Eine fast 90 Jahre alte Debatte ist entschieden. 1927 stritten in Brüssel auf der legendären Solvay- Konferenz zwei der bekanntesten Physiker des 20. Jahrhunderts: Niels Bohr und Albert Einstein, beide Mitbegründer der Quantenphysik. Bohr glaubte an die seltsamen Konsequenzen dieser revolutionären Theorie, während Einstein sein Missbehagen gegen die mutmaßliche Zufallswelt mit dem berühmt gewordenen Ausspruch „Gott würfelt nicht” zum Ausdruck brachte.
Auf der Konferenz entwickelte Einstein in Diskussionen mit Bohr und weiteren Physikerkollegen ein Gedankenexperiment, das eben jenes Würfeln durch die Sicherheit der klassischen Physik ersetzen sollte. Ausführen ließ es sich zum damaligen Zeitpunkt aufgrund von experimentellen Beschränkungen nicht. Doch nun haben Physiker um Catalin Miron am französischen SOLEIL-Synchrotron (auf Deutsch: „Sonne”) in der Nähe von Paris die Probe aufs Exempel gewagt.
Die Quantenphysik wird als Welt des Allerkleinsten von Regeln beherrscht, die nicht nur jeglicher Alltagserfahrung, sondern auch dem gesunden Menschenverstand zu spotten scheinen. Das Doppelspaltexperiment gilt dabei als Paradebeispiel für die Demonstration des Welle-Teilchen-Dualismus. Er besagt, dass Strahlung und Materie sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzen.
Rätselhafte Überlagerung
Im Experiment schickt man Licht oder Partikel, zum Beispiel Elektronen, durch zwei dünne, parallele Spalte. Auf einem Beobachtungsschirm dahinter entsteht daraufhin ein Interferenzmuster aus hellen, dünnen Streifen, da die Licht- oder Materiewellen an den Spalten gebeugt werden und sich überlagern. Das gilt sogar dann, wenn man die Teilchen einzeln hintereinander durch den Doppelspalt schießt, sich also in einem bestimmten Zeitraum immer nur ein Teilchen auf dem Weg befindet. Selbst in diesem Fall baut sich nach einer Weile ein Interferenzmuster auf. Es scheint, als würde das Teilchen im Doppelspalt mit sich selbst interfe- rieren.
Doch welchen der beiden Spalte durchquert das Teilchen? Das Problem dabei ist, dass jeder Versuch, den Weg des Teilchens durch den Doppelspalt zu bestimmen, das Interferenzmuster zerstört. Einstein konnte und wollte diese Antwort der Quantenmechanik nicht akzeptieren: Das Teilchen sollte, solange es unbeobachtet bleibt, seine Wellennatur zeigen, beide Spalte passieren und somit an mehreren Orten gleichzeitig sein, während eine Messung es auf einen bestimmten Weg festlegen sollte. „ Einstein hat versucht, dieses Problem auszuhebeln, indem er den Rückstoßeffekt ins Spiel brachte”, erklärt der Physiker Lothar Schmidt von der Universität Frankfurt am Main.
Einsteins Gedankenexperiment sah vor, dass einer der beiden Spalte frei beweglich ist. Sobald ihn ein Teilchen passiert, sollte er einen leichten Rückstoß durch die Impulsübertragung bekommen. Die Bewegung des Spalts würde dann den Weg des Teilchens verraten, ohne dass man das Teilchen selbst verfolgen müsste. Schmidt sagt: „Einstein wollte damit die quantenphysikalische Weginformation des Teilchens in die klassische Welt des Spalts hinüberretten.”
Physiker können inzwischen die Spalte selbst so klein und leicht gestalten, dass sich sogar winzige Impulsänderungen messen lassen. Dazu verwenden sie Moleküle, die wie ein Doppelspalt funktionieren. So hat Lothar Schmidt mit seinen Kollegen Helium-Atome an Wasserstoff-Deuterium-Molekülen gestreut und anschließend ein Interferenzmuster wie hinter einem Doppelspalt beobachtetet.
Ein Sauerstoff-Molekül als Doppelspalt
In dem neuen, von den Forschern um Catalin Miron am SOLEIL-Synchrotron gemachten Experiment spielt ein Sauerstoff-Molekül mit seinen zwei Sauerstoff-Atomen die Rolle des Doppelspalts. Durch Röntgenstrahlung wurden die Sauerstoff-Moleküle in zwei unterschiedliche Zustände angeregt, die jeweils ein sogenanntes Auger-Elektron emittierten. Dieses entsteht, wenn die Anregungsenergie auf ein schwach gebundenes Elektron in der äußeren Schale übertragen wird, das dann mit hoher Bewegungsenergie davonfliegt. Im Experiment stellen die zwei Atome des Sauerstoff-Moleküls jeweils einen Spalt dar. Ihr Abstand ist analog zum Abstand der beiden parallelen Schlitze beim klassischen Doppelspalt. Emittiert dieses Molekül ein Elektron, ist dies vergleichbar mit einem Teilchen, das einen Doppelspalt passiert.
Im ersten Fall regten die Wissenschaftler das Sauerstoff-Molekül in einen „gebundenen Zustand” an. In diesem sendet das Molekül ein Auger-Elektron aus, bevor es zerfällt. Anschließende Messungen der Impulse des Elektrons und der Molekül-Fragmente zeigten, dass das Auger-Elektron seinen Rückstoß auf das Sauerstoff-Molekül als Ganzes übertragen hatte – also auf beide „Spalte” zu gleichen Teilen. „Es entsteht ein Interferenzmuster, weil die Weg-Information fehlt. Wir wissen nicht, welches der beiden Sauerstoff-Atome das Auger-Elektron emittiert hat”, sagte Catalin Miron vom SOLEIL Synchrotron nach seinen Messungen.
Im zweiten Fall führte die Anregung des Sauerstoff-Moleküls nicht zu einem gebundenen, sondern an einem sogenannten dissoziativen Zustand. „Wenn man so ein Molekül in einen dissoziativen Zustand anregt, dann fallen die beiden Sauerstoff-Atome nach wenigen billiardstel Sekunden auseinander”, erklärt Catalin Miron. „Die beiden Atome wechselwirken nicht mehr miteinander, und wenn das Auger-Elektron emittiert wird, überträgt es den Impuls nur auf das Atom, das es ausgesendet hat.” Das ist analog zum frei beweglichen Schlitz aus Einsteins Gedankenexperiment. Und die Impulsmessung des Atoms liefert die gesuchte Weg-Information. Doch vom Ergebnis wäre Einstein wahrscheinlich wenig begeistert gewesen – denn das Interferenzmuster verschwindet. „Unsere Experimente bestätigen, dass Bohr in der Debatte Recht hatte”, sagt Miron.
Bohrs Gegenargument beruhte auf der Heisenberg’schen Unschärferelation. Diese ebenfalls 1927 von Werner Heisenberg formulierte Gleichung besagt, dass sich der Ort und der Impuls eines Objekts oder eines Teilchens nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmen lassen – und das gilt auch für Doppelspalte. „Der Spalt selbst ist kein klassisches Objekt”, betont Schmidt. „Wenn man seinen Impuls genau misst, dann weiß man nicht, wo er ist. Und wenn man weiß, wo er ist, dann kann man den Impulstransfer nicht genau bestimmen.”
Man darf nur nicht hinschauen
Das bestätigen Computersimulationen zu Schmidts Doppelspalt aus einem Wasserstoff-Deuterium-Molekül: Das Interferenzmuster und die Ergebnisse können nur erklärt werden, wenn man das Molekül quantenmechanisch betrachtet, nicht klassisch.
Beim Streit in Brüssel 1927 gab Einstein seinem Kollegen Bohr zerknirscht Recht. Zwar versuchte er bei der nächsten Solvay-Konferenz drei Jahre später noch einmal, die spukhaften Gesetze der Quantenphysik auszuhebeln – hatte damit allerdings erneut keinen Erfolg. Und so besagt die Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik, die von Bohr mitformuliert wurde, bis heute: Das Teilchen durchquert beide Spalte gleichzeitig – solange man nicht hinschaut. •
von Franziska Konitzer
