessiert möge das Büchlein lesen oder für einen ersten Überblick den Artikel von Prof. Müller bei piko studieren. Wesenszug 1: Statistisches Verhalten a) In der Quantenphysik können Einzelereignisse im Allgemeinen nicht vorhergesagt werden. b) Bei vielen Wiederholungen ergibt sich jedoch eine Verteilung, die bis auf stochastische Schwankungen reproduzierbar ist. Wesenszug 2: Fähigkeit zur Interferenz Auch einzelne können zu einem Interferenzmuster beitragen. Voraussetzung ist, dass es für das Eintreten des gleichen Versuchsergebnisses mehr als eine klassisch denkbare Möglichkeit gibt. Beim Doppelspalt bedeutet dies, dass ein Photon durch den oberen Spalt 1 (Möglichkeit 1) oder durch den unteren Spalt 2 (Möglichkeit 2) zum Schirmpunkt X gelangt. Das Ergebnis des Versuchs, der Nachweis eines Photons am Schirmpunkt X, ist in beiden Fällen das gleiche. Wesenszug 3: Eindeutige Messergebnisse Messergebnisse sind stets eindeutig, auch wenn sich das Quantenobjekt vor der Messung in einem Zustand befindet, der unbestimmt bezüglich der gemessenen Größe ist. Die Lichtquelle hinter dem Doppelspalt ermöglicht eine genaue Ortsmessung für ein Photon bzw. Elektron (vgl. 4. Wegentscheidung... ). Vor der Messung war der Ort des Elektrons nicht bekannt. Man sagt dazu auch: Die Elektronen besaßen die Eigenschaft "Ort" nicht. 4

5 Wesenszug 4: Komplementarität Interferenzmuster und Unterscheidbarkeit der klassisch denkbaren Möglichkeiten schließen sich aus. Bezogen auf den Doppelspalt bedeutet "Unterscheidbarkeit der klassisch denkbaren Möglichkeiten": Man weiß durch eine geeignete Vorrichtung, ob das Quantenobjekt durch den oberen oder unteren Spalt gegangen ist. Wie oben ausgeführt wurde, verschwindet dann das Interferenzmuster. Ortseigenschaft und Interferenzmuster sind nicht gleichzeitig realisierbar, sondern schließen sich gegenseitig aus. Dies ist ein Spezialfall eines allgemeinen Prinzips, das man nach Niels Bohr Komplementarität nennt. 5