Physik

Der Röntgenstrahl (pink) trifft ein Stickstoffmolekül (grün) und schlägt ein Elektron (blau) heraus. Der Detektor (o.) fängt es auf. Die zwei Emissionskurven (rot u. blau) sind Beleg, dass der Röntgenpuls die Elektronen aus dem Molekülinneren erwischt hat

Dr. Welle und Mr. Teilchen

Albert Einstein erkannte wohl als Erster, wie tiefgehend die Quantenphysik die klassische Vorstellung von Licht und Materie verändert. Im 19. Jahrhundert hatten sich die Physiker gerade davon überzeugt, dass Licht eine Wellennatur hat. Doch 1905 bewies Einstein, dass Licht sich auch wie ein Strom von Quantenteilchen (Photonen) verhalten kann. Umgekehrt können mikroskopische Teilchen wie Elektronen auch als Welle auftreten.

Das berühmte Doppelspalt-Experiment demonstriert diesen Welle-Teilchen-Dualismus besonders schön. Die Leser der englischen Physikzeitschrift „Physics World“ wählten es 2002 sogar zum schönsten Experiment aller Zeiten. Es funktioniert mit Photonen so gut wie mit Elektronen, Atomen oder Molekülen, also jeder Sorte mikroskopischer Teilchen. Die Teilchen fliegen aus einer Quelle zu einem Hindernis, das zwei winzige, eng beieinander liegende Öffnungen hat. Das ist der Doppelspalt. Dahinter befindet sich in einigem Abstand ein Schirm. Fliegt ein Teilchen durch einen Spalt, dann trifft es auf den Schirm und wird dort als Punkt sichtbar.

Entscheidend ist nun, wie die mikroskopischen Teilchen auf den Doppelspalt reagieren. Verhalten sie sich wie „klassische“ Geschosse, dann fliegen sie gradewegs durch einen der beiden Spalte. Oder sie treffen daneben und bleiben unterwegs stecken. Bei Wiederholung mit vielen Teilchen wachsen so auf dem Schirm zwei Flecke. Diese markieren die beiden Achsen, die geradlinig von der Quelle durch die Spalte auf den Schirm zeigen.

Wellen reagieren ganz anders auf den Doppelspalt. Treffen die Wellenfronten auf das Hindernis, dann schwingen sie in den Öffnungen des Doppelspalts auf und ab. Dadurch werden die Spalte zu zwei nahezu punktförmigen Sendern. Sie schicken halbkugelförmige Wellen auf den Weg zum Detektorschirm, die sich unterwegs überlagern. Je nach Laufzeitunterschied löschen sie sich teilweise aus oder verstärken sich auf doppelte Intensität. Dieser Effekt heißt Interferenz. Auf dem Schirm entsteht so ein Interferenzmuster. Es zeichnet die räumliche Intensitätsverteilung der Wellen beim Eintreffen nach. Dieses Muster ist komplexer als die zwei Flecken der klassischen Teilchen. Im Zentrum, wo kein klassisches Teilchen hin fände, sitzt der hellste Fleck, das Hauptmaximum. Symmetrisch dazu tauchen außen weitere Flecken auf, die Nebenmaxima.

Will man ein Doppelspalt-Experiment mit mikroskopisch kleinen Quantenteilchen wie Elektronen oder Photonen machen, dann braucht es auch mikroskopische Spaltmaße. Sichtbares Licht zum Beispiel hat eine Wellenlänge zwischen 400 und 700 Nanometern. Bei solchen Photonen müssten also die Abmessungen des Doppelspalts auch im Bereich von einigen hundert Nanometern (Milliardstel Meter) liegen. Die Quantenphysik besagt, dass ein bewegtes Teilchen sich auch wie eine Welle verhält. Was passiert nun zum Beispiel mit einem Photon? Es trifft auf den Schirm und macht dort einen Punkt, erscheint also erwartungsgemäß als Teilchen. Doch es verhält sich anders als ein klassisches Teilchen: Der Punkt kann nämlich auch weit außerhalb der beiden Flugachsen durch die Spalte liegen. Offenbar sind diese Photonen unterwegs abgebogen – „Beugen“ nennen die Physiker dieses Verhalten.

Bei einer Wiederholung mit vielen Photonen passiert nun etwas Verblüffendes. Ihre Einschlagspunkte auf dem Schirm überlagern sich allmählich zu den typischen Intensitätsflecken einer richtigen Welle, die durch den Doppelspalt gelaufen ist. An den intensivsten Flecken, den Maxima, sammeln sich die meisten Photonen. Also bildet dieses Intensitätsmuster ganz direkt die Wahrscheinlichkeit ab, mit der ein einzelnes Photon einen bestimmten Ort auf dem Schirm trifft. In der Quantenwelt diktiert die Welle also die Wahrscheinlichkeit, mit der sich das zugehörige Teilchen an einem bestimmten Ort befindet. Was geschieht aber am Doppelspalt, wenn das Teilchen ihn gerade passiert? Es „spürt“ mit seiner raumgreifenden Welle beim Durchgang beide Öffnungen zugleich. Ist der Doppelspalt perfekt spiegelsymmetrisch, dann hält es sich mit fünfzigprozentiger Wahrscheinlichkeit in jedem der beiden Spalte auf. Doch welchen Weg nimmt es tatsächlich?

Mit dieser Frage beschäftigen sich Physiker seit den frühen Tagen der Quantentheorie. Nach der Quantentheorie ist nämlich absolut nicht feststellbar, welchen Weg das Teilchen durch den Doppelspalt genommen hat. Um die Theorie auszutricksen, könnte man versuchen, einen der beiden Spalte vorsichtig zu schließen. Doch frustriert würde man feststellen, dass dabei der Wellencharakter des Doppelspalts verloren geht. Das Muster auf dem Schirm fällt im Wesentlichen zu einem großen Fleck zusammen, der das Interferenzmuster eines einzigen Spalts nachzeichnet.

In den 1920er-Jahren führten solche Fragen zu heftigen Diskussionen unter den Physikern. Es ging um die richtige Interpretation der noch neuen Quantentheorie. Gegen Zweifler wie Einstein setzte sich damals der große dänische Physiker Niels Bohr mit seiner strengen Sichtweise durch: Danach durfte ein Experiment ausschließlich entweder den Teilchencharakter oder den Wellencharakter nachweisen. Dieses Komplementaritäts-Prinzip dominierte lange die Physik. Seit den 1990er-Jahren gaben jedoch Experimente mit Photonen, Atomen oder Molekülen zunehmend Hinweise darauf, dass die Natur längst nicht so streng ist, wie der große Däne annahm. Besonders interessant ist die Frage, wie sich Elektronen bei einem Doppelspalt-Experiment verhalten würden: Verschwindet ihr Wellencharakter schlagartig, wenn man einen Spalt vorsichtig verengt? Oder eher allmählich? Elektronen würden das Wesen des Welle-Teilchen-Dualismus in purer Form offenlegen. Sie sind nach heutigem Wissen der Physik nämlich nahezu punktförmig. Anders als Atome oder Moleküle haben sie keine innere Struktur. Sie sind aber auch „materieller“ als die flüchtigen Photonen, denn sie verfügen über eine „Ruhemasse“.

Ein solches Experiment ist eine technische Herausforderung. Uwe Beckers Gruppe vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin meisterte sie, zusammen mit amerikanischen Kollegen vom California Institute of Technology in Pasadena. Die Physiker benutzten Stickstoffmoleküle (N2) als mikroskopische „Doppelspalte“. Die beiden Stickstoffatome „kleben“ über eine chemische Dreifachbindung kräftig aneinander. Sie bilden so eine schön symmetrische Hantel. Beim Experiment beschossen die Forscher diese N2-Moleküle mit Röntgenstrahlen aus einem „Synchrotron“. Eines der beiden Synchrotrone, an denen sie experimentierten, steht am DESY (Deutsches Elektron-Synchrotron) in Hamburg. Mit dieser Röntgenstrahlung können die Physiker tief ins Innere der Stickstoffmoleküle hinein „schauen“. Die Forscher interessierten sich nämlich für die innersten Elektronenschalen der beiden Stickstoffatome. In ihnen befinden sich zwei Elektronen, die im Vergleich zu den anderen Elektronen des Moleküls am stärksten gebunden sind. Um sie herauszulösen, braucht es am meisten Energie. Sie sind praktisch an ihrem jeweiligen Atom „lokalisiert“, wie Physiker das nennen. Ihre Quantenwelle bildet eine perfekte Kugel um den zentralen Atomkern. Überall auf dieser Kugel kann sich das Elektron mit gleicher Wahrscheinlichkeit aufhalten.

Die zwei Kugeln um die beiden Atomkerne berühren sich nun in der Mitte des hantelförmigen Moleküls. „Das sieht wie eine Erdnuss aus“, erklärt Uwe Becker. Diese Quanten-Erdnuss ist perfekt spiegelsymmetrisch. Deshalb kann jedes der beiden inneren Elektronen die Seite wechseln: Es kann zum gegenüberliegenden Atomkern springen, denn dort darf es sich mit gleicher Wahrscheinlichkeit aufhalten. Quantenphysikalisch entspricht das genau der Situation im Doppelspalt. Das Elektron kann zwei gleichberechtigte Wege wählen, repräsentiert durch die beiden Seiten des Moleküls.

Der Röntgenpuls aus dem Synchrotron schlägt nun eines der inneren Elektronen aus dem Molekül heraus. Ein empfindlicher Detektor fängt es ein. Er übernimmt die Rolle des Schirms und liefert die gesuchte Information über das Geschehen im Inneren des Moleküls. Genauer gesagt, registriert er zwei charakteristische Messkurven, deren Ursache in einigen Besonderheiten des Stickstoffmoleküls liegen. „Eine sieht aus wie eine Erdnuss, die andere wie ein Kleeblatt“, erläutert Becker. Diese beiden Kurven sind für die Forscher ein sicherer Beweis dafür, dass die eingefangenen Elektronen tatsächlich aus dem erdnussartigen „Doppelspalt“ im Inneren eines der N2-Moleküle in ihrer Apparatur stammen.

Im nächsten Schritt schlossen die Physiker einen der beiden „Spalte“ teilweise. „Das ist gar nicht so einfach“, sagt Becker lachend, „wie macht man das bei kleinen Molekülen?“ Die Physiker kamen auf einen raffinierten Trick: Sie stellten Moleküle her, in denen eines der beiden Stickstoff-Atome durch ein schwereres Isotop ersetzt ist. Die verschiedenen Isotope eines Elements unterscheiden sich durch die Zahl der Neutronen im Kern. Beim Stickstoff gibt es neben dem häufigen Isotop 14N mit 7 Protonen und 7 Neutronen auch das seltenere 15N. Es beherbergt 8 Neutronen im Kern und ist entsprechend schwerer. Die Physiker stellten Moleküle aus je einem 14N und einem 15N her. Das schwerere Isotop verleiht den molekularen Hanteln eine leichte Schlagseite. Oder eine Unwucht, denn N2-Moleküle können in sich schwingen, wie Hanteln mit einer Feder als Griff. Moleküle mit zwei 14N-Isotopen schwingen perfekt symmetrisch. Doch das schwerere 15N stört das Spiegelbild minimal. Die erdnussförmigen Quantenzustände der inneren Elektronen verändern sich so, als ob sich ein Spalt etwas schließt.

Tatsächlich zeigte das Experiment, dass dadurch der doppelspaltartige Wellencharakter der Elektronen teilweise verloren geht. Allerdings tut er das nicht so absolut, wie es Bohrs strenges Komplementaritäts-Prinzip fordert. Die Elektronen aus dem Stickstoffmolekül zeigen besonders schön, wie der Wellencharakter eher fließend in den Teilchencharakter übergeht. „Das Komplementaritäts-Prinzip wurde also überzogen“, bilanziert Becker. Die Physiker haben mit den heutigen Experimentaltechniken ein neues Bild des Welle-Teilchen-Dualismus gewonnen.

Simulationsprogramm zum quantenmechanischen Doppelspaltversuch

Roland Wengenmayr (2006)