Quantenmechanik für Lehramtsstudierende Thomas Filk Skript zur Vorlesung Fortgeschrittene Theoretische Physik für Lehramtsstudierende (Version vom 20. 6. 2016)
2
Vorwort Eine erste Version dieses Skripts entstand im Sommersemester 2012 im Zusammenhang mit der Vorbereitung einer Vorlesung Fortgeschrittene Theoretische Physik für Lehramtsstudierende an der Universität Freiburg. Diese wurde anlässlich der Wiederholung dieser Vorlesung im Sommersemester 2013 nochmals weitgehend überarbeitet. Diese Vorlesung soll Lehramtsstudierenden in erster Linie die Grundlagen der Quantenmechanik vermitteln und ersetzt damit die Quantenmechanik-Vorlesung, die bisher für Lehramtsstudierende Pflicht war. Außerdem werden einige ausgewählte Kapitel aus der Statistischen Mechanik behandelt. Der Schwerpunkt bleibt jedoch die Quantenmechanik. Im Hinblick auf die Bedürfnisse der zukünftigen Lehrer soll im Rahmen dieser Vorlesung weniger Wert auf die Vermittlung von mathematischen Techniken zur Lösung spezifischer Probleme in der Quantenmechanik gelegt werden, statt dessen wird den konzeptuellen Grundlagen ein größeres Gewicht zugeschrieben. Vor diesem Hintergrund wurde beispielsweise auf eine Vermittlung von störungstheoretischen Verfahren sowie eine eingehendere Behandlung der Streutheorie verzichtet. Diese Aspekte sind zwar für den zukünftigen Forscher von Bedeutung, sie geben jedoch keine wesentlichen Zusatzerkenntnisse über das Wesen der Quantenmechanik und lassen sich ohnehin im Unterricht kaum einsetzen. Trotzdem bleibt natürlich der mathematische Formalismus der Quantenmechanik ein Schwerpunktthema, insbesondere da gerade in der Quantenmechanik die Frage nach einer anschaulichen Interpretation mancher mathematischer Strukturen und Ausdrücke immer noch offen und umstritten ist. Beim Durchblättern des Skripts wird vermutlich auffallen, dass gerade die späteren Abschnitte zu Potenzialsystemen, dem Zeitentwicklungsoperator etc. trotz der obigen Bemerkungen teilweise sehr ausführliche Berechnungen enthalten; ähnliches gilt für einige der Anhänge. Diese Rechnungen sind nicht als Teil des Lehr- und Lernstoffs gedacht sondern als Zusatzinformation für den interessierten Leser. Dies trifft in vermehrtem Maße auf Abschnitte zu, die durch ein Asterisk (*) gekennzeichnet sind. Zu jedem Kapitel gibt es einen einführenden Abschnitt, der kurz und knapp umreißt, welche Inhalte dieses Kapitels verstanden und auch (beispielsweise in einer Prüfung) gewusst werden sollten. Die weiteren Kapitel dienen eher als Anmerkungen und Vertiefungen und gehören auch nur teilweise zu dem in der Vorlesung behandelten Stoff.
4 Sehr viel Wert wird darauf gelegt, dass es eine allgemein akzeptierte anschauliche bzw. philosophische Interpretation der Quantenmechanik nicht gibt. Schon die grundlegende Frage nach dem ontologischen Status der Wellenfunktion wird von verschiedenen Physikern unterschiedlich beantwortet. Daher wird in dem Skript einerseits versucht, die wissenschaftlichen Aussagen möglichst interpretationsneutral zu halten (auch wenn das nicht immer gelungen sein wird). Andererseits wird an geeigneten Stellen aber auch auf unterschiedliche Interpretationsmöglichkeiten eingegangen, angefangen bei rein positivistischen Ansätzen über subjektive und informationstheoretische Interpretationen der Quantenmechanik bis hin zur Bohm schen Mechanik. Die letztgenannte Theorie beruht auf einer klassischen Ontologie, wobei betont werden soll, dass die meisten Physiker interessanterweise im Gegensatz zu den meisten Wissenschaftsphilosophen dieser Theorie sehr kritisch gegenüberstehen. Die Gründe dafür werde ich auch angeben, aber ich bin der Meinung, dass ein Physiker diese Theorie zumindest kennen sollte, um sich eine eigene Meinung bilden zu können. Wer an einer Vertiefung der Grundlagenfragen der Quantenmechanik interessiert ist, sei auf mein Skript Grundlagen und Probleme der Quantentheorie hingewiesen, das ebenfalls über meine Webseite an der Universität Freiburg zugänglich ist. Derzeit (Sommersemester 2016) wird das Skript in Einzelpunkten nochmals überarbeitet, unter anderem auch nach vielen Anregungen und Hinweisen von Studierenden, die das Skript zur Prüfungsvorbereitung nutzen. Für weitere Vorschläge bin ich immer dankbar. Freiburg, Frühjahr 2016 Thomas Filk
Inhaltsverzeichnis Vorwort 3 Inhaltsverzeichnis 5 Allgemeine Einführung 11 1 Historischer Einstieg 15 2 Weshalb Quantenmechanik? I. Photonenexperimente zur Polarisation 21 Was man wissen sollte.............................. 21 2.1 Klassische Lichtwellen........................... 22 2.1.1 Licht als Welle und seine Intensität................ 22 2.1.2 Polarisation und Polarisationsstrahlteiler............. 24 2.1.3 Hintereinandergeschaltete Polarisationsfilter........... 25 2.2 Einzelne Photonen............................. 28 2.2.1 Die Eigenschaften h und v................... 30 2.2.2 Die Eigenschaften α, p und m................ 32 2.3 Ein Vektor- und Matrizenmodell...................... 34 2.3.1 Zustände als Strahlen in der Ebene................ 34 2.3.2 Filter als Projektions-Matrizen.................. 35 2.3.3 Superpositionen........................... 37 2.4 Messungen................................ 39 2.4.1 Messung als Präparation, Nachweis, Bestätigung oder Prokrustie 40 2.4.2 Ein Matrixmodell von Messung................. 41 2.5 Zusammenfassung.............................. 42 3 Weshalb Quantenmechanik? II: Das Doppelspaltexperiment 45 Was man wissen sollte.............................. 45 3.1 Der Doppelspalt für Licht und Photonen................. 46 5
6 INHALTSVERZEICHNIS 3.1.1 Schwächere Lichtquelle....................... 49 3.2 Messungen................................ 51 3.3 Materiewellen................................ 54 3.4 Zusammenfassung und Ausblick...................... 56 4 Die mathematischen Grundlagen 59 Was man wissen sollte.............................. 59 4.1 Vektorräume und physikalische Zustände................. 60 4.1.1 Hilberträume............................ 60 4.1.2 Die Bra-Ket-Notation........................ 64 4.2 Lineare Abbildungen Operatoren.................... 66 4.2.1 Allgemeine Eigenschaften linearer Operatoren.......... 66 4.2.2 Besonderheiten in unendlich dimensionalen Hilberträumen............................ 70 4.2.3 Selbstadjungierte Operatoren................... 74 4.2.4 Projektionsoperatoren....................... 76 4.2.5 Unitäre Operatoren......................... 79 4.3 Die Bra-Ket-Notation für Operatoren................... 80 4.4 Operatoren im L 2.............................. 82 4.4.1 Das Spektrum von x und i x 83 4.4.2 Die x- und k-basis......................... 85 4.4.3 Der Kommutator von x und i x................. 85 5 Die Postulate der Quantenmechanik und erste Folgerungen 87 Was man wissen sollte.............................. 88 5.1 Die Postulate der klassischen Mechanik.................. 89 5.1.1 1. Postulat Zustände...................... 89 5.1.2 2. Postulat Observable..................... 90 5.1.3 3. Postulat Bewegungsgleichung................ 91 5.2 1. Postulat der Quantenmechanik: Darstellung von Zuständen......................... 91 5.3 2. Postulat der Quantenmechanik: Darstellung von Observablen........................ 93 5.4 3. Postulat der Quantenmechanik: Messwerte und Erwartungswerte...................... 99 5.5 4. Postulat der Quantenmechanik: Die Reduktion des Quantenzustands................... 102 5.6 5. Postulat der Quantenmechanik: Die Dynamik abgeschlossener Systeme.................. 103
INHALTSVERZEICHNIS 7 5.7 6. Postulat der Quantenmechanik: Mehrteilchensysteme............................ 105 5.8 Die Unschärferelationen.......................... 106 5.9 Gemischte Zustände und Dichtematrizen................. 112 5.9.1 Allgemeine Definition von Zuständen............... 112 5.9.2 Zustände in der klassischen Mechanik............... 113 5.9.3 Dichtematrizen........................... 114 5.10 Maximale Sätze kompatibler Observabler................. 115 6 Potenzialsysteme 117 Was man wissen sollte.............................. 117 6.1 Schrödinger-Gleichung für Potenzialsysteme............... 119 6.1.1 Zeitabhängige und zeitunabhängige Schrödinger-Gleichung....................... 119 6.1.2 Die Schrödinger-Gleichung in einer Basis............. 121 6.1.3 Symmetrien............................. 123 6.2 Die Quantisierung der Energie....................... 124 6.3 Das unendliche Kastenpotenzial...................... 126 6.4 Das endliche Kastenpotenzial Tunneleffekt.............. 132 6.4.1 Der Tunneleffekt.......................... 134 6.5 Der harmonische Oszillator......................... 136 6.5.1 Exakte Lösung der Schrödinger-Gleichung............ 136 6.5.2 *Auf- und Absteigeoperatoren in der Quantenfeldtheorie......................... 141 6.5.3 Semiklassische Berechnung der Grundzustandsenergie...... 142 6.5.4 Der harmonische Oszillator in höheren Dimensionen....... 143 6.6 Radialpotenziale und Kugelflächenfunktionen............... 144 6.7 Der Bahndrehimpuls............................ 146 6.8 Das Wasserstoffatom............................ 147 6.8.1 Ein semi-klassisches Argument für die Energieniveaus...... 149 7 Zeitentwicklung, Funktionalintegral und Bewegungsgleichungen 151 Was man wissen sollte.............................. 151 7.1 Der Zeitentwicklungsoperator....................... 152 7.2 Summation über Wege........................... 155 7.2.1 Das Zeigermodell der Teilchenpropagation........... 156 7.3 Das Heisenberg-Bild der Quantenmechanik................ 158 7.3.1 Die Heisenberg schen Bewegungsgleichungen........... 158 7.3.2 Allgemeine Struktur der Heisenberg-Gleichung.......... 159 7.3.3 * Lineare Bewegungsgleichungen.................. 161
8 INHALTSVERZEICHNIS 8 Mehrteilchensysteme 163 Was man wissen sollte.............................. 163 8.1 Mathematische Beschreibung von Mehrteilchensystemen........ 164 8.1.1 Der Tensorraum........................... 164 8.1.2 Separable Zustände und verschränkte Zustände......... 166 8.1.3 Die Reduktion von Dichtematrizen................ 167 8.2 Identische Teilchen und Statistik..................... 169 8.2.1 Fermi-Dirac- und Bose-Einstein-Statistik............. 170 8.3 Einstein-Podolsky-Rosen.......................... 173 8.4 Bell sche Ungleichungen.......................... 176 8.4.1 Bell sche Ungleichungen die Version von Wigner und d Espagnat177 8.4.2 Bell sche Ungleichungen CHSH-Version............ 180 8.5 Umsetzungen für die Schule........................ 183 8.5.1 Drei Vesperdosen.......................... 183 8.5.2 Nochmals Vesperdosen....................... 184 8.5.3 Eine Schülerbefragung...................... 184 9 Zwei-Zustands-Systeme 187 Was man wissen sollte.............................. 187 9.1 Pauli-Matrizen............................... 188 9.2 Der Zustandsraum............................. 189 9.3 Physikalische Anwendungen........................ 190 9.3.1 Spin- 1 -Systeme........................... 2 190 9.3.2 Polarisationszustände von Photonen................ 193 9.3.3 2-Niveau-Systeme.......................... 194 9.4 Quanteninformation............................ 196 9.4.1 Klassische Information....................... 196 9.4.2 Qubits und Bell-Zustände..................... 197 9.4.3 Das No-Cloning Theorem..................... 200 9.4.4 Quanten-Teleportation....................... 200 9.4.5 Quantenkryptographie....................... 202 10 Fundamentale Experimente zur Quantentheorie 205 Was man wissen sollte.............................. 205 10.1 Das Planck sche Strahlungsgesetz..................... 206 10.2 Der photoelektrische Effekt........................ 209 10.3 Die Compton-Streuung........................... 210 10.4 Zeeman- und Stark-Effekt......................... 211 10.5 Das Stern-Gerlach Experiment....................... 213
INHALTSVERZEICHNIS 9 11 Optische Experimente zur Quantentheorie 215 Was man wissen sollte.............................. 215 11.1 Experimentelle Bausteine.......................... 216 11.1.1 Laser................................. 216 11.1.2 Doppelspalt und Gitter....................... 216 11.1.3 Strahlteiler............................. 217 11.1.4 λ/4- und λ/2-plättchen...................... 217 11.1.5 Down Conversion Kristalle..................... 218 11.2 Das Mach-Zehnder-Interferometer..................... 219 11.3 Wechselwirkungsfreie Messung das Knallerexperiment.......................... 221 11.4 Das Experiment von Hong, Ou und Mandel............... 223 11.5 Delayed Choice Experimente........................ 224 11.6 Der Quantum-Eraser............................ 225 12 Nochmals Photonenpolarisation 231 12.1 Zusammenfassung des Bekannten..................... 231 12.2 Der (inverse) Quanten-Zenon-Effekt.................... 234 12.3 Zirkulare Polarisationen.......................... 237 12.4 FAQs..................................... 240 13 Probleme, Fragen und Interpretationen 243 Was man wissen sollte.............................. 244 13.1 Das Messproblem.............................. 244 13.1.1 Allgemeine Charakterisierung................... 244 13.1.2 Mathematische Beschreibung................... 246 13.1.3 Dekohärenz............................. 248 13.2 Schrödingers Katze............................. 250 13.3 Das Zeigerbasis-Problem.......................... 251 13.4 Die Kopenhagener Deutung........................ 252 13.5 Weitere Interpretationen.......................... 255 13.5.1 Ensemble-Interpretation...................... 255 13.5.2 Subjektive Deutungen und QBism................. 256 13.5.3 Many-Worlds............................ 257 13.6 Kollapsmodelle............................... 259 13.6.1 Wigner und der Einfluss des Bewusstseins............ 259 13.6.2 Die Gravitation als Auslöser der Reduktion........... 260 13.6.3 GRW stochastische Kollapszentren............... 260 13.7 Bohm sche Mechanik............................ 261 13.7.1 Die allgemeine Idee......................... 261
10 INHALTSVERZEICHNIS 13.7.2 Das Quantenpotential....................... 263 13.7.3 Klassisch oder Quanten....................... 265 13.7.4 Vorteile der Bohm schen Mechanik................ 266 13.7.5 Kritikpunkte an der Bohm schen Mechanik............ 267 13.7.6 Die Ontologie?........................... 271 A1Endliches Kastenpotenzial 273 A1.1 E > V freie Teilchen.......................... 273 A1.2 0 < E < V gebundene Teilchen..................... 276 A2Zeitentwicklung und Funktionalintegral 279 A2.1 Herleitung des freien Propagators..................... 279 A2.2 Das Funktionalintegral........................... 280 A3Darstellungen der Drehgruppe 283 A3.1 Symmetrien, Gruppen und ihre Darstellungen.............. 284 A3.2 Die Drehgruppe............................... 286 A3.3 Die Lie-Algebra der Drehgruppe...................... 286 A3.4 Die Lösung für d = 2 die Pauli-Matrizen................ 289 A3.5 * Allgemeine Dimensionen......................... 289 A3.6 Drehimpuls und Spin in der Quantenmechanik.............. 292 A4Zitate zur Quantentheorie 295 Literaturangaben 301
Allgemeine Einführung Seit ihrer Entstehung zu Beginn des 20. Jahrhunderts steht die Quantentheorie in dem Ruf, unverständlich, absurd und in gewisser Hinsicht sogar unlogisch zu sein. Sie widerspricht teilweise unseren klassischen Grundvorstellungen über die Natur, wodurch ihr manchmal sogar ein esoterischer Charakter zugeschrieben wird. Unzweifelbar ist jedoch, dass diese Theorie zu sehr präzisen und teilweise verblüffenden Vorhersagen geführt hat und immer noch führt, und soweit diese Vorhersagen experimentell überprüfbar waren, wurden sie uneingeschränkt bestätigt. Auch wenn wir den mathematischen Formalismus der Quantenmechanik verstanden haben, bleibt das Gefühl, diesen mathematischen Formalismus nicht wirklich mit einem physikalischen Verständnis untermauern zu können. Häufig fällt es sogar schwer, die Fragen präzise zu formulieren, was genau an der Quantenmechanik so seltsam oder unverständlich erscheint. Oft gibt man sich mit der Erklärung zufrieden, eine solche Anschauung sei nicht möglich, da sie notwendigerweise immer auf den Konzepten der klassischen Physik, die uns aus dem Alltag vertraut sind, beruhen wird. Diese Konzepte müssen aber nicht zwingend auch für die mikroskopische Welt anwendbar sein. Darüber hinaus kann eine solche Anschauung, von welcher Art sie auch sei, im Rahmen des mathematischen Formalismus nicht abgeleitet oder gar ihre Richtigkeit bewiesen werden. Es setzt sich dann ein rein positivistischer Standpunkt durch, d.h., die Aufgabe der Physik wird einzig in der Bereitstellung eines Formalismus gesehen, mit dem sich Vorhersagen zu physikalischen Experimenten möglichst weitgehend aufstellen lassen. Der Versuch eines Begreifens im Sinne irgendeiner anschaulichen Vorstellung wird als metaphysisch oder philosophisch und nicht mehr zum Bereich der Naturwissenschaft gehörend abgelehnt. Wirklich überzeugend erscheint diese Erklärung nicht, denn beispielsweise in der Mathematik haben wir keine wirklichen Probleme, von höher dimensionalen Vektorräumen, Topologien oder algebraischen Strukturen vieldimensionaler Mannigfaltigkeiten etc. zu sprechen und damit sogar eine gewisse Anschauung zu verbinden, die teilweise weit von den Anschauungen des Alltags entfernt sind. Das Seltsame an der Quantenmechanik ist weniger, dass sie mit ungewohnten mathematische Strukturen formuliert wird, sondern dass gewisse Grundkonzepte, die wir mit der Natur verbinden, 11
12 Allgemeine Einführung nicht mehr zu gelten scheinen. Dazu gehören beispielsweise die intrinsische Indeterminiertheit der Quantenmechanik man könnte auch sagen, sie genügt nicht mehr dem Leibniz schen Prinzip des hinreichenden Grundes, die scheinbare Nicht-Lokalität so genannter Quantenkorrelationen, oder auch die unvermeidbare Einbeziehung des Messprozesses (bis hin zur Einbeziehung eines Beobachters) in die Beschreibung. Gerade wegen dieser letztgenannten Kritikpunkte besteht unter den Physikern noch nicht einmal Einigkeit darüber, inwieweit es sich bei der Quantentheorie überhaupt um eine Theorie handelt bzw. was diese Theorie eigentlich umfasst. Das Spektrum möglicher Antworten ist riesig: Es reicht von der Meinung, dass die Quantentheorie die fundamentale Theorie unserer Natur sei, bis hin zu der Ansicht, dass es sich bei der Quantentheorie bestenfalls um eine Sammlung empirisch begründeter aber im Wesentlichen unverstandener und insbesondere nicht wirklich widerspruchsfreier Vorschriften handelt. Die Anhänger der zweiten Meinung vergleichen den Formalismus der Quantenmechanik mit einem Kochrezept für einen Kuchen, bei dem als Zutaten schon Teile des Kuchens notwendig sind, und von dem sich bei genauerer Untersuchung aber herausstellt, dass man am Ende gar keinen Kuchen erhält. 1 Die Gründe für dieses breite Spektrum werden wir kennen lernen. Natürlich hat es an Erklärungs- oder Interpretationsansätzen nicht gefehlt. Diese unterschiedlichen Interpretationen basieren meist auf dem anerkannten mathematischen Formalismus der Quantenmechanik und führen daher im Allgemeinen zu denselben experimentellen Vorhersagen. Eine Widerlegung der ein oder anderen Interpretation mit wissenschaftlichen Methoden ist nicht möglich sie sind empirisch gleichwertig. Auch diese Immunisierung der Interpretationsansätze gegen eine Widerlegbarkeit durch das Experiment hat dazu beigetragen, alle Versuche in dieser Richtung als unwissenschaftlich abzutun und aus der wissenschaftlichen Debatte auszuschließen. Doch gerade wenn man Quantenmechanik lehrt, ist es unvermeidbar, dass von Seiten der Lernenden (seien es Schüler und Schülerinnen oder Studenten) Fragen im Sinne des Wie kann ich mir das vorstellen? gestellt werden. Auch von einem wissenschaftlichen Standpunkt ist es dann unbefriedigend, solche Fragen mit einem Gar nicht! beiseite zu schieben. Auch dieses Gar nicht! erfordert eine Erläuterung. Die oberste Entscheidungsinstanz der Naturwissenschaft ist immer das Experiment bzw. die Naturbeobachtung. Ein solches Experiment stellt gleichsam eine Frage an die Natur, hinter der letztendlich immer auch die Grundfrage steht, ob die Theorie oder das Modell, mit dem wir die Natur beschreiben, richtig ist. Eine solche Frage muss aber in einen experimentellen Aufbau und ein experimentelles Protokoll übersetzt werden, und die Antwort das experimentelle Ergebnis erfordert eine Interpretation. Ohne eine Theorie oder ein Modell sind diese Übertragungen (in beide Richtungen) unmöglich. Einstein hat in einem Gespräch gegenüber Werner Heisenberg einmal be- 1 In der Quantenmechanik wird Kuchen durch eindeutiges Messergebnis ersetzt.
Allgemeine Einführung 13 hauptet Erst die Theorie entscheidet darüber, was man beobachten kann [38] (Kap. 5; S. 80). Und Max von Laue erwähnt in seinem Buch zur Geschichte der Physik [51] die Messung der Lichtgeschwindigkeit in bewegten Flüssigkeiten von Fizeau, dessen Ergebnisse zunächst als Beweis für einen Äther, später aber im Rahmen der Relativitätstheorie als Beweis für die Richtigkeit der Einstein schen Ideen gewertet wurde. Er schreibt dazu: So ist die Geschichte des Fizeau-Versuchs ein lehrreiches Beispiel dafür, wie weit in die Deutung jedes Versuchs schon theoretische Elemente hineinspielen; man kann sie gar nicht ausschalten. Und wenn dann die Theorien wechseln, so wird aus einem schlagenden Beweis für die eine leicht ein ebenso starkes Argument für eine ganz entgegengesetzte. Dieser wissenschaftstheoretische Aspekt spielt in der Quantenmechanik eine noch wesentlichere Rolle als in der klassischen Physik, gerade weil dem Einfluss des Messprozesses und der Messapparatur im allgemeinsten Sinne in der Quantenmechanik eine weitaus größere Bedeutung zukommt als in der klassischen Physik. Von Heisenberg und Dirac, der bekannt war für seine Schweigsamkeit sowie für seine scharfe Logik, erzählt man sich die folgende Geschichte (siehe z.b. [8]): Heisenberg und Dirac gingen auf dem Land spazieren und Heisenberg bemerkte auf einem nahegelegenen Feld einige frisch geschorene Schafe. Da es kalt war, meinte er zu Dirac: Schau, Dirac, diese armen Schafe wurden geschoren. Dirac schaute hin, überlegte eine Weile und meinte dann: Ja, zumindest auf der uns zugewandten Seite. Unabhängig davon, ob diese Anekdote stimmt oder nicht, zeigt sie in schöner Weise, wie man mit der Quantenmechanik umgehen sollte. Man kann gar nicht vorsichtig genug sein, zunächst einmal nur das zu akzeptieren, was wir wirklich beobachten, und jede Schlussfolgerung auf die uns abgewandte Seite zu vermeiden. Das wird sich in aller Strenge praktisch nie umsetzen lassen, aber zumindest sollte man versuchen, sich gelegentlich bewusst zu machen, dass man in die meisten Schlussfolgergungen immer gewisse, nicht direkt beobachtete bzw. beobachtbare Annahmen hineingesteckt hat.
14 Allgemeine Einführung
Kapitel 1 Historischer Einstieg Als Geburtstag der Quantenmechanik wird oft der 14. Dezember 1900 angegeben. An diesem Tag hielt Max Planck (1858 1947) einen Vortrag vor der Versammlung der Physikalischen Gesellschaft in Berlin und präsentierte eine Herleitung für die Verteilung der Strahlungsintensität eines schwarzen Körpers als Funktion der Temperatur und der Wellenlänge der Strahlung. Bei dieser Herleitung hatte er von der Annahme Gebrauch gemacht, dass Licht einer bestimmten Wellenlänge von den Oszillatoren in den Wänden eines Strahlungsbehälters immer nur in ganzzahligen Quanten aufgenommen bzw. abgegeben werden kann (vgl. Abschnitt 10.1). Planck hatte die Formel für die Schwarzkörperstrahlung schon ein Jahr zuvor gefunden, allerdings handelte es sich zunächst nur um eine geratene Interpolation, welche die damaligen thermodynamischen Vorstellungen von der elektromagnetischen Strahlung an das experimentell gefundene Strahlungsgesetz von Wien für sehr kleine Wellenlängen anpassen sollte. Kleine Wellenlänge ist hierbei im Vergleich zur thermischen Energie E = k B T zu verstehen, was allerdings voraussetzt, dass man Licht einer bestimmten Wellenlänge bzw. Frequenz eine Energie zuordnen kann. Die Konstante h zwischen der Frequenz ν der Welle (bzw. der Wellenlänge λ = c/ν) und der Energie, E = hν, war von Planck schon in seinem Artikel von 1899 als fundamental erkannt worden. Für Planck war die Annahme quantisierter elementarer Energien für Licht einer bestimmten Wellenlänge nur eine Arbeitshypothese. So schreibt er in einem Brief an Robert William Wood [64]... ich dachte mir nicht viel dabei..., und an anderer Stelle diese Briefs spricht er von einem Akt der Verzweiflung. Er hatte gehofft, dass diese Annahme nur eine Näherung sei, die sich aus einem besseren Verständnis der Wechselwirkung zwischen Materie und elektromagnetischer Strahlung begründen lassen könnte. In der Folgezeit erwies sich die Vorstellung elementarer Lichtquanten aber auch in anderen Bereichen als erfolgreich. So konnte Albert Einstein (1879 1955) im Jah- 15
16 Historischer Einstieg re 1905 mit dieser Annahme den photoelektrischen Effekt erklären (Abschnitt 10.2). Er erhielt dafür 1921 den Nobelpreis, der ihm allerdings erst 1922 überreicht werden konnte. Im Jahre 1907 leitete Einstein aus einer entsprechenden Annahme für die Schwingungen in einem Kristall die spezifische Wärme von Festkörpern bei sehr kleinen Temperaturen her [23]. Er konnte so das klassische Paradoxon klären, weshalb die spezifische Wärme für sehr kleine Temperaturen nicht mehr einfach nur durch die Anzahl der thermodynamischen Freiheitsgrade gegeben ist, wie es die klassische statistische Mechanik vorhersagt, sondern gegen null geht, wie es auch der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik fordert. In der Folgezeit konnte man mit ähnlichen Quantisierungspostulaten weitere Scheinparadoxa klären. Beispielsweise hatte Niels Bohr 1913 für die möglichen Bahnen der Elektronen in einem Atom eine Quantisierungsbedingung aufgestellt [11] und postuliert, dass Elektronen auf diesen Bahnen keine Strahlung emittieren und solche Bahnen daher stabil sein sollten. Nach den klassischen Vorstellungen des Elektromagnetismus sollte das Rutherford sche Planetenmodell für Atome (ein schwerer, positiv geladener Atomkern im Zentrum und sehr leichte, negativ geladene Elektronen auf Kreisbahnen um diesen Kern) instabil sein, da Elektronen auf Kreisbahnen ständig Strahlung emittieren (die Synchrotronstrahlung ), dadurch Energie verlieren und auf Spiralbahnen in den Atomkern stürzen müssten. Das Bohr sche Atommodell konnte die Spektrallinien von einfachen Atomen sowohl in der Absorbtion von Strahlung durch die Atome als Fraunhofer sche Linien, als auch in der Emission von Strahlung gut erklären. Später (1915/1916) erweiterte Arnold Sommerfeld (1868 1951) das Modell um quantisierte elliptische Bahnkurven, wodurch sich die Feinstruktur und die Aufspaltung der Spektrallinien von Atomen in einem elektromagnetischen Feld (Zeemanund Stark-Effekt) erklären ließen (vgl. Abschnitt 10.4). All diese Quantisierungsbedingungen waren zunächst reine Postulate. Es gab keine wirkliche Erklärung, worauf diese Bedingungen beruhten oder weshalb die derart ausgezeichneten Bahnkurven stabil sein sollten. Einstein hatte seit 1905 immer wieder darauf hingewiesen, dass die Doppelnatur von Licht (einerseits der Teilchencharakter der Quanten also der Photonen als auch der Wellencharakter bei Interferenz- und Beugungserscheinungen) das zentrale Problem sei, ohne dessen Lösung die Theorie weiterhin unverstanden bliebe. Mitte der 20er Jahre des letzten Jahrhunderts führten mehrere Entwicklungen zu einem besseren Verständnis sowie einem ausgereiften mathematischen Formalismus. Schließlich entstand das, was wir heute als Quantentheorie bezeichnen. (Für eine ausführlichere Darstellung der historischen Ereignisse siehe beispielsweise [45, 49, 34, 47].) - 1922 entdeckte Arthur Compton (1892 1962) den später nach ihm benannten Effekt der Lichtstreuung an Teilchen, wobei das Licht seine Wellenlänge verändert.
Historischer Einstieg 17 Die naheliegende (und zu den Daten passende) Erklärung war, dass sich einzelne Lichtquanten (Photonen) wie Teilchen verhalten und bei der Streuung entsprechend den mechanischen Stoßgesetzen einen Teil ihrer Energie an das streuende Objekt abgeben. Dabei verlieren sie selbst Energie, was nach der schon erwähnten Beziehung E = hν eine Veränderung der Wellenlänge bedeutet (vgl. Abschnitt 10.3). - 1923 entwickelte Louis de Broglie (1892 1987) seine Vorstellung von Materiewellen, die er in seiner Doktorarbeit von 1924 zusammenfasste. Damit wurde der Welle-Teilchen-Dualismus, der bisher nur für Photonen galt, auf sämtliche materielle Teilchen erweitert und es entstand ein einheitliches Bild der Materie. Die nach diesem Bild vorhergesagten Beugungserscheinungen für Elektronen wurden 1927 von Davisson und Germer beobachtet. - Nach der Entdeckung der Linienaufspaltung von Atomen in Magnetfeldern postulierte Wolfgang Pauli (1900-1958) im Jahre 1924 einen neuen Freiheitsgrad für Elektronen, der nur zwei mögliche Werte annehmen kann (den Spin), und 1925 formulierte er das nach ihm benannte Ausschließungsprinzip, wonach jedes Atomorbital nur zweimal besetzt werden kann, und zwar von jeder der beiden Spineinstellungen einmal. - 1925 begann Werner Heisenberg (1901 1976), die klassischen Observablen (Ort, Impuls, Energie, etc.) nicht als Eigenschaften von Objekten zu deuten, sondern als Ausdruck von Übergängen zwischen verschiedenen Zuständen dieser Objekte bei der Messung dieser Eigenschaften. In Zusammenarbeit mit Max Born (1882 1970) und Pascual Jordan (1902 1980) entstand daraus 1926 die sogenannte Matrizenmechanik [13]. - 1926 stellte Erwin Schrödinger (1887 1961) die Schrödinger-Gleichung auf und gelangte damit zu einer Formulierung der Quantenmechanik durch eine partielle Differentialgleichung. Diese Formulierung erhielt im Folgenden die Bezeichnung Wellenmechanik. Im Gegensatz zur Matrizenmechanik, welche für die Übergänge zwischen Zuständen Quantensprünge postuliert, wird die zeitliche Entwicklung von Quantensystemen hier kontinuierlich beschrieben. Das fundamentale mathematische Objekt, die Wellenfunktion, welches den Zustand beispielsweise eines Elektrons beschreibt, dachte sich Schrödinger noch als eine Repräsentation einer Ladungsdichteverteilung. Diese Interpretation konnte später nicht aufrecht erhalten werden. Allerdings konnte Schrödinger noch im selben Jahr beweisen, dass seine Wellenmechanik und Heisenbergs Matrizenmechanik im formal mathematischen Sinne äquivalent sind.
18 Historischer Einstieg - Ebenfalls 1926 formulierte Max Born (1882 1970) die Wahrscheinlichkeitsinterpretation der Wellenfunktion und legte damit den Grundstein für die wahrscheinlichkeitstheoretische Deutung der Quantentheorie [14]. Bei dieser ersten Version der Wahrscheinlichkeitsinterpretation dachte Born noch an eine Unkenntnis der tatsächlichen Zusammenhänge. Diese Interpretation musste jedoch bald aufgegeben werden, da sie im Widerspruch zum Doppelspaltexperiment war, denn eine reine Unkenntnis des Spalts, durch den ein Teilchen tritt, könnte die Interferenz nicht erklären. - 1926 1927 entwickelte Heisenberg aus Diskussionen mit Niels Bohr die Unschärferelationen; umgekehrt entstand bei Bohr aus diesem gedanklichen Austausch das Konzept der so genannten Komplementarität. Die Vorstellung klassischer Teilchenbahnen, beispielsweise von Elektronen in einem Atom, ließ sich damit nicht mehr halten. - 1927 schließlich kristallisierte sich aus den Diskussionen zwischen Heisenberg und Bohr, zusammen mit der Wahrscheinlichkeitsdeutung von Born, die so genannte Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik heraus. Auf der 5. Solvay- Konferenz in Brüssel im Oktober 1927 setzte sich diese Interpretation der Quantenmechanik hauptsächlich vertreten durch Bohr, Heisenberg, Born, Dirac, Pauli und Kramers nach teilweise hitzigen Diskussionen mit den Zweiflern an dieser Interpretation Einstein, de Broglie und Schrödinger durch. Damit war die Entwicklung der Quantenmechanik zu einem ersten Abschluss gekommen und die kommenden Jahre zeichneten sich durch die Anwendung des neuen Formalismus auf unterschiedliche physikalische Systeme und die Vertiefung des Verständnisses der mathematischen Strukturen aus. Versuchte Einstein anfänglich noch durch geschickt konstruierte Gedankenexperimente zu beweisen, dass die Quantenmechanik (insbesondere die Unschärferelationen) inkonsistent sei, gab er diese Versuche um 1930 auf, nachdem systematischere Analysen dieser Experimente meist durch Bohr immer wieder zugunsten der Quantenmechanik ausgefallen waren. Die folgende Auswahl von Ereignissen, die für die Grundlagen der Quantenmechanik von Bedeutung waren, ist sehr subjektiv und bei weitem nicht vollständig: - Im Jahre 1932 wurde das Buch Mathematische Grundlagen der Quantentheorie [65] von Johann von Neumann veröffentlicht, das die noch vorhandenen Unsicherheiten im Zusammenhang mit unendlich dimensionalen Vektorräumen auf eine mathematisch gesicherte Grundlage stellte. In diesem Buch bewies von Neumann auch, dass sich die Quantenmechanik nicht durch Erweiterung um zusätzliche (nicht beobachtbare) Freiheitsgrade im Rahmen eines klassischen Formalismus erklären lässt (eines der bekanntesten No-Go -Theoreme der Physik).
Historischer Einstieg 19-1935 schrieben Einstein, Podolsky und Rosen einen Artikel [24], in welchem sie zwei Teilchen in einem sogenannten verschränkten Zustand betrachteten und durch eine geschickte (gedankliche) experimentelle Anordnung glaubten zeigen zu können, dass die Quantenmechanik unvollständig sei und um zusätzliche Freiheitsgerade erweitert werden müsse. Dieses heute als EPR-Paradoxon bekannte Experiment ist immer noch Thema hitziger Diskussionen. Es steht zwar nicht im Widerspruch zur Quantenmechanik, zeigt aber doch die Existenz eigenartiger Korrelationen, die sich im Rahmen eines klassischen Weltbilds nicht so ohne Weiteres erklären lassen. - Aufbauend auf einem Modell von debroglie aus dem Jahre 1927 zeigte David Bohm 1952 [10] anhand einer expliziten Formulierung der Quantenmechanik in Form von Wellen und Teilchen, dass eine Interpretation der quantenmechanischen Beobachtungen ihm Rahmen eines klassischen Formalismus möglich ist. Seine Absicht war zu beweisen, dass von Neumann bei seinem No-Go -Theorem offenbar von physikalisch nicht notwendigen Annahmen ausgegangen sein musste, ohne allerdings die genauen Zusammenhänge klären zu können. Dieses zunächst als reines Gegenbeispiel gedachte Modell bezeichnet man heute als Bohm sche (Quanten-)Mechanik. - In den Jahren 1964 1966 konnte John Bell (1928 1990) die scheinbaren Widersprüche zwischen dem Beweis von Neumanns und dem Modell von Bohm klären, und er formulierte in diesem Zusammenhang eine Klasse von Ungleichungen, die jede klassische, lokale (ohne instantane Fernwirkungen) Theorie erfüllen muss, die aber in der Quantenmechanik verletzt sein können. 1982 zeigten die Experimente von Aspect [1] eindeutig, dass die quantenmechanischen Vorhersagen stimmen und die Bell schen Ungleichungen verletzt sind. Damit wurde gleichzeitig gezeigt, dass die Quantenmechanik eine nicht-lokale Theorie ist, wobei allerdings immer noch diskutiert wird, in welchem Sinne diese scheinbare Form der Nicht-Lokalität tatsächlich zu vestehen ist. Von einer allgemein akzeptierten Interpretation der Quantenmechanik sind wir immer noch weit entfernt. Einen ausgezeichneten Überblick über die historische Entwicklung der Quantenmechanik und insbesondere die verschiedenen Interpretationen der Quantenmechanik (zumindest bis in die 70er Jahre des letzten Jahrhunderts) gibt das Buch von Max Jammer [45]. Diese Fragen spielen für die Anwendungen der Quantenmechanik, ihre Vorhersagekraft oder auch ihre mathematische Beschreibung der Beobachtungen keine Rolle, weshalb sie auch oftmals im Rahmen der Physik nicht diskutiert werden. Kapitel 13 gibt einen kleinen Überblick zu den verschiedenen interpretatorischen Ansätzen.
20 Historischer Einstieg
Kapitel 2 Weshalb Quantenmechanik? I. Photonenexperimente zur Polarisation Um einen Einstieg in die Quantenmechanik zu erhalten, betrachten wir zunächst rein beschreibend und möglichst frei von Interpretationen zwei Gruppen von Experimenten: Experimente mit der Polarisation von Licht und (im nächsten Kapitel) Doppelspaltexperimente. In beiden Fällen werden die Phänomene zunächst für gewöhnliches Licht beschrieben, wo die Erscheinungen vertraut sind. Anschließend werden wir jedoch beschreiben, was passiert, wenn die Intensität des Lichts so weit herabgesetzt wird, dass nur noch einzelne Lichtquanten Photonen durch die experimentelle Anordnung treten. Der klassische mathematische Formalismus, der auf Amplituden und Intensitäten von Lichtwellen beruht, bleibt größtenteils unverändert, aber die Konzepte Amplitude und Intensität erhalten eine neue Interpretation. Was man wissen sollte Licht lässt sich klassisch durch elektromagnetische Wellen beschreiben. Diese Wellen haben eine Amplitude und eine Phase, außerdem kann Licht eine Polarisation haben. Das elektromagnetische Feld steht immer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, daher kann man die Polarisationsrichtung der Amplitude durch einen Vektor in einer 2- dimensionalen Ebene beschreiben. Tritt Licht durch einen Polarisationsfilter, wird die Amplitude auf die Richtung der Polarisation projiziert. Die Intensität ist proportional zum Absolutquadrat der Amplitude. Wird Licht immer schwächer, beobachtet man nicht mehr eine kontinuierliche Intensitätsverteilung, sondern es werden lokalisiert diskrete Energiequanten auf eine photografische Platte (Detektor etc.) übertragen. Die Energie E dieser Quan- 21
22 Weshalb Quantenmechanik? - Die Polarisation von Photonen ten hängt mit der Wellenlänge λ über die Beziehung E = hc/λ zusammen, wobei h das Planck sche Wirkungsquantum und c die Lichtgeschwindigkeit sind (beides fundamentale Naturkonstanten). Die Intensität auf einer photografischen Platte wird zu einer relativen Häufigkeit solcher Energiequanten. Die Interpretation der Amplitude bleibt zunächst offen. Trotzdem bleibt der mathematische Formalismus unverändert: Die Amplitude wird beim Durchtritt durch einen Polarisationsfilter auf die Polarisationsachse projiziert und die Intensität, die für einzelne Energiequanten oder Photonen die Interpretation einer Wahrscheinlichkeit für den Nachweis eines solchen Photons erhält, ist proportional zum Absolutquadrat der Amplitude. 2.1 Klassische Lichtwellen 2.1.1 Licht als Welle und seine Intensität Der Streit, ob es sich bei Licht um Teilchen oder Wellen handelt, reicht historisch weit zurück. Isaac Newton (1642 1726) vertrat in seiner Opticks [58] ein Teilchenbild, da er damit beispielsweise die nahezu geradlinige Ausbreitung von Licht erklären konnte, aber auch weil er unter anderem wegen der nahezu reibungsfreien Bewegung der Planeten nicht an das Vorhandensein eines Äthers glaubte. Damals konnte man sich eine Welle ohne ein Medium, von dem diese Welle eine Anregung oder Schwingung darstellt, nicht vorstellen. Sein Zeitgenosse Christiaan Huygens (1629 1695) hingegen vertrat ein Wellenbild von Licht, mit dem sich Beugungs- und Interferenzerscheinungen (z.b. Newton sche Ringe) leicht erklären ließen. Im 19. Jahrhundert setzte sich die Vorstellung von Licht als einer Welle durch, insbesondere nachdem James Clerk Maxwell (1831 1879) und Heinrich Hertz (1857 1894) zeigen konnten, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist, die sich als Lösung der Maxwell-Gleichungen darstellen lässt. Dabei wird Licht durch ein elektrisches (und magnetisches) Vektorfeld beschrieben, das der Wellengleichung genügen muss: Für ebene Lichtwellen erhält man Lösungen der Form ( ) 1 2 c 2 t E(x, t) = 0. (2.1) 2 E(x, t) = A e i( k x ωt), (2.2) wobei k (mit k = 2π ) der Wellenzahlvektor ist und ω = 2πν = 2πc/λ die Winkelfrequenz. λ ist die Wellenlänge des Lichts, ν die normale Frequenz (Anzahl von λ Schwingungen pro Zeiteinheit) und c die Lichtgeschwindigkeit. Aus der freien Maxwell- Gleichung E = 0 ergibt sich k E = 0, d.h. E und damit auch die Amplitude
Klassische Lichtwellen 23 A stehen senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung. Sichtbares Licht ist eine elektromagnetische Welle, deren Wellenlänge im Bereich zwischen rund 380 nm und 780 nm liegt. Licht mit 400 nm erscheint blau-violett, Licht mit 700 nm kräftig rot. Zur Bestimmung des physikalischen E-Feldes muss man die Lösung 2.2 in ihren Real- und Imaginärteil zerlegen, also in Sinus- und Kosinusfunktionen, allerdings ist dabei zu berücksichtigen, dass A komplex sein kann. Das bedeutet, die beiden Komponenten der reellen Lösungen können verschiedene Phasen haben. Man erhält auf diese Weise teilweise zirkular polarisiertes Licht, wohingegen man bei Phasengleichheit von linear polarisiertem Licht spricht. Wegen der beiden gekoppelten freien Maxwell-Gleichungen, E = 1 c B t und B 1 E = c t, (2.3) (sowie B = 0) liegt die Lösung für das B-Feld bis auf eine Konstante fest, sobald das E-Feld bekannt ist (ich verwende hier die in der theoretischen Physik gebräuchlichen Gauß-Einheiten, diese Details spielen aber keine Rolle). Für das Folgende ist es wichtig, eine Vorstellung von der Intensität einer Welle zu bekommen. Allgemein versteht man unter der Intensität einer Welle eine Energiestromdichte (Energiedichte multipliziert mit der Geschwindigkeit des Energieträgers), also die Energiemenge, die pro Zeiteinheit durch oder auf ein Flächenelement tritt. Zum Nachweis der Welle ist wichtig, wie viel Energie die Welle pro Zeiteinheit und Flächeneinheit auf das Nachweismaterial (photografische Platte, Szintillationsschirm, Geiger-Zähler, Photomultiplyer, CCD-Kamera etc.) überträgt. Diese Menge sollte aber bei nicht zu hohen Intensitäten proportional zur Intensität der Welle sein. Die Schwärzung einer photografischen Platte ist proportional zur Intensität der Strahlung und proportional zur Belichtungszeit, da hier die gesamte übertragene Energie relevant ist. Die Energieflussdichte des elektromagnetischen Feldes wird durch den Poynting- Vektor beschrieben: S(x, t) = c 4π ( E(x, t) B(x, t)), (2.4) und auch die Energiedichte selbst ist ein quadratischer Ausdruck in den Feldern: w(x, t) = 1 8π ( E(x, t) 2 + B(x, t) 2 ). (2.5) Daher ist es plausibel (und lässt sich in einer ausführlicheren Betrachtung auch zeigen), dass die Intensität der Welle am Ort x durch das Quadrat der Amplitude gegeben ist: I(x) A(x) 2. (2.6) Eine Zeitabhängigkeit werden wir in Zukunft vernachlässigen: Sichtbares Licht hat eine Frequenz von rund 4 8 10 14 Hz. In den meisten Experimenten werden daher nur
24 Weshalb Quantenmechanik? - Die Polarisation von Photonen gemittelte Intensitäten gemessen. Langsame Zeitabhängigkeiten aufgrund von Intensitätsschwankungen der Quelle lassen wir ebenfalls außer acht. Beobachtet wird natürlich immer nur die von einem Detektor oder einer photografischen Platte absorbierte Energiemenge. Diese wird beispielsweise von David Bohm in seinem Buch zur Quantenmechanik [9] hergeleitet. Jeder Oszillator wirkt wie eine kleine Antenne und kann von der Welle Energie absorbieren. Die absorbierte Energiemenge hängt natürlich auch von der Frequenz der Welle (sowie der Eigenfrequenz der Oszillatoren) ab, bleibt aber proportional zum Absolutquadrat der Amplitude. 2.1.2 Polarisation und Polarisationsstrahlteiler Licht kann in unterschiedlichen Polarisationen vorkommen. Allgemein unterscheidet man linear (oder auch planar) polarisiertes Licht und zirkular polarisiertes Licht (sowie natürlich Mischformen dieser beiden). Der Einfachheit halber interessiert uns im Folgenden nahezu ausschließlich linear polarisiertes Licht. In diesem Fall ist der Amplitudenvektor A in Lösung 2.2 reell und die Phasen der Welle sind für beide Komponenten gleich. Für die weiteren Betrachtungen stellen wir uns immer vor, dass sich die ebene Lichtwelle in Richtung der z-achse ausbreitet, der Vektor A liegt somit in der xy- Ebene. In dieser Ebene hat die Welle überall denselben Wert, d.h., wir vernachlässigen die Abhängigkeiten, die sich durch die endliche Ausdehnung der Polarisationsfilter, Blenden, Schirme etc. ergeben. Der Betrag von A beschreibt die Amplitude der Welle und seine Richtung die momentane Polarisation. Als wichtigstes Instrument zur Beeinflussung der Amplituden betrachten wir im Folgenden den Polarisationsstrahlteiler. Oftmals handelt es sich dabei um einen Würfel (daher auch Polwürfel genannt), der aus zwei Prismenteilen zusammengesetzt ist (Abb. 2.1). Die Prismen sind durch eine Grenzfläche getrennt, deren Effekt ähnlich der einer Wasser- oder Glasoberfläche ist: Trifft ein Lichtstrahl auf die Grenzfläche, wird ein Teil des Strahls reflektiert und ein Teil in das Medium gebrochen. Unter einem bestimmten Winkel (dem Brewster-Winkel) ist der reflektierte Strahl dabei vollständig linear polarisiert und zwar parallel zur Grenzfläche (und natürlich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung). Der gebrochene Strahl ist im Allgemeinen eine Superposition der beiden möglichen Polarisationen, wobei der Anteil parallel zur Grenzfläche um den reflektierten Anteil verringert ist. Bei bestimmten Kristallen kann man durch geeignete Beschichtungen sowie Mehrfachgrenzflächen erreichen, dass auch der gebrochene Strahl vollständig polarisiert ist. Der Brewster-Winkel ist dadurch definiert, dass der Winkel zwischen gebrochenem und reflektiertem Strahl gerade 90 beträgt. Statt eines Polarisationsstrahlteilers verwendet man für manche Experimente auch einfache Polarisationsfilter. Dabei handelt es sich meist um Kristalle, die Licht
Klassische Lichtwellen 25 h.......... v v h Abbildung 2.1: (Links) Ein Polwürfel oder Polarisationsstrahlteiler besteht aus zwei zusammengesetzten Prismen mit einer besonders präparierten Grenzfläche. (Mitte) Ein einfallender (unpolarisierter) Strahl wird in zwei (orthogonal) polarisierte Strahlen aufgespalten. Der reflektierte Strahl besitzt eine Polarisation parallel zur Grenzfläche (v) in der Abbildung senkrecht zur Bildebene, der durchgelassene Strahl eine horizontale Polarisation (h) in der Bildebene. (Rechts) Umgekehrt kann man auch zwei geeignet polarisierte Strahlen zu einem gemeinsamen Strahl zusammenführen. Bei umgekehrter Wahl der Polarisationen für die einfallenden Strahlen verläuft der ausfallende Strahl nach oben. einer Polarisation absorbieren und Licht mit einer orthogonalen Polarisation durchlassen. Oft erlauben die atomaren Bestandteile dieser Kristalle das Schwingen von Ladungsträgern entlang einer ausgezeichneten Richtung, sodass diese Ladungen bezüglich dieser Richtung wie Antennen wirken, welche die elektromagnetische Strahlung absorbieren. Für das Folgende können wir bei Polarisationsfiltern aber auch einfach an Polarisationsstrahlteiler denken, bei denen uns für weitere Untersuchungen nur einer der austretenden Strahlen interessiert. Hinter der anderen austretenden Strahlrichtung kann ein Detektor die Strahlung nachweisen (vgl. Abb. 2.2). Wir interessieren uns bei den Polarisationsexperimenten ausschließlich für die Amplitude A und ihr Verhalten, wenn der Lichtstrahl durch Polarisationsstrahlteiler oder Polarisationsfilter tritt, deren Achsen unter verschiedenen Winkeln in der Polarisationsebene ausgerichtet sind. Abgesehen von den Strahlteilern bzw. Filtern sollen keine weiteren Einflüsse den Betrag oder die Richtung dieser Amplitude verändern. Die mathematische Beschreibung reduziert sich daher auf die Betrachtung des Amplitudenvektors A in einem 2-dimensionalen (reellen) Vektorraum. 2.1.3 Hintereinandergeschaltete Polarisationsfilter Wir stellen uns nun einen Lichtstrahl vor, der durch einen ersten Polarisationsfilter getreten ist. Die Polarisationsachse dieses Filters sei parallel zur horizontalen x-
26 Weshalb Quantenmechanik? - Die Polarisation von Photonen Detektor v h h v y x Abbildung 2.2: (Links) Wird bei einem Polwürfel die Intensität des abgelenkten Strahls mit einem Detektor gemessen, erhält man effektiv einen Polarisationsfilter, für den (bei Kenntnis der Intensität des einfallenden Strahls) die Intensität des durchgelassenen Strahls auch ohne direkte Messung bekannt ist. (Mitte und Rechts) Für Polarisationsfilter bzw. bei Verwendung eines Polwürfels als Polarisationsfilter verwenden wir im Folgenden diese Symbole. Die Richtung der durchgelassenen Polarisation wird durch den eingezeichneten Kreisdurchmesser markiert. h bezieht sich auf horizontale Polarisation (in x-richtung) und v auf eine vertikale Polarisation (in y-richtung) bei Blick in Strahlrichtung. (Achtung: Das Koordinatensystem zur xy-richtung bezieht sich nur auf die symolisch dargestellen Polfilter und bezeichnet immer eine Ebene senkrecht zur Strahlrichtung.) Achse. Hinter dem Polarisationsfilter hat die Amplitude des Lichts somit nur eine x-komponente: A = A e x. Wir können die Intensität dieses Lichtstrahls (d.h. das Betragsquadrat von A) beispielsweise durch einen Szintillationsschirm sichtbar machen oder durch eine photographische Platte messen. Lassen wir das so präparierte Licht durch einen zweiten Polarisationsfilter mit derselben Polarisationsachse hindurchtreten, passiert im Wesentlichen nichts: Das Licht tritt ungehindert durch den zweiten Filter hindurch; seine Intensität ist dieselbe wie vorher. Dieses Verhalten erlaubt es uns erst, von einer Polarisation des Lichts zu sprechen. Steht die Achse des zweiten Polarisationsfilters jedoch senkrecht auf der Achse des ersten Polarisationsfilters, wird das gesamte Licht absorbiert und es tritt nichts hindurch, wie wir wieder durch die Detektorplatte nachweisen können. Nun soll die Polarisationsachse des zweiten Filters jedoch unter einem Winkel α zur Achse des ersten Filters stehen. In diesem Fall tritt nur ein bestimmer Anteil des Lichts durch den Filter. Experimentell stellt man fest, dass die Intensität I 2 hinter dem Filter mit der Intensität I 1 vor dem Filter über die Beziehung zusammenhängt. I 2 = I 1 cos 2 α (2.7)
Klassische Lichtwellen 27 Diese Beziehung lässt sich leicht verstehen, wenn man die Amplitude A der Welle als einen gewöhnlichen Vektor interpretiert, der in eine Komponente parallel zur Polarisationsachse und eine Komponente senkrecht zur Polarisationsachse des zweiten Filters zerlegt werden kann. Die Komponente senkrecht zur Polarisationsachse des Filters wird von dem Filter absorbiert und es tritt nur die Komponente parallel zur Polarisationsachse hindurch. Insgesamt kann man die Wirkung des zweiten Polarisationsfilters somit als als eine Projektion dieses Vektors auf die Achse des Filters interpretieren und es gilt für den Betrag der Amplitude: A 2 = A 1 e α = A 1 ( e x e α ) = A 1 cos α. (2.8) Da die Intensität der Welle gleich dem Quadrat der Amplitude ist, verringert sich die Intensität der Welle um den Faktor cos 2 α. Ein verblüffender Effekt ergibt sich, wenn man hinter den ersten Polarisationsfilter (mit seiner Achse parallel zur x-achse) zunächst einen zweiten Filter stellt, dessen Polarisationsachse senkrecht auf dem ersten Filter steht, dessen Achse also entlang der y-achse liegt. Nun tritt kein Licht durch die Anordnung der beiden Filter hindurch. Schiebt man aber einen dritten Filter zwischen die ersten beiden Filter, sodass dessen Polarisationsachse unter einem Winkel von 45 zu den anderen beiden Polarisationsachsen steht, tritt plötzlich wieder Licht durch die Anordnung hindurch. Verblüffend an diesem Experiment ist, dass durch das Hinzufügen eines weiteren Filters zu einer Anordnung, die zunächst sämtliches Licht absorbiert, plötzlich wieder Licht hindurchtritt. Der Effekt lässt sich wiederum leicht verstehen, wenn man bei Licht an eine Welle mit einer Amplitude denkt, die von den Polarisationsfiltern immer auf die Polarisationsachse projiziert wird. Anfänglich stehen die beiden Filter senkrecht aufeinander und es tritt kein Licht hindurch. Wurde der dritte Filter dazwischengeschoben, wird die Amplitude zunächst auf eine Achse unter einem Winkel von 45 projiziert und verkürzt sich damit um den Kosinus von 45 : A 2 = ( A 1 e x e 45 ) e 45 = A 1 cos 45 e 45 (2.9) Am dritten Filter wird diese neue Amplitude, die nun nicht mehr senkrecht auf der y-achse steht, auf die y-achse projiziert und somit wieder um den Faktor cos 45 gekürzt. Insgesamt erhalten wir für die Amplitude hinter dem dritten Filter: A 3 = A 1 cos 2 (45 ) e y. (2.10) Der Betrag der Amplitude hat sich also halbiert und für die Intensität folgt: I 3 = I 2 (cos 45 ) 2 = I 1 (cos 45 ) 4 = 1 4 I 1. (2.11)