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Versuche

Versuche von GRANGIER, ROGER und ASPECT

Die Ziele der Versuche

  • Nachweis der Unteilbarkeit von Photonen
  • Nachweis der Interferenz von Einzelphotonen hinter einem Doppelspalt

Die Ergebnisse des Versuchs von TAYLOR lassen zwar vermuten, dass die Interferenzerscheinungen am Doppelspalt allein aufgrund der Eigenschaften einzelner Photonen zustande kommen. Es gibt aber auch zwei mögliche alternative Erklärungen:

1. Die Interferenz könnte dadurch zustande kommen, dass sich doch mehrere Photonen gleichzeitig zwischen Lichtquelle und Schirm befinden und gegenseitig wechselwirken. Theoretische Überlegungen zeigen, dass dies beim Versuch von TAYLOR wahrscheinlich auch der Fall war.

2. Die Interferenz könnte dadurch zustande kommen, dass sich ein Photon auf dem Weg zwischen Lichtquelle und Doppelspalt "teilt", die Teile jeweils durch die verschiedenen Spalte laufen, sich zwischen Doppelspalt und Schirm wieder "vereinen" und als einzelnes Photon auf dem Schirm auftreffen.

Um diese Fragen endgültig zu klären, führten die französischen Physiker Philippe GRANGIER (1957), Gérard ROGER und Alain ASPECT (1947) im Jahr 1986 Experimente mit Einzelphotonen durch.

Hinweis: GRANGIER, ROGER und ASPECT nutzen für ihre Versuche keinen Doppelspalt, sondern ein MACH-ZEHNDER-Interferometer. Statt auf einen Doppelspalt trifft das Licht auf einen halbdurchlässigen Spiegel (Strahlteiler). Dies ist eine Glasplatte, die im \(45^\circ\) Winkel zur Ausbreitungsrichtung des Lichts steht. Fällt Licht schräg auf die Glasplatte, so wird ein Teil des Lichts reflektiert, ein anderer Teil tritt durch die Glasplatte hindurch. Mit technischen Maßnahmen kann man erreichen, dass \(50\%\) des Lichts reflektiert und \(50\%\) durchgelassen werden. Die beiden Lichtstrahlen werden später über Spiegel wieder zusammengeführt und das wieder vereinte Licht beobachtet. Da die Ergebnisse physikalisch gleichwertig sind, zeigen wir in diesem Artikel die entsprechenden Versuche mit einem Doppelspalt.

Sicherstellung von Einzelphotonen

Aufbau
Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Aufbau zur Sicherstellung einzelner Photonen durch einen "Koinzidenzentscheider"

GRANGIER, ROGER und ASPECT verwendeten eine sogenannte Zwei-Photonen-Quelle, die quasi gleichzeitig zwei Photonen aussendet, ein Mess-Photon und ein Boten-Photon.

Das Boten-Photon gelangt zu einem Detektor DT. Dieser Detektor sendet beim Eintreffen des Photons ein Signal an den "Koinzidenz-Entscheider" und teilt diesem mit, dass das Mess-Photon gleich, d.h. innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne \(\Delta t\) eintreffen müsste. Dadurch wird der zweite Detektor DM für diese Zeitspanne "scharf" geschaltet.

Wenn während der Zeitspanne \(\Delta t\) ein Photon beim zweiten Detektor DM eintrifft (Koinzidenz von DT und DM), kann man davon ausgehen, dass es sich dabei um das Mess-Photon handelt.

Tritt aber beim zweiten Detektor DM ein Photon ein, ohne dass der Detektor vom Boten-Photon "scharf" geschaltet wurde, wird davon ausgegangen, dass dieses Photon nicht kontrolliert in die Apparatur gelangt ist und es sich nicht um das Mess-Photon handelt.

Durch dieses Verfahren wird sichergestellt, dass sich immer nur ein Mess-Photon in der Anordnung befindet. Natürlich ist der Aufbau so dimensioniert, dass unterschiedliche Laufzeiten der Photonen keine Rolle spielen.

Beim Aufbau in Abb. 1 wird durch den Zähler NM die Zahl der am Detektor DM eingetroffenen Mess-Photonen gemessen. Die beiden Zähler N und NM haben logischerweise hier stets den gleichen Wert.

Nachweis der Unteilbarkeit von Photonen

Aufbau und Durchführung
Joachim Herz Stiftung
Abb. 2 Schematischer Versuchsaufbau des Versuchs zum Nachweis der Unteilbarkeit von Photonen

Der prinzipielle Aufbau entspricht dem zur Sicherstellung von Einzelphotonen.

Jetzt werden aber durch das Boten-Photon die zwei Detektoren D1 und D2 für eine Zeitspanne \(\Delta t\) "scharf" geschaltet.

Das Mess-Photon trifft bei diesem Aufbau auf einen Doppelspalt. Direkt hinter den beiden Spalten befinden sich die Detektoren D1 und D2.

Wenn während der Zeitspanne \(\Delta t\) ein Photon beim Detektor D1 oder beim Detektor D2 eintrifft (Koinzidenz von DT und (D1 oder D2)), kann man davon ausgehen, dass es sich dabei um das Mess-Photon handelt.

Beim Aufbau in Abb. 2 wird durch den Zähler N die Zahl der ausgesandten, durch den Zähler N1 die Zahl der am Detektor D1 eingetroffenen und durch den Zähler N2 die Zahl der am Detektor D2 eingetroffenen Mess-Photonen gemessen. Die Summe der beiden Zähler N1 und N2 ist logischerweise hier stets gleich dem Wert des Zählers N.

Der "Koinzidenz-Entscheider" registriert hier aber auch noch, wenn Detektor D1 und Detektor D2 gleichzeitig ansprechen (Koinzidenz von D1 und D2). In diesem Fall wird der Zähler N1&2 um \(1\) erhöht.

Beobachtung

Bei sehr häufiger Wiederholung des Versuchs bzw. sehr großer Photonenzahl werden ca. \(\frac{N_1}{N}=50\%\) der Photonen vom Detektor D1 und ca. \(\frac{N_2}{N}=50\%\) der Photonen vom Detektor D2 nachgewiesen.

Es kommt aber so gut wie nie zu Koinzidenz von D1 und D2, d.h. es spricht entweder Detektor D1 oder Detektor D2 an, aber praktisch niemals beide Detektoren gleichzeitig.

 

Ergebnis

Die Photonen teilen sich am Doppelspalt nicht auf, sondern treten stets als unteilbares Ganzes auf. Sie müssen also entweder durch den einen oder aber den anderen Spalt laufen.

Doppelspaltversuch mit einzelnen Photonen

Hinweis: GRANGIER, ROGER und ASPECT führten den Versuch nicht mit einem Doppelspalt, sondern mit einem MACH-ZEHNDER-Interferometer durch. Die grundsätzlichen Erkenntnisse sind aber die gleichen.

Aufbau und Durchführung
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Abb. 3 Ein-Photonen-Doppelspaltversuch

Der prinzipielle Aufbau entspricht dem zur Sicherstellung von Einzelphotonen.

Nun werden aber durch das Boten-Photon viele Detektoren D1, D2, ..., Dn für eine Zeitspanne \(\Delta t\) "scharf" geschaltet.

Das Mess-Photon trifft bei diesem Aufbau wieder auf einem Doppelspalt, hinter dem sich die Detektoren D1, D2, ..., Dn befinden.

Wenn während der Zeitspanne \(\Delta t\) ein Photon bei einem der Detektoren D1, D2, ..., Dn  eintrifft (Koinzidenz von DT und (D1 oder D2 oder ... oder Dn)), kann man davon ausgehen, dass es sich dabei um das Mess-Photon handelt.

Beim Aufbau in Abb. 3 wird durch den Zähler N die Zahl der ausgesandten und durch die Zähler N1, N2, ..., Nn die Zahl der an den Detektoren D1, D2, ..., Dn  eingetroffenen Mess-Photonen gemessen. Die Summe der Zähler N1, N2, ..., Nn ist logischerweise hier stets gleich dem Wert des Zählers N.

Beobachtung

Bei kleiner Lichtintensität zeigt das Schirmbild eine "körnige" Struktur. Bei extrem herabgesetzter Intensität sind sogar einzelne Einschläge von Photonen festzustellen. Wiederholt man den Versuch mit vielen einzelnen Photonen sehr oft, entsteht allmählich eine Verteilung der Messereignisse wie bei einem Doppelspalt-Versuch.

Ergebnis

Lässt man Photonen immer wieder mit jeweils gleichen Eigenschaften durch einen Doppelspalt laufen, so findet man auf einem Nachweisschirm an manchen Stellen niemals ein Photon (solche Stellen nennen wir Minimum), dagegen bei manchen anderen Stellen immer wieder ein Photon (vor allem im Maximum), ganz wie bei einer Interferenzfigur. Sie entsteht, obwohl die Photonen in großen Zeitabständen einzeln aus der Quelle treten, sich also nicht gegenseitig beeinflussen können.

Diese merkwürdige Erscheinung nennt man Einteilchen-Interferenz.