Kleines Experiment, große Wirkung: Einstein auf atomarer Ebene widerlegt

In Kürze:

• Interferenzmuster am Doppelspaltexperiment veranschaulichen Schülern den Welle-Teilchen-Dualismus von Licht.
• Die großen Physiker Albert Einstein und Niels Bohr sahen die Eigenschaften von Licht mit unterschiedlichen Augen.
• Physiker des MIT erzeugten mit zwei im Vakuum schwebenden Atomen den kleinsten möglichen experimentellen Doppelspalt.
• Ergebnisse bestätigen Bohr und widerlegen Einsteins Sicht auf die speziellen Quanteneigenschaften des Lichts.

Physiker des renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eines der berühmtesten Experimente der Quantenphysik erneut durchgeführt. Ihre Ergebnisse demonstrieren mit atomarer Präzision die duale und doch ausweichende Natur des Lichts – und sie bestätigen, dass Albert Einstein in diesem speziellen Aspekt falsch lag.

Bei dem fraglichen Experiment handelt es sich um das Doppelspaltexperiment, das erstmals 1801 von dem britischen Gelehrten Thomas Young durchgeführt wurde, um zu zeigen, wie sich Licht als Welle verhält. Heute, mit der Formulierung der Quantenmechanik, ist das Doppelspaltexperiment dafür bekannt, dass es auf verblüffend einfache Weise demonstriert, dass Licht sowohl als Teilchen als auch als Welle existiert. Noch merkwürdiger ist, dass diese Dualität nicht gleichzeitig beobachtet werden kann. Wenn man Licht in Form von Teilchen sieht, wird seine wellenartige Natur sofort verschleiert und umgekehrt.

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Natur des Lichts bestimmt Ausgang des Experiments

Das ursprüngliche Experiment bestand darin, einen Lichtstrahl durch zwei parallele Schlitze in einer Blende zu leiten und das Muster zu beobachten, das sich auf einem weit entfernten Schirm bildete. Man könnte erwarten, zwei sich überlappende Lichtflecken zu sehen, was bedeuten würde, dass Licht als Teilchen, auch Photonen genannt, existiert.

Scheinwerferlicht verdeutlicht die Teilcheneigenschaft von Licht. Wo sich die Lichtkegel überschneiden, wird es heller. Foto: ts/Epoch Times nach Imagesines/iStock

Stattdessen erzeugt das Licht abwechselnd helle und dunkle Streifen auf dem Bildschirm, ein sogenanntes Interferenzmuster, ähnlich dem, das entsteht, wenn zwei Wellen in einem Teich aufeinandertreffen. Dies deutet darauf hin, dass sich Licht wie eine Welle verhält. Noch merkwürdiger ist, dass sich das Licht plötzlich wie Teilchen verhält und das Interferenzmuster verschwindet, wenn man versucht zu messen, durch welchen Spalt das Licht läuft.

Photonen (Lichtteilchen) offenbaren im Doppelspaltexperiment ihren Wellencharakter und erzeugen ein Interferenzmuster. Foto: Alexandre Gondran, CC BY-SA 4.0

Das Doppelspaltexperiment wird heute im Physikunterricht der meisten Gymnasien gelehrt, um auf einfache Weise das Grundprinzip der Quantenmechanik zu veranschaulichen: dass alle physikalischen Objekte, einschließlich Licht, gleichzeitig Teilchen und Wellen sind.

Eine Diskussion unter Ikonen

Vor fast einem Jahrhundert stand das Experiment im Mittelpunkt einer freundschaftlichen Debatte zwischen den Physikern Albert Einstein und Niels Bohr. Einstein vertrat die Ansicht, dass ein Photonenteilchen nur einen der beiden Schlitze passieren und dabei eine leichte Kraft auf diesen Spalt ausüben sollte, so wie ein Vogel beim Vorbeiflug ein Blatt zum Rascheln bringt.

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Einstein schlug 1927 vor, dass man eine solche Kraft nachweisen und gleichzeitig ein Interferenzmuster beobachten könnte, wodurch die Teilchen- und Wellennatur des Lichts gleichzeitig erfasst würde. Bohr wandte daraufhin die quantenmechanische Unschärferelation an und zeigte, dass der Nachweis des Weges des Photons das Interferenzmuster auslöschen würde.

Seitdem haben Wissenschaftler mehrere Versionen des Doppelspaltexperiments durchgeführt, die alle in unterschiedlichem Maße die Gültigkeit der von Bohr formulierten Quantentheorie bestätigt haben. Jetzt haben Physiker um MIT-Professor Wolfgang Ketterle das Experiment auf das quantenmechanisch Wesentliche reduziert. Sie verwendeten einzelne Atome als Schlitze und derart schwache Lichtstrahlen, sodass jedes im Vakuum schwebende Atom höchstens ein Photon streute.

Einstein in anderem Licht

„Einstein und Bohr hätten nie gedacht, dass es möglich ist, ein solches Experiment mit einzelnen Atomen und einzelnen Photonen durchzuführen“, fasst Ketterle zusammen. „Was wir gemacht haben, ist ein idealisiertes Gedankenexperiment.“ Weiter sagte er:

„Diese Atome sind wie die kleinsten Schlitze, die man bauen kann.“

Indem sie die Atome in verschiedene Quantenzustände versetzten, konnten sie verändern, welche Informationen die Atome über den Weg der Photonen erhielten. Damit bestätigten die Forscher die Vorhersagen der Quantentheorie: Je mehr Informationen sie über den Weg – sprich die Teilchennatur – des Lichts erhielten, desto geringer wurde die Sichtbarkeit des Interferenzmusters. Mit anderen Worten: Immer wenn ein Atom durch ein vorbeiziehendes Photon „durchgerüttelt“ wird, wird die Welleninterferenz abgeschwächt. Genauso, wie Niels Bohr vorhergesagt hat.

Die Ergebnisse erschienen am 22. Juli in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.