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Doppelspaltexperiment
20.06.2011 20:09 |
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Hi, ich starte hier mal eine hochkomplexe Diskussion, bzw. hoffe das es eine wird.
MEine Quelle ist wikipedia.
Beim Doppelspaltexperiment lässt man kohärentes Licht durch eine Blende mit zwei schmalen, parallelen Schlitzen treten. Auf einem Beobachtungsschirm hinter der Blende zeigt sich dann – durch die Interferenz des Lichtes, welches die beiden Blendenöffnungen passiert – ein Interferenzmuster. Bei monochromatischem Licht besteht dieses aus hellen und dunklen Streifen, ansonsten kommen Farberscheinungen hinzu.
Das Experiment kann nicht nur mit den „Wellen“ des Lichts, sondern auch mit seinen und anderer Art „Teilchen“ (Elektronen, Neutronen, Atomen, Fulleren-Molekülen usw.) durchgeführt werden. Es zeigt sich auch in diesen Fällen ein Interferenzmuster wie bei der Durchführung mit Licht. Das bedeutet, dass auch klassische Teilchen unter bestimmten Bedingungen Welleneigenschaften zeigen – man spricht dann von „Materiewellen“. Mit dem Doppelspaltexperiment kann man so den Welle-Teilchen-Dualismus demonstrieren, der nur im Rahmen der Quantenmechanik erklärt werden kann. Dieses Experiment gilt als das wichtigste Experiment der Quantenmechanik, es ist ein herausragendes Beispiel dafür, wie die Quantenmechanik unsere Weltanschauung verändert.
Experimentelle Beobachtung
Ergebnis eines Doppelspaltexperiments, welches das Interferenzmuster von Elektronen zeigt. Anzahl Elektronen: 11 (a), 200 (b), 6000 (c), 40000 (d), 140000 (e).
Die beiden interferierenden Wellen müssen die gleiche Wellenlänge und eine feste Phasenbeziehung zueinander haben, damit überhaupt Interferenz auftreten kann. Diese Voraussetzung kann im Allgemeinen z.B. mit einem Laser (mit hoher Kohärenzlänge) einfach erzielt werden. Welche Folgen eine geringere Kohärenzlänge und variable Phasenbeziehung haben, wird im Artikel Kohärenzlänge genauer diskutiert.
Da die Lage der hellen und dunklen Streifen des Interferenzmusters von der Wellenlänge abhängig ist, sollte die einfallende Strahlung möglichst monochromatisch sein. Andernfalls überlagern sich mehrere Interferenzmuster, und es kann vorkommen, dass die hellen Streifen des einen Musters die dunklen Streifen des anderen überdecken. Das Interferenzmuster ist dann nicht mehr zu sehen. Je weniger monochromatisch das benutzte Licht ist, desto schlechter ist das Muster zu sehen.
Deckt man einen der beiden Blendenspalte ab, beobachtet man nun je nach Breite b des Spaltes entweder ein Beugungsmuster am Einzelspalt (b ’ Wellenlänge ») oder aber einen breiten, hellen Streifen hinter dem jeweils geöffneten Spalt mit Interferenzmustern hinter den Kanten des Spaltes (b >> »).
Versucht man, durch eine beliebige Apparatur (z.B. das Abdecken eines Spaltes) herauszufinden, welchen Weg ein bestimmtes Teilchen genommen hat (durch Spalt 1 oder Spalt 2), verschwindet das Interferenzmuster. Dieses Phänomen wird in der Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik durch den sog. Kollaps der Wellenfunktion erklärt. Das bedeutet, dass das System bei Interferenz in einer Überlagerung der beiden möglichen Wege ist, während eine Messung des tatsächlichen Weges dazu führt, dass auch nur noch dieser „benutzt“ wird. Dies gilt auch, wenn der Weg des Teilchens erst später festgestellt wird.
Bezüglich des Interferenzmusters muss beachtet werden, dass die Energie des Lichts nicht reduziert wird. Vielmehr handelt es sich lediglich um eine Umverteilung der Energie (Licht) – Die Energie bleibt also erhalten.
Das Interferenzmuster hängt nicht von der Anzahl oder Gleichzeitigkeit der beteiligten Photonen ab. Bei einer langsamen Folge von einzelnen Teilchen baut sich das Interferenzmuster langsam auf der Photoplatte auf. Nach dem Detektieren von immer mehr Teilchen sieht man die bekannte Verteilung immer genauer. Das ist das eigentlich überraschende, denn jedes einzelne Teilchen „kennt“ die früher oder später kommenden Teilchen nicht, jeder „Durchflug“ eines Teilchens durch den Doppelspalt ist unabhängig von den anderen. Daher muss auch die Verteilung der Wahrscheinlichkeit des Ankommens an den Positionen auf der Photoplatte bei jedem einzelnen Durchflug entstehen. Das lässt sich als Interferenz der Teilchen mit sich selbst interpretieren.
Folgerungen aus den Beobachtungen für die Quantenmechanik
Betrachtet man die quantenmechanische Beschreibung des Experimentes, so fällt eine wichtige Tatsache auf: Der Beobachter muss in die Experimente mit einbezogen werden, da er durch die Detektion bzw. Messung des genauen Weges eines bestimmten Teilchens den Ausgang des Experimentes entscheidend verändert (überraschenderweise kann diese Veränderung aber auch komplett rückgängig gemacht werden, etwa durch einen Quantenradierer). In der klassischen Physik beeinflusst eine Messung nie das Ergebnis eines Versuches.
In der Quantenphysik gibt es mehrere Ansätze, dieses Phänomen zu beschreiben. Alle diese Ansätze (Interpretationen oder Deutungen genannt) führen zum selben Ergebnis, sind aber konzeptuell unterschiedlich. Zwei Deutungen haben sich besonders profiliert:
Kopenhagener Deutung
Der oben erwähnte Kollaps der Wellenfunktion ist diejenige Variante, die heute wohl am weitesten verbreitet ist. Beim Kollaps der Wellenfunktion sagt man, dass das Teilchen alle möglichen Wege gleichzeitig benutzt (linker oder rechter Spalt) und sich nicht „entscheidet“ (es befindet sich in einer sog. Superposition aller möglichen Wege). Mehrere dieser Wege können nun miteinander interferieren und bilden so das erwartete Interferenzmuster. Der Detektor misst dabei aber immer nur ein Teilchen und legt somit seine Position erst fest. Die Wahrscheinlichkeit, das Teilchen an einem bestimmten Ort zu detektieren, ist dabei durch das Interferenzmuster gegeben, das bei der Detektion vieler Teilchen sichtbar wird. Man könnte ein solches Teilchen also als ein „Geisterteilchen“ bezeichnen, auch wenn man keine Möglichkeit hat, dies nachzuweisen, da diese Messung ja den „Geistercharakter“ zerstören würde. Findet nun die Detektion schon vor dem Spalt statt, so stehen nicht mehr alle Wege für die Interferenz zur Verfügung, und es ergibt sich eine andere Verteilung auf dem Schirm (das Interferenzmuster verschwindet). siehe auch Welle-Teilchen-Dualismus
Viel-Welten-Theorie
Eine weitere Interpretation ist die sog. Viel-Welten-Theorie. Dort geht man davon aus, dass sich unsere Welt zu jedem Zeitpunkt in unendlich viele parallele Welten aufspaltet, in denen jeweils ein bestimmter Ausgang des Experimentes realisiert ist (z.B. jeweils eine Welt für die Wege 1 und 2). Dies löst das Problem des Geistercharakters der Teilchen, da nun in jeder Welt die Position deterministisch bestimmt ist.
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Was haltet ihr davon? ich bin ghespannt und muss sagen, ich krieg da einen schaden, denn wenn man diese gedanken weiterverfolgt kommt man zum schluß da unsre physik komplett anders ist. und somit alles andere auch. Es könnte hier alles rosa flubber sein, und wenn ich es anguke tun als ob es etwas anderes wäre o.O
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Klingt verrückt, ist aber tatsächlich so. Ich hatte Quantenmechanik im Nebenfach, ich kenne das Experiment also relativ gut. Ich würde aber sehr vorsichtig mit Schlussfolgerungen sein, weil die ganze Quantenpyhsik sehr schwer zu begreifen ist. Es gibt keine guten Parallen in userem alltäglichen Erleben.
Wir erleben die Welt nur, wie sie sich bei geringer Geschwindigkeit, geringer Energie, mittelmässiger Temperatur und mittellangen Längen verhält, den Rest nicht.
Ich halte übrigens die viele Welten Interpretation für besser, die Kopenhagener Deutung macht physikalisch nicht zu rechtfertigen Annahmen über die Sonderrolle des Beobachters.
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"Do you believe in free will?" "I have no choice."
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Sollte dich das Thema weiter interessieren, kann ich dir das folgende Buch: http://www.amazon.de/Suche-nach-Schr%C3%...09101448&sr=8-1 als Einführung empfehlen.
Aber du brauchst dir keine Sorgen machen, die Newtonsche Physik die du in der Schule gelernt hast, tritt umso genauer zu, je mehr Teilchen in einem System vorhanden sind. Alleine in einer deiner Fingerspitzen befinden sich etwa 10^23 Teilchen, eine unfassbar große Zahl. Insofern wird sich die Wand vor deinen Augen nicht einfach so auflösen, weil die Wahrscheinlichkeit dazu einfach so gering wäre, dass man sie gleich null setzen kann.
Bin selbst Physikstudent, Quantenmechanik steht aber erst in 2 Jahren an. 
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