Der Beobachter im Doppelspalt

Wo ist der Übergang zwischen Quantenwelt und Alltagswelt? Zwei Nachwuchs-Physikerinnen realisieren ein neues Doppelspaltexperiment im bisher kleinsten Quantenlaboratorium.

Im Mikrokosmos herrschen die Gesetze der Quantenwelt. Doch wo ist der Übergang zu unserer Alltagswelt? Einem internationalen Forscherteam unter Leitung von Frankfurter Atomphysikern ist es gelungen, diese Frage zu beantworten und den Übergang schrittweise sichtbar zu machen. Sie realisierten erstmals ein schon in den 1960er Jahren von Theoretikern vorgeschlagenes Experiment, in dem sie ein Wasserstoffmolekül mit Röntgenstrahlen beschossen und beobachteten, wie dieses Molekül in seine Einzelteile zerfällt. Das wegweisende Experiment, das in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science beschrieben wird, gelang zwei jungen Diplomandinnen aus der Arbeitsgruppe von Reinhard Dörner am Institut für Kernphysik der Goethe-Universität Frankfurt. Die Experimente fanden am Lawrence Berkeley Laboratorium in der Nähe von San Francisco statt.

Vorbild für das neue Experiment ist die Beugung von Elektronen am Doppelspalt. Schickt man viele einzelne Elektronen nacheinander durch einen Doppelspalt, so kann man auf einer Photoplatte hinter dem Spalt ein Streifenmuster beobachten, in dem sich Regionen häufiger Auftreffwahrscheinlichkeit mit Orten abwechseln, an denen nie ein Elektron nachgewiesen wird. Die gängige Erklärung dafür ist, dass sich das Elektron wie eine Welle verhält, die mit sich selbst interferiert. Alle Versuche, die Flugbahn des Elektrons zu beobachten und herauszufinden, durch welchen der beiden Spalte es gegangen ist, sind bisher gescheitert. Sobald man den Ort des Elektrons misst, verliert es seine Welleneigenschaft und verhält sich wie ein gewöhnliches Teilchen.

Abb.: Der kleinste Doppelspalt ist ein Wasserstoffmolekül, das durch ein Photon zur Emission zweier Elektronen angeregt wird. Die Wechselwirkung zwischen beiden Elektronen (gelbe Schlangenlinie) führt zu einem Verlust des Interferenzmusters in der Verteilung der Elektronen. (Quelle: Till Jahnke, Universität Frankfurt)

Mit hochenergischen Röntgenphotonen, die auf ein Wasserstoffmolekül auftreffen, kann man die Situation am Doppelspalt imitieren: Die Röntgenphotonen katapultieren aus dem zweiatomigen Molekül ein energiereiches Elektron heraus, das sich gewissermaßen von beiden Kernen gleichzeitig als Quantenwelle ausbreitet und mit sich selbst interferiert. Mit einer minimalen zeitlichen Verzögerung stößt das erste Elektron noch ein zweites Elektron aus dem Wasserstoffmolekül heraus. Es verhält sich wie eine schnelle Billardkugel, die eine ruhende streift und dadurch in Bewegung versetzt. Dieses zweite Elektron dient den Physikern als „Beobachter“.

Beide Elektronen sind durch den Stoß über Energie- und Impulserhaltung miteinander verwoben, und jede Information, die man über das eine Elektron sammelt, lässt auch Rückschlüsse auf das andere zu. Dabei gilt: Je kürzer die Wellenlänge des zweiten Elektrons ist, desto genauer lässt sich die Bahn des ersten Elektrons räumlich eingrenzen. Man kann also dem ersten Elektron auf die Schliche kommen, ohne es zu stören. Wie sich herausstellte, lässt sich das System durch diesen Trick aber nicht überlisten: „Sobald das zweite Elektron einen hinreichend genauen Rückschluss auf die Bahn des ersten Elektrons zulässt, verschwindet das Wunder der Quantenwelle wieder“, erklärt Reinhard Dörner.

Doch ist damit die Quanteneigenschaft des Systems als Ganzes ebenfalls zerstört? Hier lautet die Antwort eindeutig „nein“, wie die Frankfurter Physikerinnen erstmals nachweisen konnten: Denn mit dem speziellen, in Frankfurt entwickelten „Coltrims-Detektor“, der es erlaubt, alle während der Reaktion entstehenden Teilchen zu messen, stellte sich heraus, dass die Welleneigenschaft in diesem Fall auf eine Größe übertragen wird, die beiden Teilchen gemeinsam ist: Die Schwerpunktsbewegung. Diese nimmt nun den Charakter einer Quantenwelle an. Fazit: Geheimnisse werden in der Quantenwelt nur umverteilt: Hat man sich an einer Stelle Klarheit verschafft, wird es an anderer Stelle wieder ungewiss.

Quelle: Universität Frankfurt

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  D. Akoury et al., The Simplest Double Slit: Interference and Entanglement in Double Photoionization of H ₂, Science 318, 949 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1144959
• Institut für Kernphysik, Uni Frankfurt:
  http://www.uni-frankfurt.de/fb/fb13/ikf/
• AG Experimentelle Atomphysik, Uni Frankfurt:
  http://www.atom.uni-frankfurt.de