Bis jetzt waren unsere Untersuchungen im wesent-lichen auf eindimensionale Probleme beschränkt, d.h., eine von irgendeinem Punkt ausgehende Welle konnte nur auf einem einzigen Weg an einen anderen Ort gelangen. Nun werden wir uns aber mit Situationen beschäftigen, bei denen die Welle verschiedene Wege von ihrem Ausgangspunkt zum Detektor nehmen kann. Solche Situationen führen zu den sogenannten Interferenz- oder Beugungserscheinungen — das Ergebnis einer Verstärkung bzw. Auslöschung durch Überlagerung von Wellen verschiedener Phase in Abhängigkeit vom Ausbreitungsweg.
Bis jetzt waren unsere Untersuchungen im wesent-lichen auf eindimensionale Probleme beschränkt, d.h., eine von irgendeinem Punkt ausgehende Welle konnte nur auf einem einzigen Weg an einen anderen Ort gelangen. Nun werden wir uns aber mit Situationen beschäftigen, bei denen die Welle verschiedene Wege von ihrem Ausgangspunkt zum Detektor nehmen kann. Solche Situationen führen zu den sogenannten Interferenz- oder Beugungserscheinungen — das Ergebnis einer Verstärkung bzw. Auslöschung durch Überlagerung von Wellen verschiedener Phase in Abhängigkeit vom Ausbreitungsweg.
ZusammenfassungBis jetzt waren unsere Untersuchungen im wesentlichen auf eindimensionale Probleme beschränkt, d.h., eine von irgendeinem Punkt ausgehende Welle konnte nur auf einem einzigen Weg an einen anderen Ort gelangen. Nun werden wir uns aber mit Situationen beschäftigen, bei denen die Welle verschiedene Wege von ihrem Ausgangspunkt zum Detektor nehmen kann. Solche Situationen führen zu den sogenannten Interferenz- oder Beugungserscheinungen — das Ergebnis einer Verstärkung bzw. Auslöschung durch Überlagerung von Wellen verschiedener Phase in Abhängigkeit vom Ausbreitungsweg.
AuszugInterferenz und Beugung sind typische Welleneigenschaften. Wir haben sie schon bei der Besprechung mechanischer Wellen kennen gelernt; denken wir z.B. an die stehenden Wellen bei Musikinstrumenten, die durch Interferenz zweier gegenläufiger Wellen zustande kommen oder an die Überlagerung zweier sich radial von benachbarten Punkten ausbreitenden Wasserwellen. Auch die Beugung von Schallwellen kennen wir von Kindesbeinen an, denn Schall nehmen wir auch dann wahr, wenn sich etwa die Schallquelle hinter einer Hausecke befindet: Schall geht „um die Ecke“. Das liegt daran, dass die Wellenlänge von Schallwellen vergleichbar ist mit den Abmessungen von Hindernissen im täglichen Leben. Interferenz und Beugung von Lichtwellen machen sich wegen ihrer um Größenordnungen kleineren Wellenlängen nur in Sonderfällen bemerkbar, zumal das Licht der meisten Lichtquellen aus unterschiedlichen Wellenlängen besteht. Ein Beispiel sind die auf Interferenzen beruhenden „Farben dünner Blättchen“, die bei dünnen Ölhäuten oder Seifenblasen zu beobachten sind. Das Auftreten von Interferenzen setzt in der Regel (nahezu) monochromatisches Licht voraus, das Licht muss kohärent sein. Im Folgenden soll dieser Begriff genauer gefasst werden. Anschließend werden typische Interferenzphänomene besprochen. Der zweite Teil behandelt Beugungserscheinungen. Interferenz bzw. Beugung bestimmen das geometrische Auflösungsvermögen optischer Instrumente. Auf ihnen beruhen weiter die Wirkungsweise der Spektralapparate und andere Anwendungen.
In unserer täglichen Erfahrung haben die Begriffe Teilchen und Welle nichts Mysteriöses an sich, sie scheinen eine feste Bedeutung zu haben. Ein Stein, der ins Wasser geworfen wird, und die Wellen, die sich daraufhin an der Wasseroberfläche bilden, haben nur eines gemeinsam, die Fähigkeit, Energie und Impuls von einem Ort zum anderen zu übertragen. Die klassische Physik, die die „physikalische Realität“ unserer Sinneseindrücke widerspiegelt, behandelt Teilchen und Wellen als getrennte Komponenten der Realität. Die Mechanik der Teilchen und die Wellenoptik sind traditionellerweise unabhängige Disziplinen, jede hat ihre eigenen Experimente und Hypothesen. Und doch hat die physikalische Welt, wie wir sie sehen, ihre Ursache in Phänomenen, die sich in der mikroskopischen Welt der Atome und Moleküle, der Elektronen und Kerne abspielen. In dieser Welt gibt es weder Teilchen noch Wellen, die unseren herkömmlichen Vorstellungen entsprechen. Wir bezeichnen Elektronen als Teilchen, da sie elektrische Ladung und Masse besitzen und sich in alltäglichen Apparaten (etwa in einer Fernsehröhre) nach den Gesetzen der Punktmechanik verhalten. Wir werden jedoch sehen, daß genau soviel dafür spricht, ein Elektron als Wellenerscheinung wie als Manifestation eines Teilchens zu deuten. Wir bezeichnen elektromagnetische Wellen als Wellen, weil sie unter geeigneten Umständen Beugung, Interferenz und Polarisation zeigen. In ähnlicher Weise werden wir sehen, daß unter anderen Bedingungen elektromagnetische Wellen sich verhalten, als ob sie aus einem Strom von Teilchen bestünden. Gemeinsam mit der speziellen Relativitätstheorie ist die Dualität von Welle und Teilchen wesentlich für das Verständnis der modernen Physik; in diesem Buch gibt es nur wenige Argumente, die von diesen fundamentalen Prinzipien nicht Gebrauch machen.
Der Zusammenhang zwischen Interferenz und der Verfügbarkeit von Pfadinformation ist ein Merkmal der Quantenmechanik, das Physiker seit mehr als einem Jahrhundert fasziniert. In den frühen neunziger Jahren wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, die einen neuen Aspekt dieses Zusammenhangs aufzeigten. In diesen Experimenten wurde Quanteninterferenz in Situationen gezeigt, in welchen verschiedene Photonenpaarquellen ein oder beide Photonen in identische Strahlen emittierten. Im Gegensatz zu Quanteninterferenzexperimenten, in denen beide Photonen korreliert detektiert werden, kann die Interferenz in diesem Fall in der Intensität eines einzelnen Photonenstrahls beobachtet werden, obwohl Photonenpaare an dem Phänomen beteiligt sind. Dies erlaubt die Beobachtung von klassisch nicht erklärbaren Effekten mit einem einzelnen Detektor. Diese Beobachtung eröffnet die Möglichkeit, die Einzelphotoneninterferenz nur durch Manipulation eines anderen Photonenstrahls zu kontrollieren, welcher selbst nicht detektiert werden muss. In den letzten Jahren hat sich ein wachsendes Forschungsgebiet um diesen als "induced coherence without induced emission" bezeichneten Interferenzeffekt etabliert, nachdem Anwendungen für Bildgebung und Spektroskopie demonstriert wurden. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf grundlegende Aspekte des obigen Interferenzeffekts mit dem Ziel, unser Verständnis der Quantenkomplementarität in den daraus resultierenden ungewöhnlichen Situationen zu vertiefen. Nach einem kurzen Überblick über vergangene und aktuelle Forschung wenden wir uns experimentellen Beobachtungen des Phänomens der "induced coherence without induced emission" in einem Multimode-Szenario zu. Wir demonstrieren die Entstehung eines Interferenzsmusters in einem Strahl, indem wir einenm anderen Strahl kontrollieren, der nicht detektiert wird. Die Interfernzstreifen werden mit analogen Beobachtungen in klassischer Interferometrie verglichen und Unterschiede, insbesondere hinsichtlich ihrer Wellenlängenabhängigkeit, analysiert. Des weiteren wird ein Experiment vorgestellt, in dem nur eines von zwei Photonen eines Paares detektiert wird. Wir demonstrieren, dass das in einem einzelnen Photonenstrahl entstandene Interferenzmuster dazu verwendet werden kann, die Korrelationen zwischen beiden Photonen zu messen. Anschlie ßend wird gezeigt, dass es möglich ist, die Polarisation eines Lichtstrahls zu ändern, indem lediglich die in einem anderen Strahl verfügbare Pfadinformation geändert wird. Dieses Schema ermöglicht es, den Polarisationsgrad eines Lichtstrahls zu kontrollieren, ohne dessen Intensität zu beein ussen. Die Komplementarität in einer Situation, in der beide Photonen in identische Moden emittiert werden, wird in einem anderen Experiment untersucht. Wir führen ein Delayed- Choice-Experiment durch, das die Komplementarität zwischen Interferenz und Information über den Ursprung eines Photonenpaares illustriert. Die in diesem Experiment analysierten komplement ären Eigenschaften gehen über die häufig untersuchte Komplementarität zwischen Wellenund Teilchenverhalten hinaus. Sie erfordern eine Abstraktion des Interferenzkonzepts, welche den gesamten Photonenpaar-Emissionsprozess miteinbezieht. Schließlich wird ein Gedankenexperiment vorgestellt, in dem die Emission von Photonenpaaren aus drei nicht unterscheidbaren Quellen betrachtet wird. In diesem wird gezeigt, dass die Zuschreibung einer bestimmten Quelle als Ursprung eines Photonenpaares inkonsistent ist. Zum Abschluss werden einige offene Fragen diskutiert, die durch unsere Ergebnisse angeregt wurden.