Quantenverschränkung und gruselige Fernwirkung

Die Annahme (ob Sie es weinen oder nicht) "aber das Teilchen hat einen bestimmten Spin, wir WISSEN einfach nicht, was es ist, bis es gemessen wird! Duh!" heißt Realismus oder in der Mathematik eine Theorie der verborgenen Variablen .

Die Ungleichungen von Bell besagen nun, dass keine Theorie, die den lokalen Realismus erfüllt (was gleichwertig lokale verborgene Variablen hat), jemals die korrekten Ergebnisse eines quantenmechanischen Experiments vorhersagen kann.

Wir stehen also vor einem Problem: Geben wir die Lokalität oder den Realismus auf?

Die meisten Menschen entscheiden sich für den Realismus, da die Aufgabe der Lokalität unsere Vorstellungen von Kausalität vollständig zerstören würde. Es ist möglich, dass es eine nicht-lokale Theorie gibt, die jeder Eigenschaft zu jeder Zeit einen bestimmten Wert zuordnet, aber aufgrund ihrer Nicht-Lokalität wäre sie noch unintuitiver als „Teilchen haben keine bestimmten Eigenschaften“.

Es gibt keine intuitive Erklärung für den Nicht-Realismus der Realität (es muss einen Weg geben, das besser auszudrücken ...), weil unsere Intuitionen in der makroskopischen Welt geschmiedet wurden, die in guter Näherung klassisch ist. Aber der Nicht-Realismus ist ein Effekt, der kein klassisches Analogon hat, also können wir ihn nicht in ziemlich einfachen Bildern oder schönen, nur so Geschichten verstehen.

Manchmal müssen wir die Welt einfach so nehmen, wie sie ist. (Ich bin davon ausgegangen, dass Sie nicht wollen, dass die ganze QM-Geschichte von nicht-kommutierenden Observablen und Eigenbasen usw. erklärt, warum wir formal von QM-Prinzipien erwarten, dass Realismus falsch ist. Wenn ich mich in dieser Hinsicht geirrt habe, sagen Sie es mir einfach )

In diesem Moment "nimmt" das andere Teilchen den anderen Spin an.

Hier machst du einen Fehler, denn die Dinge sind eigentlich seltsamer als das. Ich werde versuchen, dies einfach zu halten, vor allem, weil ich sonst äußerst strenge Argumente vorbringen müsste, da dies eine Angelegenheit ist, bei der verschiedene Physiker die Dinge möglicherweise etwas anders sehen.

Eine historische Anmerkung: Die Ansicht von QM, die Sie jetzt haben, wurde durch Experimente gefestigt, die Bell-Ungleichungen testeten. Um es kurz zu machen, diese Ungleichungen mussten gelten, wenn QM wahr war, aber wenn sie galten, bewiesen sie definitiv, dass "lokaler Realismus" nicht gelten konnte. „Lokal“ (wieder um die Dinge einfach zu halten) kann man sich so vorstellen, dass die Theorie niemals vorhersagen wird, dass Ereignis B als Ergebnis von Ereignis A eintritt, es sei denn, ein Signal, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, hatte die Zeit, sich von A nach B zu bewegen ("gruselige Fernwirkung" verletzt dies, weil es sofort geschehen muss). Realismus, den Sie sich vorstellen können, bedeutet Ihren eigentlichen Einwand gegen QM:

aber das Teilchen hat einen bestimmten Spin, wir WISSEN einfach nicht, was es ist, bis es gemessen wird!

Nun, hier ist die Sache, Laien wie Sie könnten versucht sein, auf Lokalität statt auf Realismus zu verzichten. Nur dann kann man überhaupt von „Spukwirkung auf Distanz“ sprechen, denn Fakt ist, dass wenn das Teilchen keinen eindeutigen Spin hat, keine „Spukwirkung“ erforderlich ist. Wenn wir akzeptieren, dass die von QM vorhergesagten Wahrscheinlichkeiten ein intrinsischer Teil der Natur des Partikels sind, dann sehen wir nur die vorhergesagten Korrelationen, nicht das Ergebnis einer Zustandsänderung eines Partikels, weil ein anderer gemessen wurde.

Der Verzicht auf Realismus scheint Sie zu stören, sodass Sie stattdessen versucht sein könnten, zu sagen: "Lasst uns die Lokalität aufgeben!". Leider funktioniert das für dich, mein Freund, nicht. QM kann man sich als eine Art vereinfachte Version von QFT vorstellen, die in ihren ersten Prinzipien explizit lokal ist (zumindest für das Standardmodell Lagrange). Außerdem ist es eigentlich sinnvoller, den Realismus aufzugeben, schon allein deshalb, weil die Theorie einem das eigentlich sagt. Der einzige Grund, warum wir in Betracht ziehen, die Lokalität aufzugeben, ist, dass die Intuition eines Laien (oder Physiker, bevor wir schließlich akzeptierten, dass dies die Natur der Dinge war) versucht sein könnte, einen verworrenen nicht-lokalen Mechanismus wie „spukhafte Fernwirkung“ zu erfinden, aber Es gibt keinen Grund, dies zu tun, und es fügt Ihrer Theorie nur eine unnötige und nicht überprüfbare Ebene von Komplikationen hinzu.

Ich möchte hier nur erwähnen, dass jedes probabilistische System, sogar das klassische, eine Art „Verschränkung“ oder „spukhafte Fernwirkung“ aufweisen kann.

Stell dir zum Beispiel vor, du hättest$2$Schachteln und eine Schüssel in jeder Schachtel. Die Schale könnte nur eine weiße oder schwarze Farbe haben, und die beiden Schalen haben die gleiche Farbe. Die Kisten werden geschlossen, dann bleibt eine Kiste auf der Erde und die andere Kiste wird zum Planeten March geschickt.

Stellen Sie sich vor, Sie sind ein externer Beobachter, der die Schalen nicht in die Kisten steckt, Ihre Analyse des Systems ist folgende: Man hat die Wahrscheinlichkeit$\frac{1}{2}$eine weiße Schale in den beiden Kästen zu finden, und eine Wahrscheinlichkeit$\frac{1}{2}$um in den beiden Kisten eine schwarze Schale zu finden. Dies ist ein probabilistisches klassisches System.

Beachten Sie, dass dies für Sie bedeutet, dass die Schalen in den Boxen keine bestimmte Farbe haben.

Jetzt können Sie die Kiste öffnen, die auf der Erde bleibt. Sieht man eine weiße Schale, weiß man sofort, dass die Schale in der Marschkiste auch weiß ist und stellt sich vielleicht eine „spukhafte Fernwirkung“ vor.

Natürlich gibt es keine „spukhafte Fernwirkung“, und Korrelationen sind keine kausalen Relationen. Hier handelt es sich bei den Korrelationen um Freiheitsgrade (die Farbe), die völlig unabhängig von Positionsfreiheitsgraden sind. Die Korrelationen sind also genau gleich, wenn die Kästchen nahe beieinander oder sehr weit voneinander entfernt sind.

Die Quantenmechanik ist eine probabilistische Theorie, so dass viele der obigen Argumente auch für QM richtig sind. Dies sind jedoch einige spezifische Merkmale, da wir in QM mit Wahrscheinlichkeitsamplituden anstelle von Wahrscheinlichkeiten arbeiten, mit vektoriellen Zuständen anstelle von "Punkt" -Zuständen, sodass der Wert der Korrelationen auch sehr spezifisch ist und Sie diese Korrelationen nicht immer erhalten können sogar durch ein probabilistisches klassisches System (Theorem von Bell). Die Quantenverschränkung ist also etwas Besonderes, sicher, aber in gewissem Sinne ist sie eine Erweiterung einer wahrscheinlichkeitstheoretischen klassischen "Verschränkung".

Abschließend würde ich sagen, dass es viel interessanter ist, probabilistische klassische Systeme und (probabilistische) Quantensysteme zu vergleichen. Es ist nicht sehr interessant, deterministische klassische Systeme und QM zu vergleichen.

Sie haben die Verstrickung nicht richtig beschrieben. Was muss man erklären, um zu verstehen, was in einem Verschränkungsexperiment vor sich geht? Die Probleme sehen oft in etwa so aus.

(1) Es gibt Observables auf A und B, nennen Sie sie Acorr, Bcorr, so dass Sie das finden werden, wenn Sie die Ergebnisse der Messungen vergleichen, nachdem sie abgeschlossen sind und die Informationen über die Messergebnisse an denselben Ort übertragen wurden sie sind korreliert. Wenn Sie also den Elektronenspin messen, kann es sein, dass die Spins mit Wahrscheinlichkeit 1 entgegengesetzt sind oder mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit, die sich von 1/2 unterscheidet, wenn sie verglichen werden.

(2) Es gibt Observables auf A und B, nennen Sie sie Anoncorr, Bnoncorr, so dass Sie das finden werden, wenn Sie die Ergebnisse der Messungen vergleichen, nachdem sie abgeschlossen sind und die Informationen über die Messergebnisse an denselben Ort übertragen wurden sie sind nicht korreliert. Wenn Sie also den Elektronenspin messen, kann es sein, dass die Spins mit Wahrscheinlichkeit 1/2 entgegengesetzt und mit Wahrscheinlichkeit 1/2 gleich sind.

(3) Es gibt Zwischenfälle. Und insgesamt sind die Korrelationen so, dass sie nicht mit dem übereinstimmen, was Sie erhalten würden, wenn Sie zwei Systeme hätten, die durch lokale klassische stochastische Variablen repräsentiert würden.

Bei der Bewertung der Ergebnisse eines bestimmten Experiments kann es aufgrund von Messfehlern oder was auch immer zu Komplikationen kommen. Sie können sich auch Formeln ausdenken, wie genau sich die Übereinstimmungswahrscheinlichkeiten unterscheiden, je nachdem, welche Observablen Sie auswählen. Das grundlegende Problem besteht darin, dass die Wahrscheinlichkeit, Korrelationen zu sehen, wenn Sie die Ergebnisse vergleichen, von dem abweicht, was Sie von einer lokalen Theorie erwarten würden, die klassische stochastische Variablen verwendet. Insbesondere hängt die Wahrscheinlichkeit einer Korrelation zwischen den verglichenen Ergebnissen von Messungen an verschränkten Systemen davon ab, welche Messung an jedem System durchgeführt wurde.

Als Nächstes kommen die Leute gewöhnlich zu dem Schluss, dass die Quantenmechanik nicht lokal (gespenstisch) ist, aber diese Schlussfolgerung ist falsch. Der Grund, warum Sie die Ergebnisse von Experimenten zur Verschränkung nicht mit lokalen klassischen stochastischen Variablen erklären können, liegt darin, dass Quantensysteme nicht durch klassische stochastische Variablen beschrieben werden können. Sie werden durch Heisenberg-Bildobservablen beschrieben. Diese Observablen stellen viele Versionen eines gegebenen Systems dar, eine für jedes mögliche Messergebnis, das sich gegenseitig stören kann. Das System hat keinen einzigen Wert, bis Sie es messen, weshalb Sie nicht sagen können, was der Wert ist. Wir können die Vorstellung ausschließen, dass eine messbare Größe einen einzigen Wert hat, indem wir Experimente durchführen, deren Ergebnisse nicht erklärt werden können, ohne mehrere Versionen der beteiligten Systeme heranzuziehen. dazu gehören Verschränkungsexperimente und Einzelteilcheninterferenzexperimente. Der Grund, warum Sie beispielsweise nicht mehrere Versionen Ihres Stuhls sehen, ist, dass jede Interaktion, die ein anderes System davon abhängig macht, wo sich Ihr Stuhl befindet, Interferenzen verhindert: Dies wird als Dechorerenz bezeichnet. Ihr Stuhl beeinflusst das Licht um ihn herum, übt Druck auf den Boden aus usw. Dies verhindert Störungen.

Wie erklären wir die Ergebnisse eines Verschränkungsexperiments? Angenommen, es gibt zwei Experimentatoren, Alice und Bob, die Quantensysteme haben, die miteinander verschränkt sind. Was passiert, wenn Bob sein System misst? Die Messapparatur unterscheidet mehrere Versionen, die jeweils eines der möglichen Ergebnisse aufgezeichnet haben. Die Aufzeichnungen von Messungen auf a werden mit Aufzeichnungen von Messungen auf Alices System korreliert, wenn die Messergebnisse verglichen werden, weil die dekohärenten Systeme, die die Messergebnisse tragen, auch lokal unzugängliche Informationen tragen, was hilft, die Korrelation herbeizuführen. Die Observablen der Systeme, die die Messergebnisse von Bob tragen, hängen davon ab, was Bob gemessen hat, aber die Erwartungswerte dieser Observablen hängen nicht von der Messung ab, siehe

http://arxiv.org/abs/1109.6223

http://arxiv.org/abs/quant-ph/9906007 .

Der Erwartungswert einer Observable ist einfach die Summe aus (Wahrscheinlichkeit jedes Ergebnisses) x (Wert der Observablen für jedes Ergebnis) für alle Ergebnisse und dies gibt Ihnen alle Informationen, die Sie mit der Quantenmechanik über diese Observable erhalten können. Da es unmöglich ist, die lokal unzugänglichen Informationen über die Korrelationen zu erhalten, indem nur das Bob-System oder nur das Alice-System gemessen wird, können diese Informationen quantenmechanische Effekte erzeugen, die mehrere Versionen jedes Systems betreffen, wenn die Messergebnisse trotz Dekohärenz verglichen werden. Alle relevanten Vergleiche finden lokal statt, weil die Gleichungen, die beschreiben, wie sich die Observablen entwickeln, lokal sind.

"Ich weiß, dass ein Großteil der Quantenmechanik nicht "intuitiv" ist. Wenn jemand erklären kann, warum Teilchen keine bestimmte Eigenschaft haben, noch bevor wir sie messen, wäre ich dankbar. Danke."

Ich denke, die kurze Antwort lautet: "Weil es so ist." Wir machen das Experiment und bleiben dann beim Ergebnis hängen.

Ich komme immer wieder auf das Zwei-Schlitz-Experiment zurück. Wie geht ein Elektron/Teilchen durch beide Schlitze und interferiert dann mit sich selbst?

Ich bin wirklich zu spät zu dieser Party, aber ich glaube nicht, dass die obigen Antworten Ihre Frage beantworten.

Es gibt zwei Konzepte, mit denen Sie hier arbeiten. Der erste ist der fundamentale Indeterminismus von Quantenmessungen und der andere hat mit Nicht-Lokalität zu tun.

1. Woher wissen wir, dass Photonen keine versteckte Variable haben, die das Ergebnis einer Messung eindeutig bestimmt? Ich glaube nicht, dass die Leute diese Frage angesprochen haben. Hier ist ein tolles Video, das es erklärt. Der Kern davon ist, dass Sie, wenn Sie davon ausgehen, dass dies der Fall ist, unmöglich die Ergebnisse erhalten können, die man in Experimenten erhält, in denen die Polarisation sequentiell gemessen wird.

2. Nicht-Lokalität. Viele Leute scheinen verwirrt darüber zu sein, was das Ergebnis von Bells Theorem bedeutet. Sie scheinen zu implizieren, dass man keine "lokale realistische Theorie" haben kann, da Bells Ungleichungen verletzt werden. Also muss man sich entscheiden, was man wegwirft, Realismus oder Lokalität .

   Das ist Blödsinn. Man kann keine örtliche Theoriestunde haben. Eine lokale Theorie in welchem ​​Sinne? in dem Sinne, dass Entscheidungen darüber, was an Photon A gemessen werden soll, das Ergebnis der Messung von Photon B nicht beeinflussen sollten. Genau das wird aber beobachtet. Irgendwie weiß Photon B, welche Frage Alice ihrem Photon stellen wollte, selbst wenn diese Entscheidung außerhalb des Lichtkegels von B getroffen wurde.

Interessanterweise gibt es, wenn die Messung von B und die Wahl von Alice außerhalb des Lichtkegels des anderen liegen, einen Referenzrahmen, in dem zuerst die Messung von B stattfindet und Alice erst dann auswählt, was gemessen werden soll. In diesem Referenzrahmen würden wir die Dinge jedoch so interpretieren, dass die von Bob getroffene Wahl eine Auswirkung auf die Messung von A hat. Was ist also die Ursache und was die Folge?