Ist Quantenunbestimmtheit untrennbar mit Beobachtung?

Quantenunbestimmtheit ist von der Beobachtung untrennbar, weil das, was wir als „Quantenunbestimmtheit“ betrachten, eher mit den Interpretationen von QM als mit dem mathematischen Modell hinter QM zusammenhängt.

(Ich gehe davon aus, dass diese Frage zu Physics.SE migriert wird, da es sich eher um eine Physikfrage als um eine Philosophiefrage handelt. Wenn sie dort ankommt, weiß ich, dass sie von denen gesehen wird, die technische Genauigkeit wünschen. Diese Antwort wurde geschrieben von eine sehr hohe Perspektive, um in die eher philosophischen Aspekte des QM einzubinden. Bitte verzeihen Sie alle technischen Fehler, die sich aus diesem Prozess ergeben.)

Genau genommen ist QM ein Vorbild. Es ist eine Reihe mathematischer Gleichungen, von denen jemand argumentiert, dass sie das Verhalten von etwas in der realen Welt beschreiben. Diese mathematischen Gleichungen sind in der unnachgiebigen Sprache der Mathematik sehr gut spezifiziert. Wenn Sie ein Experiment in der Sprache dieses mathematischen Modells aufsetzen können, werden alle einen Konsens darüber erzielen, wie das Ergebnis des Experiments aussehen wird (ebenfalls in der Sprache dieses mathematischen Modells). Der knifflige Teil besteht darin, diesen mathematischen Geräten Bedeutungen aus dem wirklichen Leben zuzuordnen.

Betrachten Sie zuerst ein klassisches Beispiel. Nehmen Sie das Modell x=1/2*a*t^2 + v_0^*t + x_0, das wir ein "kinematisches Modell" nennen werden. Jeder wird zustimmen, dass das Modell dies vorhersagen wird, wenn Sie a=2, t=3, v_0=1und nehmen . Das ist leicht. Aber was bedeutet es zu sagen . Das ist der Interpretationsteil des Problems. Sobald ich sage, dass "a die Beschleunigung eines Objekts ist", "t ist, wie lange sich das Objekt bewegt", "v_0 die Anfangsgeschwindigkeit des Objekts ist" und "x_0 die Anfangsposition des Objekts ist", kann ich behaupten "x ist die Endposition des Objekts." Bis ich diese Interpretation hinzufüge, ist es einfach Mathematik. Sobald die Interpretation hinzugefügt wird, wird sie zu einem Modell der physischen Welt um uns herum, das getestet werden kann.x_0=0x=12x=12

Was ist also eine „Anfangsgeschwindigkeit eines Objekts“? Das sind viele Worte. Um zu beschreiben, was ich meine, brauche ich andere Worte. Wir müssen uns zum Beispiel auf eine Bedeutung von Geschwindigkeit einigen. Für den größten Teil der Physik wird angenommen, dass wir uns über die Bedeutung dieser Wörter einig sind, also verwenden wir sie beiläufig. Wenn ich den Wiedereintritt eines NASA-Raumfahrzeugs studiere, werfe ich Begriffe wie "Energiefluss im freien Raum" um mich, in der Annahme, dass sich alle darüber einig sind, was dieser Begriff bedeutet.

Mit QM wird es schwieriger. Die Verbindung zwischen der empirisch beobachtbaren Welt und der Mathematik der QM ist gespannter als in anderen Aspekten der Physik. Wir sprechen von Dingen wie „Messungen“, die sehr natürliche Konzepte auf der Skala menschlicher empirischer Interaktion sind, aber sie verhalten sich nicht ganz intuitiv, wenn man wirklich klein wird. Daher müssen sich die Wissenschaftler mehr Zeit nehmen, um ihre Interpretationen darüber zu erklären, wie wir uns die Widerspiegelung der Realität durch das Modell vorstellen sollten. Tatsächlich entsteht das gesamte Konzept der Unbestimmtheit in der Interpretationsebene von QM. Die zugrunde liegenden Wellenfunktionsgleichungen sind einfache deterministische mathematische Gleichungen. In der Anwendung dieser mathematischen Gleichungen finden wir die Notwendigkeit der Unbestimmtheit. Die berühmte Heisenburgsche Unschärferelation gilt nur für eine ganz bestimmte Menge von Zuständen. Wenn Sie versuchen, QM auf die Realität anzuwenden, treten diese Zustände einfach immer wieder auf und werden sehr wichtig.

Eine der Herausforderungen, denen sich QM in den Anfängen gegenübersah, wurde in vier Attributen einer Interpretation festgehalten, die wünschenswert waren. Unter Verwendung von Einsteins Begriffen für sie waren sie:

• Realismus – Die Idee, dass Dinge objektiv existieren, auch wenn sie nicht gemessen werden. Wenn Sie glauben, dass das Universum real ist, dann glauben Sie, dass Sie auf den Mond schauen, dann wegsehen und sicher sein können, dass der Mond nicht in dem Moment aufgehört hat zu existieren, als Sie von ihm weggeschaut haben. Es bleibt bestehen, ob es beobachtet wird oder nicht.
• Vollständigkeit – Für viele ist es ein Ideal, eine vollständige Interpretation zu haben, was bedeutet, dass sie alles berücksichtigt, was in der physischen Welt beobachtbar ist. Eine Theorie, die das genaue Verhalten von allem auf der Welt vorhersagt, außer an einem zentralen Punkt des Universums, an dem Loki entschied, dass das, was passiert, nicht vollständig sein würde. Generell streben Physiker nach Vollständigkeit.
• Determinismus - Die Idee, dass keine Zufälligkeit in das Modell eingebaut ist. Wenn Sie versuchen zu erklären, warum Menschen ein paar Jahre damit verbringen sollten, Ihre Theorie über die Funktionsweise des Universums zu lernen, möchten sie wissen, dass sie etwas Wertvolles lernen. Das ist einfacher zu argumentieren, wenn Ihre Theorie deterministisch ist.
• Lokaler Realismus (auch bekannt als Lokalität) - Dies ist eine seltsame Anforderung, aber sehr wichtig für QM. Lokaler Realismus ist die Idee, dass alle unsere Messungen etwas Reales messen und die Auswirkungen der Messung die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten. So viel deutet darauf hin, dass Licht eine "Geschwindigkeitsbegrenzung" für unser Universum ist, dass Theorien, die davon abhängen, dass es überschritten wird, mit Argwohn behandelt werden. Dies ist auch wichtig, denn wenn Ihre Interpretation eine Geschwindigkeitsbegrenzung hat, bietet dies eine feste und schnelle Garantie dafür, dass Loki (diesmal ein hypermassives Schwarzes Loch und nicht ein nordischer Gott) Ihre Ergebnisse nicht schneller beeinflussen kann, als Sie Lokis beobachten können selbst beeinflussen.

Sie haben festgestellt, dass es nicht möglich ist, die Mathematik des quantenmechanischen Modells in die Realität abzubilden, ohne eines dieser Attribute zu opfern. Etwas muss gehen.

Die Kopenhagener Interpretation, bei weitem die berühmteste, opferte den Determinismus. Darin heißt es, dass eine Beobachtung einen "Wellenformkollaps" verursachen würde, der eine Überlagerung von Quantenzuständen in einen einzigen klassischen Zustand umwandelt. Welchen Zustand er dabei einnimmt, wird per Wahrscheinlichkeitstheorie zufällig bestimmt. Das Verständnis der meisten Menschen von Quantenunsicherheit leitet sich von der Kopenhagener Interpretation ab, weil sie den politischen Kampf gewonnen hat und weil sie als die populärste Interpretation verankert ist. Es ist jedoch voller Verwirrung. Jeder Schüler, der sein Geld wert ist, fragt irgendwann: "Was ist überhaupt eine Beobachtung?" Es scheint eine ziemlich wichtige Sache zu sein, da es dazu führt, dass Wellenformen zusammenbrechen. Es stellt sich heraus, dass die naiven Antworten auf diese Frage schnell in Sackgassen geraten.

Andere Interpretationen geben andere Dinge auf. Eine Interpretation ist meiner Meinung nach sehr hilfreich für Sie, um die Themen zu verstehen, die Sie untersuchen: Die Viele-Welten-Interpretation (MWI). MWI ist eine vollständig deterministische Interpretation, was bedeutet, dass der Zustand des gegenwärtigen Universums den zukünftigen Zustand des Universums ohne Unsicherheit vollständig beschreibt. Wie wird dies erreicht? Es gibt etwas Liebes auf: Realismus. Unter MWI kann man nicht sagen, dass irgendein Objekt einen messbaren objektiven Zustand hat. Stattdessen wird angenommen, dass alle Zustände in Bezug auf einen Beobachter subjektiv sind. In MWI kann man nicht sagen „der Mond existiert“, sondern muss eher sagen „ob der Mond existiert, stimmt mit meinen Beobachtungen darüber überein, ob der Mond existiert“.

Durch dieses Opfer anstelle des Determinismus macht es MWI tatsächlich viel einfacher, sich an die eigentliche Mathematik zu halten. Nehmen Sie Schrödingers Katze. Für Kopenhagen-Enthusiasten ist dies eine sehr anspruchsvolle Studie zur Wortwahl. Es gibt nichts in der Kopenhagener Interpretation, das falsch darstellt, was in Schrödingers Katzen-Gedankenexperiment passiert, aber die meisten Menschen brechen bei der Vorstellung einer Katze, die sich in einer Überlagerung von Zuständen von tot und lebendig befindet (umgangssprachlich als „halb lebendig“ bezeichnet), in Schwindel aus und halb tot", obwohl das eigentlich keine technisch präzise Formulierung ist und in die Irre führt). Betrachten Sie nun MWI. Wie Kopenhagen beginnt MWI damit, die Katze in einer Überlagerung von Zuständen zu beschreiben, die mit dem Zustand des radioaktiven Isotops in der Kiste verschränkt sind. Sobald die Beobachtung jedoch stattfindet, Anstatt dass ein komplizierter Zusammenbruch der Wellenform auftritt, verfolgt MWI einen einfacheren Ansatz. Über den Zustand der Katze (lebendig oder tot) kann nicht objektiv gesprochen werden. Es kann nur in Bezug auf den Beobachter diskutiert werden. Daher sagen wir: „Der Zustand der Katze stimmt mit dem beobachteten Zustand des Beobachters überein. Wenn die Katze lebt, können wir sicher sein, dass der Beobachter sie als lebendig gemessen hat. Wenn die Katze tot ist, können wir sicher sein, dass der Beobachter sie als tot gemessen hat. " Fall abgeschlossen. Es ist wirklich elegant ... wenn Sie die Möglichkeit ertragen können, dass das Universum möglicherweise nicht "real" ist. s beobachteter Zustand. Wenn die Katze lebt, können wir sicher sein, dass der Beobachter sie als lebendig gemessen hat. Wenn die Katze tot ist, können wir sicher sein, dass der Beobachter sie als tot gemessen hat.“ Fall abgeschlossen. Es ist wirklich elegant … wenn Sie die Möglichkeit ertragen können, dass das Universum möglicherweise nicht „real“ ist. s beobachteter Zustand. Wenn die Katze lebt, können wir sicher sein, dass der Beobachter sie als lebendig gemessen hat. Wenn die Katze tot ist, können wir sicher sein, dass der Beobachter sie als tot gemessen hat.“ Fall abgeschlossen. Es ist wirklich elegant … wenn Sie die Möglichkeit ertragen können, dass das Universum möglicherweise nicht „real“ ist.

Deshalb sage ich also, dass Quantenunbestimmtheit untrennbar mit Beobachtung verbunden ist. Die Unbestimmtheit kommt erst dann in die Geschichte, wenn man anfängt, eine Interpretation zu verwenden, um das mathematische Modell mit einer empirischen Bedeutung in unserem Universum zu verbinden. Unterschiedliche Interpretationen gehen unterschiedlich damit um, einschließlich einiger, die einen vollständigen Determinismus im Universum zulassen. Wenn Sie eine deterministische Interpretation von QM zulassen können, muss Indeterminismus in die Interpretation eingebunden werden, nicht irgendetwas in der Mathematik unten.