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IsabellaCullen
Anmeldungsdatum: 13.11.2012
Beiträge: 71
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 IsabellaCullen Verfasst am: 13. Nov 2012 19:52 Titel: Unvorstellbarkeit der Quantenphysik? |
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Hallo!
Beim Doppelspalt-Experiment handelt es sich vermutlich um einen der bekanntesten Versuche der gesamten Quantenphysik. Trotz intensiver Recherchen meinerseits bleibt mir jedoch völlig unklar, wie ein einziges Teilchen mit sich selber interferieren kann, um am Beobachtungsschirm ein Interferenzmuster zu generieren. Wie kann ich mir die Superposition eines einzelnen Teilchens vorstellen? Wie ist es möglich, dass ein Elementarteilchen zugleich zwei voneinander verschiedene Spalte passieren kann?
Für den Kollaps von Wellenfunktionen werden meines Wissens die mit der physikalischen Messung/Observation einhergehenden Dekohärenzen verantwortlich gemacht. Doch welche kausalen Faktoren determinieren die spezifische "Entscheidung" des Elementarteilchens, welchen der beiden Spalte es im Falle einer physikalischen Messung durchquert? Kann man hier tatsächlich die reale Existenz eines Zufalls postulieren? Besteht dann überhaupt noch die Möglichkeit, das Universum als deterministisches Kausalmodell zu definieren? Eine logische Konsequenz der Negation verborgener Variablen wären unverursachte Effekte. Wie ist das mit der universellen Gültigkeit des Kausalitätsprinzips kompatibel?
Nun ja, vielleicht gibt es ja fundierte Antworten auf meine Fragen. Danke vielmals.
MfG
Bella
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Chillosaurus
Anmeldungsdatum: 07.08.2010
Beiträge: 2440
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| Chillosaurus Verfasst am: 13. Nov 2012 20:16 Titel: |
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Es passiert doch nicht ein Elementarteilchen zugleich beide Spalte!
Ein Elementarteilchen beseitzt aber eine Aufenthaltswahrscheinlichkeitsverteilung, die durch die Existenz der Beiden Spalte moduliert wird. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit beeinhaltet dann selbstverständlich alle Möglichkeiten, die es für das Teilchen geben könnte.
Es gibt solchen und solchen Zufall. Wirft man eine Münze allein, so kann man nicht sagen, ob es Adler oder Zahl wird. Wirft man viele Münzen gleichzeitig, so kann man zwar nicht erwarten, zu wissen was jede einzelne Münze macht, jedoch wird man im Mittel ebenso viele Münzen erwarten die Zahl zeigen, wie Adler, da es dafür am meisten Realisierungsmöglichkeiten gibt.
So könnte man sehen, dass man für ein einzelnes Teilchen nur wenige Aussagen machen kann (Münze kann entweder Kopf oder Zahl annehmen) jedoch für ein Ensemble vieler Teilchen (Es liegen ebenso viele Zahlen wie Köpfe auf dem Tisch) festere Aussagen.
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IsabellaCullen
Anmeldungsdatum: 13.11.2012
Beiträge: 71
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| IsabellaCullen Verfasst am: 13. Nov 2012 20:21 Titel: |
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| Chillosaurus hat Folgendes geschrieben: | Es passiert doch nicht ein Elementarteilchen zugleich beide Spalte!
Ein Elementarteilchen beseitzt aber eine Aufenthaltswahrscheinlichkeitsverteilung, die durch die Existenz der Beiden Spalte moduliert wird. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit beeinhaltet dann selbstverständlich alle Möglichkeiten, die es für das Teilchen geben könnte.
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Die Interferenzmuster am Beobachtungsschirm stellen etwas physikalisch Reales dar. Wie kann ein einziges Teilchen (Photon, Elektron, andere) jenes Muster erzeugen, ohne beide Spalte zu durchqueren? Wie findet ansonsten die Überlagerung statt?
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18062
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| TomS Verfasst am: 13. Nov 2012 20:34 Titel: Re: Unvorstellbarkeit der Quantenphysik? |
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Hallo
| IsabellaCullen hat Folgendes geschrieben: | | Wie kann ich mir die Superposition eines einzelnen Teilchens vorstellen? Wie ist es möglich, dass ein Elementarteilchen zugleich zwei voneinander verschiedene Spalte passieren kann? |
Anhand eines Teilchens kann man sich das nicht vorstellen.
Einigermaßen konkret kann man sich das vorstellen, wenn man statt eines Teilchens die Interferenz einer Elektronenwelle analog einer Wasserwelle betrachtet.
| IsabellaCullen hat Folgendes geschrieben: | | Für den Kollaps von Wellenfunktionen werden meines Wissens die mit der physikalischen Messung/Observation einhergehenden Dekohärenzen verantwortlich gemacht. |
Nicht ganz korrekt. Die Dekohärenz sorgt für das Verschwinden der quantenmechanischen Superposition und das Auftreten eines effektiv klassischen Zustandes. D.h. eine „quantenmechanische Münze“ verliert durch Wechselwirkung mit ihrer Umgebung die Superposition [„Kopf oder Zahl“]; statt dessen verbleibt nur ein klassischer Zustand „Kopf“ oder „Zahl“; letzterer ist jedoch noch nicht kollabiert, beide Möglichkeiten sind als klassische Wahrscheinlichkeiten weiterhin vorhanden (den Kollaps leistet die Dekohärenz nicht, sondern nur eine Interpretation der QM wie die Kopenhagener Kollapsinterpretation), jedoch nicht mehr Interferenzfähig.
| IsabellaCullen hat Folgendes geschrieben: | | Doch welche kausalen Faktoren determinieren die spezifische "Entscheidung" des Elementarteilchens, welchen der beiden Spalte es im Falle einer physikalischen Messung durchquert? |
Es gibt keine.
| IsabellaCullen hat Folgendes geschrieben: | | Besteht dann überhaupt noch die Möglichkeit, das Universum als deterministisches Kausalmodell zu definieren? |
Nicht im klassischen Sinne.
| IsabellaCullen hat Folgendes geschrieben: | | Eine logische Konsequenz der Negation verborgener Variablen wären unverursachte Effekte. Wie ist das mit der universellen Gültigkeit des Kausalitätsprinzips kompatibel? |
Das Kausalitätsprinzip gilt weiterhin, jedoch nicht auf Ebene der Wahrscheinlichkeiten bzw. der klassischen Ergebnisse („Kopf“, „Zahl“, …) sondern auf Ebene der Wellenfunktion.
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Niels Bohr brainwashed a whole generation of theorists into thinking that the job (interpreting quantum theory) was done 50 years ago. |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18062
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| TomS Verfasst am: 13. Nov 2012 20:36 Titel: |
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| Chillosaurus hat Folgendes geschrieben: | | Es passiert doch nicht ein Elementarteilchen zugleich beide Spalte! |
Im Pfadintegralformalismus der QM passiert genau das! Ein Teilchen durchquert nicht nur beide Spalten, sondern es legt alle (überabzählbar unendlich viele!) möglichen Pfade zurück
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Niels Bohr brainwashed a whole generation of theorists into thinking that the job (interpreting quantum theory) was done 50 years ago. |
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Schüler
Anmeldungsdatum: 05.05.2006
Beiträge: 175
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| Schüler Verfasst am: 13. Nov 2012 20:41 Titel: Re: Unvorstellbarkeit der Quantenphysik? |
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| IsabellaCullen hat Folgendes geschrieben: | Hallo!
mir jedoch völlig unklar, wie ein einziges Teilchen mit sich selber interferieren kann, um am Beobachtungsschirm ein Interferenzmuster zu generieren. Wie kann ich mir die Superposition eines einzelnen Teilchens vorstellen? Wie ist es möglich, dass ein Elementarteilchen zugleich zwei voneinander verschiedene Spalte passieren kann?
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Das Elektron ist kein klassisches Teilchen. es ist aber auch keine Welle. Es ist ein Objekt welches sich durch den Formalismus der Quantenmechanik beschreiben lässt.
Angenommen du kennst die genaue kinetische Energie der Elektronen mit der du die Elektronenbeugung durchführst. In dem Fall wäre auch der Impuls dieser Elektronen genau bestimmt. Somit befinden sich die Elektronen in einem Zustand, der im Ortsraum durch eine ebene Welle beschrieben wird. Damit ist aber der Ort völlig undefiniert. Die Unbestimmbarkeit des Ortes des Elektrons ist kein messtechnisches Problem, sondern er existiert in diesem Zustand gar nicht und was nicht existiert kann man nicht messen. Wenn du hingegen eine Messvorrichtung vor dem Spalt aufstellst, welche den Ort des Elektrons kurz vor Eintritt in einen der beiden Spalte, messen soll, wird der Zustand des Elektrons auf einen anderen Zustand projiziert, in dem der Ort des Elektrons quasischarf definiert ist. In dem Fall "siehst" du das Elektron nur durch einen der beiden Spalte fliegen und es gibt nicht das sonst beobachtete Interferenzmuster.
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IsabellaCullen
Anmeldungsdatum: 13.11.2012
Beiträge: 71
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| IsabellaCullen Verfasst am: 13. Nov 2012 20:44 Titel: Re: Unvorstellbarkeit der Quantenphysik? |
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Hallo Tom!
Vielen Dank für Deine informative Antwort.
| Zitat: | | Nicht ganz korrekt. |
Ich war der Meinung, der Kollaps einer Wahrscheinlichkeitswelle sei identisch mit der Auflösung der Superposition bzw mit einer Zustandsreduktion. Du scheinst Dich auszukennen. Bist Du Physiker?
Wurde die "Richtigkeit" der Kopenhagener Wahrscheinlichkeitsinterpretation experimentell nahegelegt oder handelt es sich dabei nur um eine von mehreren Deutungsmöglichkeiten? Einstein sprach sich meines Wissens gegen die Verneinung verursachender Determinanten aus.
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IsabellaCullen
Anmeldungsdatum: 13.11.2012
Beiträge: 71
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| IsabellaCullen Verfasst am: 13. Nov 2012 20:49 Titel: Re: Unvorstellbarkeit der Quantenphysik? |
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| Schüler hat Folgendes geschrieben: | | Das Elektron ist kein klassisches Teilchen. es ist aber auch keine Welle. Es ist ein Objekt welches sich durch den Formalismus der Quantenmechanik beschreiben lässt. |
Existieren dann überhaupt klassische Teilchen? Meines Wissens gilt der Welle-Teilchen-Dualismus, den man am Doppelspalt-Experiment beobachtet, auch für Atome und sogar für Moleküle.
| Zitat: | | In dem Fall "siehst" du das Elektron nur durch einen der beiden Spalte fliegen und es gibt nicht das sonst beobachtete Interferenzmuster. |
Meiner Imagination ist all das nur äußerst schwer zugänglich! Lieben Dank für Deine Ausführung.
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18062
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| TomS Verfasst am: 13. Nov 2012 20:52 Titel: Re: Unvorstellbarkeit der Quantenphysik? |
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| IsabellaCullen hat Folgendes geschrieben: | | Zitat: | | Nicht ganz korrekt. |
Ich war der Meinung, der Kollaps einer Wahrscheinlichkeitswelle sei identisch mit der Auflösung der Superposition bzw mit einer Zustandsreduktion. |
Man muss die Reduktion einer quantenmechanischen Superposition (zweier oder mehrerer) Zustände auf genau einen klassischen Zustand mehrstufig erklären. Zunächst findet aufgrund der WW eines nie vollständig isolierten Systems der Prozess der Dekohärenz statt (das ist physikalisch sogar präparierbar und messbar), an dessen Ende jedoch nicht genau ein sondern immer noch mehrere klassische Zustände mit ihren Wahrscheinlichkeiten stehen. Der Kollaps zu genau einem Zustand oder die Aufspaltung gemäß der Viele-Welten-Intepretation ist aber immer noch außerphysikalische Interpretation.
Ja, aber inzwischen nicht mehr in der Forschung aktiv.
| Zitat: | | Wurde die "Richtigkeit" der Kopenhagener Wahrscheinlichkeitsinterpretation experimentell nahegelegt oder handelt es sich dabei nur um eine von mehreren Deutungsmöglichkeiten? |
Letzteres. Die Experimente zur QM sagen nichts über die Deutungen derselben aus; umgekehrt sind verschiedene Deutungen alle mit den Ergebnissen der QM verträglich.
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D2
Anmeldungsdatum: 10.01.2012
Beiträge: 1723
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| D2 Verfasst am: 13. Nov 2012 21:13 Titel: |
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| Chillosaurus hat Folgendes geschrieben: | Es passiert doch nicht ein Elementarteilchen zugleich beide Spalte!
Es gibt solchen und solchen Zufall. Wirft man eine Münze allein, so kann man nicht sagen, ob es Adler oder Zahl wird. Wirft man viele Münzen gleichzeitig, so kann man zwar nicht erwarten, zu wissen was jede einzelne Münze macht, jedoch wird man im Mittel ebenso viele Münzen erwarten die Zahl zeigen, wie Adler, da es dafür am meisten Realisierungsmöglichkeiten gibt.
So könnte man sehen, dass man für ein einzelnes Teilchen nur wenige Aussagen machen kann (Münze kann entweder Kopf oder Zahl annehmen) jedoch für ein Ensemble vieler Teilchen (Es liegen ebenso viele Zahlen wie Köpfe auf dem Tisch) festere Aussagen. |
Das Beispiel mit einem Münzenwurf darf meiner Meinung nach nicht zitiert werden.
Klar umgefähr die Hälfte der Würfe landet auf dem Kopf, aber IsabellaCullen kennt gewiss, dass auch einzelne Elektronen mit sich selbst interferieren, also muss ein Elektron "wissen" das 2. Spalt existiert und passierbar ist(zur Errinerung, ist der 2. Spalt nicht passierbar, findet keine Interferenz statt).
Der Münzenwurf liefert leider keine Erklärung.
Auch bleibt offen warum ein Teilchen bei seiner Bewegung Wellencharakter hat und dem Supperpositionsprinzip(Wellen dringen einander durch, ohne sich zu beeinflussen) unterliegt, bei einer Kollision aber sich wie eine Billardkugel verhält. Wer trifft die Entscheidung ob ein Teilchen Welle oder ein Punkt unterwegs ist? Warum können Elektronen und Photonen kollidieren, wenn beide unterwegs sind? Laut Superpositionsprinzip müssen diese sich ohne Schwierigkeiten durchdringen.
Was wird mitbewegter Beobachter registrieren, eine Welle oder ein Teilchen?
Ich entschuldige mich ausdrücklich bei der Bella, dass ich diese Frage gestellt habe, aber ich denke diese Frage korreliert mit der Frage über ein Doppelspalt-Experiment.
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Lösungen gibt es immer, man muss nur darauf kommen. |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18062
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| TomS Verfasst am: 13. Nov 2012 21:25 Titel: |
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Registriert bzw. detektiert werden immer nur Teilchen; noch niemand hat in einem Detektor ein delokalisiertes Elektron gesehen. Aber bei der Ausbreitung muss man immer auf eine Wellenfunktion (oder äquivalente Beschreibungen) zurückgreifen.
Bzgl. Wechselwirkung von Elektron und Photon liefert (nach der Quantenfeldtheorie) leider weder Wellen- noch Teilchenbild eine befriedigende Erklärung. Daher halte ich auch den Begriff Welle-Teilchen-Dualismus für irreführend, denn ein Quantenobjekt "ist" eben nicht manchmal Welle und manchmal Teilchen (oder gar beides zugleich), sondern im wesentlichen keines von beiden.
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Schüler
Anmeldungsdatum: 05.05.2006
Beiträge: 175
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| Schüler Verfasst am: 13. Nov 2012 21:42 Titel: Re: Unvorstellbarkeit der Quantenphysik? |
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| IsabellaCullen hat Folgendes geschrieben: |
Existieren dann überhaupt klassische Teilchen? Meines Wissens gilt der Welle-Teilchen-Dualismus, den man am Doppelspalt-Experiment beobachtet, auch für Atome und sogar für Moleküle. |
Auch Atome und Moleküle sind keine klassischen Teilchen.
Je größer das System ist, desto eher verhält es sich aber wie ein klassisches Teilchen, weil dann die Fluktuation des Ortes um seinen Mittelwert immer kleiner wird. Zum Beispiel ist ein Proton aufgrund der etwa 2000 mal größeren Masse gegenüber dem Elektron deutlich weniger stark delokalisiert, deswegen stellt man es sich häufig als fixiert vor.
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D2
Anmeldungsdatum: 10.01.2012
Beiträge: 1723
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| D2 Verfasst am: 13. Nov 2012 21:42 Titel: |
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Hat jemand Lust eine Vorhersage zu tätigen?
So ein Experiment gab es meines Wissen nicht, wenn schon um so besser.
Einzelne Elektronen passieren Spalt Nu. 1, dabei ist der 2. Spalt abgedeckt.
Nach einer Weile(sagen wir Monat, zwei) wird der Spalt Nu.2 aufgedeckt, Spalt Nu.1 dafür abgedeckt und das ganze für gleichen Zeitraum(Monat, zwei) wiederholt.
Zwei Bedingungen müssen erfüllt werden.
1. Abdeckung berührt den Steg zwischen den Spalten nicht und befindet sich hinter dem abdeckenden Spalt.
2.Während der ganzen Dauer des Experiments bleibt das Bild auf dem Bildschirm unbeobachtbar.
-Kommt es zu einem Interferenzbild, ja oder nein?
-Kommt es zu einem Interferenzbild, wenn die 1. Bedingung nicht eingehalten wird?
-Kommt es zu einem Interferenzbild, wenn die 2. Bedingung nicht eingehalten wird?
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Lösungen gibt es immer, man muss nur darauf kommen. |
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Schüler
Anmeldungsdatum: 05.05.2006
Beiträge: 175
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| Schüler Verfasst am: 13. Nov 2012 21:53 Titel: |
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Das beobachtete Bild wird einfach eine Überlagerung der Interferenzbilder der beiden Einzelspalte sein.
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Chillosaurus
Anmeldungsdatum: 07.08.2010
Beiträge: 2440
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| Chillosaurus Verfasst am: 13. Nov 2012 22:10 Titel: |
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| TomS hat Folgendes geschrieben: | | Chillosaurus hat Folgendes geschrieben: | | Es passiert doch nicht ein Elementarteilchen zugleich beide Spalte! |
Im Pfadintegralformalismus der QM passiert genau das! Ein Teilchen durchquert nicht nur beide Spalten, sondern es legt alle (überabzählbar unendlich viele!) möglichen Pfade zurück |
Ich kann das Teilchen zu einem Zeitpunkt nur an einem Ort messen/beobachten, oder etwa nicht?
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Chillosaurus
Anmeldungsdatum: 07.08.2010
Beiträge: 2440
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| Chillosaurus Verfasst am: 13. Nov 2012 22:16 Titel: |
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| D2 hat Folgendes geschrieben: | [...]
Das Beispiel mit einem Münzenwurf darf meiner Meinung nach nicht zitiert werden. |
Du hast es gerade zitiert 
| Zitat: |
Klar umgefähr die Hälfte der Würfe landet auf dem Kopf, aber IsabellaCullen kennt gewiss, dass auch einzelne Elektronen mit sich selbst interferieren, also muss ein Elektron "wissen" das 2. Spalt existiert und passierbar ist(zur Errinerung, ist der 2. Spalt nicht passierbar, findet keine Interferenz statt).
Der Münzenwurf liefert leider keine Erklärung. |
Das Beispiel hat nichts mit dem Doppelspaltversuch zu tuen.
Soll er auch nicht. Vllt. ist dir das Gesetz der großen Zahlen bekannt.
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18062
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| TomS Verfasst am: 13. Nov 2012 22:18 Titel: |
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| Chillosaurus hat Folgendes geschrieben: | | Ich kann das Teilchen zu einem Zeitpunkt nur an einem Ort messen/beobachten, oder etwa nicht? |
Bzgl. der Registrierung des Teilchens ist das natürlich richtig; ein Teilchen wird immer nur an genau einer Stelle registriert.
Aber man kann die die Formeln bzgl. der Ausbreitung vor der Registrierung Pfadintegral so interpretieren, dass ein Teilchen alle möglichen Pfade zurücklegt.
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Zuletzt bearbeitet von TomS am 13. Nov 2012 22:19, insgesamt einmal bearbeitet |
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D2
Anmeldungsdatum: 10.01.2012
Beiträge: 1723
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| D2 Verfasst am: 13. Nov 2012 22:18 Titel: |
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| Schüler hat Folgendes geschrieben: | | Das beobachtete Bild wird einfach eine Überlagerung der Interferenzbilder der beiden Einzelspalte sein. |
Also doch keine Interferenz von einem Doppelspalt und man kann auf so ein Experiment ganz verzichten?
Fett ist Interferenz von einem Einzelspalt abgebildet.
Wenn mann zwei solche fette Linien verschiebt und addiert kommt man nie zu einer düner Linie die von zwei Spalten stammen.
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Lösungen gibt es immer, man muss nur darauf kommen. |
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Chillosaurus
Anmeldungsdatum: 07.08.2010
Beiträge: 2440
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| Chillosaurus Verfasst am: 13. Nov 2012 22:31 Titel: |
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| TomS hat Folgendes geschrieben: | [...]ein Teilchen wird immer nur an genau einer Stelle registriert.
Aber man kann die die Formeln bzgl. der Ausbreitung vor der Registrierung Pfadintegral so interpretieren, dass ein Teilchen alle möglichen Pfade zurücklegt. |
In welcher Art und Weise ist diese Interpretation denn real relevant? Bzw. gibt es einen Grund diese Betrachtungsweise der Entwicklung von Aufenthaltswahrscheinlichkeiten vorzuziehen oder wolltest du nur aufzeigen, dass es verschiedene Ansichten gibt?
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18062
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| TomS Verfasst am: 13. Nov 2012 22:41 Titel: |
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| Chillosaurus hat Folgendes geschrieben: | | TomS hat Folgendes geschrieben: | | Aber man kann die die Formeln bzgl. der Ausbreitung vor der Registrierung Pfadintegral so interpretieren, dass ein Teilchen alle möglichen Pfade zurücklegt. |
In welcher Art und Weise ist diese Interpretation denn real relevant? Bzw. gibt es einen Grund diese Betrachtungsweise der Entwicklung von Aufenthaltswahrscheinlichkeiten vorzuziehen oder wolltest du nur aufzeigen, dass es verschiedene Ansichten gibt? |
Der Pfadintegralformalismus ist mit anderen Formalismen äquivalent. Physikalisch gibt es keinen bevorzugten Formalismus, man orientiert sich nur an der praktischen Anwendbarkeit und der (exakten oder näherungsweisen) Lösbarkeit der Gleichungen.
Wellenfunktionen, Hilbertraumzustände oder Pfadintegrale bieten unterschiedliche Ansatzpunkte für Interpretation. Ob das "real relevant" ist, kann die Physik nicht beantworten.
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