Knaller

Das Photon als Quantenobjekt von Christoph Haag
Gliederung
Neue Deutung des Doppelspaltversuches
Interferenz der Möglichkeiten / Wahrscheinlichkeiten
Klassische Eigenschaften
Neue Vorstellungen:
Unbestimmtheit
objektiver Zufall
Komplementarität
Der Knallertest
Das Mach-Zehnder Interferometer
Welcher-Weg-Information <-> Interferenz

Ein einzelnes Photon hat zwei ununterscheidbare Möglichkeiten, von der Quelle zum Schirm zu kommen.
Ein Photon kann sich nicht aufteilen, es besteht immer aus einem Teilchen mit der Energie W=h*f , die nur als Ganzes gemessen werden kann.
Eine Messung, welchen weg ein Photon genommen hat, ist zum Beispiel durch zwei unterschiedliche Polfilter an den Spalten möglich.
Welchen Weg ein Photon wählt, ist objektiver Zufall .
Die „ Welcher-Weg-Information “ (WWI) zerstört die Doppelspalt-Interferenz!
WWI und Interferenz sind komplementär , können nicht gleichzeitig Existieren
Definition (Englert, Scully, Walther): "Jedes quantenphysikalische Objekt hat stets sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften. Sie lassen sich aber nie gleichzeitig beobachten - selbst dann nicht, wenn es gelingt, Werner Heisenbergs Unschärferelation zu umgehen."

Interferenz findet statt, wenn zwei klassisch denkbare Möglichkeiten bestehen, die nicht unterschieden werden können.
> Interferenz-Bedingung
Die Einzelspalt – Interferenz bleibt bestehen, da nicht geklärt wurde, wo innerhalb des Einzelspaltes das Photon durchtritt.
Das Photon verhält sich durch eine Messung nicht automatisch wie ein Teilchen.
Man könnte argumentieren, dass die Polfilter für die Interferenzunfähigkeit verantwortlich sind; Allerdings bestätigen andere Experimente, dass wirklich nur die WWI für die Interferenzunfähigkeit verantwortlich ist.
Bei ungenauer Messung ergibt sich ein „verwaschenes“ Interferenzbild

Erklärungen
Licht besteht nicht aus realen Wellen, es lässt sich jedoch – je nach Versuch - durch Wellengleichungen beschreiben.
Interferenz ist nicht das Ergebnis von tatsächlicher Überlagerung von Wellen.
> Interferenz entsteht bei "Konkurrenz von nicht unterschiedenen klassisch denkbaren Möglichkeiten"
Es ist nicht möglich, bei einer Interferenzanordnung einen Grund zu finden, weshalb ein Teilchen in diesem Maximum, ein anderes in jenem Maximum, ein drittes - wenn auch selten - in der Nähe eines Minimums nachzuweisen ist.
> objektiver Zufall
Die Natur „antwortet“ auf jede an sie gestellte Frage nach einer klassischen Eigenschaft.
Nach komplementären Eigenschaften kann aber nicht gleichzeitig gefragt werden, bzw. man erhält dann nicht zusammenpassende Messwerte

Das Mach – Zehnder Interferometer
Was passiert, wenn nicht kohärentes Tageslicht eingestrahlt wird?

Mach – Zehnder Interferometer Tageslicht
Nicht kohärentes Tageslicht:
Strahlteiler 1: 50% des Lichts auf dem unteren Weg, 50% auf dem oberen
Strahlteiler 2: Der obere Strahl teilt sich, 25% des ursprünglichen Lichtes in beide Richtungen, der untere Strahl genauso
50% des ursprünglichen Lichtstrahls in D1, 50% in D2

Mach – Zehnder Interferometer Laserlicht
Laser:
Laserlicht ist kohärent -> Interferenz
Das Interferometer wird so eingestellt, dass an D1 konstruktive, an D2 destruktive Interferenz beobachtet wird.
100% der Photonen kommen bei D1 an – auch wenn nur ein einzelnes Photon hineingeschickt wird
Zusätzlich kann ein Interferenzmuster bei D1 beobachtet werden

Mach – Zehnder Interferometer (II)
Neue Vorstellungen:
Nicht „Lichtwellen“ für Interferenz verantwortlich, sondern
Interferenz der Möglichkeiten
Auch ein einzelnes Photon kommt IMMER bei D1 an
Unbestimmtheit: Welcher-Weg-Information für ein Photon existiert nicht.
Objektiver Zufall: Wird mit einem Detektor der Weg gemessen, kann unmöglich vorhergesagt werden, welches Photon welchen Weg nimmt

Mach – Zehnder Interferometer mit Knaller
Detektor (Hier: Knaller, der bei Berührung mit nur einem Photon explodiert) in Strahlengang 1
Welche möglichen Versuchsausgänge werden zu beobachten sein?

Mögliche Versuchsausgänge:
1) 50% Chance, dass das Photon Knaller trifft – Knaller explodiert
50% Chance, dass es „den anderen Weg nimmt“ – jeweils
2) 25 %, dass es bei D1 ankommt
3) 25 %, dass es bei D2 ankommt

Besonderheiten
Welcher-Weg-Information existiert in jedem Fall: Das Photon muss sich auf einen Weg aus allen möglichen Wahrscheinlichkeiten „festlegen“
Würden viele Photonen in D1 beobachtet werden, würden sie kein Interferenzmuster bilden.
Ein in D2 ankommendes Photon verrät, dass es nur eine Möglichkeit gibt , nämlich Strahlengang 1
Das Photon hat niemals etwas von dem Knaller „erfahren“, „weiß“ aber trotzdem, dass der Weg nicht frei ist
Allein die „ Androhung “ einer Messung zerstört die komplementäre Eigenschaft
Fazit: Die Anwesenheit von Objekten nachweisen, ohne dass etwas an ihnen gemessen wird => mit klassischen Modellen nicht erklärbar

Quellen
http://www.forphys.de
Physikbuch

Knaller

by guest2587dbe8 on Jul 28, 2009

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