Woraus besteht Licht: Wellen oder Teilchen? Diese grundlegende Frage hat Physiker seit der Frühzeit der Wissenschaft fasziniert. Die Quantenmechanik sagt voraus, dass Photonen – Lichtteilchen – gleichzeitig Teilchen und Wellen sind. Im Journal Science berichten Physiker der University of Bristol über eine neue Demonstration dieses Welle-Teilchen-Dualismus von Photonen, der vom Nobelpreisträger Richard Feynman als „ein echtes Rätsel der Quantenmechanik“ bezeichnet wurde.
Die Geschichte der Wissenschaft ist von einer intensiven Debatte zwischen der Teilchen-Theorie und der Wellen-Theorie des Lichts gekennzeichnet. Isaac Newton war der Hauptverfechter der Teilchen-Theorie, während James Clerk Maxwell und seine erfolgreiche Theorie des Elektromagnetismus der Wellen-Theorie Glauben schenkten. Im Jahr 1905 änderten sich die Dinge allerdings dramatisch, als Einstein zeigte, dass es möglich war, den photoelektrischen Effekt (der bis dahin ein komplettes Rätsel geblieben war) mit der Theorie zu erklären, dass Licht aus Teilchen besteht: Photonen. Diese Entdeckung hatte einen gewaltigen Einfluss auf die Physik, weil sie wesentlich zur Entwicklung der Quantenmechanik beitrug – der genauesten wissenschaftlichen Theorie, die jemals entwickelt wurde.
Trotz ihres Erfolgs stellt die Quantenmechanik eine immense Herausforderung an unsere alltägliche Intuition dar. In der Tat sagt die Theorie das Verhalten kleiner Objekte wie Atome und Photonen mit bemerkenswerter Genauigkeit voraus. Wenn wir diese Vorhersagen jedoch genauer betrachten, sind wir gezwungen zuzugeben, dass sie der Intuition auffallend widersprechen. Zum Beispiel sagt die Quantentheorie voraus, dass ein Teilchen (etwa ein Photon) zur selben Zeit an unterschiedlichen Orten sein kann. Tatsächlich kann es sogar an unendlichen vielen Orten gleichzeitig sein, genau wie eine Welle. Daher das Konzept des Welle-Teilchen-Dualismus, das grundlegend für alle Quantensysteme ist.
Überraschenderweise verhält sich ein Photon entweder wie ein Teilchen oder wie eine Welle, wenn es beobachtet wird. Aber beide Aspekte werden nie gleichzeitig beobachtet. Genaugenommen hängt das gezeigte Verhalten vom Typ der Messung an, mit der es beobachtet wird. Diese verblüffenden Phänomene wurden in den letzten paar Jahren experimentell untersucht, indem man Messgeräte verwendete, die zwischen Wellenverhalten- und Teilchenverhalten-Messungen umschalten können.
In einer am 1. November 2012 im Journal Science veröffentlichten Abhandlung geben Physiker der University of Bristol diesen Theorien eine neue Wendung. Dr. Alberto Peruzzo, Peter Shadbolt und Professor Jeremy O’Brien vom Centre for Quantum Photonics arbeiteten mit den Quantentheoretikern Dr. Nicolas Brunner und Professor Sandu Popescu zusammen, um eine neue Art von Messapparat zu entwickeln, der gleichzeitig teilchen- und wellenähnliches Verhalten messen kann. Dieses neue Gerät macht sich die Quanten-Nichtlokalität zunutze – einen anderen, der Intuition zuwiderlaufenden Quanteneffekt.
Dr. Peruzzo, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am Centre for Quantum Photonics, sagte: „Der Messapparat registrierte eine starke Nichtlokalität, was bestätigte, dass sich das Photon in unserem Experiment gleichzeitig wie eine Welle und wie ein Teilchen verhielt. Dies stellt eine starke Anfechtung der Modelle dar, in denen das Photon entweder eine Welle oder ein Teilchen ist.“
Professor O’Brien, Direktor des Centre for Quantum Photonics, sagte: „Um diese Forschungsarbeit durchzuführen, nutzten wir einen quantenphotonischen Chip, eine neue Technologie, die in Bristol vorbereitet wurde. Der Chip ist rekonfigurierbar, so dass er programmiert und kontrolliert werden kann, um verschiedene Schaltungen zu implementieren. Heute ist diese Technologie ein führender Ansatz bei dem Bemühen, einen Quantencomputer zu bauen und in Zukunft wird sie neue und fortschrittlichere Studien der fundamentalen Aspekte von Quantenphänomenen erlauben.“
Eine aussichtsreiche Perspektive für die Lösung des „einen echten Rätsels“ der Quantenmechanik.
Quelle: http://www.bris.ac.uk/news/2012/8889.html
(THK)
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