Youngs Doppelspaltversuch

Lässt man Licht durch zwei feine, dicht benachbarte Spalte auf eine Wand fallen, erwartet man zwei helle Striche. Stattdessen erscheint ein ganzes Band aus hellen und dunklen Streifen, und an den dunklen Stellen kommt gerade dort weniger Licht an, wo doch beide Spalte hinleuchten. Dieses Muster ist mit einem Teilchenbild des Lichts nicht zu erklären, mit einem Wellenbild dagegen zwanglos: Zwei Wellenzüge können sich verstärken oder auslöschen, je nachdem, wie sie aufeinandertreffen. Der Versuch entschied damit eine der ältesten Fragen der Physik: Licht verhält sich wie eine Welle.

Um 1800 galt die Frage nach der Natur des Lichts als beantwortet, und zwar durch Autorität: Newton hatte im Opticks ein Teilchenbild entworfen, und ein Jahrhundert Physik war ihm gefolgt, während Huygens' Wellentheorie als Außenseiterposition überwinterte. Young stellte die Frage neu, und er stellte sie als Messfrage: Gibt es eine Beobachtung, die nur eines der beiden Bilder erklären kann? Die Auslöschung von Licht durch Licht ist genau so eine Beobachtung. Der Versuch steht deshalb doppelt in der Geschichte: als Entscheidung über die Natur des Lichts und als Lehrstück darüber, dass in der Physik das Experiment über die Autorität siegt, auch wenn es Jahrzehnte dauert.

Stelle einen Doppelspalt selbst her (gerußter oder geschwärzter Objektträger, zwei parallele Ritzstriche), beleuchte ihn mit dem Laserpointer und beobachte das Bild an einer mehrere Meter entfernten Wand. Prüfe anschließend wie Young: Was ändert sich, wenn einer der beiden Spalte abgedeckt wird, und wie ist das Muster im Wellenbild zu deuten?

Was ist zu erwarten? Im Teilchenbild wäre die Sache einfach: Jeder Spalt lässt einen Lichtstreifen durch, auf der Wand erscheinen zwei helle Striche (oder, bei so feinen Spalten, zwei verwaschene Flecken). Mehr Licht durch zwei Spalte als durch einen, an jeder Stelle.

Im Wellenbild sieht die Vorhersage anders aus: Hinter beiden Spalten breiten sich Teilwellen aus, die sich auf der Wand überlagern. Zu jedem Wandpunkt sind die beiden Wege verschieden lang; je nach Gangunterschied verstärken sich die Wellen dort oder löschen sich aus. Erwartet wird ein ganzes Band gleichmäßig liegender heller und dunkler Streifen, auch an Stellen, die im Teilchenbild hell sein müssten.

Die beiden Bilder sagen also verschieden voraus, und genau deshalb lohnt der Versuch.

Die Geräteliste des Grundaufbaus gilt vollständig. Beim Spaltbau lohnt Sorgfalt: Die Rußschicht deckend auftragen, die Klingen mit sanftem, gleichmäßigem Zug führen und den fertigen Spalt gegen das Licht prüfen; zwei feine, durchgehende Striche genügen.

Die Skizze zeigt die Anordnung von oben: Laser, in wenigen Zentimetern Abstand der Objektträger mit den beiden Ritzstrichen, dann mehrere Meter Luft, dann die Wand. Zu zwei Wandpunkten (heller und dunkler Streifen) werden die beiden Wege von den Spalten eingezeichnet, deren Längenunterschied der Gangunterschied ist.

Der schulische Aufbau kommt mit drei Dingen aus: einem Laserpointer (rot, Klasse 1 oder 2), einem selbst gebauten Doppelspalt und einer weißen Wand oder einem Blatt Papier in einigen Metern Abstand. Der Doppelspalt entsteht aus einem Glas-Objektträger, der mit Kerzenruß oder einem breiten Folienstift geschwärzt wird; durch die Schicht werden mit zwei aneinandergelegten Klingen zwei feine, parallele Striche geritzt, weniger als einen halben Millimeter voneinander entfernt.

Dass der Spaltbau mit Haushaltsmitteln gelingt, ist kein Notbehelf, sondern die historische Pointe: Auch Young brauchte keine Präzisionsmechanik. Seine Versuche liefen mit Sonnenlicht, Lochblenden, Karten und Papierstreifen, und die Physik dahinter ist mit dem geritzten Objektträger exakt dieselbe.

Schritt 1: Justieren. Laser auf Stativ, Strahl durch die geritzten Striche auf die Wand richten. Den Objektträger langsam verschieben, bis der Strahl beide Striche gleichzeitig trifft; das Bild an der Wand verändert sich in diesem Moment deutlich.

Schritt 2: Beobachten. Das Muster an der Wand betrachten und skizzieren: Anzahl, Lage und Gleichmäßigkeit der Streifen, Helligkeitsverlauf nach außen.

Schritt 3: Youngs Probe. Mit einer Kartenkante einen der beiden Striche direkt am Objektträger abdecken und das Wandbild vergleichen; danach die andere Seite. Zum Schluss beide freigeben.

Schritt 4: Variieren. Falls mehrere selbst gebaute Spalte vorhanden sind (engere oder weitere Ritzabstände): Muster vergleichen, gleicher Wandabstand.

Mit beiden Spalten frei zeigt die Wand kein Doppelbild, sondern ein Band regelmäßiger heller und dunkler Streifen (bei einem Ritzabstand von einigen Zehntelmillimetern und drei Metern Wandabstand liegen die Streifen einige Millimeter auseinander, gut mit bloßem Auge zu sehen). Wird ein Spalt abgedeckt, verschwinden die feinen Streifen schlagartig; übrig bleibt ein breiter, schwächer strukturierter Lichtfleck. Beim Freigeben erscheinen die Streifen sofort wieder, gleichgültig, welcher Spalt abgedeckt war. An den dunklen Streifenstellen ist es mit zwei offenen Spalten sichtbar dunkler als mit einem.

Deutung im Wellenbild. Jeder Spalt wirkt als Quelle einer Teilwelle; beide schwingen im Takt, weil sie aus demselben Laserstrahl stammen. Auf der Wand entscheidet der Gangunterschied: Wo er ein ganzes Vielfaches der Wellenlänge beträgt, treffen Berg auf Berg (heller Streifen); wo er ein halbzahliges Vielfaches beträgt, treffen Berg auf Tal (dunkler Streifen). Die Regelmäßigkeit des Musters spiegelt die Regelmäßigkeit der Welle.

Youngs Probe trägt die Beweislast: Ohne zweiten Spalt gibt es keinen Gangunterschied und damit keine Auslöschung; der Streifenmechanismus braucht beide Wege. Dass beim Abdecken je einer Seite dasselbe passiert, schließt aus, dass ein Spalt allein das Muster erzeugt.

Größenordnung als Ausblick: Mit dem Zusammenhang zwischen Streifenabstand, Wellenlänge, Spaltabstand und Wandabstand ließe sich aus diesem Aufbau bereits die Wellenlänge abschätzen (bei $0{,}3\ \mathrm{mm}$ Ritzabstand und $3\ \mathrm{m}$ Wandabstand erwartet man für rotes Laserlicht Streifen im Abstand von rund $6{,}5\ \mathrm{mm}$, was zur Beobachtung passt). Die saubere Messung mit vermessenem Spalt und Ordnungsreihe führt das Experiment "Interferenz von Laserlicht" durch; dort wird aus dem Muster ein Wellenlängenwert auf Nanometer.

Der selbst gebaute Doppelspalt zeigt das historische Kernergebnis vollständig: Zwei im Takt schwingende Lichtbündel erzeugen ein Streifenmuster mit echten Dunkelstellen, und diese verschwinden, sobald einer der beiden Wege blockiert wird. Licht plus Licht kann dunkel ergeben; das erzwingt das Wellenbild und widerlegt an dieser Stelle das reine Teilchenbild, mit denselben Argumenten, mit denen Young 1803 gegen ein Jahrhundert Newton-Autorität antrat. Die quantitative Fortsetzung (Wellenlängenmessung) liegt im Laser-Interferenz-Experiment bereit.

Bei einem qualitativen Versuch heißen die Fehlerquellen: Woran kann die Beobachtung scheitern, und was könnte zu einer Fehldeutung führen?

Die Bedeutung des Versuchs entfaltete sich in drei Schüben:

1. Das Interferenzprinzip. Youngs Kerngedanke, dass sich Wellen wegabhängig verstärken oder auslöschen, wurde zum Universalwerkzeug der Physik: für Licht, Schall, Wasserwellen, später Elektronen und Materiewellen überhaupt.
2. Die Wellenlänge als Messgröße. Dass sich aus einem Streifenmuster Längen von Millionstel Metern bestimmen lassen, begründete die Präzisionsoptik. Interferenz ist bis heute die genaueste Längenmesstechnik, bis hin zu den Kilometer-Interferometern, die Gravitationswellen nachweisen.
3. Ein Lehrstück über Autorität. Der Versuch war einfach, das Ergebnis klar, und trotzdem dauerte die Anerkennung zwei Jahrzehnte. Dass am Ende Fresnels Mathematik und ein als Widerlegung gemeinter Effekt (der Poisson-Fleck) den Ausschlag gaben, gehört zu den lehrreichsten Episoden der Wissenschaftsgeschichte.

Nach Young übernahm Frankreich: Augustin Jean Fresnel baute die Wellentheorie ab 1815 mathematisch aus und gewann 1818 mit ihr den Beugungs-Preis der Pariser Akademie. Der Juror Poisson leitete aus Fresnels Theorie eine scheinbar absurde Folgerung ab: Im Zentrum des Schattens einer Kreisscheibe müsste ein heller Fleck liegen. Arago suchte den Fleck und fand ihn (1819), aus dem Einwand wurde der Triumph. Foucault zeigte 1850, dass Licht in Wasser langsamer läuft als in Luft, entgegen der Teilchen-Vorhersage; Maxwell erkannte 1865 Licht als elektromagnetische Welle, Hertz wies solche Wellen 1887 nach. Die Wellentheorie schien vollendet, bis die Quantenphysik das Bild noch einmal vertiefte.

Aus heutiger Sicht ist der Doppelspalt doppelt bedeutsam, und die zweite Bedeutung konnte Young nicht ahnen:

• Licht ist Welle und gequantelt zugleich. Seit Einstein (1905) weiß man, dass Licht seine Energie in Portionen (Photonen) austauscht. Schickt man Licht so schwach durch den Doppelspalt, dass immer nur ein Photon unterwegs ist, erscheinen einzelne Punkte auf dem Schirm, die sich über die Zeit zum Streifenmuster ordnen. Das Muster entsteht also nicht durch Wechselwirkung vieler Photonen, sondern steckt in der Quantennatur jedes einzelnen.
• Auch Materie interferiert. Claus Jönsson führte 1961 in Tübingen den Doppelspaltversuch mit Elektronen durch, Tonomura zeigte 1989 den Aufbau des Musters aus Einzelelektronen. Interferenz ist damit keine Eigenheit des Lichts, sondern ein Grundzug aller Quantenobjekte; die Leserinnen und Leser der Oberstufe begegnen dem im Kapitel zu den Wesenszügen der Quantenphysik wieder. Youngs Ja-Nein-Test von 1803 wurde so zum Ausgangspunkt der tiefsten Frage der modernen Physik: was Wellen- und Teilchenbild gemeinsam beschreiben.