Die Wahrscheinlichkeit, einzelne Lichtquanten (Photonen) in einem sehr kleinen Raum- und Impulsbereich zu finden, kann negativ sein. Physiker der Universität Konstanz haben diesen befremdlichen Aspekt der Quantenmechanik untersucht und berichten darüber in Physical Review Letters.
Das Physikerteam um Alex Lvovsky untersuchte Lichtstrahlen aus sich im gleichen Quantenzustand befindenden Photonenpaaren. Mit Hilfe eines der beiden Lichtstrahlen des Paares bestimmten sie den Phasenzustand der Photonen – einen Wellenaspekt des Lichtes. Dies kommt einer Messung der Raum- und Impulskoordinaten der einzelnen Photonen dieses Strahles gleich. Mit Hilfe des anderen Lichtstrahles bestimmten sie die Anzahl der sich in dem betreffenden Phasenzustand befindlichen Photonen – und damit einen Teilchenaspekt des Lichtes. Diese gleichzeitige Messung von Raum- und Impulskoordinaten und der Wahrscheinlichkeit, Photonen in diesen Koordinatenbereichen zu finden, ermöglichte es den Physikern, Wahrscheinlichkeitskarten für die Photonen aufzustellen.
Diese Karten gleichen topographischen Karten der Erdoberfläche, mit dem Unterschied, dass sie sowohl Raum- als auch Impulskoordinaten beinhalten. Die so erhaltenen Wahrscheinlichkeitskarten weisen einen tiefen Krater im Zentrum auf. Dort ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit für Photonen in der Tat negativ. Dies bedeutet, dass es unmöglich ist, Photonen in extrem kleinen Raum- und Impulsbereichen aufzufinden – im Einklang mit der Heisenbergschen Unschärferelation.
Den Forschern ist es damit in ihrem Experiment gelungen, auf eindrucksvolle Weise die Wellen- und Teilchennatur des Lichtes in ein und demselben Experiment zu veranschaulichen.
Das Verhalten von Licht ist je nach Experiment mathematisch mittels Wellen oder Teilchen beschreibbar. Dieser fremd anmutende Dualismus der Quantenmechanik ist eng mit der Unschärferelation Heisenbergs verknüpft. Nach dieser Relation ist es nicht möglich, den Ort und den Impuls (die Geschwindigkeit) eines Quantenteilchens gleichzeitig beliebig genau zu bestimmen.
Stefan Maier
