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Erschienen in:

2017 | OriginalPaper | Buchkapitel

8. Experimente zur Quantenmechanik des Photons seit 1945

verfasst von : Prof. Dr. Klaus Hentschel

Erschienen in: Lichtquanten

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

Kapitel 8 diskutiert neuere Experimente zur Quantenmechanik des Photons (seit 1945). Dabei beginnt Abschn. 8.1 mit Photonenklumpen, wie sie seit den von Hanbury Brown und Twiss (HBT) 1955–57 ausgeführten Experimenten untersucht werden. Abschn. 8.2–3 setzen fort mit einem Bericht über Experimente an einzelnen Photonen vor dem halbdurchlässigen Spiegel bzw. zu Ein-Photon-Interferenzen von Taylor 1909 bis Grangier et al. (1986). Abschn. 8.4–5 behandeln Experimente von Alain Aspect und seinem französischen Team über EPR Photon-Photon-Korrelationen 1980ff. bzw. Wheelers delayed choice und „Welcher Weg-Experimente“, später fortgeführt (in 8.8) über Quantenverschränkung und Quantenteleportation. Abschn. 8.6 behandelt photon-bunching und den dieses Zusammenclustern von Photonen, die als Spin-1-Teilchen quantenstatistisch gesehen Bosonen sind, experimentell bestätigenden Hong-Ou-Mandel-Dip; der darauf folgende Abschnitt behandelt Photonen-antibunching in der Resonanzfluoreszenz. Der letzte, neunte Abschnitt dieses 8. Kapitels behandelt erst im Februar 2017 bekanntgewordene hochenergetische Streuungs-Experimente mit Bleiionen am Large-Hadron-Collider (LHC) des CERN, die womöglich die erste direkte Beobachtung der Photon-Photon-Streuung darstellen, welche zuvor nur in einer Vielzahl indirekter Indizien getestet werden konnte.

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Vorheriges Kapitel ,Lichtquantum‘ als ‚conceptual blending‘

Nächstes Kapitel Wie muss unser heutiges mentales Modell des Photons aussehen?

Siehe z. B. Beck (1926), Wentzel (1927) über den photoelektrischen Effekt sowie Schrödinger (1927a) zum Compton-Effekt; ferner Lamb & Scully (1969), Crisp & Jaynes (1969), Jaynes (1973), Henderson (1980). Über nicht mehr klassisch erklärbare Varianten dieser Experimente an Ein-Photon-Zuständen oder korrelierten Photonenpaaren siehe Clauser (1974).

Gute Literaturübersichten dazu findet man in Paul (1985), (1986), Meystre & Walls (Hrsg.) 1991, Scully & Zubairy (1997), Sulcs (2003), Zeilinger et al. (2005), Chiao & Garrison (2008).

Zu Leben und Vita des zunächst an der Brighton Technical School zum Ingenieur ausgebildeten und erst danach am Imperial College in Physik weitergebildeten und während des Zweiten Weltkriegs an der Entwicklung des Radars arbeitenden späteren Radioastronomen; siehe seine Autobiographie (1991) sowie Lowell (2002) und Davis (2003). Zu dem in Cambridge, England, ausgebildeten Twiss, der über Kriegsarbeiten am Radar für die britische Admiralität, den Naval Service der Armed Forces sowie die Division of Radiophysics in Sydney nach Jodrell Bank gekommen war: Tango (2006).

Siehe Hanbury Brown & Hanbury (1956a) zur Apparatur und (1956b) zu den Meßergebnissen am Sirius.

Brown (1991) S. 121. Zur Rezeption von HBT siehe Bromberg (2010), Silva & Freire (2013).

Brannen & Ferguson (1956) S. 482 sowie Jánossy & Náray (1957) bzw. Fellgett (1957) S. 956, Brown & Twiss (1957) S. 1448 und abschliessend Fellgett et al. (1959); zu Methoden u. Kontexten beider Teams vgl. Bromberg (2010) S. 11 f., Silva & Freire (2013) S. 468–471.

Purcell (1956) S. 1449. Wie Silva & Freire (2013) S. 472–474 zeigen, war der Umstand, dass sich Purcell auf die Seite von HBT stellte, entscheidend für die Akzeptanz von deren Resultaten.

Ibid., S. 1450. Von Paul (1985) S. 142 bzw. (1995) S. 171 wurde dies eingedeutscht als „Photonenklumpen“ bzw. als Tendenz zur „Anhäufelung“.

Siehe Loudon (1973b) [2. Aufl. 1983] Kap. 3, S. 111 ff. sowie Scully & Zubairy (1997) S. 110–136 zur detaillierten Theorie des HBT-Experiments; die folgende vereinfachte Darstellung basiert auf Sillitto (1957) bzw. ausführlicher in Fano (1961) und Paul (1986).

Der experimentelle Nachweis des Antibunching von Fermionen erfolgte erst seit Ende der 1990er Jahre durch Henry et al. (1999), Kiesel et al. (2002), Spence (2002) u. a.

So etwa Purcell (1956) auf Methoden der Mikrowellen-Störungstheorie oder Kahn (1958), Fellgett et al. (1959) sowie Mandel & Wolf (1961) auf Basis einer Modellierung von Licht als „Gaussian beam“, der „shot-gun noise“, also klassisch-stochastischen Fluktuationen unterliegt.

Glauber (1963a) S. 85 sowie (1963b) S. 2529: „largely outside the grasp of classical theory“ und (1963c) S. 2788 „an intrinsically quantum mechanical structure and not derivable from classical arguments.“ Über Glauber, der 2005 für diese Arbeiten den Nobelpreis der Physik erhielt, siehe Bromberg (2010).

Sillitto (1960) S. 131 bzw. S. 134.

Siehe dazu Javan et al. (1962), Magyar & Mandel (1963), Pfleegor & Mandel (1967), Paul (1985) S. 111 ff., (1986).

Siehe Dirac (1930c) Abschn. I.3: „Each photon interferes only with itself. Interference between two different photons never occurs“; vgl. ferner Paul (1986) S. 209 u. 230, Chiao & Garrison (2008a) S. 315, Bromberg (2010) S. 8 f. zur Nachwirkung dieses Diktums.

Siehe Campbell (1909), eines der wenigen publizierten, explizit gescheiterten Experimente.

Siehe Clauser (1974) bzw. Grangier, Aspect & Roger (1986); zum Setup der letzteren hier Abschn. 8.3‐8.4; ferner Meystre & Walls (Hrsg.) 1991, section V, Sulcs (2003) S. 371–374, Zeilinger (2005b) S. 275 ff., Zeilinger et al. (2005) S. 230–232. Über John Clauser siehe Whitaker (2012) S. 149ff. und Freire et al. (2013).

Clauser (1974) S. 853 u. 856.

Vgl. hier den Abschn. 4.5 zu J.J. Thomsons mentalem Modell. Über Taylor vgl. ferner Batchelor (1996) sowie Sillitto (1960) S. 129.

Siehe Taylor (1909) S. 119.

Für einen Literaturüberblick mit kritischer Sichtung aller älteren Experimente zu vermeintlichen Ein-Photon-Interferenzen, zu denen insbesondere Dempster & Batho (1927) sowie Jánossy & Náray (1957) zählen, siehe Sillitto (1960) sowie Pipkin (1978) u. dort zit. weitere Quellen.

Siehe Loudon (1973b) [2. Aufl. 1983] Kap. 3, S. 82–111.

Siehe Grangier, Roger & Aspect (1986). Zu Alain Aspect u. seinen Mitarbeitern vgl. Whitaker (2012) S. 191 ff. sowie https://fr.wikipedia.org/wiki/Alain_Aspect.

Ibid., S. 178–179; vgl. ferner Zeilinger (2005), S. 230–232 zur Implikation dieses Experiments.

Große Teile der Sammelbände von Roychoudhuri et al. (Hrsg.) 2003, 2006, 2008, 2009 und 2015 umfassen Kritik an vermeintlichen Ein-Photon-Experimenten.

Siehe Born (1926), Heisenberg (1927), (1930), (1959) bzw. Einstein (1949), Wheeler & Zurek (Hrsg.) 1983, Home & Whitaker (2007), Whitaker (2012) S. 61 ff. u. dort zitierte weiterführende Texte.

Diese Übertragung von Elektronen auf Photonen stammt von David Bohm, weshalb das EPR-Gedankenexperiment manchmal auch Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm-Experiment genannt wird. Siehe ferner Näger & Stöckler in Friebe et al. (2015) Kap. 4, sowie Beller (1999) Kap. 7, Pais (1982) Kap. 25, und Brukner & Zeilinger (1997) über die Grenzen dieser Übertragung.

Und die man später ‚Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik‘ genannt hat – zu dieser Namensgebung und dem damit verbundenen Herunterspielen der Differenzen zwischen der Bohrschen, Heisenbergschen und von Weizsäckerischen Interpretation, siehe Beller (1999) Kap. 8–9, Howard (2004) sowie hier die in Anm. 26 u. in Anm. 105 v. Kap. 3 genannten weiterführenden Quellen.

Dieses EPR-Argument setzt implizit ferner die Lokalität voraus: siehe dazu hier Abschn. 9.3.

Siehe Kocher & Commins (1967), die einen Kaskadenübergang in Ca-Gas nutzten. Eine verbesserte Messung lieferten Freedman & Clauser (1972); vgl. Freire (2006), Freire et al. (2013).

Auf die formale Ableitung dieser Bellschen Ungleichungen und die Wiedergabe experimenteller Details wird hier verzichtet. Siehe jedoch z. B. Clauser & Shimony (1978), Paul (1985) S. 164 ff., Whitaker (2012) S. 87–282, Zeh (2012) S. 14–17 und dort jeweils genannte weiterführende Literatur.

Für gute Review-Artikel der zahlreichen Bestätigungen, die dieses Experiment mit korrelierten Photonen in aller Welt erfuhr, siehe Freire (2006), Shadbolt et al. (2014) u. dort genannte Primärlit.

Der Ausdruck ‚conspiracy theories‘ stammt von Peter J. Lewis (2006); vgl. u. a. Zajonc (1993), O’Brien (2010).

Siehe Wheeler (1978) sowie Wheeler & Zurek (1983). Zu Wheeler siehe u. a. Wheeler & Ford (1998), Hentschel (2014) S. 108 ff. zur Geometrodynamik als geometrisch-anschaulicher Umformulierung der Allgemeinen Relativitätstheorie u. dort jeweils genannte weiterführende Texte.

Siehe v.Weizsäcker (1931) S. 128, (1941) sowie Wheeler (1978).

Siehe Hellmut et al. (1987), Baldzuhn (1989), Jacques et al. (2007), (2008).

Bohr (1949) S. 230, auch zit. am Ende von Jacques et al. (2008) S. 4.

Wheeler in Tegmark & Wheeler (2001) S. 76.

Siehe Purcell (1956) S. 1450 bzw. Silva & Freire (2013) S. 474 f. zur späteren Durchsetzung von ‚bunching‘, das bereits von Twiss favorisiert worden war.

Zum Folgenden siehe Hong, Ou & Mandel (1987), (1988) sowie Santori (2002) für eine Replikation unter verschärften Bedingungen. Ou wurde 1990 über Quantenoptik an der Univ. of Rochester promoviert, wo er heute Professor ist: siehe http://physics.iupui.edu/people/zhe-yu-jeff-ou-0; Hong wurde 1988 in Rochester promoviert und ist heute Prof. an der Pohang Univ. of Science and Technology in Südkorea. Über Mandel siehe Bromberg (2010) S. 6–8.

Grangier (2002) S. 577; vgl. ferner Sulcs (2003) S. 380 ff.

Siehe Santori (2002); vgl. Grangier (2002), Zeilinger et al. (2005) S. 232 zur Implikation dieses Experiments. Santori arbeitet heute als state scientist in den Hewlett-Packard Laboratories, Palo Alto: http://shiftleft.com/mirrors/www.hpl.hp.com/research/qsr/people/Charles_Santori/index.html

Kimble, Dagenais & Mandel (1977), Dagenais & Mandel (1978), Paul (1985) S. 92 f., 159 f.

Dagenais & Mandel (1978) S. 2225.

Siehe etwa Espagnat (1971), Wheeler & Zurek (Hrsg.) 1983, Zeilinger (2003), (2005), Home & Whitaker (2007), Chiao & Garrison (2008) Kap. 6, S. 19–20 sowie Whitaker (2012) für gute Beispiele dafür.

Siehe Wootters & Zurek (1982).

Siehe Bennett et al. (1993) bzw. Zeilinger et al. (1997/98), ferner Boschi et al. (1998) und Zeilinger (2005b).

Zum Folgenden siehe Zeilinger et al. (2012a, b) inklusive der hier nicht wiedergegebenen länglichen quantenmechanischen Ableitungen und dort genannter weiterführender Texte.

Statistisch erreichten Zeilinger und Mitarbeiter in diesem Pionierexperiment um die 80 % Zuverlässigkeit, weit über dem aus der Informationstheorie folgenden klassischen Limit von 66 %.

Im Falle von Zeilinger et al. (2012a) waren es Lichtsignale zwischen dem Jacobus Kapteyn-Teleskop auf La Palma und der Optical Ground Station der European Space Agency auf Teneriffa. Im Juni 2017 gelangen in China auch ein satellitengestütztes Signalaustausch über 1200 km: siehe Yin et al. (2017) sowie Popkin (2017).

Siehe ATLAS-cooperation (2017) – der zu erwartende statistische Hintergrund durch andere Prozesse betrug nur 2, 6 ± 0, 7 Ereignisse.

Die Ergebnisse sind bereits auf 4,4 Standardabweichungen signifikant, und das gemessene σ = 70 ± 24(stat.)±17(syst.) nb ist kompatibel mit der Voraussage des Standardmodells von 49 ± 10 nb.

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Titel: Experimente zur Quantenmechanik des Photons seit 1945
verfasst von: Prof. Dr. Klaus Hentschel
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Buch: Lichtquanten
Print ISBN: 978-3-662-55272-8

Electronic ISBN: 978-3-662-55273-5

Copyright-Jahr: 2017
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-55273-5_8

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