Sind Doppelspaltmuster wirklich auf wellenartige Interferenz zurückzuführen?

Wenn Sie diese Seite nach Wellen-Teilchen-Dualität oder ähnlichem durchsuchen, werden Sie viele Fragen finden, die sich mit diesem und verwandten Themen befassen.

Die vollständigste Beschreibung von Teilchen, die wir haben, ist, dass sie Anregungen in einem Quantenfeld sind – dies wird Quantenfeldtheorie genannt . Unter bestimmten Umständen können sich diese Anregungen wie Teilchen verhalten und unter anderen Umständen können sie sich wie Wellen verhalten. Wenn Sie Ihr Beispiel des Schlitzexperiments von Young nehmen, ist es möglich, das Beugungsmuster mithilfe der Quantenfeldtheorie zu berechnen , aber ein kurzer Blick auf das von mir verlinkte Papier sollte Sie davon überzeugen, dass dies keine einfache Angelegenheit ist. In diesem Experiment ist es jedoch eine sehr gute Annäherung, das Wellenmodell zu verwenden, da sich das Licht sehr wie eine Welle verhält. Und die Wellenrechnung ist so einfach, dass sie Schulkindern beigebracht werden kann, während die Quantenfeldtheorie etwas ist, das man erst im Aufbaustudium lernt.

Obwohl es technisch richtig sein mag zu sagen, dass das Beugungsmuster nicht durch Wellen verursacht wird, können wir es für alle praktischen Zwecke so behandeln, als ob es so wäre.

Der Welle-Teilchen-Dualismus ist ein altes Konzept, das keine sinnvolle Erklärungskraft hat. So nähern wir uns heute der Quantenmechanik nicht. Ehrlich gesagt ist es eine ebenso schlechte Idee, den Welle-Teilchen-Dualismus zu lehren, wie es wäre, die Relativitätstheorie mit der detaillierten Erklärung des Äthers einzuführen, nur um diese Lektion mit dem Satz "und deshalb ist die Äthertheorie falsch" zu beenden.

Ja, Sie haben Recht, klassische Wellen sind KEINE gültige Illustration der Quantenmechanik, aber sie sind eine gültige Grenze der Quantenmechanik (für eine große Anzahl von Teilchen). Das mag wie ein Widerspruch klingen, aber es wird klar, wenn man den Unterschied zwischen dem Versuch, eine klassische Erklärung für die Quantenmechanik zu finden (die es nicht gibt) und der Fähigkeit der Quantenmechanik, die gesamte klassische Physik als Spezialfall zu erklären, versteht.

Es ist auch falsch zu sagen, dass sich einzelne Photonen gegenseitig stören. Das ist auch nicht das, was passiert.

Sie haben eine Reihe von Möglichkeiten, sich diesem Thema zu nähern. Man kann von einer schlecht geschriebenen Webseite zur nächsten stolpern oder Feynmans Buch darüber lesen: "QED: the strange theory of light and matter", das sehr schön erklärt, was Quantenmechanik wirklich ist. Feynman kann das viel besser als die meisten von uns, und ich würde ihm den Vorzug vor allem geben, was ich oder die meisten anderen Leute über dieses Thema schreiben könnten.

Die Hauptverwirrung kommt von Leuten, die nicht erkennen, dass, wenn man von Wellen-Teilchen-Dualität spricht, der Wellenanteil zur Wahrscheinlichkeitsverteilung gehört , die unter Verwendung der quantenmechanischen Lösungen für das vorliegende Problem berechnet werden kann.

Die Lösungen werden Wellenfunktionen genannt, weil sie sinusförmige Ausdrücke haben, die für die makroskopische Welle charakteristisch sind. Im Gegensatz zu Wasserwellen oder Druckwellen beschreibt die quantenmechanische Wellenbeschreibung keinen Energietransport im Raum. Dasselbe Experiment muss statistisch viele Male durchgeführt werden, um beispielsweise eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Doppelspalte zu akkumulieren. Diese sequentiellen Doppelspaltbelichtungen mit jeweils einem Elektron zeigen dies deutlich.

Ein einzelnes Elektron ist keine Welle im Raum, seine Masse und Energie laufen wellenförmig umher. Es hat nur eine Wahrscheinlichkeit , wenn es die Randbedingungen der beiden Spalte erfüllt, in einer Richtung zu streuen, die durch eine Wellenwahrscheinlichkeitsverteilung gesteuert wird. Anfangs sieht es zufällig aus, die Häufung zeigt das für Wellengleichungen typische Interferenzmuster. Lösungen.

Ist es also tatsächlich notwendig, Welleninterferenzen zu verwenden, um die Phänomene zu erklären, oder können wir einfach sagen, dass das Muster in gewisser Weise probabilistisch ist, ohne die "gruseligen" Erklärungen einzubeziehen?

Die „gruseligen“ Erklärungen stammen von Menschen, die die probabilistische Natur quantenmechanischer Lösungen nicht verstehen. Wenn man das einmal verstanden hat, kann man das Gespenstische ignorieren. Sinusfunktionen treten in vielen Lösungen von Gleichungen auf, die als "Wellengleichungen" bezeichnet werden, und Interferenzmuster können in Kombinationen auftreten. Man muss auf den Kontext achten, in dem die Lösungen verwendet werden. In quantenmechanischen Rahmenwerken sprechen wir von Wahrscheinlichkeitsverteilungen, da wir zum Beispiel von Orbitalen und nicht von Orbits in Atomen sprechen.

Selbst im Fall eines einzelnen Elektrons (im Gegensatz zu einer großen Zahl, die sich einer kontinuierlichen Welle annähert) zeigt die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Messung eher eine Doppelspaltinterferenz als das, was im Fall eines Einzelspalts zu erwarten wäre.

Obwohl es also nur ein einziges Elektron gibt, wird die Physik seiner Reise von beiden Schlitzen beeinflusst. Wir haben, durch tägliche Erfahrung und klassische Bildung, die unabhängigen Konzepte des „Teilchen“- und „Wellen“-Verhaltens. Beide passen nicht genau, aber beide sind nützlich, um das Quantenverhalten dieses Einzelelektronen-Doppelspaltexperiments zu erklären.

Bedeutet dies, dass all diese Quellen und Animationen, die zwei sich überlagernde Wellen zeigen, einfach falsche, klassische Schlussfolgerungen sind, die nichts mit der (Quanten-)Realität zu tun haben?

NEIN

Was eigentlich am verwirrendsten ist, ist, dass die meisten Websites, die angeben, dass es jetzt möglich ist, einzelne Photonen durch diese Schlitze zu leiten, auch behaupten, dass diese einzelnen Photonen irgendwie mit sich selbst interferieren, was zu den beobachteten Mustern führt. Das scheint eine ziemlich dünne Erklärung zu sein, nicht wahr?

Es ist eine genaue Erklärung - ein Elektron, zwei Spalte -> Beugungsmuster wahrscheinlich. Abstand

Ist es also tatsächlich notwendig, Welleninterferenzen zu verwenden, um die Phänomene zu erklären, oder können wir einfach sagen, dass das Muster in gewisser Weise probabilistisch ist, ohne die "gruseligen" Erklärungen einzubeziehen?

Wörter sind willkürliche Symbole, Sie könnten also die pd beschreiben, indem Sie "Welle" weglassen und stattdessen eine andere Sprache verwenden. Da die Interferenz jedoch wunderbar durch die Doppelspaltwellenanalogie erklärt wird, scheint es mir, dass es am besten ist, sie zu verwenden - machen Sie einfach klar, dass sowohl Teilchen als auch Wellen Analogien sind, die zur Beschreibung des Quantenverhaltens nützlich sind.