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Die geheime Wahl eines Photons: Kann sein Verhalten wirklich erst nach dem Versuchsaufbau bestimmt werden?
Die Tiefen der Quantenphysik stellen oft unser grundlegendes Verständnis der Realität in Frage, wie die Delayed-Choice-Experimente von John Archibald Wheeler in den Jahren 1978 und 1984 zeigen. . Diese Gedankenexperimente verdeutlichen eine Kernidee der Quantentheorie, nämlich dass Photonen während ihres Fluges von ihrem Eintrittspunkt bis zu ihren Endmomenten keine konkrete Substanz verliehen werden sollte.
Diese Experimente schlossen eine Lücke im traditionellen Doppelspaltexperiment und zeigten, dass das Quantenverhalten vom Versuchsaufbau abhängt.
Das Konzept der verzögerten Entscheidung bringt unser Verständnis von Kausalität durcheinander, insbesondere wenn es darum geht, wie ein Lichtphoton „entscheidet“, sich als Teilchen oder Welle fortzubewegen. Frühe Forscher behaupteten, dass Photonen die Versuchsanordnung, durch die sie hindurchgingen, „spüren“ und ihr Verhalten entsprechend anpassen würden.
Wheelers Konzept des Experiments mit verzögerter Entscheidung
Wheelers verzögertes Auswahlexperiment zeigte, dass das Ausbreitungsmodell die Quantentheorie nicht konsistent erklären konnte. In diesem Experiment haben die Photonen zwei gleich große Wege von der Quelle zum Detektor. Der Clou bei diesem Experiment ist, dass die Wahl zwischen den beiden Pfaden bis unmittelbar vor dem Test verzögert wird.
Das Ziel besteht darin, sicherzustellen, dass jedes Teilchen oder jede Welle, die sich durch ein Quantensystem bewegt, zwei unterschiedliche Wege gekreuzt hat, bevor eine Entscheidung über die weitere Vorgehensweise in einem Experiment getroffen wird.
Oder aus der Perspektive eines „kosmischen Interferometers“ stellte sich Wheeler einen Milliarden Lichtjahre entfernten Quasar vor, der Licht durch eine riesige Galaxie krümmt und interferieren lässt. Auf ihrem Weg in Richtung Erde müssen sich Photonen „entscheiden“, ob sie diese massive Galaxie als Teilchen oder als Wellen umrunden und dabei beide Wege gleichzeitig nehmen.
Universum-Version des Experiments
Wenn solche Photonen die Erde erreichen, werden astronomische Beobachtungen das Bild zweier Quasare erkennen, die durch den Gravitationslinseneffekt getrennt sind. Einige Forscher weisen darauf hin, dass ein Photon, wenn es als Teilchen emittiert wird, nur mit einem einzigen Teleskop erkennbar sein sollte. Die Auswahl der Photonen scheint vor Hunderten von Millionen Jahren festgelegt worden zu sein. Forscher haben jedoch begonnen, diesen Aufbau in Frage zu stellen, indem sie die Ausgabe zweier Teleskope in einen Strahlteiler leiteten.
Die Ergebnisse der Beobachtungen dieses Systems waren überraschend: Ein Ausgang zeigte starke Interferenzen, während der andere nahezu null war, was darauf hindeutet, dass die Photonen im Prozess selbstaufhebende Quanteneffekte erfuhren.
Wheeler ging in seinen Überlegungen sogar noch weiter und begann sich zu fragen, ob dies alles bedeutete, dass das Verhalten der Photonen nachvollziehbar und selbstbestimmt sei. Mit anderen Worten: Wenn Astronomen zu einem bestimmten Zeitpunkt einen Strahlteiler anbringen oder entfernen, könnten diese Photonen von vor Millionen von Jahren rückwirkend andere Entscheidungen treffen, was die Fantasie der Menschen beflügelt hat.
Diskussion und Reflexion zum Doppelspaltexperiment
Die Idee der verzögerten Wahl findet sich auch im klassischen Doppelspaltexperiment. Wenn der Aufbau auf dem Verhalten von Photonen basiert, stellt sich die Frage, inwiefern das Licht je nach Detektionsgerät unterschiedlich durch die Doppelspalte gelangt. Verwirrt diese Frage viele Wissenschaftler? Das Doppelspaltexperiment offenbart den Welle-Teilchen-Dualismus und regt zum Nachdenken an: Wie wird aus einem Photon im Moment der „Entscheidung“ eine Welle oder ein Teilchen?
Die vorhersehbaren Ergebnisse des Experiments wurden nicht beeinflusst, unabhängig davon, wann der Detektionsschirm eingefügt oder entfernt wurde, was unser grundlegendes Verständnis von Quantenphänomenen in Frage stellt.
Im Rahmen dieser Herausforderung begannen die Wissenschaftler auch, Bohms Interpretation zu untersuchen, die besagt, dass Photonen oder Elektronen den Gesetzen der klassischen Physik folgen und auf dieser Grundlage vom Quantenpotential beeinflusst werden. Diese Theorie bietet eine andere Perspektive auf den Zusammenhang zwischen Quantenverhalten und Geschichte, steht aber auch vor der Herausforderung, mit der Relativitätstheorie unvereinbar zu sein.
Zukünftige Experimente und Gedanken
Forscher, die sich mit der Entwicklung von Experimenten mit verzögerter Entscheidung auf der Grundlage von Quanteneffekten befassen, haben endlich die Tiefenstruktur der Welle-Teilchen-Dualität enthüllt. Diese experimentellen Untersuchungen erweitern nicht nur unser Verständnis der Quantenwelt, sondern geben auch Anlass, die Rolle der Beobachter zu überdenken. Wie bei den neuesten Delayed-Choice-Experimenten verschwimmen die Grenzen zur klassischen Physik zunehmend und es treten neuartige Phänomene der Welle-Teilchen-Koexistenz auf.
Mit fortschreitenden Experimenten nähert sich die wissenschaftliche Gemeinschaft einer zentralen Frage: Wird das Verhalten der Photonen wirklich von unseren Entscheidungen bestimmt? Vielleicht ist dies alles auf einer tieferen Ebene nur Teil der komplexen Vorgänge in der Natur?
