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Das Doppelspaltexperiment oder der Doppelspaltversuch ist ein klassischer Versuchsaufbau im Rahmen der Quantenmechanik und des
Welle-Teilchen-Dualismus:
Wird Licht durch eine Platte mit zwei sehr dünnen Spalten geschickt, bildet sich auf dem Schirm hinter der Platte ein Interferenzmuster. Wenn der selbe Versuch mit Elektronen (Teilchen) durchgeführt wird, geschieht genau das Gleiche. Die Teilchen scheinen Wellencharakter aufzuweisen.
Wenn nun nur ein einzelnes Elektron nach dem Anderen auf diese Platte geschossen wird (sie also prinzipiell nicht miteinander interferieren können), entsteht nach einiger Zeit trotzdem wieder ein Interferenzmuster.
Nimmt man nun an den zwei Öffnungen Messungen vor, die feststellen, durch welcher der beiden Spalten das Elektron bzw das Photon hindurchgegangen ist, so verschwindet das Interferenzmuster, da durch die Messung der Zustand, der vorher undefiniert war, festgelegt wird.
Beim Doppelspaltversuch werden Wellen (in der Regel Licht oder Elektronen) durch zwei dünne Spalte geworfen und
auf einen Schirm abgebildet. Bei genügend schmalem Abstand zwischen den Spalten (kleiner als die Wellenlänge) kommt die Welleneigenschaft der Photonen oder des
Elektrons zum tragen: sie interferieren, verhalten sich also wie Wellen, die durch zwei Spalte kommen und deren Amplituden sich
abwechselnd auslöschen und addieren. Anstatt der erwarteten nur zwei Lichtstreifen auf dem Schirm hinter den Schlitzen sieht man
eine ganz Reihe von Lichtstreifen - also ein völlig anderes Muster als man für einen "normalen Schatten" erwarten würde.
Das unerwartete Schattenergebnis wird allerdings noch dadurch übertroffen, dass das Muster (ein Störmuster, wenn Photonen sich
gegenseitig stören) auch auftritt, wenn nur ein einzelnes Photon am Experiment beteiligt ist; diese Beobachtung führte zur
Viele-Welten-Interpretation.
| Inhaltsverzeichnis |
Das grundlegende Experiment wurde Anfang des 19. Jahrhunderts (zwischen 1801 und 1807) von Thomas Young mit Licht durchgeführt, der damit die Welleneigenschaften des Lichts entdeckte. 1961 wurde dasselbe Ergebnis mit Elektronen von Claus Jönsson beobachtet (Zeitschrift für Physik 161, S. 454). Das Experiment mit nur einem Teilchen durchzuführen, wurde in den sechziger Jahren des 20. Jahrhunderts von Feynman als Gedankenexperiment (und als absolut unmöglich durchzuführen) beschrieben. Tatsächlich mit nur einem Elektron durchgeführt wurde es erstmals 1974 entweder von Pier Giorgio Merli, GianFranco Missiroli und Giulio Pozzi in Bologna (American Journal of Physics 44, S. 306f.) oder 1989 von Akira Tonomura und Team bei Hitachi (American Journal of Physics 57, S. 117-120).
Der Schirm, auf dem man die Licht- und Schattenmuster beobachten will, steht in etwa drei Metern Entfernung von einem Schirm, in dem mit einem Abstand von etwa einem fünftel Millimeter zwei gerade, parallele Schlitze sind. Durch diese Schlitze schickt man Laserlicht (um möglichst scharfe Schatten zu erhalten, die zum Beispiel mit Glühlampen nicht zu erreichen sind).
Man erwartet also auf dem Schirm ein Muster aus zwei geraden, parallelen Lichtstreifen mit scharfen Schattenkanten; der Rest des Schirms sollte dunkel sein.
Tatsächlich aber erkennt man viele helle und dunkle Bänder mit unscharfen Konturen. Verschiebt man die Schlitze, verschiebt sich das Muster auf dem Schirm um denselben Betrag.
Jetzt überlagert man die beiden Schlitze mit einem identischen Paar und hat dann vier Spalte im Abstand von je einem Zehntel Millimeter. Jetzt könnte man das schon beobachtete Muster zweimal erwarten: einmal an ursprünglicher Stelle, und dann nochmal ein Zehntel Millimeter verschoben (also neue Lichtstreifen in den dunklen Zwischenräumen des ersten Musters).
Beobachtet wird aber Anderes: Tatsächlich bleibt es ein Muster, bei dem jetzt aber jeder zweite Balken fast "ausgelöscht" und durch zwei sehr schwache hellere Streifen mit ebenfalls unscharfen Kanten ersetzt ist.
Das Licht aus einem Spalt hat also mit Licht, das durch die andere Spalte "flog", interferiert. (Oft wird hier ein Vergleich mit Billardkugeln angeboten: zwei Photonen steuern dieselbe Stelle an [wie zwei Billardkugeln], aber sobald sie aufeinander treffen prallen sie voneinander ab. Sie treffen also die angepeilte Stelle gar nicht und diese Stelle bleibt dunkel.)
Dieses Phänomen tritt nur auf, wenn alle vier Spalte im Lichtstrahl des Lasers liegen. Werden nur zwei Spalte beleuchtet, gibt es das ursprüngliche Muster; werden einer oder nur drei beleuchtet, entstehen wieder andere (bei einem beleuchteten Schlitz auch nur ein heller Streifen auf dem Schirm). Füllt man zwei der Schlitze mit etwas Undurchsichtigem, gibt es wieder das ursprüngliche Muster; füllt man sie mit etwas Durchsichtigem, tritt wieder das Interferenzphänomen auf. Das, was die Interferenz verursacht, verhält sich also wie Licht, ist nur im Licht zu finden, und wird von allem blockiert oder durchgelassen, was auch Licht blockiert oder durchlässt. Die Interferenzursache ist also auch Licht.
Wenn man das Experiment mit nur einem einzigen Photon wiederholt, erwartet man kein Interferenzmuster - denn mit was
sollte dieses Photon interferieren, wenn keine anderen Photonen da sind? Mit Detektoren kann man sicherstellen, dass zu jedem
Zeitpunkt auch nur ein Photon durch die Spalte geht und sich das Photon auch nicht aufteilt.
Tatsächlich aber erscheint die Interferenz auch bei Experimenten mit einzelnen Photonen.
Zusammenfassung: Wenn ein einzelnes Photon durch den Schlitz geht
In seiner Erklärung des Doppelspaltversuchs nennt David Deutsch diese interferierenden Etwasse "Photonen" und teilt sie in
"fassbare" und "schattenhafte" Photonen ein [1].
Zu jedem fassbaren Photon gehören also viele schattenhafte Photonen, mit denen das fassbare interferieren kann. Da das
Interferenzmuster immer entsteht, wenn alle vier Spalte im Lichtstrahl liegen, muss es viele schattenhafte Photonen geben, um die
Interferenz zu gewährleisten. Im Labor ist nur die Untergrenze bestimmbar: die größte Fläche, die durch einen Laser gut
beleuchtet werden kann, beträgt etwa einen Quadratmeter; das kleinste praktikable Loch hat einen Durchmesser von etwa einem
Tausendstel Millimeter.
Auf dem Schirm gibt es also eine Billion möglicher Orte für Löcher, also mindestens eine Billion schattenhafter Photonen zu jedem
fassbaren.
Schattenhafte Photonen können nicht direkt beobachtet werden, lediglich diese Interferenzmuster können als Beleg für ihre Existenz herhalten. Laut Quantentheorie gibt es Interferenz bei allen Arten von Teilchen (also auch für alle Teilchen mindestens diese große Anzahl schattenhafter Teilchen). Dabei kann man beobachten (zum Beispiel wenn man eine Schranke über einige der Spalte deckt), dass fassbare Schrankenatome nur fassbare Photonen blockieren können, aber nicht schattenhafte. Und schattenhafte Schrankenatome können auch keine fassbaren Photonen blockieren. Also trifft jedes Teilchen auf ein entsprechendes Gegenstück und kann zum Beispiel nicht mit irgendeinem beliebigen Teilchen wechselwirken.
Das Universum soll nun als Ganzheit der fassbaren Teilchen aufgefasst werden. Die Wirklichkeit soll als Ganzheit aller Teilchen, der schattenhaften und der fassbaren, gelten (denn immerhin sind die fassbaren Teilchen von den Schattenhaften nicht völlig getrennt: sie können - wenn sie schon nicht beobachtet werden können - zumindest wechselwirken). Die schattenhaften Teilchen ähneln somit (bis auf ihre Schattenhaftigkeit) also unserem Universum.
Diese Schlussfolgerung lässt zu, dass man die schattenhaften Teilchen als "paralleles Universum" (beziehungsweise viele
parallele Universen) bezeichnet. Diese Universen scheinen
denselben Naturgesetzen zu unterliegen und sind sich ähnlich, aber die Position der Teilchen in ihnen ist verschieden.
Somit ist das für uns fassbare Universum nur ein Teil einer viel größeren Wirklichkeit, die wegen ihrer vielen parallelen
Universen (auch bekannt als Viele-Welten-Interpretation) deshalb unter dem Begriff Multiversum bezeichnet werden kann.
Diese Schlussfolgerungen sind nur zwingend, wenn nach einer Erklärung für das Interferenzmuster gesucht wird. Wenn man
ledliglich ein Interferenzmuster vorhersagen will, braucht man keine parallelen Universen.
Quantentheorie geht oft mit einer Beschreibung des "Möglichen" einher. Die Interferenzmuster können aber kein Ergebnis von
Möglichem sein, denn sie sind ja da - etwas hat also tatsächlich (und nicht nur möglicherweise) mit den fassbaren Photonen
wechselgewirkt.
Die Wirklichkeit scheint also "unfassbar" viel größer (oder vielschichtiger) zu sein, als bisher angenommen und vorstellbar. Scheinbar sind eine Unzahl von parallelen Universen wirklich, und sie unterscheiden sich mehr oder weniger von unserem bekannten.
Siehe auch: Clinton Davisson
