Warum ist Quantenverschränkung nicht nur ein Mangel an Informationen?

Betrachten Sie die Situation, in der Sie zwei Elektronen haben, die miteinander verschränkt sind, Sie wissen, dass eines Spin-up und das andere Spin-down hat, aber nicht, welches welches ist. Alles, was Sie wissen, ist, dass für ein bestimmtes Elektron die Wahrscheinlichkeit, dass es einen der beiden Spins hat, 50/50 beträgt. Nehmen wir nun an, Sie messen den Spin von einem dieser Geräte. Betrachten Sie die folgenden zwei Theorien für das, was als nächstes passiert:

1. Nach der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik befindet sich jeder in einer Überlagerung von Spin-Up und Spin-Down. In dem Moment, in dem ich einen von ihnen messe, entscheidet er zufällig, ob er oben oder unten ist, und sendet ein sofortiges Signal an den anderen, um plötzlich den entgegengesetzten Spin zu haben.

2. Worüber Sie sprechen, ist eine Theorie der lokalen versteckten Variablen. Obwohl wir den Spin jedes Elektrons nicht kennen, behaupten Sie, dass er als „verborgene Variable“ vorhanden ist, die definitiv existiert, um dies zu beschreiben, und dass es keine nicht-lokale augenblickliche Wechselwirkung zwischen den Elektronen gibt. Wenn wir den Spin eines Elektrons messen, lesen wir einfach diese Variable ab. Es war immer in diesem Spin, es gab keinen Kollaps der Wellenfunktion. Einstein war ein bemerkenswerter Befürworter dieser Theorie, siehe EPR Paradox .

Lange dachte man, es sei unmöglich, diese beiden Theorien voneinander zu unterscheiden. Obwohl sie auf völlig unterschiedliche Weise funktionieren, wie können Sie möglicherweise ein Experiment entwerfen, um den Unterschied zu erkennen? Die Antwort lieferte John Stewart Bell in Form der sogenannten Bellschen Ungleichungen , die zeigen, dass man bei einigen clever konstruierten Experimenten eigentlich ein anderes Ergebnis erwarten sollte, je nachdem, welche der beiden obigen Theorien richtig ist!

Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie ein solches Experiment funktionieren könnte, werfen Sie einen Blick auf die Simple English Wikipedia-Seite zum Bell's Theorem , die eine sehr schöne Metapher liefert. Das dort beschriebene System lässt sich mit verschränkten Teilchenzuständen erzeugen.

Angenommen, Sie haben vier Murmeln, jede entweder schwarz oder weiß. Da Sie sie sich noch nicht angesehen haben, sind Ihnen nur bestimmte Wahrscheinlichkeiten bekannt. Angenommen, Sie wissen auf die eine oder andere Weise, dass die Murmeln 1 und 2 nur mit einer Wahrscheinlichkeit von 5 % unterschiedlich gefärbt sind. Ebenso haben die Murmeln 2 und 3 nur eine Wahrscheinlichkeit von 5 %, unterschiedlich gefärbt zu sein, und ebenso die Murmeln 3 und 4. Dann können Sie schlussfolgern, dass die Murmeln 1 und 4 höchstens eine 15-prozentige Wahrscheinlichkeit haben, unterschiedlich gefärbt zu sein – denn in Damit 1 und 4 unterschiedlich gefärbt sind, müssen entweder 1 und 2 unterschiedlich gefärbt sein oder 2 und 3 unterschiedlich gefärbt sein oder 3 und 4 unterschiedlich gefärbt sein.

Nehmen wir nun an, dass sich Ihre Schlussfolgerung als falsch herausstellt – dass die Murmeln 1 und 4 tatsächlich mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 % unterschiedlich gefärbt sind. Dann muss etwas mit Ihrer Argumentation falsch gewesen sein, und wenn Sie die verschiedenen Dinge durcharbeiten, die schief gelaufen sein könnten, werden Sie feststellen, dass der plausibelste Schuldige Ihre Annahme ist, dass die Murmeln mit gut definierten Farben begannen.

So etwas passiert in der Quantenmechanik. (In der Quantenmechanik-Version ist es nicht möglich, die Murmeln 1 und 3 gleichzeitig zu untersuchen, oder die Murmeln 2 und 4 gleichzeitig zu untersuchen.) Und wie Sie oben sehen können, wenn das einzige Problem "Mangel an Informationen" könnten Sie immer noch schlussfolgern, dass Ihre Quantenmurmeln 1 und 4 höchstens in 15% der Fälle unterschiedlich gefärbt sein können, und dann würden Experimente Ihnen das Gegenteil beweisen.

Warum sollte man davon ausgehen, dass verschränkte Elektronen ihren Zustand erst nach der Beobachtung "entscheiden"?

Das nennt man nach Meinung meines Experimentators Anthropomorphismus, also die Zuordnung von Bewusstsein zum Elementarteilchen.

Das Elektron entscheidet nichts, es ist ein zwangsläufiger funktionaler Zeitpfad wie ein unter der Schwerkraft schwingendes Pendel, außer dass die Funktion, die das Verhalten von Elementarteilchen beschreibt, Wahrscheinlichkeiten als Funktionen von (x,y,z,t) beschreibt und nicht Pfade / Trajektorien in in (x,y,z,t). Auch der Begriff „Kollaps“ ist in dieser Hinsicht verwirrend und irreführend. Es ist die Messung, die einen bestimmten Wert aus all diesen wahrscheinlichen auswählt, es passiert nichts Magisches.

Sie sollten Wahrscheinlichkeiten berücksichtigen. Wir haben versicherungsmathematische Tabellen , die besagen, dass die Wahrscheinlichkeit, bis zum 65. zu leben, wenn Sie in Griechenland (meinem Land) männlich sind, bei über 80 % liegt. Bedeutet das, dass sich ein 60-jähriger Mann in einem unbestimmten Fall befindet? Ja, aber dieses Männchen ist weder tot noch lebendig über 65 oder 100 Jahre verteilt . Die Wahrscheinlichkeitskurve setzt sich aus einer großen Anzahl von Beobachtungen zusammen und erhält eine funktionale Form als Funktion der Zeit. Er existiert im Alter von 60 Jahren ganz und nur die Messung beim Tod wird auswerten, zu welchem ​​​​Teil der Wahrscheinlichkeitskurve über der Zeit diese eine Messung gehörte.

Daher weiß ich nicht, was die Zustände der Elektronen so besonders macht.

Man sollte sich Elementarteilchen als "quantenmechanische Einheiten" vorstellen, sie sind keine Teilchen wie Billardkugeln oder Wellen in (x,y,z,t). Sie werden durch Wahrscheinlichkeit in (x,y,z,t) Wellen beschrieben, weil die Wahrscheinlichkeit eine Lösung von Wellengleichungen ist und eine sinusförmige Variabilität über den Raum hat.

Das Elektron ist etwas Besonderes, weil es ein Elementarteilchen ist und Eigenschaften aufweist, die bei Billardkugeln und der Erweiterung der Eigenschaften von Billardkugeln auf klassische Punktteilchen nicht offensichtlich sind. Das klassische Modell funktionierte nicht, als die Beobachtungen den Mikrokosmos erreichten und die Theorie der Quantenmechanik erforderlich machten. (im Atom fallende Unendlichkeiten, keine Erklärung von Spektren, Schwarzkörperstrahlung usw.).

Und man sollte Wahrscheinlichkeiten, die mit der funktionalen Abhängigkeit des Verhaltens von Elementarteilchen verbunden sind, als solche behandeln, dh als Wahrscheinlichkeiten .

Es ist falsch zu glauben, dass das Elektron überall in (x,y,z,t) verteilt ist, ebenso wie es falsch ist zu glauben, dass ein 60-jähriger Mann über die 100-Jahres-Verteilung weder tot noch lebendig ist. Die Attribute (wie Spin up oder down), die das Elektron definieren, sind nicht bekannt, es sei denn, es wird eine Messung/Beobachtung durchgeführt, da der Zustand des 1954 geborenen Mannes (tot oder lebendig) nicht bekannt ist, bis eine Überprüfung durchgeführt wird. Sobald eine Überprüfung erfolgt ist, gilt für den Menschen eine neue Wahrscheinlichkeitskurve (versicherungsmathematische Tabelle), und in ähnlicher Weise gilt für ein Elektron eine neue Wahrscheinlichkeitsfunktion, sobald eine Messung durchgeführt wurde. Die Randbedingungen haben sich geändert.

Entschuldigung an SE für die Tatsache, dass ich Teile einer Antwort wiederverwende, die ich zuvor geschrieben habe, aber um die Kernfrage zu beantworten, warum Sie nicht davon ausgehen können, dass das System vor der Messung einen bestimmten Zustand hat, ist dies meiner Meinung nach das einfachste Beispiel.

Stellen Sie sich zwei verschränkte Quantensysteme vor, die durch drei Eigenschaften A, B und C beschrieben werden, die jeweils einen Wert von oben oder unten annehmen können.

Die beiden Systeme können so miteinander verflochten werden, dass Sie, wenn Sie dieselbe Eigenschaft auf beiden Systemen messen, in 100 % der Fälle dasselbe Ergebnis erhalten und jeder Fall in 50 % der Fälle auftritt. Das heißt, beide Systeme geben 50 % der Zeit auf oder beide Systeme geben 50 % der Zeit auf, aber Sie werden niemals ein Ergebnis erhalten, bei dem ein System aufgibt und das andere. Um es noch einmal zu wiederholen, gilt nur, wenn Sie dieselbe Eigenschaft messen, dh: beide A, beide B oder beide C.

Aber hier ist das Problem, wenn Sie verschiedene Eigenschaften messen, erhalten Sie in 25 % der Fälle dieselbe Richtung und in 75 % der Fälle entgegengesetzte Richtungen. Wenn ich zum Beispiel A auf einem System messe und es ein Ergebnis von oben ergibt, dann werde ich, wenn ich B auf dem anderen System messe, 25 % der Zeit aufstehen und 75 % der Zeit abfallen.

Es gibt keine Möglichkeit, nach oben oder unten vorzuordnen, so dass sie 75 % oder die Zeit unterschiedlich sind. Wenn Sie darüber nachdenken, ist das Beste, was Sie tun können, 2/3-mal anders, indem Sie Fälle ausschließen, in denen A, B und C alle gleich sind. Der einzige andere Weg, dies zu umgehen, besteht darin, anzunehmen, dass die Messung eines Systems das andere sofort beeinflusst, diese Systeme jedoch beliebig weit voneinander entfernt und räumlich wie getrennt sind. Wer zuerst misst, ist relativ zu Ihrem Referenzrahmen.

Die einfachste Lösung besteht darin, Ihre Fähigkeit zuzugeben, vor der Messung einen Wert zuzuweisen.