Doppelspalt-Exp.

Die Illusion der Materie:

 

2. Teilchen entstehen erst durch Beobachtung:

An dieser Stelle muss ich das berühmte Doppelspalt-Experiment erwähnen, das schon 1927 durchgeführt und 1961 mit Elektronen verbessert wurde. Mittlerweile erzielt man auch mit Atomen und Molekülen dieselben Ergebnisse wie mit Elektronen.

Machen wir erst einmal einen Versuch mit Basebällen, die mit einer Wurfmaschine durch zwei Schlitze geschleudert werden. Die Treffer auf der gegenüberliegenden Wand ergeben dann folgendes Bild. Man sieht, dass die Einschläge entsprechend der Spalten angeordnet sind:

 

Quelle: entnommen aus dem Youtube-Video: Doppelspaltexperiment

 

 

 

Nun derselbe Versuch mit Wasserwellen:

 

Quelle: entnommen aus dem Youtube-Video: Doppelspaltexperiment

 

Es entsteht ein Interferenz-Muster, da die Spitze einer Welle jeweils das Ende der anderen Welle auslöscht und dadurch dunkle Muster dazwischen entstehenden. Dies wird "Destruktive Interferenz" genannt, Man kann diese Interferenz auch in einem Teich beobachten, wenn man 2 Kieselsteine gleichzeitig reinwirft. 

 

Nun schießen wir Elektronen, Neutronen, Atome oder Moleküle durch die 2 Spalten. Eigentlich müßten wir die typischen Einschlagsstreifen von Bild 1 erwarten. Aber wir erhalten folgende Anordnunggsstreifen:

 

Quelle: entnommen aus dem Youtube-Video: Doppelspaltexperiment

 

Wir bekommen dasselbe Bild wie bei den Wellen. Überraschend ist, dass die Elementarteilchen nicht nacheinander durch die Spalten gegangen sind - also einzeln, sondern gleichzeitig durch beide Spalten, obwohl immer nur ein Teilchen auf die Spalten geschossen wurde. Jedes Teilchen muss sich also kurz vor den Spalten geteilt haben und beide Teile gleichzeitig durch die Spalten gegangen sein, um auf dem Schirm mit sich selbst zu interferieren.

Dieser Versuch zeigt den Wellencharakter nicht nur der Elementarteilchen, sondern auch der Atome und Moleküle. Satinover, Jeffrey, M.D., Ph.D., Physiklehrer auf der Yale University meint dazu:

Matter is not what we have long thought it to be. To the scientist, matter has always been thought of as sort of the ultimate in that which is static and predictable…. We like to think of space as empty and matter as solid. But in fact, there is essentially nothing to matter whatsoever; it’s completely insubstantial. Take a look at an atom. We think of it as a kind of hard ball. Then we say, ‘Oh, well no, not really…it’s this little tiny point of really dense matter right at the center….’ But then it turns out that that’s not even right. Even the nucleus, which we think of as so dense, pops in and out of existence just as readily as the electrons do.

Materie ist nicht das, was wir lange von ihr geglaubt haben. Für den Wissenschaftler war Materie immer etwas Endgültiges, Unumstößliches, etwas was verlässlich und vorhersagbar war .... Wir belieben zu denken, dass der Raum zwar leer und (nur) Materie fest sei. Aber tatsächlich gibt es eigentlich nichts daran zu rütteln; er ist völlig immateriell. Schau dir das Atom an. Wir glauben hier einen harten Ball vor uns zu haben. Dann sagen wir: "Oh, na gut, nicht wirklich ... es ist nur ein kleiner, winziger Punkt von dichter Materie im Zentrum ..." Aber dann stellt sich heraus, dass auch das nicht richtig ist. Selbst der Kern, von dem wir denken, dass er so dicht ist, springt rein und raus aus der Existenz, gerade so wie es auch die Elektronen tun. (Versuch einer dt. Übersetzung)

 

Die Wissenschaftler richteten in einem weiteren Versuch ein Beobachtungskamera auf den Spalt, um den Augenblick festzuhalten, in dem die Elementarteilchen zu Wellen wurden.

 

Quelle: entnommen aus dem Youtube-Video: Doppelspaltexperiment

 

Überraschenderweise ergab dies nun folgendes Bild:

 

Quelle: entnommen aus dem Youtube-Video: Doppelspaltexperiment

 

Die Beobachtung des Elementarteilchens führt dazu, dass es sich wie ein Teilchen verhält und deshalb nicht durch 2 Spalten gleichzeitig geht, sondern nur jeweils einzeln durch einen Spalt - alternierend entweder den linken oder rechten - wie Teilchen dies eben tun. Hierzu das gesamte o.g. Videos zum besseren Verständnis:

 

 

Zum Vergleich noch dieses Video:

 

 

 


Superposition:

Niemand kann voraussagen, durch welche der beiden Spalten des Schirmes die Quanten fliegen werden, in welcher Höhe sie auftreffen und in welcher Breite, obwohl sie immer wieder von genau derselben Position abgeschossen werden. Sie können nur durch die eine oder andere Spalte gehen oder aber sich teilen und durch beide fliegen. Vor einer Messung sind alle Möglichkeiten möglich, d.h. alle Möglichkeiten und Zustände überlagern sich und enthalten somit alle möglichen Messergebnisse zugleich. Die Quanten sind also in einem Superpositionszustand. Physiker sprechen deshalb von einer Wahrscheinlichkeits-Verteilung. Wahrscheinlichkeitsverteilung bedeutet aber nicht, dass man nicht weiß, wo sich die Teilchen befinden. Denn die Teilchen existieren materiell nicht, sondern sie existieren nur als Welle. Erst bei der Messung sortieren sich die Lichtquanten nach den Gesetzen der Wahrschein- lichkeit.

Das Doppelspaltexperiment zeigt, dass Materie nur dann Materie-Eigenschaften hat, wenn eine Messung oder Beobachtung stattfindet. Liegen keine Informationen über die Teilchen vor, liegen die Teilchen in Superposition vor - also in einem Überlagerungszustand, in denen sich ein Teilchen in mindestens zwei Zuständen gleichzeitig befindet und über verschiedene Orte "delokalisiert" werden kann. Solange uns als Beobachter und Messender keine Information darüber vorliegt, durch welchen Spalt das Teilchen fliegt, zeigt das Teilchen keine Materie-Eigenschaft. Erst wenn uns die Information über das Teilchen durch Beobachtung/Messung vorliegt, verhält es sich wie ein Teilchen. Erst dann wird es zum "Ding". Materie existiert also nicht ohne einen Beobachter bzw. vor der Beobachtung. Schafft Beobachtung also Materie? 

 

"Das Meer von Möglichkeiten" - die "Quantensuppe":

Im gesamten Universum gibt es nur Wellen, die erst im Augenblick der Beobachtung zu Teilchen werden. Das ganze Universum besteht nur aus einem Meer von Energiewellen, einem "Meer von Möglichkeiten", die an allen möglichen Orten im Augenblick der Beobachtung zu Teilchen werden können. Endet die Beobachtung, kehren sie wieder in ihren Wellenzustand zurück. Der Physiker Fred Alan Wolf bezeichnet Teilchen als "augenblickliche und flüchtige Erscheinungen", als plötzlichen "Kollaps der Quanten-Wellen-Funktion".

Durch die Beobachtung kollabiert die Quanten-Wellen-Funktion zu einem Teilchen an einem bestimmten Ort und in einer bestimmten Zeit. Durch den Kollaps werden Ort und Zeit erst erschaffen. Die durch den Kollaps entstandenen Teilchen werden heutzutage allgemein als Quanten bezeichnet. Der Physiker Nick Herbert bezeichnet diese Wellen als eine höchst vieldeutige und "unaufhörlich fließende Quantum-Suppe". In dem Moment, wo wir unseren Blick darauf werfen, gefriert die "Suppe" für einen flüchtigen Moment und lässt die Illusion einer Realität entstehen, um im nächsten Moment, wo wir ihr den Rücken zukehren, wieder in ihren vorigen "Suppen-Zustand" zurückzukehren. Diese Quantum-Suppe wird von Lynn McTaggert als "Feld" bezeichnet, als "Feld aller Möglichkeiten" oder von Dr. Ulrich Warnke als "Meer aller Möglichkeiten". Dr. John Hagelin spricht von einem "Universellem Intelligenz-Feld" - einem "Unified Field", in dem Planeten, Menschen, Tiere und Pflanzen alle nur "Wellen-Schwingungen des Universellen-Feldes" seien. Und Dr F.A. Wolf spricht von unsichtbaren "Gedanken-Wellen", in denen alle Möglichkeiten der Verwirklichung liegen.

 

Das rätselhafte Verhalten der Quanten:

  • Unglaubliches Verhalten:

Quanten verhalten sich unglaublich; dies bestätigen alle Versuche. Selbst für Albert Einstein und den Entdeckern der Quanten drohte nach eigenem Bekunden der Boden unter den Füßen einzustürzen. Niels Bohr sagte einmal: „Wer über die Quantentheorie nicht entsetzt ist, der hat sie möglicherweise nicht verstanden."

 

  • Unschärferelation:

Man kann die Quanten nicht exakt lokalisieren: Daraus resultiert auch die Unschärferelation von Werner Heisenberg. Man kann entweder die Position oder den Impuls oder die Geschwindigkeit, mit der das Elektron auf seiner Bahn um den Atomkern saust, bestimmen, aber nie beides gleichzeitig. „Zu einer bestimmten Anfangszeit könnten wir ein Elektron möglicherweise auf einen winzigen örtlichen Punkt beschränken, aber schon innerhalb weniger Sekunden würde sich das Wellenpaket des Elektrons überallhin ausbreiten.“  (Quelle: Amit Goswami: Das bewusste Universum (Lüchow Verlag, Freiburg 1995) Sobald man eine einzelne Eigenschaft durch eine beobachtete Messung festmacht, verlieren sich die Spuren der anderen Eigenschaften. Wissenschaftler haben z.B. in einem Experiment die Geschwindigkeit des Lichts in einem super gekühlten Vakuum auf etwa 60 Stundenkilometer gedrosselt. Dabei verschwanden aber Aufenthaltsorte und Impulse der Moleküle völlig.

 

  • Wahrscheinlichkeitsverteilung:

Genauso unmöglich ist es bei Quanten den Ort exakt anzugeben, wo das Teilchen anzutreffen ist. Man kann nur gemäß der Wahrscheinlichkeitsverteilung (nach der Heisenbergschen Unschärferelation) multiple Wahrscheinlichkeiten ausrechnen, wo überall das Quant wahrscheinlich anzutreffen ist. "Wenn wir es nicht messen, breitet es sich aus und ist gleichzeitig an mehr als einem Ort vorhanden, genauso wie eine Welle oder Wolke." (Goswami) Elektronen zu beobachten, sagte der Physiker und Philosoph Henry Margenau, sei so, als sähe man Glühwürmchen an einem Sommerabend zu. “Man sieht ein Aufleuchten hier und ein Aufblitzen dort, aber wo sich das Glühwürmchen zwischen den einzelnen Beobachtungen befindet, weiß man nicht. Es ist unmöglich, eine zuverlässige Bahn für das Tierchen festzulegen.“ Wir wissen nicht, was die Quanten machen, wenn wir sie nicht beobachten.

 

  • Quantensprung:

Quantenobjekte haben weiter „die Eigenschaft, dass sie an dem einen Ort zu existieren aufhören und gleichzeitig an einem anderen in Erscheinung treten. Wir können nicht sagen, dass sie den dazwischenliegenden Raum auf normalem Weg durchquerten.“ (Goswami) Beim Quantensprung, wenn ein Elektron durch Energie-Impulse auf die nächsthöhere Bahn innerhalb der Atomhülle springt oder bei Abgabe von Energie zurückspringt, ist das Elektron entweder auf der einen oder anderen Bahn, aber nie auf einem Weg dazwischen. „Das Elektron macht den Sprung, ohne je den Raum zwischen den Sprossen zu passieren. Statt dessen scheint es sich an der einen Sprosse in Nichts aufzulösen und an der anderen wieder aufzutauchen." (Goswami)

 

  • Verschränkung:

Quanten haben einen messbaren Effekt auf andere Quanten, egal wie weit sie entfernt sind - und seien es Lichtjahre. Diesen Effekt nennt man "Verschränkung". Wenn 2 Quanten sich verschränken, dann nimmt jedes einzelne die Information des anderen auf und erhält den gleichen Quantenzustand, wobei aber der Spin umgekehrt ist. Physiker sprechen von einem Spiegelbild des anderen Teilchens. Das eine Teilchen verhält sich exakt zur selben Zeit so, wie sein verschränktes Partnerteilchen - unabhängig von der Entfernung. Dieser Austausch von Information geht gleichzeitig, also außerhalb der Begrenzung durch die Lichtgeschwindigkeit, die von der Relativitätstheorie gefordert wird. Dieses Phänomen der Verschränkung will man jetzt in Computern einsetzen - in sog. Quanten-Computern, die dadurch superschnell würden. 

 

  • Nichtlokalität:

1982 erbrachte ein Team von Wissenschaftlern unter Leitung von Alain Aspect den Beweis für die Nichtlokalität der Quanten. Nichtlokalität bedeutet „eine Beeinflussung oder Kommunikation ohne Austausch von Signalen in der Raumzeit, die infolgedessen ohne zeitliche Verzögerung eintritt". Dieser Informationsaustausch findet sofort, ohne zeitliche Verzögerung statt. Das würde jedoch gegen die Relativitätstheorie verstoßen, denn nichts kann schneller sein als das Licht. Darum sprechen Quantenphysiker hier von Nichtlokalität. In der Quantentheorie sind die beiden Teilchen nicht getrennt sondern "nichtlokal". Soll heißen, dass sich beide Teilchen bis zum Zeitpunkt der Messung an keinem bestimmten Ort aufhalten. Deshalb könne die Kommunikation zwischen den Teilchen sofort erfolgen. "Wie aber ist dann diese momentane, unmittelbare und zeitlose Verbindung zwischen solchen korrellierten Quantenobjekten möglich? Und wo soll die signallose Fernwirkung stattfinden? Die Antwort ist kurz und bündig, nämlich: im transzendenten Bereich der Realität, in der ,Überwirklichkeit’.“ (Goswami) Der Physiker Henry Stapp meint, dass "der fundamentale Prozess der Natur außerhalb der Raumzeit angesiedelt ist, jedoch Ereignisse hervorbringt, die innerhalb der Raumzeit lokalisierbar sind.“ (ibid).

 

  • Zeitunabhängig:

Quanten können in der Zeit zurückgehen und die Vergangenheit verändern: In einem verbesserten Experiment wurde die Beobachtung erst kurz vor dem Aufschlag durchgeführt. Sie waren zuvor schon als Wellen (weil unbeobachtet) durch die Spalte gelangt und wurden kurz vor dem Aufschlag wegen der Beobachtung zu Teilchen. Sie mussten also in der Vergangenheit durch die Spalten zurück zum Emissionsgerät, um von dort wieder als Teilchen geschickt werden zu können und sich einzeln und alternierend aufzusplitten und den typischen Teilchencharakter anzunehmen. Beobachtung kann also den früheren Zustand von Quanten verändern. Quantenphysiker sprechen von einem "Quantenradierer". Dieses "Quantenradierer-Experiment" kann man mit einfachen Mitteln darstellen, wie das nächste Video zeigt. Damit wird nicht nur bewiesen, dass nur Beobachtung und Information die Welle kollabieren lässt, sondern dass auch frühere Quantenzustände durch Beobachtung verändert werden können:

 

 

 

  • Plötzliches Verschwinden:

Einzelne Quanten verschwinden in andere Räume - sind plötzlich weg. Denkbar ist, dass sie in andere Universen, Dimensionen oder die Zukunft verschwinden. Da auch der Mensch aus Quanten besteht, ist es denkbar, dass auch wir in anderen Universen existieren. Eine Theorie besagt, dass jede Entscheidung wie eine Weg-Gabellung wirkt, die uns in ein anderes Universum schickt, um die anderen Entscheidungs-Varianten auszuleben. Jede Beobachtung schaffe mindestens 2 Wellen-Möglichkeiten, die in unterschiedlichen Universen kollabieren.

 

  • Dekohärenz:
Neben der Existenz von Superpositionszuständen belegen die Doppelspalt-Experimente die Empfindlichkeit quantenmechanischer Effekte: Sie sind äußerst fragil und werden durch Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung schnell zerstört. Dieses als Dekohärenz bezeichnete Phänomen ist heute ein integraler Bestandteil der Quantenmechanik. Aus der Schwierigkeit, makroskopische Objekte von ihrer Umgebung abzuschirmen, folgern die meisten Wissenschaftler, dass räumliche Überlagerungen bei massiven Gegenständen nicht möglich sind. Die Quanten-Phänomene der Superposition können bislang nur bei kleinsten, mikroskopischen Teilchen nachgewiesen werden, nicht bei makroskopischen. Gemäß der Kopenhagener Interpretation werden Messgeräte als klassische, nicht quantenmechanisch beschreibbare Systeme definiert. Daher würden in makroskopischen Systemen nur klassische Phänomene auftreten und keine quantenmechanischen Effekte. Zur Zeit finden aber mehrere Versuche in Wien statt, die genau diese Ansicht widerlegen sollen. Im nächsten Kapitel dazu mehr.

 


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Stand: Jan. 2015

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