Über die Grundlagen der Quantenphysik

Nein, es ist keine Schlange, die sich in den Schwanz beißt. Es ist eine Spirale. Die Geschichte der Wissenschaft ist immer eine Spirale.

Es wurde festgestellt, dass die Elektronen Interferenzmuster erzeugen (Experiment). Sie verhalten sich also wie Wellen. Dann sollten auch andere Teilchen ein solches Verhalten haben (Theorie). Dann sollten allerdings andere Teilchen getestet werden, zB Silberatome (Experiment). Das ist also eine Spirale. Wir haben einige experimentelle Fakten, wir geben eine Theorie ab, um diese Fakten zu rechtfertigen, und die Theorie sagt neue Fakten voraus, die wir testen müssen, um die Theorie zu stärken oder zu widerlegen.

Und über "das Bild, das wir sehen, wird tatsächlich von einem Computer berechnet, der auf dem Konzept des Quantentunnelns basiert." Das Mikroskop "sieht" dunkle und weniger dunkle Flecken oder unterschiedliche Farben.

Ich wähle das Beispiel der Quantenmechanik, um zu erklären, wie Ideen in der Wissenschaft etabliert werden.

Denken Sie an einen Typen namens PhotonicBoom, der eine Theorie hat, die, wie jede andere Theorie in der Physik, stark mathematisch abhängig ist. Nennen wir es Quantenmechanik (QM). Wenn die Theorie mathematisch ist, hat sie den Vorteil, dass sie sich auf die Vernunft verlässt. Sie können dies verwenden, um Vorhersagen zu treffen . Auf handgewellte Weise können Vorhersagen getroffen werden, indem die Theorie extrapoliert und eine Methode entwickelt wird, um zu testen, ob diese Vorhersagen wahr sind. Wenn gezeigt wird, dass die Vorhersage in der Natur nicht vorkommt, dann werfen Sie die Theorie weg und fangen von vorne an, es hat sich gezeigt, dass sie falsch ist.

In unserem QM-Fall haben Leute die Hypothese aufgestellt, dass zum Beispiel Energieniveaus quantisiert sind. Sie formulierten die Mathematik der Theorie und „extrapolierten“ die Theorie dann, um Vorhersagen zu treffen. Und QM hat eine Vielzahl von Phänomenen vorhergesagt, von denen die meisten äußerst bizarr sind.

Aber QM hat jeden einzelnen Test überstanden, dem es ausgesetzt war. Dies deutet darauf hin, dass wir die richtige Theorie haben, ob es uns gefällt oder nicht.

Und nun folgt der naheliegende Schritt. QM verstehen. Wie verstehen wir extrem bizarre Phänomene wie Verschränkung, Tunnelbildung, Überlagerung, Zustandskollaps usw.? Nun, es gibt einen einfachen und offensichtlichen Schritt. Wir versuchen, Konzepte, die wir kennen, Konzepte, mit denen wir aufgewachsen sind und die in unserem Gehirn fest verdrahtet sind, als "Status: macht Sinn" zu verknüpfen, obwohl diese Konzepte keinen Grund haben, "vernünftiger" zu sein als andere Konzepte.

Und das haben wir getan. Wir haben klassische Konzepte mit quantenmechanischen verknüpft, dh denken Sie an Spin, Tunneln, Welle-Teilchen-Dualität, Zustandskollaps, Verschränkung als aktive Verbindung. Alle diese Konzepte sind handgewellt, sie sind technisch nicht 100% genau auf das, was wirklich passiert. Aber sie machen Sinn und sind auch sehr nützlich, um zu erklären, was in den meisten , aber nicht allen Situationen vor sich geht.

In Ihren speziellen Beispielen haben wir den Begriff eines Teilchens damit verbunden, womit ein Tunnelmikroskop interagiert, aber genauer gesagt erkennt das Mikroskop tatsächlich diskrete Sprünge zwischen Potentialen . Aber das Atommodell ist eine ebenso gültige Beschreibung dessen, was vor sich geht, da diese elektrostatischen Potentiale das sind, was wir überhaupt das Atom nennen! Wie wir sie auf einem Bild darstellen, ist willkürlich und wird hauptsächlich verwendet, um uns Intuition zu geben, es repräsentiert nicht unbedingt die Wahrheit.

Dann erwähnen Sie Quarks und Higgs. Wir sind vielleicht nicht 100 % sicher, dass Quarks oder Higgs existieren, aber hey, diese Modelle haben Vorhersagen gemacht. Diese Vorhersagen wurden experimentell verifiziert. Welchen Grund haben wir also, nicht an die Existenz dieser Teilchen zu glauben? Nur weil wir sie nicht mit ihrer exakten fachlich korrekten Terminologie beschreiben (das wäre zum Beispiel für die Higgs-Entdeckung äußerst schmerzhaft: „Wir haben erfolgreich Spuren der Quantenanregung des komplexen Quanten-Skalarfelds mit Erwartungswert ungleich Null nachgewiesen !") bedeutet nicht, dass die Wörter "Partikel", "Quark" oder "Higgs" nicht ausreichen, um die Nachricht zu übermitteln. Ich schätze, der Punkt dieses Absatzes ist, dass die Physik da ist, ob wir sie mit einem vernünftigen Begriff versehen oder nicht.

Also zum Schluss, kein QM ist wahr (ob es eine präzise Theorie ist oder nicht, ist völlig irrelevant) und hat keinerlei Abhängigkeit von der Geschichte oder der Sprache, die wir verwenden, um es zu beschreiben. Was anders gewesen wäre, wären die Interpretationen, aber das ist nur ein Konstrukt, um die Terminologie aus Kommunikationsgründen auf mehr "alltäglichen gesunden Menschenverstand" zu reduzieren. Sie sollten darauf achten, diesen Interpretationen keine sehr wörtliche Bedeutung beizumessen und sie auf keinen Fall als definitive Wahrheit zu betrachten. Dinge können auf viele verschiedene Arten beschrieben werden!

Ich hoffe, ich war in meiner langen Antwort kohärent!

Ich stimme zu, dass Quantentheorie und durchgeführte Experimente eine konsistente Einheit bilden. Könnte eine andere Wissenschaftsgeschichte zu einer grundlegend anderen Theorie geführt haben? Ist die Quantentheorie nur eine zufällige historische Konstruktion, statt die größte Annäherung an die Wahrheit?

Man muss Experimente und die Theorien trennen, die verwendet werden, um Experimente zu modellieren.

Experimente arbeiten mit "Proxies" . Um die Temperatur zu messen, verwenden wir ein Thermometer, die Höhe der Säule ist ein Proxy für die Temperatur.

Das Ablesen der Säule mit unseren Augen dringt durch das Licht, das auf die Säule des Thermometers scheint, in unser Gehirn ein.

Das Wissen, das von Experimentator A an Experimentator B übermittelt wird und sie sich beim "Lesen" einig sind, durchläuft eine Reihe von biologischen Stellvertretern.

Thermometer sind zugängliche Proxys. Experimentatoren mit Teilchenphysik verwenden immer mehr verschachtelte Proxys, man muss sich einen LHC-Detektor ansehen, um die Komplexität abzuschätzen.

Der Grund, warum Experimentatoren Temperaturen und Drücke und die noch komplizierteren Signale von Quarks und Gluonen verstehen, liegt am mächtigen Werkzeug der Mathematik. Die Mathematik ermöglicht es uns zunächst, die Daten zu modellieren, und dann wird ein allgemeineres mathematisches Modell gesucht, das als Physiktheorie bezeichnet wird und Vorhersagen macht, die durch neue Experimente und Datenerfassung verifiziert werden. Sobald die Theorie dies erfolgreich tut, ist sie validiert . Die Quantenmechanik ist eine gut validierte Theorie, es gab keine entscheidenden Vorhersagen, die falsifiziert wurden, und die Theorie steht als zugrunde liegende Theorie in der verschachtelten Welt von Messungen und Modellen, die Messungen beschreiben.

Mathematik kann in verschiedenen Geschichten nicht unterschiedlich sein; Jede andere historische Abfolge würde nicht zu unterschiedlichen mathematischen Modellen auf denselben Daten führen, daher lautet die Antwort: "Mit den mathematischen Werkzeugen, die wir bisher haben, ist die Beschreibung des Verhaltens der Natur am nächsten" .

Eine fortgeschrittenere Zivilisation könnte fortgeschrittenere mathematische Theorien haben, aber sie würden die Essenz der gegenwärtigen theoretischen Modelle umfassen.

Bob stellt eine gute Frage. Die Interpretationen der Quantenmechanik sind voll von der Art von Zirkelschlüssen, die Bob identifiziert. Die eklatantesten Beispiele stammen aus der Identifizierung von Photonen als Teilchen. Daran ist auch Feynmann schuld, wie Sie in diesem Videoclip sehen können: https://www.youtube.com/watch?v=eLQ2atfqk2c

Er greift die Frage etwa 36 Minuten nach Beginn des Videos auf, wo er fragt: „Woher wissen wir, dass es korpuskulär ist?“ Hier ist die Essenz des Zirkelschlusses:

1. Wir haben ein Instrument namens "Photomultiplier", das die schwächsten Lichtmengen detektiert.

2. So funktioniert es: Wenn ein Lichtteilchen auf diese Platte trifft, schlägt es ein Elektron heraus.

3. Dieses Elektron wird auf eine andere Platte beschleunigt, wo es weitere Elektronen herausschlägt usw.

4. Diese ganze Kette von Ereignissen geht zu einem Verstärker, der einen Lautsprecher antreibt. Wenn Sie also ein Klicken hören, haben Sie ein Photon entdeckt.

5. Licht besteht also aus Teilchen.

Es ist kreisförmig, weil er die Klicks im Photomultiplier als Beweis dafür verwendet, dass Licht korpuskular ist, aber um zu erklären, wie der Photomultiplier es ausdrückt, verlässt er sich auf die „Tatsache“, dass Licht aus Photonen besteht.

Dies ist nicht die einzig mögliche Erklärung für die Funktionsweise eines Lichtdetektors. In diesem Blogpost erkläre ich beispielsweise, wie eine Fotoplatte Licht erkennen kann, ohne sich auf die Photonentheorie zu verlassen: http://marty-green.blogspot.ca/2014/12/wave-function-collapse-explained-by.html Es ist nicht genau die Photomultiplier-Röhre, aber es ist die gleiche Grundidee.

Feynman fährt dann (bei 39:00) fort, um seine Argumentation zu untermauern, indem er davon spricht, dass das Licht, wenn es über einen Bereich verteilt wird, nur den einen oder anderen Detektor trifft und niemals beide. Es ist ein Zirkelschluss, weil es heißt:

1. Wenn Licht aus Photonen besteht, ist das die Art von Zählstatistik, die Sie in diesem Experiment mit zwei Detektoren erwarten sollten.

2. Tatsächlich sind das die Statistiken, die Sie erhalten.

3. Licht besteht also aus Photonen.

Das Problem bei diesem Argument ist, dass jedes vernünftige Argument, das auf der Wellentheorie basiert, Ihnen genau die gleichen Erkennungsstatistiken liefert wie die Teilchentheorie. Feynamnn spielt sogar auf diese Schwierigkeit an, wenn er sagt: "... wenn zwei zusammen losgehen, kommen zu viele und du kannst es nicht lösen." Warum dieses Argument fehlschlägt, erkläre ich in diesem Blogpost: http://marty-green.blogspot.ca/2010/02/clicking-detectors.html

In gewisser Weise weiß sogar Feynmann, dass diese Argumente zirkulär sind. Sie können es an der uncharakteristischen Frustration in seiner Stimme gegen 39:30 erkennen, als er sagt: „Ich weiß nicht, wie sehr ich das betonen kann … es sind in jeder Hinsicht Partikel …“

Das ist wirklich eine gute Frage. Die Art und Weise, wie wir Experimente in der QM interpretieren, ist manchmal verwirrend, ein anderes Beispiel ist der Vakuumzustand, einige Physiker sprechen darüber mit dem Konzept der "virtuellen Teilchen".

Dies ist jedoch nicht nur ein Problem der QM, in allen anderen Theorien machen wir dasselbe, jedes Experiment wird mit den Begriffen der Theorie selbst interpretiert. Dieses „Problem“ hängt mit der Art und Weise zusammen, wie Wissenschaft funktioniert.

Andererseits kann man sagen, dass der einzige Zweck physikalischer Theorien darin besteht, die Ergebnisse zu reproduzieren, die Art und Weise, wie dies geschieht, spielt keine Rolle.

QM kann unterschiedlich formuliert werden (historisch gesehen ist dies der Fall), aber jedes experimentelle Ergebnis muss gleich sein.

In Bezug auf die letzte Frage: "Ist die Quantentheorie nur eine zufällige historische Konstruktion statt der größten Annäherung an die Wahrheit?" Die Beziehung zwischen physikalischen Theorien und "Wahrheit" ist nicht so einfach.