Doppelspaltexperiment. Welche Wirkung bewirkt der Detektor eigentlich?

Wenn ein Lichtquant an einem Doppelspalt ankommt, passiert es beide Spalte als Welle und trifft auf einen zweiten Schirm mit dem Interferenzmuster einer einzelnen Welle, die in zwei Wellen aufgespalten wurde, die sich dann gegenseitig interferierten.

Das ist nicht richtig. Die Photonen kommen einzeln als Ganzes an, nicht im Raum aufgeteilt. Was in der Quantenmechanik auf jeden Fall schwankt, ist die Wahrscheinlichkeit, das Teilchen zu entdecken, nicht das Teilchen selbst.

Hier ist das Doppelspaltexperiment, bei dem jeweils ein Photon (Lichtquant) angezeigt wird, und was passiert, wenn viele Photonen angesammelt werden.

Einzelphotonenkameraaufnahme von Photonen aus einem mit sehr schwachem Laserlicht beleuchteten Doppelspalt. Von links nach rechts: Einzelbild, Überlagerung von 200, 1.000 und 500.000 Bildern.

Am Rahmen ganz links sind die Spuren der einzelnen Photonen zu sehen. Die Photonen hinterlassen nicht überall ein Signal, sie treffen in einem bestimmten (x,y) Abstand z auf, entsprechend der Wahrscheinlichkeit der Lösung für den Aufbau „Photonen streuen an zwei Schlitzen mit bestimmter Breite und Abstand“. Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch die$Ψ*Ψ$der spezifischen Wellenfunktion und sieht im ersten Bild links zufällig aus.

Die Anhäufung von Photonen zeigt das klassische Interferenzmuster, was für die Quantenebene die Wahrscheinlichkeitsverteilung bedeutet$Ψ*Ψ$.

Ein Detektor nach einem der Spalte, der das Photon abfängt, verändert die Randbedingungen zu einem anderen System und damit zu einem anderen$Ψ*Ψ$. Es ist nicht mehr derselbe Versuchsaufbau. Es sollte offensichtlich sein, dass, wenn das Detektionsinstrument nach dem Schlitz das Photon wie der Bildschirm absorbiert, nur der unberührte Schlitz ein Signal auf dem entfernten Bildschirm geben wird, das sich nicht selbst stören könnte. (Ein ausgeklügeltes Experiment mit Elektronen, das dies versucht minimal den Effekt zeigen kam zu dem Schluss, dass die Detektionsebene als Punktquelle für die durch sie hindurchgehenden Elektronen wirkt, also eine andere$Ψ*Ψ$für das Elektron, das nicht mehr kohärent ist, um das Interferenzmuster zu zeigen.)

Kann man also davon ausgehen, dass die Erkennung den Zusammenbruch des Wellenanteils der Dualität „verursacht“ hat?

Die Erkennung auf dem Bildschirm hat eine Instanz von (x,y,z) der ursprünglichen Wellenfunktion ausgewählt ("kollabiert") und dieses Photon aus dem endgültigen Bildschirm entfernt. Im Allgemeinen befinden sich die Photonen nach der Erkennung „welcher Schlitze“ in einer anderen Wellenfunktion mit neuen Randbedingungen.

Wie hat die Erkennung die Dualität genau beeinflusst? Kann jemand klären?

Die Dualität wird nicht durch Erkennung beeinflusst, das mathematische Modell, das die Wahrscheinlichkeiten beschreibt.$Ψ*Ψ$, hat ein anderes Ψ, weil sich die Randbedingungen geändert haben und die zur Darstellung der Interferenz notwendige Kohärenz verloren gegangen ist (Kohärenz in den Phasen, die die Photonen in der Raumzeit beschreiben). Auch hier hat der Begriff Welle-Teilchen-Dualität mit der Mathematik der quantenmechanischen Wahrscheinlichkeiten zu tun. Die Wahrscheinlichkeit ist eine Welle, (eine Lösung eines quantenmechanischen Systems) das Teilchen manifestiert sich als Punkt in (x,y,z,t) bei Wechselwirkung in einer Messung, bei Häufung vieler Teilchen mit gleichen Randbedingungen, der Wahrscheinlichkeit Verteilung aufgebaut. (Es ist dasselbe wie beim Würfeln. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung gegenüber den Zahlen 1-6 zeigt sich in der Häufung vieler Würfe).

Vor ein paar Wochen hatte ich eine Arbeit darüber zu schreiben, warum die Interferenzmuster verschwinden, wenn man einen Detektor platziert, um zu bestimmen, durch welchen Schlitz ein Photon hindurchgeht. Das gab mir eine ziemlich gute Vorstellung davon, was vor sich geht, und beantwortete einige dieser Fragen, die ich mir tatsächlich stellte. Da diese Arbeit auf Französisch war, werde ich mein Bestes versuchen, das, was ich verstanden habe, auf Englisch zusammenzufassen.

Betrachten wir einen Lichtstrahl, der auf 2 Schlitze gerichtet ist, und auf der anderen Seite der Schlitze einen Bildschirm, der auf 2 Oszillatoren montiert ist (das ist unser Detektor), etwa so:

Betrachten wir zunächst, dass der Bildschirm angegeben ist. Sie machen keine Messungen, also sehen Sie ein einfaches Interferenzmuster mit unterscheidbaren Strahlen, und ohne es zu demonstrieren (es würde zu lange dauern), haben wir:

Dieses Phänomen ist Wellen eigen.

Zweitens machen wir eine Messung, was bedeutet, dass der Bildschirm jetzt schwingen kann und uns über den Impuls eines Photons (px) informiert:

Um also wissen zu können, aus welchem ​​Spalt ein Photon stammt, müssen wir wissen, ob es p1x oder p2x entspricht:

Und ich bin sicher, Sie haben von der Heinsenbergschen Unschärferelation gehört, die uns die folgende Ungleichung gibt:

Wir stellen fest, dass Delta X die gleiche Größenordnung hat wie der Abstand zwischen 2 Strahlen! Das heißt, wir können ein Interferenzmuster nicht mehr deutlich erkennen! Da wir wissen, dass das Interferenzmuster Wellen eigen ist, können wir sagen, dass Licht nicht mehr die Eigenschaft einer Welle hat und sich wie ein Teilchen verhält!

Dies wird als Komplementaritätsprinzip bezeichnet: Wir können Licht nicht gleichzeitig wie eine Welle und ein Teilchen verhalten sehen.

Ich hoffe, das hat geholfen, zögern Sie nicht, wenn Sie Fragen haben :-)

„Ein Detektor nach einem der Schlitze, der das Photon abfängt, ändert die Randbedingungen auf ein anderes System und damit auf ein anderes Ψ∗Ψ. Es ist nicht mehr derselbe Versuchsaufbau.“

Anna: Sie scheinen anzudeuten, dass ein Detektor im klassischen Sinne mit dem Photon interagiert, indem er das Photon „abfängt“. Können Sie klären, welche experimentellen Bedingungen durch den Nachweis verändert wurden? Wenn Sie von „Randbedingungen“ sprechen, was meinen Sie damit? Meines Wissens nach interagiert ein Detektor nicht mit dem Quant in irgendeiner materiellen Weise, die sein Verhalten beeinflussen könnte.

Kann ich also davon ausgehen, dass die von Ihnen angesprochenen „Randbedingungen“ außerhalb des experimentellen Konstrukts liegen und selbst hypothetisch sind?

Wenn ein Lichtquant an einem Doppelspalt ankommt, passiert es beide Spalte als Welle und trifft auf einen zweiten Schirm mit dem Interferenzmuster einer einzelnen Welle, die in zwei Wellen aufgespalten wurde, die sich dann gegenseitig interferierten.

Was konnten Sie beobachten und was sollten Sie interpretieren?

Was konnten Sie beobachten

Man könnte beobachten, dass ein Photon, das einen Doppelspalt passiert, als Photon auf einen Beobachterschirm (zB einen CCD-Chip) trifft. Wenn Sie diesen Aufbau für eine Weile wiederholen, können Sie beobachten, dass die Einschläge eine Intensitätsverteilung haben, die breiter als der Doppelspalt ist, und zwischen fast keinen Einschlägen und einigen maximalen Einschlägen anschwellen (aus Wikipedia ):

Aber Sie sind neugierig und entfernen einen der Schlitze und später ersetzen Sie den Schlitz durch eine scharfe Kante. In allen Fällen konnte man hinter dem Hindernis eine Intensitätsverteilung (Streifen) beobachten:

Was soll man interpretieren?

Young kam zu dem Schluss, dass ein Lichtstrahl, der durch zwei Schlitze geht, wie eine Wasserwelleninterferenz wirkt (aus Wikipedia ):

Das ist eine vereinfachte Interpretation, weil jede Wasserwelleninterferenz ein sich bewegendes Interferenzmuster erzeugt, was nicht der Fall ist für das Intensitätsmuster von Licht oder sogar Elektronen.

Außerdem werden Wasserwellen hinter einer Kante gebogen, haben aber kein Interferenzmuster.

Der Einfluss der Kanten

Wenn selbst für einzelne geworfene Photonen nach einiger Zeit eine Intensitätsverteilung auftritt, müssen wir dann nicht nach dem Einfluss der Kanten fragen? An den Kanten konzentrieren sich Oberflächenelektronen, interagieren sie mit den Photonen?

Wenn ein Detektor an einem der Schlitze platziert wird und die Dualität an einem der beiden Schlitze detektiert wird, geht die detektierte Dualität weiter zum zweiten Schirm und kommt dort als ein Photon/Teilchen an, das aus seiner elektromagnetischen Welle „entstanden“ ist.

Wenn ein Detektor an einem Schlitz platziert wird, könnte in ungefähr 50% der Fälle ein Partikel detektiert werden. Unterstützt dies Youngs Standpunkt über die Wellennatur des Lichts oder unterstützt es den Standpunkt, dass Photonen unter dem Einfluss der Kanten immer noch Quanten sind?