Interferenz eines Photons mit sich selber

Mit ein bisschen mehr Aufwand, als das in der Schule normalerweise möglich ist, kann man tatsächlich das Doppelspaltexperiment auch mit einzelnen Lichtteilchen, Photonen, machen. Ich zeige dir hier ein Experiment, welches an der Universität Bonn vor kurzem aufgebaut wurde:

Auf dem Foto siehst du links ein kleines schwarzes Stäbchen; das ist die Lichtquelle, hier aus praktischen Gründen ein Laserpointer. Der Lichtstrahl läuft nach rechts und wird mit geschwärzten Glasplatten so stark abgeschwächt, dass sich im Mittel immer nur ein einzelnes Lichtteilchen auf den Doppelspalt (der besteht aus einem schwarzen Dia mit zwei durchsichtigen Streifen, je 0,1 mm breit und 0,25 mm auseinander) zu bewegt, genau wie in der Simulation für Elektronen.

Auf der Skizze sieht es ja so aus, als würden die einzelnen Teilchen einfach mit einer Videokamera aufgenommen. Mich wundert, dass das so einfach gehen soll! Mit unserer Videokamera zuhause kann man ja schon bei schummriger Beleuchtung nichts mehr aufnehmen, und hier soll das sogar mit einzelnen Lichtteilchen gehen?

Na ja, das ist nicht irgendeine Videokamera, sondern eine ganz besonders empfindliche (und teure!), die einen so genannten Bildverstärker besitzt, eine Art Nachtsichtgerät (so etwas kennst du vielleicht aus manchen Nachtszenen in Actionfilmen, wo die entsprechenden Bilder dann grünlich aussehen). Überraschenderweise ist es gar nicht so schwer, ein Kamerasystem zu bauen, welches das Eintreffen einzelner Lichtteilchen registrieren kann. Die Hauptschwierigkeit ist, ein System zu bauen, bei dem vor lauter Empfindlichkeit nicht auch schon irrtümlich ein Signal entsteht, obwohl gar kein Lichtteilchen angekommen ist. Solche "Fehlstarts" würden natürlich das Beugungsbild völlig verwaschen.

Sehen deshalb auch die Bilder, die mit Nachtsichtgeräten aufgenommen werden, immer so körnig aus?

Genau. Aber schauen wir uns einfach mal an, was die Kamera in diesem Experiment wirklich sieht. Hier sind 100 Einzelbilder für jeweils eine 50stel Sekunde lang belichtet und anschließend zu einem kleinen Film zusammenmontiert worden (der Film läuft verlangsamt ab, damit man's besser sieht):

Jedes der weißen Pünktchen entspricht einem einzelnen auftreffenden Lichtteilchen.

Das liegt daran, dass in einer 50stel Sekunde einfach zu wenige Lichtteilchen ankommen, um ein klares Bild zu ergeben. Das ist genau wie in der Simulation, wo man ja auch etwas warten muss.

Im nächsten Film ist nun einfach jedes Einzelbild zur Überlagerung der vorherigen Bilder dazu addiert worden. Das erste Bild entspricht also 1/50 Sekunde Belichtungszeit, das zweite 2/50 s, das dritte 3/50 s, usw., bis zum letzten Bild mit insgesamt 2 s. Damit man's besser sieht, ist der Film etwas verlangsamt, genau wie vorher auch:

Jetzt kann man direkt zusehen, wie das Beugungsbild entsteht! Licht breitet sich also wie eine Welle aus, wird aber als Teilchen nachgewiesen.

Aber warum sehe ich nicht auch bei einer normalen Videokamera, wie sich das Bild langsam zusammensetzt?

Weil selbst bei schummriger Beleuchtung in jedem Sekundenbruchteil immer noch so enorm viele Lichtteilchen auftreffen, dass das Bild praktisch sofort da ist.