Die Angst des Teilchens, gemessen zu werden

News: Die Angst des Teilchens, gemessen zu werden

Schon früh lernen Physikstudenten, daß es unmöglich ist, gleichzeitig Ort und Impuls eines Teilchens zu bestimmen. Dies besagt die Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation. Licht, das normalerweise als elektromagnetische Welle beschrieben wird, verhält sich in manchen Versuchen wie ein punktförmiges Teilchen - zumindest, wenn der Beobachter genau hinsieht. Nach einem neuen Experiment scheint jedoch schon die Möglichkeit auszureichen, die genaue Position des Teilchens zu messen - selbst wenn der Wissenschaftler das in Wirklichkeit überhaupt nicht tut.

Schon lange versuchen Wissenschaftler das Komplementaritätsprinzip der Quantenmechanik wirklich zu verstehen, jenen Lehrsatz, nach dem sich Teilchen wie Photonen, Elektronen und Atome entweder verhalten wie ein klassisches Teilchen oder aber als Welle agieren können. Die bekanntesten Demonstrationen dieses Phänomens finden bei sogenannten Doppelspalt-Experimenten statt, bei denen Elektronen eine Blende durch zwei nebeneinanderliegende Schlitze passieren können. Wenn keine Vorrichtung installiert ist, mit welcher sich der Weg des Teilchens verfolgen läßt, verhält es sich wie eine Welle, tritt durch beide Schlitze hindurch und bildet auf einem Schirm hinter der Blende ein Interferenzmuster, das jenen alternierenden hellen und dunklen Streifen ähnelt, die bei Lichtwelleninterferenz produziert werden.

Doch sobald Wissenschaftler versuchen, den Weg der Elektronen zu beobachten, verschwindet deren wellenförmiges Interferenzmuster und wird durch eine Verteilung ersetzt, die aussieht, als sei jedes Elektron nur durch einen einzigen Spalt geflogen. Die Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation erklärt dies folgendermaßen: Wenn man das Teilchen beobachtet und folglich seine genaue Position kennt, so bedeutet dies, daß man niemals seine wahre Geschwindigkeit wissen kann. Daraus resultiert, daß das Teilchen gleichzeitig mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch einen Spalt fliegt: Es kann also nicht mit sich selbst in Wechselwirkung treten und ein Interferenzmuster zu bilden.

Gerhard Rempe und seine Kollegen von der Universität Konstanz wollten nunmehr herausfinden, ob gleiches auch gilt, wenn man ein Experiment zur Messung des vom Teilchen eingeschlagenen Weges entwickelt, ohne diese Messung tatsächlich durchzuführen. Dafür baute Rempes Team ein völlig anderes Spaltexperiment auf: Zunächst wurden Rubidiumatome in einer magnetischen Falle eingeschlossen und dann gekühlt. Die Atome mußten danach einen speziell eingestellten Lichtstrahl passieren, welcher der einen Häflte von ihnen gestattete, sich direkt hindurch zu bewegen, jedoch die andere Hälfte in einem präzisen Winkel ablenkte. Diese beiden Atomströme wurden dannn durch einen weiteren Strahl geschickt, der jeden Strom noch einmal auf die gleiche Weise teilte. Am Ende des Versuchsaufbaus existierten vier Ströme von Atomen, wobei zwei so positioniert waren, daß sie miteinander in Wechselwirkung treten und das typische Streifenmuster bilden konnten.

Rempes Team versah die Atome mit eindeutigen Identifikationsmerkmalen, die später aussagen sollten, welchen Weg die Teilchen genommen hatten. Die Atome wurden so mit Mikrowellen beschossen, daß sich der Spin des Atoms nach oben drehte, sofern das Teilchen direkt durch einen Lichtstrahl ging, oder nach unten, wenn es abgelenkt wurde. Selbst wenn die Wissenschaftler den Spin der Atome nicht tatsächlich maßen, verschwanden die Interferenzstreifen dennoch. Das bedeutet, so Rempe, daß die Interferenz nicht wegen der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation verschwindet, sondern wegen der Kopplung der Flugbahn des Atoms mit seinem Spin.

Aber nicht alle Physiker sind bereit, diese Auslegung zu akzeptieren. Dan Walls, Physiker der University of Auckland in Neuseeland, argumentiert, daß das Experiment durchaus erklärbar ist, denn die Atome erhalten in ihm durch die Mikrowellen einen "Tritt". Dieser Tritt wiederum ändert die Geschwindigkeit der Atome, die dann nicht länger miteinander in Wechselwirkung treten, um Interferenzmuster zu bilden. "Die Kopplung ist kein physikalischer Mechanismus", erklärt Walls. "Der physikalische Grund für die Auslöschung der Streifen ist der Impulstransfer." Rempe hält dieser Ansicht entgegen, daß diese Tritte zu gering ausfallen, um das Verschwinden der Interferenz erklären zu können.