Unsicherheit ist eines der wichtigsten und am schwierigsten zu erfassenden Konzepte der Quantenwelt. Doch auch wer glaubt, sie verstanden zu haben, irrt: Neue Experimente haben gezeigt, dass die Unschärferelation gar nicht so eindeutig ist.
Die von Werner Heisenberg vorgeschlagene Unschärferelation erlaubt es nicht, Paare komplementärer Eigenschaften eines Quantensystems – beispielsweise Impuls und Ort – gleichzeitig und genau zu bestimmen. Mit anderen Worten, wenn wir die Position eines Teilchens genau angeben können, können wir die Richtung und Geschwindigkeit seiner Bewegung nicht kennen und umgekehrt.
Der klassische Versuch der Lichtstreuung an zwei Sp alten demonstriert die Wirkung des Prinzips am deutlichsten. Stellen Sie sich vor, wir bombardieren einen empfindlichen Bildschirm mit einem Strom von Photonen, und zwischen ihm und der Photonenquelle befindet sich eine Platte mit zwei dünnen parallelen Schlitzen. Wie aus der Wellennatur von Photonen hervorgeht, interferieren Partikel, die durch verschiedene Schlitze hindurchgehen, miteinander und erzeugen ein charakteristisches Streifenmuster auf dem Bildschirm.
Aber wenn wir die Quelle so stark schwächen, dass Photonen nacheinander herausfliegen und ihre korpuskulare Natur zeigen - und das ist für lange Zeit leicht zu erreichen -, könnten wir erwarten, dass die Interferenzstreifen verschwinden. Schließlich passiert ein Photon einen bestimmten Schlitz, und in diesem Moment hat es einfach niemanden, den es stören kann. Aber wir bombardieren den Bildschirm weiterhin mit einzelnen Photonen – und wir werden sehen, dass sie nach und nach das gleiche Interferenzmuster darstellen werden. Es stellt sich heraus, dass jedes Photon gleichzeitig beide Schlitze passierte und sich gegenseitig interferierte! So manifestiert sich das Unschärfeprinzip, und wenn wir es eliminieren (indem wir einen der Schlitze schließen), verschwindet das Interferenzmuster.
Eine neue Version des klassischen Experiments wurde von Wissenschaftlern aus Australien und Kanada vorgeschlagen - sie konnten zeigen, dass, wenn es einfach unmöglich ist, für jedes einzelne Teilchen anzugeben, durch welchen Schlitz es gegangen ist, solche Beobachtungen gemacht werden können für relativ viele Teilchen.
Die Autoren haben das oben beschriebene Schema etwas verkompliziert. Tatsache ist, dass ein Photon nach rechts, nach links oder (dank der Quantenmechanik) nach rechts und links gleichzeitig polarisiert werden kann. Gewöhnliches Licht ist eine Mischung aus all diesen Zuständen, und wenn Sie die Polarisation eines dieser Zustände messen, haben Sie eine 50-prozentige Chance, rechts oder links zu sein.
Zwischen der Strahlungsquelle und der Platte mit den Schlitzen platzierten die Wissenschaftler Calcit, ein Mineral, das je nach Einfallswinkel eines Teilchens seine Polarisation leicht ändert. Darüber hinaus durchliefen die Photonen, bevor sie den empfindlichen Bildschirm erreichten, eine zusätzliche Vorrichtung, die die Teilchenbahnen in Abhängigkeit von ihrer Polarisation veränderte. Als Ergebnis erschienen nicht ein, sondern zwei Interferenzmuster auf dem Bildschirm. Durch den Vergleich der Intensitäten der entsprechenden Flecken auf ihnen konnten die Autoren die „durchschnittliche“Polarisation der Partikel berechnen, die den Bildschirm erreichten, und damit den Einfallswinkel des Partikels auf Calcit und folglich den Weg, auf dem es auftraf.
Die Autoren stellen fest, dass ihre Erfahrung den Prinzipien der Quantenmechanik nicht im Geringsten widerspricht. Jedes einzelne Photon behält vollständig die notwendige Unsicherheit; wir sprechen nur über die durchschnittlichen Trajektorien. Die Erfahrung kann jedoch unsere Ansichten über die Natur der Ungewissheit verdeutlichen, die sich als gar nicht so sicher herausstellt, wie es schien.
Siehe auch: "Bob, Alice und das Quantenrelais".
