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SG121 Mach-Zehnder-Interferometer

© H. Hübel Würzburg 2013

Doppelspalt-Versuch

G-R-A-Versuch

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

 Impres-sum

(1) Klassisch würde man die Anordnung so beschreiben: Die kohärente Strahlung eines Lasers wird an einem ersten Strahlteiler im Verhältnis 1:1 aufgespalten. 50% des Lichts geht den oberen Weg, wird an einem totalreflektierenden Spiegel umgelenkt und hat beim nächsten Strahlteiler wieder zwei Möglichkeiten.

50% des Lichts werden vom ersten Strahlteiler geradeaus durchgelassen, durch einen weiteren totalreflektierenden Spiegel umgelenkt und gelangt auch an den zweiten Strahlteiler, wo wiederum ein Teil des Lichts geradeaus passiert, während der andere Teil umgelenkt wird.

Hinter dem zweiten Strahlteiler werden die beiden Teilstrahlen überlagert und interferieren. An den beiden Ausgängen des zweiten Strahlteilers stehen Detektoren zum Nachweis des Lichts bzw. der Photonen.

(4) Sinnlose Fragen:
  • Auf welchem Weg ist das Photon gegangen, das den Interferenz-Detektor auslöste?
  • Woher "weiß" ein Photon, das den unteren Weg gewählt hat, dass der obere Weg auch offen ist? Davon scheint ja abzuhängen, ob das Photon in einem Maximum der Interferenzfigur nachgewiesen wird und nicht an der Stelle eines Minimums.

Diese Fragen sind sinnlos, weil es keinen Weg eines Photons gibt, wenn ein Interferenz- Experiment gemacht wird.

(2) Für das Folgende werden gleiche Abstände für beide Wege vorausgesetzt.

Für D1: Für beide klassisch vorstellbaren Wege liegt die gleiche Situation vor: je einmal Reflexion am Strahlteiler und je einmal Durchgang. Es besteht kein Phasenunterschied zwischen beiden "Wegen". Damit trifft Wellenberg 1 auf Wellenberg 2 und Wellental 1 auf Wellental 2: Konstruktive Interferenz bei D1. Man könnte D1 auch den "Interferenzdetektor" nennen, weil (im Rahmen der kalkulierbaren Verluste) alle vom Laser kommenden Photonen wegen der konstruktiven Interferenz durch D1 detektiert werden.

Für D2: Auf dem einen Weg findet nie Reflexion am Strahlteiler statt, auf dem anderen zweimal. Bei der zweimaligen Reflexion findet ein Phasensprung im Vergleich zu zweimaligem Durchgang statt, so, dass insgesamt eine Phasenverschiebung um π entsteht. Damit trifft Wellenberg 1 auf Wellental 2 und umgekehrt: Destruktive Interferenz bei D2. Das ist auch zu begründen durch den Energieerhaltungssatz: Wenn die gesamte eingestrahlte Lichtenergie bei D1 ankommt, darf nichts bei D2 ankommen.

Bei idealer Einstellung der Abstände zeigt sich Interferenz, wenn der eine Detektor, D1, immer Teilchen nachweist, der andere, D2, nie.

(Es ist ziemlich belanglos, wie und wo der Phasenunterschied zustandekommt, da bei geringsten Wegunterschieden zwischen beiden Interferometerarmen D1 und D2 ihre Rolle vertauschen.)
(3) Das Überraschende ist, dass der Versuch mit Lichtwellen und mit einzelnen Photonen funktioniert, d.h. selbst wenn immer nur ein einziges Photon in der Apparatur ist, findet Interferenz statt. Sie wird allerdings erst sichtbar, wenn man den Versuch mit sehr vielen Photonen wiederholt. Dann baut sich allmählich eine Interferenzfigur auf. Auch das macht klar, dass es keinen Weg eines Photons durch die Apparatur geben kann.

Würde man Zähler in den Strahlengang einbauen, die den Weg der Photonen anzeigen würden, erhielte man hinter dem Strahlteiler das Ergebnis des Grangier-Rogier-Aspect-Versuchs (G-R-A-Versuch) und keine Interferenz.

E Interferenz mit einem einzelnen Photon findet statt, weil es zwei klassisch denkbare Möglichkeiten gibt, zu einem Detektor zu gelangen, zwischen denen nicht unterschieden wird.

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( Juni 2014 )