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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Das schönste physikalische Experiment aller Zeiten |
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| | | In einer Umfrage des Organs der englischen physikalischen Gesellschaft "Physics World" nach dem schönsten Experiment aller Zeiten, kam der Versuch des Tübinger Physikers Claus Jönsson auf den ersten Platz: Er konnte 1961 erstmals die Interferenz von Elektronen am Doppelspalt experimentell nachweisen. |
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Damit wurde Jönssons Experiment von den mehr als 200 Physikern, die sich an der von Robert P. Crease initiierten Umfrage beteiligten, häufiger als schönstes Experiment genannt als etwa das von Galilei über den freien Fall (um 1620).
Es rangiert auch vor dem Experiment von Newton über die Spektralzerlegung des Sonnenlichtes (um 1665) und selbst vor der Bestimmung des Erdumfangs durch Eratosthenes 300 v. Chr. in Alexandria, so eine Aussendung der Universität Tübingen.
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Die Top Fünf der schönsten Experimente
1 Jönssons Doppelspaltexperiment mit Elektronen (1961)
2 Galileis Experiment über den freien Fall (um 1620)
3 Milikans Öltropfenversuch (1909)
4 Newtons Spektralzerlegung des Lichts (1665-66)
5 Youngs Experiment zur Interferenz des Lichts (1801) |
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 Die Original-Rangliste in "physicsweb" |
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Ein Schlüsselexperiment der Quantenmechanik |
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Bei dem Experiment zur Interferenz von Elektronen am Doppelspalt, das Jönsson am Institut für Angewandte Physik der Universität Tübingen bei Gottfried Möllenstedt als Doktorarbeit durchführte, geht es um ein Schlüsselexperiment der Quantenmechanik.
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Quantenmechanik: Dualismus von Welle und Teilchen
Interferenz bedeutet die Überlagerung von zwei oder mehr Wellensystemen. Diese entsteht z.B., wenn Wellen durch zwei kleine Öffnungen (den sog.Doppelspalt) geschickt werden.
Nach den theoretischen Vorstellungen der Quantenmechanik muss ein mit Masse behaftetes Teilchen wie das Elektron genau wie das Licht nicht nur Teilchen, sondern auch Welleneigenschaften haben. Diese Welleneigenschaften regeln die "Aufenthaltswahrscheinlichkeit" des Teilchens, u.a. wo es in einer Nachweiseinrichtung, z.B. einer Fotoplatte landen wird. Sie unterliegen denselben Interferenzgesetzen, wie sie bei der Interferenz von Lichtwellen am Doppelspalt bestehen. |
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Ein "schöner" Nachweis |
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Insofern ist das Doppelspalt-Interferenz-Experiment mit Elektronenstrahlen ein direkter Nachweis für die "Richtigkeit" der Quantenmechanik und die Folgerungen, die man daraus zu ziehen hat, nachdem es schon lange vorher indirekte Nachweise dafür gegeben hat.
Das Experiment hat deshalb keine neuen quantenmechanischen Erkenntnisse gebracht, sondern musste wegen seiner philosophischen und pädagogischen Bedeutung, d. h. letzten Endes wegen seiner "Schönheit" gemacht werden.
Vor seiner Realisierung behalfen sich die Physiker mit einem "Gedankenexperiment" dieser Art zur Demonstration des anschaulich nur schwer vorstellbaren Welle-Teilchendualismus nicht nur von Licht, sondern auch von Teilchenstrahlen.
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Der Experimentator
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Claus Jönsson
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Irrige Annahme: Spalten, klein wie Lichtwellen, nötig
Namhafte Physiker waren der Ansicht, dass sich dieses Experiment wegen der extrem kurzen Wellenlänge von Elektronenstrahlen grundsätzlich nicht realisieren lasse. Sie waren bei diesem Urteil der irrigen Meinung, dass die Spaltdimensionen in der Größenordnung der beim Experiment verwendeten Wellenlänge liegen müssten, wie es bei lichtoptischen Versuchen normalerweise der Fall ist.
Es kommt aber nicht auf deren Größe an, sondern darauf, sie "kohärent" auszuleuchten und die dann unter Umständen sehr feine Interferenzerscheinung so stark nachzuvergrößern, dass sie z.B. auf einer Fotoplatte registriert werden kann. |
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Wichtige Vorarbeiten |
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Letzteres war Jönsson bekannt, als er 1957 dieses Experiment begann, denn kurz vorher wurde am Institut ein anderes wichtiges Elektroneninterferenz-Experiment mit derselben Problematik, die Erzeugung so genannter elektronenoptischer Biprisma-Interferenzen, von Möllenstedt und Düker realisiert.
Sie konnten dabei zeigen, dass man mit den damaligen elektronenoptischen Mitteln am Ort des Biprismas ein Gebiet von etwa 1/100 mm Breite kohärent ausleuchten konnte
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Ein Pionierwerk der Nanotechnologie |
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Jönsson stand damit vor der Aufgabe, so feine Spalten in einer freitragenden Metallfolie herzustellen, dass sie auf diesem Gebiet untergebracht werden konnten. Dies gelang ihm mit Hilfe galvanischer Methoden.
Er erreichte Spaltbreiten und Spaltabstände von unter 1/1000 mm und drang damit in ein Gebiet vor, das man heute mit "Nano-Technologie" bezeichnet. Solche Spalten, an Stelle eines Biprismas in ein elektronenoptisches Interferenzgerät gebracht, führten dann zur Beobachtung von elektronenoptischen Zwei- und Mehrspaltinterferenzen.
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Das Experiment
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Das Bild von Interferenzen mit Elektronen.
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Klassiker der Wissenschaftsgeschichte |
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Jönsson veröffentlichte seine Ergebnisse 1961 in der deutschsprachigen "Zeitschrift für Physik". Die Arbeit wurde 13 Jahre später auf englisch im "American Journal of Physics" nachgedruckt und wird seitdem weltweit in allen Lehrbüchern über Physik oder Quantenmechanik erwähnt.
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Dennoch: Jönsson war Fachleuten unbekannt |
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Dennoch war bei der Abstimmung in England über das schönste Experiment keinem der Beteiligten bekannt, wer mit diesem Experiment in Verbindung zu bringen ist. Erst als das Ergebnis der Abstimmung vorlag, setzte eine entsprechende Suche ein, die dann nach Tübingen führte.
Auf ihre Leserumfrage im Mai 2002, die jetzt im Septemberheft veröffentlicht wurde, erhielt die Zeitschrift Physics World mehr als 200 Vorschläge zur Wahl des schönsten Experiments. Dabei wurde das Experiment zur Elektroneninterferenz häufiger genannt als jedes andere.
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Was bedeutet "Schön" in der Physik?
Als Begründung, warum ein Experiment als schön empfunden wird, wurden verschiedene Punkte angeführt: Das Experiment sollte Denken und Verhalten ändern, die Physik anschaulich und nachvollziehbar machen, oder der Versuchsaufbau sollte das Ergebnis möglichst effizient erreichbar machen.
Das Doppelspaltexperiment mit Elektronen vereint die meisten Aspekte von Schönheit, die von den Lesern erwähnt wurden, in sich: Es trägt dazu bei, die Sicht der Welt grundlegend zu verändern indem es auch den hartgesottensten Skeptiker von der Richtigkeit der Quantenmechanik überzeugen kann. Außerdem war die Ausstattung für das Experiment relativ einfach und billig und das Versuchskonzept verständlich. |
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01.01.2010 |
