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Grundwissen

Wesenszug 4: Komplementarität

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Bei einer Ortsmessung auf Höhe der Spalte bildet sich beim Doppelspaltexperiment kein Interferenzmuster auf dem Schirm aus.
  • Interferenzmuster und Unterscheidbarkeit der klassisch denkbaren Möglichkeiten schließen sich aus (Komplementarität).

Ortsmessung verhindert Interferenzmuster

Abb. 1 Führt man eine Ortsmessung durch, ergibt sich kein Interferenzmuster

Der vierten Wesenszug der Quantenmechanik wird ebenfalls am Doppelspaltexperiment deutlich. Führst du z.B. direkt an den beiden Spalten eine Ortsmessung durch, so findest du jedes Elektron hinter genau einem der Spalte. Wiederholst du das Experiment immer wieder und detektierst neben der Ortsmessung an den Spalten auch die Auftreffpunkte der Elektronen auf dem Schirm, so zeigt sich das in Abb. 1 dargestellte Ergebnis: Statt eines Interferenzmusters ergibt sich diesmal eine strukturlose Verteilung, die der Summe der beiden Einzelspalt-Verteilungen entspricht.

Dadurch, dass du das Elektron durch die Ortsmessung gezwungen hast, sich für einen der beiden Spalte zu entscheiden, wurde verhindert, dass ein Interferenzmuster auf dem Schirm entsteht.

Prinzip der Komplementarität

Ortseigenschaft und Interferenzmuster sind nicht gleichzeitig realisierbar, sondern schließen sich gegenseitig aus. Dies ist ein Spezialfall eines allgemeinen Prinzips, das man nach Niels Bohr Komplementarität nennt.

Allgemein ausgedrückt tragen Quantenobjekte trotz mehrerer klassisch denkbarer Möglichkeiten dann nicht zu einem Interferenzmuster bei, wenn das Experiment – zum Zeitpunkt der Detektion dieser Quantenobjekte auf dem Schirm - eine Information enthält, die man eindeutig einer der klassisch denkbaren Möglichkeiten zuordnen kann.

Zuordnung zu einer der klassisch denkbaren Möglichkeiten

In unserem Beispiel sind die klassisch denkbaren Möglichkeiten das Durchqueren des linken oder des rechten Spaltes. Die Information, welche der beiden Möglichkeiten im Experiment realisiert wird, wird durch die Ortsmessung erzeugt: Das am Elektron gestreute Licht fällt in unser Auge und macht deutlich, ob das Elektron den linken oder den rechten Spalt passiert hat. Diese Information lässt sich eindeutig einer der beiden klassisch denkbaren Möglichkeiten zuordnen, sodass kein Interferenzmuster entsteht.
Oft sagt man auch kurz: Ein Interferenzmuster kann nicht beobachtet werden, wenn die klassisch denkbaren Möglichkeiten unterscheidbar sind. Unterscheidbar heißt hier, dass eine Zuordnung zum linken oder rechten Spalt möglich ist.

Wesenszug 4: „Komplementarität“

Interferenzmuster und Unterscheidbarkeit der klassisch denkbaren Möglichkeiten schließen sich aus.

Der Umkehrschluss gilt jedoch nicht. Wenn keine Zuordnung möglich ist, muss nicht automatisch ein Interferenzmuster auftreten. So wird z. B. auch kein Interferenzmuster sichtbar, wenn sich die Geschwindigkeiten der Quantenobjekte zu stark voneinander unterscheiden.