Eines der größten Phänomene in der Quantenphysik ist der Welle-Teilchen-Dualismus, d.h. ein Teilchen kann gleichzeitig die Eigenschaft einer Welle als auch die eines Teilchens aufweisen. Ein Ergebnis dazu lieferte der sog. Doppelspaltversuch, eines der bekanntesten Experimente für die Quantenphysik.
Zuerst einmal muss man für die Quantenteilchen Abschied nehmen von den Gesetzten der klassischen Physik. Vergleicht man nun den Doppelspaltversuch mit Sandkörnern und Elektronen.
In Experimenten mit Sandkörnern fliegen die Sandkörner entweder geradewegs durch die Spalte oder sie prallen an den Spaltkanten ab. In zwei Einzelspaltversuchen treffen die meisten Sandkörner die Projektoberfläche (z.B. Fotoplatte), die auf der geraden Flugbahn liegen, nach den Seiten immer weniger. Somit ergeben sich für zwei getrennte Spalten zwei Verteilungsfunktionen P1(x) und P2(x), die durch den jeweils offenen Spalt 1 oder Spalt 2 hindurch sind. Im Doppelspaltversuch haben die Körner die Möglichkeit, durch einen der beiden Spalte zu fliegen. Die neue Verteilung P12(x), dass die Sandkörner durch den Doppelspalt gelangen, setzt sich additiv aus den Verteilungen P1(x) und P2(x) zusammen.
Bei Elektronen oder Photonen am Einzelspalt sehen die Verteilungen P3(x) und P4(x) ähnlich den Verteilungen P1(x) und P2(x) aus. Im Doppelspaltversuch ergibt sich für die Elektronen keine Verteilung P34(x) = P3(x) + P4(x) analog mit dem Sandkörnerversuch. Es lässt sich aber eine Verteilung (ähnliche Interferenzmuster wie auch von Licht- oder Wasserwellen) mit Verstärkung, Schwächung und Auslöschung (Reihe nach Bojen) wie bei Wellen beobachten.
Die klassische Physik kann in Spaltexperimenten mit Elektronen bzw. Photonen dieses Phänomen nicht erklären. Erst Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger konnten dieses Phänomen erklären: Quantenteilchen wie Elektronen oder Photonen kann man durch eine Wellenfunktion beschreiben und somit die Welleneigenschaften in dem Doppelspaltversuch erklären.
Im Jahr 1929 konnte durch den deutschen Physiker Max Born das zweite Phänomen erklärt werden. Max Born schlug eine Wahrscheinlichkeitsinterpretation der quantenmechanischen Wellenfunktion vor, nach seiner Vorstellung entspricht das Quadrat dieser Wellenfunktion der Wahrscheinlichkeit, mit der sich ein Teilchen an Ort aufhält, dort also gemessen werden kann.
Anmerkung:
Ein weiterer Beweis für das Welle-Teilchen-Phänomen für Elektronen: Dieses vorher beschriebene Experiment kann sowohl mit Elektronen als auch mit Photonen (Lichtstrahl) durchführt werden. Die Ergebnisse sind jeweils äquivalent.
Das grundlegende Konzept hinter dem Doppelspaltexperiment ist die Welle-Teilchen-Dualität von Quantenteilchen. Es zeigt, dass Licht sowohl als Welle als auch als Teilchen agiert.
Das Doppelspaltexperiment wurde ursprünglich von Thomas Young im Jahr 1801 durchgeführt.
Im Doppelspaltexperiment wird Licht auf zwei dicht beieinander liegende Spalte gerichtet. Anstatt zwei getrennte Lichtflecken zu erzeugen, entsteht ein Interferenzmuster auf dem Bildschirm.
Das Doppelspaltexperiment beweist die Welle-Teilchen-Dualität von Licht. Es zeigt, dass Licht sich sowohl wie eine Welle als auch wie ein Teilchen verhalten kann.
Interferenz ist das Phänomen, wenn Wellen sich überschneiden und daraus entweder Verstärkung (konstruktive Interferenz) oder Abschwächung (destruktive Interferenz) resultiert. Im Doppelspaltexperiment entsteht durch Interferenz ein spezielles Muster auf dem Bildschirm.
Wenn man nachschaut, durch welchen Spalt das Photon gegangen ist, verliert das Interferenzmuster seine Welleneigenschaft und zeigt nur zwei Balken, was der Teilcheneigenschaft entspricht.
Das Doppelspaltexperiment hat zur Entwicklung der Quantenmechanik beigetragen.
Im Unterschied zum Einzelspaltexperiment, bei dem nur ein Lichtfleck entsteht, erzeugt das Doppelspaltexperiment ein Interferenzmuster, das die Welle-Teilchen-Dualität von Licht zeigt.
Das Interferenzmuster im Doppelspaltexperiment ändert sich, wenn die Lichtquelle rotiert oder die Frequenz geändert wird, da die Wellenlänge des Lichts und damit die Interferenzbedingungen geändert werden.
Der ‘Kollaps der Wellenfunktion’ beschreibt das Phänomen, dass ein Quantensystem, sobald es beobachtet wird, von einem Zustand der Superposition in einen speziellen Zustand kollabiert. Im Doppelspaltexperiment kollabiert die Wellenfunktion, wenn man misst, durch welchen Spalt das Photon gegangen ist.