Der Schulstoff
Manchmal wird auch in der Schule Quantenmechanik behandelt, leider viel zu selten und viel zu oberflächlich.
Aber ein wichtiger Schritt in der Interpretation der Wellenfunktion ist die Behandlung von Experimenten mit einzelnen Quanten.
Nehmen wir einen Doppelspalt. Wenn hier Licht durchfällt, dann lässt sich das Interferenzmuster leicht über ein Wellenmodell deuten.
Aber vollkommen überraschend ist es, dass ein Interferenzmuster auch entsteht, wenn Photonen einzeln und nacheinander in großen Zeitabständen auf den Doppelspalt zu fliegen.
Dann müsste es doch eigentlich zu zwei hellen Lichtflecken auf dem Schirm hinter dem Doppelspalt kommen...Ein Photon kann ja entweder nur durch den einen oder den anderen Spalt hindurchtreten.
Genau das passiert nicht: Auch bei Experimenten mit einzelnen Photonen tritt ein Interferenzmuster auf.
Damit wird klar, dass man die Welle einem einzelnen Objekt zuordnen muss. Diese Wahrscheinlichkeitswelle bildet eine Interferenz und das einzelne Photon taucht dann in einem der Interferenzmaxima zufällig auf.
Die weiteren Interpretationen sind dann richtig spannend, aber hier bricht oft der Unterricht ab.
Darum soll es heute aber nicht gehen, sondern um das berühmte Taylor-Experiment:
Um auszuschließen, dass Interferenzen durch Wechselwirkungen entstehen, führte Taylor 1909 ein Experiment durch, bei dem er Licht so abschwächte, dass nur einzelne Photonen in die Apparatur kamen. Dann erzeugte er eine nur mit Wellen mögliche Beugung.
Bei einer Belichtungszeit von 3 Monaten erhielt er auch wieder ein Interferenzbild.
aus: leifiphysik
Seine Folgerung: Er gab eine Grenzgröße für die Energie an, die mindestens in der Apparatur sein musste, damit Interferenz entsteht.
Daraus wurde später interpretiert: Auch einzelne Photonen können interferieren.
Taylor selbst hat diese Interpretation nie gemacht.
Das Extrafutter
Taylor hat thermisches Licht genommen. In diesem natürlichen Licht liegt eine natürliche Verteilung der Photonen vor: Sie zeigen ein Bunching, d.h. sie fliegen immer in kleinen Gruppen.
aus: Würzburger Quantenmechanik Konzept
Man kann zeigen, dass Taylor die Anzahl der Gruppen reduziert hat, aber nicht einzelne Photonen aus den Gruppen herauslösen konnte.
Damit hat er immer mit mehreren Photonen gleichzeitig gearbeitet.
Und genau das hat ihm den Erfolg gebracht: Er hat eine fotografische Emulsion genutzt (Photoplatte). Diese benötigt zur Aktivierung, also zur Belichtung, zwei bis drei Photonen, die nahezu gleichzeitig auf ein Korn treffen.
Kombiniert man also einen Laser mit einer Photoplatte funktioniert der Versuch nicht.
In einem Laserstrahl tritt kein Bunching ein, Photonen sind dort immer Einzelgänger.
Einzelne Photonen können aber eine Photoplatte nicht belichten
Somit konnten Ein-Photonen-Experimente erst 50 Jahre später nach der Erfindung des Lasers erfolgreich durchgeführt werden. Da standen auch andere Detektoren zur Verfügung.
Aber der Mythos Taylor lebt unbeirrt in allen Lehrbüchern, Vorlesungen und im Unterricht weiter...
Die Kritiker
Von 2005 bis 2006 haben drei Jugendliche(Jonas Schmöle, Christoph Muster und Jens Pfeiffer) das Taylorsche Experiment nachgebaut. Aus Gründen der Vereinfachung aber einen Laserstrahl verwendet und dessen Intensität so weit abgeschwächt (durch Filter), dass nie mehr als ein Photon in der Apparatur war.
Sie konnten nichts nachweisen. Die Photoplatte blieb dunkel.
Recherchen und dann ein eigenes funktionierendes Experiment ohne Laser zeigten die oben beschriebene Erkenntnis.
Mit ihrem Projekt wurden sie 2006 Bundessieger bei "Jugend forscht".
Ich hatte das große Vergnügen die drei betreuen zu dürfen.
Ihre Laudatio:
Quantenmechanische Experimente mit einzelnen Photonen
Eine Arbeit von drei Kasseler Jungforschern könnte zur Überarbeitung moderner Physiklehrbücher führen. Dort wird noch heute ein Experiment des Physikers G. Taylor aus dem Jahr 1909 als eindeutiger Nachweis für den Wellen-Teilchen-Charakter des Lichts aufgeführt. Christoph Muster, Jonas Schmöle und Jens Pfeifer konnten nun belegen, dass sich anhand von Taylors Versuchsaufbau mit Gaslampe und Schwarzweißfilm keinesfalls einzelne Lichtteilchen (Photonen) nachweisen lassen. Sie entwickelten zudem einen Versuchsaufbau für ein Ein-Photonen-Experiment.
Es gibt ein berühmtes Schulphysikbuch, der Dorn-Bader. Einer der beiden Autoren kam nach der Preisverleihung zu den jungen Forschern (ich weiß nicht mehr wer) und sagte:
"Den Unsinn zu Taylor hat mein Partner geschrieben. Ich bin unschuldig. Wir werden das aber ändern"
Es steht auch in späteren Auflagen immer noch falsch drin....