Wie kollabiert ein „Beobachter“ praktisch eine Wellenfunktion?

Ich habe über das Doppelspaltexperiment gelesen/gelernt, seine Auswirkungen auf die Quantentheorie und wie es erklärt, dass „Teilchen“ sich sowohl als Wellen als auch als Teilchen verhalten können.

Ich weiß, dass die Wellenfunktion eine Wahrscheinlichkeit für den Ort des Teilchens ist und dass das Schießen der Elektronen durch die Doppelspalte ein Interferenzmuster verursacht, das mit mehreren Wellen verbunden ist. Obwohl dies keinen intuitiven Sinn ergibt (in Bezug darauf, wie etwas überhaupt als Welle existieren kann), kann ich folgen.

Ich habe jedoch gelesen/gehört, dass ein „Beobachter“ die Wellenfunktion in einen einzigen Punkt kollabiert. Dies führte dazu, dass die Elektronen tatsächlich an der Wand hinter dem Schlitz auftauchten; Feynman schlug jedoch (zugegebenermaßen als Gedankenexperiment) vor, dass das Platzieren eines „Beobachters“ vor den Schlitzen dazu führen würde, dass die Elektronen als Teilchen durchfliegen und kein Interferenzmuster auf der Rückwand hinterlassen würden.

Was ist ein „Beobachter“? Wie und warum würde das Elektron „wissen“, dass es beobachtet wird, und es daher veranlassen, sein Verhalten zu ändern?

Das Thema Dekohärenz könnte Sie interessieren. en.wikipedia.org/wiki/Quantum_decoherence Grundsätzlich könnte man sagen, dass der "Kollaps" passiert, wenn das Elektron mit einem Messgerät verschränkt wird. Da das Messgerät extrem mit der Umgebung (Luftmoleküle etc.) verschränkt ist, erscheinen ab diesem Zeitpunkt alle Erwartungswerte klassisch. Dieses Buch mag zu fortgeschritten sein, aber "Decoherence" von Schlosshauer gibt eine sehr gute Beschreibung.
Wie my2cts sagte: „Der Kollaps der Wellenfunktion findet nur in den Köpfen der Physiker statt.“ Nicht nur das, niemand kann physikalisch beschreiben, was eine Lichtwelle ist. Mit einer Teilchentheorie lassen sich beliebige Lichtphänomene herleiten. Was ist eine Lichtwelle, wenn nicht Milliarden kohärenter Photonen? ? Statt Verschränkung ist der Begriff Korrelation gefragt. Sie können nicht nur mit Partikeln korrelieren, sondern auch beschreiben, wie es geht. Was ist Verschränkung, wenn nicht Korrelation?
in Bezug darauf, wie irgendetwas überhaupt als Welle existieren kann Das Elektron ≠ die Wellenfunktion
Kleine Korrektur: "Ich weiß, dass die Wellenfunktion eine Wahrscheinlichkeit für den Ort des Teilchens ist" ist nicht richtig. Die Wellenfunktion ist die Wahrscheinlichkeitsamplitude (siehe diesen Beitrag ), die nicht dasselbe ist wie eine Wahrscheinlichkeitsdichte (auch als Verteilung bezeichnet, was Ihnen normalerweise in Ihrem grundlegenden Wahrscheinlichkeitskurs begegnet). Um die tatsächliche Wahrscheinlichkeit (Dichte) zu erhalten, benötigen Sie das Quadrat des Betrags der Wellenfunktion ( d. h. Bornsche Regel).
Eine Beobachtung ist grundsätzlich eine Interaktion . Das bringt die Leute zum Stolpern, weil wir instinktiv denken, etwas zu „beobachten“ sei eine Art, ein System zu „betrachten“, um aus der Ferne Informationen daraus zu gewinnen, ohne mit ihm zu interagieren. Auf der Quantenebene verschwindet dieser Begriff der Trennung, und der Wechselwirkungsteil einer Beobachtung wird so bedeutsam, dass er den Zustand des beobachteten Objekts nicht mehr verändern kann.

Antworten (6)

Die anderen Antworten hier sind zwar technisch korrekt, werden aber möglicherweise nicht auf einem Niveau präsentiert, das Ihrem offensichtlichen Hintergrund entspricht.

Wenn das Elektron mit einem anderen System so interagiert, dass das Verhalten des anderen Systems von dem des Elektrons abhängt (z. B. wenn es eine Sache aufzeichnet, wenn das Elektron nach links geht, und eine andere, wenn es nach rechts geht), dann hat das Elektron keine Wellenfunktion mehr für sich: Das System Elektron + "Detektor" hat einen gemeinsamen Zustand. Die beiden sind verstrickt .

Das Elektron muss nichts "wissen". Die einfache physikalische Wechselwirkung führt zu einem Zustandsvektor, der nach den Gesetzen der Quantenmechanik eine Störung durch eines der Teilsysteme dieses größeren Systems ausschließt. Allerdings kann der gemeinsame Zustand selbst eine Art "Interferenzeffekt" aufweisen (allerdings nicht die Art, an die Sie normalerweise beim Zweispaltexperiment denken).

Wenn diese Verschränkung gut kontrolliert ist (wie in einem Labor), dann könnte (a) das Aufzeigen dieser "gemeinsamen Interferenz" praktisch sein, und (b) ist auch das Aufheben der Verschränkung möglich, wodurch die alleinige Überlagerung des Elektrons wiederhergestellt wird. So wissen wir, dass es nicht „zusammengebrochen“ ist.

Aber wenn die Verschränkung durch Streuphotonen, Luftmoleküle etc. verursacht wird, dann wird jede Hoffnung, sie zu kontrollieren, fast sofort zunichte gemacht, und wir können in der Praxis keine Interferenz mehr zeigen. Von nun an wird sich das System scheinbar klassisch verhalten, wobei sich die verschiedenen Zweige unabhängig voneinander entwickeln. Diese Tatsache wird als Dekohärenz bezeichnet . Die Überlagerung ist immer noch nicht "zusammengebrochen", aber wir haben nicht länger die Möglichkeit, die Überlagerung zu zeigen oder auszunutzen.

Sie werden feststellen, dass dies noch eine entscheidende Frage offen lässt: Wann wird aus den vielen Zweigen eins? Dies nennt man das Messproblem , und die Physiker sind sich bis heute nicht einig über die Antwort.

So wie ich es verstehe: Es gibt keine Möglichkeit, "telepathisch" etwas über das Elektron zu messen. Wir müssen entweder ein anderes Elektron (oder Proton oder was auch immer) davon abprallen lassen, oder vielleicht können wir etwas durch sein elektrisches Feld beeinflussen lassen - aber das Elektron wird gleichermaßen durch das Feld des Messgeräts beeinflusst. Mit anderen Worten, um das Elektron zu messen, müssen wir es stören. Und dann passiert der „Zusammenbruch“. Das ist „beobachten“.
In der Makrowelt können wir Dinge beobachten, ohne sie (merklich) zu beeinflussen, weil es winzige Dinge (Photonen) gibt, die von großen Dingen abprallen können, ohne sie wesentlich zu beeinflussen. Aber wenn wir das Quantenreich betreten, gibt es nichts Kleineres, weil die Quantenteilchen bereits (per Definition) die kleinsten Dinge sind, die existieren.
@A_P Es wäre großartig, wenn Sie darüber sprechen könnten, warum negative oder interaktionsfreie Ergebnisse wie die von Renninger gleichermaßen effektiv sind, um die Wellenfunktion auf klassische Werte zu reduzieren.
@JPattarini Danke, dass du das erwähnt hast. Das Fehlen eines Erkennungsereignisses kann genauso aussagekräftig sein wie das Vorhandensein eines solchen. Im Gedankenexperiment von Renninger wird die Wellenfunktion nicht auf einen Punkt reduziert, sondern auf die Hemisphäre von Trajektorien, wo sie nicht nachgewiesen wurde. Der einfache Weg, dies alles zu verstehen, ist, dass immer dann, wenn Informationen über einen Zustand gewonnen werden, dies eine Verschränkung darstellt. Und natürlich können Informationen manchmal auf negativem Weg kommen. Anstatt "gezwungen zu sein, es zu stören", haben wir hier versucht , es in gewisser Weise zu stören, und es ist uns nicht gelungen , es zu stören. Aber versuchen hat gereicht.
@A_P Ich denke, ich muss dazu eine spezielle Frage stellen, aber es scheint, dass wir Quantum Zeno-Effekte in jedem Renninger-ähnlichen Setup sehen sollten, wenn ein negatives Ergebnis von einem Detektor ausreicht, um die Wellenfunktion zu aktualisieren. Wenn Erkennung und Nicht-Erkennung beide gleichberechtigte Messungen sind, fühlt es sich im Grunde so an, als ob eine Zustandsentwicklung kaum möglich sein sollte
@JPattarini Eine andere Frage ist eine gute Idee. Ich bin kein Physiker. Aber warum glauben Sie, würden wir einen Quanten-Zeno-Effekt sehen? Es gibt nur einen Detektor in fester Entfernung, der für den teilweisen Einsturz verantwortlich ist. Auch der Staat entwickelt sich weiter ; es tut dies nur nicht als kohärente Überlagerung.
Wenn wir lassen D + mittlerer Detektor gibt an, wo eine Erkennung stattgefunden hat und D − wo es nicht war , dann | ψ ⟩ entwickelt sich zu | D + ⟩ ⊗ | ψ 1 ⟩ + | D − ⟩ ⊗ | ψ 2 ⟩ , Wo | ψ 2 ⟩ ist eine Überlagerung von Ortseigenzuständen. Diese können sich immer noch gegenseitig stören; sie konnten sich einfach nicht einmischen | ψ 1 ⟩ Zustände (wobei ignoriert wird, dass das Teilchen sowieso von diesem Zweig absorbiert wurde).
@A_P Ich fürchte, ich brauche auch eine vereinfachte Erklärung, aber ich schaue mir viele naturwissenschaftliche Vorlesungen an. Wie stimmt Ihre Antwort mit einer "Viele-Welten" -Interpretation der Quantenmechanik überein / widerspricht sie?
@JackR.Woods Wir nennen eine Überlagerung dekohärent, wenn sie über unsere Fähigkeit hinauswächst, sie zu verwalten (oder zu erkennen). Da es äußerst unwahrscheinlich ist, dass sich die Zweige der Superposition über diesen Punkt hinaus stören, sagen manche Leute gerne, dass wir sie „unterschiedliche Welten“ nennen sollten. Aber es gibt kein besonderes Ereignis, das eine klare Grenze ziehen könnte, also finde ich das ein bisschen albern. Warum sollte „für moderne Menschen fast unmöglich umzukehren“ die Grenze für die Weltschöpfung sein? (Fortsetzung)
Höhlenmenschen konnten nicht einmal eine Einzelpartikel-Überlagerung erkennen, und jedes Partikel befindet sich in einer solchen Überlagerung, wenn man es auf einer bestimmten Basis betrachtet. Bedeutet das, dass damals jedes Teilchen in „zwei Welten“ war? Natürlich nicht. Außerdem machen viele Menschen den Fehler zu glauben, dass es ein einziges Ergebnis gibt, wenn sich die Welten verzweigen. Das ist nicht wahr. Alle Möglichkeiten sind noch da, auch wenn sie nicht stören. Erst wenn sich das Ganze mit dir verstrickt , passiert (aus deiner Perspektive) etwas deutliches. Andererseits bin ich nur ein Niemand, also ist es wahrscheinlich besser, "die Experten" zu lesen.

Der Zusammenbruch der Wellenfunktion ist ein Merkmal der Kopenhagener Interpretation, die eine Interpretation der Quantenmechanik ist. Es ist nicht das einzige. Heutzutage spricht man nicht wirklich über Interpretationen der Quantenmechanik. Sie sprechen eher von Dekohärenz. Eines der Dinge, die immer unbefriedigend am CI waren, war, dass es nie definierte, was mit Begriffen wie „Beobachter“ und „Messung“ gemeint war.

Eine natürlichere Art, darüber nachzudenken, ist die Dekohärenz. Wenn ein quantenmechanisches System mit einer Umgebung interagiert, besteht die Tendenz, dass seine Phaseninformationen verschlüsselt werden. Dekohärenz ist eine Theorie, die es uns ermöglicht, solche Dinge zu berechnen und zB die Zeitskala zu finden, auf der diese Phaseninformationen verloren gehen. Wenn die Umwelt eine große Sache mit viel Energie ist, ist die Zeitskala für die Dekohärenz sehr kurz. Wenn Leute über Beobachter und Messungen sprechen, sprechen sie über Objekte, die so groß sind und so viel Energie enthalten, dass diese Zeitskala viel kürzer ist als jede andere Zeitskala des Problems, und daher ist es sinnvoll, es als sofortigen Zusammenbruch zu behandeln. wie in CI.

außerdem bildet Dekohärenz keine Überlagerungen auf Eigenfunktionen ab, sondern reine Zustände auf gemischte, die als "klassische" Wahrscheinlichkeitsverteilungen interpretiert werden können: Dekohärenz an sich geht nicht auf einzelne Messungen ein
@Ben Crowell Wie erklärt die Dekohärenz den teilweisen Zusammenbruch der Wellenfunktion in Renningers Aufbau?

Der Kollaps der Wellenfunktion findet nur im Kopf des Physikers statt.

Wir haben es mit der Verschränkung des Elektrons und der Detektorwellenfunktionen zu tun. Im Doppelspaltproblem können wir die Elektronenwellenfunktion schreiben als ψ L + ψ R . Der Detektor hat zwei orthogonale Zustände, L Und R . Wenn es keinen Detektor gibt, haben wir Interferenzen. Wenn es eine gibt und wenn sie die beiden Möglichkeiten mit 100%iger Sicherheit unterscheidet, dann muss es die Wellenfunktion sein ψ L L + ψ R R . Dies ist ein verschränkter Zustand, in dem keine Interferenz vorhanden ist ⟨ ψ L L | ψ R R ⟩

= ⟨ ψ L | ψ R ⟩ ⟨ L | R ⟩ = 0 .

Es tritt kein Zusammenbruch auf, es sei denn während der Installation des Detektors.

Die frühen Jahre der Quantentheorie wurden von einer Denkschule dominiert, die als Kopenhagener Interpretation bekannt ist.

Gemäß dieser Denkschule könnte die Wellenfunktion eines Teilchens eine augenblickliche Änderung erfahren, wenn eine Eigenschaft des Teilchens gemessen wird. Es wurde angenommen, dass der Vorgang der Messung die Änderung verursacht (die manchmal als „Zusammenbruch“ der Wellenfunktion bezeichnet wird). Die kurze Antwort auf Ihre Frage lautet also nach der Kopenhagener Schule, dass ein Beobachter durch eine Messung einen Kollaps der Wellenfunktion herbeiführt. Wenn beispielsweise ein Photon mit einer Fotoplatte interagiert, um einen dunklen Fleck zu erzeugen, wird die Position des Photons plötzlich lokalisiert.

Viele Physiker haben Einwände gegen diese Interpretation erhoben, und zwar aus drei Hauptgründen. Erstens scheint der Zusammenbruch augenblicklich zu erfolgen, ohne unterstützende Theorie darüber, was ihn vermittelt oder auslöst. Zweitens ist eine „Messung“ nur eine Wechselwirkung zwischen dem Teilchen und einem anderen Teilchen, das zufällig Teil des Messgeräts ist. Und drittens, dass das Messgerät selbst nur eine Ansammlung von Teilchen mit Wellenfunktionen ist, warum sollte es also nicht mit dem Objekt, das es misst, der gleichen Art von diskontinuierlicher Veränderung unterliegen?

Diese Einwände sind noch nicht vollständig ausgeräumt. Viele Resolutionen wurden vorgeschlagen, und jede hat ihre Befürworter und Kritiker.

Ein Photon ist ein elektromagnetisches Wellenpaket oder ist diesem zugeordnet. Seine Energie kann man sich als in der Energiedichte der elektrischen und magnetischen Felder verkörpert vorstellen. Eine Wellenfunktion beschreibt dieses Wellenpaket. Das Beobachten eines Photons bedeutet im Allgemeinen, dass es eingefangen wurde (wie in einem CCD oder auf einem Stück Film). Beim Einfangen verliert das Photon seine Energie an das Einfanggerät und die Welle verschwindet. Es bleibt nichts übrig, um die Funktion zu beschreiben.

Physikstudenten werden die folgenden drei Dinge beigebracht: 1) Eine Wellenfunktion ist eine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion unendlicher Größe, die als nützliche Fiktion dient und es uns ermöglicht, Eigenschaften eines Teilchens zu berechnen. 2) Der Zusammenbruch der Wellenfunktion ist ein reales Ereignis, ein nicht fiktives Ereignis, das von etwas außerhalb der betreffenden Wellenfunktion ausgelöst wird. 3) Physiker haben eine gewisse Vorstellung davon, was im Universum vor sich geht, also sollten wir sie ernst nehmen.

Offensichtlich muss eines dieser drei Dinge gehen.

Die ersten beiden Aussagen sind falsch. Wer lehrt das?
Wie kollabiert ein „Beobachter“ praktisch eine Wellenfunktion?
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