In den Anfängen der Quantenphysik (ab 1905) wurde gelegentlich die Vermutung geäußert, dass die Interferenzerscheinungen am Doppelspalt durch eine Wechselwirkung der Photonen untereinander verursacht werden könnten. Geoffrey Ingram TAYLOR (1886-1975) konnte diese Vermutung bereits 1908 durch sein berühmt gewordenes TAYLOR-Experiment erheblich entkräften.
Aufbau und Durchführung
Im Originalaufbau des Experiments wurde das Licht einer Gasflamme durch rußgeschwärzte Platten unterschiedlicher Schwärzung abgeschwächt und an einer Nadelspitze gebeugt. Das Ergebnis wurde auf langzeitbelichteten Fotoplatten festgehalten. Die größte verwendete Belichtungszeit betrug ungefähr drei Monate und zur Lichtstärke schreibt Taylor, „dass der Betrag an Energie, der während der längsten Belichtungszeit auf die fotografische Platte fällt, derselbe ist, der von einer normalen Kerze abgegeben wird, die in einer Entfernung von etwas mehr als einer Meile steht.“
Bei der von TAYLOR gewählten Abschwächung des Lichts konnte man davon ausgehen, dass sich in der Beugungsanordnung gleichzeitig so wenige Photonen befanden, dass sich diese nicht gegenseitig beeinflussen konnten.
Beobachtung
Bei extrem schwacher Belichtung auf dem Film traten zunächst nur regellos angeordnete Schwärzungspunkte auf. Bei sehr langer Belichtungszeit ergab sich aber dann das gleiche Interferenzbild, als wenn man die Nadelspitze nur kurzzeitig, aber mit hellem Licht beleuchtete.
Ergebnis
Man kann vermuten, dass die Interferenzerscheinungen nicht mit der gegenseitigen Wechselwirkung der Photonen erklärt werden kann.
Wenn du daran interessiert bist, wie um 1909 eine physikalische Veröffentlichung verfasst wurde, so lasse dir gerne den verdeckten Text anzeigen. Er enthält zwar auch einige Dinge, welche du nicht ohne weiteres verstehen wirst. Trotzdem wurde schon 1909 vermutet, dass es nicht die Wechselwirkung der "kleinen Energieportionen" untereinander ist, die zur Interferenz führt.
Mr. Taylor, Interference fringes with feeble light.
Interference fringes with feeble light. By G. I. TAYLOR, B.A.,
Trinity College. (Communicated by Professor Sir J. J. Thomson, F.R.S.)
[Read 25 January 1909]
The phenomena of ionisation by light and by Röntgen rays have led to a theory according to which energy is distributed unevenly over the wave-front (J. J. Thomson, Proc. Camb. Phil. Soc. xiv. p. 417, 1907). There are regions of maximum energy widely separated by large undisturbed areas. When the intensity of light is reduced these regions become more widely separated, but the amount of energy in any one of them does not change; that is, they are indivisible units.
So far all the evidence brought forward in support of the theory has been of in indirect nature; for all ordinary optical phenomena are average effects, and are therefore incapable of differentiating between the usual electromagnetic theory and the modification of it that we are considering. Sir J. J. Thomson however suggested that if the intensity of light in a diffraction pattern were so greatly reduced that only a few of these indivisible units of energy should occur on a Huygens zone at once the ordinary phenomena of diffraction would be modified. Photographs were, taken of the shadow of a needle, the source of light being a narrow slit placed in front of a gas flame. The intensity of the light was reduced by means of smoked glass screens.
Before making any exposures it was necessary to find out what proportion of the light was cut off by these screens. A plate was exposed to direct gas light for a certain time. The gas flame was then shaded by the various screens that were to be used, and other plates of the same kind were exposed till they came out as black as the first plate on being, completely developed. The times of exposure necessary to produce this result were taken as inversely proportional to the intensities. Experiments made to test the truth of this assumption shewed it to be true if the light was not very feeble.
Five diffraction photographs were then taken, the first with direct light and the others with the various screens inserted between the gas flame and the slit. The time of exposure for the first photograph was obtained by trial, a certain standard of blackness being, attained by the plate when fully developed. The remaining times of exposure were taken from the first in the inverse ratio of the corresponding intensities. The longest time was 2000 hours or about 3 months. In no case was there any diminution in the sharpness of the pattern -although the plates did not all reach the standard blackness of the first photograph.
In order to get some idea of the energy of the light falling on the plates in these, experiments a plate of the same kind exposed at a distance of two meters from a standard candle till complete development brought it, up to the, standard of' blackness. Ten seconds sufficed for this. A simple calculation will show that the amount of energy falling on the plate during the longest exposure was the same as that due to a standard candle burning at a distance slightly exceeding a mile. Taking the value. given by Drude for the energy in the visible part of the spectrum of standard candle, the amount of energy falling on 1 square centimetre of the plate is -5 · 10-6 ergs per sec, and the amount of energy per cubic, centimetre of this radiation is 1,6 · 10-16 ergs.
According to Sir J. J. Thomson this value sets an upper limit to the amount of energy contained in one of the indivisible units mentioned above.
Die deutsche Übersetzung.
Interferenzerscheinungen bei schwachem Licht von G. I. TAYLOR, B.A.,
Trinity College (in Verbindung mit Professor Sir J. J. Thomson, F.R.S.)
[gelesen am 25. Januar 1909]
Die Phänomene der Ionisierung durch Licht und durch Röntgenstrahlung haben zu einer Theorie geführt, nach der die Energie ungleichmäßig über die Wellenfront verteilt ist (J.J. Thomson, Proc. Camb. Phil. Soc. YIV, p. 417, 1907). Es gibt Regionen mit maximaler Energie, die weit getrennt sind durch ungestörte Flächen. Wenn die Intensität des Lichts verringert wird, werden diese Regionen noch weiter getrennt, aber der Betrag der Energie in irgend einer dieser Regionen ändert sich nicht; weil sie in unteilbaren Einheiten auftritt.
Insofern waren alle Beweise, die vorgebracht wurden, um diese Theorie zu stützen, indirekte Beweise, da alle üblichen optischen Phänomene durchschnittliche Effekte sind und somit unbrauchbar sind für die Differenzierung zwischen der gebräuchlichen elektromagnetischen Theorie und der Verbesserung dieser Theorie, die wir betrachten. Sir J.J. Thomson jedoch glaubte, wenn die Intensität des Lichts in einem Beugungsmuster so weit reduziert würde, dass nur wenige dieser unteilbaren Energieeinheiten die Huygens-Zone sofort erreichen könnten, würden die üblichen Phänomene der Beugung eingeschränkt. Es wurden Fotographien vom Schatten einer Nadel gemacht, wobei die Lichtquelle ein schmaler Spalt war, der vor einer Gasflamme angebracht war. Die Intensität des Lichts wurde durch Rauchglasscheiben verringert.
Bevor man irgendwelche Belichtungen machte, war es notwendig, herauszufinden, welcher Anteil des Lichts durch diese Scheiben ausgefiltert wurde. Eine fotographische Platte wurde dem direkten Gaslicht eine bestimmte Zeit ausgesetzt. Die Gasflamme wurde dann durch verschiedene der zu verwendenden Scheiben verdunkelt und andere fotographische Platten wurden dem Licht solange ausgesetzt, bis sie so schwarz waren, wie die erste Platte, die vollkommen entwickelt war. Die Belichtungszeiten, die nötig waren, um dieses Resultat zu erzielen, wurden indirekt proportional zu den Intensitäten angenommen. Experimente, die zum Test dieser Annahme durchgeführt wurden, bestätigten die Richtigkeit der Annahme, wenn das Licht nicht zu schwach war.
Es wurden fünf Fotographien gemacht, die erste mit direktem Licht und die anderen mit verschiedenen (Rauchglas-) Scheiben, die zwischen die Gasflamme und den Spalt gebracht wurden. Die Belichtungszeit für die erste Fotographie erhielt man durch ausprobieren, ein bestimmter Standard der Dunkelheit der fotographischen Platte wurde erreicht, wenn sie total entwickelt war. Die verbleibenden Belichtungszeiten wurden von der Ersten im inversen Verhältnis zu den entsprechenden Intensitäten gewonnen. Die längste Zeit waren 2000 Stunden oder etwa 3 Monate. In keinem Fall gab es eine Abnahme in der Schärfe der (Interferenz-) Muster, obwohl nicht alle Platten das Niveau an Dunkelheit der ersten Fotographie erreichten.
Um eine ungefähre Vorstellung von der Energie des Lichts zu bekommen, welche auf die fotographischen Platten in diesem Experimenten fällt, wurde eine fotographische Platte in einer Entfernung von zwei Metern dem Licht einer normalen Kerze solange ausgesetzt, bis die komplette Entwicklung dem üblichen Niveau der Dunkelheit entsprach. Zehn Sekunden waren dafür genug. Eine einfache Rechnung zeigt, dass der Betrag an Energie, der während der längsten Belichtungszeit auf die fotographische Platte fällt, derselbe ist, der von einer Norm-Kerze abgegeben wird, die in einer Entfernung von etwas mehr als einer Meile steht. Nimmt man den Wert der von Drude für die Energie im sichtbaren Teil des Spektrums einer normalen Kerze angegeben wird, so ist der Betrag der Energie, der auf einen Quadratzentimeter der fotographischen Platte fällt 5·10-6 erg pro Sekunde [Anm. 1 erg = 1·10-7 J] und die Energie pro Kubikzentimeter dieser Strahlung ist 1,6·10-16 erg.
Nach Sir J.J. Thomson stellt dieser Wert eine obere Grenze für den Betrag an Energie dar der in einem der unteilbaren Einheiten, die oben erwähnt wurden, enthalten ist.
Heute weiß man, dass durch einfaches Abschwächen der Lichtintensität mit den meisten Lichtquellen kein Strahl aus aufeinanderfolgenden einzelnen Photonen erzeugt werden kann. Vielmehr entstehen in solchen Quellen 'Klumpen' aus zwei oder mehr Photonen, die gleichzeitig ausgesandt werden. Diesen Effekt bezeichnet man als Bunching. Auch ist mittlerweile bekannt, dass ein einzelnes Photon nicht ausreicht, um ein Korn des Films zu schwärzen. Das TAYLOR-Experiment war also kein reines "Ein-Photonen-Experiment". Streng genommen konnte TAYLOR also damals noch nicht ausschließen, dass es die Wechselwirkung mehrerer Photonen untereinander ist, die die Interferenz hervorruft
Mit modernen Mitteln kann man jedoch im Labor 'echte' Einzelphotonenquellen bauen. Mit solchen Quellen lässt sich heute das Experiment wiederholen und nachweisen, dass TAYLORs Vermutung damals richtig war.