Wie der Welle-Teilchen-Dualismus
den Materialismus herausforderte
In diesem Auszug aus meinem Buch „Die Matrix-Hypothese“ geht es um den Welle-Teilchen-Dualismus und wie das Phänomen durch die Evolution des Doppelspaltexperiments immer mysteriöser wurde. Diese Anomalie ist neben der Nonlokalität eines der wichtigsten physikalischen Indizien für die These, dass unsere Realität ein virtuelles Konstrukt sein könnte. Auf Basis von populären Hollywoodproduktionen kennen wir dieses Konzept unter dem Begriff „Matrix“. Jedoch habe ich bereits in früheren Artikeln detailliert erläutert, dass diese Vorstellung bereits in der Hermetik, den vedischen Schriften und sogar in Platons Höhlengleichnis zu finden ist, um nur die wichtigsten historischen Philosophien aufzuzählen, welche die Welt als ein Simulacrum betrachten. In diesem Artikel soll es jedoch primär um die Geschichte des Doppelspaltexperiments gehen, und wie es den klassischen Materialismus immer weiter in Frage stellte.
Was ist das Doppelspaltexperiment?
Das Doppelspaltexperiment ist eine der berühmtesten und faszinierendsten Untersuchungen in der Geschichte der Physik und veranschaulicht die rätselhafte und kontraintuitive Natur der Quantenmechanik. Anfang des 19. Jahrhunderts wies Thomas Young mit seinem Doppelspaltexperiment nach, dass Licht sowohl wellenartige als auch teilchenartige Eigenschaften zeigt. Damit nahm das Mysterium seinen Ursprung und führte zu immer komplexeren Versuchsanordnungen wie dem „Delayed-Choice Quantum Eraser“. Doch fangen wir ganz vorne an. Das erste Doppelspaltexperiment, welches der britische Wissenschaftler Thomas Young im Jahr 1801 durchführte, kam lange, bevor Einstein den Lichtteilchen – den Photonen – eine mathematische Grundlage gab. Bis dahin war selbst das Modell des Atoms noch umstritten, obwohl schon die Veden und die alten Griechen ein grundlegendes Konzept postuliert hatten.
Im späten 18. Jahrhundert war primär die Natur des Lichts ein Thema der wissenschaftlichen Debatte. Einige Physiker glaubten, dass es aus Teilchen (Korpuskeln) besteht, während Andere meinten, dass es sich eher wie eine Welle verhält. Das Young-Experiment sollte diese Kontroverse klären, indem es die wellenartigen Eigenschaften des Lichts nachwies. Dabei war der Aufbau des ersten Doppelspaltexperiments von Thomas Young relativ unkompliziert. Young richtete einen Lichtstrahl (in der Regel gebündeltes Sonnenlicht) auf eine Barriere mit einem einzigen schmalen Schlitz, wodurch auf der anderen Seite ein Einspalt-Beugungsmuster (auch „Klumpenmuster“ genannt) entstand. Es entspricht dem gleichen Prinzip, als würde man eine Schablone mit einem Spalt vor eine Fläche halten und mit einer Farbspraydose übersprühen. Das Ergebnis dieses Experiments ist leicht nachvollziehbar – die Aussparung in der Schablone zeichnet sich auf der Wand als Beugungsmuster ab.
Aus einem Spalt wird ein Doppelspalt und das Mysterium beginnt
Dann führte er eine zweite Anordnung mit zwei eng beieinanderliegenden parallelen Schlitzen ein (daher die Bezeichnung „Doppelspalt“). Das Licht passierte diese Doppelschlitze und wurde auf einen in einiger Entfernung aufgestellten Schirm projiziert. Was Young auf dem Bildschirm beobachtete, war verblüffend: Wenn nur einer der Doppelspalte geöffnet war, erzeugte das Licht, das durch ihn hindurchging, ein Muster auf dem Schirm, das dem „Beugungsmuster“ des Einzelspalts ähnelte – ein einzelnes Lichtband mit einer gewissen Streuung. Wenn jedoch beide Schlitze gleichzeitig geöffnet waren, trat etwas Bemerkenswertes auf. Anstelle von zwei unterschiedlichen Lichtbändern, die den beiden Schlitzen entsprechen, entstand auf dem Bildschirm ein Interferenzmuster. Dieses Muster bestand aus abwechselnd dunklen und hellen Bändern, ähnlich wie man es bei der Überlagerung von Wellen (bspw. auf einer Wasseroberfläche) sieht.
Das in Youngs Experiment beobachtete Interferenzmuster war der entscheidende Beweis für die Wellennatur des Lichts. Es deutet darauf hin, dass die Lichtwellen jenseits der beiden Spaltöffnungen konstruktiv (wo sich die Wellen addieren) und destruktiv (wo sich die Wellen auslöschen) interferieren und dabei Bereiche mit hoher und niedriger Intensität auf dem Bildschirm entstehen.
Damit war das Young-Experiment ein entscheidender Beweis dafür, dass Licht sowohl wellen- als auch teilchenartige Eigenschaften aufweist. Während das Interferenzmuster darauf deutete, dass sich Licht wie eine Welle verhält, zeigten spätere Experimente wie die zum photoelektrischen Effekt, dass es ebenfalls teilchenartige Eigenschaften besitzt. Daraus entwickelte Einstein sein Modell von den Photonen. Diese Dualität legte den Grundstein für die Entwicklung der Quantenmechanik, die anerkennt, dass Elementarteilchen wie Elektronen und Photonen sowohl ein Wellen- als auch ein Teilchenverhalten aufweisen können. Doch das war ein Paradox, das dem Determinismus widersprach, weil ein Waschlappen nicht gleichzeitig nass und trocken sein kann, um hier eine völlig rudimentäre Analogie anzuführen.
Klaus Jönssons Experiment
Nachvollziehbarerweise war die erste Ableitung des Doppelspaltexperimentes, dass Licht gleichzeitig zwei konträre Eigenschaften aufweist, nicht sonderlich befriedigend für die Wissenschaftsgemeinde. Als durch Einstein klar wurde, dass Licht tatsächlich aus Photonen (Elementarteilchen) besteht, galt es eine Erklärung zu finden, warum Partikel sich bei einem Doppelschlitz plötzlich wie Wellen verhalten. Die naheliegendste Ausdeutung besagte, dass die kleinen Energieportionen wie Tennisbälle voneinander abprallen würden, woraus sich ein Welleneffekt ergeben müsste. Würde man nicht alle Photonen gleichzeitig durch die Schlitze schießen, sondern einzeln nacheinander, sollte sich demnach das Interferenzmuster wieder erübrigen. Doch dem war nicht so.
Als Claus Jönsson 1961 zum ersten Mal eine Version des Doppelspaltexperiments mit einzelnen Elektronen durchführte, schied diese Erklärung kategorisch aus. Im Grunde entwickelte er eine Technik, mit der er Elementarteilchen (Elektronen oder Photonen) im Einzelschussmodus über einen langen Zeitraum auf die Doppelschlitzschablone feuern konnte, anstatt – wie üblich – ein ganzes „Sperrfeuer“ aus Photonen auf einmal loszulassen. Als daraufhin noch immer ein Interferenzmuster auftauchte, schied der Ansatz aus, dass Photonen, die im Kollektiv ausgesendet werden, voneinander abprallen würden, um dadurch eine Wellencharakteristik zu beschreiben.
Im Jahr 2002 wurde Jönssons Ansatz von den Lesern der Zeitschrift „Physis World“ zum „schönsten Experiment“ gekürt. Mit diesem Ergebnis ergab sich keine neue Erklärung, aber dafür vertiefte sich das Mysterium. Da eine Wechselwirkung der Photonen bzw. Elektronen untereinander ausgeschlossen werden konnte, weil sie quasi einzeln den Doppelspalt passierten, konnten sie sich auch nicht „anrempeln“ oder eben „interferieren“, was bisher als eine logische Erklärung für das Interferenzmuster herhalten konnte. Jetzt war der Zeitpunkt gekommen, den Lichtteilchen noch genauer auf die Finger zu schauen.
Beobachtung der Photonen an der Doppelspaltbarriere
Die Einführung von Detektoren zur Bestimmung des Weges von Teilchen, die den Spalt passieren, wurde Mitte des 20. Jahrhunderts immer wichtiger. Die Beobachtung der Quanten an den einzelnen Schlitzen bewirkte, dass das Wellenmuster zusammenbrach und ein – wie bei einer Spraydose und einer Doppelschlitz-Schablone zu erwarten – Beugungsmuster entstand. Wurden die Photonen genau beobachtet, dann verhielten sie sich wieder wie Farbpartikel und hinterließen auf dem Schirm zwei „Klumpenmuster“ die exakt der Barriere entsprechen und kein Interferenzmuster mehr.
Ein entscheidendes Gedankenexperiment in dieser Hinsicht wurde in den 1960er Jahren von dem Physiker Richard Feynman ersonnen. Er führte die Idee der Wegdetektion in das Doppelspaltexperiment im Rahmen seiner Vorlesungen über Physik ein. Jedoch war Feynman in erster Linie ein theoretischer Physiker und führte daher nur einen hypothetischen Ansatz ein, der durch spätere Versuchsanordnungen erst experimentell bestätigt wurde. Seine Arbeiten, Erklärungen und Interpretationen von Quantenphänomenen gelten heute als bedeutende Beiträge im Kontext der Doppelschlitzexperimente.
Obwohl Feynman in dieser Hinsicht keine spezifischen Experimente durchführte, so spielten seine Diskussionen und Erklärungen doch eine entscheidende Rolle für das Verständnis der Quantenmechanik. Die von Feynman erörterten Auswirkungen von Detektoren im Doppelspaltexperiment wurden durch verschiedene Experimente anderer Physiker verifiziert, darunter die von Alain Aspect in den 1980er Jahren, der die Folgeerscheinung von Messgeräten auf Interferenzmuster experimentell nachwies. Obwohl sich Aspect in erster Linie mit dem Phänomen der Quantenverschränkung beschäftigte, ging es bei den Versuchsanordnungen auch um den Nachweis und die Beobachtung einzelner Photonen. Wenngleich die Experimente in den 1980er Jahren entscheidend für den Beleg der Quantennatur von Photonen waren, trugen frühere Arbeiten in der Mitte des 20. Jahrhunderts, wie die von G. I. Taylor und später von Arthur H. Compton, ebenfalls zu unserem Verständnis der Teilcheneigenschaften von Licht bei. Ich erwähne das nur der Vollständigkeit halber.
Experimentelle Umsetzung
In einem speziellen Experiment, das Aspect und Dalibard 1983 durchführten, verwendeten sie verschränkte Photonenpaare, um das Interferenzmuster zu untersuchen. Dabei wurde ein Photon eines verschränkten Paares durch einen Doppelspaltapparat geschickt, während das andere Lichtteilchen einer Messung (Detektion) unterzogen wurde, die Aufschluss darüber gab, welchen Spalt das erste Photon durchlaufen hat. Die wichtigsten Ergebnisse ihres Experiments stimmten mit der Unterbrechung der Interferenz überein, wenn die Information über den Weg des Teilchens durch den Detektionsprozess erhalten wurde. Diese Untersuchung bestärkte die Idee, dass der Akt der Messung oder Detektion, der die Weginformation bestimmt, zu einem Kollaps der Wellenfunktion führt und die Bildung des Interferenzmusters verhindert.
Interpretation des Phänomens aus der Simulations-Theorie
Auf die Simulationstheorie angewendet, bedeutet dieses Experiment, dass der Beobachter die Photonen dazu zwingt, sich wie Teilchen zu verhalten. Dies geschieht, indem er exakt hinsieht, wie und durch welchen Schlitz sie fliegen. Schaut er nicht so genau zu, dann erlaubt er der Simulation zu tricksen – quasi eine weniger rechenintensive Abkürzung zu nehmen. Wenn niemand präzise beobachtet, durch welchen der zwei Schlitze das Photon letztendlich fliegt, dann muss die Flugbahn praktisch nicht so exakt berechnet werden. Warum auch? Das wäre ja nur Verschwendung von Ressourcen aus Sicht des virtuellen Konstrukts. Damit genügt es der Simulation, den Quanten nur eine „ungefähre“ Position nach einer Wellengleichung zuzuweisen, was zu einer Wellencharakteristik in Form von Interferenzmustern führt. So lautet die Argumentation, wenn man Energieeffizienz in Bezug auf die Rechenleistung als Motiv postulieren möchte, warum die Natur hier „trickst“.
Um überhaupt an den Punkt zu kommen, Elementarteilchen individuell beobachten zu können, benötigt es einige evolutionäre Schritte in der Technologie. Die Entwicklung von theoretischen Versuchsaufbauten bis zum tatsächlichen Experiment dauert oft Jahrzehnte. Beispielsweise brauchte es erst die Option von Klaus Jönsson, die Quanten einzeln auszusenden, um genau differenzieren zu können, welches Photon welchen Schlitz penetriert. Diese technische Möglichkeit hatte Young 1801 nicht, als er anfing, mit Spiegeln das Sonnenlicht zu bündeln und in sein Labor umzuleiten.
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