Quanteninterferenz

Hallo, mein Name ist Lukas und in diesem Video erkläre ich euch den äußerst mysteriöser Effekt der sogenannten Quanteninterferenz. Um dieses Video zu verstehen, solltest du wissen, was Interferenz überhaupt ist. Außerdem solltest du da das Video Verhalten von Quantenobjekten gesehen haben und etwas über den Welle-Teilchen-Dualismus gehört haben. Außerdem solltest du dir im Klaren sein, dass obwohl die Quantenphysik für den menschlichen Verstand überhaupt keinen Sinn ergibt, sie trotzdem die bislang erfolgreichste Beschreibung von Naturphänomenen ist, die jemals erdacht worden ist. Der Nobelpreisträger Richard Feynman, von dem ich übrigens großer Fan bin, sagte einmal: „Das Doppelspaltexperiment birgt das Herz der Quantenmechanik.“ Und deshalb werde ich diesen seltsamen Effekt der Quanteninterferenz auch am Doppelspalt erklären. Wobei hier erklären eigentlich das falsche Wort ist. Erklären lässt sich dieser Effekt nämlich gar nicht zufriedenstellend. Aber ich werde mein Bestes geben, ihn so gut wie es geht, zu beschreiben. Damit ihr erkennt, warum wir ihn nicht erklären können. Nun zum Inhalt dieses Videos. Zuerst werde ich beschreiben, was passiert, wenn man das Experiment mit Murmeln durchführt. Danach mit Wasserwellen. Und anschließend mit Quantenobjekten. Danach gebe ich euch eine mögliche Interpretation der sogenannten Kopenhagener Deutung. Los geht es. Wir haben hier eine Murmelkanone. Und ballern damit auf eine Wand mit erstmal nur einem Schlitz. Wie erwartet, gibt es auf dem Schirm einen Streifen auf der Höhe des Schlitzes. So. Nun machen wir einen zweiten Schlitz in die Wand. Und nachdem wir eine Weile mit Murmeln darauf gefeuert haben, sehen wir zwei Streifen auf dem Schirm, auf denen die Murmeln ankommen. Soweit klar. Jetzt machen wir das Ganze mit Wasserwellen. Erstmal schicken wir Wasserwellen auf einen einzelnen Schlitz. Die Wellen werden gebeugt und wir sehen einen Streifen auf dem Schirm, mit einem Intensitätsmaximum auf der Höhe des Schlitzes. Ähnlich wie bei den Murmeln. Jetzt lassen wir die Wasserwellen auf zwei Schlitze los. Jeder der beiden Schlitze agiert jetzt wie eine punktförmige Quelle von Wellen. Und wenn ein Wellental auf einen Wellenberg trifft, heben sich die Wellen auf. Dies erzeugt ein sogenanntes Interferenzmuster auf dem Schirm. Jetzt lass uns in die Quantenwelt eintauchen. Dieser Versuch wurde bereits mit Photonen, Elektronen, Neutronen, Atomen und sogar riesigen Molekülen erfolgreich durchgeführt. Und aus diesem Grund, werde ich mich nicht auf eine dieser Objekte beschränken, sondern werde sie einfach alle Quantenobjekte nennen. Also, wir nehmen eine Kanone mit Quantenobjekten und schießen sie auf einen einzelnen Schlitz. Wie bei den Murmeln ergibt sich einfach ein Streifen auf der Höhe des Schlitzes. So, und jetzt nehmen wir den zweiten Schlitz dazu und wiederholen das Experiment. Dann schauen wir uns den Schirm von vorne an und sehen Streifen. Was ist denn hier passiert? Wie kann das sein, dass an Stellen, an denen bei einem Schlitz Quantenobjekte auftrafen, durch das Hinzufügen eines weiteren Schlitzes, plötzlich keine mehr auftreffen? Ganz klar, da ist eine Art von Interferenz im Spiel. Aber interferieren die Quantenobjekte miteinander? Oder interferiert jedes Quantenobjekt für sich mit sich selbst? Oder was genau passiert hier eigentlich? Okay, wir könnten jetzt eventuell denken, ja, die Quantenobjekte, die stoßen sich irgendwie kompliziert voneinander ab und erzeugen dadurch so ein Muster. Um das auszuschließen, schießen wir jetzt einfach immer nur ein Quantenobjekt zur gleichen Zeit durch die Schlitze. Und nach langem Warten, sehen wir überraschenderweise dieselben Interferenzmuster wie vorhin. Was hat denn das zu bedeuten? Um es kurz in Worten zusammenzufassen, wie das für den menschlichen Verstand aussieht. Das Quantenobjekt verlässt die Kanone als einzelnes Teilchen. Verwandelt sich dann in eine Welle. Geht durch beide Schlitze gleichzeitig. Und interferiert dann mit sich selbst, um sich auf dem Schirm wieder in ein Teilchen zu verwandeln. Was zum Henker geht hier denn vor? Das dachten sich auch die Physiker und sagten: „Aha, ja sowas. Wir sind jetzt aber schlauer als die Natur. Wir schauen jetzt einfach mal hin, durch welchen Schlitz das Quantenobjekt geht. Ha. Mit dem Detektor an den Schlitzen machen wir das Experiment nochmal.“ Und was passiert? Zack. Das Interferenzmuster verschwindet. Und anstelle des Interferenzmusters ergibt sich ein Muster, das sich auch ergeben würde, wenn wir, statt den zwei Spalten, jeweils eine Quantenkanone hätten. Allein durch den Akt des Beobachtens, verwandelt sich das Quantenobjekt von einer Welle, wieder in ein Teilchen. Es sieht so aus, als ob Quantenobjekte sich wie Wellen verhalten, wenn man nicht hinschaut. Und sich wie Teilchen verhalten, wenn man hinschaut. In der Quantenphysik gibt es mehrere Möglichkeiten dieses Phänomen zu deuten. Die Prominenteste ist die sogenannte Kopenhagener Deutung. Diese werde ich jetzt kurz erklären. Die Möglichkeit ein Teilchen zu messen, obwohl ich nicht messe, hat Wellencharakter. Diese Möglichkeit nimmt nun auch alle möglichen Wege. Und zwar gleichzeitig. Das nennt man in der Quantenphysik eine Superposition. Eine Überlagerung. Das Teilchen befindet sich in einer Superposition zwischen „es ist durch den linken Spalt“ und „es ist durch den rechten Spalt geflogen“. Diese beiden Möglichkeiten interferieren jetzt wie Wellen und bilden das Interferenzmuster. Wobei das Interferenzmuster die Wahrscheinlichkeit, das Teilchen an einen bestimmten Ort zu detektieren, angibt. Denn wie Ihr wisst, kommt das Teilchen als ein Klick an den Detektor an. Und ist bei einer Messung genau ein Teilchen mit einem bestimmten Ort. Diesen Vorgang nennt man dann Kollaps der Wellenfunktion. Wobei die Wellenfunktion unter anderem die Information über die Wahrscheinlichkeit, das Quantenobjekt an einem bestimmten Ort zu finden, für jeden Ort im Universum enthält. Ganz kurz vor der Messung ist das Teilchen mit der Wahrscheinlichkeitsverteilung, die durch das Interferenzmuster gegeben ist, an vielen Orten gleichzeitig. Die Messung selber zwingt das Teilchen dann, sich für einen Ort zu entscheiden. Und zack, ist die Wellenfunktion, die vorher mehrere Orte zugelassen hat, auf einen einzigen Ort, mit hundert Prozent Wahrscheinlichkeit kollabiert. Das Gleiche passiert, wenn wir das Teilchen durch Hinschauen zwingen, sich schon vor den Spalten zu entscheiden, durch welchen Spalt es fliegen will. Dann kollabiert die Wellenfunktion schon vor den Spalten auf einen der beiden Spalte. Und es kann nicht mehr mit sich selbst interferieren. Und das Interferenzmuster verschwindet. Und nun eine kurze Zusammenfassung, was wir heute gelernt haben: Quantenobjekte sind weder Welle noch Teilchen, weisen aber beide Eigenschaften auf. Quantenobjekte interferieren nur dann mit sich selbst, wenn es prinzipiell nicht möglich ist, zu wissen, welchen Weg sie nehmen. Das Intensitätsmuster auf dem Schirm gibt die Detektionswahrscheinlichkeit eines einzigen Teilchens in Abhängigkeit vom Ort an. Teilchen, weil wir immer nur Teilchen detektieren können. Diese Detektionswahrscheinlichkeit lässt sich mit Hilfe der Quantenmechanik berechnen. Und damit bedanke ich mich und bis zum nächsten Mal. Tschüss.