August 6, 2022

Können Teilchen wirklich an zwei Orten gleichzeitig existieren?

Wenn es um die Quantenmechanik geht, wiederholen Menschen oft ohne zu zögern einen Satz, den sie schon oft über Quanten gehört haben: dass Teilchen an zwei Orten gleichzeitig sein können. Weitere Erläuterungen dazu von einem Physiker namens Sabin Hasenfelder Wir lesen im folgenden Artikel.

Die Quantenmechanik ist eine seltsame Welt. Betrachtet man ein Objekt, verändert es sich. Wenn Sie seine Geschwindigkeit kennen, können Sie seinen Standort nicht bestimmen. Es scheint auch, dass Messungen in der Vergangenheit später gelöscht werden können. Teilchen verhalten sich manchmal wie Wellen und können gleichzeitig an zwei Orten sein. Katzen können sowohl lebendig als auch tot sein. Das sind die Dinge, die einem in den Sinn kommen, wenn wir über Quantenmechanik sprechen. Aber passieren all diese Dinge wirklich?

Insgesamt ist die Quantenmechanik eine erstaunliche und gültige Theorie, die bisher alle Tests bestanden hat, um ihre Gültigkeit zu testen. Diese Theorie war die Grundlage für die meisten technologischen Fortschritte des vergangenen Jahrhunderts, denn wie könnten elektronische Geräte ohne die diskreten Energieniveaus funktionieren, die wir dank der Quantenmechanik kennen? Wir konnten mathematische Methoden entwickeln, um die Quantenmechanik zu erklären, aber nach einem Jahrhundert der Debatte wissen wir immer noch nicht genau, was die Mathematik der Quantenmechanik bedeuten kann.

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Betrachten Sie zum Beispiel diese Idee: Partikel können an zwei Orten gleichzeitig sein. Wir wissen, dass Teilchen gleichzeitig an einem Ort vorhanden sein können, zum Beispiel verlässt ein Elektron einen bestimmten Punkt, wenn es auf den Bildschirm trifft. Wie wir erwarten, können diese Teilchen in der Quantenmechanik als Teil möglicher Lösungen verwendet werden.

Aber die Quantenmechanik ist eine lineare Theorie; Mit anderen Worten, wenn einzelne Teilchen an bestimmten Orten vorhanden sind, dann muss sich auch die Summe der Teilchen gleich verhalten. Wir nennen diese Teilchensummenüberlagerung. Was soll man nun zu einem Teilchen an einem bestimmten Ort zusätzlich zu demselben Teilchen an einem anderen Ort sagen? In dieser Situation haben wir keine zwei Teilchen, denn dann würden wir sie mit einem Produkt und nicht mit einer Summe beschreiben. Wenn wir in diesem Fall sagen, dass es in dieser Situation zwei Teilchen gibt, bedeutet das, dass das Teilchen gleichzeitig an zwei Orten existiert? Dies ist ein Satz, der oft gehört wird, also ist er es vielleicht wirklich.

Aber was genau ist Superposition? Superposition ist eine mathematische Methode, um das beobachtete Phänomen zu beschreiben. Wir brauchen Superposition, weil dieses Phänomen die wellenartigen Eigenschaften von Teilchen erklären kann. Die Interferenz von Wellen auf der Wasseroberfläche ist wie das Phänomen der Neutralisation, wenn der Scheitelpunkt einer Welle mit dem Tiefpunkt einer anderen Welle interferiert, kein Quantenphänomen, sondern Physiker nennen es ein klassisches Phänomen. Aber wie es scheint, können einzelne Teilchen auch mit sich selbst interferieren. Wenn ein einzelnes Lichtteilchen, Photon genannt, durch zwei schmale Schlitze in einem Bildschirm oder Doppelspalt geleitet wird, ist das Ergebnis das, was wir erwarten: das Erscheinen eines Lichtpunkts auf einem Vorhang hinter dem Bildschirm. Aber wenn wir dasselbe für mehr Photonen tun, wird sich im Laufe der Zeit ein Interferenzmuster von Lichtpunkten in Form eines Doppelspalts auf dem Bildschirm bilden.

Einzelne Partikel können auch mit sich selbst interferieren

Die einzige Möglichkeit, das Interferenzmuster zu erklären, besteht darin, zu sagen, dass jedes Teilchen aus der Summe oder Überlagerung von zwei Wegen besteht, von denen einer durch den linken Spalt und der andere durch den rechten Spalt verläuft. Es könnte also einfacher sein zu sagen, dass ein Teilchen beide Wege durchläuft.

Aber ich verwende diesen Begriff aus zwei Gründen nicht. Der erste Grund ist, dass es im realen Raum keine Überlagerung zweier Pfade gibt. Superposition wird in einer abstrakten mathematischen Struktur namens Hilbert-Raum definiert. Dieser mathematische Raum ist nichts wie der physikalische Raum. Deshalb finden wir nicht die richtigen Worte, um es zu beschreiben. Dieser abstrakte Raum gehört nicht zu dieser Welt und ist etwas ganz anderes.

Das nächste Problem bei Superpositionen ist, dass sie trotz der mathematischen Definition nicht beobachtet werden können. Wenn wir ein Teilchen betrachten, sehen wir es an einem bestimmten Ort. Ein Partikel kann sich an einem bestimmten Ort befinden oder auch nicht. Will man durch Messungen herausfinden, durch welchen Schlitz das Photon gelaufen ist, verschwindet das Interferenzmuster. Warum sollten wir also sagen, dass sich ein Teilchen in beide Richtungen bewegt, wenn wir das Teilchen dabei nicht beobachten können?

Die ziemlich langweilige Wahrheit ist also zwangsläufig, dass Überlagerungen nur mathematische Strukturen mit besonderen Eigenschaften sind und wir sie in der realen Welt nicht erfahren können, sodass die Analogien und Metaphern, die zu ihrer Beschreibung verwendet werden, falsch sind. Die Quantenmechanik erscheint uns fremd und unverständlich, weil wir versuchen, sie mit den gleichen Worten zu beschreiben, die wir für Alltagserfahrungen verwenden. Dies ist die Quelle populärwissenschaftlicher Arbeiten über die seltsamen Eigenschaften und Experimente der Quantenmechanik, wie die, die er über die Trennung der Eigenschaften eines Objekts von seinen eigenen schrieb, wie die Trennung des Lachens von der Quanten-Cheshire-Katze (die Cheshire-Katze ist die Name einer fiktiven Figur in Alice im Wunderland). oder Experimente, die zu zeigen scheinen, dass es so etwas wie die Realität nicht gibt. Diese Artikel und Schlussfolgerungen erscheinen nicht nur Ihnen, sondern auch mir bedeutungslos. Und der Grund ist einfach: Diese Worte sind wirklich bedeutungslos.

Ich muss hier zugeben, dass ich Instrumentalist bin. Ich glaube nicht, dass die Mathematik unserer Theorien an sich wahr ist. Es fällt mir leichter zu sagen, dass Mathematik ein Werkzeug zur Beschreibung der Natur ist und nicht mehr. Ich habe kein Problem mit Überlagerungen im abstrakten mathematischen Raum, solange sie gute Vorhersagen unserer Beobachtungen machen; Was sie bisher gut gemacht haben.

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Aber ich bin auch ein Wissenschaftsautor, also kenne ich die Fallstricke: Komplexe mathematische Definitionen auf ahnungslose Leser zu werfen, ist keine gute Möglichkeit, ein Publikum aufzubauen. Unser Ziel ist es, physikalische Phänomene mit den Werkzeugen der Mathematik zu erklären und diese mühsame Arbeit vielleicht auf Kosten des Verlusts von Lesern zu erledigen. Daher versuchen einige Leute, sich vom wissenschaftlichen Schreiben zu distanzieren und verzichten auf die exakte Verwendung von Begriffen wie Superposition und Hilbert-Raum, verwenden stattdessen Quanten-Cheshire-Katzen und andere absurde Begriffe im Titel ihrer Artikel. Dies ist ein verwirrendes Dilemma: einerseits wissenschaftliche und präzise, ​​aber langweilige Begriffe für das normale Publikum zu verwenden und andererseits verführerische Titel zu verwenden, um den Preis, sie zu verwirren und sich vom wissenschaftlichen Schreiben zu entfernen. Aber ich muss zugeben, dass ich manchmal auch Ausdrücke wie „an zwei Orten gleichzeitig“ benutze und ich werde sie in Zukunft verwenden, weil zumindest meine Leser mit diesen Ausdrücken vertraut sind.

Allerdings sollten in den Artikeln ab und zu wissenschaftliche Begriffe verwendet werden, damit die Leser langfristig mit diesen Begriffen vertraut sind. Das ist schon einmal passiert; Nun sind uns Begriffe wie elektrische und magnetische Felder und sogar elektromagnetische Wellen nicht fremd. Diese Ausdrücke haben auch abstrakte mathematische Natur, die nicht in den Kreis unserer direkten physischen Erfahrungen passen. Aber der Elektromagnetismus ist zu einem der Hauptbestandteile der Hochschulbildung geworden, daher ist es für uns einfach und verständlich, darüber zu sprechen.

Durch die Messung von Quanteneffekten verschwinden sie

Es gibt noch einen weiteren Grund, warum die Unfähigkeit, eine geeignete verbale Erklärung zur Beschreibung mathematischer Strukturen zu finden, nicht als Rätsel vorgetäuscht werden sollte, weil sie uns vom eigentlichen Problem der Quantenmechanik ablenkt. Du denkst vielleicht, ich gehöre zu den Menschen, die sich nicht sehr für Worte interessieren und die meiste Zeit den Kopf gesenkt halten und fleißig rechnen. Aber genau deshalb habe ich ein weiteres Problem mit der Quantenmechanik. Die Quantenmechanik sagt uns, was passiert, wenn wir messen; Aber es erklärt nicht, was die Messung ist. Wir können es nicht berechnen, aber wir wissen, dass Quanteneffekte verschwinden, wenn wir sie messen.

Unsere Unfähigkeit zu verstehen, wie Quantenphänomene verschwinden, wird am besten von Erwin Schrödinger und seiner berühmten Katze veranschaulicht. Schrödinger schlug ein experimentelles Design vor, bei dem ein Atom mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% des Zerfalls ein giftiges Medikament freisetzen und letztendlich die Katze töten könnte oder nicht. Diese Idee legt nahe, dass Überlagerungen ohne Messpraxis makroskopisch auffällig werden können. Aber Sie können nie eine Katze finden, die gleichzeitig in der Kiste lebt und tot ist. Also, was ist los?

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Die Standardantwort auf dieses Rätsel lautet, dass der Zustand der Katze ständig gemessen wird. Diese Messung wird nicht von uns durchgeführt; Vielmehr geschieht dies durch Luftmoleküle oder sogar Strahlung, die im kosmischen Mikrowellenhintergrund emittiert wird. Laut dieser Antwort verursachen die Messungen das schnelle Verschwinden des Quantenphänomens. Tatsächlich ähnelt diese Antwort eher einem Geschichtenerzählen, da sie nicht aus mathematischen Lösungen stammt. Für einen schweigsamen und berechnenden Menschen wie mich ist das ein echtes Problem.

Letztendlich denke ich, dass uns die Förderung der Quantenmystik durch die Medien vom eigentlichen Problem im Kern der Quantenmechanik ablenkt: dass wir nicht wissen, was Messung ist. Ja, die Quantenmechanik ist seltsam; Aber tun wir nicht so, als wäre Quantum seltsamer, als es wirklich ist.

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