💡 Dieses neue Experiment zeigt, dass Einstein über das Licht falsch lag
Das MIT-Team hat ein klassisches Experiment mit beispielloser Präzision wiederholt. Indem sie das berühmte Doppelspaltexperiment mit einzelnen Atomen durchführten, beobachteten sie, wie sich Licht auf der Quantenskala verhält. Ihre Ergebnisse bestätigen die Vorhersagen der Quantenmechanik, während sie eine Intuition Einsteins widerlegen.
Schema des MIT-Experiments: Zwei einzelne Atome in einer Vakuumkammer dienen als Spalte. Ein Laser beleuchtet die Atome, und die Interferenz des gestreuten Lichts wird von einer hochempfindlichen Kamera aufgezeichnet.
Quelle: Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Das Doppelspaltexperiment, ursprünglich von Thomas Young 1801 konzipiert, zeigt, dass Licht Interferenzmuster bilden kann, die für Wellen typisch sind. Wenn Wissenschaftler jedoch versuchen zu bestimmen, durch welchen Spalt das Licht tritt, verhält es sich wie ein Teilchen. Diese Welle-Teilchen-Dualität ist ein Grundpfeiler der Quantenmechanik, bleibt aber intuitiv schwer zu erfassen.
Die MIT-Forscher haben das Experiment an seine Grenzen getrieben. Durch das Abkühlen von Atomen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt konnten sie diese als perfekte Spalte nutzen. Das Licht in Form einzelner Photonen offenbarte seine duale Natur noch deutlicher als in früheren Versionen des Experiments. Je mehr sie den Weg der Photonen zu bestimmen versuchten, desto weniger sichtbar waren die Interferenzen.
Diese in Physical Review Letters veröffentlichte Studie zeigt, dass die quantenmechanische "Unschärfe" der Atome eine Schlüsselrolle spielt. Anders als Einstein dachte, reicht die bloße Unbestimmtheit der Position der Atome aus, um das Interferenzmuster zu verwischen, was damit die Vorhersagen Bohrs bestätigt.
Das Team führte das Experiment auch durch, indem es die Atome kurz vor der Messung aus ihrer Falle freisetzte, und beobachtete das gleiche Phänomen. Dies deutet darauf hin, dass die tiefere Natur des Lichts nicht von experimentellen Details abhängt, sondern von den grundlegenden Prinzipien der Quantenmechanik.
Was ist die Welle-Teilchen-Dualität?
Die Welle-Teilchen-Dualität ist ein grundlegendes Konzept der Quantenmechanik, das beschreibt, wie Quantenobjekte wie Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften zeigen können. Dieses Phänomen ist kontraintuitiv, da in unserer alltäglichen Erfahrung Wellen und Teilchen als getrennte Entitäten erscheinen.
Wellen, wie wir sie auf der Wasseroberfläche sehen, können sich überlagern und Interferenzmuster erzeugen. Teilchen hingegen, wie Murmeln, haben eine klar definierte Position und Flugbahn. Die Quantenmechanik zeigt, dass beide Verhaltensweisen für dasselbe Objekt koexistieren können, je nachdem, wie man es beobachtet.
Diese Dualität wurde erstmals mit Licht nachgewiesen, gilt aber auch für andere Teilchen wie Elektronen. Sie ist die Grundlage vieler moderner Technologien wie Laser und Elektronenmikroskope. Das Verständnis dieser Dualität ist entscheidend, um die Grenzen unseres Naturverständnisses zu erforschen.
Warum ist das Doppelspaltexperiment so wichtig?
Das Doppelspaltexperiment ist eine der anschaulichsten Demonstrationen der Prinzipien der Quantenmechanik. Es zeigt einfach und direkt, wie Licht oder andere Teilchen sich je nach experimentellem Kontext sowohl als Welle als auch als Teilchen verhalten können.
Wenn Licht durch zwei schmale Spalte tritt, erzeugt es auf einem dahinter platzierten Schirm ein Interferenzmuster, das für Wellen charakteristisch ist. Versucht man jedoch zu detektieren, durch welchen Spalt jedes Photon tritt, verschwindet das Interferenzmuster, und das Licht verhält sich wie eine Reihe von Teilchen. Dies veranschaulicht Bohrs Komplementaritätsprinzip, nach dem Wellen- und Teilchenaspekte komplementär sind und nicht gleichzeitig beobachtet werden können.
Dieses Experiment hat tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis der Realität. Es legt nahe, dass der Akt der Beobachtung das beobachtete System beeinflusst – ein Konzept, das viele philosophische und wissenschaftliche Debatten angeregt hat. Moderne Versionen des Experiments, wie die des MIT, testen weiterhin die Grenzen unseres Verständnisses der Quantenmechanik.