Interessantes zu Theoretischer Physik

Quanten, Welle, Teilchen, QuantenRadierer

Quanten-Radierer zeigt:


Quanten sind Welle, nicht Teilchen

Als Quanten-Radierer bezeichnet man eine Variante von Youngs Doppelspalt-Experiment, die geeignet ist, besonders deutlich klar zu machen, dass Interferenz genau dann eintritt, wenn man nicht wissen kann, durch welchen der beiden Spalten ein bestimmtes Photon gekommen ist.

Wir werden gleich sehen: Schon zu fragen, durch welche Spalte es gekommen sein könnte, macht gar keinen Sinn — seine Präsenz als Potentialschwingung (als Welle) wird sich natürlich stets in jeder nicht durch ein Hindernis verstellten Richtung gleichzeitig aus­breiten.

Wenn wir einen Strahl aus Photonen auf zwei enge Spalte fallen lassen, sehen wir auf einer Leinwand dahinter ein Interferenzmuster. Das gilt auch dann noch, wenn keine zwei dieser Photonen gleichzeitig auf die Reise geschickt werden.

Jedes Photon ist Kugelwelle bis hin zu den Punkten, an denen es zum ersten Mal auf ein Hindernis trifft. Die Wand etwa, in der sich die beiden Spalte befinden, zerlegt jene Kugelwelle in zwei kegelartige Reste hinter der Wand, deren jeder kegelartige Form mit Spitze in einer der beiden Spalten hat. Jeder dieser beiden Teile ist — als Potentialschwingung — von genau derselben Charakteristik wie das ursprünglich ausgesandte Photon. Es ist also gar kein Wunder, dass diese beiden Wellen gleich polarisiert sind, zu einander synchron schwingen, und so interferieren (man sagt, das Photon interferiere mit sich selbst).

Wirklich verwunderlich aber ist dass sich auf der Wand, die das Interferenzmuster zeigt, für jedes der ausgesandten Photonen nur ein Lichtpunkt zeigt, was bedeutet, dass das Photon auch hinter den beiden Spalten noch immer ein einziges Ganzes sein muss (obgleich es dort schon in zwei Teile zerlegt zu sein scheint).


Man muss es also so sehen: Wo ein Photon entsteht, ist es zunächst Kugelwelle. Sie breitet sich aus, kann dabei auf Hindernisse stoßen, wird durch sie aber nur verformt (insofern als die Welle nun nicht mehr die Form nur einer Kugel hat). Das so verformte Schwingungsmuster bleibt weiterhin ein Ganzes, seinem Wesen nach Unteilbares, das erst später — irgendwann — mit seiner Umgebung so stark wechselwirken wird, dass es nicht einfach nur verformt sondern mit anderen Potentialwellen verschmolzen wird — und das wirklich als Energieportion.

Das Produkt solcher Verschmelzung zerlegt sich i.A. sofort wieder in Quanten (neue Energieportionen). Einige von ihnen führen zu dem, was wir dann als hellen Punkt auf der Leinwand hinter den beiden Spalten wahrnehmen (wir denken, hier das ursprüngliche Photon zu sehen, was aber streng genommen gar nicht so ist — es ist dies nur die Stelle, an der es seine Existenz aufgab).


Wird einer der beiden Spalte abgedeckt, verschwindet das Interferenzmuster auf der Leinwand.

Statt den einen oder den anderen Spalt abzudecken, kann man vor ihn aber auch je einen Polarisator schalten. Deren Polarisationsebene sei vertikal an Spalt 1 und horizontal an Spalt 2.

Schaltet man nun direkt hinter der Lichtquelle einen dritten Polarisator, dessen Ebene 45 Grad zur Verti­kalen ausgerichtet ist, wird jeder der beiden Spalte gleich viel Photonen durchlassen.

Dennoch zeigt sich jetzt auf der Leinwand KEINE Interferenz. Dies wird üblicherweise dadurch erklärt, dass jetzt für jedes Photon hinter den Spalten klar ist, durch welchen der beiden Spalte es kam: vertikal polarisierte Photonen kamen durch Spalt 1, horizontal polarisierte kamen durch Spalt 2.

Man kann dieses Wissen löschen, indem man der die Photonen auffangenden Leinwand einen weiteren Polarisationsfilter vorschaltet, dessen Ebene 45 Grad zur Vertikalen ausgerichtet ist. Er wird dann 50% aller vertikal polarisiert ankommenden Photonen durchlassen ebenso wie 50% aller horizontal polari­sierten, wobei aber hinter ihm beide ein und dieselbe Polarisierung tragen werden (und daher auf der Leinwand wieder Interferenz sichtbar wird).

Kurze Überlegung macht klar: Wellen, die senkrecht zueinander polarisiert sind, können gar nicht interferieren, und Wellen, die gleich polarisiert sind, werden natürlich interferieren.

Der Grund für das Verschwinden und Wiederauftauchen von Interferenz ist keineswegs gegebenes bzw. nicht gegebenes Wissen über den Weg, den ein zum Doppelspalt gesandtes Energiepaket — ein Photon oder ein Materieteilchen als de-Broglie-Welle — nahm!

Es floß ja stets durch jeden offenen Spalt.

Der eigentliche Grund für das Verschwinden der Interferenz ist, dass jede sog. "Weginformation" ga­rantierende Apparatur mindestens eine Eigenschaft der durch einen Spalt kommenenden Teilwelle neu definiert (genauer: unterschiedlich definiert hinter jedem Spalt) und so Interferenz der Teilwellen unmöglich macht [QR].

Das Quanten-Radierer-Experiment zeigt deswegen vor allem eines:


Quanten haben in erster Linie  W e l l e n n a t u r .

Jedes Quant kommt als eine ganz gewisse, nicht lokalisierte Portion von Energie.

Dennoch interagiert so ein Quant mit seiner Umgebung nur lokal
und verliert dadurch genau dann seine Identität, wenn es Energie aufnimmt oder abgibt.

Nur wo ein Quant mit seiner Umgebung interagiert, kann es uns auch als Teilchen erscheinen,

aber nirgendwo sonst (!)



Wissenswertes zu "QuantenRadierer, Teilchen, Welle, Quanten" zusammengestellt durch Gebhard Greiter.
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