Zur Veranschaulichung: Das Doppelspalt-Experiment

Die zwei zentralen Merkmale der Quantenphysik, die Superpositionszustände und die Wahrscheinlichkeiten, lassen sich ganz hervorragend mit dem Doppelspalt-Experiment veranschaulichen.

Bei diesem Experiment schießt man mit Elektronen auf eine Wand mit zwei nebeneinander liegenden Spalten. Es wird ein Strom von Elektronen verschossen, ein Elektron nach dem anderen. Einigen davon gelingt der Durchtritt durch die zwei Spalten. Sie werden an einer zweiten Wand dahinter registriert.

Jedes registrierte Elektron erzeugt auf der zweiten Wand (sie ist schwarz) einen hellen Punkt. Im Laufe des Experiments werden also immer mehr helle Punkte erzeugt. Und sie bilden ein immer deutlicher werdendes Muster. Nämlich aus abwechselnd hellen und dunklen Streifen. Die hellen Streifen enthalten sehr viele helle Punkte, dort sind also viele Elektronen angekommen. Die dunkeln Streifen enthalten kaum helle Punkte. Dort sind also sehr wenige Elektronen angekommen. Wie ist das zu deuten?

Die abwechselnd hellen und dunklen Streifen sind schon sehr lange bekannt. Und zwar vom Doppelspalt-Experiment, das Thomas Young 1802 durchgeführt hat. Allerdings mit Licht. Das war damals der Nachweis, dass Licht aus Wellen besteht. Wellen können sich überlagern, das nennt man Interferenz. Die kann zum Verstärken und auch zum Auslöschen von Wellen führen. Genau das passiert hinter den zwei Spalten und erzeugt an der zweiten Wand die hellen (= viel Licht = Verstärkung) und dunklen Streifen (= wenig Licht = Auslöschung).

Kehren wir wieder zum Doppelspalt-Experiment mit den Elektronen zurück. Jetzt kommt das erste der beiden zentralen Merkmale der Quantenphysik ins Spiel, das sind die Superpositionszustände. Sobald ein Elektron verschossen wurde, also anschaulich gesprochen den Gewehrlauf verlassen hat, hat es keine Bahn mehr mit zu jedem Zeitpunkt definierten Orten und definierten Geschwindigkeiten, wie man es von verschossenen Gewehrkugeln kennt. Jedes verschossene Elektron befindet sich vielmehr in sich ständig verändernden Superpositionszuständen aus sehr vielen verschiedenen Orten und sehr vielen verschiedenen Geschwindigkeiten. Das bewirkt, dass diejenigen Elektronen, die nicht von der ersten Wand aufgefangen werden, durch beide Spalten gleichzeitig hindurchtreten. Und es bewirkt auch, dass diese Elektronen sich kurz vor der zweiten Wand überall vor der zweiten Wand befinden. Die zweite Wand stellt ein Messgerät bezüglich der Orte jedes Elektrons dar. Wie Sie mittlerweile wissen, führt das dazu, dass der entsprechende Superpositionszustand zerstört wird. Ein einziger Ort bleibt übrig, angezeigt als heller Punkt auf der zweiten Wand.

Beschrieben werden die Superpositionszustände jedes Elektrons mittels der gleichen abstrakten Wellenfunktion. Und die kann, so wie Lichtwellen, interferieren. Auch mit sich selbst und genau das macht sie hinter den beiden Spalten. Was in manchen Bereichen ihre Verstärkung und in manchen Bereichen ihre Auslöschung bewirkt. Diese Bereiche bilden Streifen, insbesondere auch direkt vor der zweiten Wand. Also abwechselnd Streifen, wo die Wellenfunktion verstärkt wird und Streifen, wo sie ausgelöscht wird.

Jetzt zum zweiten zentralen Merkmal der Quantenphysik, das sind die Wahrscheinlichkeiten. Wie schon festgestellt, bleibt auf der zweiten Wand für jedes Elektron ein einziger Ort übrig. Welcher ist das? Das kann man nicht sagen, es können hierfür nur Wahrscheinlichkeiten angegeben werden. Die sich aus der Wellenfunktion ergeben. Die Streifen mit Verstärkung der Wellenfunktion liefern hohe Wahrscheinlichkeiten, die Streifen mit Auslöschung der Wellenfunktion liefern sehr niedrige Wahrscheinlichkeiten.

Nachdem viele Elektronen auf der zweiten Wand registriert wurden, beobachtet man daher auf der zweiten Wand die hellen und dunklen Streifen. Die hellen Streifen (= viele Elektronen) liegen direkt hinter den Streifen der Wellenfunktion mit hohen Wahrscheinlichkeiten. Entsprechend liegen die dunklen Streifen (= sehr wenige Elektronen) direkt hinter den Streifen der Wellenfunktion mit sehr niedrigen Wahrscheinlichkeiten.

Interessant ist natürlich auch, dass das Doppelspalt-Experiment eine Beobachtung eines Superpositionszustands ermöglicht. Wenn auch indirekt. Direkt beobachtet man nur die hellen Punkte, also die übrigbleibenden Orte nach dem Zerstören des Superpositionszustands an der zweiten Wand. Aber die hellen und dunklen Streifen sind das Ergebnis der Interferenz der Wellenfunktion. Und die Interferenz kommt daher, dass jedes die Spalten durchquerende Elektron beide Spalten gleichzeitig durchquert. Sich im Bereich der Spalten also in einem Superpositionszustand aus allen Orten in den beiden Spalten befindet.