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SG113 Versuche zu Grundlagen der Quantenphysik, z.B. zum Quantenradierer

Doppelspalt

deBroglie-Wellen

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

Derzeit lassen sich Experimente mit einzelnen Photonen oder anderen Quantenobjekten an Schulen nur selten durchführen. Man kann aber hoffen, dass Beobachtungen an sehr vielen gleichartigen Photonen unter günstigen Umständen das "Verhalten" einzelner Photonen widerspiegeln. In den folgenden Experimenten wird also das Verhalten von Licht beobachtet und im Sinne von einzelnen Photonen interpretiert. Ich glaube, dass es sich dabei nicht nur um Analogieexperimente handelt, auch, wenn sie mit klassischem Licht ebenfalls erklärt werden können.

a) Realexperimente mit polarisiertem Licht

Abb. 1: Von einem LCD-Bildschirm geht polarisierte Strahlung aus. Deshalb kann einen Polarisator (T) kein Licht hindurchtreten, wenn dessen Polarisationsrichtung senkrecht zu der des Bildschirms steht.

Formuliert mit Photonen:

Aus dem Bildschirm treten waagerecht polarisierte Photonen aus, die einen senkrecht dazu orientierten Polarisator (T) nicht passieren können.

Die aus dem Bildschirm austretenden Photonen haben be-stimmte Polarisation, wie man durch einen gleich orientierten Polarisator zeigen könnte.

In der Quantenphysik formuliert man das auch so: "Be-stimmte Polarisation bzgl. BS und be-stimmte Polarisation bzgl. T sind komplementär zueinander" (schließen sich gegenseitig aus).

Abb. 2: Photonen aus dem Bildschirm haben be-stimmte waagrechte Polarisation. Diese ist bzgl. eines schräg gestellten Analysators AN un-be-stimmt. Ein Teil der Photonen kann als den Analysator AN passieren.

Die durchtretenden Photonen haben bzgl. AN be-stimmte Polarisation und un-be-stimmte bzgl. Tester T (und auch bzgl. des Bildschirms). Ein Teil von ihnen kann also auch durch T hindurchtreten. D.h. nach dem Analysator AN haben die aus dem Bildschirm tretenden Photonen "vergessen", mit welcher Polarisation sie den Bildschirm verließen. Nach dem folgenden Durchtritt durch T haben sie be-stimmte Polarisation, nämlich senkrecht zum Bildschirm.

Durch AN ist Information über die Polarisation von BS ausgelöscht wurden. Die Anordnung stellt einen Quantenradierer (Quantenauslöscher) dar.

Eine Anleitung zu weiteren Bildschirmexperimenten zu Grundlagen der Quantenphysik kannst du hier nachlesen. Du lernst die Begriffe Be-stimmtheit, Un-be-stimmtheit, Reproduzierbarkeit einer Messung, Komplementarität von zwei physikalischen Größen und den Quantenradierer kennen.

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b) Realexperimente zum Quantenradierer mit einem Doppelspalt

Abb. 3: Es wird ein präparierter Doppelspalt verwendet, der mit einem geeignet polarisierten Laser durchstrahlt wird (möglichst unpolarisiert, sonst Verwendung eines Pol-Filters, so dass unter 450 polarisiertes Licht auf den Doppelspalt fällt).

Der präparierte Doppelspalt ist mit Polfiltern versehen, so dass die Polarisationsrichtungen des durch die Einzelspalte hindurchtretenden Licht aufeinander senkrecht stehen.

Nach dem Durchtritt durch den Doppelspalt tritt das Licht durch einen weiteren Polarisator, den Analysator.

Einstellung (1): Ist der Analysator so orientiert, dass nur das Licht eines Einzelspalts passieren kann, entsteht die Interferenzfigur eines Einzelspalts (oberes Foto). Wird in einem Vorversuch der Doppelspalt mit Linsen auf einen Schirm abgebildet, kannst du genau sehen, dass einmal das Bild des einen, dann das Bild des anderen Einfachspalts dunkel ist.

Einstellung (2): Ist er jedoch unter 450 polarisiert, kann ihn Licht beider Spalte passieren. Es entsteht die Interferenzfigur des Doppelspalts (unteres Foto).

Den Versuch kannst du schon mit dem klassischen Bild von Licht verstehen. Er spiegelt aber auch wider, was du über die beteiligten Photonen darüber sagen kannst:

Im Photonenbild kannst du den Versuch so interpretieren:

Einstellung (1) ermöglicht eine Messung des Durchtrittsorts der Photonen, also eine Entscheidung, durch welchen Einzelspalt das Licht hindurch getreten ist, das den Nachweisschirm erreicht ("Welcher-Weg-Information", WWI). Wird eine solche Ortsmessung durchgeführt, verschwindet die Interferenzfigur des Doppelspalts.

Einstellung (2) ermöglicht aber wieder einen Interferenz-Versuch, weil die Information, durch welchen Spalt die Photonen hindurch getreten sind, durch den Analysator ausgelöscht ("ausradiert") wird ("Quantenauslöscher", "Quantenradierer"). Das ist eines der vielen Beispiele, die die allgemeine Aussage belegen:

Welcher-Weg-Information und Interferenz schließen sich gegenseitig aus.

Erstaunlicherweise hat das offenbar nichts mit dem "Verhalten" von Photonen am Doppelspalt selbst zu tun, da ja die Entscheidung, ob eine Ortsmessung vorgenommen werden soll, oder ein Interferenzversuch, erst nachträglich ("verzögert") eintritt, wenn nach klassischer Vorstellung die Photonen längst durch den Doppelspalt hindurchgetreten sind und jetzt den Analysator passieren ("Interferenz mit verzögerter Entscheidung").

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( Juni 2014 )