Читать книгу Fundamental - Tim James - Страница 14

Als Einstein bewies, dass Licht aus Teilchen bestand, bestätigte das nicht nur Plancks Quantentheorie, sondern stand auch im Widerspruch zu Youngs Lichtwellen.

Einerseits konnten der fotoelektrische Effekt und die Ultraviolett-Katastrophe nur erklärt werden, wenn Licht aus Teilchen bestand. Andererseits zeigt das Doppelspalt-Experiment, dass Licht eine Welle in irgendeiner Art von Hintergrundmedium sein muss.

Wenn zwei vorgeschlagene Hypothesen im Konflikt miteinander stehen, lösen Naturwissenschaftler die Unstimmigkeit dadurch auf, dass sie Experimente durchführen, um sie zu unterscheiden. Aber was tun wir im Namen von Newtons Äpfel mampfendem Geist, wenn die Experimente selbst nicht übereinstimmen? Das war eine noch nie da gewesene Situation für die Naturwissenschaft, weshalb wir versuchen mussten, eine Hintertür zu finden.

Vielleicht könnten wir die Ergebnisse von Youngs Doppelspalt-Experiment im Sinne von Photonen erklären. Sprüht unsere Lichtquelle sie wie ein Maschinengewehr und sie stoßen in der Luft miteinander zusammen, um das Zebramuster zu erzeugen?

Die beste Methode, das zu bestätigen, bestünde darin, die Möglichkeit zu eliminieren, dass die Photonen miteinander interagieren, während sie durch die Spalte fliegen. Anstatt sie alle auf einmal zu versprühen, sollten wir versuchen, sie einzeln abzufeuern und unser Maschinengewehr im Endeffekt durch ein Scharfschützengewehr zu ersetzen.

Im Lauf der Jahre wurden viele Varianten dieses Experimentes entworfen, aber die beste war zweifellos diejenige, die von Akira Tonomura 1994 durchgeführt wurde, als er für Hitachi arbeitete.¹³ Dieselbe Firma, die Tanks, Kühlschränke und Massagestäbe herstellt, erhebt auch Anspruch auf das genaueste Doppelspalt-Experiment, das je durchgeführt wurde.

Die Einzelheiten von Tonomuras Versuchsaufbau sehen ganz anders aus als das Experiment, das Thomas Young durchführte, aber sie erreichen dasselbe Ziel; daher werde ich um der Einfachheit und der Bequemlichkeit willen dieselbe Terminologie verwenden, auch wenn es nicht ganz so einfach war, wie es meiner Darstellung nach klingt.

In seinem Experiment konnte Tonomuras Strahlenerzeuger von hoher zu niedriger Helligkeit verändert werden, indem er Photonen auf zwei Spalte feuerte. Auf der anderen Seite wurde ein Detektorbildschirm aufgestellt, der aus einem Material hergestellt wurde, das aufleuchtete, wenn es getroffen wurde, und überall dort einen Licht-Nadelstich erzeugte, wo ein Teilchen landete.

Wenn eine ganze Menge Licht auf die Spalte gefeuert wurde, wie Young es in seinem ursprünglichen Experiment tat, erhielt Tonomura das erwartete Zebramuster, aber wenn er die Intensität auf jeweils ein Photon reduzierte, erhielt er ein wirklich merkwürdiges Ergebnis.

In den ersten paar Minuten geschah nichts Interessantes. Jedes Photon schoss auf den Spalt zu und traf scheinbar zufällig auf dem Detektorschirm auf. Aber als er weiter zusah, begann das Punktemuster sich folgendermaßen in Streifen anzuordnen … kommt Ihnen das bekannt vor?

Das sollte nicht möglich sein, weil jedes Teilchen einzeln abgefeuert wird. Das Zebramuster erfordert, dass ein Photon durch einen Spalt geht und sich mit einem anderen Photon vermischt, das aus dem anderen Spalt kommt. Wenn jedes Photon einzeln abgefeuert wird, dann sollte es nichts geben, womit es sich vermischen kann. Wie erzeugen die Photonen ein Interferenzmuster, wenn es gar nichts gibt, womit sie interferieren können? Gehen die Photonen etwa gleichzeitig durch beide Spalte?