Wie die Bezeichnung des Experiments schon andeutet, wird hierfür kohärentem(*) Licht eine Blende in den Weg gestellt, in die zwei relativ eng benachbarte parallele schmale Spalte eingearbeitet sind. Dahinter befindet sich ein Beobachtungsschirm, dessen Distanz (d) zur Spaltblende sehr viel größer sein muss als der Abstand (a) beider Spalte. Auf dem Schirm entsteht ein sogenanntes Interferenzmuster, das aus vielen abwechselnd hellen und dunklen Streifen besteht. 

In dem Moment, wenn das Licht die Kanten der Spalte passiert, wird es „gebeugt“. Besonders gut sichtbar ist dieses Muster aus Intensitätsmaxima und Intensitätsminima bei Verwendung kohärenten und monochromatischen Laserlichts, obwohl dieser Effekt schon lange vor der Erfindung des Lasers zum Beispiel mittels einer Natriumdampflampe bekannt war. Eine physikalische Voraussetzung zum Gelingen des Experiments ist, dass die verwendete Lichtwellenlänge λ deutlich kleiner ist, als der Spaltabstand (a).

Beispiel:
Um hier gleich mal bei der Natriumdampflampe zu bleiben: Sie sendet ein ziemlich monochromatisches Licht mit einem scharfen Peak bei ca. 590 nm aus. Wenn wir einen Spaltabstand wählen, der gut 1000 Mal größer ist als die verwendete Lichtwellenlänge, dann kommen wir in den Bereich von 600 Mikrometern, also gut einen halben Millimeter, das ist die Größenordnung, um die es hier geht.

Es gab lange Zeit einen Streit unter den Wissenschaftlern hinsichtlich der physikalischen Grundlage des Lichts. Da gab es die Anhänger der „Photonen“, die im Licht ein Bombardement von Milliarden kleiner Teilchen sahen, und jene Wissenschaftler, die davon überzeugt waren, dass Licht unbedingt einen Wellencharakter haben muss. Wir werden später sehen, dass Beide recht behalten sollten, dass sich beide Thesen nicht gegenseitig ausschließen.

Historisches

  • Im Jahre 1802 wurde das Doppelspaltexperiment von Thomas Young durchgeführt. Er wollte damit den Wellencharakter des Lichts beweisen.
  • Lester Germer und Clinton Davisson wiesen im Jahre 1927 nach, dass sogar Elementarteilchen wie Elektronen Welleneigenschaften haben, indem sie einen Elektronenstrahl auf einen Nickelkristall richteten. Der regelmäßige Aufbau des dreidimensionalen Kristallgitters wirkt mit seinen vielen Streuzentren wie eine Folge sehr vieler Spalte und führt ebenfalls zu Beugungserscheinungen an den Elektronen.
  • Im Jahre 1961 wiederholte Claus Jönsson das Doppelspaltexperiment mit Elektronen und wies den Weg, dass es sogar mit größeren Teilchen wie Atomen und Molekülen durchgeführt werden kann.
  • Im September 2002 gab es in der Zeitschrift „Physics World“ eine Umfrage durch die englische physikalische Gesellschaft, aus der hervorging, dass das Doppelspaltexperiment zum „schönsten physikalischen Experiment“ gewählt worden ist.

Erläuterungen zum Doppelspaltexperiment

Interferenz oder Interferenzmuster können immer dann entstehen, wenn zwei Lichtquellen, in diesem Fall die beiden Spalte, zueinander eine feste Phasenbeziehung haben. Dieser Effekt der Überlagerung von Wellen ähnlicher Wellenlänge aber unterschiedlicher Phase wurde und wird auch immer wieder auf den Weltmeeren beobachtet. Wenn die Wellen aus unterschiedlichen Richtungen aufeinander zulaufen, kann es dazu kommen, dass die Wellenberge und ebenso auch die Wellentäler sich genau addieren, es bilden sich dann die sogenannten Monsterwellen aus.

(*) Mit der Kohärenz der Lichtwelle ist anschaulich die (Kohärenz)Länge des räumlich begrenzten Photons gemeint. Die Photonen, die von einer Lichtquelle ausgesandt werden, sind Wellenzüge mit einem Anfang und einem Ende. Die nachfolgenden Photonen setzen aber nicht mit ihrem Beginn exakt in Phase mit dem Ende des vorhergehenden Photons an. Insofern kommt das Licht etwas „chaotisch“ beziehungsweise mit einer beliebigen statistischen Verteilung der Phasen daher. Wenn die Kohärenzlänge des Lichts groß ist, das ist zum Beispiel beim Laserlicht der Fall, dann entsteht auf dem Beobachtungsschirm ein sehr breit gefächertes Interferenzmuster, wobei die Nebenminima und Nebenmaxima sich in ihrer Intensität kaum vom zentralen Lichtbalken unterscheiden. Tageslicht zeichnet sich dagegen durch eine besonders hohe Inkohärenz aus mit der Folge, dass schon die erste Beugungsordnung bunt erscheint.

Hinter dem Einzelspalt zeichnet sich auf dem Beobachtungsschirm ein Beugungsmuster oder ein relativ breiter heller Streifen mit Andeutungen von Interferenzstreifen ab, was jeweils vom Verhältnis zwischen der Spaltbreite und der Wellenlänge abhängt.

Beugung

Der Schlüssel zum Verständnis des Doppelspaltexperiments liegt in der Beugung, da an jedem der beiden Spalte ein Beugungsmuster erzeugt wird, die sich auf dem Beobachtungsschirm zu einem Interferenzmuster überlagern.

Beugung oder „Diffraktion“ tritt immer dann auf, wenn Wellen (nicht nur elektromagnetische) durch ein Hindernis abgelenkt werden. Ist der gerade Weg durch ein Hindernis versperrt, breitet sich die Welle in andere Richtungen aus. Bei Wasserwellen ist dieser Effekt gut zu sehen, bei Schallwellen kann man es hören. Der Effekt der Beugung begrenzt aus technischer Sicht auch das Auflösungsvermögen von Teleskopen oder Kamera-Objektiven.

Das huygens-fresnelschen Prinzip besagt, dass von jedem Punkt der Störung, das gilt zum Beispiel entlang der Kante des Spaltes, eine neue Elementarwelle ausgeht, wobei sich die vielen Elementarwellen verstärkend oder einander auslöschend überlagern, dadurch entstehen Beugungsmuster.

Bei einer eher langsamen Folge einzelner Photonen oder auch anderer Teilchen entwickelt sich das Interferenzmuster entsprechend gemächlich auf einer Fotoplatte. Die Intensitätsverteilung bei der Beugung ähnelt typischerweise einer Gaußverteilung, die rechts und links nochmals von hellen Stellen, die aber im Vergleich zur Mitte nur eine sehr geringe Intensität haben, begleitet wird. Beim Doppelspaltexperiment finden wir diese Lichtverteilung qualitativ wieder, allerdings als einhüllende Funktion über eine Folge von sehr vielen Hell-dunkel-Interferenzstreifen. Die oben erwähnte Gaußglocke ist also in sich nochmals in ein engeres Streifenmuster untergliedert.

Die philosophische Brisanz des Doppelspaltexperiments

Es kam nicht von ungefähr, dass gerade dieses Experiment in Physics World gekürt worden war. Der folgerichtige nächste Schritt, anstatt einer Lichtwelle Elementarteilchen auf den Doppelspalt zu jagen, hatte unter den Physikern für Überraschung und Nachdenken gesorgt. Es gibt spezielle Lichtquellen, mit deren Hilfe es möglich ist, einzelne Photonen auszusenden, und es gibt auch Teilchenquellen, die „Einzelprojektile“ auf den Doppelspalt schießen können.

Man erwartete „bestenfalls“ ein Ergebnis wie bei einer Beugung, da ein Teilchen ja nur entweder durch den linken oder durch den rechten Spalt sausen kann. Aber es kam anders: Das eine Teilchen verhielt sich wie eine Welle und lieferte das Abbild einer klassischen Interferenz. Dann wollten es die Physiker aber wissen und ersannen Möglichkeiten, das Teilchen zu detektieren, um seinen wahren Weg nachzuweisen. Allein, die Detektion eines Elementarteilchens erfordert eine Wechselwirkung im Rahmen des Messvorgangs, der einen Eingriff von außen auf das Experiment bedeutet. Jede Art und Weise der Messung verfälschte das Endergebnis und verhinderte die Entstehung eines Interferenzmusters. Durchaus mit gewissem Ernst sagten die Physiker zu dieser Erfahrung: „Gott lässt sich eben nicht in die Karten schauen!“ Nur dann, wenn der oder die Wege des Elementarteilchens prinzipiell nicht unterscheidbar sind, ergibt sich das Bild der Interferenz als Nachweis des Wellencharakters des Teilchens.

Was ist die „de-Broglie-Wellenlänge“?

Das Ergebnis des Doppelspaltexperiments unter Verwendung einzelner Elementarteilchen war für viele Physiker nicht völlig überraschend, einige Theoretiker hatten es so vorhergesehen. Fast jeder Mensch kennt heute die berühmte Einsteinformel:

(1) E = m*c2

die jeder Masse m eine enorme Energiemenge E zuordnet, c ist hier die Lichtgeschwindigkeit (eine Konstante). Es gibt aber noch eine weitere einfache Bestimmungsgleichung für die Energie der elektromagnetischen Welle:

(2) E = h*f

h ist das sogenannte Plancksche Wirkungsquantum (eine Konstante), eine extrem kleine Zahl, und f soll hier die Frequenz der elektromagnetischen Welle sein. Wer mal ein Planetarium besucht hat, weiß, dass blaue Sterne wesentlich energiereicher sind als rote Sterne, was auch damit zusammenhängt, dass das blaue Licht (450 nm) eine höhere Frequenz als rotes Licht (630 nm) hat.

Beide Gleichungen beschreiben die Energie eines Systems und können daher gleichgesetzt werden. Das bedeutet, dass man einer Masse m eine Frequenz f beziehungsweise eine Wellenlänge c/f zuordnen kann. Nimmt man die kleine Masse eines Elektrons, dann ergibt sich eine Wellenlänge, die mehrfach aneinandergehängt, der Umlaufbahn des Elektrons um einen Atomkern entspricht. Der französische Physiker Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie folgerte logisch, dass die Elektronen nur in jenen bestimmten Abständen den Kern umrunden können, die ein ganzzahliges Vielfaches der „de-Broglie-Wellenlänge“ ergeben. So gesehen stellt ein Elektron eine stabile stehende Welle um den Atomkern dar. In einem beliebigen anderen Abstand vom Atomkern würde die „Elektronenwelle“ sich mit der Zeit selbst „weginterferieren“. Die „de-Broglie-Wellenlänge“ lieferte somit eine anschauliche (klassische) Erklärung für die „gequantelten“ Zustände der Elektronen auf ihren diskreten Elektronenschalen über dem Atomkern.

Ebenso kann man für m auch die riesige Masse eines Planeten einsetzen. Daraus ergibt sich dann eine enorm hohe Frequenz f bzw. eine fast unendlich kleine Wellenlänge. Und ganzzahlige Vielfache extrem kleiner Wellenlängen lassen sich für jeden beliebigen Sonnenabstand konstruieren. Das war für de Broglie zugleich die Erklärung dafür, dass es für makroskopische Körper keine Veranlassung für gequantelte Zustände gibt.

All diese interessanten Überlegungen, die schon fast ein wenig in metaphysische Sphären abzugleiten scheinen, sind auch Konsequenzen aus dem Doppelspaltexperiment und haben durchaus auch Schnittstellen zur Philosophie.

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