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 Ein Doppelspaltaufbau für ein Labor. Der Abstand zwischen den beiden oberen Vorsprüngen beträgt ca. 2,5 cm. |
Es Doppelspaltexperiment ist ein Physik Experimentiere, um Licht oder Materie zu zeigen verhält sich manchmal wie ein Teilchen und manchmal wie eine Welle.
In der Standardversion des Experiments a kohärent Lichtstrahl, zum Beispiel a Laser-, auf einem Teller mit zwei schmalen Schlitzen. Dadurch wird auf einem hinter den Schlitzen befindlichen Bildschirm a Interferenzmuster von hellen und dunklen Flecken sichtbar, was erklärt werden kann, wenn man das Licht als Welle betrachtet Beugung die Risse erfahren. Führt man das Experiment jedoch bei sehr geringer Lichtintensität durch, wird deutlich, dass das Licht als einzelne Punkte auf dem Bildschirm ankommt. Dies lässt sich erklären, indem man das Licht als Teilchen betrachtet (Photonen), die nacheinander auf dem Bildschirm erscheinen. Das Interferenzmuster wird erst nach einiger Zeit sichtbar, weil die Photonen nicht gleich häufig auf den Bildschirm treffen.
Das Besondere an dem Experiment ist, dass dieses Interferenzmuster noch sichtbar wird, wenn die Intensität des Strahls so reduziert wird, dass die Photonen nacheinander durch die Schlitze treten und somit kein anderes Photon vorhanden ist, mit dem das Photon interferieren könnte. Es scheint also, als würde 1 Photon gleichzeitig durch beide Schlitze gehen und sich selbst stören. Wenn man jedoch einen Detektor in der Nähe der Schlitze platziert, um zu sehen, durch welchen Schlitz das Photon hindurchgeht, stellt sich heraus, dass das Photon immer durch einen einzigen Schlitz und nicht durch zwei gleichzeitig hindurchgeht. Die Platzierung eines Detektors an den Schlitzen bedeutet aber auch, dass sich auf dem dahinter liegenden Schirm kein Interferenzmuster ausbildet.
Das Experiment kann auch durchgeführt werden mit performed Elektronen, Atome oder mit einem Mikroskop sichtbare Partikel wie Bucky Bälle anstelle von Licht erzeugt das gleiche Interferenzmuster.
Geschichte
Obwohl das Doppelspaltexperiment heutzutage hauptsächlich im Zusammenhang mit dem Quantenmechanik, die Originalversion des Experiments stammt von dem englischen Wissenschaftler Thomas Jung. Mit dem Youngs Interferenzexperiment um 1805 versuchte er, die Frage zu lösen, ob Licht aus Teilchen oder aus Wellen besteht, die durch einige hindurchgehen Äther reisen, genau wie Schallwellen durch die Luft.
Die während des Experiments beobachteten Interferenzmuster beim Durchgang von Licht durch zwei Schlitze schienen der Teilchentheorie zu widersprechen, und die Wellentheorie des Lichts blieb die einzige akzeptierte Theorie bis zum Anbruch der Welt 20. Jahrhundert, als sich Beweise zu häufen begannen, die zeigen würden, dass sich Licht manchmal wie ein Teilchen und manchmal wie eine Welle verhält.
Das Doppelspalt-Experiment und seine Variationen wurden dann bekannt well Gedankenexperiment für seine Klarheit bei der Darstellung der zentralen Fragen der Quantenmechanik, obwohl das Experiment erst 1961 mit Teilchen (außer Photonen) durchgeführt wurde, als Claus Jonsson des Universität Tübingen führte das Experiment mit Elektronen durch. Im Jahr 1974 Forscher unter der Leitung von Pier Giorgo Merlic zum Universität Mailand Führen Sie das Experiment durch, indem Sie die Elektronen nacheinander emittieren.
Die Ergebnisse des Experiments von 1974 wurden veröffentlicht, fanden jedoch keine breite Beachtung. 1989 wurde das Experiment von Tonomura und anderen bei . wiederholt Hitachi im Japan mit verbesserter Ausstattung. Außerdem war ihre Methode genauer und eleganter, und ihre Ergebnisse stimmten mit denen von Merlis Gruppe überein. Obwohl Tonomura behauptete, dass das italienische Experiment die Elektronen nicht einzeln nachweisen konnte, ein Schlüssel zum Nachweis des Welle-Teilchen-Paradoxons, ist der Nachweis einzelner Elektronen in den Bildern der italienischen Gruppe möglich.[1][2]
Im September 2002 wurde das Doppelspaltexperiment von Claus Jönsson von den Lesern der zum schönsten Experiment gekürt Physik Welt.[3]
Young .s Interferenzexperiment
In Youngs ursprünglichem Experiment Licht zuerst durch einen einzelnen dünnen vertikalen Schlitz, dann durch zwei Schlitze und wird dann auf einem Rückschirm abgebildet. Wird einer der beiden Schlitze abgedeckt, so dass nur Licht durch den anderen Schlitz dringen kann, ist auf der Heckscheibe ein Beugungsmuster mit aufgefächertem Licht sichtbar. Je schmaler der Spalt ist, desto größer ist die Streuung des Lichts.
Dieses Ergebnis unterscheidet sich von dem, was man erwarten würde, wenn Licht aus Teilchen bestünde. In diesem Fall würde das Ausmaß der Spreizung abnehmen, wenn der Spalt enger gemacht würde. Geht man jedoch davon aus, dass Licht aus Wellen besteht, lässt sich der Effekt leicht erklären. Der gleiche Effekt tritt auch auf, wenn beispielsweise Wasserwellen durch eine enge Öffnung dringen.
Wenn beide Schlitze geöffnet werden, damit Licht durch beide Schlitze gehen kann, wird eine Summe von zwei getrennten Spitzen nicht gesehen, wie man es erwarten würde, wenn Licht aus Teilchen zusammengesetzt wäre. Stattdessen wird ein Muster aus hellen und dunklen Flecken beobachtet, ein sogenanntes Interferenzmuster.
Dieses Muster lässt sich am besten erklären als Interferenz zweier Lichtwellen, die sich nach dem Durchgang durch die Schlitze treffen. So wie Wellen im Wasser sich zu Spitzen oder Tälern verbinden oder sich gegenseitig aufheben können. An den hellen Stellen kommt es zu konstruktiver Interferenz, denn hier verbinden sich die beiden Peaks zweier Lichtwellen zu einem höheren Peak. An den dunklen Orten gibt es destruktive Interferenz, weil sich hier ein Tal einer Welle mit einem Gipfel einer anderen Welle verbindet und den Gipfel auslöscht.
Bedingung für Störungen
Ursprünglich benutzte Young Sonnenlicht, um sein Experiment durchzuführen, aber um das Experiment etwas einfacher zu machen, wird jetzt Laserlicht anstelle von Sonnenlicht verwendet.
Schließlich tritt konstruktive Interferenz auf, wenn:
bei welchem:
- λ das Wellenlänge ist vom Licht;
- d der Abstand zwischen den beiden Schlitzen ist;
- nein ist die Ordnung der beobachteten Maxima (das zentrale Maximum hat n=0);
- X der Abstand zwischen einem Maximum und dem zentralen Maximum ist;
- l ist der Abstand von den Schlitzen zum Bildschirm.
Somit beinhaltet eine notwendige Bedingung zum Erhalten von Interferenz im Youngschen Interferenzexperiment den Unterschied in der Weglänge zwischen den beiden Wegen, die Licht nehmen kann, um einen Bereich konstruktiver Interferenz auf dem Schirm zu erreichen. Die Weglängendifferenz muss gleich der Wellenlänge des Lichts oder einem Vielfachen davon sein. Wenn ein Sonnenstrahl einfällt und direkt auf den Doppelspalt fällt, ist die Tatsache, dass die Sonne nicht Punktquelle ist das Interferenzmuster. Das Licht einer Quelle, die keine Punktquelle ist, verhält sich wie Licht, das von mehreren Punktquellen nebeneinander kommt. Jede Punktquelle kann ihr eigenes Interferenzmuster erzeugen, aber die Interferenzmuster vieler benachbarter Punktquellen stimmen auf dem Bildschirm nicht überein, so dass sie sich gegenseitig ausmitteln und auf dem Bildschirm keine Interferenzen zu sehen sind. Wenn also anstelle eines Lasers die Sonne als Lichtquelle verwendet wird, wird ein zusätzlicher erster Schlitz benötigt, um sicherzustellen, dass das gesamte Licht, das zu den beiden Schlitzen kommt, von einer einzigen Punktquelle kommt. Die Weglänge von einem Spalt zum anderen Spalt ist für die Erzielung eines Interferenzmusters ebenso wichtig wie die Weglänge von den beiden Spalten zum Bildschirm.
Im Allgemeinen sind die Interferenzmuster klarer, wenn einfarbig oder nahezu monochromatisches Licht verwendet wird. Laserlicht ist das monochromatischste Licht, das es gibt, und daher erzeugt Laserlicht ein besonders klares Interferenzmuster.
Ergebnisse des Doppelspaltexperiments
Youngs Interferenzexperiment scheint davon auszugehen, dass Licht nicht aus Teilchen besteht, sondern aus Wellen. Genau das gleiche Experiment kann aber auch mit durchgeführt werden Elektronen statt mit Licht aufzutreten. Wenn Elektronen durch zwei schmale Schlitze geleitet werden und dahinter ein Schirm angebracht wird, der die Elektronen detektiert, entsteht auf dem dahinter liegenden Schirm das gleiche Interferenzmuster wie beim Experimentieren mit Licht.
Wenn man das Experiment mit Elektronen durchführt, kann man auch beobachten, was passiert, wenn die Intensität des durch die Schlitze tretenden Elektronenstrahls verringert wird, so dass die Elektronen nacheinander durch die Schlitze gehen. In diesem Fall treffen die Elektronen nacheinander auf dem Bildschirm dahinter ein. Es ist also noch kein Interferenzmuster zu sehen, sondern nur die Position, an der das Elektron auf dem Schirm angekommen ist. Das nächste Elektron, das die Schlitze passiert, muss jedoch nicht genau an derselben Stelle auf dem Bildschirm auftreffen, sondern kann auch an anderer Stelle auf dem Bildschirm ankommen. Wenn dies für viele Elektronen nacheinander wiederholt wird, erscheint ein Muster aus den Positionen, an denen die Elektronen angekommen sind. Dieses Muster besteht nicht nur aus zwei Punkten, wie man es von Partikeln erwarten würde, die nacheinander durch Schlitze gehen, sondern sieht auch so aus wie das Interferenzmuster das entsteht auch, wenn mehrere Elektronen gleichzeitig durch die Schlitze treten oder wenn wie Young ein Lichtstrahl durch die Schlitze geleitet wird.
Noch bemerkenswerter ist, dass das Interferenzmuster auch nach einiger Zeit entsteht, wenn die Intensität des Elektronenstrahls so abgesenkt wird, dass das nächste Elektron erst dann emittiert wird, wenn das vorherige Elektron schon lange auf dem Schirm angekommen ist. Auch wenn im Experiment immer nur ein Elektron vorhanden ist, sodass keine zwei Elektronen miteinander interferieren können, bilden die Positionen aller Elektronen zusammen ein Interferenzmuster.
Da das obige Experiment nahelegt, dass das Interferenzmuster von einem Elektron erzeugt wird, das mit sich selbst interferiert, besteht der nächste Schritt in dem Experiment darin, zu bestimmen, durch welchen der beiden Schlitze das Elektron tatsächlich geht. Passiert das Elektron durch einen der beiden Schlitze oder teilt es sich auf irgendeine Weise, wobei eine Hälfte des Elektrons durch einen Schlitz und die andere Hälfte durch den anderen Schlitz geht, wodurch sich die beiden Hälften gegenseitig stören können?
Das Experiment wird deshalb wiederholt, aber nun wird in der Nähe der Spalte ein Detektor platziert, der erkennen muss, durch welchen Spalt das Elektron geht. Dabei stellt sich heraus, dass das Elektron immer nur an einem der beiden Spalte beobachtet wird. Das Elektron geht entweder durch Spalt 1 oder durch Spalt 2, aber niemals durch beide Spalte gleichzeitig.
Es scheint jedoch etwas Seltsames zu passieren. Auch die Messung, durch welchen der beiden Spalte das Elektron hindurchtritt, scheint das Ergebnis des Experiments selbst zu beeinflussen. Die Ansammlung von Positionen auf dem Bildschirm, an denen die Elektronen ankommen, scheint nun kein Interferenzmuster mehr zu bilden. Stattdessen erscheinen zwei Punkte auf dem Bildschirm, wie man es erwarten würde, wenn Partikel durch zwei Schlitze hindurchtreten. Die zuvor beobachteten Wellenphänomene sind nun vollständig verschwunden. An Stellen auf dem Bildschirm, an denen vorher noch nie ein Elektron angekommen ist, scheint es nun plötzlich, dass Elektronen kommen können.
Das Doppelspaltexperiment scheint somit zwei unterschiedliche Ergebnisse zu liefern, je nachdem, wie das Experiment durchgeführt wird. Nimmt man Photonen, Elektronen oder gar Atome oder Bucky Bälle durch zwei Schlitze gehen und auf dem Bildschirm nur auf das Muster schauen, das sich mit der Zeit entwickelt, dann sieht man ein Interferenzmuster. Beginnt man jedoch zu erkennen, durch welchen der beiden Schlitze die Photonen, Elektronen oder Atome hindurchtreten, stellt sich heraus, dass sie immer nur einen der beiden Schlitze passieren und das Interferenzmuster verschwindet.
Kopenhagens Interpretation des Doppelspaltexperiments
Die gebräuchlichste Interpretation zur Erklärung quantenphysikalischer Phänomene im Allgemeinen und der Ergebnisse des Doppelspaltexperiments im Besonderen ist die Kopenhagen-Interpretation. Die folgende Erklärung des Doppelspaltexperiments basiert auf dieser Interpretation.
Die beim Doppelspaltexperiment auftretende Interferenz kann verstanden werden, indem man die Elektronen (oder Photonen oder andere Teilchen) mit einer sogenannten Wahrscheinlichkeitsfunktion beschreibt. Diese Wahrscheinlichkeitsfunktion, die mathematisch eine Wellenbewegung beschreibt, ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort zu finden. Diese Wellenfunktion zeigt also nicht an, wo sich das Teilchen gerade befindet oder wo sich das Teilchen zu einem späteren Zeitpunkt befindet, sondern gibt nur die Chance, dass das Teilchen bei einer Messung an einem bestimmten Ort gefunden wird. Da sich diese Wahrscheinlichkeitsfunktion mit der Zeit ändern kann und für verschiedene Orte im Raum unterschiedliche Werte annehmen kann, kann die Änderung der Wahrscheinlichkeitsfunktion als Wahrscheinlichkeitswelle angesehen werden, die durch den Raum wandert.
Die Wahrscheinlichkeitswelle kann wie jede andere Welle auch Beugung und Interferenz erfahren. Wenn also im Doppelspaltexperiment die Wahrscheinlichkeitswelle durch die beiden Spalte geht, interferiert die Welle durch einen Spalt mit der Welle durch den anderen Spalt. Dies verursacht an einigen Stellen hinter den beiden Schlitzen destruktive Interferenz, wodurch die Wahrscheinlichkeitswelle ausgelöscht wird, und an anderen Stellen konstruktive Interferenz, wodurch die Wahrscheinlichkeitswelle maximiert wird.
Die Detektion eines Elektrons (oder Photons oder eines anderen Teilchens) auf dem Schirm hinter den beiden Schlitzen kann als Messung der Position des Elektrons angesehen werden. Nach der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik wird die Messung eines Teilchens von der Wellenfunktion kollabieren dieses Teilchen beschreiben. Bevor das Elektron auf dem Bildschirm entdeckt wurde, war seine Position noch unbestimmt. Festgelegt wurde lediglich die Größe der Wahrscheinlichkeit, das Elektron an einem bestimmten Ort zu finden. Durch die Detektion des Elektrons an einer bestimmten Stelle auf dem Bildschirm wird die Wellenfunktion des Elektrons lokalisiert. Das Elektron ist dann mit 100%iger Sicherheit an der Stelle angekommen, an der das Elektron beobachtet wurde und für die anderen Positionen gilt, dass das Elektron dort nicht mit 100%iger Sicherheit angekommen ist.
Es ist wichtig zu bedenken, dass die Messung eines Elektrons auf dem Bildschirm nichts darüber aussagt, wie das Elektron auf dem Bildschirm gelandet ist. Dieser Weg ist und bleibt unbestimmt, weil er nicht gemessen wurde und somit auch unbestimmt, welchen Spalt das Elektron durchquert hat.
Wenn wir nun einen Detektor in der Nähe der Spalte platzieren, um zu bestimmen, durch welchen Spalt das Elektron geht, ändern wir einen wesentlichen Teil des Experiments. Die erste Messung des Elektrons erfolgt dann nicht mehr am Schirm hinter den Schlitzen, sondern an den Schlitzen selbst. Und auch diese Messung bewirkt einen Kollaps der Wellenfunktion.
Die Welle
Das Experiment zeigt einige Eigenschaften der Welle.
Bei der Standardmessung treffen parallele Lichtwellen auf einen Lichtdetektor (1). Dieser ist gleichmäßig beleuchtet. Bei einem einspaltigen Bildschirm (2) streut das Licht durch Beugung und eine breite Welle ist sichtbar. Mit einem zweiten Spalt (3) wird eine Interferenzwelle sichtbar, die durch die unterschiedlichen Weglängen entsteht, die die Wellen aus den beiden Spalten zurücklegen. Bei A sind die Weglängen gleich, die Wellen gleich und addieren sich zu einem Doppelkreisel. Bei B legt das Licht von Spalt 1 einen längeren Weg zurück und steht dem Licht von Spalt 2 entgegen, wodurch sie sich gegenseitig aufheben.
Das Experiment wird nun im Kopf mit einem Photon wiederholt. Ohne Schirm (1a) wird dieses Photon beispielsweise bei B sichtbar. Mit einem Spalt (2a) kann das Photon noch bei B nachgewiesen werden. Mit zwei Schlitzen (3a) ergibt sich aus (3), dass das Photon bei B niemals gemessen werden kann.
Aus den Messergebnissen lassen sich folgende Eigenschaften der Welle ableiten:
- Das Interferenzmuster von (3) zeigt, dass die Welle eine Sinuswelle ist.
- Schlitz 1 kleiner machen. Auf dem Detektor erscheint eine Mischung aus (2) und (3). Bei (3a) kann das Photon bei B wieder absorbiert werden, allerdings mit geringerer Wahrscheinlichkeit als bei A. Die Energie des Photons bleibt gleich. Schlussfolgerung 1: Die Menge der Welle, die durch die Schlitze geht, bestimmt die Wahrscheinlichkeit, mit der das Photon entdeckt wird. Schlussfolgerung 2: Die Energie ist unabhängig von der Menge der gesendeten Welle. Es gibt also keine Energie im Raumvolumen der Welle.
- In (3a) heben sich die Wellen beider Spalte in B vollständig auf und sind daher an beiden Spalten gleich groß. Fazit: Die Amplitude der Welle ist bei verschiedenen Entfernungen gleich.
- Wenn in (3a) die Welle durch Spalt 2 bei B kommt, dann wird sie durch einen Teil derselben Welle ausgelöscht, die Vor ging durch Lücke 1 (es braucht mehr Zeit, um nach B zu kommen wegen der längeren Straße). Und umgekehrt: die Welle aus Spalt 1 wird durch die Welle vollständig ausgelöscht die erst später durch Schlitz 2 . geht. Fazit: Die Welle hat zeitlich die gleiche Amplitude. Beide Schlussfolgerungen sind extrem erweitert: Die Welle ist im gesamten Universum mit derselben Amplitude vorhanden, wie unten beschrieben.
Pfadintegralformulierung
Dies entspricht dem Wegintegral-Formulierung der Quantenmechanik, wie sie präsentiert wird von Richard Feynman (obwohl Feynman betont, dass dies eine rein mathematische Beschreibung ist und kein Versuch, einen realen Prozess zu beschreiben, den wir nicht sehen können), bei dem ein Teilchen wie ein Photon jeden möglichen Weg durch die Raumzeit nimmt, um sich von Punkt A nach Punkt B zu bewegen gehen. Im Doppelspaltexperiment ist Punkt A die Strahlungsquelle und Punkt B der Schirm, auf dem die Interferenz auftritt, und ein Teilchen nimmt alle möglichen Wege (durch beide Spalte gleichzeitig), um von A nach B zu gelangen. Wenn ein Detektor in der Nähe eines der Schlitze platziert wird, ändert sich die Situation und wir haben jetzt einen anderen Punkt B. Punkt B ist jetzt der Detektor und ein neuer Weg führt vom Detektor zum Bildschirm. In diesem Fall gibt es keine Doppelspaltung auf der Straße und somit kein Interferenzmuster.
Siehe auch
Quellen, Anmerkungen und/oder Verweise
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