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Quanteninterferenz 07:57 min

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Transkript Quanteninterferenz

Hallo, mein Name ist Lukas und in diesem Video erkläre ich euch den äußerst mysteriöser Effekt der sogenannten Quanteninterferenz. Um dieses Video zu verstehen, solltest du wissen, was Interferenz überhaupt ist. Außerdem solltest du da das Video Verhalten von Quantenobjekten gesehen haben und etwas über den Welle-Teilchen-Dualismus gehört haben. Außerdem solltest du dir im Klaren sein, dass obwohl die Quantenphysik für den menschlichen Verstand überhaupt keinen Sinn ergibt, sie trotzdem die bislang erfolgreichste Beschreibung von Naturphänomenen ist, die jemals erdacht worden ist. Der Nobelpreisträger Richard Feynman, von dem ich übrigens großer Fan bin, sagte einmal: „Das Doppelspaltexperiment birgt das Herz der Quantenmechanik.“ Und deshalb werde ich diesen seltsamen Effekt der Quanteninterferenz auch am Doppelspalt erklären. Wobei hier erklären eigentlich das falsche Wort ist. Erklären lässt sich dieser Effekt nämlich gar nicht zufriedenstellend. Aber ich werde mein Bestes geben, ihn so gut wie es geht, zu beschreiben. Damit ihr erkennt, warum wir ihn nicht erklären können. Nun zum Inhalt dieses Videos. Zuerst werde ich beschreiben, was passiert, wenn man das Experiment mit Murmeln durchführt. Danach mit Wasserwellen. Und anschließend mit Quantenobjekten. Danach gebe ich euch eine mögliche Interpretation der sogenannten Kopenhagener Deutung. Los geht es. Wir haben hier eine Murmelkanone. Und ballern damit auf eine Wand mit erstmal nur einem Schlitz. Wie erwartet, gibt es auf dem Schirm einen Streifen auf der Höhe des Schlitzes. So. Nun machen wir einen zweiten Schlitz in die Wand. Und nachdem wir eine Weile mit Murmeln darauf gefeuert haben, sehen wir zwei Streifen auf dem Schirm, auf denen die Murmeln ankommen. Soweit klar. Jetzt machen wir das Ganze mit Wasserwellen. Erstmal schicken wir Wasserwellen auf einen einzelnen Schlitz. Die Wellen werden gebeugt und wir sehen einen Streifen auf dem Schirm, mit einem Intensitätsmaximum auf der Höhe des Schlitzes. Ähnlich wie bei den Murmeln. Jetzt lassen wir die Wasserwellen auf zwei Schlitze los. Jeder der beiden Schlitze agiert jetzt wie eine punktförmige Quelle von Wellen. Und wenn ein Wellental auf einen Wellenberg trifft, heben sich die Wellen auf. Dies erzeugt ein sogenanntes Interferenzmuster auf dem Schirm. Jetzt lass uns in die Quantenwelt eintauchen. Dieser Versuch wurde bereits mit Photonen, Elektronen, Neutronen, Atomen und sogar riesigen Molekülen erfolgreich durchgeführt. Und aus diesem Grund, werde ich mich nicht auf eine dieser Objekte beschränken, sondern werde sie einfach alle Quantenobjekte nennen. Also, wir nehmen eine Kanone mit Quantenobjekten und schießen sie auf einen einzelnen Schlitz. Wie bei den Murmeln ergibt sich einfach ein Streifen auf der Höhe des Schlitzes. So, und jetzt nehmen wir den zweiten Schlitz dazu und wiederholen das Experiment. Dann schauen wir uns den Schirm von vorne an und sehen Streifen. Was ist denn hier passiert? Wie kann das sein, dass an Stellen, an denen bei einem Schlitz Quantenobjekte auftrafen, durch das Hinzufügen eines weiteren Schlitzes, plötzlich keine mehr auftreffen? Ganz klar, da ist eine Art von Interferenz im Spiel. Aber interferieren die Quantenobjekte miteinander? Oder interferiert jedes Quantenobjekt für sich mit sich selbst? Oder was genau passiert hier eigentlich? Okay, wir könnten jetzt eventuell denken, ja, die Quantenobjekte, die stoßen sich irgendwie kompliziert voneinander ab und erzeugen dadurch so ein Muster. Um das auszuschließen, schießen wir jetzt einfach immer nur ein Quantenobjekt zur gleichen Zeit durch die Schlitze. Und nach langem Warten, sehen wir überraschenderweise dieselben Interferenzmuster wie vorhin. Was hat denn das zu bedeuten? Um es kurz in Worten zusammenzufassen, wie das für den menschlichen Verstand aussieht. Das Quantenobjekt verlässt die Kanone als einzelnes Teilchen. Verwandelt sich dann in eine Welle. Geht durch beide Schlitze gleichzeitig. Und interferiert dann mit sich selbst, um sich auf dem Schirm wieder in ein Teilchen zu verwandeln. Was zum Henker geht hier denn vor? Das dachten sich auch die Physiker und sagten: „Aha, ja sowas. Wir sind jetzt aber schlauer als die Natur. Wir schauen jetzt einfach mal hin, durch welchen Schlitz das Quantenobjekt geht. Ha. Mit dem Detektor an den Schlitzen machen wir das Experiment nochmal.“ Und was passiert? Zack. Das Interferenzmuster verschwindet. Und anstelle des Interferenzmusters ergibt sich ein Muster, das sich auch ergeben würde, wenn wir, statt den zwei Spalten, jeweils eine Quantenkanone hätten. Allein durch den Akt des Beobachtens, verwandelt sich das Quantenobjekt von einer Welle, wieder in ein Teilchen. Es sieht so aus, als ob Quantenobjekte sich wie Wellen verhalten, wenn man nicht hinschaut. Und sich wie Teilchen verhalten, wenn man hinschaut. In der Quantenphysik gibt es mehrere Möglichkeiten dieses Phänomen zu deuten. Die Prominenteste ist die sogenannte Kopenhagener Deutung. Diese werde ich jetzt kurz erklären. Die Möglichkeit ein Teilchen zu messen, obwohl ich nicht messe, hat Wellencharakter. Diese Möglichkeit nimmt nun auch alle möglichen Wege. Und zwar gleichzeitig. Das nennt man in der Quantenphysik eine Superposition. Eine Überlagerung. Das Teilchen befindet sich in einer Superposition zwischen „es ist durch den linken Spalt“ und „es ist durch den rechten Spalt geflogen“. Diese beiden Möglichkeiten interferieren jetzt wie Wellen und bilden das Interferenzmuster. Wobei das Interferenzmuster die Wahrscheinlichkeit, das Teilchen an einen bestimmten Ort zu detektieren, angibt. Denn wie Ihr wisst, kommt das Teilchen als ein Klick an den Detektor an. Und ist bei einer Messung genau ein Teilchen mit einem bestimmten Ort. Diesen Vorgang nennt man dann Kollaps der Wellenfunktion. Wobei die Wellenfunktion unter anderem die Information über die Wahrscheinlichkeit, das Quantenobjekt an einem bestimmten Ort zu finden, für jeden Ort im Universum enthält. Ganz kurz vor der Messung ist das Teilchen mit der Wahrscheinlichkeitsverteilung, die durch das Interferenzmuster gegeben ist, an vielen Orten gleichzeitig. Die Messung selber zwingt das Teilchen dann, sich für einen Ort zu entscheiden. Und zack, ist die Wellenfunktion, die vorher mehrere Orte zugelassen hat, auf einen einzigen Ort, mit hundert Prozent Wahrscheinlichkeit kollabiert. Das Gleiche passiert, wenn wir das Teilchen durch Hinschauen zwingen, sich schon vor den Spalten zu entscheiden, durch welchen Spalt es fliegen will. Dann kollabiert die Wellenfunktion schon vor den Spalten auf einen der beiden Spalte. Und es kann nicht mehr mit sich selbst interferieren. Und das Interferenzmuster verschwindet. Und nun eine kurze Zusammenfassung, was wir heute gelernt haben: Quantenobjekte sind weder Welle noch Teilchen, weisen aber beide Eigenschaften auf. Quantenobjekte interferieren nur dann mit sich selbst, wenn es prinzipiell nicht möglich ist, zu wissen, welchen Weg sie nehmen. Das Intensitätsmuster auf dem Schirm gibt die Detektionswahrscheinlichkeit eines einzigen Teilchens in Abhängigkeit vom Ort an. Teilchen, weil wir immer nur Teilchen detektieren können. Diese Detektionswahrscheinlichkeit lässt sich mit Hilfe der Quantenmechanik berechnen. Und damit bedanke ich mich und bis zum nächsten Mal. Tschüss.

2 Kommentare
  1. Hallo Andre!
    danke fuer das Lob!
    Was meinst du damit, dass der Inhalt eine Diskussion nicht zulaesst?
    Du hast Recht, dieser Versuch war mit Sicherheit einer der wichtigsten in der Geschichte der Physik, insbesondere der Quantenphysik.

    Zu deiner Frage: Meines Wissens ist das hier der bishere Rekord:
    http://www.nature.com/ncomms/journal/v2/n4/abs/ncomms1263.html

    Dort bringen Physiker in Wien unter der Leitung von Markus Arndt
    Riesenmolekuele die aus bis zu 430 Atomen bestehen erfolgreich zur Selbstinterferenz.
    Das ist sehr beeindruckend meiner Meinung nach.

    Zu deiner Aussage "Denn irgendwann ist ja mal Schluss und es gelten wieder die Gesetze der Makrowelt":
    Ich gehe mal davon aus, dass du dich auf die Groesse der Teilchen beziehst.

    Das ist bist heute ein kontroverses Thema. Die "Grenze" ist bis heute noch nicht gefunden worden. Solang man Dekohaerenz in den Griff bekommt spielt die Groesse der betrachteten Systeme keine Rolle. Je groesser die Systeme werden desto schwerer ist es sie gut von der Umgebung zu schuetzen. Theoretisch gibt es dort aber keine Grenze.

    Viele Gruesse und ich hoffe ich konnte helfen!

    Von Lukas Neumeier, vor fast 6 Jahren
  2. Hallo Lukas,

    sehr schön animiert.
    Der Inhalt lässt hier leider eine (bestimmt sehr ersprießliche) Diskussion nicht zu.
    Vielleicht sollte man noch hervorheben, dass der Interferenzversuch gewissermaßen die treibende Kraft für die Entwicklung der Quantentheorie gewesen ist.
    Interessiert hat mich vor allem die Aussage über große Teilchen ("Riesenmoleküle"). Denn irgendwann ist ja mal Schluss und es gelten wieder die Gesetze der Makrowelt. Von welchen Teilchen sprichst du da?
    Viele Grüße

    Von André Otto, vor fast 6 Jahren

Quanteninterferenz Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Quanteninterferenz kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe die Interferenz.

    Tipps

    „Destruktiv" bedeutet soviel wie zerstörerisch.

    Lösung

    Oft betrachten wir interferierende Wellen. Betrachten wir den Doppelspalt im Wellenbild, so beschäftigen wir uns ebenfalls mit destruktiver und konstruktiver Interferenz.

    Wenn sich zwei Wellen überlagern, dann verändert sich ihre Amplitude. Verstärken sich die Amplituden, nennt man dies konstruktiv, löschen sie sich gegenseitig aus, heißt das destruktiv.

    Sind Amplitude, Frequenz und Phase der Wellen gleich, so verändern sie sich gegenseitig nicht.

  • Nenne Objekte mit denen das Doppelspaltexperiment durchgeführt werden kann.

    Tipps

    Das Experiment funktioniert mit allen Quantenobjekten.

    Lösung

    Das Doppelspaltexperiment soll den Welle-Teilchen-Dualismus veranschaulichen. Dieser gilt nur für Quantenobjekte. Zu diesen gehören unter anderem Photonen, Elektronen, Neutronen, Protonen, Atome, Moleküle.

    Murmeln und Blütenpollen gehören allerdings nicht dazu. Sie bestehen aus sehr vielen Molekülen bzw. Atomen. In dieser Menge und Bindung verhalten sie sich wie klassische, mechanische Objekte.

  • Beschreibe den Welle-Teilchen Dualismus.

    Tipps

    Stelle dir dazu reale Beispiele wie Wasserwellen vor.

    Lösung

    Der Welle-Teilchen-Dualismus ist eine wichtige Entdeckung der Quantenphysik. Sie sagt aus, dass Quantenobjekte sowohl Eigenschaften von klassischen Teilchen als auch von Wellen haben können.

    Das Verrückte dabei ist, dass sich die Welle im Raum ausbreitet, und das Teilchen zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort ist.

    Aber wo steckt das Objekt denn dann? Genau damit beschäftigt sich das Doppelspaltexperiment.

  • Ordne die Interferenzmuster den Spaltabständen zu.

    Tipps

    Bedenke, dass Beugung eine große Rolle am Spalt spielt.

    Lösung

    Die Abstände der gemessenen Maxima können direkt Aufschluss über die Spaltbreite geben.

    Macht man den Spalt enger, gehen die Maxima weiter auseinander. Allerdings verändert auch die Wellenlänge die Abstände der Maxima.

    Macht man den Spalt aber zu eng, kommt gar nichts mehr durch, und der Schirm bleibt schwarz.

    Klarer wird dies, wenn man sich die Beugung am Gitter ansieht. Maxima entstehen dann bei größeren Winkeln am Spalt, wenn der Spalt enger oder die Wellenlänge größer wird.

  • Ordne die Schirmbilder den Experimenten zu.

    Tipps

    Überlege dir, für welche Objekte der Welle-Teilchen-Dualismus gilt.

    Lösung

    Verschiedene Objekte oder Wellen werden auf den Doppel- oder Einfachspalt „geworfen". Doch nur die Quantenobjekte, also Elektronen, Protonen usw., legen ein besonderes Verhalten an den Tag. Denn schießt man sie auf den Doppelspalt, dann bilden sich auch neben den Spalten Häufungspunkte. Klassisch wie bei dem Bild mit den blauen Murmeln gäbe es nur 2 Häufungsstreifen hinter den Spalten.

    Was auffällt: Die Verteilung des Wellenbildes sieht genauso aus wie die des Quantenbildes. Die Häufungsverteilung ist bei Quanten also wie bei einer Welle, obwohl einzelne Teilchen detektiert werden.

  • Erkläre die Kopenhagener Deutung.

    Tipps

    Denke noch einmal an die Eigenschaften von Wellen und Teilchen, und versuche dadurch herauszufinden, wann sich das Objekt als was verhält.

    Lösung

    Das Doppelspaltexperiment ist schwer zu erklären. Dabei hilft aber die Kopenhagener Deutung.

    Die Kopenhagener Deutung des Doppelspaltexperiments besagt, dass die Möglichkeit, ein Teilchen vor dem Spalt zu messen, Wellencharakter hat.

    Dies bedeutet, dass das Objekt dann auch beide möglichen Wege (Spalte) nimmt, und zwar gleichzeitig. Diese beiden Möglichkeiten interferieren dann miteinander wie Wellen. Das daraus entstehende Interferenzmuster gibt dann die Wahrscheinlichkeit dafür an, wo das Objekt als Teilchen auf den Schirm trifft. Das nennt man Kollaps der Wellenfunktion.

    Aus einer Wahrscheinlichkeitsverteilung wird nach dem Kollaps ein konkreter gemessener Ort mit der Aufenthaltswahrscheinlichkeit 100%.