Wahrscheinlichkeitswellen und Komplementarität PDF

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Wahrscheinlichkeitswellen und Komplementarität Die Akzeptanz von Licht als zusammengesetzt aus Teilchen (oder Photonen) führte zu einer weiteren schockierenden Erkenntnis. Wenn zum Beispiel Licht auf eine nicht perfekt transparente Glasscheibe scheint, kann es passieren, dass 95% des Lichts durch das Glas hindurchtritt, während 5% zurückreflektiert werden. Dies macht Sinn, wenn Licht eine Welle ist (die Welle teilt sich einfach auf und eine kleinere Welle wird zurückreflektiert). Aber wenn Licht als ein Strom von identischen Teilchen betrachtet wird, dann können wir nur sagen, dass jedes Photon, das am Glas ankommt, eine 95% Chance hat, übertragen zu werden, und eine 5% Chance, dass es reflektiert wird.

Das tatsächliche Verhalten jedes einzelnen Photons ist daher völlig zufällig und unvorhersehbar, nicht nur in der Praxis, sondern sogar im Prinzip. Obwohl das Werfen einer Münze zum Beispiel in der Praxis zufällig ist, könnten wir, wenn wir genau alles über die Kraft, den Winkel, die Form, die Luftströmungen usw. wissen, im Prinzip das Ergebnis genau vorhersagen. Das Verhalten eines subatomaren Teilchens ist jedoch auf einer ganz anderen Ebene zufällig und kann niemals vorhergesagt werden.

Daher ist es nicht möglich, ein einzelnes eindeutiges Ergebnis für eine Bewertung zu prognostizieren, sondern nur eine Anzahl verschiedener möglicher Ergebnisse mit jeweils einer bestimmten Wahrscheinlichkeit oder Wahrscheinlichkeit. Die Physik hatte sich daher über Nacht von einer Studie absoluter Gewissheit zu einer nur der Vorhersage der Chancen gewandelt!

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Der Grund, warum wir die Auswirkungen davon nicht auf einer Makroebene sehen, ist, dass alltägliche Objekte aus Billionen oder Billionen subatomarer Teilchen bestehen. Obwohl die Position jedes einzelnen Teilchens höchst unsicher sein kann, weil es so viele von ihnen gibt, die gemeinsam in einem alltäglichen Objekt agieren, addieren sich die kombinierten Wahrscheinlichkeiten zu dem, was in jeder Hinsicht eine Gewissheit ist.

Um das wellenartige und partikelartige Verhalten von Licht in Einklang zu bringen, muss sein wellenartiger Aspekt in der Lage sein, seinen partikelartigen Aspekt darüber, wie er sich verhalten soll, "zu informieren" und umgekehrt. Es war der österreichische Physiker Erwin Schrödinger, zusammen mit dem Deutschen Max Born, der dies zum ersten Mal erkannte und den Mechanismus für diese Informationsübertragung in den 1920er Jahren entwickelte, indem er sich eine abstrakte mathematische Welle vorstellte, eine Wahrscheinlichkeitswelle (oder Wellenfunktion) ein Teilchen dessen, was in verschiedenen Situationen zu tun ist. Erwin Schrödinger schlug eine bahnbrechende Wellengleichung vor, analog zu den bekannten Gleichungen für andere Wellenbewegungen in der Natur, um eine solche Welle zu beschreiben. Born weiter gezeigt, dass die Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen an einem beliebigen Punkt (seine "Wahrscheinlichkeitsdichte") zu finden, auf das Quadrat der Höhe der Wahrscheinlichkeitswelle an diesem Punkt bezogen war.

Schrödinger erarbeitete die genauen Lösungen der Wellengleichung für das Wasserstoffatom, und die Ergebnisse stimmten perfekt mit den bekannten Energieniveaus dieser Atome überein. Es wurde bald gefunden, dass die Gleichung auch auf kompliziertere Atome und sogar auf Teilchen angewendet werden kann, die überhaupt nicht in Atomen gebunden sind. In der Tat gilt es theoretisch für ALLE Materie, obwohl massive Objekte sehr kleine Wellenlängen aufweisen, so klein, dass es ziemlich sinnlos ist, sie wellenartig zu denken. Aber für kleine Objekte wie Elementarteilchen kann die Wellenlänge beobachtbar und signifikant sein.

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Wie das Licht unterliegen auch die Teilchen der Welle-Teilchen-Dualität: Ein Teilchen ist auch eine Welle und eine Welle ist auch ein Teilchen. Mit Hilfe der Schrödinger-Wellengleichung wurde es daher möglich, die Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, an irgendeinem Ort im Raum zu irgendeinem Zeitpunkt ein Teilchen zu finden. Diese Fähigkeit, die Realität in Form von Wellen zu beschreiben, ist das Herzstück der Quantenmechanik. Im Jahr 1926 veröffentlichte Schrödinger einen Beweis, der zeigte, dass Heisenbergs Matrixmechanik und seine eigene Wellenmechanik tatsächlich äquivalent waren und lediglich verschiedene Versionen derselben Theorie vertraten.

Der dänische Physiker Niels Bohr, der zusammen mit Heisenberg und Schrödinger maßgeblich an der frühen Entwicklung der Quantenmechanik beteiligt war, versuchte sich in den frühen 1920er Jahren mit einigen philosophischen Implikationen der Quantentheorie auseinanderzusetzen. Er fand, dass die klassischen und quantenmechanischen Modelle zwei komplementäre Wege zum Umgang mit der Physik darstellten, die beide notwendig waren, eine Idee, die er "Komplementarität" nannte. Diese Idee der Komplementarität bildete die Grundlage der so genannten "Kopenhagener Interpretation" der Quantenphysik, einer zutiefst trennenden Idee in der damaligen Welt der Physik.

Bohr fand, dass eine experimentelle Beobachtung die Wellenfunktion "zusammenbrach" oder "brach", um ihre zukünftige Evolution mit dem, was wir experimentell beobachten, konsistent zu machen (eine Idee, die in unseren nachfolgenden Erklärungen von Quanteneffekten wie Dekohärenz, Verschränkung und Unsicherheit sehr wichtig werden wird) Prinzip). Sobald beispielsweise ein Photon an einem bestimmten Ort beobachtet oder detektiert wird, wird die Wahrscheinlichkeit, dass es an einem anderen Ort detektiert wird, plötzlich Null. Bis zu diesem Punkt ist die Position des Teilchens von Natur aus unsicher und unvorhersehbar, eine Unsicherheit, die erst verschwindet, wenn sie beobachtet und gemessen wird. Dieser unmittelbare Übergang von einer facettenreichen Potentialität zu einer einzigen Wirklichkeit (oder alternativ von einer multidimensionalen Realität zu einer 3-dimensionalen Realität, die mit 3

unserer eigenen alltäglichen Erfahrung kompatibel ist) wird manchmal als Quantensprung bezeichnet.

Bohr glaubte jedoch auch, dass es keinen präzisen Weg gibt, den genauen Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem ein solcher Zusammenbruch stattgefunden hat, und deshalb mussten die Gesetze, die einzelne Ereignisse regeln, zugunsten einer direkten Erklärung der Aggregationsgesetze verworfen werden. Nach diesem Modell gibt es keine tiefe Quantenrealität, keine wirkliche Welt von Elektronen und Photonen, nur eine Beschreibung der Welt in diesen Begriffen, und die Quantenmechanik bietet uns lediglich einen Formalismus, mit dem wir Ereignisse und Eigenschaften vorhersagen und manipulieren können der Materie.

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Die Kopenhagener Interpretation ist also im Grunde genommen eine pragmatische Sichtweise, die besagt, dass es eigentlich gar nicht darauf ankommt, was die Quantenmechanik ist, wichtig ist, dass sie so gut wie möglich "funktioniert" (in dem Sinne, dass sie mit der Realität korreliert) experimentellen Situationen, und keine andere Theorie kann subatomare Teilchen genauer erklären.

Albert Einstein, dessen Werk maßgeblich an der frühen Entwicklung der Quantentheorie beteiligt war, hatte ernsthafte philosophische Schwierigkeiten mit der Kopenhagener Interpretation und führte eine umfangreiche Korrespondenz sowohl mit Bohr als auch mit Heisenberg darüber aus, dass die physische Welt real sein müsse Eigenschaften, ob man sie mißt oder nicht, berühmt im Jahre 1926, dass "ich jedenfalls davon überzeugt bin, dass Er [Gott] nicht würfelt." Er nahm insbesondere von Bohrs Behauptung Abstand, dass ein vollständiges Verständnis der Realität für immer jenseits der Fähigkeiten des rationalen Denkens Sowohl Einstein als auch Erwin Schrödinger veröffentlichten eine Reihe von Gedankenexperimenten, um die Grenzen der Kopenhagener Interpretation aufzuzeigen und zu zeigen, dass Dinge existieren können, die über das hinausgehen, was von der Quantenmechanik beschrieben wird.

Einsteins Position war nicht so sehr, dass die Quantentheorie falsch war, sondern dass sie unvollständig sein musste. Er beharrte bis zu seinem Todestag darauf, dass die Vorstellung, dass die Position eines Teilchens vor der Beobachtung von Natur aus unerkennbar sei (und insbesondere die Existenz von Quanteneffekten wie Verschränkung als Folge davon), Unsinn war und die gesamte Physik verhöhnte. Er war überzeugt, dass die Positionen und Quantenzustände von Teilchen (selbst vermeintlich verschränkten Teilchen) bereits vor der Beobachtung festgestellt worden sein müssen. Die praktische Unmöglichkeit, dieses Argument auf die eine oder andere Weise experimentell zu beweisen, machte es jedoch im wesentlichen Sache der Philosophie und nicht der Physik.

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Und so blieb es bis zu den experimentellen Arbeiten des amerikanischen Physikers John Clauser und anderer in den frühen 1970ern, wie wir im späteren Abschnitt über Nichtlokalität und Verschränkung sehen werden.

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