Verletzt Photoneninterferenz die Kausalität?

Angenommen, ein Wasserstoffatom springt ein Energieniveau nach unten und emittiert ein Photon und dieses Photon

Das wird durch die Wasserstoffatomlösung der Schrödingergleichung modelliert, und die Wellenfunktion wird durch die Existenz des Protons und des Elektrons und des austretenden Photons begrenzt.

Ein quantenmechanisches Randbedingungsproblem.

später

nicht wirklich viel später, bedenken Sie die Lichtgeschwindigkeit

geht durch einen Doppelschlitz

Dies ist ein zweites quantenmechanisches Problem mit seinen Lösungen und seinen Randwerten „Photonenstreuung an zwei Schlitzen gegebener Breite und Abstand“ . Dies ergibt eine Wellenfunktion, die den wahrscheinlichen Weg beschreibt, den das Photon zu einem makroskopischen Schirm zurücklegen wird

Hier ist der Doppelspalt, ein Photon nach dem anderen:

Der Weg eines Photons bringt es zu einem Punkt auf einem Bildschirm, an dem ein drittes quantenmechanisches Problem zu sehen ist, "Photon streut am Atom auf dem Bildschirm" und verliert Energie, das ionisierte Atom wird als Punkt durch die Dissipation der gewonnenen Energie gesehen.

Drei inkohärente Experimente mit der quantenmechanischen Wahrscheinlichkeitsverteilung.

Die Häufung von Photonen gleicher Energie und Randbedingungen trägt die Information des zweiten Experiments, den Aufbau der Wahrscheinlichkeitsverteilung, die die Wellennatur des Photons nicht als flächendeckende Energie, sondern als Wahrscheinlichkeitswelle zeigt .

Das dritte Experiment, die Detektion durch Ionisation aufgrund des Energieverlusts von Atomen, die mit Photonen wechselwirken, wird kontinuierlich in Blasenkammern und anderen Teilchendetektoren verwendet, um makroskopischen Spuren von Elementarteilchen zu folgen.

Hat das Photon nicht eine extreme Positionsunsicherheit und existiert es als Welle, die sich in alle Richtungen ausbreitet?

Nein, es folgt der Wahrscheinlichkeitsverteilung, die durch die Lösung der spezifischen Randbedingungen vorhergesagt wird. (die drei unabhängigen Setups)

bis es plötzlich zusammenbricht, eine Positionsunschärfe von etwa dem Durchmesser eines Atoms hat und von einem einzelnen Atom im Schirm vollständig absorbiert wird.

Dieses Kollapsgeschäft verwirrt Sie. Erst in der dritten Phase setzt die Wechselwirkung eines bestimmten Photons mit einem Atom seine Energie auf der Ebene weniger Atome frei. Sobald die Wechselwirkung eintritt, ist die Wellenfunktion natürlich nicht mehr gültig. Das gleiche gilt für das zweite Experiment, sobald die Photonen an den beiden Schlitzen gestreut werden, ist die ursprüngliche Wasserstoff-Photonen-Wellenfunktion ungültig.

Nichts passiert schneller als Licht. Aufeinanderfolgende Interaktionen sind inkohärent, aber sicherlich nicht schneller als Licht, und dieser Satz ist verwirrt:

Dies scheint die Kausalität zu verletzen, da garantiert ist, dass der Bildschirm höchstens ein Photon von diesem Atom erkennt, sodass die Erkennung durch ein Atom die Informationen schneller als Licht an ein anderes Atom sendet, um es nicht zu erkennen.

Nichts ist in der Quantenmechanik garantiert, außer Energie und Impuls und gegebenenfalls Quantenzahlerhaltungen. Alles andere wird von probabilistischen quantenmechanischen Funktionen bestimmt.

Herzlichen Glückwunsch, Sie haben das Einstein-Blasen-Paradoxon entdeckt! Jede Interpretation der Quantenmechanik hat ihre eigene Art, damit umzugehen, und es liegt an Ihnen, zu entscheiden, welche Ihnen gefällt.

Bei den meisten physikalischen Theorien können Sie herausfinden, was sie über die Funktionsweise der Welt implizieren, indem Sie die Bewegungsgleichungen der Theorie verwenden. Nun, in der Quantenmechanik verwenden die Menschen zwei unterschiedliche Arten von Gleichungen. Der erste Typ besteht aus Gleichungen wie der Schrödinger-Gleichung, die gut definiert und relativ gut verstanden sind. Der Sendetyp ist eine Ad-hoc-Regel, die festlegt, dass die erste Art von Gleichung unter bestimmten Umständen irgendwie nicht mehr funktioniert. Die zweite Regel ist diejenige, die in diesem Fall und in vielen anderen den ganzen Ärger verursacht. Vor ungefähr 60 Jahren schlug Hugh Everett vor, dass wir die zweite Regel einfach fallen lassen sollten.

Wenn wir Everetts Vorschlag befolgen, breitet sich das Photon vollständig lokal aus. Es gibt mehrere verschiedene Versionen des Photons an verschiedenen Orten. Eine Version des Photons interagiert mit einem Atom, eine andere Version interagiert mit einem Bildschirm und so weiter. An jedem bestimmten Ort, an dem die Informationen über die Wechselwirkungen des Photons eintreffen, interagieren die verschiedenen Versionen der Informationen miteinander, und die Versionen, in denen das Photon vom Atom absorbiert wird, werden mit Versionen des Bildschirms gepaart, die das Photon nicht absorbiert haben.

Die Theorie, die die kausalen Wechselwirkungen des Photons erklärt, ist also die Quantentheorie. Es sind keine Bohmschen Teilchen erforderlich. Sehen

https://arxiv.org/abs/quant-ph/0104033

https://arxiv.org/abs/quant-ph/0107144

https://arxiv.org/abs/quant-ph/0403094

Sie stellen zwei Fragen.

1. Wie kann das Elektron sofort springen?

2. Wie können die anderen Atome sofort wissen, dass dieses Atom das Photon bereits absorbiert hat und es für die anderen nichts zu absorbieren gibt?

Die Wellenfunktion ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Position des Teilchens. Für das Photon gibt Ihnen die Wellenfunktion eine Beschreibung der Wahrscheinlichkeiten der Flugbahn des Photons. Für das Elektron im absorbierenden Atom gibt Ihnen die Wellenfunktion eine Wahrscheinlichkeitsbeschreibung dessen, auf welchem ​​Energieniveau sich das Elektron gemäß QM befindet.

Jetzt sagen Sie, dass das Elektron im absorbierenden Atom beim Absorbieren des Photons eine Energiestufe nach oben springt und dann beim Aussenden eines Photons wieder nach unten springt. Aber das ist nicht richtig. Laut QM gibt es keinen Quantensprung. Die Wellenfunktion beschreibt die Position des Elektrons auf bestimmten Energieniveaus, und die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Elektron auf einem bestimmten Energieniveau befindet, ist höher als die anderen. Klassisch würden wir sagen, dass sich das Elektron auf dieser Umlaufbahn befindet. Aber in der QM befindet sich das Elektron mit hoher Wahrscheinlichkeit gerade auf diesem Energieniveau und gleichzeitig mit geringerer Wahrscheinlichkeit auf anderen Energieniveaus.

Gleichzeitig ist wichtig. Sie könnten das Elektron auch auf anderen Energieniveaus finden, nur mit geringerer Wahrscheinlichkeit. Wenn das Elektron das Photon absorbiert, springt es nicht. Es reist klassischerweise nicht zu einem höheren Energieniveau. Was passiert, ist, dass sich die Wellenfunktion ändert. Es beschreibt die Wahrscheinlichkeit des Elektrons, es mit höherer Wahrscheinlichkeit auf einem höheren Energieniveau zu finden. Und mit geringerer Wahrscheinlichkeit auf dem ursprünglich niedrigeren Niveau. Laut QM bewegte sich das Elektron auf ein höheres Energieniveau. Aber das Elektron ist nicht klassisch gesprungen. Das Elektron kann gleichzeitig auf beiden Energieniveaus gefunden werden, es hat sich nur die Wahrscheinlichkeit geändert, das höhere Energieniveau hat jetzt eine höhere Wahrscheinlichkeit. Ihre Verwirrung dreht sich darum, wie das Elektron sofort springt. Es tut nicht.

2.

Nicht nur das Elektron und das Photon haben eine Wellenfunktion. Alle Atome haben eins.

Die Wellenfunktion ist nur Information. Es bricht nicht klassisch zusammen. Es ändert. Es ist eine Wahrscheinlichkeitsbeschreibung. Dabei werden die Positionen der Teilchen beschrieben und ihnen Wahrscheinlichkeiten zugeordnet. Das kann sich schlagartig ändern.

Wenn das Atom das Photon absorbiert, wandelt sich das Photon in Energie um und das Photon existiert nicht mehr. Es wird dem Energieniveau des Elektrons hinzugefügt.

Diese Wechselwirkung ist nicht augenblicklich. Es benötigt die durchschnittliche Zeit von EM-Interaktionen.

Sie fragen also, wie es möglich ist, dass andere Atome wissen, dass sie das Photon nicht absorbieren müssen. Dies liegt daran, dass das Photon die Anregung des EM-Feldes ist. Das EM-Feld existiert überall im Raum. Die Atomkerne (und ihre Bestandteile) und die Elektronen sind die Anregung dieser Felder. Diese Felder existieren überall im Raum. Die beiden Arten von Feldern können interagieren (die EM für das Photon und das Elektron und die anderen Felder der Kernbestandteile).

Wenn die beiden Felder interagieren und die Lücke des Energieniveaus der Atome mit dem Energieniveau des Photons kompatibel ist, wird es absorbiert. Das Photon existiert dann nicht mehr, es verwandelt sich in das Energieniveau des Elektrons.

Obwohl sich das Photon als Welle ausbreitet, beschreibt seine Wahrscheinlichkeitsverteilung seine Position im Raum für verschiedene Positionen gleichzeitig. Gleichzeitig ist wichtig. Wenn (zu einem bestimmten Zeitpunkt) die Welle den Bildschirm erreicht, wird es eine Position des Photons geben, die zu diesem Zeitpunkt die höchste Wahrscheinlichkeit hat. Andere Positionen des Photons zur gleichen Zeit haben eine geringere Wahrscheinlichkeit um diesen Bereich herum. Die Atome um diese Position herum (die Position des Photons mit der höchsten Wahrscheinlichkeit zu diesem Zeitpunkt) haben eine Wellenfunktion, die ihre Positionen und Energieniveaulücken beschreibt. Das Atom, das die passende Energieniveaulücke hat, die dem Energieniveau des Photons entspricht, wird es mit der höchsten Wahrscheinlichkeit absorbieren.

Die Wechselwirkung zwischen dem Atom und dem Photon ist nicht augenblicklich. Es benötigt die durchschnittliche Zeit für EM-Interaktionen. Aber die Änderung in der Wellenfunktion kann augenblicklich sein, und die Wahrscheinlichkeitsbeschreibung der Energieniveaus des absorbierenden Elektrons hat sich geändert. Das Photon existiert nicht mehr. Es verwandelte sich in das Energieniveau des Elektrons.

Die anderen Atome können das Photon aus zwei Gründen nicht absorbieren.

1. Die Position des Photons hat eine Wahrscheinlichkeitsbeschreibung (Wellenfunktion) und zu dem Zeitpunkt, an dem das Photon auf den Bildschirm trifft, gibt es eine Position mit der höchsten Wahrscheinlichkeit. Nur Atome in diesem Bereich können das Photon absorbieren. Und nur Atome in diesem Bereich mit passender Energielücke können das Photon absorbieren.

2. Die Wellenfunktion kann sich augenblicklich ändern. Das Photon nach der Wechselwirkung existiert nicht mehr. Es verwandelte sich in das Energieniveau des Elektrons.

Gemäß SR kann sich kein Partikel oder Objekt schneller fortbewegen als Licht. Aber die Wellenfunktion ist nur eine Information, und sie beschreibt die Wahrscheinlichkeiten der Teilcheneigenschaften. Diese Wahrscheinlichkeiten können sich augenblicklich ändern (da die Wellenfunktion kein physikalisches Objekt ist). Aber selbst wenn sich das augenblicklich ändert, bewegt sich kein Teilchen oder Informationsobjekt schneller als das Licht.

Sie kämpfen mit dem zentralen Rätsel der Quantenmechanik. Die Idee des Zusammenbruchs einer Wellenfunktion steht selbst im Konflikt mit der Kausalität, ziemlich genau aus dem Grund, auf den Sie sich konzentriert haben. Soweit ich weiß, ist die einzige Lösung für dieses Rätsel die Viele-Welten-Interpretation der Quantenmechanik: Solange der Bildschirm vom Betrachter isoliert gehalten wird, sind die Zustände der Atome im Bildschirm selbst als Wellenfunktionen beschreibbar. Die Wellenfunktion eines ankommenden Photons verändert die Wellenfunktionen aller Atome des Bildschirms. Sobald Sie jedoch tief genug in die Isolationsbox blicken, um die Wellenfunktionen der Atome des Bildschirms zu messen, wird Ihre eigene Wellenfunktion verändert. In der Viele-Welten-Interpretation, an diesem Punkt teilt sich Ihre Welt (d. h. Ihre Wellenfunktion) in so viele unabhängige, nicht interagierende Teile auf, wie es mögliche Ergebnisse für Ihren Blick in die Box gibt.

Bearbeiten 10.08.18 Fazit: Sie haben Recht, dass der Kollaps der Wellenfunktion das Prinzip der Kausalität verletzt. Der Begriff „Messproblem“ umfasst dieses Problem. Dieser Artikel behandelt das Messproblem, liefert jedoch keine klaren Erklärungen. Dieses Papier : taucht in die philosophischen Aspekte verschiedener Ansätze zur Lösung des Messproblems ein, ist aber schwer zu lesen.

Die Frustration beim Versuch, eine intuitiv zufriedenstellende Interpretation zu finden, hat zu dem „Hör auf, dir darüber Sorgen zu machen, und mach einfach die Mathematik“-Ansatz zur Quantenmechanik geführt – der funktioniert, aber nicht unseren Wunsch erfüllt, zu verstehen, was die Mathematik bedeutet . Bearbeitung beenden