Auf der Suche nach Klärung der Überlagerung [geschlossen]

Ich denke, das grundlegende Missverständnis der Superposition hat viel mit der populären Interpretation der Quantenmechanik zu tun. So wird Schrödingers Katze in der Populärwissenschaft dargestellt. Wenn sich ein Quantensystem in einem Überlagerungszustand befindet, bedeutet dies, dass das Ergebnis einer Messung einer Eigenschaft dieses Systems ungewiss ist. Das Verrückte an der Quantenmechanik ist, dass sie sich verhält, als ob sie in beiden wäreZustände gleichzeitig. Dies gilt jedoch nur, solange das System noch kohärent ist. Was die populärwissenschaftliche Erklärung „Beobachtungen“ nennt, hat nichts mit Bewusstsein oder einem messenden Beobachter zu tun. Es hat mit einem Phänomen namens Quantendekohärenz zu tun. Grundsätzlich existiert das System in einem Überlagerungszustand, bis dieses System thermodynamisch irreversibel mit der Umgebung interagiert. Diese Wechselwirkung führt dazu, dass die Wellenfunktion zusammenbricht und Schrödingers Katze tot oder lebendig ist. Diese Wechselwirkung könnte ein Elektron sein, das auf einen Detektor trifft, oder es könnten zufällige Neutrinos sein, die durch das System gehen, oder ein Photon, das damit interagiert, oder so ziemlich alles. Deshalb ist es so schwierig, Quantencomputer zu bauen; Sie müssen sicherstellen, dass das System nicht Sie dürfen nicht mit der Umgebung in irgendeiner Weise interagieren, um sicherzustellen, dass sie kohärent bleibt (in einem Zustand der Überlagerung). Also um deine Fragen zu beantworten:

1. Was ist, wenn ein hirntoter Mensch es ansieht und es nicht versteht? Beobachtung durch ein menschliches Bewusstsein ist keine Voraussetzung für Dekohärenz. Die Wellenfunktion war bereits durch die auftreffenden Photonen kollabiert, die es dem Hirntoten ermöglichten, zu sehen.

2. Was ist, wenn ich ein Foto mache und dieses Bild Jahre später nicht mehr anschaue? Ist die Katze seit Jahren sowohl am Leben als auch tot, nur weil ich mir das Bild nicht angesehen habe? Wie oben kollabierte die Wellenfunktion in dem Moment, in dem sie mit Lichtphotonen interagiert, in einen bestimmten Zustand.

3. Was ist, wenn ein Freund und ich eine Münze werfen und nur ich hinschaue? Als ich gefragt wurde, was herauskam, sagte ich "Heads" und er sagte "Both". Haben wir beide Recht? Macht ihn mein absolutes Wissen nicht falsch?Zunächst einmal ist ein Münzwurf kein Beispiel für Quantenüberlagerung. Nehmen wir an, Sie haben ein Elektron "umgedreht", sodass es mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % entweder in einem Spin-Up- oder Spin-Down-Zustand landet. Wenn Sie den Spin messen, kollabiert die Wellenfunktion aufgrund der Interaktion mit dem Werkzeug, mit dem Sie die Messung durchführen. Dann könnten Sie „oben“ oder „unten“ sagen, aber Ihr Freund würde sagen „Ich weiß nicht“. Ihr Freund könnte dann den Spin des gleichen Elektrons messen und er würde die gleiche Antwort bekommen wie Sie. Sobald die Wellenfunktion zusammenbricht, befindet sich der Spin nicht mehr in einem Zustand der Überlagerung. Es gibt keine Möglichkeit, mit einer einzigen Messung „sowohl nach oben als auch nach unten“ zu kommen.

4. Existiert Materie weiter, nachdem Sie Ihre Augen geschlossen haben? Ja. Auch hier ist es nicht erforderlich, einen menschlichen Beobachter zu haben, damit die Wellenfunktion kollabiert. Außerdem sind Quanteneffekte auf makroskopischer Ebene im Allgemeinen nicht beobachtbar (mit wenigen Ausnahmen). Stellen Sie diese Fragen jedoch keinem Philosophen.

Der Sinn von Schrödingers Katzen-Gedankenexperiment bestand darin, zu zeigen, wie absurd Quanteneffekte im makroskopischen Maßstab wären. Damit es in der Praxis funktioniert, müsste die Katze in der Kiste vollständig von der Außenumgebung isoliert werden, sonst würde die Wellenfunktion nicht in einem Zustand der Überlagerung bleiben.

Ich würde sagen, Sie leiden ein wenig unter Pop-Science-Müdigkeit. Sie müssen von diesen Dingen nicht überzeugt werden, weil die große Mehrheit der arbeitenden Physiker nicht auf diese Weise über die Quantenmechanik denkt.

1. Was, wenn ein hirntoter Mensch hinschaut und es nicht versteht?

Das nennt man "die Frage stellen", denke ich. Abgesehen von einer Handvoll Menschen, die (meiner Meinung nach) aus der Bahn geraten sind, wird Ihnen kein arbeitender Quantenphysiker sagen, dass unser Bewusstsein etwas mit den Ergebnissen von Messungen zu tun hat. Der „Zusammenbruch der Wellenfunktion“ oder wie auch immer man es nennen will, ist keine Folge unserer bewussten Veränderung. Sie ist vielmehr eine Folge der Interaktion/Korrelation zwischen Messgerät und zu messendem System. (Es sei denn, Sie sind ein Quanten-Bayesianer und denken, dass ein quantenmechanischer Zustand der Wissensstand einer Person ist, aber dann ist die Quantenmechanik eher eine Theorie darüber, wie wir Informationen über das Universum gewinnen, als eine Beschreibung der Funktionsweise des Universums, und selbst innerhalb dieses subjektiven Rahmens (der, um es klar zu sagen, eine Minderheitsmeinung über die Grundlagen der Quantenmechanik darstellt), behauptet niemand, dass das mangelnde Verständnis über ein Objekt die Eigenschaften dieser Objekte irgendwie verändert !

2. Was ist, wenn ich ein Foto mache und dieses Bild Jahre später nicht mehr anschaue? Ist die Katze seit Jahren sowohl am Leben als auch tot, nur weil ich mir das Bild nicht angesehen habe?

Nein. Sie wissen nicht, ob die Katze lebt oder tot ist, aber die Katze ist entweder tot oder lebendig, weil sie ein makroskopisches Objekt ist. Was die Quantenmechanik betrifft, so sagen wir nicht: „Das Elektron ist an zwei Orten gleichzeitig“. Wir sagen, dass es sich in einer Überlagerung verschiedener Quantenzustände befindet und dass wir das Ergebnis einer an diesem Elektron durchgeführten Messung nicht vorhersagen können. Bearbeiten: Um es klar zu sagen, die Überlagerung von zwei Quantenzuständen ist selbst ein Quantenzustand, daher ist es nie der Fall, dass sich etwas gleichzeitig in zwei Zuständen befindet.

3. Was, wenn ein Freund und ich eine Münze werfen und nur ich hinschaue? Als ich gefragt wurde, was herauskam, sagte ich "Heads" und er sagte "Both". Haben wir beide Recht? Macht ihn mein absolutes Wissen nicht falsch?

Hoffentlich sagt Ihr Freund „Ich weiß nicht“, nicht „Beide“, denn „Beide“ ist eine absurde Antwort. Noch einmal, bei Superposition geht es (meiner Meinung nach) nicht darum, was das Elektron gerade tut, sondern darum, dass Messergebnisse unvorhersehbar sind. (Das ist natürlich nicht ganz richtig, denn die Grundlagen der Quantenmechanik müssen noch gut verstanden werden, wenn das überhaupt möglich ist. Ich versuche nur, einige der Missverständnisse zu korrigieren, die Sie an den Tag legen.) Jedenfalls tun Sie das nicht absolut wissen, dass die Münze Kopf ist; Ihr Gehirn könnte Sie anlügen.

4. Es scheint, als wäre der Trend in der Wissenschaft schon immer gewesen, uns zu zeigen, wie klein und respektlos wir sind. Von der Erkenntnis, dass wir nicht im Mittelpunkt des Universums stehen, über die Erkenntnis, dass wir nur ein Planet von vielen sind, in einem Sonnensystem von vielen, in einer Galaxie von vielen und möglicherweise sogar in einem Universum von vielen, bis hin zur Erkenntnis dass alles Leben auf der Erde vom selben Ort stammt (was uns weniger besonders macht, als wir dachten), bis wir herausgefunden haben, dass unser genetischer Code mit genetischem Aufblähen gefüllt ist und der kleine Rest fast identisch mit einer Banane ist. Nach all dem finde ich heraus, dass ich tatsächlich so besonders bin, dass alle Materie im Universum aufhört zu existieren, wenn ich meine Augen schließe!

Zunächst einmal sagt die Wissenschaft nichts darüber aus, wie klein und irrelevant wir sind. Wir sind einfach eine Spezies, die unsere Einzigartigkeit aus irgendeinem Grund schätzt, und wir sind nicht so einzigartig, wie wir denken. Wen kümmert es, dass wir nicht im Mittelpunkt des Universums stehen?

Aber was Ihre letzte Aussage angeht: NEIN. Physiker glauben nicht, dass das Universum aufhört zu existieren, wenn man es nicht beobachtet. Dies ist eine seltsame Art von Pop-Bastardisierung der Prinzipien der Quantenmechanik, die es irgendwie in die Welt geschafft hat, weil (1) Wissenschaftler nicht gut erklären, was sie tun (was schwierig ist, und sie ' sind nicht für diese Art der Kommunikation ausgebildet), (2) Menschen, die nicht erkennen, dass Wissenschaftler oft Analogien verwenden , um ihren Standpunkt zu vermitteln, und daher die Analogie mit der Realität verwechseln, und (3) Menschen, die die Sprache der Quantenmechanik verwenden, um ihre Argumente zu rechtfertigen eigene Lieblingsüberzeugungen über Dinge.

Nur zu Frage Nummer 3:

1) Wenn Ihr Freund überhaupt etwas über Quantenmechanik weiß, wird er nicht "Beides" sagen, weil die Quantenmechanik niemals zulässt, dass sich etwas in zwei Zuständen gleichzeitig befindet.

2) Wenn Ihr Freund sich ein bisschen mit Quantenmechanik auskennt, könnte er den Fehler machen, „Weder noch“ zu sagen, denn schließlich befinden sich die meisten Münzen (zumindest die meisten sehr sehr kleinen Münzen) tatsächlich in keinem dieser beiden Zustände ( aus unzähligen anderen Möglichkeiten).

3) Aber wenn Ihr Freund wirklich etwas von Quantenmechanik versteht, wird er wahrscheinlich sagen "Das eine oder andere, aber ich weiß nicht welches", vorausgesetzt natürlich, dass ihm bewusst ist, dass Sie Ihre Messung durchgeführt haben, die den Zustand der verändert Münze. (Und vorausgesetzt, der Zustand der Münze hatte keine Gelegenheit, sich weiter zu entwickeln, seit Sie Ihre Messung durchgeführt haben – in diesem Fall wird er sagen: „Eins von X oder Y, aber ich weiß nicht welches“, wo X und Y sind die Zeitentwicklungen von „Kopf“ und „Zahl“.) (Vorausgesetzt natürlich, dass er den entsprechenden Hamiltonoperator kennt und berechnen kann.)

(Alternativ könnte er der Ansicht sein, dass Sie und die Münze in einem verstrickten Zustand sind. Aber noch einmal, Sie befinden sich in einem und nur einem verstrickten Zustand.)

Zu Frage 2 (und zum allgemeinen Ton all Ihrer Fragen): Es ist (ziemlich offensichtlich, sollte ich meinen) nicht möglich, dass eine Katze lebt und tot ist. Es ist im Prinzip möglich, dass es sich in einem von vielen anderen Zuständen als lebendig und tot befindet ( z. B. 2*lebend+3*tot oder (3i+1)lebend-(6i)tot), aber es kann immer nur in einem Zustand sein. Es gibt nichts Grundlegenderes in der Quantenmechanik als das.

Der Prozess des "Zusammenbruchs" kann fast vollständig allein dadurch gehandhabt werden, dass Sie Ihre Messapparatur in eine Quantenbeschreibung einbeziehen. Es ist die Quanteninteraktion zwischen Beobachter und Beobachtetem, die den Kollaps verursacht. Für die Mathematik dieses Prozesses möchten Sie sich vielleicht meine Antwort auf Partikelwechselwirkungen ansehen, die NICHT als Beobachtungen gelten?mehr dazu. Nun, selbst wenn Ihre Augen geschlossen sind, interagiert alles ständig mit allem anderen (stoßende Gasmoleküle, Strahlung, Geräusche, was auch immer), also wenn Sie den Zustand der Münze kennen (d.h. ob der Quantenzustand der Münze hat entkoppelt und ist nun mit dem Zustand der Umgebung verbunden), dann "weiß" Ihr Freund es auch, weil er mit der Münze interagiert hat - wenn auch nur durch Gasmoleküle. Also, wenn dieses Quantenzeug nur eine „normale“ Interaktion ist, was ist dann die große Sache?

Sie haben gesehen, was mit einem Elektron passiert. Es verursacht echte Interferenzeffekte mit sich selbst und passiert daher beide Schlitze gleichzeitig.

Sie haben (hoffentlich) gesehen, was mit einem Silberatom passiert, wenn es durch einen Stern-Gerlach-Apparat geleitet wird . Während ein klassischer makroskopischer Magnet ein magnetisches Moment in jeder Richtung haben kann, hat ein Silberatom nur ein magnetisches Moment entlang der gemessenen Richtung$+$irgendeine Einheit bzw$-$diese Einheit. Seltsam, aber vielleicht sind wir einfach nicht schlau genug, um die völlig klassischen Regeln herauszufinden, die das Silberatom regieren.

Hoffentlich haben Sie gehört (Zitat aus Wikipedia): „Feynman hat gerne gesagt, dass die gesamte Quantenmechanik durch sorgfältiges Nachdenken über die Auswirkungen dieses einzelnen Experiments gewonnen werden kann.“ Aber vielleicht sind Sie ein härterer Verkäufer als das und möchten für Ihr Leben an der klassischen Mechanik festhalten.

Es gibt konkretere Beweise, aber es kann eine lange Geschichte sein. Ich empfehle hier die Behandlung der Bellschen Ungleichung:

1. Eine großartige Darstellung der Probleme von Veritasium auf YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=ZuvK-od647c

2. Ein ziemlich fortgeschrittener Vortrag von Sidney Coleman http://media.physics.harvard.edu/video/?id=SidneyColeman_QMIYF , der deutlich macht: Wenn Sie ein Geizhals sind, der die klassische Mechanik anwenden will und die Quantenmechanik hasst, müssen Sie verletzen die endliche Lichtgeschwindigkeit (lokaler Realismus). Dies wiederum verstößt entweder gegen das Relativitätsprinzip (dass es keinen bevorzugten Bezugsrahmen gibt) oder das Kausalitätsprinzip (dass Ereignisse in der Zukunft aus Ereignissen in der Vergangenheit folgen). Treffen Sie Ihre Wahl.

3. eine rigorose, aber fortgeschrittene Darstellung zu Bells Ungleichungen http://physics.ucsd.edu/~mcgreevy/w15/130C-2015-chapter01.pdf Wichtig ist die Idee: Wenn Sie davon ausgehen, dass das Teilchen gleichzeitig sowohl einen Positions- als auch einen Impulswert hat , du weißt es einfach nicht, dann kannst du auf Widersprüche stoßen. (Es sei denn natürlich, Sie verwenden Ihre griesgrämige Relativitätstheorie, die die Relativität verletzt).

Momentan beobachtet man einen Zustand, nicht der Staat bricht zusammen, sondern unser Wissen über diesen Zustand bricht zusammen. Das ist richtig für Katzen in Boxen mit Giftuhren.

Eine andere Sache ist, wenn Sie mit der Überlagerung von Quantenzuständen zu tun haben. Bei einem Bose-Einstein-Kondensat befinden sich alle beteiligten Atome in einer Überlagerung und eine starke Beobachtung eines Atoms zerstört die Überlagerung dieses Atoms im BEC.

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Sie haben Ihre Frage bearbeitet und darauf hingewiesen, dass, wenn man ein Elektron beobachtet, es wie ein Teilchen wirkt. Wenn sie in irgendeiner speziellen Wechselwirkung stehen (mit Schlitzen {oder einem Schlitz oder einer einzelnen Kante}), zeigt die sekundäre Beobachtung der Streifen eine wellenartige Verteilung.

Aus dieser stationären Verteilung auf ankommende Wellen zu schließen, hat eine gewisse Schwäche. Wenn man bei Wasserwellen hinter einem Doppelspalt ein Bild auf diese Wellen schießt, ergibt sich eine Intensitätsverteilung mit doppelter Amplitude in einigen Punkten und zwischen Punkten mit Wellenauslöschung. Wenn man jedoch mehr Bilder aperiodisch aufnimmt, befinden sich alle Minimum- und Maximumpunkte an unterschiedlichen Positionen, sie bewegen sich.

Wenn wir dieses Verhalten von Wasserwellen mit Elektronen oder Photonen vergleichen, was müssen wir daraus schließen?

Ich möchte eine zweite Antwort geben (die erste wäre, dass sich bei Elektronen und Photonen auch die Intensitätsmuster bewegen müssen). Wenn alle Wellen vom selben Punkt ausgehen und dieser Punkt die sehr scharfe Kante ist (egal, ist dies eine einzelne Kante oder ein Schlitz oder mehrere Schlitze), dann sehen wir eine stationäre Verteilung. Um ein solches Ergebnis zu erhalten, müssen wir die Wechselwirkung zwischen den Partikeln und der Kante berücksichtigen. Kanten enthalten Oberflächenelektronen mit ihrem elektrischen Potential und scharfe Kanten haben ein hohes Potential. Elektronen haben natürlich auch ein elektrisches Feld und Photonen haben ein oszillierendes elektrisches Feld. Es ist eine Tatsache, dass die Streifen von Elektronen hinter einem Spalt den geometrischen Schatten verbreitern, während bei Photonen einige Streifen innerhalb des geometrischen Schattens liegen. Denken Sie ein wenig länger über diese Tatsache nach.

Die Wechselwirkung der elektrischen Felder von fliegenden Teilchen und Kanten ist quantisiert und dies ist der Grund für die Intensitätsverteilung hinter Kanten.