Sind Sie jemand, der vorgegebene Ansichten hinterfragt?
Wenn Sie z.B. ein Buch über Quantenphysik lesen: Überkommt Sie das Gefühl, dass da noch Kapitel fehlen?
Auf diesen Seiten begeben wir uns auf die Suche nach den Ursachen für einige scheinbar unverständliche Erscheinungen in der Quantenwelt.
Um dabei nicht wirklichkeitsfernen Spekulationen zu verfallen, gehen wir wie folgt vor:
Wir treffen eine Annahme über das physikalische Wesen eines Quantenobjektes.
Wir überprüfen, ob sich auf Basis dieser Annahme die beobachtbaren Eigenschaften eines Quantenobjektes am Computer simulieren lassen.
Um das Ungewöhnliche in der Quantenwelt zu verdeutlichen, starten wir mit dem ultimativen Doppelspalt-Versuch.
Obwohl dieser bereits 1802 von
Thomas Young
durchgeführt wurde, ist die Interpretation der Ergebnisse bis heute umstritten.
Leser, die mit dem Doppelspalt-Versuch bereits vertraut sind, können Teil 1 überspringen und mit
Teil 2 fortfahren.
Bitte klicken Sie auf das Dreieck in der obigen Leiste, um zwischen den Kapiteln zu wechseln.
Am rechten Rand werden ggf. Simulationen oder Grafiken eingeblendet. Smartphones, Tablets u.ä. halten Sie bitte im Querformat.
Torsten Krieg
Erstfassung im August 2019
Letzte Aktualisierung im April 2021
1. Aufbau des Experiments
Wir benötigen eine Lichtquelle, die wir schnell ein- und ausschalten können.
Dies könnte ein Laser für rotes Licht sein.
Die Stärke des Lasers regeln wir soweit herunter, dass bei jedem Einschalten die kleinst mögliche Lichtmenge ausgestrahlt wird,
die überhaupt möglich ist.
Ein Detektor registriert die Treffer
.
Zusätzlich platzieren wir zwischen Quelle und Detektor eine Barriere mit einem Spalt
.
Das Auslösen der Quelle erfolgt durch einen Klick auf
.
Auf dem Detektor sehen wir ein kurzes Aufblitzen.
Jeden Einzeltreffer markieren wir in einer zusätzlichen Grafik
.
Das Ergebnis ist nicht überraschend: Die meisten Treffer registrieren wir in direkter Verlängerung des Spaltes.
Kleine Abweichungen werden durch die Beugung des Lichtes am Spalt verursacht.
Nun verwenden wir eine Barriere mit zwei Spalten (Doppelspalt)
.
Wo werden wir die Treffer detektieren
?
2. Durchführung in mehreren Modifikationen
Zur Erinnerung: Bei einer Barriere mit einem Spalt registrieren wir die meisten Treffer in direkter Verlängerung des Spaltes.
Bei zwei Spalten würden wir erwarten, dass wir das Licht, welches den linken Spalt passiert, in Verlängerung dieses Spaltes detektieren.
Analog beim rechten Spalt. Bei mehrmaliger Versuchsdurchführung hätten wir also in Verlängerung jedes Spaltes ein Intensitäts-Maximum.
Wir führen den Doppelspalt-Versuch in mehreren Modifikationen durch.
Einzel-Emission
Durch einen Klick auf auf den Auslöse-Schalter
emittieren wir die kleinst mögliche Lichtmenge.
Ein Physiker würde sagen: Wir emittieren einzelne "Photonen".
Bitte klicken Sie mehrmals auf den Schalter "Einzel-Emission".
Eigenartig: Obwohl wir das Experiment unter denselben Bedingungen wiederholen,
beobachten wir die Treffer an scheinbar zufälligen Stellen des Detektors.
Um vielleicht doch ein "System" zu entdecken,
markieren wir die Einzeltreffer auf der Tafel
.
Jetzt ist Ihre Mitarbeit gefragt:
Klicken Sie mehrmals auf den Auslöse-Schalter.
Können Sie ein Muster erkennen?
Zeitmaschine
Bei dieser Variante können Sie Ihre Finger schonen
😴.
Bitte betätigen Sie den obigen Auslöse-Schalter nur einmal täglich.
Damit stellen wir sicher, dass sich die Einzelmessungen nicht gegenseitig beeinflussen.
Wenn wir morgen Licht aussenden,
so sollte die Auftreffstelle auf dem Detektor unabhängig davon sein,
was wir heute oder gestern beobachtet haben.
Die Einzeltreffer markieren wir wieder auf der Tafel, um ein potentielles Muster zu erkennen.
Sie sollten den Versuch nun ein Jahr lang einmal pro Tag durchführen
😁.
Ungeduldige LeserInnen starten bitte die Zeitmaschine
Woher "weiß" das Licht, welches wir am Tag X emittieren, an welcher Stelle es auftreffen sollte, damit auf Basis der früheren Treffer das "richtige" Muster entsteht?
Zugleich an vielen Orten
Bitte schalten Sie die Zeitmaschine aus.
Wir kontaktieren hunderte ExperimentatorInnen in aller Welt.
Jede(r) klickt nur einmal auf "Einzel-Emission"
und schickt uns dann das Bild der Tafel, auf der die Auftreffstelle als heller Streifen erkennbar ist.
Alle TeilnehmerInnen sind bereit und warten auf Ihr Kommando.
Die eintreffenden Einzelbilder legen wir übereinander
Wie ist es möglich, dass Einzeltreffer, die an weit entfernten Orten registriert wurden, tendenziell immer dasselbe Muster bilden?
Besteht etwa eine geheime Verbindung zwischen den Orten...?
Elektronen statt Licht
Wir tauschen den Laser durch eine Elektronen-Kanone aus. Diese emittiert bei jedem Auslösen exakt ein Elektron.
Man würde erwarten, dass jedes Elektron durch einen der beiden Spalte fliegt und wir in Verlängerung der Spalte jeweils ein Maximum an Treffern erhalten.
Aber nein, egal ob wir Licht, Elektronen, Protonen oder sonstige sogenannte Quantenobjekte verwenden:
Wir erhalten immer dieses eigenartige Muster wie in den obigen Versuchen.
Woher "weiß" ein Elektron, dass beide Spalte geöffnet sind?
3. Ergebnisse
Wir fassen zusammen:
Der prinzipielle Aufbau des Experiments war bei jedem Auslösen der Quelle gleich.
Die Einzelaufschläge erfolgten trotzdem an unterschiedlichen, scheinbar zufälligen Stellen.
Viele Treffer ergeben ein Muster.
Egal, welche Modifikationen wir uns zur Durchführung überlegen:
Die Muster, welche sich nach sehr vielen Treffern herausbilden,
gleichen sich immer mehr an.
Wie kann das sein, da doch das Licht bzw. das Elektron überhaupt nicht "wissen" kann,
welche Ergebnisse durch die Versuche zu früheren Zeiten bzw. an anderen Orten bereits vorliegen?