Max Born hatte recht: Der dritte Schlitz ist anders

Ein Photonen-Experiment bestätigt die Quantenphysik

Von Rainer Scharf

Nach den Gesetzen der Quantenphysik ist manches möglich, das sich nur schwer mit unserer Alltagserfahrung in Einklang bringen lässt. So können sich Licht- und Materieteilchen wie Wellen ausbreiten und auf diese Weise mehrere Wege gleichzeitig durchlaufen. Treffen Lichtteilchen oder Photonen einzeln auf eine lichtundurchlässige Wand mit zwei kleinen, eng beieinander liegenden Öffnungen, so durchqueren sie als Wellen beide Löcher zugleich. Dass Photonen hingegen nicht auch drei Öffnungen gleichzeitig passieren können, haben jetzt Urbasi Sinha und ihre Kollegen von der Universität von Waterloo in Kanada im Experiment gezeigt. Damit ist das Interferenzgesetz der Quantenphysik bestätigt, das auf den Physiknobelpreisträger Max Born zurückgeht.

Max Born hatte 1926 mit Hilfe der im Jahr zuvor von Werner Heisenberg begründeten Quantenmechanik die Kollision atomarer Teilchen untersucht. Er beschrieb die Materiewellen der Teilchen mit der von Erwin Schrödinger eingeführten Wellenfunktion und fand heraus, dass sich die Wellen paarweise überlagern und miteinander interferieren. Dabei können die Wellen einander verstärken oder abschwächen - mit der Folge, dass ein bestimmter Ablauf der Kollision eine größere oder kleinere Wahrscheinlichkeit hat. Doch ganz gleich, wie kompliziert die Kollision auch ist, stets lässt sie sich auf die Interferenz von Wellenpaaren zurückführen. Die Überlagerung von drei oder mehr Wellen sollte der Theorie zufolge weder in diesem Fall noch bei anderen Quantenvorgängen eine Rolle spielen.

Zur Überprüfung dieses Interferenzgesetzes haben Urbasi Sinha und ihre Kollegen einen schwachen Laserstrahl auf ein ursprünglich lichtundurchlässiges Metallplättchen mit drei haarfeinen und eng nebeneinander liegenden Schlitzen gerichtet. Das Licht, das durch die Schlitze gelangte, wurde hinter dem Plättchen von einem Photodetektor registriert, der die einzelnen Photonen zählte. Verschoben die Forscher den Detektor parallel zum Metallplättchen, so nahm er ein kompliziertes Intensitätsmuster des Lichtes auf. Das Muster wurde durch die Interferenz der von den drei Schlitzen ausgehenden Lichtwellen hervorgerufen, in die sich die Lichtwelle des Lasers aufgeteilt hatte. Hatten also auch die einzelnen Photonen gleichzeitig alle drei Schlitze passiert?

Die Forscher untersuchten dies, indem sie die drei Schlitze (A, B und C) des Metallplättchens erst einzeln und dann paarweise verdeckten. Für jede Bedeckung zählten sie mit dem Detektor an einem festen Ort die Photonen, die innerhalb einer bestimmten Zeitdauer eintrafen. Diese Prozedur wiederholten sie viele Male. Die für verschiedene Bedeckungen erhaltenen Photonenzahlen verglichen sie dann miteinander. War nur ein Schlitz geöffnet, so mussten die zum Detektor gelangten Photonen diesen Schlitz passiert haben. In diesem Fall bewegte sich nur eine einzelne Photonenwelle zum Detektor, sodass keine Interferenz auftrat. Die gemessene Photonenzahl ließ sich ohne quantenmechanische Interferenz erklären.

Waren zwei Schlitze geöffnet, etwa A und B, so passierte jedes Photon beide Schlitze zugleich, und die beiden von den Schlitzen ausgehenden Photonenwellen interferierten miteinander. Aus diesem Grunde unterschied sich die für das Schlitzpaar AB gemessene Photonenzahl von der Summe der beiden Photonenzahlen, die sich für einen offenen Schlitz (A oder B) ergeben hatten. Im Falle von zwei offenen Schlitzen trat mit der Interferenz der Photonen somit etwas grundlegend Neues auf, das sich nicht auf die an einzelnen Schlitzen gewonnenen Ergebnisse zurückführen ließ.

Auch als schließlich alle drei Schlitze geöffnet waren, kam es zur Interferenz, wie sich an der gemessenen Photonenzahl zeigte. Doch diese Photonenzahl ließ sich, im Einklang mit den Gesetzen der Quantenphysik, auf die Photonenzahlen zurückführen, die die Forscher schon für die geöffneten Schlitzpaare AB, AC oder BC gemessen hatten. Das berichten sie in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Science" (Bd. 329, S. 418). Demnach war die jetzt untersuchte Interferenz der Photonen am "Dreifachspalt" nicht grundlegend verschieden von der seit langem erforschten Interferenz am "Doppelspalt".

Die Ergebnisse lassen sich so interpretieren, dass die Photonen bei drei geöffneten Schlitzen immer nur durch eines der drei Schlitzpaare flogen, wobei es vom Zufall abhing, durch welches. Sie durchquerten aber die beiden Schlitze des gewählten Paares gleichzeitig, sodass die von den Schlitzen ausgehenden Photonenwellen interferieren konnten. Eine Interferenz von drei oder mehr Wellen fand dabei nicht statt. Somit hat sich Borns Gesetz im Falle der Photonen bestätigt. Urbasi Sinha und ihre Kollegen regen an, es auch für andere Teilchen wie Neutronen oder große Moleküle zu überprüfen.

Text: F.A.Z., 28.07.2010, Nr. 172 / Seite N1