Young's Doppelspaltexperiment

Während des gesamten 19. Jahrhunderts waren sich die Physiker einig, dass sich Licht wie eine Welle verhält, was zum großen Teil dem berühmten Doppelspaltexperiment von Thomas Young zu verdanken war. Angetrieben von den Erkenntnissen aus dem Experiment und den Welleneigenschaften, die es zeigte, suchten ein Jahrhundert von Physikern das Medium, durch das Licht wehte, den leuchtenden Äther. Obwohl das Experiment mit Licht am bemerkenswertesten ist, ist die Tatsache, dass diese Art von Experiment mit jeder Art von Welle wie Wasser durchgeführt werden kann. Im Moment konzentrieren wir uns jedoch auf das Verhalten des Lichts.

Was war das Experiment??

In den frühen 1800er Jahren (1801 bis 1805, je nach Quelle) führte Thomas Young sein Experiment durch. Er ließ Licht durch einen Schlitz in einer Barriere, so dass es sich in Wellenfronten aus diesem Schlitz als Lichtquelle ausbreitete (nach dem Huygens-Prinzip). Dieses Licht passierte seinerseits das Schlitzpaar in einer anderen Barriere (vorsichtig in der richtigen Entfernung vom ursprünglichen Schlitz platziert). Jeder Schlitz beugte das Licht, als wären es auch einzelne Lichtquellen. Das Licht traf auf einen Beobachtungsschirm. Dies ist rechts dargestellt.

Wenn ein einzelner Schlitz offen war, traf er lediglich mit größerer Intensität in der Mitte auf den Beobachtungsbildschirm und verblasste dann, wenn Sie sich von der Mitte entfernten. Es gibt zwei mögliche Ergebnisse dieses Experiments:

Partikelinterpretation: Wenn Licht als Partikel vorliegt, ist die Intensität beider Schlitze die Summe der Intensität der einzelnen Schlitze.

Welleninterpretation: Wenn Licht als Wellen existiert, werden die Lichtwellen nach dem Prinzip der Überlagerung interferiert und erzeugen Lichtbänder (konstruktive Interferenz) und dunkle (destruktive Interferenz)..

Bei Durchführung des Experiments zeigten die Lichtwellen tatsächlich diese Interferenzmuster. Ein drittes Bild, das Sie anzeigen können, ist eine grafische Darstellung der Intensität in Bezug auf die Position, die mit den Vorhersagen von Interferenzen übereinstimmt.

Auswirkungen des Youngschen Experiments

Zu dieser Zeit schien dies eindeutig zu beweisen, dass Licht in Wellen wanderte, was zu einer Neubelebung von Huygens Wellentheorie des Lichts führte, die ein unsichtbares Medium beinhaltete, Äther, durch die sich die Wellen ausbreiteten. Während des gesamten 19. Jahrhunderts versuchten mehrere Experimente, insbesondere das berühmte Michelson-Morley-Experiment, den Äther oder seine Wirkungen direkt nachzuweisen.

Sie alle scheiterten, und ein Jahrhundert später führte Einsteins Arbeit mit dem photoelektrischen Effekt und der Relativitätstheorie dazu, dass der Äther nicht mehr erforderlich war, um das Verhalten von Licht zu erklären. Wieder dominierte eine Partikeltheorie des Lichts.

Erweitern des Doppelspaltexperiments

Als jedoch die Photonentheorie des Lichts aufkam, dass sich das Licht nur in diskreten Quanten bewegte, stellte sich die Frage, wie diese Ergebnisse möglich waren. Im Laufe der Jahre haben Physiker dieses grundlegende Experiment auf verschiedene Weise untersucht.

In den frühen 1900er Jahren blieb die Frage offen, wie Licht - das sich nun dank Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts in partikelähnlichen "Bündeln" quantisierter Energie, den so genannten Photonen, fortbewegt - auch das Verhalten von Wellen zeigen könnte. Sicherlich bilden eine Reihe von Wasseratomen (Teilchen) beim Zusammenwirken Wellen. Vielleicht war das etwas Ähnliches.

Ein Photon nach dem anderen

Es wurde möglich, eine Lichtquelle zu haben, die so eingerichtet war, dass sie jeweils ein Photon emittierte. Dies wäre buchstäblich so, als würde man mikroskopische Kugellager durch die Schlitze schleudern. Indem Sie einen Bildschirm einrichten, der empfindlich genug ist, um ein einzelnes Photon zu erkennen, können Sie feststellen, ob in diesem Fall Interferenzmuster vorhanden sind oder nicht.

Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, einen empfindlichen Film einzurichten und das Experiment über einen bestimmten Zeitraum hinweg auszuführen und dann den Film anzusehen, um das Lichtmuster auf dem Bildschirm zu ermitteln. Ein solches Experiment wurde durchgeführt und passte in der Tat identisch zu Youngs Version - abwechselnd helle und dunkle Bänder, die anscheinend auf Welleninterferenzen zurückzuführen waren.

Dieses Ergebnis bestätigt und verwirrt die Wellentheorie. In diesem Fall werden Photonen einzeln emittiert. Es gibt buchstäblich keine Möglichkeit, dass Welleninterferenzen auftreten, da jedes Photon jeweils nur einen einzigen Spalt passieren kann. Die Welleninterferenz wird jedoch beobachtet. Wie ist das möglich? Nun, der Versuch, diese Frage zu beantworten, hat viele faszinierende Interpretationen der Quantenphysik hervorgebracht, von der Kopenhagener Interpretation bis zur Interpretation vieler Welten.

Es wird noch seltsamer

Angenommen, Sie führen dasselbe Experiment mit einer Änderung durch. Sie platzieren einen Detektor, der erkennen kann, ob das Photon einen bestimmten Spalt passiert oder nicht. Wenn wir wissen, dass das Photon durch einen Spalt geht, kann es nicht durch den anderen Spalt gehen, um sich selbst zu stören.