Schwelle der Quantenmechanik

Die Newtonsche Physik ist im Allgemeinen eine gute Annäherung an ein Problem, solange alle signifikanten Unterschiede in der an dem Problem beteiligten Aktion viel größer als die Plancksche Konstante sind (wenn nicht, wird Quantenmechanik benötigt), die an dem Problem beteiligten Geschwindigkeiten sind viel geringer als die Lichtgeschwindigkeit (wenn nicht, wird spezielle Relativitätstheorie benötigt), und solange der Schwarzschild-Radius eines beliebigen Gravitationsobjekts im Problem viel kleiner ist als der Radius des Objekts (wenn nicht, wird allgemeine Relativitätstheorie benötigt). Wenn ein Problem die Kriterien erfüllt, sowohl Quantenmechanik als auch spezielle Relativitätstheorie zu benötigen, dann Quantenfeldtheoriewird gebraucht.

Die Quantenmechanik ist im Allgemeinen ausreichend, um die Elektronen in Atomen zu analysieren, aber die Quantenfeldtheorie wird im Allgemeinen für jede andere Art von subatomaren Teilchen benötigt .

Die oben genannten sind wirklich nur Faustregeln. Beispielsweise existieren makroskopische Quantenphänomene , bei denen Quantenphänomene auf makroskopischer Ebene sichtbar sind.

Andere mit der Quantenklassik vergleichbare Schwellenwerte sind nicht bekannt, und es ist derzeit kein Grund bekannt, sie zu vermuten.

Die genaue Grenze zwischen Quanten- und klassischer Physik ist eigentlich ziemlich einfach: Es ist Unwissenheit (Quantenphysik) vs. Wissen (klassisch).

Genauer gesagt, unabhängig von den beteiligten Größen, Massen oder Skalen, Quantenregeln gelten immer dann, wenn es im Universum absolut keine Spur von Informationen darüber gibt, was passiert. In solchen Fällen wahrer und absoluter Unwissenheit wird die verborgene Entität auf seltsame und probabilistische Weise versuchen, jede mögliche Geschichte zu erforschen , die offen gelassen wird, die mit den Gesetzen der Physik und der "Hülle der Unwissenheit", die der Rest des Universums sieht, vereinbar ist für das System.

Das Ergebnis dieser Untersuchung aller verfügbaren Optionen wird das Integral aller möglichen Geschichten genannt , und es ist die direkte Quelle all des wellenartigen und probabilistischen Verhaltens, das wir in der Quantenmechanik so seltsam finden. Zum Beispiel beginnt ein einzelnes Teilchen wie eine Welle auszusehen, weil es innerhalb seiner Hülle aus Unwissenheit gezwungen ist (es ist keine Option), eine unendliche Anzahl glatter ähnlicher und naher Pfade zu erkunden.

Sobald jedoch Informationen darüber, was vor sich geht, das System verlassen und unwiderruflich Teil des äußeren Universums werden, hört dieser Aspekt der Entität auf, den Quantenregeln zu folgen, und wird Teil der klassischen Physik, die nur die Erforschung einer möglichen Zukunft zulässt zu einer Zeit.

Der Hauptgrund, warum keine anderen quantenklassischen Schwellenwerte wahrscheinlich erscheinen, ist, dass die obigen Regeln wirklich nur verschiedene Aspekte desselben Phänomens sind. Das heißt, Information ist per Definition der Verlust des Quantenfehlers der unbegrenzten Erforschung aller offenen Optionen, der einen Teil des Universums dazu zwingt, spezifisch, real und historisch zu werden. Ohne diese tiefe und im Wesentlichen tautologische Beziehung zwischen Quantenallgemeinheit und klassischer Spezifität würden Konzepte wie Geschichte und Information ihre Bedeutung verlieren. Schließlich unterscheidet sich ein Universum, in dem alle Dinge gleichzeitig passieren, letztlich nicht von einem Universum, in dem überhaupt nichts passiert ist.

Die Antwort hängt von der thermodynamischen Temperatur der Umgebung dieser Objekte, der Wechselwirkungsstärke, mit der sie an diese Umgebung koppeln, und ihrer Lebensdauer ab.

Die räumlich größten und damit langlebigsten beobachteten Quanteneffekte, die mir bekannt sind, sind Lichtinterferenzstreifen, die von Millionen von Lichtjahren entfernten Galaxien stammen. Der Grund, warum diese Photonen nicht unter Dekohärenz litten, liegt darin, dass sie sehr langlebig sind (die Photonenlebensdauer ist in der Theorie unendlich) und das Universum sowohl sehr kalt als auch nur dünn mit Atomen besiedelt ist, die diese Photonen streuen könnten. Infolgedessen ist das vor so langer Zeit emittierte Licht immer noch kohärent und zeigt genau die gleichen Interferenzterme, die man von einer nur wenige Meter entfernten Lichtquelle im Labor erwarten würde.

Nun, technisch gesehen arbeiten Newtonsche Physik, Relativitätstheorie und QM die ganze Zeit zusammen. Einige der Abstraktionen brechen jedoch zusammen - wenn Sie es beispielsweise mit einem isolierten Elektron zu tun haben, verhält es sich gut in Übereinstimmung mit der Newtonschen Physik. Selbst wenn sich dieses Elektron mit halber Lichtgeschwindigkeit bewegt, verhält es sich aus dem POV des Elektrons immer noch klassisch. Die Interaktionen sind der interessante Teil, und dort liegen die wahrgenommenen "Grenzen".

Jetzt sind sogar Sie als makroskopisches Objekt der Quantenphysik unterworfen. Die klassische Annäherung ist jedoch bei weitem nah genug an der Realität, dass das Hinzufügen von QM zu der Gleichung nicht wirklich viel ändert. Stellen Sie sich das wie zB bei der EM-Ladung eines Atoms vor – kein Atom ist wirklich neutral. Es ist nur so, dass der winzige Elektromagnet leicht in den Tonnen anderer Wechselwirkungen verloren geht, denen das Atom und seine Bestandteile unterliegen - in diesem Fall sind einfache thermische Effekte viel stärker als der Moment.

Eine interessante "Grenze" für QM, von der ich gelesen habe, kann wie folgt zusammengefasst werden: Quantenmechanische Effekte sind wichtig, wenn die physikalische Begrenzung des "Teilchens" erheblich größer ist als die Wellenlänge dieses "Teilchens". So neigen beispielsweise einzelne Elektronen dazu, sich bei EM-Wechselwirkungen weniger klassisch zu verhalten, da der größte Teil der EM-Ladung des Elektrons in einem Radius konzentriert ist, der deutlich kleiner ist als die Wellenlänge des Elektrons. Andererseits ist Ihr Körper viel größer als die Wellenlänge Ihres Körpers als Ganzes, also neigen Sie als Ganzes dazu, sich eher klassisch zu verhalten, auch wenn Ihre Bestandteile dies nicht tun. Am Beispiel einer CPU ist jeder einzelne Transistor von der Quantenphysik (insbesondere Quantenabstimmung) abhängig, um zu funktionieren.nicht "quantenhaft" verhalten.

All dies hängt natürlich davon ab, dass man akzeptiert, dass die Quantenrealität grundlegender oder "näher am Territorium" ist als die Newtonsche Physik. Dies kann so sein oder auch nicht, und es gibt viele Debatten über die Besonderheiten sowie die wichtigsten Punkte (siehe zum Beispiel die verschiedenen Interpretationen der Quantenphysik).

(Haftungsausschluss: Ich bin kein Experte auf diesem Gebiet und habe keine spezielle Ausbildung in Quantenphysik.)

Es ist nicht die Art von Teilchen. Es ist die Aktion. In der QM gibt es ein sogenanntes Pfadintegral. Dies addiert jeden möglichen Pfad mit einem Phasenfaktor, dem Exponential von i (der Quadratwurzel von -1) mal der Aktion. Die Aktion wird durch die Lagrange-Funktion gegeben, wodurch Sie das übliche Prinzip der kleinsten Aktion für die klassische Mechanik erhalten. Der klassische Weg ist der Weg der geringsten Aktion. Jeder andere Pfad wird mit dieser komplexen Zahl multipliziert hinzugefügt, was effektiv bedeutet, dass seine Phase um diesen Betrag verschoben wird. Die Summe all dieser Wege ergibt die Wahrscheinlichkeit dafür, was das Teilchen tun wird.

Sie können also die Quanteneffekte ignorieren, wenn der klassische Pfad das Verhalten des Systems dominiert. Üblicherweise geschieht dies, wenn viele Teilchen vorhanden sind, so dass die nicht-klassischen Pfade im Durchschnitt sehr nahe bei Null liegen. Dies liegt daran, dass sich die Exponentialfunktion mit sich änderndem Argument sehr schnell ändert. Wenn es also viele Teilchen gibt, ändert es sich viel schneller. Der einzige Pfad, bei dem sich alle Partikel tendenziell summieren, ist der klassische Pfad, und die anderen werden dazu neigen, sich zufällig relativ zueinander auszurichten und sich daher tendenziell auszuwaschen.

Hinweis: Tendenziell, nicht unbedingt. Es gibt mehrere bekannte makroskopische Systeme, die Quantenphänomene zeigen können. Zum Beispiel gibt es eine Photomultiplier-Röhre, die im Prinzip dazu gebracht werden kann, ein einzelnes Photon zu erkennen und es so in ein makroskopisches, für das menschliche Auge sichtbares Ding umzuwandeln. Außerdem gibt es einige Kristallstrukturen, die hergestellt werden können, um einzelne Phononenzustände zu erkennen, insbesondere bei kryogenen Temperaturen. Und die MRT zeigt einige eindeutige QM-Phänomene. Ich glaube, es gibt noch einige andere, aber ich erinnere mich gerade falsch an sie.

Die klassische Grenze ist wichtig, weil sie bedeutet, dass QM alle Ergebnisse der klassischen Physik wiedergewinnt. Es behält zum Beispiel noch das Prinzip der kleinsten Wirkung für große Massen aus vielen Teilchen bei.

Der Schlüsselschwellenwert ist https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_decoherence#Loss_of_interference_and_the_transition_from_quantum_to_classical_probabilities Im Wesentlichen oberhalb dieser Grenze erhalten Teile des Systems thermodynamische Informationen von anderen Teilen, die als Beobachter agieren, die Kohärenz brechen und irreversible Entropieänderungen verursachen https:/ /phys.org/news/2013-03-decoherence-quantum.html

Die Erhöhung der Dekohärenzgrenze ist ein zentrales Anliegen des Quantencomputings. https://hackernoon.com/decoherence-quantum-computers-greatest-obstacle-67c74ae962b6 Und die Fehlerkorrektur kann einen gewissen Informationsverlust kompensieren https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_computing#Quantum_decoherence

Es gibt besondere Umstände, unter denen sich Quantenverhalten in größeren Maßstäben manifestieren kann. https://en.wikipedia.org/wiki/Macroscopic_quantum_phenomena Es gibt einen interessanten Fall der Erzeugung einer Quantenüberlagerung von etwas, das (gerade) mit bloßem Auge sichtbar ist https://physicsworld.com/a/quantum-effect-spotted-in -ein-sichtbares-objekt/

Bearbeitet, um hinzuzufügen:

Gibt es andere ähnliche Schwellenwerte in der Physik?

Das ist etwas vage. Was bedeutet es, „wie“ die Quanten-Dekohärenz-Schwelle zu sein? Aber ich denke, eine bejahende Antwort kann gewagt werden.

Im Wesentlichen haben Sie komplexere Gleichungen mit mehreren Termen in der Quantenwelt, die sich in der klassischen Welt auf einfachere Gleichungen reduzieren. Vieles davon hat mit der Größe und Energie von Informationsträgern wie Photonen und thermischen Schwingungszuständen zu tun, aber es ist keine feste und schnelle Grenze.

Wir haben auch komplexere Gleichungen aus der allgemeinen Relativitätstheorie, die sich bei niedrigeren Geschwindigkeiten und Energien und Massen vereinfachen. Diese Verhaltensweisen zeigen, dass Zeit zusammen mit Raum eine Dimension ist.

Es gibt andere heuristische Unterteilungen, basierend auf der Wirkungsskala der verschiedenen fundamentalen Kräfte, wo sie dominieren und andere Kräfte vernachlässigt werden können.

Es wird vorgeschlagen, wie Sie vorschlagen, dass eine andere Gruppe von Verhaltensweisen auf niedrigeren Skalen und kürzeren Zeiten gefunden wird, die Planck-Skala. Hier können sich zusätzliche Dimensionen manifestieren, die Quantenverhalten, das jederzeit umkehrbar ist, mit erwartetem Quantenverhalten von Zeit und Raum vereinen. Das Reich der Superstrhinv-Theorie oder der Quantenschleifengravitation oder etwas anderem.