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Vor hundert Jahren begann man den in der
Naturphilosophie postulierten dualen Charakter der Natur auch auf der
Ebene elementarer physikalischer Vorgänge schrittweise zu erkennen.
Albert Einstein war der erste, der 1905 diese Konsequenz aus Plancks
Quantenhypothese zog. Er ordnete dem eindeutig als elektromagnetische
Welle bekannten Photon Teilchencharakter zu. Dies ist die Quintessenz
seiner Arbeit zum Photoeffekt. Später war es vor allem deBroglie, der
1926 erkannte, dass alle uns als Teilchen bekannten Bausteine der
Natur - Elektronen, Protonen etc. - sich unter bestimmten Bedingungen
wie Wellen verhalten.
Die Natur in ihrer Gesamtheit ist also dual; kein
einziger ihrer Bestandteile ist nur Teilchen oder Welle. Niels Bohr
führte zum Verständnis dieser Tatsache 1923 das Korrespondenz-Prinzip
ein, das vereinfacht besagt: Jeder Bestandteil der Natur hat sowohl
Teilchen- als auch Wellencharakter und es hängt nur vom Beobachter ab,
welchen Charakter er gerade sieht. Anders gesagt: Es hängt vom
Experiment ab, welche Eigenschaft - Teilchen oder Welle - man gerade
misst. Dieses Prinzip ist als Komplementaritätsprinzip in die
Geschichte der Physik eingegangen.
Albert Einstein war diese Abhängigkeit der
Natureigenschaften vom Beobachter Zeit seines Lebens suspekt. Er
glaubte, es müsse eine vom Beobachter unabhängige Realität geben. Doch
die Quantenphysik hat die Tatsache, dass es keine unabhängige Realität
zu geben scheint, im Laufe der Jahre einfach als gegeben akzeptiert,
ohne sie weiter zu hinterfragen, da alle Experimente sie immer wieder
und mit wachsender Genauigkeit bestätigt haben. Bestes Beispiel ist
das Young'sche Doppelspaltexperiment. Bei diesem Doppelspaltexperiment
lässt man kohärentes Licht auf eine Blende mit zwei Schlitzen fallen.
Auf einem Beobachtungsschirm hinter der Blende zeigt sich dann ein
Interferenzmuster aus hellen und dunklen Streifen. Das Experiment kann
aber nicht nur mit Licht, sondern auch mit Teilchen wie z. B.
Elektronen durchgeführt werden. Schickt man einzelne Elektronen
nacheinander durch den offenen Young'schen Doppelspalt, erscheint auf
der dahinterstehenden Photoplatte ein streifenförmiges
Interferenzmuster, das keinerlei Information über den Weg, den das
Elektron genommen hat, enthält. Schließt man jedoch einen der beiden
Spalte, so erscheint auf der Photoplatte ein verwaschenes Abbild des
jeweils offenen Spaltes, aus dem man den Weg des Elektrons direkt
ablesen kann. Eine Kombination aus Streifenmuster und Lagebild ist in
diesem Doppelspaltexperiment jedoch nicht möglich, dazu bedarf es
eines molekularen Doppelspaltexperiments, das nicht auf der
Orts-Impuls-Unschärfe, sondern der Spiegel-Symmetrie beruht. Nicht
umsonst wurde das Experiment in einer Umfrage der englischen
physikalischen Gesellschaft in der Zeitschrift Physics World 2002 zum
schönsten Experiment aller Zeiten gewählt. Obwohl jedes Elektron
einzeln durch einen der beiden Spalte zu laufen scheint, baut sich am
Ende ein wellenartiges Interferenzmuster auf, als ob sich das Elektron
beim Durchgang durch den Doppelspalt geteilt hätte, um sich danach
wieder zu vereinen. Hält man aber einen Spalt zu oder beobachtet man,
durch welchen Spalt das Elektron geht, verhält es sich wie ein ganz
normales Teilchen, das sich zu einer bestimmten Zeit nur an einem
bestimmten Ort aufhält, nicht aber an beiden gleichzeitig. Je nachdem
also, wie man das Experiment ausführt, befindet sich das Elektron
entweder an Ort A oder an Ort B oder an beiden gleichzeitig.
Das diese Doppeldeutigkeit erklärende Bohrsche
Komplementaritäts-Prinzip fordert aber zumindest, dass man nur eine
der beiden Erscheinungsformen zu einer gegebenen Zeit in einem
gegebenen Experiment beobachten kann - entweder Welle oder Teilchen,
aber nicht beides zugleich. Bei aller Doppeldeutigkeit der
Quantenphysik bleibt dieser Rest von Eindeutigkeit in jedem Experiment
erhalten. Entweder ist ein System in einem Zustand des wellenartigen
"Sowohl-als-auch" oder aber des teilchenartigen "Entweder-oder" in
Bezug auf seine Lokalisierung. Im Prinzip ist dies eine Folge der
Heisenbergschen Unschärferelation, die besagt, dass man immer nur eine
Größe eines komplementären Pärchens von Größen (z.B. Ort und Impuls)
gleichzeitig beliebig genau bestimmen kann. Die Information über die
andere Größe geht dabei umgekehrt proportional verloren.
In jüngster Zeit hat eine Klasse von Experimenten
ergeben, dass diese verschiedenen Erscheinungsformen der Materie
ineinander überführbar sind, das heißt, man kann von einer Form in die
andere schalten und unter bestimmten Bedingungen wieder zurück. Diese
Klasse von Experimenten nennt man Quantenmarker und Quantenradierer.
Sie haben in den letzten Jahren an Atomen und Photonen und seit
jüngstem auch an Elektronen gezeigt, das es ein Nebeneinander von
"Sowohl-als-auch" und "Entweder-oder" für alle Formen der Materie
gibt, also eine Grauzone der Komplementarität. Es gibt demzufolge
experimentell nachweisbare Situationen, in denen die Materie sowohl
als Welle aber auch als Teilchen gleichzeitig in Erscheinung tritt.
Derartige Situationen werden mit einer
Dualitäts-Relation beschrieben, bei der es sich um ein erweitertes
Komplementaritäts-Prinzip der Quantenphysik handelt, das man auch als
Koexistenzprinzip bezeichnen könnte. Es besagt, dass sich die
normalerweise einander ausschließenden Erscheinungsformen der Materie,
wie lokal und nichtlokal, kohärent und nichtkohärent, in einem
bestimmten Übergangsbereich gleichzeitig nachweisen lassen, also
messtechnisch vorhanden sind. Man spricht von teilweiser Lokalisierung
und teilweiser Kohärenz bzw. von teilweiser Sichtbarkeit und
teilweiser Unterscheidbarkeit; Größen, die über die Dualitätsrelation
miteinander verbunden sind. Das Komplementaritäts-Prinzip und damit
der komplementäre Dualismus der Natur wird in diesem Übergangsbereich
also um ein Koexistenzprinzip, d.h. einen parallelen Dualismus
erweitert. Dieser zeigt, das die Natur einen ambivalenteren Charakter
hat, als bisher angenommen. Beispiele dafür sind die
Atom-Interferometrie, wo dieses Verhalten 1997 erstmalig bei Atomen,
d.h. zusammengesetzten Teilchen, gefunden wurde.
In der aktuellen Ausgabe von Nature berichten die
Berliner Max-Planck-Forscher gemeinsam mit Forschern vom California
Institute of Technology in Pasadena/USA nun von molekularen
Doppelspaltexperimenten mit Elektronen, also nicht zusammengesetzten
elementaren Teilchen. Diese beruhen darauf, dass sich Moleküle mit
identischen und damit spiegelsymmetrischen Atomen wie ein von der
Natur aufgebauter mikroskopisch kleiner Doppelspalt verhalten. Dazu
gehört Stickstoff, wo sich jedes Elektron - auch die hochlokalisierten
inneren Elektronen - an beiden Atomen gleichzeitig aufhält. Ionisiert
man nun ein solches Molekül etwa mit weicher Röntgenstrahlung, führt
diese Eigenschaft zu einer kohärenten, also wellenartig streng
gekoppelten Emission eines Elektrons von beiden atomaren Seiten,
genauso wie im Doppelspaltexperiment mit Einzelelektronen.
Die Forscher konnten erstmals den kohärenten
Charakter der Elektronenemission solcher Moleküle analog zum
Doppelspaltexperiment experimentell direkt nachweisen. Dazu haben sie
die innersten und damit am stärksten lokalisierten Elektronen von
Stickstoff aus dem Molekül mittels weicher Röntgenstrahlung gelöst und
ihre Bewegung anschließend in dem Bezugssystem des Moleküls über eine
koinzidente Messung mit den ionischen Molekülfragmenten verfolgt.
Darüber hinaus gelang den Forschern der lange bezweifelte Nachweis,
dass eine Störung der Spiegelsymmetrie dieser Moleküle durch den
Einbau zweier verschieden schwerer Isotope, in unserem Fall N14 und
N15, zu einem teilweisen Verlust der Kohärenz führt, da sich die
Elektronen teilweise an einem der beiden, nun unterscheidbaren Atome,
zu lokalisieren beginnen. Dies entspricht einer teilweisen Markierung
eines der beiden Spalte in einem Young'schen Doppelspaltexperiment.
Man spricht auch von teilweiser "Welcher Weg"-Information, weil die
Markierung Aufschluss darüber gibt, welchen Weg das Elektron genommen
hat.
Die Experimente wurden von Mitarbeitern der
Arbeitsgruppe "Atomphysik" des FHI an den Synchrotronstrahlungslaboren
BESSY in Berlin und HASYLAB bei DESY in Hamburg durchgeführt. Die
Messungen mittels einer Multi-Detektoranordnung für kombinierten
Elektronen- und Ionen-Nachweis fanden hinter so genannten
Undulator-Strahlrohren statt, die weiche Röntgenstrahlung mit hoher
Intensität und spektraler Auflösung liefern.
Die Arbeitsgruppe aus vier Wissenschaftlern und
drei Doktoranden wird neben der Max-Planck-Gesellschaft hauptsächlich
vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der
Förderung ausgewählter Schwerpunkte der naturwissenschaftlichen
Grundlagenforschung gefördert. |
