Interferenz von Laserlicht

Am Doppelspalt zeigt Licht sein Wellengesicht. Die Teilbündel beider Spalte überlagern sich: Wo ihr Gangunterschied ein Vielfaches der Wellenlänge beträgt ($\Delta s = n\lambda$), verstärken sie sich; dazwischen, bei $\Delta s = (n+\tfrac12)\lambda$, löschen sie sich aus. Aus der Streifengeometrie folgt die Wellenlänge, eine Länge von Millionstel Millimetern, gemessen mit Maßband und Lineal. Das Gitter macht daraus ein Präzisionsinstrument.

Dies ist das Entscheidungsexperiment der Optik. Interferenz ist mit Strahlen prinzipiell nicht erklärbar; Youngs Doppelspalt beendete 1802 die Alleinherrschaft der Strahlenoptik. Zugleich zeigt der Versuch ein methodisches Kunststück: Eine unvorstellbar kleine Länge wird über Winkelgeometrie ins Zentimetermaß übersetzt. Und er ist die Grundlage der Spektroskopie, mit der man die chemische Zusammensetzung von Sternen bestimmt.

Thomas Young stellte 1802 mit dem Doppelspalt die Wellennatur des Lichts gegen Newtons Autorität und setzte sich erst Jahrzehnte später durch. Fraunhofer machte mit Gittern aus der Interferenz die Spektralanalyse. Die Quantenphysik gab dem Versuch dann eine zweite Karriere: Auch einzelne Photonen und sogar Elektronen bauen das Streifenmuster auf. Es ist das Experiment, das die Physik zweimal verändert hat.

Beleuchte den Doppelspalt mit dem Laser und beschreibe das Schirmbild in 4 m Entfernung. Decke dann einen der beiden Spalte mit einer Rasierklinge ab und vergleiche: Was passiert an den Stellen der dunklen Streifen?

Die Strahlen-Vorhersage, aufgeschrieben, um sie zu prüfen: Wenn Licht aus geradlinigen Strahlen bestünde, lieferten zwei feine Spalte zwei schmale helle Linien plus etwas Randunschärfe. Und ein zweiter offener Spalt könnte an keiner Stelle weniger Licht erzeugen als einer allein. Mehr Quellen, mehr Licht, immer.

Die Wellen-Vorhersage: Jeder Spalt wird zur Elementarquelle einer Kreiswelle (Wellenwannen-Experiment!), und auf dem Schirm überlagern sich beide. Wo Berg auf Berg trifft, entsteht doppelte Amplitude; wo Berg auf Tal trifft, null. Es müsste also ein ausgedehntes Muster vieler Streifen geben, und an den dunklen Stellen müsste es heller werden, wenn man einen Spalt schließt. Das ist die absurdeste und deshalb beste Testvorhersage der Physikgeschichte.

Den Laser fest aufs Stativ, den Spalt senkrecht stellen, den Raum maximal abdunkeln. Die Abdeck-Gegenprobe ausführen, ohne den Spalthalter zu verschieben.

Laser, Doppelspalt, Schirm; zwei Kreiswellenscharen hinter den Spalten, Verstärkungs- und Auslöschungsrichtungen angedeutet.

Aufbau: Laser (Klasse 2, λ nominell 650 nm), Doppelspalt d = 0,20 mm, Gitter 100 Striche/mm, Schirm (weiße Wand) in 4,00 m bzw. 2,00 m, Maßband, Millimeterpapier-Streifen zum Ankleben, abgedunkelter Raum.

Beobachte und skizziere das Muster (Streifenzahl, Abstände, Helligkeitsverlauf). Markiere die Position zweier dunkler Streifen auf angeklebtem Papier. Decke dann einen Spalt ab, vergleiche das Bild an den Markierungen und wechsle anschließend die Abdeckung.

Die absurde Vorhersage ist eingetreten: An den markierten Stellen wurde es heller, als man eine Lichtquelle wegnahm. Zwei offene Spalte liefern dort weniger Licht als einer. Kein Modell aus addierenden Strahlen überlebt diese Beobachtung. Es braucht Größen, die sich gegenseitig aufheben können, Berge und Täler: Licht ist ein Wellenvorgang. Die dunklen Streifen sind die Orte, an denen die beiden Teilwellen mit einer halben Wellenlänge Versatz ankommen und sich auslöschen. Es ist genau das Muster der Wellenwanne, nur zehntausendfach feiner.

Warum man dafür den Laser braucht: Glühlicht enthält alle Wellenlängen und ständig wechselnde Wellenzüge. Jedes λ legt seine Streifen woandershin, und die Phasenbeziehung zwischen den Spalten schwankt; die Muster verschmieren. Young musste sich 1802 mit Sonnenlicht und Lochblenden quälen, eine experimentelle Meisterleistung. Der Laser liefert eine einzige Wellenlänge in festem Takt (kohärent), und erst damit stehen die Streifen kontrastreich still. Der Laser hat dieses Jahrhundertexperiment zum Schulversuch gemacht.

Das glatte Band der Gegenprobe: Auch der Einzelspalt zeigte kein scharfes Strahlenbild, sondern ein verbreitertes Band: Beugung. Licht läuft hinter engen Öffnungen eben doch „um die Ecke“, die im Lichtausbreitungs-Experiment angekündigte Grenze der Geradlinigkeit. Beide Effekte zusammen formen das Doppelspaltbild: Interferenzstreifen unter einer Beugungs-Einhüllenden, sichtbar am Schwächerwerden nach außen.

Zwei Spalte erzeugen dunkle Zonen, die beim Abdecken eines einzelnen Spalts hell werden. Diese Auslöschung ist mit Strahlen nicht erklärbar: Licht interferiert wie eine Welle. Das Streifenmuster ist der Beweis und zugleich das Messobjekt der nächsten Varianten.

Beim Phänomen-Nachweis zählt die Sauberkeit der Gegenprobe: