Das Doppelspaltexperiment von Thomas Young - Java Tutorial

1801 führte der englischer Physiker Thomas Young ein Experiment durch, das eindeutig auf die wellenartige Natur des Lichts schließen ließ. Er ging von der Annahme aus, dass Licht aus Wellen besteht und dass eine Art Wechselwirkung auftreten würde, wenn zwei Lichtwellen aufeinandertreffen. In diesem interaktiven Tutorial wird untersucht, wie kohärente Lichtwellen interagieren, wenn sie zwei eng beieinander liegende Spalte passieren.

Das Tutorial beginnt mit dem Effekt von Sonnenstrahlen, die einen einzelnen Spalt in einem Schirm passieren, um kohärentes Licht zu erzeugen. Dieses Licht wird dann auf einen anderen Schirm mit zwei Spalten bzw. einem Doppelspalt projiziert, der das einfallende Licht erneut beugt. Die Ergebnisse der Interferenz zwischen den gebeugten Lichtstrahlen können als Lichtintensitätsverteilungen auf dem dunklen Film sichtbar gemacht werden. Mit dem Schieberegler Distance Between Slits kann der Abstand zwischen den Spalten variiert werden, um entsprechende Variationen in den Verteilungsmustern der Interferenzintensität zu erzeugen.

Das Experiment von Thomas Young basierte auf der Hypothese, dass sich Licht, wenn es von Natur aus wellenförmig wäre, so ähnlich wie Wellen auf Wasser verhalten müsste. Wenn zwei entgegengesetzte Wasserwellen aufeinandertreffen, sollten sie in einer bestimmten Weise reagieren, um sich gegenseitig zu verstärken oder aufzuheben. Wenn die Wellenkämme zweier gleichgetakteter Wellen aufeinandertreffen, verstärken sie sich und das Resultat ist eine höhere Welle. Wenn dagegen der Wellenkamm einer Welle mit dem Wellental einer anderen Welle zusammentrifft, löschen sich diese Wellen gegenseitig aus, und die Wasseroberfläche wird dort, wo die beiden Wellen zusammentreffen, flach.

Um seine Hypothese zu untersuchen, entwickelte Thomas Young ein ausgeklügeltes Experiment. Er nutzte Sonnenlicht, das durch einen kleinen Spalt gebeugt wurde, als Quelle für kohärente Beleuchtung und projizierte die aus dem Spalt austretenden Lichtstrahlen auf einen anderen Schirm mit zwei nebeneinander angeordneten Spalten. Das durch diesen Doppelspalt fallende Licht traf dann auf einen Schirm. Thomas Young beobachtete, dass sich bei großen, weit auseinander liegenden und nahe am Schirm liegenden Spalten zwei sich überlagernde Lichtflecken auf dem Schirm bildeten. Als er jedoch die Spaltgröße verringerte und sie näher zusammenbrachte, erzeugte das Licht, das durch die Spalte auf den Schirm fiel, deutliche Farbstreifen, die durch dunkle Bereiche in einer fortlaufenden Reihenfolge getrennt waren. Thomas Young prägte den Begriff Interferenzstreifen, um die Farbstreifen zu beschreiben und erkannte, dass diese farbigen Streifen nur entstehen konnten, wenn sich Licht wie eine Welle verhielt.

Der grundlegende Aufbau des Doppelspalt-Experiments ist in Abbildung 1 dargestellt. Rot gefiltertes Licht aus dem Sonnenlicht wird zunächst durch einen Spalt geleitet, um einen kohärenten Zustand zu erreichen. Die aus dem ersten Spalt austretenden Lichtwellen treffen dann auf ein Paar nahe beieinander liegender Spalte eines zweiten Hindernisses. Hinter den Spalten ist ein Schirm angebracht, um die überlappenden Lichtstrahlen, die den Doppelspalt passiert haben, aufzufangen. Auf dem Schirm wird ein Muster aus hellroten und dunklen Interferenzstreifen sichtbar. Der Schlüssel zu dieser Art von Experiment ist die wechselseitige Kohärenz der Lichtwellen, die am Doppelspalt gebeugt werden. Auch wenn im Experiment von Thomas Young diese Kohärenz durch die Beugung des Sonnenlichts am ersten Spalt erreicht wurde, kann dazu jede Quelle kohärenten Lichts (z. B. ein Laser) verwendet werden.

Die kohärente Lichtwellenfront, die auf den Doppelspalt auftrifft, wird in zwei neue Wellenfronten geteilt, die perfekt gleich getaktet sind. Die Lichtwellen müssen von jedem Spalt aus die gleiche Strecke zurücklegen, um den Punkt A auf dem in Abbildung 1 dargestellten Schirm zu erreichen, und bei Erreichen dieses Punktes sollten sie immer noch gleich getaktet sein bzw. die gleiche Phasenverschiebung aufweisen. Da die beiden Wellen, die den Punkt A erreichen, die notwendigen Voraussetzungen für eine konstruktive Interferenz erfüllen, sollten sie sich addieren und einen hellroten Interferenzstreifen auf dem Schirm erzeugen.

Im Gegensatz dazu sind die Punkte B auf dem Schirm unterschiedlich weit von dem Doppelspalt entfernt, sodass das Licht von dem einem Spalt eine größere Strecke zurücklegen muss, um den Punkt B zu erreichen, als vom anderen. Die Welle, die von dem Spalt ausgeht, der näher am Punkt B liegt (z. B. Spalt und Punkt B auf der linken Seite in Abbildung 1), muss eine kürzere Strecke zurücklegen, um ihr Ziel zu erreichen, als eine Welle, die vom anderen Spalt ausgeht. Als Folge sollte die vom näher gelegenen Spalt ausgehende Welle etwas früher an Punkt B ankommen als die Welle aus dem weiter entfernten Spalt. Da diese Wellen nicht in Phase an Punkt B ankommen, unterliegen sie einer destruktiven Interferenz und erzeugen einen dunklen Bereich (Interferenzstreifen auf dem Schirm). Interferenzstreifenmuster sind nicht nur auf Experimente mit Doppelspalt beschränkt, sondern sie können durch jedes Ereignis erzeugt werden, das zur Aufspaltung von Licht in Wellen führt, die sich auslöschen oder addieren können.

Der Erfolg von Youngs Experiment war ein bedeutender Beweis für die Wellentheorie, wurde aber von der Fachwelt nicht sofort anerkannt. Zwar wurden durch diese Arbeit die Vorgänge erklärt, die hinter Phänomenen wie dem in Seifenblasen beobachteten Regenbogen und den Newtonschen Ringen (auf die weiter unten eingegangen wird) stehen, aber einige Wissenschaftler hielten nach wie vor an der Ansicht fest, dass sich das Licht als Strom von Teilchen ausbreitet. Es wurden noch weitere Experimente entwickelt, um die Wellennatur des Lichts und Interferenzeffekte zu demonstrieren und nachzuweisen. Am bekanntesten sind der Lloydsche Spiegelversuch und Experimente mit Doppelspiegel und Doppelprisma für polarisiertes Licht in optisch einachsigen und doppelbrechenden Kristallen von Augustin Fresnel. Augustin Fresnel kam zu dem Schluss, dass eine Interferenz zwischen polarisierten Lichtstrahlen nur mit Strahlen derselben Polarisationsrichtung erhalten werden kann. In der Tat können sich polarisierte Lichtwellen, deren Schwingungsrichtungen parallel zueinander ausgerichtet sind, zu Interferenzen verbinden, wohingegen diejenigen mit senkrechter Ausrichtung nicht interferieren.