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Unsere Welt zu verstehen:  Doppelspalt Materieteilchen



 Beitrag 0-542
 
 

 
Zum Doppelspalt-Experiment:

Wie sogar Materieteilchen — ein Elektron etwa — durch beide Spalten fließen

und dahinter Interferenz mit sich selbst zeigen

 
 
Von Quantenverschränkung mal abgesehen, ist das sog. Doppelspalt-Experiment Grundlage all unseres Wissens über die wahre Natur von Quanten:
 
Insbesondere ist das Doppelspalt-Experiment (in all seinen Varianten) Beweis für die Tatsache: "There are no Particles — there are only Fields".
 
 
Als ganz besonders informativ empfinde ist die beiden folgenden Aspekte des Experiments:
     
  • Den sog. "Quantenradierer" einerseits und
     
  • die im Video » How Big is a Photon « uns klar gemachte Tatsache, dass durch die Doppelspalt stets die Summe aller QuBits im Feld kommt (statt nur die eine von uns gerade erzeugte zusätzliche Welle, so dominant sie zunächst auch sein mag).

 
 
Insgesamt zeigt sich im Lichte der Feldtheorie:
     
  • Jedes Quant — sei es Boson (z.B. ein Photon) oder Fermion (z.B. ein Elektron oder ein aus 60 Atomen bestehendes Fulleren-Molekül) — ist Anregung des Potentialfeldes der physikalischen Grundkräfte.
     
  • Die orts- und zeitabhängige Amplitude des Feld ist Summe solcher Feldanregungen.
     
  • Wo also vor dem Doppelspalt ein hin zu ihm gesandtes Quant entsteht, addiert es sich zum Feld und darf ab da nicht mehr einzeln betrachtet werden (selbst dann nicht, wenn sie das derzeit dominanteste Wellenpaket darstellt, denn:
     
    Genau genommen ist das, was durch den Doppelspalt kommt, nicht einfach nur das durch die Apparatur vor dem Doppelspalt erzeugte Photon oder Elektron, sondern stets die Summe aller Wellen des Feldes.
     
  • Jeder Teil dieser Schwingung des Feldes, der durch eine der Spalten kommt, wird dahinter polarisiert sein in der durch den Spalt bestimmten Richtung, so dass — wenn beide Spalten parallel zu einander sind — die beiden durch die Spalten kommenden Teilwellen der Gesamtanregung des Feldes in gleicher Ebene polarisiert sind und daher interferieren.
     
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  • Wenn nun jemand denkt, sich Pfadinformation besorgen zu müssen mit dem Ziel, zu erkennen, durch welche der beiden Spalten das Photon oder Elektron in seiner Rolle als sog. "Teilchen" kam, muss er hinter die Spalten Polarisationsfilter setzen mit dem Ziel, an der Polarisierung der auf dem Schirm hinterm Doppelspalt kommenden Schwingung erkennen zu können, durch welchen der beiden Spalten sie kam.
     
    Sobald nun aber die beiden durch die Splaten kommenden Teilschwingungen senkrecht zu einander polarisiert sind, werden sie genau deswegen nicht mehr interferieren können — einfach deswegen, da senkrecht auf einander stehende Amplituden sich als Vektoren ja ganz grundsätzlich nicht zu Null addieren können.
     
    Das also ist der Grund, warum Interferenz verschwindet, sobald man versucht, Pfadinformation zu bekommen.
     
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  • Unter dem sog. Quantenradierer-Experiment versteht man das Doppelspalt-Experiment so aufgebaut, dass hinter den Spalten Polarisationsfilter mit senkrecht zu einander stehenden Polarisationsebenen aufgebaut sind, weiter hinten — direkt vor dem Schirm — dann aber ein dritter Polarisationsfilter steht, der alles durch die Spalten Gekommene dann wieder gleich polarisiert.
     
    Ergebnis: Ein Schirm hinter den Doppelspalt wird,
       
    • wenn er noch vor den dritten Polarisationsfilter eingefügt wird, keine Interferenz zeigen,
       
    • wenn hinter ihn gesetzt wird, aber doch Interferenz zeigen.
       
      Wenig kompetente Sachbuchautoren schreiben das der dort hinten wieder fehlenden "Pfadinformation" zu, tatsächlicher Grund aber ist die hinter dem dritten Filter nun wieder einheitliche Polarisierung der beiden durch den Doppelspalt gekommenen Teilschwingungen.

     
  • Was die bis etwa 1960 erarbeitete Quantenmechanik ein "Teilchen" nannte, ist — wie Quantenfeldtheorie nun zeigt — nichts weiter als die durch eine Feldanregung dargestellte Portion von Energie. Sie ist genau dann unteilbar, d.h. genau dann nur ganz oder gar nicht auf andere Teilchen übertragbar, wenn sie harmonische — und somit auch durch Fourier-Transformation nicht mehr zerlegbare — Welle ist.

 
Note: Wenn man sagt, die Apparatur vor dem Doppelspalt erzeuge genau ein Photon, so ist das natürlich nur fast richtig. Tatsächlich wird die Feldanregung, die hier erzeugt wurde, sich als Fourier-Reihe darstellen, deren dominanter Term nahezu schon die gesamte Energie der Welle repräsentiert. Der Rest wird Summe nur noch virtueller — d.h. einzeln gar nicht mehr beobachtbarer — Photonen sein, die nach Heisenbergs Unbestimmtheitsrelation so eine Art sich ständig selbst modifizierender Wolke um das eigentliche Photon herum darstellen.
 
Man könnte das jetzt bestätigt sehen durch die Tatsache, dass die Energie eines einzeln zum Doppelspalt gesandten Photons selten ebenso groß ist wie die an den Schirm hinterm Doppelspalt abgegebene.
 
Aber natürlich lässt sich diese Beobachtung auch dadurch erklären, dass durch den Doppelspalt stets die Gesamtschwingung des Feldes fließt (statt nur die vor dem Doppelspalt erzeugte zusätzliche Feldanregung, die wir » das im Experiment zum Doppelspalt geschickte Quant « nennen).

 


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tags: stw2434D: Doppelspalt+Materieteilchen+Elektron+Spalten


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