Wissenschaft

Thomas Youngs Doppelspaltexperiment

Während des gesamten neunzehnten Jahrhunderts waren sich die Physiker einig, dass sich Licht wie eine Welle verhält, was zum großen Teil dem berühmten Doppelspaltexperiment von Thomas Young zu verdanken ist. Angetrieben von den Erkenntnissen aus dem Experiment und den Welleneigenschaften, die es zeigte, suchte ein Jahrhundert von Physikern das Medium, durch das Licht wehte, den leuchtenden Äther. Obwohl das Experiment mit Licht am bemerkenswertesten ist, ist die Tatsache, dass diese Art von Experiment mit jeder Art von Welle wie Wasser durchgeführt werden kann. Im Moment konzentrieren wir uns jedoch auf das Verhalten von Licht.

Was war das Experiment?

In den frühen 1800er Jahren (1801 bis 1805, je nach Quelle) führte Thomas Young sein Experiment durch. Er ließ Licht durch einen Schlitz in einer Barriere hindurch, so dass es sich in Wellenfronten von diesem Schlitz als Lichtquelle ausdehnte (nach Huygens ‚Prinzip ). Dieses Licht ging wiederum durch das Schlitzpaar in einer anderen Barriere (sorgfältig im richtigen Abstand vom ursprünglichen Schlitz platziert). Jeder Schlitz beugte seinerseits das Licht, als wären sie auch einzelne Lichtquellen. Das Licht traf auf einen Beobachtungsbildschirm. Dies ist rechts dargestellt.

Wenn ein einzelner Schlitz geöffnet war, wirkte er lediglich mit größerer Intensität auf den Beobachtungsbildschirm in der Mitte und verblasste dann, wenn Sie sich von der Mitte entfernten. Es gibt zwei mögliche Ergebnisse dieses Experiments:

Partikelinterpretation: Wenn Licht als Partikel vorhanden ist, ist die Intensität beider Schlitze die Summe der Intensität der einzelnen Schlitze.

Welleninterpretation: Wenn Licht als Wellen existiert, werden die Lichtwellen nach dem Prinzip der Überlagerung gestört. wodurch Lichtbänder (konstruktive Interferenz) und Dunkelbänder (destruktive Interferenz) entstehen.

Als das Experiment durchgeführt wurde, zeigten die Lichtwellen tatsächlich diese Interferenzmuster. Ein drittes Bild, das Sie anzeigen können, ist ein Diagramm der Intensität in Bezug auf die Position, das mit den Vorhersagen von Interferenzen übereinstimmt.

Auswirkungen von Youngs Experiment

Zu dieser Zeit schien dies schlüssig zu beweisen, dass sich Licht in Wellen bewegte, was zu einer Wiederbelebung von Huygens Wellentheorie des Lichts führte, die ein unsichtbares Medium, den Äther , enthielt , durch das sich die Wellen ausbreiteten. Mehrere Experimente im Laufe des 19. Jahrhunderts, insbesondere das berühmte Michelson-Morley-Experiment. versuchten, den Äther oder seine Auswirkungen direkt nachzuweisen.

Sie alle scheiterten und ein Jahrhundert später führte Einsteins Arbeit über den photoelektrischen Effekt und die Relativitätstheorie dazu, dass der Äther nicht mehr notwendig war, um das Verhalten von Licht zu erklären. Wieder dominierte eine Partikeltheorie des Lichts.

Erweiterung des Doppelspaltexperiments

Als jedoch die Photonentheorie des Lichts zustande kam, wonach sich das Licht nur in diskreten Quanten bewegte, stellte sich die Frage, wie diese Ergebnisse möglich waren. Im Laufe der Jahre haben Physiker dieses grundlegende Experiment auf verschiedene Weise untersucht.

In den frühen 1900er Jahren blieb die Frage offen, wie Licht – das dank Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts nun in partikelartigen „Bündeln“ quantisierter Energie, sogenannten Photonen, wandern kann – auch das Verhalten von Wellen zeigen kann. Sicherlich bilden ein Bündel von Wasseratomen (Partikeln) beim Zusammenwirken Wellen. Vielleicht war das etwas Ähnliches.

Ein Photon zu einer Zeit

Es wurde möglich, eine Lichtquelle zu haben, die so eingerichtet war, dass sie jeweils ein Photon emittierte. Dies wäre buchstäblich so, als würde man mikroskopisch kleine Kugellager durch die Schlitze schleudern. Indem Sie einen Bildschirm einrichten, der empfindlich genug ist, um ein einzelnes Photon zu erfassen, können Sie feststellen, ob in diesem Fall Interferenzmuster vorhanden sind oder nicht.

Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, einen empfindlichen Film einzurichten und das Experiment über einen bestimmten Zeitraum durchzuführen. Schauen Sie sich dann den Film an, um zu sehen, wie das Lichtmuster auf dem Bildschirm aussieht. Genau ein solches Experiment wurde durchgeführt und stimmte tatsächlich mit Youngs Version identisch überein – abwechselnd helle und dunkle Bänder, die anscheinend auf Welleninterferenzen zurückzuführen waren.

Dieses Ergebnis bestätigt und verwirrt die Wellentheorie. In diesem Fall werden Photonen einzeln emittiert. Es gibt buchstäblich keine Möglichkeit für Welleninterferenzen, da jedes Photon jeweils nur einen einzelnen Spalt durchlaufen kann. Die Welleninterferenz wird jedoch beobachtet. Wie ist das möglich? Nun, der Versuch, diese Frage zu beantworten, hat viele faszinierende Interpretationen der  Quantenphysik hervorgebracht. von der Kopenhagener Interpretation bis zur Vielwelteninterpretation.

Es wird noch seltsamer

Nehmen Sie nun an, dass Sie dasselbe Experiment mit einer Änderung durchführen. Sie platzieren einen Detektor, der erkennen kann, ob das Photon einen bestimmten Spalt passiert oder nicht. Wenn wir wissen, dass das Photon einen Spalt passiert, kann es den anderen Spalt nicht passieren, um sich selbst zu stören.

Es stellt sich heraus, dass beim Hinzufügen des Detektors die Bänder verschwinden. Sie führen genau das gleiche Experiment durch, fügen jedoch nur zu einem früheren Zeitpunkt eine einfache Messung hinzu, und das Ergebnis des Experiments ändert sich drastisch.

Durch das Messen des verwendeten Schlitzes wurde das Wellenelement vollständig entfernt. Zu diesem Zeitpunkt wirkten die Photonen genau so, wie wir es von einem Teilchen erwarten würden. Die Unsicherheit in der Position hängt irgendwie mit der Manifestation von Welleneffekten zusammen.

Weitere Partikel

Im Laufe der Jahre wurde das Experiment auf verschiedene Arten durchgeführt. 1961 führte Claus Jonsson das Experiment mit Elektronen durch, das dem Verhalten von Young entsprach und Interferenzmuster auf dem Beobachtungsbildschirm erzeugte. Jonssons Version des Experiments wurde  2002 von den Lesern der Physics World zum „schönsten Experiment“  gewählt.

1974 konnte die Technologie das Experiment durchführen, indem jeweils nur ein Elektron freigesetzt wurde. Wieder zeigten sich die Interferenzmuster. Wenn jedoch ein Detektor am Schlitz platziert wird, verschwindet die Interferenz erneut. Das Experiment wurde 1989 erneut von einem japanischen Team durchgeführt, das in der Lage war, viel raffiniertere Geräte zu verwenden.

Das Experiment wurde mit Photonen, Elektronen und Atomen durchgeführt, und jedes Mal wird das gleiche Ergebnis offensichtlich – etwas über die Messung der Position des Partikels am Spalt entfernt das Wellenverhalten. Es gibt viele Theorien, um zu erklären, warum, aber bisher ist vieles noch eine Vermutung.

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