Mindestenssechszeichen...keine Panik!

Der Aufbau ist ziemlich simpel und soll die "Dualität" des Lichts zeigen, also dass es sowohl Welle als auch Teilchen sein kann. Das Ganze lässt sich sogar im eigenen Wohnzimmer nachstellen. Man benötigt nur einen Laserpointer, etwas Alufolie, eine scharfe Klinge (z.B. Cutter) und Klebestreifen.

Einzelspalt

Ziel ist es zunächst, einen möglichst schmalen Schnitt in die Alufolie zu machen und diesen direkt auf den Laserpointer zu kleben (Tipp: runde Kappe abnehmen, falls möglich).

An der Wand taucht dann erwartungsgemäss ein Streifen auf:


So weit, so gewöhnlich. Seltsam ist höchstens, dass der Streifen horizontal verläuft, während der Schlitz senkrecht aufgeklebt wurde. Sollte das Laserlicht nicht einfach den Spalt an die Wand projizieren? Aber lassen wir das vorerst beiseite und stellen uns folgende Frage: Was passiert, wenn ein zweiter Schnitt direkt daneben hinzukommt? Die Intuition würde vielleicht sagen: Ein zweiter Streifen taucht an der Wand auf. Oder, in Anbetracht der billigen Plastiklinse, dass der stark verschwommene Lichtfleck insgesamt heller wird. Auf jeden Fall muss irgend etwas am oder neben dem Streifen heller werden.

Doppelspalt

Ziel ist es nun, einen zweiten Schlitz möglichst dicht neben den ersten zu setzen, so dass dazwischen nur ein schmaler Steg übrig bleibt (deutlich weniger als 1 mm).

Und das Experiment zeigt:


Es sind dunkle Stellen hinzugekommen. Licht löscht sich selbst aus. Irre.

Das lässt sich bei einem Partikelstrahl nicht mehr erklären (wirft man Bälle durch ein Loch, fliegen sie einfach weiter), aber ganz leicht, wenn man Licht als Welle betrachtet. Diese Lichtwellen beugen sich an den Kanten des Schlitzes (weswegen der Streifen um 90° gedreht ist) und überlagern sich hinter dem Doppelspalt, wodurch das Lochmuster entsteht (Wellentäler und -berge verstärken sich und Gegenteilige löschen sich aus). Wohlgemerkt geht dabei kein Licht "verloren"; die umso helleren Bereiche gleichen die dunklen exakt aus.

Gemeinsam alleine

Das wirklich Verrückte daran ist nun, dass dieses Muster auch dann auftritt, wenn nur noch einzelne Photonen nacheinander den Doppelspalt passieren. Dies lässt sich zuhause zwar nicht mehr nachbilden, wird aber in Labors ständig und unglaublich präzise gezeigt.

Damit sind wir bei der gesuchten Welle/Teilchen-Dualität angekommen, denn der Ablauf ist folgendermassen:

• Ein einzelnes Photon wird ausgesendet.
• Auf dem Weg ist es eine Welle, denn nur so kann es beide Schlitze gleichzeitig passieren. Die Welle wird dabei aufgeteilt.
• Hinter dem Doppelspalt interferieren diese beiden Wellen und geben so das Muster vor, wo sich das Photon befinden könnte. Bei den hellen Stellen im Bild ist die Wahrscheinlichkeit hoch, bei den dunklen gering.
• Sobald die Welle die Wand erreicht, erscheint an einem dieser möglichen Orte das Photon, aber nun wieder als Teilchen – könnte man es sehen, würde ein kleiner Punkt kurz aufleuchten.

Wiederholt man das Experiment, sieht man deutlich, wo das Teilchen wie oft aufleuchtet, und auf einer Langzeitbelichtung bildet sich dasselbe Muster wie oben im Bild immer klarer ab – obwohl immer nur einzelne Photonen durchkommen.

Was ist nun anders am Laserlicht als an der Taschenlampe (mit der das scheinbar nicht funktioniert)? Die Antwort liegt in der sogenannten räumlichen Kohärenz (lat. Zusammenhang). Eine Lampe strahlt Photonen mit allen möglichen Lichtfrequenzen völlig ungeordnet aus; jedes davon erzeugt ein eigenes Beugungsmuster und in der Summe ergibt sich daraus nur ein verschwommener Fleck. Beim Laserlicht hingegen werden alle Photonen im Einklang erzeugt, haben also dieselbe Farbe, Richtung, Phase und Polarisation und die Beugung am Doppelspalt zeigt sich entsprechend sauber.

...oder doch Teilchen?

Es sollte nun klar sein, dass jedes Photon den Doppelspalt als Welle (und deshalb auch beide Spalten gleichzeitig) passiert. Aber was geschieht, wenn wir zum Schluss einen Sensor anbringen, der anzeigt, wie viel Prozent der Energie durch die einzelnen Spalten fliesst?

Erwartungsgemäss wären es 50%/50%, aber hier schlägt die Quantenphysik endgültig zu: Angezeigt werden nach dem Zufallsprinzip immer entweder 0%/100% oder 100%/0% an. Also schlüpfen die Photonen nun doch wie Teilchen entweder links oder rechts durch? Ein Blick auf die Wand zeigt: Die dunklen Stellen sind verschwunden. Der Laser projiziert nun zwei lange Schlitze klar an die Wand, wie es weiter oben mal erwartet wurde. Hä?

Wer misst, der macht

Die Wissenschaft hat keine Antwort darauf, warum das so ist, aber sie hat festgestellt: bereits die Beobachtung (Messung) eines Quantenvorgangs zerstört seine Kohärenz, also die Wellenform. Mehr noch: es reicht bereits aus, dass wir theoretisch wissen könnten, welchen Weg ein Photon wählt, um es in seine Teilchenform zu zwingen. Konkret: Selbst wenn nur bei einem der Schlitze ein Sensor sitzt, verschwindet die Welle – auch wenn das Licht den anderen Weg wählt und er gar nichts anzeigt.

Nach diesem Prinzip funktioniert die moderne "Quantenverschlüsselung": Sobald jemand mithört (auf welche Art auch immer) verschwindet die Wellenform und der Datenaustausch wird sofort unterbrochen. Es ist also streng genommen gar keine Verschlüsselung, sondern vielmehr eine abhörsichere Leitung.

Wenn wir nun aber hinter dem ersten noch einen Doppelspalt (ohne Sensor) anbringen, kehrt das Interferenzmuster an der Wand zurück – denn das Licht hat dort wieder die freie, unbeobachtete Wahl zwischen zwei Schlitzen.

Verrückt? Willkommen in der Quantenphysik. Und das war nur der Anfang.

PS: Warum ist Licht (Photonen) so speziell? Kurze Antwort: Ist es nicht. Das Doppelspalt-Experiment wurde auch bereits erfolgreich mit Elektronen, Protonen, Atomen und sogar ganzen Molekülen durchgeführt. Mit Licht lassen sich die Experimente bloss am einfachsten durchführen – wie man sieht, sogar zuhause ohne fünfstelliges Forschungsbudget.