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Doppelspaltversuch: Was verrät die Quantentheorie über die Realität?

Ein Jahrhundert nach den Anfängen der Quantenmechanik haben Physiker und Philosophen noch immer keine klare Vorstellung davon, wie grundlegende experimentelle Erkenntnisse zu interpretieren sind. Aber sie arbeiten daran.
Visualisierung des Verhaltens von Wellen, die auf zwei Öffnungen treffen und nach dem Durchtreten interferieren. Materie verursacht ebenfalls Interferenzmuster, was ihre Wellennatur belegt.

Für ein Experiment, das die Vorstellungen des großen Isaac Newton über die Natur des Lichts umstürzen sollte, war es verblüffend einfach ausgelegt. Es könne »mit großer Leichtigkeit wiederholt werden, wo immer die Sonne scheint«, versicherte der englische Physiker Thomas Young im November 1803 den Mitgliedern der Royal Society in London. Es ging um eine folgenreiche Demonstration, einen der berühmtesten Laborversuche aller Zeiten: das Doppelspaltexperiment. Young hatte es entwickelt, um die wellenförmige Natur des Lichts zu beweisen – und schien zunächst Recht zu behalten.

Mit seinem Doppelspalt widerlegte er Newton, der meinte, Licht würde aus Teilchen bestehen, so genannten Korpuskeln. So einfach war es dann aber doch nicht: Etwa 100 Jahre später, mit der Geburt der Quantenphysik, wurde klar, dass Licht tatsächlich aus winzigen, unteilbaren Energieeinheiten oder »Quanten« besteht, den Photonen. Manchmal verhält es sich aber auch wie eine Welle.

Grundlegende Fragen über die Natur der Realität

Seitdem haben Forscher längst weitergedacht und Youngs Experiment weiterentwickelt. Sie haben zum Beispiel untersucht, was passiert, wenn man einzelne Photonen oder die Bausteine herkömmlicher Materie wie Elektronen und Neutronen durch den Doppelspalt schickt. Das wirft neue, grundlegende Fragen über die Natur der Realität auf.

In der modernen Variante von Youngs Experiment fallen einzelne Licht- oder Materieteilchen auf zwei Spalte in einer sonst undurchsichtigen Barriere. Auf der anderen Seite befindet sich ein Detektor, der die Ankunft der Partikel registriert, beispielsweise eine fotografische Platte. Der gesunde Menschenverstand lässt uns erwarten, dass die einzelnen Objekte entweder durch die eine oder andere Öffnung gehen und sich nacheinander hinter den Schlitzen auftürmen.

Das tun sie aber nicht. Vielmehr fallen sie lediglich auf bestimmte Teile des Bildschirms und meiden andere. So bilden sich abwechselnd helle und dunkle Streifen. Solche Interferenzmuster entstehen im Allgemeinen, wenn sich mehrere Wellen überlagern, und sie waren auch das, was in Youngs ursprünglichem Experiment zu beobachten war.

Doppelspaltexperiment
Doppelspaltexperiment |

Das Doppelspaltexperiment ist eines der verblüffendsten Experimente der Physik: Feuert man ein Elektron auf zwei nah zusammenliegende Schlitze, dann schlüpft es, salopp gesprochen, durch beide gleichzeitig. Erst eine völlig neue Anschauung, die Quantenmechanik, vermochte solche physikalischen Phänomene zu beschreiben.

Der Augenarzt und Physiker Thomas Young war im Jahr 1807 der Erste, der mit einem Doppelspalt experimentierte – allerdings mit Licht. Young interessierte sich für das Muster aus hellen und dunklen Bereichen, das hinter dem Doppelspalt auf einem Schirm entsteht. Hier überlagern sich die Lichtwellen, die von jedem der beiden Spalte ausgehen, und verstärken beziehungsweise schwächen sich gegenseitig.

Seine eigentliche Bedeutung erlangte dieser Versuchsaufbau allerdings erst später: Im Jahr 1959 führte der damalige Tübinger Doktorand Claus Jönnson dasselbe Experiment mit Elektronen statt Licht durch. Nach klassischer Anschauung sind Elektronen Teilchen mit einem zugehörigen Ort und einer bestimmten Masse. Jönnson beobachtete jedoch, dass auch bei Elektronen das für Wellen charakteristische Überlagerungsmuster entsteht. Jönnsons Schlussfolgerung: Auch Elektronen können sich wie Wellen verhalten.

Mehr noch, prüft man, durch welche Öffnung die einzelnen Elektronen fliegen, dann verschwindet das Überlagerungsmuster. Die Welt im Kleinen gehorcht völlig anderen Gesetzmäßigkeiten, als wir es aus unserer Erfahrungswelt gewohnt sind. Das belegt das Doppelspaltexperiment auf besonders anschauliche Art und Weise. Kein Wunder, dass es in einer Umfrage der englischen Physikalischen Gesellschaft zum schönsten physikalischen Experiment gewählt wurde. So ist es wahrlich ein Jahrhundertexperiment.

Wenn die Berge einer Welle auf die Berge einer anderen treffen, führt das zur konstruktiven Interferenz (helle Bänder); falls sie auf Wellentäler stoßen, ist die Interferenz destruktiv (Dunkelheit). Hier aber läuft immer nur ein Photon durch das Gerät, und es scheint darum so, als ob jedes Lichtteilchen beide Spalte auf einmal durchläuft und mit sich selbst interferiert. Das ergibt im Bild der klassischen Physik keinen Sinn.

Mathematisch gesehen ist das, was durch beide Spalte geht, kein physikalisches Teilchen und keine Welle im klassischen Begriff, sondern eine so genannte Wellenfunktion – eine abstrakte mathematische Beschreibung für den Zustand des Photons, in dem Fall seine Position. Sie verhält sich zunächst wie eine Welle: Sie trifft die beiden Spalte, von deren anderer Seite jeweils neue Wellen ausgehen, die sich ihrerseits ausbreiten und miteinander interferieren. Die derart kombinierte Wellenfunktion liefert dann die Wahrscheinlichkeiten für die Orte auf dem Schirm, an denen das Photon detektiert werden könnte.

Wo steckt das Photon?

An den Stellen, wo die beiden Wellenfunktionen konstruktiv interferieren, wird man das Photon mit hoher Wahrscheinlichkeit antreffen. In Regionen mit destruktiver Interferenz sind die Chancen dafür hingegen gering. Die Messung – in dem Fall die Wechselwirkung mit der fotografischen Platte – lässt die Wellenfunktion kollabieren, wie es im Sprachgebrauch der Quantenmechanik heißt. Während sie zuvor noch über den gesamten Raum ausgebreitet war, erhält sie im Moment der Messung dort ein Maximum, wo sich das Photon offenbart.

Dieser messungsbedingte Kollaps der Wellenfunktion hat viele konzeptionelle Schwierigkeiten in der Quantenmechanik verursacht. Vorher lässt sich nicht mit Sicherheit sagen, wo das Photon landen wird – es kann an jedem der Orte erscheinen, an denen die Wahrscheinlichkeit dafür von null verschieden ist. Es gibt außerdem keine Möglichkeit, die Bahn des Photons von der Quelle bis zum Detektor nachzuzeichnen. Das Photon ist nicht real, zumindest nicht auf die gleiche Weise wie ein Flugzeug, das von San Francisco nach New York fliegt.

Wirkliche oder unwirkliche Wirklichkeit?

Nach der Interpretation von Werner Heisenberg, einem der Pioniere der Quantenmechanik, sind Dinge erst dann real, wenn sie beobachtet werden. Er hielt es für nicht mehr möglich, »zur Vorstellung einer objektiven realen Welt zurückzukehren, deren kleinste Teile in der gleichen Weise objektiv existieren wie Steine oder Bäume, gleichgültig, ob wir sie beobachten oder nicht«. Auch der US-Physiker John Wheeler benutzte eine Variante des Doppelspaltexperiments für sein Argument, letzten Endes sei »ein elementares Quantenphänomen so lange nicht wirklich, als es nicht registriert ist«.

In der Quantentheorie ist jedoch völlig unklar, was eine Messung eigentlich sein soll. Die Theorie postuliert einfach, das dafür verwendete Gerät müsse aus der klassischen Welt sein, ohne eine Grenze zwischen dieser und dem Quantenreich zu definieren. Einige Physiker gestehen sogar dem menschlichen Bewusstsein eine Rolle beim Kollaps zu. Allerdings liefern die modernen Varianten des Doppelspaltexperiments keinen empirischen Beweis für solche Behauptungen.

Mit einzelnen Photonen kann man nur die probabilistischen Vorhersagen der Mathematik überprüfen. Wenn sich die Wahrscheinlichkeitsaussagen im Lauf des Durchgangs zehntausender identischer Photonen durch den Doppelspalt bestätigen, ist laut der Theorie die Wellenfunktion jedes Photons zusammengebrochen, und zwar in Folge irgendeines Prozesses, der als Messung bezeichnet wird. Das ist alles.

Das Doppelspaltexperiment lässt sich auch anders interpretieren. Nehmen wir die De-Broglie-Bohm-Theorie, die den Wellen- und Teilchencharakter der Realität vereint: Ein Photon bewegt sich hier mit einer jederzeit eindeutigen Position auf den Doppelspalt zu und durchläuft den einen oder anderen Spalt – jedes Photon hat also eine Bahn. Es reitet auf einer führenden Welle, die durch beide Schlitze geht und das Lichtteilchen zu einem Ort der konstruktiven Interferenz leitet.

Eine alternative Beschreibung ist nach wie vor im Rennen

1979 simulierten Chris Dewdney, Chris Philippides und Basil Hiley vom Birkbeck College in London erstmals die Voraussagen der Theorie für Bahnen von Teilchen, die sich durch den Doppelspalt bewegen. Im Lauf des letzten Jahrzehnts haben Experimentatoren solche Trajektorien im Versuch nachgewiesen, wenn auch mit einer umstrittenen Technik, den so genannten schwachen Messungen. Trotz aller Kontroversen bleibt die De-Broglie-Bohm-Theorie als alternative Beschreibung der Quantenwelt im Rennen. Vor allem benötigt sie dafür weder Beobachter noch Messungen – oder gar ein immaterielles Bewusstsein.

Das Gleiche gilt für Theorien, die mit dem zufälligen Kollaps von Wellenfunktionen argumentieren: Je mehr Teilchen im Quantensystem stecken, desto wahrscheinlicher ist der Vorgang. Beobachter entdecken lediglich das Ergebnis. Forscher um Markus Arndt an der Universität Wien haben diese Theorien beispielsweise überprüft, indem sie immer größere Moleküle durch einen Doppelspalt geschickt haben. Laut solchen Kollapsmodellen sollten Materieteilchen jenseits einer gewissen Massenschwelle nicht in einer Quantenüberlagerung bleiben. Das würde das Interferenzmuster zerstören. Arndts Team hat selbst bei einem Molekül mit mehr als 800 Atomen Interferenz beobachtet. Die Suche nach der Grenze geht weiter.

Der englische Theoretiker Roger Penrose hat eine Version eines Kollapsmodells entwickelt, bei der Gravitationsinstabilitäten ein Objekt aus einer Überlagerung in den einen oder anderen Zustand bringen – umso schneller, je massereicher es ist. Auch das geschieht unabhängig von bewussten Beobachtern. Und Dirk Bouwmeester von der University of California in Santa Barbara überprüft die Idee mit einer angepassten Variante des Doppelspaltexperiments.

Hier geht es im Grundgedanken nicht nur um eine Überlagerung des Wegs eines Photons durch zwei Spalte auf einmal, sondern auch darum, einen der Spalte selbst in eine Überlagerung zweier möglicher Orte zu bringen. Laut Penrose bleibt dieser Spalt entweder in Überlagerung oder kollabiert, noch während das Photon sich durch die Apparatur bewegt, was zu verschiedenen Arten von Interferenzmustern führt. Der Kollaps hängt von der Masse der Spalte ab. Bouwmeester arbeitet bereits seit einem Jahrzehnt an dem Versuchsaufbau.

Solche Experimente zeigen, dass wir noch nicht so weit sind, eindeutige Aussagen über die Realität zu treffen, auch wenn einige Ideen mathematisch oder philosophisch gut motiviert sind. Und solange sich Neurowissenschaftler und Philosophen noch über die Natur des Bewusstseins streiten, sind alle Behauptungen, es brauche für den Kollaps der Wellenfunktion einen bewussten Beobachter, bestenfalls verfrüht und führen schlimmstenfalls auf den Holzweg.

39/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 39/2018

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