Was bedeutet es, wenn ein physikalisches Phänomen „grundsätzlich zufällig“ ist?

Ich habe bei Wikipedia gelesen:

Die Quantenmechanik sagt voraus, dass bestimmte physikalische Phänomene wie der Kernzerfall von Atomen grundsätzlich zufällig sind und im Prinzip nicht vorhergesagt werden können.

Was bedeutet das genau? Ich dachte, nichts kann mit beliebiger Genauigkeit vorhergesagt werden. Dennoch modellieren wir oft physikalische Phänomene, um einer statistischen Verteilung zu folgen.

Bedeutet das Obige vielleicht, dass der Kernzerfall (mehr) gleichmäßig zufällig ist als andere physikalische Phänomene?

Oder vielleicht, dass es in Bezug auf seine Markov-Decke statistisch unabhängiger ist als andere physikalische Phänomene? dh weniger vorhersagbar als andere physikalische Phänomene, vorausgesetzt, andere Kenntnisse ?

Das Werfen einer Münze ist deterministische Zufälligkeit. Der Grund, warum es zufällig aussieht, liegt darin, dass wir nicht alle Details der Dynamik vorhersagen können, was chaotisch ist. In der Quantenmechanik ist dies (nach den meisten Interpretationen) nicht der Fall, die Zufälligkeit ist inhärent, nicht aus Unwissenheit. Es gibt keinen Grund dafür, warum ein Teilchen jetzt und nicht später zerfällt.
Eine sehr aktuelle Antwort von mir befasst sich mit einer ähnlichen Frage: physical.stackexchange.com/q/566360

Antworten (3)

Wenn im Zusammenhang mit der Quantenmechanik von „fundamentaler“ oder „inhärenter“ Zufälligkeit gesprochen wird, ist die technische Bedeutung dahinter Bells Theorem , das uns sagt, dass es keine Theorien über lokale verborgene Variablen gibt, die die Ergebnisse der Quantenmechanik erklären.

Eine Theorie der "lokalen verborgenen Variablen" ist im Grunde die klassische Vorstellung davon, wie die Welt funktioniert - alles hat eine Liste wohldefinierter Eigenschaften, wie Position oder Impuls, und es gibt zu jeder Zeit einen "wahren" genauen Wert für jede dieser Eigenschaften. und die Gesetze der Physik bestimmen im Prinzip den genauen Wert zu jedem anderen Zeitpunkt aus denen zu einem bestimmten Zeitpunkt. "Zufälligkeit" ist in dieser klassischen Welt nebensächlich, entsteht durch unvollständiges Wissen, unvollkommene Messgeräte usw. Wenn Sie eine klassische Münze auf genau die gleiche Weise werfen, wird es immer das gleiche Ergebnis geben. Die "Zufälligkeit" liegt nur daran, dass Menschen extrem schlecht auf der Ebene der Konsistenz sind, die erforderlich ist, um es wieder "auf die gleiche Weise" umzudrehen.

Der Satz von Bell besagt, dass die Quantenmechanik nicht mit Theorien über lokale verborgene Variablen kompatibel ist. Keine solche Theorie kann jemals die Ergebnisse vorhersagen, die wir tatsächlich beobachten. (Die Jagd nach und das Schließen von "Schlupflöchern" in unseren Experimenten, die es möglich machen könnten zu argumentieren, dass wir die Verletzungen der Bell-Ungleichungen, die lokale Theorien über verborgene Variablen ausschließen, nicht tatsächlich beobachten, ist eine etwas aktive Nische, auf die ich hier nicht eingehen werde. )

"Grundlegende Zufälligkeit" soll also wirklich "keine versteckten Variablen" bedeuten - bevor Sie den Impuls eines Teilchens gemessen haben, hatte es keinen bestimmten Impuls . Der Quantenzustand ist keine Liste von Zahlen mit bestimmten Werten für messbare Eigenschaften, sondern lediglich eine Liste von Wahrscheinlichkeiten. Zu sagen, dass dies "fundamental" ist, bedeutet zu sagen, dass es unmöglich ist, diese Wahrscheinlichkeiten so zu erklären, dass sie nur aus unserem Mangel an Wissen über einige zugrunde liegende bestimmte Variablen entstehen, dh es ist der Inhalt von Bells Theorem. Die Behauptung ist, dass die Unsicherheiten und Wahrscheinlichkeiten der Quantenmechanik wirklich Merkmale der Welt sind, nicht Merkmale unserer Unfähigkeit, sie zu verstehen.

Lassen Sie mich der Vollständigkeit halber erwähnen, dass Bells Theorem Ihnen eine Möglichkeit gibt, den Glauben an verborgene Variablen zu bewahren - anstatt den Realismus aufzugeben, können Sie die Lokalität aufgeben, grob gesagt die Vorstellung, dass Dinge den Zustand anderer Dinge, die von ihnen getrennt sind, nicht sofort beeinflussen können Platz. Das ist es, was die Bohmsche Mechanik tut, aber sie ist weit davon entfernt, der dominierende Standpunkt unter Physikern zu sein. Obwohl es eine Fülle verschiedener Quanteninterpretationen gibt, die effektiv ontologische Rahmen sind, die versuchen zu erklären, wie man über eine Welt nachdenkt, die nicht klassisch und mechanistisch ist, entscheiden sich die meisten von ihnen für die Lokalität und geben den Realismus auf - weshalb Sie oft hören werden: " Die Quantenmechanik sagt, dass die Welt grundsätzlich zufällig ist".

Danke - obwohl ich nicht sicher bin, ob ich folge: "Zufälligkeit" in dieser klassischen Welt ist zufällig und entsteht aus unvollständigem Wissen, unvollkommenen Messgeräten usw. Sicher , aber man könnte argumentieren, dass wir nicht wissen müssen, woher die Unsicherheit kommt (versteckte physikalische Größen, die wir messen können oder nicht), um immer noch eine Überzeugung (im Bayes'schen Sinne) zu etablieren und zu beobachten, unsere Genauigkeit zu messen und die Vorhersagehärte zu beurteilen, richtig? Mit anderen Worten, Genauigkeit ist alles, was es gibt, auch wenn wir akzeptieren, dass es keine definitiven unbeobachteten / zugrunde liegenden Größen gibt, oder?
@Josh Ich sage, dass die "fundamentale Zufälligkeit" der Quantenmechanik nichts mit einem Unterschied im Genauigkeitsgrad zu tun hat ! Was „Genauigkeit“ überhaupt bedeutet, hängt sogar eng damit zusammen, ob Sie glauben, dass die Welt realistisch ist oder nicht! In einer realistischen Welt gibt es einen wahren Wert und „Genauigkeit“ ist die Abweichung von diesem Wert. In der probabilistischen Quantenwelt gibt es eine „wahre“ Liste von Wahrscheinlichkeiten und die Genauigkeit hängt davon ab, wie genau unsere Vorhersage dieser Wahrscheinlichkeiten mit den wahren Wahrscheinlichkeiten übereinstimmt. QM ist nicht „ungenauer“ als die klassische Mechanik.
+1 Danke - ich sollte wahrscheinlich tiefer in das eintauchen, was Sie geschrieben haben - ich weiß es zu schätzen. Die Aussage „ QM ist nicht „weniger genau“ als die klassische Mechanik “ öffnet mir ziemlich die Augen (selbst wenn ich einen grundlegenden Begriff der Genauigkeit verwende, in Bezug darauf, wie häufig eine Theorie die betrachteten Größen korrekt vorhersagt).
Ich denke, dass diese Antwort etwas vorsichtiger sein könnte, wenn es darum geht, „versteckte Variablen“ mit „versteckten Variablen als ausreichend zur Erklärung von Beobachtungen“ zu verschmelzen. Wenn ich richtig lese, sagt Bells Theorem nicht, dass es keine versteckten Variablen gibt, nur dass keine Anzahl versteckter Variablen beobachtete Phänomene erklären wird, also können sie hier nicht (allein) unsere Antwort sein (so wie die Quantenmechanik kann). Denn sicherlich gibt es versteckte Variablen; selbst wenn der „Wert“ dieser versteckten Variablen eine Wahrscheinlichkeitsverteilung ist, ist es nicht so , dass wir diese Wahrscheinlichkeitsverteilung unbedingt kennen .
Der einleitende Absatz ist sehr gut darin, dies klarzustellen, aber einige der späteren Zeilen beginnen, die beiden zu verschmelzen, z versteckte Variablen.“ Grundsätzlich (wiederum, es sei denn, ich verstehe es falsch) bedeutet es nicht „keine verborgenen Variablen“, es bedeutet „versteckte Variablen sind keine vollständige Erklärung“, und ebenso fehlt es unserem „Glauben an verborgene Variablen“ nicht an Bewahrung; Was einige zu bewahren suchen, ist eher der „Glaube, dass verborgene Variablen Beobachtungen vollständig erklären können“.

Im Falle eines radioaktiven Zerfalls bedeutet dies, dass die Zerfallszeiten einer Probe radioaktiven Materials völlig zufällig auftreten. Die Probe wird ziemlich viele radioaktive Kerne enthalten. Wann ein einzelner Kern zerfällt, ist zufällig. Der Verfall kann früh oder spät eintreten, es gibt keine Möglichkeit vorherzusagen, welcher. Nach einer x-Sekunden-Messung werden Sie feststellen, dass einige Abklingvorgänge zu früh und andere, von derselben Probe, zu spät waren. Die Zerfallsgeschichte einer Probe wird bestimmt worden sein. Im Nachhinein, also nachdem die zufälligen Zerfälle gemessen wurden, können wir die Eigenschaften wie Halbwertszeit und Lebensdauer berechnen. Während eine zweite Messung die gleichen Eigenschaften haben wird, können die tatsächlichen Abklingzeiten nicht vorhergesagt werden, da sie zufällig sind.

Danke @jmh, um hier nicht pedantisch zu klingen, aber wenn Sie sagen, "der Verfall kann früh oder spät auftreten, es gibt keine Möglichkeit, vorherzusagen, welche", sollten wir das nicht umformulieren als "wir wissen nicht, wie wir welche vorhersagen sollen, und daher nicht in der Lage, genaue statistische Vorhersagen über sie zu treffen" ? Wenn ja, ist es nicht fair zu sagen, dass wir mathematisch gesehen mehr unerklärliche zufällige Variationen in diesen haben als andere beobachtete Größen? (dh in einem bayesschen Sinne ist "zufälliger" einfach mehr Entropie bei unserer besten Vorhersageverteilung über ihre Werte, aber nichts ist "grundsätzlich" zufällig).
Oder sagen Sie, dass wir bereits mit voller Gewissheit wissen, dass es keine Informationen gibt, die wir jemals sammeln könnten, um eine bessere Vorhersage zu treffen, die über eine völlig zufällige Vermutung hinausgeht?
Wenn ich früh oder spät sage, beziehe ich mich auf eine große Skala von null bis unendlich, die jedoch durch die Länge Ihres Messintervalls bestimmt wird. Nach einer ersten Messung können wir Dinge wie die Halbwertszeit vorhersagen, aber nicht den Zeitpunkt des Zerfalls. Das ist zufällig. Egal wie gut Sie die Eigenschaften des jeweiligen Isotops kennen, Sie können niemals den Zeitpunkt des Zerfalls vorhersagen. Möglicherweise können Sie vorhersagen, ob ein Abfall in einem bestimmten Intervall auftritt, aber nicht die Zeit des Abfalls. Ist deine Frage damit beantwortet oder habe ich deine Frage falsch verstanden?
Danke, ich denke, das tut es, es klingt so, als ob sich "fundamentale" Zufälligkeit einfach auf unsere Unfähigkeit bezieht, relativ sichere Vorhersagen über diese Größen zu treffen, aber diese Bezeichnung erscheint vage und etwas willkürlich. Wenn nicht, wie würden Sie grundlegende Zufälligkeit definieren?

In der klassischen Mechanik kann man theoretisch für alles eine Bahn vorhersagen und bei praktischen Messungen gehen nur Messfehler ein. Wenn die Zahlen wieder sehr groß werden, wie in einem Gas, geht man in der klassischen Physik davon aus, dass alles vorhersehbar berechnet wäre, wenn man die Fähigkeit hätte, so viele Daten zu erhalten.

In der Quantenmechanik ist es aufgrund des Postulats der probabilistischen Wellenfunktion (zweite Seite) von Natur aus unmöglich, die (x,y,z,t) eines einzelnen Ereignisses vorherzusagen. Nur die Häufung von Messungen kann vorhergesagt werden. Dies wird in den Doppelspaltexperimenten Elektro für Elektron deutlich, siehe hier .

Kernzerfallslebensdauern werden von der Quantenmechanik vorhergesagt, also eine Häufung ähnlicher Ereignisse. Einzelne Ereignisse sind zufällig, die Wahrscheinlichkeit gewichtet mit der Wellenfunktion, die das Ereignis beschreibt.

Danke Anna, aber aus statistischer Sicht sind beide zufällig (unbekannt, nicht deterministisch). Es passiert einfach, dass wir in der Lage sind, letzteres genauer und mit größerer Sicherheit vorherzusagen als erstere, vorausgesetzt, andere Informationen, richtig? Wenn ja, ist diese Bezeichnung künstlich (nichts ist technisch „grundsätzlich“ zufällig, es sind nur Gewissheitsgrade und wie viele und welche Art von zusätzlichen Informationen wir sammeln könnten, um unsere Gewissheit zu erhöhen). Ob eine bestimmte Theorie der Physik deterministisch ist oder statistische Garantien bietet, ist orthogonal zu diesem Q, nicht wahr?
@Josh, ich glaube nicht, dass es orthogonal ist. Wenn Sie mich bitten, die Flugbahn einer Rakete unter gegebenen Ausgangsbedingungen vorherzusagen, kann ich das tun, und die Fehler können auch vorhersehbar sein. Wenn Sie mich bitten, vorherzusagen, welcher Kern zerfallen wird ( oder ob ein bestimmter Kern zerfallen wird), ist es nicht möglich, eine Antwort zu geben.
Danke, so wie ich das sehe, haben wir natürlich mehr (oder vollständig) deterministische Theorien für Größen entwickelt, die wir mit sehr hoher Präzision beobachten können, aber "der Kosmos" weiß offensichtlich nichts über klassische vs. Quantenmechanik. Also ja, unsere wissenschaftlichen Theorien versuchen natürlich, den erkenntnistheoretischen Herausforderungen gerecht zu werden, mit denen wir für verschiedene Arten physikalischer Phänomene konfrontiert waren, und unsere Fähigkeit, genaue Vorhersagen über unterschiedliche Größen zu treffen. Oder sagen Sie, dass das Universum wirklich zwei Arten von physikalischen Phänomenen aufdeckt und manifestiert? (eine grundsätzlich zufällig und eine nicht?)
@Josh im Moment ist der Mikrokosmos grundsätzlich zufällig, aber für Dimensionen größer als h_bar entsteht Determinismus mit Newtons usw. Gleichungen
Was bedeutet es, wenn ein physikalisches Phänomen „grundsätzlich zufällig“ ist?
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