Ein Doppelspalt – darunter verstanden Physiker bislang eine Wand mit zwei Längsschlitzen, die mit Licht bestrahlt oder mit Teilchen beschossen werden. Es geht aber auch ganz ohne Materie: Physiker stellen in „Nature Photonics“ ein Experiment vor, bei dem zwei extrem intensive, fast parallele Laserstrahlen als „Wand“ dienen. Für einen dritten Laserstrahl, der aus der entgegen gesetzten Richtung kommt, wirken die Brennpunkte der beiden Strahlen dann wie ein Doppelspalt: Auf einem dahinter aufgestellten Schirm ist das charakteristische Interferenzbild mit hellen und dunklen Steifen zu sehen.
Das Doppelspalt-Experiment, ein Klassiker unter den physikalischen Experimenten, ist auf viele verschiedene Arten möglich: mit Licht, mit Elektronen, mit Neutronen, mit Fullerenen und so weiter. Eines haben bislang alle Varianten gemeinsam: Materie ist im Spiel. Sei es weil die Versuchsobjekte aus Materie sind, beispielsweise Neutronen oder Fulleren-Moleküle, sei es, weil die Versuchsaufbauten aus Materie bestehen, wie beispielsweise beim klassischen Doppelspalt-Experiment mit einer Wand mit zwei Längsschlitzen, die mit Licht bestrahlt oder mit Teilchen beschossen wird.
Physiker um Antonino Di Piazza und Christoph H. Keitel vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik schlagen jetzt etwas Neues vor: ein materieloses Doppelspaltexperiment. Den Doppelspalt bilden hier zwei ultra-intensive Laserstrahlen, die von zwei Linsen auf fast den gleichen Fleck fokussiert werden. In entgegen gesetzter Richtung wird zudem ein Prüf-Laser eingestrahlt. Im klassischen Doppelspalt-Experiment hat ein Photon aus dem Laserstrahl die Wahl, ob es durch die rechte oder linke Öffnung hindurchgeht. Diese Wahlmöglichkeit bewirkt, dass sich hinter dem Doppelspalt ein streifenförmiges Interferenzbild ausbildet.
Quantenfluktuation erzeugt Wechselwirkung
In dem Experiment, das die Physiker vorschlagen, hat ein Photon aus dem Prüf-Laser die Wahl, mit welchem der beiden ultra-intensiven Laserstrahlen es in Wechselwirkung tritt. Entscheidend ist, dass die Photonen überhaupt miteinander in Wechselwirkung treten. Das tun sie mithilfe sogenannter Quantenfluktuationen im Vakuum: Das Vakuum ist nämlich nicht leer; ständig entstehen Paare aus virtuellen Teilchen und ihren Antiteilchen, beispielsweise virtuelle Elektronen und virtuelle Positronen. Nach der unvorstellbar kurzen Zeit von 10 hoch -21 Sekunden zerfallen die virtuellen Paare wieder.
Wenn ein virtuelles Elektron-Positron-Paar entsteht, absorbiert es zwei Photonen: eines von dem Prüf-Laser und eines von einem der beiden ultra-intensiven Laser. Sobald das Paar wieder zerfällt, emittiert es wieder zwei Photonen – in einer anderen Richtung als der ursprünglichen: Nachdem der Prüfstrahl mit den ultra-intensiven Lasern zusammengetroffen ist, wird er von einem Schirm aufgefangen. Eine Simulation der Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Kernphysik zeigt: Auf dem Schirm ist das charakteristische Interferenzbild eines Doppelspalts zu sehen- helle und dunkle Streifen, und die Minima und Maxima in der Helligkeitsverteilung liegen genau dort, wo es nach der klassischen Formel zu erwarten ist.
Laser für Realisierung noch in der Entwicklung
Die Realisierung des Experiments steht noch aus, da bislang keine ausreichend intensiven Laser zur Verfügung stehen. Das dürfte sich jedoch in absehbarer Zeit ändern, wenn in einem europäischen und einem britischen Projekt zwei Laser mit genügend hohen Intensitäten gebaut werden.
Mithilfe des materielosen Doppelspalts wollen die Physiker dann zweierlei untersuchen: Das Elektron und das Positron, die an der Quantenfluktuation beteiligt sind, sind zwar virtuell, sie hinterlassen keine Spuren. Die Photonen, die dann abgestrahlt werden, sind jedoch real, sie können von einem Schirm aufgefangen werden.
„Es gibt bereits Hinweise, dass virtuelle Photonen im Vakuum miteinander wechselwirken. Wir möchten jedoch mit dem Experiment beweisen, dass auch reale Photonen im Vakuum miteinander wechselwirken“, sagt Antonino Di Piazza. „Wir eröffnen die Möglichkeit, Licht mit Licht zu kontrollieren.“ Außerdem wollen die Forscher etwas über die Struktur des Quantenvakuums, also des Vakuums mit den Quantenfluktuationen herausfinden.
(Max-Planck-Gesellschaft, 12.01.2010 – NPO)
