Der Doppelspalt: Das einzige Rätsel der Quantenphysik!


Licht ist für uns etwas besonderes. Ohne Licht gäbe es kein Leben und eine Welt ohne Licht können wir uns kaum vorstellen. Es ist deshalb kein Wunder, dass sich auch die Wissenschaft seit Jahrhunderten mit diesem Thema befasst, besonders die Physik. Was ist Licht? Von den Erklärungsversuchen der Vergangenheit sind zwei für uns hier wichtig: die fast 400 Jahre alte Teilchenvorstellung von Isaac Newton, die sich in Teilen im 20. Jahrhundert bei Max Planck und Albert Einstein wiederfindet, und die ebenfalls etwa 400 Jahre alte Wellentheorie von Christian Huygens.
Für Newton bestand Licht aus einem Strom von Teilchen (Korpuskeln), deren Anzahl die Helligkeit und deren Bewegungsenergie die Farbe des Lichtes bestimmen sollte. Nach Huygens sollte das Licht dagegen eine Wellenerscheinung sein, ähnlich dem Schall oder einer Wasserwelle. Um 1805 schien die Frage dann geklärt zu sein: Der Physiker Thomas Young beobachtete erstmals Licht, das durch zwei enge, dicht nebeneinander liegende Spalte – also durch einen Doppelspalt – gegangen war.
Wir können seinen Versuch heute leicht nachmachen, am einfachsten mit einem Laserpointer als Lichtquelle. Wir sehen auf dem Schirm dann ein symmetrisches Muster aus hellen und dunklen Bereichen.
Es lässt sich als Interferenzmuster (Überlagerungsmuster von Wellen) erklären. Die von der Lampe oder dem Laser ausgehenden Lichtwellen können den Schirm auf verschiedenen Wegen erreichen. Beim Doppelspalt sind es (mindestens) zwei.
Auf dem Schirm treffen die Wellenzüge wieder zusammen, allerdings haben sie zu den meisten Punkten des Schirms unterschiedlich lange Wege zurückgelegt. In der Regel treffen deshalb die Wellenzüge nicht in der gleichen Schwingungsphase auf den Schirm. Es kann sein, dass ein Wellenberg aus dem einen Spalt auf ein Wellental des anderen Spaltes trifft. Dann bleibt der Schirm dunkel (destruktive Interferenz). Wenn aber Berg auf Berg (oder Tal auf Tal) treffen, entsteht durch konstruktive Interferenz ein heller Bereich. Dazu muss Licht aber eine Welle sein und kein Teilchen! QED!
100 Jahre nach Young war die Frage auf einmal wieder offen: Bei manchen Experimenten verhielt sich das Licht nämlich ganz klar wie ein Strom von Teilchen (Lichtquanten oder Photonen). Davon verschwanden natürlich die Interferenzbilder nicht. Man hatte also zu erklären, wie sich Teilchen überlagern können. Die Frage wurde noch drängender, nachdem man auch bei Elektronen und später bei ganzen Atomen und Molekülen Interferenz (eins + eins = keins) beobachten konnte, Der amerikanische Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman nennt das Doppelspaltexperiment deshalb das einzige Rätsel der Quantenphysik. Für Feynman besteht übrigens Licht ganz klar aus Teilchen, "… was auch immer man Ihnen in der Schule erzählt hat."
Interferenz ist ein häufiges Phänomen und z.B. auch die Grundlage der Holographie. Der Doppelspalt ist besonders leicht zu überblicken. Aber auch ein einzelner Spalt erzeugt ein Interferenzmuster, weil er ausreichend breit ist, um dem Licht verschieden lange Wege zu ermöglichen.