Interpretationen und Bildung eines verbalen Modells
Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik
Atomofen
Messergebnisse
Erklären und
Vorhersagen
Syste-matisch unter-suchen
Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten
Die physikalische Erkenntnisweiseˆ
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Ist es nicht eigentlich ganz einfach?
Halbklassische Erklärungen im Teilchenmodell
Wesenszug: Stochastisches Verhalten
Der Auftreffpunkt kannnicht vorhergesagt werden.
Wegen unterschiedlicher Anfangsbedingungen?
Wesenszug:
Interferenz-fähigkeit
Weil sich dieQuantenobjektegegenseitig beeinflussen?
Messergebnisse sind stets eindeutig
Wesenszug: Verhalten bei einer Messung
D
1
D
2
Das ist im Teilchenmodell nicht überraschend.
Wesenszug:„Komplementarität“
Wenn das Experiment weitere Messmöglichkeiten enthält, kann das Interferenzmuster verschwinden.
nichtlinearer Kristall
D
1
D
2
Wechselwirkung,also Stöße,also Störungender Bahn?
Nichtlokalität:
Eine Ursache an einem Ort wirkt sich instantan auch an weit entfernten Orten aus.
Hatten die Objekte die Eigenschaften schon vorher?
Wesenszug:
Interferenz-fähigkeit
Weil sich dieQuantenobjektegegenseitig beeinflussen?
(Auch wenn stets nur ein Quantenobjekt in der Anordnung ist, tragen die Quantenobjekte zum Interferenzmuster bei.)
Das Muster kommt nicht durch gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Quantenobjekte zustande.
Gegenseitige Beeinflussung?
Heliumatome am Doppelspalt
Doppelspalt-Experiment:
Ist das Überraschend? Ungewohnt? Merkwürdig?
Jeweils ein Spalt geschlossen:
Ist das Überraschend? Ungewohnt? Merkwürdig?
Wenn man sich die Quantenobjekteals Teilchen(Fußbälle) vorstellt:
Ja!
Wenn das Quanten-objekt jeweils linksoder rechts durch ginge,müsste man die Summenverteilungbeobachten.
Man sagt:Es ist unbestimmt,durch welchen Spalt das Quantenobjektzum Schirm gelangt.
Bedeutet das,man weiß nicht durch welchen Spalt das Quantenobjekt geht?
Nein!ObjektiveUnbestimmtheitist mehr als subjektiveUnkenntnis.(„Ignoranzhypothese“)
Messergebnisse sind stets eindeutig
Wesenszug: Verhalten bei einer Messung
D
1
D
2
Das ist im Teilchenmodell nicht überraschend.
Was aber,wenn unbestimmt ist,wie das Quantenobjekt zum Schirm kommt?
Gedankenexperiment von Scully et al. (1991):
Anregungslaser
Atomofen
H1
H2
Ist das Teilchenmodell wenigstensbrauchbar, wenn nur ein Spalt offen ist?
Nein!
Denn dann trägt es zur Einzelspaltbeugung bei.
Doppelspalt und Einzelspaltaufnahme[Jönsson 1961]
Also: Weg vom Teilchenbild.
Hilft das Wellenbild weiter?
Von Wasserwellen ist der Effekt bekannt:Berg und Berg verstärken sich.Berg und Tal löschen sich aus.
© M. Komma, Tübingen
Aber: Bei Wasserwellen kommt das Paket„verschmiert“ an.
Das Quantenobjekt wird nie „verschmiert“ nachgewiesen.
Wesenszug: Interferenzfähigkeit
Präzisierung:
Obwohl einzelne Quantenobjekte stets nur an einem Ort nachgewiesen werden,
bilden ihre Auftreffpunkte nach vielen Wiederholungen ein Interferenzmuster.
Merkwürdig!Warum ist das so?
Wesenszug: Interferenzfähigkeit
Obwohl einzelne Quantenobjekte stets nur an einem Ort nachgewiesen werden,
bilden ihre Auftreffpunkte nach vielen Wiederholungen ein Interferenzmuster.
Warum fließt elektrischer Strom,wenn eine Spannung angelegt wird?
Warum ziehen sich zwei Körper an?
Warum ... ?
Weil sich zwei Körper stets anziehen.
Warum fällt ein Stein auf die Erde?
(= „Erklärung“ durch allgemeine Gesetzmäßigkeit.)
Solche Gesetze suchen wir auch für die Quantenobjekte.
Beobachtungen und Messergebnisse
Erklären und
Vorhersagen
Syste-matisch unter-suchen
Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten
Die physikalische Erkenntnisweise
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*gravm m
F Gr
Ist also das Wellenmodell besser?
Das Quantenobjekt als ausgedehntes Objekt(wie ein Schallwellenpaket)?
Teilung am Spalt?
Weitere Ausbreitung nach den Wellengesetzen?
Zusammenziehen bei einer Ortsmessung?
Das Quantenobjekt als ausgedehntes Objekt?
Dagegen spricht:
• Zusammenziehen auch geladener Quantenobjekte Abstrahlung?
• Zusammenziehen instantan (mit Überlichtgeschwindigkeit)
• „Voreilige Teilung“ bei zwei Wegen (Delayed-Choice-Experimente)
Das Quantenobjekt als Teilchen
Das Quantenobjekt als Welle
Jedes Modell hat seine Grenzen,die deutlich gemacht werden müssen.
Aber um Vorhersagen für die Interferenzexperimente und insbesonderefür die Komplementarität zu machen,brauchen wir ein leistungsfähigeres Modell:
Verbales ModellGrafisches Modell
Nicht Teilchen, nicht Welle, nicht abwechselnd Welle und Teilchen. Keine Vorstellung:
?„Standardinterpretation“
(Kopenhagener Interpretation)
Hochschule:
Leichfüßiger Einsatz beider Modelle
Grenzen genau bekannt.
Formalismus stets im Hintergrund.
Standardinterpretation:
Wir vermeiden es, darüber zu sprechen, wie das Quantenobjekt zum Schirm kommt.
Wir sprechen darüber, • ob es ein Muster gibt,• wie dieses aussieht.
Messergebnisse
Die physikalische Erkenntnisweise
Erklären und
Vorhersagen
Syste-matisch unter-suchen
Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten
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Suche nach Gesetz-
mäßigkeiten
QP-Formalismus
Interferenz-Phänomene
Musterja/nein?
Verbales Modell
Die physikalische Erkenntnisweise
Was ist bei allen Interferenzexperimenten gemeinsam?
Gesetzmäßigkeit zum 2. Wesenszug:
„Mehrere Alternativen“
„Mehrere Möglichkeiten“
Immer wenn es mehrere
klassisch denkbare Möglichkeiten gibt,
dann ist ein Interferenzmuster möglich.
Gesetzmäßigkeit zum 2. Wesenszug:
Warum „klassischdenkbare Möglichkeiten“?
Sonst müsste man ja Fußballergebnissebekommen.
Atomofen
Doppelspalt
Atomofen
Doppelspalt
Interferometer mit einzelnen Photonen
Interferometer mit einzelnen Photonen
2 k.d.M:
Beugung an Kristallen
Beugung an Kristallen
Mehrere klassisch denkbare Möglichkeiten:
Beugung an stehender Lichtwelle
Mehrere klassisch denkbare Möglichkeiten:
Beugung an stehender Lichtwelle
Zwei klassisch denkbare Möglichkeiten:
4He 4He 4He 4He
Streuversuch
Wesenszug:„Komplementarität“
Wenn das Experiment weitere Messmöglichkeiten enthält, kann das Interferenzmuster verschwinden.
nichtlinearer Kristall
D
1
D
2
Wechselwirkung,also Stöße,also Störungender Bahn?
Verschwindet das Muster aufgrund derunvermeidbaren Stöße?
Nein:Das Muster verschwindet auch,wenn der Impulsübertrag für die Stoßerklärung zu klein ist.
Gedankenexperiment von Scully et al. (1991):
Anregungslaser
Atomofen
H1
H2
Realisierung:
Dürr, Nonn, Rempe (1998)
Ergebnis:
Atom-InterferometerErgebnis:
Gesetzmäßigkeit zur „Komplementarität“
Immer wenn (zum Zeitpunkt des Nachweises) eine Messung möglich ist,
deren Messergebnisse den k.d.M.
zugeordnet werden können,
dann gibt es doch kein Interferenzmuster.
Interferometer mit einzelnen Photonen
Interferometer mit einzelnen Photonen
2 k.d.M:
Nichtlinearer Kristall
Photonen-“Spaltung“
Nichtlinearer Kristall
Photonen-“Spaltung“
nichtlinearer Kristall
Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
Mandel et al.
Wesenszug: Komplementarität
Immer wenn (zum Zeitpunkt des Nachweises) eine Messung möglich ist,
...
nichtlinearer Kristall
Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
D1
D2
mögliche Messung:
nichtlinearer Kristall
Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
D1
D2
mögliche Messung:
nichtlinearer Kristall
Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
D1
D2
mögliche Messung:
Wesenszug: Komplementarität
Immer wenn (zum Zeitpunkt des Nachweises) eine Messung möglich ist,
deren Messergebnisse den k.d.M.
zugeordnet werden können,
...
Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
D1
D2
Zuordnung von D1 zur roten k.d.M.
Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
D1
D2
Zuordnung von D2 zur grünen k.d.M.
Wesenszug: Komplementarität
Immer wenn (zum Zeitpunkt des Nachweises) eine Messung möglich ist,
deren Messergebnisse den k.d.M.
zugeordnet werden können,
dann gibt es doch kein Interferenzmuster.
nichtlinearer Kristall
Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
D1
D2
mögliche Messung:
Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler
D1
D2
Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
D1
D2
Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler
D1
D2
Zuordnungs-Information gelöscht:„Quantenradierer“
Photonen-“Spaltung“ im Interferometer
Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler
Ist das Überraschend? Ungewohnt? Merkwürdig?
Siehe:Vergleich mit einer Blume.
Feynman: „Wir können das Rätsel nicht zum Verschwinden bringen, indem wir erklären, wie es funktioniert. Wir werden Ihnen nur sagen, wie es funktioniert.“
Warum ist das so?
Neutronenstreuung am C13-Kristall
Streuwinkel
Zahl der Detektionen
vor der Streuung
nach der Streung
Neutronenstreuung am C13-Kristall
Klassisch denkbare Möglichkeitenund Zuordenbarkeit
Interferenzmuster und Komplementarität
• bewusste Fachmethodik bringt Klarheit• weg von der falschen Vorstellung, hin zur abstrakten verbalen Ebene• aktuelle High-Tech-Experimente• Relativierung des Weltbilds
Nichtlokalität bei verschränkten Photonen:
a b
Versuchsergebnis: Wenn a durchgeht, geht auch b durch.Wenn a absorbiert wird, wird auch b absorbiert.
a b
Nichtlokalität bei verschränkten Photonen:
Versuchsergebnis: Wenn a durchgeht, geht auch b durch.Wenn a absorbiert wird, wird auch b absorbiert.
Erklärung 1: Beide hatten schon vorher die Eigenschaft „geht durch“.
Erklärung 2:Wenn a die Eigenschaft „geht durch“ zeigt, nimmt auch b die Eigenschaft „geht durch“ an.
Vergleich mit Socken:Erklärung 1: Beide hatten schon vorher die Eigenschaft „geht durch“.
Erklärung 2:Wenn a die Eigenschaft „geht durch“ zeigt, nimmt auch b die Eigenschaft „geht durch“ an.
N.Y. Tokio„Verborgene Parameter“
N.Y. TokioNichtlokal
Bells Ungleichung:
Annahme: Erklärung 1 ist richtig. Dann kann man daraus die sogenannte Bellsche Ungleichung herleiten. (1966)
Diese steht jedoch im Widerspruch zu den experimentellen Ergebnissen von Aspect et al. (1981)
Folge: Erklärung 1 reicht nicht aus.
Verborgene Parameter alleine können die Versuchsergebnisse nicht erklären.
Folge: Die Quantentheorie muss nichtlokal sein.
Nichtlokalität bei verschränkten Photonen:
a b
Konsequenz:
Eine Messung an a verändert bsofortauch über weite Entfernungen.
Nichtlokalität bei verschränkten Photonen:Kein Widerspruch zu Einstein,da keine Information übertragen werden kann.
Wenn man an a eine bestimmte Polarisation gemessen hat,muss b die gleiche Polarisation haben.Kann man damit nicht jeweils ein bit übertragen?Nein, weil das Messergebnis an a zufällig ist.
100011011101001
a b
Bohmsche Führungswellen= andere Interpretation desQuantenphysik-Formalismus
Eine Alternative zur Standardinterpretation:
Doch Teilchenmodell,aber:wie erklärt man dann die Interferenzmuster?
Wenn das Quanten-objekt jeweils linksoder rechts durch ginge,müsste man die Summenverteilungbeobachten.
Wenn das Quanten-objekt jeweils linksoder rechts durch ginge,
und es beim Durchgangdurch einen Spalt nichtdarauf ankommt,ob der andere offen ist,
müsste man die Summenverteilungbeobachten.
Annahme:
Es kommt beim Durchgangdurch einen Spalt dochdarauf ankommt,ob der andere offen ist.
Wie erklärt man dann die Interferenzmuster?
Bohmsche Führungswellen:„Quantenpotential Q“
y
x
Q
Bahnen im Quantenpotential
Bohmsche Führungswellen:Schließen eines Spalts Quantenpotential verschwindet (fast)
y
x
Q
Bohmsche Führungswellen:Stark nichtlokale Interpretation der Quantentheorie
Bohmsche Führungswellen:
Öffnen der einen Möglichkeit ändert sofort das Quantenpotential auch am anderen Ende.
Auch für andere Quantenobjekte
Bohmsche Führungswellen:
Stark nichtlokaler Charakterundweitere Schönheitsfehler
aber:gleichwertige Interpretationdes gleichen erfolgreichen Formalismus
Wesenszug: Stochastisches Verhalten
Der Auftreffpunkt kannnicht vorhergesagt werden.
Wegen unterschiedlicher,stochastisch verteilter Anfangsbedingungen?
Standardinterpretation:Die Anfangsbedingungen können nur bis zu einembestimmten Grad gleich präpariert werden.(gemäß Heisenbergs Unbestimmtheitsrelation)Darüber hinaus sind sie unbestimmt.
Interpretation mit verborgenen Parametern: Anfangsbedingungen sind zufällig verteilt.
Eine genaue Präparierung ist in beiden Interpretationen nicht möglich.
Die Ergebnisse sind in jedem Fall stochastisch verteilt.
Die Wesenszüge der Quantenphysik
Detaillierte Darstellung in:„Die Wesenszüge der Quantenphysik Modelle, Bilder und ExperimenteZweite, überarbeitete AuflageAulis-Verlag,
ISBN 3-7614-2464-7 AULIS VERLAG
BAND 60
Praxis Schriftenreihe
Powerpoint-Vorträge auf Seminar-HomepageBenutzername / Passwort seminar / pfau
www.seminar-stuttgart.de
Freiburg.ppt.ppt
Die Wesenszüge der Quantenphysik
Praxis der NaturwissenschaftenPhysik in der Schule
Aulis Verlag
Heft 1/53 15. Januar 2004
„Anschauliche Quantenphysik“