Fortgeschrittenenpraktikum

Welle-Teilchen-Dualismus

Allgemeine Beschreibung

In der klassischen Physik wird streng zwischen Teilchen  undWellenphänomenen unterschieden. Ein zentraler Punkt der Quantenphysik ist nun, dass diese Trennung im Mikrokosmos unzulässig ist. Teilchen verhalten sich wie Wellen und Wellen wie Teilchen. Es hängt von dem betrachteten Problem ab, ob eine Beschreibung als Teilchen oder als Welle geeigneter ist. Man bezeichnet dies als Welle-Teilchen-Dualismus.

In einem Mach-Zehnder Interferometer wird ein Lichtstrahl zunächst durch einen Strahlteiler in zwei Komponenten aufgeteilt und an einem zweiten Strahlteiler wieder vereint. Verursacht durch den optischen Gangunterschied der beiden Teilstrahlen können an zwei Schirmen hinter dem zweiten Strahlteiler zwei komplementäre Interferenzmuster beobachtet werden.

Ein Mach-Zehnder Interferometer ist sehr nützlich, um quantenmechanische „welcher-Weg“ Probleme zu veranschaulichen. Setzt man in jeden Arm des Interferometers einen Polarisator und sind deren Polarisationsebenen um 90° gegeneinander verdreht, so verschwindet das Interferenzmuster. Natürlich kann man diese Beobachtung vollständig durch klassische Elektrodynamik erklären – man kann aber eine quantenmechanische Beschreibung wählen, wenn man sich den Lichtstrahl im Interferometer nun auf einzelne Photonen (bzw. nur ein einziges Photon) reduziert. Durch das Einfügen der gekreuzten Polarisatoren in den Aufbau werden die beiden möglichen Lichtwege unterscheidbar gemacht – wir erhalten eine „welcher-Weg“ Information. Daher verschwindet das Interferenzmuster.

Wird  zwischen zweitem Strahlteiler und Schirm ein dritter Polarisator hinzugefügt, den sogenannten “Radierer”, der gegenüber den anderen beiden nun um 45° orientiert ist, so besitzen alle Photonen, die den Schirm erreichen, wieder dieselbe Polarisation. Da nun die Weginformation wieder verloren ist, also „ausradiert“ wurde, wird das Interferenzmuster wieder erscheinen.

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