Wie existieren Quantenphänomene vor der Beobachtung?

Sie sprechen vom Messproblem , für das es noch keine allgemein akzeptierte Lösung gibt.

Aber ein reiner Quantenzustand nach einer Messung ist in genau der gleichen Art wie vor der Messung, nämlich ein neuer reiner Quantenzustand. Es ist einfach so, dass die Messung den Quantenzustand dazu zwingt (durch einen noch nicht vollständig verstandenen Mechanismus, der das Messproblem löst), sich in einem der Eigenvektoren des Operators zu befinden, der die Messung beschreibt. Es wird in den Eigenzustand "gezwungen" (kollabiert ....), der dem aus der Messung gewonnenen Messwert entspricht. Welcher Eigenzustand / Vektor das ist, ist zufällig - nur hier ist QuantenUngewissheit kommt ins Bild. Von dort aus entwickelt es sich nach der Schrödinger-Gleichung neu, genau wie vor der Messung. Eines der Ergebnisse dieser letzten Aussage ist, dass, wenn der bestimmte Messoperator ("beobachtbar") mit dem Hamilton-Operator pendelt, der Zustand so bleibt, wie er ist, und nur eine globale, linear mit der Zeit zunehmende Phasenverzögerung annimmt. Zwischen den Messungen ist die Entwicklung des Quantenzustands absolut deterministisch.

Besteht Unsicherheit in der Messung ( dh neben und abweichend von der obigen Quantenunsicherheit zB durch Ungenauigkeiten der eigenen Instrumente), dann wird der Zustand aus Sicht des Messenden zu einer klassischen Mischung reiner Zustände. Im Prinzip modelliert man dies, indem man jedem der reinen Zustände, die mit der Messung übereinstimmen könnten, klassische Wahrscheinlichkeiten zuordnet: Diese Wahrscheinlichkeiten sind die klassischen bedingten Wahrscheinlichkeiten, wenn der bestimmte Messwert, der aufgelesen wurde, gegeben ist. Dies ist in der Tat eine Verallgemeinerung der Situation, die man im Wigner-Friend-Gedankenexperiment hat. Im Prinzip entwickelt man alle diese Möglichkeiten durch parallele Schrödinger-Gleichungsrechnungen und kombiniert dann ihre Wahrscheinlichkeitsvorhersagen klassisch, um Gesamtwahrscheinlichkeitsverteilungen für Messungen in der Zukunft zu berechnen. In der Praxis kann diese Berechnung einfacher durch den Dichtematrixformalismus durchgeführt werden. Kurz gesagt: Die zugrunde liegende Dynamik ist immer noch die der reinen, einheitlichen Zustandsentwicklung: Die Unwissenheit des Beobachters darüber, welcher reine Zustand vorherrscht, wird in den Dichtematrix-Formalismus kodiert und von ihm gehandhabt .

Was Sie beschrieben haben, ist die Kopenhagener Interpretation, in der die Wellenfunktion Ihnen die Wahrscheinlichkeit gibt, ein Teilchen an einer bestimmten Position zu finden. Wenn wir das Teilchen beobachten, "kollabieren" wir die Wellenfunktion, und dann wissen wir, wo es sich befindet.

Dies ist nicht die einzige Interpretation, sondern die Standardinterpretation. Im Allgemeinen ist es jedoch nicht möglich, zwischen verschiedenen Interpretationen zu unterscheiden, da sie alle (mit wenigen Ausnahmen) die gleichen experimentellen Ergebnisse liefern.

Lassen Sie mich Ihre Frage beantworten: "Spiegeln diese Experimente tatsächlich wider, wie die Natur funktioniert?" mit einer anderen Frage: Wenn diese Experimente nicht widerspiegeln, wie die Natur funktioniert, wie könnten wir dann diese Experimente durchführen und diese Ergebnisse erzielen? Mit anderen Worten, die seltsamen Ergebnisse dieser Experimente müssen mit der Funktionsweise der Natur übereinstimmen.

Ich sollte jedoch darauf hinweisen, dass moderne Interpretationen dazu neigen, die Idee des Beobachters und des Zusammenbruchs der Wellenfunktion aufgrund von Problemen wie "Was macht einen Beobachter aus?" und "Warum verursacht ein Beobachter einen Zusammenbruch der Wellenfunktion?"

Es wurde gesagt, dass gemäß der Schrödinger-Gleichung Teilchen unabhängig von der Beobachtung in einem Zustand einer Wellenfunktion existieren, die eher eine Reihe von Möglichkeiten als tatsächliche Objekte sind. Dann bewirkt der Akt des Beobachtens, dass eine Welle von Potentialität zu einem Zustand der Materie zusammenbricht.

Ist das wahr?

Die Antwort auf Ihre erste Frage lautet: Es kommt darauf an. :) Die Tatsache, dass Sie die Wellenfunktion nehmen können, die ein Elektron in einem Potential beschreibt (eine der grundlegenden Lösungen der Schrödinger-Gleichung), und dieses Ergebnis dann quadrieren, gibt Ihnen tatsächlich eine Wahrscheinlichkeitsverteilung des Elektrons in diesem bestimmten Potential.

Aber man wird nie genau wissen, wo und mit welchem ​​Impuls sich das Elektron befindet, ohne es zu messen. Typischerweise geschieht dies mit mindestens einem Photon (normalerweise viel), und das Photon wird in Richtung der Wahrscheinlichkeitsverteilung gesendet und das resultierende abgelenkte/emittierte Photon wird mit einem Detektor gemessen. Aber diese Messung ist nur eine sehr kleine Information darüber, wo sich das Elektron in dem bestimmten Moment befand, in dem das Photon mit ihm interagierte. In gewisser Weise haben Sie durch das Abfeuern des Photons auf das Elektron tatsächlich den Elektronenzustand für einen kurzen Moment "fixiert". Wenn Sie jedoch das Elektron nicht vollständig aus dem Potential gestoßen haben, in dem es saß, als Sie Ihr Photon abgefeuert haben, haben Sie die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Elektrons nicht wirklich verändert.

Der Zusammenbruch der Wellenfunktion ist ein Begriff, der den bestimmten Moment der Messung beschreibt. Bis zu diesem Punkt haben Sie nur eine Wahrscheinlichkeitsverteilung. Ich erinnere mich, dass sich einige meiner Lehrbücher und einige Forschungsarbeiten auf diese Wahrscheinlichkeitsverteilung mit dem Begriff: Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion beziehen. Genau das berechnet man, wenn man die Wellenfunktion quadriert.

Wenn Sie der Ansicht sind, dass nichts real ist, bis es beobachtet wird, dann liegen Sie nicht falsch. Aber in aller Praxis leben wir nicht in einer Welt, in der wir Ereignisse, die auf einer in Planck-Zeit gemessenen Zeitskala stattfinden, genau wahrnehmen. Und Sie werden wahrscheinlich Probleme haben, die Konzepte der modernen Quantenmechanik zu verstehen.

Zu deiner zweiten Frage:

Sind diese Quantenexperimente auch Anomalien und nicht, wie die Natur funktioniert, oder spiegeln diese Quantenexperimente, wie Doppelschlitz und Quantenlöscher, tatsächlich wider, wie die Natur funktioniert, selbst ohne menschliche Manipulationen?

Diese Experimente sind eigentlich so, wie die Natur funktioniert. Wie ich in meiner Antwort auf Ihre erste Frage angedeutet habe, hängt dies jedoch von Ihrer Sichtweise ab. Und die Natur funktioniert auf viel kompliziertere Weise, als wir in Experimenten oder den relativ einfachen Berechnungen sehen, die beispielsweise in Studienarbeiten auf Hochschulniveau durchgeführt werden. In den nicht-experimentellen/nicht-theoretischen Szenarien, in denen der Großteil der Quantenmechanik im Universum stattfindet, finden VIELE Wechselwirkungen gleichzeitig statt. Für jedes gegebene System von Teilchenwechselwirkungen sieht man leicht eine um Größenordnungen höhere Komplexität, als irgendjemand bis heute erfolgreich berechnet hat. Wir haben nur eine begrenzte Rechen-/Analysefähigkeit, und das gilt nur für die einfachsten Systeme (wie das Wasserstoffatom oder einige einfache Moleküle). Mit der Simulation oder Berechnung von Dingen für Moleküle unter Verwendung von Elektronenpotentialen und einer Vielzahl von Annahmen kann viel getan werden, aber Sie betrachten nicht die Wellenfunktionen für diese Moleküle. Also ... die Art und Weise, wie Quantenmechanik heute gelehrt wird, gibt den meisten Leuten eine sehr einfache, enge Sichtweise.

In der nichtrelativistischen Quantenmechanik haben Sie eine partielle Differentialgleichung wie die Schrödinger-Gleichung. Die Lösungen heißen Wellenfunktionen. Es ähnelt den Maxwell-Gleichungen darin, dass Sie die Werte zu einem späteren Zeitpunkt abrufen können, wenn Sie die Werte auf einmal bereitstellen.

Im Gegensatz zu Maxwell sind die Werte, die Sie angeben müssen, komplex und im Gegensatz zu Maxwell müssen Sie sie nicht für jeden Punkt im physischen Raum angeben, sondern für einen Raum mit 3n Komponenten, wobei n die Anzahl der Partikel ist. Die Angabe all dieser Zahlen reicht aus, um Ihnen dies mitzuteilen wo jedes einzelne Teilchen ist, so sind sie Koordinaten für eine Gesamtkonfiguration aller n Teilchen.

OK. Wir geben also für jede Konfiguration eine komplexe Zahl an. Der Wert der komplexen Zahlen entwickelt sich mit der Zeit gemäß der Schrödinger-Gleichung.

Wenn Sie zwei Teilchen haben, ist es möglich, dass eine Wellenfunktion entsteht$\Psi(x,y,z,X,Y,Z,t)$könnte als Produkt zweier anderer Funktionen geschrieben werden

$$\Psi(x,y,z,X,Y,Z,t)=A(x,y,z,t)B(X,Y,Z,t).$$ Wenn ja, ist es faktorisierbar. Messungen beziehen sich auf diese faktorisierbaren Zustände.

Manchmal gibt es Operationen, bei denen Sie das gleiche Ergebnis erzielen, wenn Sie sie zweimal ausführen. Beispielsweise können Sie ein Gerät herstellen, das einen Strahl nach links und rechts teilt, aber wenn Sie zwei solcher Maschinen haben, bleibt der Strahl, der nach links ging, immer in der ersten geht in der zweiten Maschine nach links und der Strahl, der in der ersten Maschine nach rechts ging, geht in der zweiten Maschine immer nach rechts. Solche Zustände sind den Strahlen eigen, und das Gerät wirkt auf diese Eigendinge immer auf die gleiche Weise. Messungen beziehen sich auf diese Geräte und Zustände.

Wir haben jetzt die Zutaten, um Ihre Frage zu beantworten. Sie können Ihre Wellenfunktion immer als Summe faktorisierbarer Zustände schreiben, von denen jeder für einige Geräte eigen ist und die für diese Geräte auf völlig objektive Weise wirken. Wenn Sie jedoch Eigen zu einem Gerät sind, werden Sie nicht Eigen zu anderen Geräten sein, so dass diese anderen Geräte Sie entwickeln werden, um jede der Summen, die Eigen zu diesem Gerät sind, in eine Summe aufzuteilen.

Wenn jemand Potenzial sagt, meint er einfach nicht eigen für dieses Gerät. Und was die Evolutionsgleichungen sagen, ist, dass es sich in eine Summe von Eigenzuständen aufspaltet. Technisch gesehen war es bereits eine Summe von Eigenzuständen, also meine ich mit Aufteilen. Die verschiedenen Eigenzustände, wenn sie mit einem anderen Zustand für andere Teilchen faktorisiert werden, haben die andere Teilchenwelle getrennt.

Zum Beispiel

$$\Psi(x,y,z,X,Y,Z,0)=\left(5A(x,y,z,0)+2a(x,y,z,0)\right)B(X,Y,Z,0)$$ wo A und a eigen sind, entwickelt sich zu $$\Psi(x,y,z,X,Y,Z,0) = \left(5A(x,y,z,t)C(X,Y,Z,t)\right) + \left(2a(x,y,z,t)D(X,Y,Z,t)\right)$$ wobei C und D disjunkt (getrennt) sind.

Dieses andere Teilchen, das trennt, wenn es an verschiedene Eigenzustände gekoppelt ist, misst effektiv das erste. Wenn es ein ganzes Bündel ist, das erforderlich ist, um den Eigenzustand des ersten zu trennen, messen sie zusammen den ersten. Um es zu messen, müssen sie auch grundsätzlich von allem anderen nicht beeinflusst werden. Sie können eine Sache nicht messen, wenn alles andere Sie ablenkt und beeinflusst, was Sie tun, weil die anderen Dinge Sie dann dazu bringen könnten, sich nicht zu trennen.

Beachten Sie die 5 und 2, manchmal ist ein Term in der Summe kleiner als ein anderer Term in der Summe und dann kann es weniger Auswirkungen auf die zukünftige Entwicklung haben, wenn sich beide überschneiden.

In unserem Beispiel wird sich das Ganze nicht wieder überlappen, wenn sich die getrennten Teile (C und D) nie wieder überlappen. Und nicht überlappende Dinge tun so, als wären sie das Einzige auf der Welt. Die Dinge, die es messen, tun also so, als ob nur dieses eine Ergebnis existiert. Da sie sich so verhalten, als wären sie das einzige, was wir einen Zusammenbruch nennen, dauert es einige Zeit, bis sie vollständig getrennt sind, aber sobald sie getrennt sind, verhalten sie sich jeweils so, als ob nur sie existieren würden.

Dann kann etwas anderes das Ding messen, das es gemessen hat, und so weiter, und jeder tut dann so, als ob es nur das Ding gäbe, das zu dem gehört, was sie gemessen haben. Und da das Bringen von Eigen zu einem Gerät wiederholbar ist, erscheint diese Meinung für das, was sie gemessen hat, objektiv, da eine erneute Durchführung dieselben Ergebnisse liefert.

So kann ein Ergebnis für einen Teil objektiv erscheinen (wie ein C oder ein D).

Da wir noch nie eine Abweichung von der Wellenentwicklung gesehen haben, ist es vernünftig zu sagen, dass die Natur so ist. Aber offensichtlich haben die Geräte die Dinge verändert, sie haben die Wellen getrennt. Ein anderes Gerät hätte sich getrennt$\Psi$hinein$3K(x,y,z,t)+4k(x,y,z,t)$anstatt$5A(x,y,z,t)+2a(x,y,z,t)$Messungen tun also etwas. Und sie passieren im Laufe der Zeit, also kann die Reihenfolge, in der Sie sie machen, eine Rolle spielen, vielleicht waren Sie eigen für A/a, aber Sie haben eine K/k-Messung durchgeführt, die es in Dinge aufteilt, die K/k sind, also dann, wenn Sie eine A/a machen Messung müssen Sie K in A/a aufteilen und k in A/a aufteilen, wo Sie jetzt etwas A und etwas a erhalten, während Sie, wenn Sie zuerst Ihre A/a-Messung durchgeführt hätten, sicher A bekommen hätten (oder a für bekommen hätten sicher, weil es schon eigen zu A/a war, also war es das eine (z. B. A) oder das andere (z. B. a)).

Also habe ich diese Skalare 2,3,4,5, die auftauchten, nicht wirklich erwähnt. Wenn du schreibst$\Psi$als Kombination von Eigenzuständen sind Sie mathematisch gezwungen, dort Konstanten zu haben. Sie sind wichtig, um aus Dingen, die zu etwas anderem gehören, etwas Eigenes zu einem Gerät zu machen, aber nur, wenn sie nicht getrennt sind.

Insbesondere wenn Sie sich ein Gerät ansehen, das misst, wie oft eine Reihe von Dingen nach links abgelenkt wurden, dann wirken sich diese Konstanten darauf aus, wofür dieses Gerät eigen ist, also was wir sehen, wenn wir messen, wie viele von ihnen nach links gesendet wurden. Sie beeinflussen also das, was das Messgerät die Beobachtungshäufigkeit nennt.

Die Wellen scheinen also immer der Gleichung zu folgen, sowohl wenn wir messen als auch wenn wir nicht messen. Das Messen wirkt sich aus. Und die Reihenfolge, in der Sie messen, verändert Ihre Ergebnisse. Aber wir messen niemals die numerischen Werte der Welle. Alles, was wir tun können, ist, sie so weiterzuentwickeln, dass sie zu Teilen wird, die dann unabhängig voneinander agieren, und so kann jeder Teil denken, dass er das Ganze ist. Und dieses Erscheinungsbild erscheint objektiv, denn wenn dieses Teil zweimal dieselbe Messung durchführt, erhält es beide Male dasselbe Ergebnis (es sei denn, es führt dazwischen eine andere Messung durch, da Messungen Dinge aufspalten, die ihm nicht eigen sind, und sie daher ändern).