Wie sieht ein Quantenteilchen aus, bevor es gemessen wird?

Die Art und Weise, wie Sie die Fragen gestellt haben, scheint zu implizieren, dass Sie sich einer Substanzmetaphysik verschrieben haben . Aber es scheint mir, dass die Art und Weise, wie sich die moderne Physik entwickelt hat, uns eine offenkundig prozessbasierte Metaphysik präsentiert . Als allgemeine Faustregel gilt: Wenn Sie wirklich grundlegende Fragen wie „Was ist ein Teilchen?“ stellen, werden Physiker nicht in der Lage sein zu sagen, was es ist , und sie werden Ihnen sagen können, was es tutangesichts einer bestimmten Situation. Wenn Sie also eine echte Antwort auf Ihre Frage wollen, müssen Sie eine operativ definierte Frage stellen. (Was passiert zum Beispiel mit Elektronen, wenn sie unter dem Einfluss eines starken E-Feldes direkt auf ein Metall geschossen werden? Was, wenn sie auf einen Kristall geschossen würden? Hinweis: Es werden ganz andere Dinge passieren.). Da sich Physiker im Allgemeinen nicht um philosophische Dinge kümmern, stellen sie sich dennoch Ihre Frage , und obwohl ihre Antworten faszinierend sind, könnten sie auch als abstrakter Unsinn bezeichnet werden .

Niemand weiß. Wir modellieren sie als wellenartige Störungen des entsprechenden Nullpunktfeldes für die Eigenschaften, an denen wir interessiert sind. Aber ein Nullpunktfeld ist nur ein Etikett, an dem die grundlegende Mathematik hängt, wir haben keine Ahnung, ob das einen ontologischen Sinn ergibt entweder. Und wie ich auf der Physics SE entdeckt habe, gibt es viele grundlegende Fragen, für die diese Quantenfeldtheorie (QFT) kein direktes Modell hat und sich einfach vorbeischummelt.

Der Standardansatz besteht darin, die ontologischen Probleme einfach zu ignorieren und nur Mathematik, Fudges und alles zu verwenden, um experimentelle Ergebnisse vorherzusagen.

Jeder Versuch eines realen physikalischen Konzepts wird als Interpretation der Theorie bezeichnet. Sofern die Interpretation logisch mit der Mathematik übereinstimmt, kann sie nicht falsifiziert werden. Es gibt sehr viele solcher Interpretationen, wie Sie sicher festgestellt haben. Die Kopenhagener Interpretation besagt, dass es keine solche zugrunde liegende Realität gibt, die für wissenschaftliche Untersuchungen relevant ist, und weil all diese Versuche nicht falsifiziert werden können, sind sie nur für Metaphysiker von Interesse.

Eigentlich ist es noch schlimmer. Historisch wurden die ontologische Realität der Dinge, die in den Gleichungen erscheinen (wie die Quantenfelder), die zeitliche Kausalität und der Ausschluss von überlichtschnellen oder nichtlokalen Einflüssen als selbstverständlich angesehen. Wir haben jedoch durch das berühmte Verschränkungsphänomen entdeckt, dass diese drei – Kausalität, Lokalismus und Realismus – nicht alle wahr sein können. Physiker kratzen sich am Kopf darüber, welche eine oder mehrere von ihnen falsch sind und was sie im Labor testen möchten. Da dies philosophische Implikationen hat, die mindestens so tiefgreifend sind wie ihre wissenschaftlichen, kommt Einsteins Beobachtung, dass Wissenschaftler schlechte Philosophen sind, im Moment eher zum Verschwinden.

Auch hier besteht ein Teil dieses Problems darin, dass die Quantenfeldgleichungen auf der bereits existierenden Stufe von Einsteins Raumzeit aufgestellt sind. Einige Physiker schlagen vor, dass Raum und/oder Zeit tatsächlich emergente Eigenschaften dynamischer Quantensysteme sein könnten. In einem solchen Fall müssen die Quantengleichungen entsprechend umgeformt werden, aber wir haben keine Ahnung, was wir anstreben sollen. Wir wissen also nicht einmal, auf welchem ​​Spielfeld wir uns befinden, ganz zu schweigen davon, welches Spiel darauf gespielt wird. Trotzdem ist das Regelwerk, das wir für das Spiel zusammengestellt haben, wahrscheinlich die bisher größte intellektuelle Errungenschaft der Menschheit.

Quantenteilchen werden als Anregungen des zugrunde liegenden Quantenfeldes modelliert. Ein Elektron ist also eine Anregung des Elektronenfeldes, ein Myon ist eine Anregung des Myonenfeldes und so weiter. Dies wird als Quantenfeldtheorie bezeichnet und ist ein weit entwickeltes Gebiet der Physik.

Quantenwesen brechen völlig unsere Intuition, wenn wir versuchen, sie zu verstehen (Grund dafür, warum Feynman in einem Vortrag sagte, dass „ wenn Sie glauben, Sie verstehen Quantenmechanik, verstehen Sie Quantenmechanik nicht “). Es ist ziemlich schwierig zu definieren, was eine Quanteneinheit ist. So wie eine Kugel etwas ist, das nicht der Rest des von ihr begrenzten Raums ist, ist eine Entität etwas, das nicht der Rest des Universums ist, aber wo, wann, was, wie sind die Grenzen von Quantenwesen? Darüber gibt es derzeit keine Einigung. Es ist vielleicht akzeptabel zu sagen, dass eine Quantenentität im Grunde ein mathematisches Modell ist, eine Idee, ein Konzept, das, wenn es zur Vorhersage bestimmter Verhaltensweisen verwendet wird, sehr gut funktioniert.

Versuchen Sie, Quanteneinheiten nicht als Dinge unserer täglichen Erfahrung zu betrachten. Sie sind nicht. Sie sind also vielleicht mit dem falschen Fuß abgereist, als Sie gefragt wurden, „wie ist __“: Es gibt nur wenige Ähnlichkeiten. Hier ein paar Tipps, die Ihnen vielleicht beim Einstieg helfen könnten (hoffe recht zu haben, ich bin alles andere als ein Experte):

Statik: Die Existenz im Quantenuniversum ist radikal anders .

Die Natur auf Quantenebene unterscheidet sich von der Natur, die wir gewöhnlich wahrnehmen, der makroskopischen Ebene. Makroskopische Einheiten haben Formen, nehmen Raum ein, bleiben zeitlich statisch, bewegen sich nicht, verschwinden nicht, können in Teile zerbrochen werden usw.

Aber kleine Einheiten auf der quantenmechanischen Skala "sind" einfach anders. Ich habe das Wort „sind“ zitiert, weil sie auf andere Weise existieren. Ein Teil ihrer Existenz wird durch den Beobachter bestimmt (Sie, wenn Sie eine Quanteneinheit „beobachten“), und ein Teil davon wird durch Regeln bestimmt, nicht durch Wahrnehmungen. Also, in einfachen Worten, die Existenz einer Quanteneinheit hängt für Sie davon ab, was Sie tun und von bestimmten Regeln. Das ist ganz anders als bei einem Wasserball, der im Sand bleibt, wenn kein Wind weht, wenn man nicht hinschaut oder wenn er keinen Luftdruck verliert. Wenn sich ein Wasserball wie ein Quantenwesen verhalten würde, wäre er nicht etwas, das wir anfassen könnten, sondern etwas, das wir in der Luft fühlen (sie existieren nicht wirklich im Weltraum); Am Strand würde es liegen, aber wahrscheinlich nichtdie ganze Zeit am Strand liegen (nach einer Wellenfunktion); es wäre wie eine Brise und gleichzeitig ein Sturm; nicht das eine oder das andere, sondern beide gleichzeitig (Überlagerung); Sobald Sie es getroffen haben - etwas, das passieren kann oder nicht -, könnte es einfach auf der anderen Seite des Strandes erscheinen, ohne den gesamten Raum darüber zu durchqueren (Quantensprung); Es kann gleichzeitig in mehreren Räumen existieren oder sich abhängig von einem anderen Ball am selben Strand verhalten (Verschränkung) usw. Es kann sogar vergangene Aktionen ändern, wenn Sie es treten (siehe Wheelers Experiment)!

Beachten Sie, dass ich „beobachten“ zitiert habe und „was Sie tun“ und nicht „was Sie wahrnehmen“ gesagt habe. Das liegt daran, dass wir Quanteneinheiten nicht direkt betrachten können, weil sie die Größe der gleichen Photonen haben, die wir in unsere Augen bekommen. Dies führt zum nächsten Hinweis:

Dynamik: „Beobachten“/„Messen“ einer Quanteneinheit bedeutet in Büchern eigentlich „mit ihr interagieren“ .

Da wir Quantenwesen nicht direkt beobachten oder messen können – nicht einmal mit einem Mikroskop –, müssen wir mit ihnen interagieren. Beobachten ist in der Quantenmechanik also kein passiver Prozess, sondern ein aktiver.

Wir tun dies im Wesentlichen, indem wir andere „Teilchen“ gegen eine Quanteneinheit „abfeuern“, was so ist, als würden wir Steine ​​gegen einen Stein werfen, um seine Farbe zu kennen (zum Glück hatten wir extrem intelligente Wissenschaftler, die Wege gefunden haben, gleichwertige Antworten unter gleichwertigen Bedingungen zu beantworten ). Ich habe „Teilchen“ zitiert, weil eine Quanteneinheit nicht wirklich ein Teilchen ist, sondern eine Erregung auf etwas, das Feld genannt wird, was mehr oder weniger dem entspricht, was Schall in Luft erzeugt. Und ich habe „Starten“ zitiert, weil wir nicht wirklich etwas „Starten“ können, das kein Teilchen ist, aber wir wissen, wie man ein Phänomen hervorruft, das eine Wechselwirkung zwischen zwei Quanteneinheiten ermöglicht, was etwas ziemlich Komplexes ist. Gemäß unserer Analogie ist es nicht so, als würde man einen Ton von einem Punkt im Raum hören,

Interaktionsbegriffe (Aktion, Reaktion, Kausalität, Abfolge usw.) unserer täglichen Erfahrung haben keine direkten Äquivalenzen im QM.

Die Analogie, die ich im Allgemeinen verwende, ist, dass Partikel wie Knoten oder Maschen in einem Stoff sind. Wenn Sie sich ein Energiefeld als glattes Kontinuum vorstellen (ein dreidimensionales Äquivalent einer zweidimensionalen Stoffbahn) und sich dann vorstellen, dass sich der Stoff irgendwie verheddert oder zu einem Klumpen verheddert hat, dann scheint dieser Klumpen wie etwas anderes als das umgebende glatte Feld. Aber das ist hauptsächlich ein Trick der Topologie.

Ich meine, was ist die Essenz eines Knotens, bevor er geknüpft wird? Die Messung knüpft sozusagen den Bund fürs Leben, und davor haben wir nur das Potenzial eines Knotens.