Quantenphysik / Mikroobjekte - Josef Leisen - Studienseminar für ...

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44 Beobachtung: Doppelspaltexperiment mit Licht (TAYLOR-Experiment) hohe Intensität geringe Intensität (a) typische Doppelspalt-Interferenzstreifen in Übereinstimmung mit der Wellenvorstellung vom Licht. Konsequenz: Wir haben uns die elektromagnetischen Wellen dazugedacht, um die Interferenzmuster zu erklären. Beobachtung: (a) stochastisch verteilte Schirmstellen leuchten im Widerspruch zur Wellenvorstellung vom Licht auf. (b) nach längerer Zeit tritt das klassische Interferenzmuster hervor. (c) Jede Schirmstelle absorbiert einen ganz bestimmten Energiebetrag. Konsequenz: Wir müssen die Wahrscheinlichkeitstheorie zur Beschreibung des Stochastischen heranziehen. Für die einzelnen Photonen müssen wir die Welle als Wahrscheinlichkeitswelle interpretieren. I
Verhalten von Mikroobjekten 1. Wahrscheinlichkeitswellen von Mikroobjekten können miteinander interferieren. Die Fähigkeit zur Interferenz ist im klassischen Fall nur von Wellen bekannt. (Es überrascht zunächst, dass es physikalische Objekte gibt, die miteinander interferieren können, ohne Wellen zu sein.) Der Begriff der Interferenz ist dabei aus der Analogie der Resultate bei gleicher experimenteller Spaltanordnung (gleichartiger Präparation) gebildet: Es entstehen typische Interferenzmuster. 2. Wahrscheinlichkeitswellen zeigen auch Interferenz mit sich selbst, unabhängig von den anderen. Schickt man Mikroobjekte in so großen Zeitabständen durch die Spalte, dass sie diese nur einzeln 'durchlaufen', so erhält man bei beliebig großer Versuchsdauer die gleiche Verteilung, wie wenn man alle zur gleichen Zeit durchschickt. Was ist der Grund für diese Interferenz? 3. Mikroobjekte zeigen stochastisches Verhalten. Mit einer ganz bestimmten Wahrscheinlichkeit leuchtet ein bestimmter Schirmpunkt auf. Es lässt sich aber nicht voraussagen, welcher Schirmpunkt oder welches Detektorstück als nächstes anspricht. Die Theorie verbietet, Bahnen von Mikroobjekten zu zeichnen. Die mathematische Theorie, der mathematische Formalismus zur Beschreibung des Bewegungsverhaltens von Mikroobjekten muss deshalb wahrscheinlichkeitstheoretische Elemente enthalten. 4. Mikroobjekte zeigen ein nicht-deterministisches Verhalten im klassischen Sinne. In der klassischen Physik führen gleiche Anfangsbedingungen unter gleichen Versuchsabläufen zu gleichen Ergebnissen. In der Quantenphysik führen gleiche Anfangsbedingungen unter gleichen Versuchsabläufen zu gleichen Wahrscheinlichkeitsaussagen. Es tritt in der Quantenphysik das Phänomen auf, dass die Interferenz um so ausgeprägter ist, je exakter die Anfangsbedingungen (z. B. Spaltbreite) sind. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung ist streng deterministisch. Kann der Wahrscheinlichkeitsbegriff eleminiert werden? 5. Die Wahrscheinlichkeitsverteilungen können nicht am Einzelobjekt studiert werden, sondern nur aus der Kenntnis des Gesamtverhaltens vieler identisch präparierter ununterscheidbarer Objekte. Es gibt am Einzelobjekt auch individuell feststellbare Eigenschaften z. B. Elementarladung, Ruhemasse, Spin. Diese sagen aber nichts über das Bewegungsverhalten der Mikroobjekte aus. 45
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