Robert Klatt
Albert Einstein und Niels Bohr haben vor rund 100 Jahren über die Physik des Doppelspaltexperiments diskutiert. Nun wurde das Experiment erstmals im atomaren Maßstab durchgeführt. Das Experiment zeigt, dass Photonen, die sich durch einen Spalt bewegen, quantenphysikalisch unbestimmt sind und bei Messungen ihre Wellennatur verlieren. Bohr hatte somit recht und Einstein wurde widerlegt.
Cambridge (U.S.A.). Das Doppelspaltexperiment gehört zu den Schlüsselexperimenten der Physik. Erstmals hat Thomas Young Ergebnisse des Experiments, bei dem ein Lichtstrahl auf eine Oberfläche mit zwei Schlitzen gerichtet wird und dahinter ein Interferenzmuster induziert, bereits 1803 publiziert. Das Doppelspaltexperiment beweist, die quantenphysikalisch bedingte Doppelnatur (Welle-Teilchen-Dualismus), laut der Licht, Atome, Elektronen und Antimaterieteilchen sich wie ein Teilchen, aber auch wie eine Welle verhalten können.
Albert Einstein, der einen Intelligenzquotient (IQ) von 160 bis 180 gehabt haben soll, und Niels Bohr haben 1927 diskutiert, welche konkrete Bedeutung das Doppelspaltexperiment hat. Laut Einstein soll das Experiment nachweisen, dass sich ein Photon jeweils nur durch einen der zwei Spalten bewegt und dabei einen minimalen Impuls auf den Spalt überträgt. In diesem Fall könnte man die Bewegung des Photons über das Bewegen des Beugungsgitters erkennen, ohne dass sich der Welle-Teilchen-Dualismus und das Interferenzmuster aufheben müssten.
Bohr, einer der Vordenker der jungen Quantenphysik, hat Einsteins Theorie widersprochen und war stattdessen überzeugt, dass die Wellen- und Teilchennatur komplementär ist. Laut ihm könnte man in einem Experiment also entweder nur die Wellennatur oder die Teilchennatur messen, weil schon die Messmethode das Quantenobjekt beeinflusst. Wenn man den Weg eines Photons durch einen Spalt messen würde, würde die laut Bohr also dazu führen, dass es zum Teilchen wird und das Interferenzmuster verschwindet.
Seit der Diskussion zwischen Einstein und Bohr wurde das Doppelspaltexperiment mehrmals durchgeführt. Die dabei gewonnenen Ergebnisse haben stets Bohrs Theorie bestätigt und Einstein widerlegt. Weil die Messungen der minimalen Impulsübertragung bei der Bewegung des Photons durch den Spalt die Ergebnisse verfälschen könnten, konnte die Diskussion bisher nicht zweifelsfrei abgeschlossen werden.
Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben das Experiment deshalb auf quantenphysikalischer Ebene wiederholt. Laut der Publikation im Fachmagazin Physical Review Letters haben sie dazu einen Spalt verwendet, der aus zwei benachbarten Atomen besteht.
„Unser Ansatz kann als neue Variante des Doppelspaltexperiments betrachtet werden. Einstein und Bohr hätten es nie für möglich gehalten, dass man dieses Experiment mit einzelnen Atomen und Photonen durchführen kann.“
10.000 ultrakalte Atome in Laserkäfig
Um das Experiment durchführen zu können, haben die Physiker 10.000 ultrakalte Atome schwebend in einem Laserkäfig positioniert. Die Atome waren so weit von anderen Atomen entfernt, dass sie sich nicht gegenseitig beeinflussten.
„Diese Atome bilden die kleinsten Spalten, die man überhaupt konstruieren kann.“
Anschließend wurden Photonen durch die atomaren Spalten geschickt. Anhand der Lichtstreuung an den Atomen konnte bestimmt werden, ob der Weg der Photonen messbar ist und wie stark diese als Teilchen oder Welle reagieren.
„Wir stellten fest, dass wir auf diese Weise quantifizieren können, in welchem Maße die Teilchen als Welle oder Teilchen agieren.“
Damit es durch das Lasergitter nicht zu Messfehlern kommt, wurde es bei einigen Messungen deaktiviert. Die Streuung der Photonen konnte in der Millionstelsekunde, in der die Atome ohne das Lasergitter noch geschwebt haben, gemessen werden. Dabei stellen die Forscher fest, dass die Bewegung eines Photons durch einen Doppelspalt nicht gemessen werden kann, ohne seinen Zustand zu beeinflussen.
Das Doppelspaltexperiment im atomaren Maßstab bestätigt somit erneut, dass der Weg eines Teilchens nicht ermittelt werden kann, ohne sein Interferenzmuster zu zerstören. Einstein wurde somit widerlegt und Bohr hatte recht damit, dass ein Quantenobjekt, sobald es gemessen wird, entweder als Teilchen oder als Welle reagieren muss.
„Es ist ein wunderbarer Zufall, dass wir diese historische Kontroverse genau in dem Jahr klären helfen, in dem wir 100 Jahre Quantenphysik feiern.“
Physical Review Letters, doi: 10.1103/zwhd-1k2t
