Tim James - Fundamental

Als Einstein bewies, dass Licht aus Teilchen bestand, bestätigte das nicht nur Plancks Quantentheorie, sondern stand auch im Widerspruch zu Youngs Lichtwellen.

Einerseits konnten der fotoelektrische Effekt und die Ultraviolett-Katastrophe nur erklärt werden, wenn Licht aus Teilchen bestand. Andererseits zeigt das Doppelspalt-Experiment, dass Licht eine Welle in irgendeiner Art von Hintergrundmedium sein muss.

Wenn zwei vorgeschlagene Hypothesen im Konflikt miteinander stehen, lösen Naturwissenschaftler die Unstimmigkeit dadurch auf, dass sie Experimente durchführen, um sie zu unterscheiden. Aber was tun wir im Namen von Newtons Äpfel mampfendem Geist, wenn die Experimente selbst nicht übereinstimmen? Das war eine noch nie da gewesene Situation für die Naturwissenschaft, weshalb wir versuchen mussten, eine Hintertür zu finden.

Vielleicht könnten wir die Ergebnisse von Youngs Doppelspalt-Experiment im Sinne von Photonen erklären. Sprüht unsere Lichtquelle sie wie ein Maschinengewehr und sie stoßen in der Luft miteinander zusammen, um das Zebramuster zu erzeugen?

Die beste Methode, das zu bestätigen, bestünde darin, die Möglichkeit zu eliminieren, dass die Photonen miteinander interagieren, während sie durch die Spalte fliegen. Anstatt sie alle auf einmal zu versprühen, sollten wir versuchen, sie einzeln abzufeuern und unser Maschinengewehr im Endeffekt durch ein Scharfschützengewehr zu ersetzen.

Im Lauf der Jahre wurden viele Varianten dieses Experimentes entworfen, aber die beste war zweifellos diejenige, die von Akira Tonomura 1994 durchgeführt wurde, als er für Hitachi arbeitete. 13Dieselbe Firma, die Tanks, Kühlschränke und Massagestäbe herstellt, erhebt auch Anspruch auf das genaueste Doppelspalt-Experiment, das je durchgeführt wurde.

Die Einzelheiten von Tonomuras Versuchsaufbau sehen ganz anders aus als das Experiment, das Thomas Young durchführte, aber sie erreichen dasselbe Ziel; daher werde ich um der Einfachheit und der Bequemlichkeit willen dieselbe Terminologie verwenden, auch wenn es nicht ganz so einfach war, wie es meiner Darstellung nach klingt.

In seinem Experiment konnte Tonomuras Strahlenerzeuger von hoher zu niedriger Helligkeit verändert werden, indem er Photonen auf zwei Spalte feuerte. Auf der anderen Seite wurde ein Detektorbildschirm aufgestellt, der aus einem Material hergestellt wurde, das aufleuchtete, wenn es getroffen wurde, und überall dort einen Licht-Nadelstich erzeugte, wo ein Teilchen landete.

Wenn eine ganze Menge Licht auf die Spalte gefeuert wurde, wie Young es in seinem ursprünglichen Experiment tat, erhielt Tonomura das erwartete Zebramuster, aber wenn er die Intensität auf jeweils ein Photon reduzierte, erhielt er ein wirklich merkwürdiges Ergebnis.

In den ersten paar Minuten geschah nichts Interessantes. Jedes Photon schoss auf den Spalt zu und traf scheinbar zufällig auf dem Detektorschirm auf. Aber als er weiter zusah, begann das Punktemuster sich folgendermaßen in Streifen anzuordnen … kommt Ihnen das bekannt vor?

Das sollte nicht möglich sein, weil jedes Teilchen einzeln abgefeuert wird. Das Zebramuster erfordert, dass ein Photon durch einen Spalt geht und sich mit einem anderen Photon vermischt, das aus dem anderen Spalt kommt. Wenn jedes Photon einzeln abgefeuert wird, dann sollte es nichts geben, womit es sich vermischen kann. Wie erzeugen die Photonen ein Interferenzmuster, wenn es gar nichts gibt, womit sie interferieren können? Gehen die Photonen etwa gleichzeitig durch beide Spalte?

Ich erinnere mich, wie ich einmal ein Paar Schlafanzughosen aus der Waschmaschine zog und verblüfft war, weil ich sie anscheinend gleichzeitig anhatte. Einige Sekunden lang stand ich ratlos da und glaubte, ich sei der Besitzer von Quantenhosen, die in der Lage sind, in einer örtlichen Hosensuperposition zu existieren.

Man wies mich dann darauf hin, dass ich zwei Paar derselben Hosen besitze und mir das nie zuvor aufgefallen war. Zu meiner Verteidigung dachte ich damals über Quantenphysik nach, und in der Quantenphysik entscheidet man sich nie für die einfache Erklärung. Die einfache Erklärung funktioniert nie.

Das Doppelspalt-Experiment zeigt, dass Licht sich wie ein Teilchen verhalten kann, wenn es von einer Quelle abgefeuert wird, dass es sich aber auch wie eine Welle verhalten kann, wenn es durch die Spalte geht.

Im Sinne der »klassischen Physik« – der Physik von Isaac Newton, wo sich alles vernünftig verhält – sind Teilchen und Wellen verschieden. Die Quantentheorie begann, diese Grenze zu verwischen.

Als Einstein seinen Nobelpreis in Schweden abholte, nahm ein junger dänischer Physiker und Fußballfan 14namens Niels Bohr die Quantentheorie auf und wandte sie auf ganze Atome an.

Atome bestehen aus Teilchen, die als Protonen bezeichnet werden und sich in einem zentralen Kern gruppieren, und Elektronen, die außen herum summen wie Bienen, die ein Nest umschwärmen. (NB: Neutronen, die sich ebenfalls im Kern befinden, waren zu diesem Zeitpunkt noch nicht entdeckt worden.)

Es war bekannt, dass Licht, welches von einem glühenden Atom ausging, mit Intensitätswerten abgestrahlt wurde, die für den jeweiligen Typ von Atom einzigartig sind. Heißes Eisen strahlt andere Frequenzen ab als beispielsweise heißes Nickel, und umgekehrt absorbiert es andere Lichtfarben, die darauf gestrahlt werden. Zuvor war das schwer zu erklären, weil man sich Licht als eine nahtlose wellenartige Substanz vorstellte, aber sobald wir erfuhren, dass ein Lichtstrahl manchmal aus Teilchen mit spezifischen Energien bestand, wurde es möglich, seine Interaktionen mit der Materie zu erklären. Die Energie von Photonen nimmt spezifische Werte an, daher leuchtete es ein, dass das auch für die Energie von Elektronen galt.

In Bohrs Quantentheorie des Atoms werden Elektronen nicht so vorgestellt, dass sie nach dem Zufallsprinzip um einen Kern herumflitzen. Stattdessen bewegen sie sich über die Oberfläche unsichtbarer Kugeln in ganz bestimmten Entfernungen. Bohr nannte diese Kugeln »Elektronenschalen«, obwohl er sie natürlich »bohrsche Umlaufbahn«, Bohrbits, hätte nennen sollen.

Bohrs Atom war eine dreidimensionale Variante eines Sonnensystems, und das ist das beliebte Bild eines Atoms, das man heute immer noch zeichnet. Der Unterschied zwischen Elektronen und Planeten besteht jedoch darin, dass Planeten in jeder beliebigen Entfernung um die Sonne herumwandern können. Die Gravitation übt an jedem Punkt im Raum eine Kraft aus und nimmt stetig ab, wenn man zurückweicht. Daher ist jede Entfernung einer Umlaufbahn erlaubt, vorausgesetzt, Sie bewegen sich mit der richtigen Geschwindigkeit, um zu verhindern, eingesaugt zu werden.

Quantenartige Elektronenschalen sind anders. Elektronen können nicht jede beliebige Energie annehmen, weil die Energie in spezifische Werte gestückelt ist (wir sagen, dass sie gequantelt ist).

Ein Elektron mit niedriger Energie ist auf einer Schale fixiert, die sich nahe am Kern befindet, aber wenn es ein Photon absorbiert, bekommt es einen Schub und kann sich auf einer weiter draußen befindlichen Schale bewegen. Vor dem Hintergrund, dass die Entfernungen zwischen den Schalen festgelegt sind, sind nur bestimmte Energiesprünge erlaubt, und somit werden nur bestimmte Lichtstrahlen mit bestimmten Atomen interagieren.

Angenommen, die Entfernung zwischen zwei Schalen entspricht einem Sprung von 20 eV. Wenn ein Elektron ein Photon mit der Energie von 20 eV absorbiert, kann es den Sprung ohne Weiteres vollziehen. Aber wenn wir ein Photon mit 19 eV auf das Atom feuern würden, kann nichts geschehen. Ein Sprung von 19 eV ist nicht erlaubt, weshalb das Photon sich direkt hindurchbewegen wird, als ob das Atom gar nicht da wäre.