Effekt krummer Lichtwege soll messbar sein

Schickt man ein Teilchen an einer Quelle los und registriert es anschließend in einem Detektor, so ist es in der Quantenwelt prinzipiell unmöglich zu wissen, welche Orte es dazwischen durchlaufen hat. Diese Idee schlägt sich nieder im sogenannten Pfadintegral – einer alternativen Darstellung der Quantenmechanik, die der Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman 1948 entwickelte. Ein eindrücklicher Nachweis des merkwürdigen Gedankens, dass Teilchen gewissermaßen alle denkbaren Wege simultan gehen, ist schwer zu erbringen. Wissenschaftler um Rahul Sawant vom Raman Research Institute in Bangalore schlagen einen einfachen Versuch vor, der die Existenz verschlungener Lichtwege nachweisen soll. Ihre Berechungen, die in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ nachzulesen sind, stützen den Vorschlag.

Nicht nur Licht, sondern auch einzelne Elektronen können ein Interferenzmuster erzeugen, wenn sie durch einen Doppelspalt laufen. Das Intensitätsmuster aus hellen und dunkeln Streifen ist deutlich zu erkennen.
Interferenzmuster von Elektronen

Viele Lehrbücher führen die Quantenmechanik anhand des Doppelspaltexperiments nach Young ein. Darin trifft Strahlung – etwa Licht oder Materiestrahlung – auf eine Blende mit zwei schmalen, parallelen Spalten und dringt durch diese hindurch. Hinter der Blende misst man, wie die Strahlungsintensität im Raum verteilt ist. Unterscheiden sich der Spaltabstand und die Wellenlänge der Strahlung nicht zu sehr, so beobachtet man hinter der Blende nicht etwa einen nach außen schwächer werdenden Punkt, sondern ein Muster aus abwechselnd hellen und dunklen Streifen.

Nach der Lehrbuchinterpretation liefern genau die beiden Wege – von der Quelle durch den einen beziehungsweise den anderen Spalt zum Detektor – mathematisch einen Beitrag zum Messergebnis. „Diese falsche Vorstellung war lange verbeitet“, kritisiert die Koautorin Urbasi Sinha, ebenfalls vom Raman Research Institute in Bangalore. Denn nach Feynmans Verständnis steuern theoretisch alle denkbaren Wege zum Ergebnis bei. Es müssten zum Beispiel auch solche in die Rechnung einbezogen werden, bei denen das Strahlungsquant den Jupiter dreimal umkreist, bevor es mit einer virtuellen Kopie seiner selbst, die den Jupiter nur zweimal umkreist hat, im Detektor überlagert. Doch je stärker ein Weg vom „Klassischen“ abweicht, desto weniger relevant ist er für den Gesamteffekt. Den Weg mit Station am Jupiter kann man getrost vernachlässigen.

Linien, die durch die drei Spalten einer Blende laufen, deuten Lichtstrahlen an. Einer davon mäandert durch alle drei sukzesive.
Erweitertes Young-Experiment

Sawant und sein Team zeigten durch ihre Berechnungen, dass es nichtklassische Wege gibt, deren Beitrag messbar sein könnte. Sie führten die Rechnungen für eine leicht modifizierte Anordnung des Young-Experiments durch, bei dem drei statt zwei Spalten die Blende aussparten. Andere experimentelle Bedingungen, wie die Wellenlänge der Strahlung, ließen sie als Parameter offen. Der dominanteste unter den exotischen Pfaden wob sich der Reihe nach durch alle drei Spalten. Ein gut messbarer Effekt von verschlungen Pfaden ergebe sich mit Mikrowellenstrahlung. Bei einer Wellenlänge von vier Zentimetern sei die Korrektur nur rund tausendmal schwächer als der größte Detektorausschlag, so die Vorhersage der Autoren.

Diesen Effekt wollen die Forscher bald nachweisen: „Das ist ein Experiment, das zum Beispiel in einem Radioastronomielabor durchgeführt werden kann“. Glückt der Nachweis, ließe das Gedankenexperiment Feynmans gewöhnungsbedürftiges Konzept greifbarer werden. Ferner seien die Rechenmethoden auch auf Fragen der Quantengravitation anwendbar, resümiert das Team.