- Kapitel 10 -
Verrücktes aus der Welt der Quantenphysik

Aus der Wahrscheinlichkeitsverteilung und dem Welle-Teilchen-Dualismus ergeben sich einige sehr sonderbar anmutende Versuche und Gedankenexperimente. Ich möchte einige berühmte hier kurz darstellen und gleichzeitig ein sehr wichtiges Naturgesetz aufzeigen.


Der Doppelspalt und die Heisenbergsche Unschärferelation

Grundlage der folgenden Erklärung soll wieder ein Experiment bilden. Man nehme eine Lichtquelle und eine Abdeckplatte in die zwei Streifen geschnitten sind. Das Licht muss einen der beiden Wege nehmen, um letzten Endes auf einend ahinter liegenden Schirm (eine Photoplatte) aufzutreffen. Die beiden optional möglichen Wege, welche das Licht nehmen kann müssen jedoch unterschiedlich lang sein. Sie wissen  sicherlich was man dadurch erreichen will: Durch die unterschiedlich langen Wege stimmen hinter dem Spalt Wellenberg und Wellental nicht mehr überein, interferieren und ein Interferenzmuster erscheint auf der Photoplatte.
Man hatte versucht das Interferenzmuster, also die Hell-Dunkelzonen auf dem Schirm, zunächst dadurch zu erklären, dass die Quanten sich gegenseitig abstoßen und dadurch in Abständen auf dem Schirm prallen, was das Muster erklären könnte. Dann würde man die Wellentheorie für dieses Experiment nicht mehr benötigen. Aber auch dies konnte widerlegt werden: Schießt man nur ein einziges Photon ab, so kann es nicht von einem anderen abgestoßen werden - das Interferenzmuster zeigt sich jedoch trotzdem.
Als nächstes ging man davon aus, dass das Quant vielleicht gespalten würde und  so zwei Quanten durch die Schlitze fliegen, welche sich dann natürlich wieder abstoßen könnten. Also brachte man die Photoplatte direkt hinter den beiden Durchlässen an. Man hätte jetzt bei beiden Lichtdurchlässen Lichteinschläge sehen müssen. Dies war jedoch nicht der Fall. Auch die Spaltungstheorie konnte also aufgegeben werden. Es ist jedoch bei dem Experiment etwas hoch interessantes festzustellen. Sie werden sich jetzt vielleicht fragen: „Wenn Licht als Welle durch die Spalten tritt, dann hätte doch auch Licht auf beiden Detektoren festgestellt werden müssen, ähnlich als hätte sich das Quant gespalten. Wie tritt denn nun das Licht durch den Spalt: Als Welle oder als Teilchen? Die Antwort hierauf ist: Mal so und mal so! Das Licht verhältsich so, wie wir es erwarten. Wenn wir ein Interferenzexperiment durchführen, dann verhält sich Licht wie eine Welle, wenn wir wissen wollen, wo das Licht durchfliegt, dann verhält es sich wie ein Fluss von Quanten. Das ist eine fundamentale Eigenschaft und zeigt wieder mal die Verrücktheit des Welle-Teilchen-Dualismus. Das Licht kann anscheinend unsere Gedankenlesen und weiß was wir erwarten und kann sich dem entsprechend verhalten.
Hieraus ergibt sich ein gewaltiges Problem: Wenn wir die Photoplatte direkt hinter dem Spalt anbringen, so können wir messen durch welchen der beiden Schlitze das Photon geflogen ist, wissen jedoch nicht wo es hinten aufgeschlagen wäre, wenn wir den Schirm weiter hinten aufgestellt hätten. Andersherum können wir messen wo das Photon aufschlägt, wenn wir den Schirm weiter hinten positionieren, jedoch können wir dann nicht sagen durch welchen der beiden Schlitze das Photon geflogen ist. Das Ergebnis dieses Experimentes ist somit: Ort und Impuls (bzw. Energie, hier symbolisiert durch den Einschlagspunkt) sind nicht gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit messbar. Dies nennt man die Heisenbergsche Unschärferelation, benannt nach ihrem Entwickler, dem deutschen Physiker Werner Karl Heisenberg (1901-1976). Er drückte dies in der Formel

aus. Sie besagt, dass die Ortsunschärfe (Delta x) multipliziert mit der Impulsunschärfe (Delta p) größer ist als das PlanckscheWirkungsquantum dividiert durch 2 mal die Kreiszahl Pi (ca. 3,14). Es ergibtsich hieraus, dass eine genaue Messung des x-Wertes eine massive Fehlmessung bezüglich des Impulses zur Folge hat und andersherum.
Dies veränderte das wissenschaftliche Weltbild grundlegend: Wenn wir noch nicht einmal in der Lage sind die kleinsten Strukturen genau zu analysieren und zu lokalisieren, wie sollen wir dann die großen Zusammenhänge richtig beschreiben ohne die Vorgänge in den kleinsten Strukturen genau  zu kennen? Dies ist einer der Gründe warum wir den Determinismus wohl endgültig aufgeben müssen. Zu diesem Zwecke wurde die sog. Quantenmechanik geschaffen. Sie beschäftigt sich nicht damit vorherzusagen wie ein bestimmtes System in der Zukunft aussehen wird. Aufgabe der Quantenmechanik ist es festzustellen welche Möglichkeiten ein System hat sich zu entwickeln und zu berechnen wie wahrscheinlich es ist, dass ein System diese oder jene Entwicklung nehmen wird. Mehr als Wahrscheinlichkeiten bleiben uns nicht... und Wahrscheinlichkeiten sind bekanntlich keine Gewissheiten.


Die Quantenpolarisation und ein sonderbarer Effekt

Im dritten Kapitel haben Sie bereits viel über das Licht und seine Eigenschaften erfahren, unter anderem auch, dass man es als eine elektromagnetische Welle auffassen kann. Dabei steht elektrisches und magnetisches Feld in einem 90 Grad-Winkel aufeinander. Wenn man sich die Richtung, in welche sich das Licht ausbreitet als Pfeil vorstellt, so stehen zwar elektrische und magnetische Welle immer in einem rechtwinkligen Verhältnis, aber die Gesamtschwingung kann man in Pfeilrichtung beliebig drehen – die Grafik veranschaulicht dies.
Polarisationfilter lassen nur Licht durch, welches in einer ganz bestimmten Richtung polarisiert ist. Licht mit anderer Polarisation wird an der Weiterreise gehindert. Nimmt man also einen Filter, welches nur horizontales Licht hindurch lässt so befindet sich hinter dem Filter nur horizontal polarisiertes Licht. Versucht man nun dieses durch einen Filter mit vertikaler Polarisation zu schicken, so wird man selbstverständlich feststellen, dass hinter diesem Filter kein Licht ankommt, da ja nur Licht horizontaler Polarisation vorhanden ist, welches aber an der Weiterreise gehindert wird.   
Baut man nun das Experiment ein wenig um und positioniert einen diagonalausgerichteten Polarisator hinter den horizontalen, so ergibt sich aus der Mathematik der Quantentheorie, dass 50 Prozent des horizontal polarisierten Lichts diesen durchdringen kann.



Jetzt kommt jedoch die Paradoxe Situation: Baut man hinter dem diagonalen Polarisator wieder den – schon vorhin erwähnten – vertikalen Polarisator, so wird man feststellen, dass Licht diesen durchdringt. Dasist doch wirklich komisch: Im ersten Experiment baue ich zwei Zäune, welche die Aufgabe haben die Quanten von mir fern zuhalten. Dann baue ich (um ganz sicher zugehen) noch einen dritten Zaun zwischen die beiden schon vorhandenen Zäune und das Ergebnis ist eine Durchdringung der Sperranlage durch die Quanten. Dies ist Paradox und ist nur mit einer Tatsache zu erklären: Durch die Veränderung des Versuchaufbaus habe ich eine neue sog. Quantenrealität geschaffen. Die Schlussfolgerung aus den beiden Experimenten sind daher nicht miteinander vergleichbar!


Traurige Mitteilung: Schrödingers Katze ist lebendig tot

Erwin Schrödinger schlug ein Experiment vor, welches die Paradoxie der Quantenphysik deutlich machen sollte. Untersuchungsergebnisse wie die Heisenbergsche Unschärferelation, die Wahrscheinlichkeitsverteilung und der Welle-Teilchen-Dualismus fasst man unter dem Oberbegriff Kopenhagener Deutung der Quantentheorie zusammen. Diese Erkenntnisse verband Schrödinger in seinem berühmt gewordenen Gedankenexperiment, welches „Schrödingers Katze“ getauft wurde.
Das Grundprinzip ist eigentlich ganz einfach: In eine Holzkiste wird eine Katze eingesperrt. Weiterhin wird in die Kiste eine Probe von radioaktivem Material hineingegeben. Hinzu wird ein Geigerzähler gestellt, der misst ob ein Kern innerhalb der Probe zerfallen ist. Der Geigerzähler wiederum wird mit einem Giftfläschchen verbunden. Zerfällt ein Kern, so wird die Flasche durch eine Apparatur geöffnet und das Gift strömt aus, welches die Katze tötet. Zerfällt jedoch kein Kern der Probe, so passiert nichts.
Wir schließen nun die Kiste mit der Katze und der Apparatur und warten eine Zeit. Was passiert mit der Katze innerhalb der Kiste? Ist sie bereits tot oder lebt sie noch? Sie können sich erinnern: Der Zerfall eines Atomkerns ist eine rein statistische Angelegenheit und für uns nicht berechenbar. Ob die Katze lebt oder nicht ist rein zufällig und eine Überlagerung vieler möglicher wahrscheinlicher Zustände. Die Katze ist so zusagen lebendig tot. Sie befindet sich in einem Zwischenzustand. Erst wenn wir die Kiste öffnen muss die Wellenfunktion eine Entscheidung treffen und die Katze sterben oder sie am Leben lassen.

Dies klingt absolut absurd: Entweder die Katze lebt noch oder nicht, jedoch ist ein Zwischenzustand nur schwer vorstellbar. Schrödinger wollte auf diese radikale Weise auf die Fehlerhaftigkeit der Kopenhagener Deutung hinweisen. Natürlich kann die Katze nur in einem der beiden Zustände sein und nicht irgendwo dazwischen. Aber wie lässt sich dann die Quantenphysik retten? Wie können diese Fehler ausgemerzt werden? Dies soll das Thema späterer Kapitel sein.


Zusammenfassung

Das Doppelspaltexperiment zeigt, dass Ort und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig messbar ist. Wir können also die Realität auf kleinster Ebene nicht uneingeschränkt erfassen – genannt wurde dieses Phänomen nach ihrem Entdecker, Werner von Heisenberg, die Heisenbergsche Unschärferelation. Auch können wir von dem Ausgang eines quantenphysikalischen Experimentes nicht auf den Ausgang anderer schließen, wie das Experiment mit polarisiertem Licht demonstriert. Schrödingers Katze befindet sich in Folge der Überlagerung von Wahrscheinlichkeitswerten innerhalb der Kiste gleichzeitig in einem lebendigen und einem toten Zustand. Öffnen wir die Kiste, so muss sich das Quantensystem für eine Realität entscheiden und die Katze sterben oder weiter leben lassen. Dies versteht man unter dem Zusammenbruch der Wahrscheinlichkeitswellenfunktion.