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Das Photon am Doppelspalt

Teilchen oder Welle?

Die Frage ist alt. Sir Isaac Newton meinte vor dreihundert Jahren: Teilchen! Christiaan Huygens meinte: Welle! Und als Thomas Young vor zweihundert Jahren sein Doppelspaltexperiment vorführte, war man bei der Royal Society nicht begeistert, denn es waren deutliche Interferenzstreifen zu sehen.

Kann man sich heute besser vorstellen, "was ein Photon am Doppelspalt macht"?

Man nimmt ein Wellenpaket (also die mathematische Darstellung eines halbwegs lokalisierten Photons) und lässt es gegen einen Doppelspalt laufen. Und siehe da: ein Teil wird absorbiert, ein Teil wird reflektiert, ein Teil passiert  - und alles interferiert. Also hatte wohl Huygens recht! 

Zu dumm nur, dass man zum Beispiel auf einem Film nie eine kontinuierliche Intensitätsverteilung sieht, sondern das Photon von einzelnen Atomen absorbiert wird - und zwar am Stück. Aber das kann ja an den Atomen liegen.

Auch wenn die Trefferquote sich an die Intensitätsverteilung hält: Das ist doch eine typische Teilcheneigenschaft! Und Teilchen können nicht durch beide Spalte gleichzeitig, sie sollten sich also auch am Doppelspalt lokalisieren lassen.

 

Und wie stellt man fest, durch welchen Spalt das Photon flog? Ganz einfach: man schließt einen Spalt?

Aber da bekommt man wieder Probleme: Jetzt kann man zwar genau sagen, durch welchen Spalt das Photon ging, dafür ist es anschließend um so weniger lokalisiert.

 

Wenn man es etwas intelligenter macht, indem man beide Spalte offen lässt und sich die Information über den Weg des Photons mit anderen Mitteln besorgt, benimmt sich das Photon tatsächlich wie ein Teilchen: Das Interferenzmuster  verschwindet, weil die Kohärenz gestört wurde.

Sieht fast aus wie eine Flutwelle, die wegen der großen Turbulenzen beim Passieren der Öffnungen nicht mehr interferieren kann - jedenfalls gibt es keine lineare Superposition mehr.

Es gibt inzwischen sogar Experimente, in denen man die Kohärenz nur teilweise stört. Nicht unbeabsichtigt (etwa durch Messfehler), sondern ganz gezielt kann man zum Beispiel 50% Newton und 50% Huygens einstellen...

... oder die Apparatur vom Nachweis eines Teilchens zum Nachweis einer Welle durchregeln ;-))

Anmerkung: Die Bilder wurden nach den Regeln der Quanten- und Wellenmechanik mit Maple erzeugt. Nach oben ist jeweils das Betragsquadrat der Psi-Funktion des Photons am Doppelspalt abgetragen.

Siehe auch: 

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aus 'Moderne Physik mit Maple'

komma@oe.uni-tuebingen.de

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