Doppelspaltexperiment nach Taylor

Physik

Basiswissen

Mit wenig Licht: die Kernaussage des Doppelspaltversuches ist: Elektronen oder Lichtteilchen (Photonen) ergeben grundsätzlich andere Ergebnisse als Versuche mit echten Kugeln.

Das Doppelspaltexperiment nach Taylor====

Der Versuch wurde durchgeführt von G. I. Taylor in England.

Er wurde veröffentlicht im Jahr 1909: Interference fringes with feeble light

Als Lichtquelle diente eine Gaslampe oder eine Kerze ↗

Sie stand vor einem größeren Kasten.

An einer Kastenwand war ein horizontaler Schlitz.

Hinter dem Schlitz verlief im Kasten eine horizontale Nadel.

Schlitz und Kasten bildeten sozusagen einen Doppelspalt.

Im Kasteninneren auf der Seite gegenüber dem Schlitz war eine Photoplatte.

Licht auf diese Photoplatte hinterließ dauerhaft fixierte Verfärbungen.

Die Schwächung des Lichts erfolgte mit verschieden vielen verdunkelten Scheiben.

Als längste Belichtungszeit wurden 2000 Stunden oder 3 Monate angegeben.

Egal wie stark oder schwach das Licht der Lichtquelle war:

es ergaben sich immer die typischen Interferenzmuster ↗

Die wesentliche Argumentation

Man kann den Doppelspalt mit echten Teilchen durchführen.

Denkbar sind zum Beispiel Gewehrkugeln oder Farbteilchen aus einer Spraydose.

In diesem Fall ergibt sich kein Interfernzmuster.

Mit Elektronen oder Photonen aber entsteht Interferenz.

Die Frage war: kann man Intereferenz aus dem Teilchenmodell herleiten?

Ein Aspekt dabei war: kann die Anzahl der Teilchen eine Rolle spielen?

Können die Teilchen sich gegenseitig so beeinflussen, dass Intereferenz entsteht?

Um das zu überprüfen, kann man die Anzahl der Teilchen drastisch verringern:

In einer bestimmten Zeit fliegen dann sehr wenige Teilchen durch den Doppelspalt.

Würde das das Intereferenzmuster verändern oder sogar verschwinden lassen?

Das war die Fragestellung des Taylor-Versuches.

Die Antwort war: das Intereferenzmuster bleibt.

Die Methode der Lichtschwächung

Taylor verwendete als Lichtquelle Kerzen oder Gasflammen.

Zur Verminderung der Lichtintensität verwendete er verdunkeltes Glas.

Die Glasplatten wurden zwischen Lichtquelle und Doppelspalt platziert.

Ohne Glasplatten entstand das Interferenzmuster nach wenigen Sekunden.

Bei extremer Lichtschwächung wurde die Platte über 3 Monate belichtet.

Es entstand letztendlich immer ein gleich scharfes und klares Interferenzmuster ↗

Das Doppelspaltexperiment mit einzelnen Photonen

Zur Zeit Taylors, um den ersten Weltkrieg, gab es noch keine Lichtquellen zur Aussendung einzelner, voneinander unabhängiger Photonen. Und es gab auch noch keine Geräte zur Messung einzelner Photonen. Etwa 100 Jahre später gab es diese Möglichkeiten^[2]. Die Ergebnisse Taylors wurden dabei im Wesentlichen bestätigt. Einzelne Photonen zum Beispiel erkennt ein sogenannter Photomultiplier ↗

Das Doppelspaltexperiment mit einzelnen Elektronen

Im Jahr 1989 führte der Japaner A. Nonomura ein Doppelspaltexperiment durch, bei dem sich niemals mehr als ein Elektron in der "Versuchsanordnung" befand. In der "Nachweisebene" registrierte man "nie gleichzeitig, sondern immer nur nacheinander" auftreffende Elektronen. Die "Auftrefforte scheinen zunächst regellos verteilt zu sein". Erst die Summe vieler nacheinaner eintreffender Elektronen ergab am Ende das Interferenzmuster^[3]. Siehe auch Doppelspaltexperiment mit Elektronen ↗

Fazit zum Taylor-Experiment

Der Versuch legt nahe, dass die Intereferenz kein Effekt ...

einer Wechselwirkung vieler verschiedener Teilchen untereinander ist.

Man weiß heute: der Effekt tritt auch auf, wenn jedes Teilchen ...

für sich alleine von der Lichtquelle zur Photoplatte fliegt.

Eine Lösungsversuch ist die Bornsche Wahrscheinlichkeitsinterpretation ↗

Fußnoten

[1] G. I. Taylor: Interference Fringes with Feeble Light. Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, 15, 114-115. Online: http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gold/pdfs/teaching/old_literature/Taylor1909.pdf

[2] Bill J. Luo, Leia Francis, Valeria Rodríguez-Fajardo, and Enrique J. Galvez: Young’s Double-Slit Interference Demonstration with Single Photons. In: arXiv:2401.02351v1 [quant-ph] 04 Jan 2024. Online: https://arxiv.org/html/2401.02351v1/#bib.bib1

[3] Metzler Physik. 5. Auflage. 592 Seiten. Westermann Verlag. 2022. ISBN: 978-3-14-100100-6. Dort der Abschnitt "Interferenz nacheinander registrierter Elektronen" auf Seite 399.