Taylor-Experiment (Physik)

Kernaussage und physikalische Bedeutung

Das Taylor-Experiment wurde 1908 vom Physiker Geoffrey Ingram Taylor durchgeführt. Es ist ein Beugungsexperiment mit extrem schwachem Licht und zeigt, dass Licht sich weder als klassisches Teilchen noch als klassische Welle fortbewegt. Historisch war es das erste Experiment, bei dem das Lichtfeld zwischen Lichtquelle und Schirm im Mittel weniger als ein Photon enthielt.

Das Experiment bestätigt die von Max Planck und Albert Einstein formulierte Vorstellung, dass Licht aus einzelnen Energieportionen besteht. Diese Lichtquanten werden heute Photonen genannt. Photonen unterscheiden sich jedoch von klassischen Teilchen: Ein einzelnes Photon kann nicht auf einen bestimmten Ort oder eine eindeutig vorhersagbare Flugbahn festgelegt werden. Aufenthaltsort und Flugbahn lassen sich daher nicht exakt vorhersagen; in diesem Zusammenhang gilt die Heisenbergsche Unschärferelation.

Die klassische Mechanik reicht zur Beschreibung dieses Verhaltens nicht aus. Die Wellentheorie des Lichts kann dagegen die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Photons sehr genau vorhersagen. Werden viele Photonen beobachtet, entsteht nach dem Gesetz der großen Zahlen ein Verteilungsmuster, das mit den Beobachtungen übereinstimmt. Dieses Muster ist ein Interferenzmuster. Es zeigt, dass Photonen Quantenobjekte sind und dass ihre Wellenfunktion Interferenz zeigen kann.

Historischer Hintergrund

Nachdem Thomas Young im Jahr 1802 die Beugung von Licht am Doppelspalt gezeigt und erklärt hatte, setzte sich die Vorstellung von Licht als Wellenphänomen weitgehend durch. Licht wurde als klassische Welle betrachtet, und den verschiedenen Lichtfarben konnten Wellenlängen zugeordnet werden. Nach der damaligen Vorstellung sollte der von Christiaan Huygens angenommene „Äther“ als Träger dieser Lichtwellen dienen; seine Existenz war allerdings noch nicht nachgewiesen.

Im ausgehenden 19. Jahrhundert geriet die rein klassische Wellenvorstellung durch neue Versuchsergebnisse unter Druck. Die systematische Untersuchung des photoelektrischen Effekts durch Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs im Jahr 1887 deutete auf eine Teilchennatur des Lichts hin. Außerdem stimmten Berechnungen auf Grundlage der klassischen Mechanik und Elektrodynamik beim Emissionsspektrum eines idealen Wärmestrahlers nur teilweise mit den Messwerten überein.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts ließen sich beide Probleme durch die Annahme erklären, dass Licht sich in festen Energieportionen, den Quanten, ausbreitet. Max Planck beschrieb im Jahr 1900 den idealen Wärmestrahler mit dem Planckschen Strahlungsgesetz. Albert Einstein erklärte 1905 mit seiner Lichtquantenhypothese den Fotoeffekt. Die damals theoretisch vorhergesagten Lichtquanten werden heute Photonen genannt.

Aufbau und Durchführung

Taylor wollte mit seinem Versuch eine Theorie des Nobelpreisträgers und Elektronenentdeckers Sir Joseph John Thomson überprüfen. Nach dieser Theorie sollte die Energie entlang einer Wellenfront ungleichmäßig verteilt sein. Bereiche maximaler Energie sollten durch ungestörte Flächen voneinander getrennt werden. Wenn die Lichtintensität verringert wird, sollten diese Bereiche weiter auseinanderliegen. Die Energiemenge in den Bereichen maximaler Energie sollte sich wegen der Unteilbarkeit der Quanten jedoch nicht verändern. Thomson nahm außerdem an, dass die üblichen Beugungserscheinungen bei extrem niedriger Lichtintensität eingeschränkt würden.

Im Originalaufbau wurde das Licht einer Gasflamme mit rußgeschwärzten Platten unterschiedlicher Schwärzung abgeschwächt. Anschließend wurde es an einer Nadelspitze gebeugt. Das Beugungsergebnis wurde auf langzeitbelichteten Fotoplatten festgehalten. Die längste Belichtungszeit betrug ungefähr drei Monate. Taylor schrieb zur verwendeten Lichtstärke, dass die während dieser längsten Belichtungszeit auf die Fotoplatte fallende Energiemenge der Energie entsprach, die eine normale Kerze in einer Entfernung von etwas mehr als einer Meile abgibt.

Eine moderne Version verwendet einen durch Graufilter abgeschwächten Laserstrahl. Dieser wird an einem Doppelspalt gebeugt. Statt Fotoplatten kann ein CCD-Fotosensor eingesetzt werden, der das typische Beugungsmuster eines Doppelspalts aufzeichnet. Bei stark verlangsamter Wiedergabe eines Films lässt sich das körnige und stochastische Verhalten einzelner Lichtankünfte erkennen.

Beobachtung und weitere Bedeutung

Bei kurzen Belichtungszeiten zeigten die Fotoplatten ein körniges und stochastisches, also zufallsgeprägtes Muster. Bei längeren Belichtungszeiten entstand jedoch dasselbe Interferenzmuster wie bei kurzer Belichtungszeit und hoher Lichtintensität. Daraus folgt: Die einzelnen Nachweise erscheinen nicht als regelmäßig verteilte klassische Teilchen. Erst aus der Gesamtheit vieler einzelner Ereignisse bildet sich ein stabiles Beugungs- und Interferenzmuster, dessen Wahrscheinlichkeitsverteilung durch die Wellentheorie beschrieben werden kann.

Das Experiment macht damit drei Eigenschaften von Quantenphänomenen sichtbar: das „Wellige“ des Interferenzmusters, das „Körnige“ der einzelnen Nachweise und das „Stochastische“ ihrer Verteilung. Es zeigt, dass eine Beschreibung allein als Welle oder allein als klassisches Teilchen unzureichend ist.

1961 führte Claus Jönsson an der Universität Tübingen dasselbe Grundexperiment mit Elektronen statt mit Photonen durch. Damit wurde gezeigt, dass auch Elektronen Quantenphänomene hervorrufen.

In moderner Form kann das Taylor-Experiment mit schulischen Mitteln durchgeführt werden. Das Pädagogische Zentrum Rheinland-Pfalz empfiehlt es zusammen mit dem Jönsson-Experiment für den Physiklehrplan der Sekundarstufe II. Beide gelten als Schlüsselexperimente, weil sie Quantenphänomene nicht nur auf den Teilchen- oder den Wellenaspekt reduzieren, sondern „Welliges“, „Körniges“ und „Stochastisches“ gemeinsam berücksichtigen.