Themenbereich
Philosophie & Wissenschaft

nächster Artikel  >

Was ist eigentlich Materie? (2/3) 
Materie als Welle? Das Doppelspaltexperiment

Je genauer man die Materie unter die Lupe nimmt, desto verblüffender wird ihr Verhalten und desto unklarer ihre Beschaffenheit. Hiervon zeugt das wohl berühmteste Experiment der Quantenphysik: Das Doppelspaltexperiment.

Inhaltsübersicht:

  1. Der historische Hintergrund: Young und die Natur des Lichts
  2. Der Wellencharakter von Elektronen, Atomen und Molekülen
  3. Sind Teilchen ursprünglich diffuse "Energiewolken"?
  4. Die Rolle des Zufalls
  5. Fazit: Materie besteht im Grunde NICHT aus winzigen Teilchen
  6. Weiterführende Informationen und Buchtipps

1) Der historische Hintergund: Young und die Natur des Lichts

Das Doppelspaltexperiment geht ursprünglich auf den Physiker Thomas Young (1773-1829) zurück. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts war man sich in der Physik uneins darüber, ob ein Lichtstrahl aus Teilchen beststeht oder ob er sich ähnlich wie der Schall als Welle ausbreitet. Thomas Young überlegte sich einen Versuchsaufbau, mit dem man das herausfinden konnte.

Das Prinzip dieses Versuchsaufbaus ist sehr einfach: Ein breiter Lichtstrahl wird durch eine Platte mit zwei parallelen Spalten (daher der Name „Doppelspaltexperiment“) auf eine dahinterliegende Projektionsfläche gerichtet (siehe Bild unten).

Bestünde Licht aus Teilchen, müssten auf der Projektionsfläche entsprechend den beiden Spaltöffnungen zwei Lichtstreifen zu sehen sein.

Denn die Lichtteilchen, die neben, über oder unter dem Spalt auf die Platte auftreffen, würden ja von dieser zurückgehalten und könnten darum nicht auf der dahinterliegenden Projektionsfläche erscheinen. Das Licht würde sich dann so verhalten, als würde man kleine Beeren durch die Spalte werfen. Hinten auf der Projektionsfläche sähen wir dann zwei parallele Beeren-Matsch-Streifen (siehe die linke Seite des Bildes).

Tatsächlich geschieht bei Lichtstrahlen aber etwas anderes: An der Projektionsfläche zeigt sich ein sogenanntes Interferenzmuster. Das beweist ganz klar, dass ein Lichtstrahl sich wie eine Welle ausbreiten kann. Denn wenn eine Welle an einen Doppelspalt trifft, dann bricht sie sich und wird geteilt. Denken Sie hierbei am einfachsten an eine Wasserwelle. Stellen Sie sich vor, wie eine solche auf den Doppelpalt zufließt. Sobald sie durch die beiden Spalte hindurchschwappt, teilt sie sich. Hinter jedem Spalt breitet sich dann je eine „Teil-Welle“ aus. Jede dieser beiden Wellen setzt ihren Weg in Richtung Projektionsfläche fort. Dabei überlagern sich die beiden Wellen: An manchen Stellen türmen sich die Wellenberge der beiden „Teilwellen“ zu noch höheren Erhebungen auf, an anderen Stellen gleichen sich Wellenberg und Wellental aus. Die Streifen an der Wand spiegeln die Wellenberge wider: An diesen Stellen schlagen sich die sich überlagernden Wellen mit der stärksten Intensität nieder (siehe die rechte Seite des Bildes).

2) Der Wellencharakter von Elektronen, Atomen und Molekülen

1961 wurde das gleiche Experiment erstmals mit Elektronen durchgeführt, 1990 mit ganzen Atomen und zu Beginn der 2000er Jahre sogar mit großen Molekülen. Und jetzt raten Sie mal, was dabei herausgekommen ist – zwei Streifen wie beim Beeren-Matsch oder ein Wellenmuster wie beim Licht? Sie werden es vielleicht nicht glauben, aber in allen drei Fällen verhielten sich die Teilchen eben nicht wie Teilchen. Wie beim Licht zeigte sich das Interferenzmuster mit mehreren Streifen! Offensichtlich dürfen wir uns Elektronen, Atome und selbst Moleküle nicht wie kleine Beeren vorstellen. Sie müssen eine Art „Welle“ sein – aber Welle von was? Bei Schall bewegt sich Luft durch den Raum, im Meer bewegt der Wind das Wasser – aber was schwappt hier eigentlich auf den Doppelspalt zu? Durch welches Medium pflanzt sich die Welle fort, deren Interferenzmuster wir am Projektionsschirm beobachten? Die Antwort lautet: Durch gar keins! Die Welle, die wir bei Licht, Elektronen, Atomen und Molekülen am Doppelspalt beobachten, ist an nichts gebunden. Laut Quantenphysik schwingt sie für sich und nutzt kein Trägermedium wie Luft, Wasser oder sonst irgendetwas.

Unsere Vorstellungskraft mag an dieser Stelle bereits an Grenzen stoßen. Das Verrückteste kommt aber erst noch: 

Wenn man nämlich das Experiment ein klein wenig modifiziert, verschwindet das Wellenmuster plötzlich wieder und sowohl Licht als auch Elektronen, Atome und Moleküle verhalten sich auf einmal so, wie man das von kleinen Teilchen erwarten würde. Um diesen Effekt zu erzielen, muss man nichts weiter tun, als einen Detektor an einem der beiden Spalte anzubringen. Das taten die Quantenphysiker, weil sie genauer wissen wollten, welchen genauen Weg Licht, Elektronen, Atome und Moleküle durch den Doppelspalt nehmen. Zur Verblüffung der Physiker verhielten sich die Quantenobjekte daraufhin anders als zuvor. Allein aufgrund des Messvorgangs erschienen auf der Projektionsfläche umgehend zwei parallele Streifen – so als würde man kleine Beeren und nicht Wellen durch die Spalte schießen (siehe Bild).

VIDEO: Das Doppelspaltexperiment im Video

3:39 Minuten, deutsch

Diese einfache Animation vom Youtube-Kanal 100SekundenPhysik vermag den Versuchsaufbau und die Ergebnisse des Doppelspaltexperiments noch besser zu verdeutlichen.

3) Sind Teilchen ursprünglich diffuse "Energiewolken"?

Was hat das alles zu bedeuten? Was ist denn nun Licht und was sind all diese anderen kleinen Objekte? Sind sie Welle oder Teilchen? Und welche Rolle spielt dabei der Messvorgang? Eine erste wichtige Schlussfolgerung, die unsere Physiker aus dem Doppelspaltexperiment gezogen haben, lautet, dass Licht, Elektronen, Atome und Moleküle weder klassische Teilchen noch typische Wellen sind. Sie verfügen über Teilchen- und Welleneigenschaften zugleich und können je nach Situation die eine oder die andere Eigenschaft an den Tag legen. Sie sind gewissermaßen „Wellenteilchen“ oder „Teilchenwellen“. Solange man sie nicht misst, verhalten sie sich wie eine Welle. Sie befinden sich dann nicht wie ein Teilchen an einem bestimmten Punkt im Raum, sondern sind ähnlich einer Welle im Raum ausgebreitet. Sie können darum problemlos beide Spalte zugleich passieren.

Licht, Elektronen, Atome und Moleküle sind in diesem Wellenzustand also nirgends als feste Teilchen auffindbar. Man könnte sie sich grob vereinfacht vielleicht eher als eine Art wellenartige „Energiewolke“ vorstellen. In unserer Alltagserfahrung gibt es hierfür keine Entsprechung. Es ist darum schwierig, passende Begriffe zur Beschreibung dieses Zustands zu finden. Eine solche wellenartige „Energiewolke“ birgt das Potential in sich, ein festes, materielles Teilchen zu bilden. Das passiert immer dann, wenn eine Messung stattfindet. Wenn zum Beispiel der Experimentator im Doppelspaltversuch einen Detektor an einem der beiden Spalte anbringt, verhalten sich Licht, Elektronen, Atome und Moleküle nicht mehr wie eine Welle, sondern zeigen sich als lokalisierbares Teilchen.



4) Die Rolle des Zufalls

Zur Illustrierung des Pauli-Prinzips hatten wir auf der Artikelseite "Die Zwischenräume im Atom" Elektronen mit Autos gleichgesetzt und uns ihren Aufenthaltsbereich um den Atomkern herum, nämlich das Orbital, wie ein Parkdeck vorgestellt. 

Vom Pauli-Prinzip wissen wir, dass sich pro Parkdeck immer nur eine bestimmte Anzahl Autos aufhalten darf, selbst wenn dort räumlich noch sehr viel freier Platz vorhanden sein sollte. Die Anzahl möglicher Elektronen in einem Orbital ist also begrenzt. Deshalb können Sie mit Ihrer Hand nicht durch die Wand greifen. Die Elektronen in Ihren Fingern dürfen nicht in die Orbitale der äußersten Atome Ihrer Zimmerwand vordringen.

Nach allem, was wir nun über den Charakter von Elektronen hinzugelernt haben, müssen wir das Beispiel vom Parkdeck nochmal verfeinern. Denn wenn Elektronen auf fundamentaler Ebene gar keine feste Substanz haben, weil sie ja zunächst im Orbital ausgedehnte, wellenartige „Energiewolken“ sind, dann ist das so, als wären die Autos zunächst noch gar nicht als materielle Fahrzeuge vor Ort. Sie würden stattdessen als diffuse „Auto-Möglichkeits-Wolken“ auf dem Parkdeck „schweben“. In diesem Zustand trägt eine „Wolke“ das Potential in sich, sich in Form von konkreten Autos zu manifestieren. Solange das nicht geschieht, ist aber noch kein materielles Auto sichtbar.

Ein Elektron existiert also auf fundamentaler Ebene zunächst nicht als lokalisierbares Teilchen, sondern nur als potenzielles Teilchen. Es nimmt erst dann seine Teilcheneigenschaft an, wenn eine Messung stattfindet. Das kann man sich in etwa so vorstellen, als würde sich aus der diffusen Auto-Möglichkeits-Wolke auf unserem Parkdeck erst dann ein konkretes Autos bilden, sobald jemand auf dem Parkdeck grelle Spots einschaltet, um nachzusehen, wo sich das Auto befindet. Erst dieser Akt der Messung sorgt dafür, dass das Auto in materieller Objektgestalt erscheint.

Als wäre das nicht seltsam genug, hat die Quantenphysik noch ein weiteres Rätsel parat: Raten Sie doch mal, auf welchem der vielen freien Parkplätze sich ein Auto im Moment des Lichteinschaltens manifestieren würde? Welcher Gesetzmäßigkeit gehorcht also die „Platzwahl“ eines Elektrons, sobald man es misst und es sich dadurch als konkretes Teilchen zeigt? Die verblüffende Antwort: Es gibt keine klare Gesetzmäßigkeit. Im Rahmen einer gewissen Wahrscheinlichkeitsverteilung waltet hier purer Zufall! Mit Wahrscheinlichkeitsverteilung ist gemeint, dass es bestimmte Parkplätze auf dem Parkdeck gibt, auf denen ein Auto wahrscheinlicher zu erwarten ist als auf anderen. Oder um es auf das Elektron zu beziehen: Es gibt bestimmte Aufenthaltsorte, die ein Elektron wahrscheinlicher annehmen wird als andere. Quantenphysiker können diese Wahrscheinlichkeiten sogar errechnen. Sie können im Einzelfall jedoch unmöglich mit hundertprozentiger Gewissheit vorhersagen, an welchem konkreten Ort das Elektron infolge einer Messung auftauchen wird. Und das liegt nicht etwa an mangelnder Kompetenz seitens der Physiker, sondern mutmaßlich an einer tatsächlich im Universum vorherrschenden Unbestimmtheit. Wo genau sich das Elektron als materielles Objekt manifestiert, entscheidet sich stets erst im Moment der Messung selbst.

Anders als wir das sonst im Universum kennen, scheint es also bei der Manifestation von Materieteilchen keinerlei Gesetzmäßigkeiten zu geben, nach denen sich der Lauf der Dinge zwingend richtet.

Das ist so ungewöhnlich, dass selbst Albert Einstein es nicht glauben mochte: „Gott würfelt nicht!“, schrieb er 1926 an den Quantenphysiker Max Born. Einstein vermutete, dass beim „Kollaps der Wellenfunktion“ und der damit einhergehenden Manifestation konkreter Teilchen vielleicht irgendwelche anderen Faktoren im Spiel sein könnten, die die Physiker nur noch nicht entdeckt hätten. Seit über einem Jahrhundert hat man solche „versteckten Variablen“ jedoch nicht finden können. Die Mehrheit aller Quantenphysiker geht deshalb davon aus, dass auf dieser fundamentalsten Ebene der Materie tatsächlich echter Zufall herrscht. 



5) Fazit: Materie besteht im Grunde NICHT aus winzigen Teilchen

Die Ergebnisse aus dem Doppelspaltversuch lassen sich abschließend in drei Punkten zusammenfassen, deren philosophische Sprengkraft kaum zu unterschätzen ist:

1. Materie ist im Grundzustand keine Ansammlung kleiner Kügelchen. Bevor eine Messung stattfindet, existieren Elektronen, Photonen oder Atome eher wie eine diffuse Möglichkeit, vergleichbar mit einer ausgebreiteten „Wolke“. Diese „Wolke“ trägt die Eigenschaften einer Welle, die uns verrät, wo das Teilchen mit welcher Wahrscheinlichkeit auftauchen könnte.

2. Erst wenn wir messen, verdichtet sich diese diffuse „Wolke“ und zeigt sich als konkretes Teilchen an einem bestimmten Ort. Physiker sprechen hier vom „Kollaps der Wellenfunktion“.

3. Wo genau das Teilchen erscheint, ist dem Zufall überlassen. Man kann nur angeben, mit welcher Wahrscheinlichkeit es in einem bestimmten Bereich auftaucht – die Wellenfunktion ist sozusagen die „Landkarte dieser Wahrscheinlichkeiten“.

--> Wie diese Ergebnisse gedeutet werden können, erfahren Sie auf der Artikelseite "Philosophische Implikationen des Doppelspaltexperiments"

6) Weiterführende Informationen und Buchtipps


< zurück zur Rubrik  'Philosophie' <<< zurück zur Startseite nächster Artikel >