Versteckte Beobachter in Doppelspaltexperimenten - spielen sie eine Rolle?

Ich bin ein wenig unzufrieden mit all den anderen Antworten, weil sie keine Einheiten enthalten. Um zu messen, durch welchen Spalt das Elektron geht, muss man es mindestens in der Größenordnung einer Wirkungseinheit (das ist ħ) stören. Wenn Sie es genug stören, um es zu messen, zerstören Sie das Interferenzmuster. Sie können es weniger stören und erhalten eine kleine Menge statistischer Informationen darüber, durch welchen Schlitz es gegangen ist, und dies wird das Interferenzmuster nur leicht verwischen. Es gibt also einen Kompromiss zwischen der Menge an Informationen, die Sie gewinnen, und der Unschärfe des Interferenzmusters. Ich werde das nicht im Detail ausführen.

Natürlich verschwindet das Interferenzmuster, unabhängig davon, ob Sie sich des Experimentators bewusst sind, der die Elektronen mit anderen Teilchen bombardiert hat.

Die quantenmechanischen Vorhersagen sind sicherlich unabhängig vom "Bewusstsein" der anderen Objekte, was einige Leute zu der gleichen Frage führen kann wie Sie. Die Quantenmechanik gilt für Vorhersagen aller beobachteten Phänomene, unabhängig davon, ob sie makroskopische Objekte und Menschen beinhalten oder nicht.

Das Elektron wird mit einigen zusätzlichen Teilchen (Photonen?) verschränkt, die jemand verwendet, um die Elektronen zu bombardieren. Diese Photonen werden nicht wieder erkannt. Wir werden nur Elektronen beobachten, also reicht es aus, sie nur durch die Dichtematrix für Elektronen zu beschreiben. Mathematisch:

Deshalb dürfen wir die Dichtematrix über den Hilbert-Raum der Photonen verfolgen, und dabei verschwindet die Information über die relative Phase der Linksspalt- und Rechtsspaltanteile der Wellenfunktion des Elektrons (weil diese beiden Anteile mit unterschiedlichen, orthogonalen Wellenfunktionen der Photonen verschränkt sind), weshalb eine Interferenz nicht mehr möglich ist.

Das Interferenzmuster verschwindet also auch dann, wenn niemand sonst die reflektierten Photonen beobachtet.

Wo die Quantenmechanik Bewusstsein oder aktives Wissen „erfordert“, ist, wenn Sie fragen, für wen die Vorhersagen von QM gemacht werden. Sie sind nicht für eine objektive Welt gemacht: Auf der fundamentalen Ebene existiert keine. Vorhersagen von QM sollen von einem „bewussten Beobachter“ verwendet werden, der die tatsächlichen Ergebnisse von Experimenten beobachten kann – deren Wahrscheinlichkeiten als Erwartungswerte der Projektionsoperatoren berechnet werden, die den Ja/Nein-Fragen entsprechen.

Aber sobald Sie ein solcher Beobachter sind, können Sie alle Objekte auf der Welt gleich behandeln – als blinde Teilchensysteme, die universell den Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen. Ihre „Menschlichkeit“ oder ihr „Wissen“ oder ihr „Plan, eine Beobachtung auszunutzen“ oder ihr „Bewusstsein“ ist für Ihre Vorhersagen und deren Überprüfung völlig irrelevant.

Das wirkliche "Paradox" daran, dass ein Beobachter etwas über einen anderen Beobachter weiß, besteht darin, dass Beobachter A Beobachter B beobachten kann, der System S beobachtet. Laut B sind die Ergebnisse von Messungen bekannt, solange B sie "wahrnimmt". A kann jedoch B+S zu Schrödinger-Katzen-ähnlichen Überlagerungen entwickeln und sie erst "kollabieren", dh interpretieren, sobald A seine Beobachtungen wahrnimmt. A, B können also anderer Meinung sein, wenn "Fakten zu Fakten wurden". Aber diese Frage "wann eine Tatsache zu einer Tatsache wurde" ist nicht messbar: Jeder Beobachter kann diesen Moment bis zu dem Moment "verzögern", in dem er die Ergebnisse tatsächlich wahrnimmt, und es wird keine Widersprüche in den endgültigen Wahrnehmungen von A geben, B. (Natürlich kann A den früheren Moment, in dem B sagt "jetzt kenne ich das Ergebnis", auch eindeutig berechnen: Dieser Moment ist, bevor A die Situation beobachtet, und er liegt früher, weil er unabhängig von dem tatsächlichen Ergebnis ist, das B wahrnimmt. Allerdings ist B für A immer noch nur ein Teil der physikalischen, langweiligen Welt.)

Als Antwort auf Lubošs Antwort schreibt Fraggle

Das Problem für mich ist dies. Was bewirkt, dass ein Elektron von Positionswahrscheinlichkeiten, die etwas im Raum verteilt sind, zu Positionswahrscheinlichkeiten "verschiebt", die viel stärker lokalisiert und nicht so verteilt sind (lokalisiert auf den einen oder anderen Schlitz)? Da die Antwort nicht vom Bewusstsein abhängt, muss sie nur von der Art der Wechselwirkungen abhängen, denen das Elektron begegnet. Welche Arten von Interaktionen werden dazu führen, dass seine Position eindeutiger wird (weniger verteilt) und welche nicht?

Die Positionswahrscheinlichkeiten werden durch die Kollision des Elektrons mit der Barriere lokalisiert, die die Spalte enthält. Es kann nur durch die Schlitze gelangen, sodass die Wellenfunktion, die auf der anderen Seite herauskommt, zunächst so aussieht, als würde sie aus zwei Punktquellen stammen, einem Schlitz und dem anderen Schlitz.

Aber das ist nicht das Problem. Die Frage ist, was passiert mit dieser Wellenfunktion, wenn sich die beiden Wellenfronten aus den Schlitzen ausbreiten und kombinieren? Gehen Elektronen unbeobachtet durch die Schlitze, sieht man Interferenzeffekte im Aufprallmuster, das sich auf der anderen Seite aufbaut; aber wenn sie beobachtet werden, gibt es keine Interferenzeffekte. Die „Wellen“-Natur scheint verschwunden zu sein, und Sie haben nur noch ein „Partikel“-Verhalten, einen Strahl kugelartiger Einschläge.

Die Erklärung dafür hat nichts mit der Existenz eines verborgenen Beobachters zu tun. Alles, was erforderlich ist, ist, dass es eine physische Spur davon gibt, durch welchen Schlitz das Elektron gegangen ist. Beispielsweise könnte sich in der Nähe jedes Schlitzes ein mikroskopisch kleines magnetisiertes Objekt befinden, das seine Polarität umkehrt, wenn ein Elektron vorbeikommt.

Der Grund, warum dies die Interferenz beseitigt, ist, dass Quantenwahrscheinlichkeiten letztendlich gemeinsame Wahrscheinlichkeiten sind. Eine Quantenwahrscheinlichkeit ist mit einer physikalischen Gesamtkonfiguration verbunden, und eine Interferenz von Quantenwahrscheinlichkeiten tritt auf, wenn zwei oder mehr Geschichten auf dieselbe Summe zusammenlaufenAufbau. In dem Szenario, das ich gerade beschrieben habe, ist die Richtung, in die die kleinen Magnete zeigen, ein zusätzlicher Freiheitsgrad, und Sie haben nicht nur eine „Wellenfront von Schlitz 1“ und „Wellenfront von Schlitz 2“, die sich dann überlappen und stören Weg zum Prallschirm. Sie haben tatsächlich einen Wahrscheinlichkeitssatz für "Elektron durch Schlitz 1 gelaufen, und der Magnet an Schlitz 1 umgedreht" und einen anderen Satz Wahrscheinlichkeiten für "Elektron durch Schlitz 2 gelaufen, und der Magnet an Schlitz 2 umgedreht". Aus diesem Grund tun sie es nicht, wenn es scheint, dass die Wellenfronten von den Schlitzen kombiniert und interferiert werden sollten: weil sie tatsächlich Wahrscheinlichkeitswellen für verschiedene Konfigurationen sind, wenn man das Gesamtbild betrachtet, einschließlich des Zustands der Magnete, und Sie kommen also nie am selben "Punkt" an

Aus diesem Grund glauben manche Menschen an parallele Welten oder an Nichtlokalität: Quantenwahrscheinlichkeiten sehen so aus, als würden sie mögliche Gesamtzustände der physischen Welt verfolgen und ermöglichen, dass Wahrscheinlichkeitswellen aus „verschiedenen Geschichten“ konvergieren und sich überlagern. Sie argumentieren also, dass es entweder Parallelwelten gibt und sie irgendwie interagieren, oder dass es eine nichtlokale Koordination von Wahrscheinlichkeiten innerhalb einer einzigen Welt gibt.

Leonard Susskind erklärt dies gut in den Vorlesungen 6 und 7 der Quantenverschränkung. Diese Vorlesungen können online eingesehen werden (siehe Stanford Continuing Education Lectures; Leonard Susskind).

Dort erklärt er, wie jede Aufzeichnung darüber, welchen Weg das Teilchen genommen hat, das Interferenzmuster zerstört, unabhängig davon, ob Sie als Beobachter sich der Aufzeichnung bewusst sind oder nicht.

Studenten sollten sich der vielen semantischen Probleme bewusst sein, die durch den Versuch entstehen, QM-Verhaltensweisen mit Wörtern zu beschreiben, die vor dem Studium von QM existierten. 1) Es gibt kein "Ding" wie eine "Welle". Das Wort „Welle“ ist eine Beschreibung oder ein Name für ein Muster, das periodisch ist – es wiederholt sich in regelmäßigen Abständen. "Die Welle (an der Küste) hat mich umgehauen". Dieser Wasserstoß, der regelmäßig am Strand aufwallt, wird per Konvention als Welle bezeichnet, aber es ist keine Welle, und dieser einzelne Wasserstoß ist auch nicht periodisch, aber das Beobachten und Messen und anschließende grafische Darstellen der Meereswellen führt zu einem Diagramm mit ein periodisches Attribut.

2) Elektronen, Photonen usw. sind keine Teilchen. Das Wort Partikel wurde lange vor QM definiert und bedeutet ein diskretes kleines Ding mit endlichen Dimensionen UND war einst Teil von etwas Größerem. Die frühen QM-Forscher hätten uns allen einen Gefallen getan, indem sie ein neues Wort erfunden hätten.

3) es gibt keine "Energiepakete". Ein Paket war bereits definiert als ein kleines Gehäuse, vollständig versiegelt, wenn auch nur durch eine Zugschnur, und das, was sich im Paket befand, befand sich nicht außerhalb des Pakets. Mit Energie soll sich das „Feld“ (wieder Semantik!) endlos ausdehnen und mit der Entfernung vom konzentrierten Zentrum schwächer werden. "Punktunschärfe" wäre besser als "Paket". Dinge können in Paketen geliefert werden, und daher ist die Verwendung des Wortes Paket, um ein bisschen Energie zu beschreiben, in diesem Teil der Definition von Paket ziemlich genau.

Weiter zu Doppelspaltexperimenten: Was auch immer ein Elektron (oder Photon) ist, es (muss kein Es sein) kann isoliert, damit gespielt, verwendet und in Profit umgewandelt werden. Dieser Gewinn gibt ihm zumindest Barwert. Wenn das Elektron aus einer sogenannten "Gun" auf einen Doppelspalt oder einen feinen Draht, der einen Raum in zwei Teile teilt (Hitachi-Doppelspalt), geschossen wird, verfehlt das Ziel so oft, wie es getroffen wird. Beschissene Waffe. Sie wollen fragen, warum so schlechte Treffsicherheit? Und wenn die Fehlschüsse zum Ziel gelangen, reisen sie anscheinend nicht in geraden Linien. Sie wollen fragen, warum nicht gerade? Die vollständige Flugbahn des Elektrons ist nicht bekannt. Einige können Kurvenbälle, andere Sinkers oder sogar Knöchelbälle sein, und einige scheinen Hardballs zu sein. warum? Nachdem jedes Elektron das Ziel getroffen hat (in einem betrunkenen Zustand, wie es scheint), war es das für dieses Elektron. Das nächste Elektron trifft woanders auf das Target, und das war's für dieses Elektron. EsIST merkwürdig, dass die Trefferpunkte nach vielen Würfen wie eine sogenannte Welle aussehen, aber das bedeutet keineswegs, dass Photonen oder Elektronen Wellen sind, da Welle kein Ding, sondern ein benanntes Muster ist. Anscheinend haben die Elektronen oder Photonen Lieblingsbahnen. Es ist das, was einer Erklärung bedarf.

Was "Beobachtung" betrifft, was nur ein allgemeines Wort für "Messung" ist. Sobald wir wissen, warum die Elektronen oder Photonen usw. bevorzugte Bahnen haben, ist es möglicherweise einfacher, das Klumpen-Spray-Muster zu erklären, das zu sehen ist, wenn Messgeräte ins Spiel gebracht werden. Es scheint, dass, sobald der Messapparat (verzeihen Sie mein Französisch) mit dem Elektron usw. "fickt", er in einen Sturz gerät, wie wenn ein Kreisel, der sich auf einer Flugbahn befindet, umgeworfen wird.

Aus welchen Gründen auch immer, in den physikalischen Wissenschaften vor der Zeit, als die Kleinen zum ersten Mal gefunden und benannt wurden, gab es die Annahme, dass alles „Teilchen“ oder „Welle“ sei, und so wurde den Kleinen eine Erwartung auferlegt. Das war ein Fehler. Der Fehler wurde nie behoben, aber Wörter wie "wavicele" waren ein Versuch, es zu beheben.

Und Achtung: Die „Wellenfunktion“ „kollabiert“ nicht. Brücken brechen zusammen, Funktionen werden manchmal nicht mehr benötigt. Und die Messvorrichtung "zerstört" das Interferenzmuster nicht, sondern verändert das Muster der Elektronen auf dem Target. So eine ganz schlechte Wortwahl!

Und ich möchte wiederholen, was andere gesagt haben: Nichts davon hat damit zu tun, dass das menschliche Bewusstsein den Messbericht wahrnimmt. Sobald die Messvorrichtung eingeschaltet wird, verschwindet das wellenartige Muster und das Spray-Verklumpungsmuster beginnt sich zu manifestieren, unabhängig davon, ob jemand zuschaut oder nicht. Ich vergleiche das alles mit einer guten Wer-hat-es-Geschichte und nicht mit einer Fantasie.

Was Luboš Motl gesagt hat. Aber ich möchte den zweiten Teil ansprechen:

Wie kommt es dann, dass unbeobachtete Elektronen nicht gestört werden, da sie sicherlich mit anderen Objekten interagieren, zum Beispiel werden andere Atome in der Materie um den Schlitz (die Schlitze) einen leichten Gravitationszug spüren, wenn sie hindurchgehen.

Wenn man an ein Doppelspaltexperiment denkt, befindet man sich im quantenmechanischen Bereich, dh Energien und Wellenlängen im Bereich von hbar. Wir haben keinen Doppelspalt makroskopischer Größe in Bezug auf die Partikel und erwarten Interferenzen.

Das „leichte Gravitationsziehen beim Durchgang“ ist mit dem quantenmechanischen Rahmen unvereinbar. Man müsste das gesamte quantenmechanische Problem lösen, einschließlich des Gravitationszugs von Materie, der das Interferenzmuster infinitesimal beeinflussen würde, aber immer noch als QM-Wahrscheinlichkeitsamplitude für den Durchgang durch einen der beiden Schlitze funktionieren würde.

Du sagst:

Ich kämpfe immer noch ein wenig mit einigen Ideen zu Doppelspaltexperimenten. Eine, die mir immer wieder auffällt, ist die Rolle des Beobachters.

Beobachter haben in der Quantenmechanik keine besondere Rolle. Eine Beobachtung ist nur eine Art Interaktion zwischen zwei Systemen: dem Messgerät und dem zu messenden System. Diese Wechselwirkung muss nicht direkt sein. Sie können beispielsweise messen, wo sich ein Objekt befindet, indem Sie Licht von ihm reflektieren und auf das Licht schauen, anstatt direkt auf das Objekt zu schauen. Eine Messung nimmt Informationen aus dem gemessenen System und kopiert sie in das Messgerät und möglicherweise auch in andere Systeme.

Wenn Sie ein Interferenzexperiment durchführen, versetzen Sie ein System in einen Zustand, in dem einige seiner Observablen nicht scharf sind: Sie haben keinen einzigen Wert. Wenn beispielsweise ein Elektron durch zwei Spalte geht, hat das Elektron keinen einzigen Positionswert. Sie ändern dann das System so, dass es in einem Zustand endet, der Phasenänderungen zwischen verschiedenen Instanzen des Elektrons entlang verschiedener Pfade widerspiegelt, und messen diesen Zustand. Wenn Sie beispielsweise ein Magnetfeld zwischen den Schlitzen und dem Bildschirm haben, kann sich das Interferenzmuster ändern, indem die verschiedenen Instanzen des Elektrons dazu gebracht werden, unterschiedliche Phasen zwischen den Schlitzen und dem Bildschirm aufzunehmen.

Eine Messung zerstört das Interferenzmuster, während andere Wechselwirkungen es nur verschieben können. Was ist der Unterschied? Der Unterschied liegt in der Information, die sich vom Elektron zum Messgerät ausbreitet. Das Interferenzmuster hängt von den Phasenbeziehungen zwischen den verschiedenen Instanzen des Elektrons ab. Die Messung verbreitet einige dieser Informationen in das Messgerät und alles, womit es interagiert und was die Interferenz verhindert. Andere Wechselwirkungen, wie die Wechselwirkung mit dem Magnetfeld, erzeugen diese Informationsübertragung nicht und stoppen daher die Interferenz nicht.

Was ist mit den Schlitzen? Der Schirm mit den Schlitzen ist ein relativ großes Objekt und befindet sich in einem gemischten Zustand, in dem er eine Wahrscheinlichkeitsverteilung dafür hat, in Zuständen von sagen wir –1.000.000 bis +1.000.000 Elektronenimpulsen zu sein. (Ich kenne die genauen Zahlen nicht und alles, was zählt, ist, dass sie groß sind.) Wenn das Elektron mit dem Bildschirm interagiert, verschiebt es die Impulse auf -999.999 bis +1.000.001, sagen wir. Die Wahrscheinlichkeit, dass es einen nachweisbaren Unterschied gibt, ist die Wahrscheinlichkeit, ihn in einem Zustand zu finden, in dem er ohne die Wechselwirkung nicht sein könnte: in diesem Fall die Wahrscheinlichkeit, dass er sich im Zustand +1.000.001 befindet, was sehr klein ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich die für die Störung notwendigen Informationen verbreiten, ist also sehr gering. (Ebenso für gravitative Wechselwirkungen zwischen den Spalten und dem Elektron.)

Sie sehen das Interferenzmuster aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Elektron und seinem Messgerät nicht. Ob Sie wissen, dass sie da sind, hat nichts damit zu tun.

Wenn Sie mehr darüber lesen möchten, können Sie Artikel wie diese lesen:

http://arxiv.org/abs/quant-ph/0105127

http://arxiv.org/abs/quant-ph/0306072

http://arxiv.org/abs/1212.3245

http://arxiv.org/abs/quant-ph/0104033 .

Ich möchte die Antwort von user31182 und die Antwort von Peter Shor ergänzen .

Aus diesen und anderen Antworten werden Sie entnehmen, dass eine Störung des Experiments durch eine Wechselwirkung mit den Elektronen sich als Störung des Ergebnisses zeigt, unabhängig davon, ob der „Haupt“-Experimentator von dem „verborgenen“ Experimentator weiß oder nicht .

Eine andere Möglichkeit, das Gelernte zu betrachten, ist also: Sie haben jetzt ein gutes Verständnis dafür, wie Quantenkryptographie funktioniert, oder zumindest eine gute Vorstellung davon, wie das Abhörproblem damit behandelt wird. Das heißt, Sie können die Dinge so arrangieren, dass Sie, wenn jemand Ihre Daten abhört, davon erfahren, weil dieses Abhören notwendigerweise eine ausreichend starke Wechselwirkung mit dem Quantensystem beinhaltet, um die Statistik des Ergebnisses zu verschieben. In Peter Shors Worten arrangieren Sie das Codierungsschema so, dass genügend Interaktion zum Abhören ausreichend Interaktion ist, damit sich das experimentelle Ergebnis des Empfängers ausreichend ändert, um Abhören zu erkennen.

Im Allgemeinen werden solche Gedankenexperimente mit "bewussten Beobachtern" nicht mehr viel angegangen, da ein bewusster Beobachter ein enorm kompliziertes, nicht charakterisiertes System ist. Es wird sinnlos, zu versuchen, eine solche Komplexität zu modellieren. Stattdessen ersetzen wir den Experimentator und seine oder ihre Handwerkszeuge und Messungen durch Quantenobservables. Nun entnehme ich Ihrer Frage, dass Sie vielleicht noch nicht ganz auf der Ebene des Umgangs mit dem Konzept einer Observablen angekommen sind: ein „Operator“ für einen Quantenzustand zusammen mit einem speziellen Rezept dafür, wie wir das Bild des Quantenzustands unter der Aktion interpretieren dieses Operators: anders ausgedrückt: wie wir das Bild des Quantenzustands in die Statistik entschlüsseln, die die Ergebnisse unseres Experiments bestimmt. Wenn nicht, würde ich vorschlagen, dass Sie jetzt versuchen, etwas über dieses Konzept zu lernen, denn es abstrahiert den Begriff einer "Beobachtung" oder einer "Messung" und wenn Sie intelligent genug sind, die Frage zu stellen, die Sie haben, und wenn Sie haben sagen Erstsemester und Mathematik im zweiten Jahr mit linearer Algebra hinter dir, dann bist du bereit zu gehen, IMO! Die heikle Frage der „bewussten Beobachtung“ wird geschickt umgangen: eine Interaktion/Beobachtung/Messung wird einfach durch diese Operatoren ersetzt: sie sind einfach, ob sie dem „Haupt“-Experimentator verborgen sind oder nicht. Die fragliche "Beobachtung" hat genau dann stattgefunden, wenn die quantenbeobachtbare Modellierung sie dem Quantenzustand vermittelt hat. Ende der Geschichte. Der einfache Operator, der eine Messung beschreibt, nimmt den Quantenzustand als Eingabe, gibt eine reelle Wertmessung zurück undIrgendwie (die Antwort darauf ist irgendwie das Quantenmessproblem ) befindet sich das Quantensystem direkt nach der Anwendung des "Observable" in dem Eigenzustand des Operators des Observable, der dem gemessenen Wert entspricht. Das ist alles dazu.

Eine andere, aber verwandte Idee, über die Sie vielleicht nachdenken möchten, ist das Gedankenexperiment Wigner's Friend. Hier wissen Sie, dass es einen zweiten Experimentator gibt, aber Sie wissen nicht, was sie Beobachter haben. Siehe meine Antwort hier für weitere Details.

Eigentlich ist es nicht nötig, das Elektron mit Photonen oder irgendetwas anderem zu stören. Eine Messung ist erforderlich, aber eine Messung ist nur eine Beobachtung.

Betrachten Sie den Fall, in dem Sie einen der Schlitze beobachten, um zu sehen, ob das Elektron in diese Richtung geht. Wenn nicht, wissen Sie, dass es in die andere Richtung gelaufen ist. Das ist eine Beobachtung!

Die Frage ist, was hast du getan? In der Kopenhagener Interpretation hat Ihr Wissen die Wellenfunktion zusammengebrochen. Diese Interpretation führt zu allen möglichen Fragen wie: „Was ist ein Beobachter“?

Die Viele-Welten-Interpretation geht damit anders um, was für manche Menschen natürlicher ist. Die Beobachtung, ob das Elektron vorbeigegangen ist, erzeugt eine Verschränkung mit dem Beobachter. Das hindert den Beobachter daran, das andere Ergebnis zu sehen. Das heißt, er wird niemals sehen, wie das Elektron an zwei Orten ankommt.

Elitzur-Vaidman-Bombenprüfgerät

Handelt es sich um einen dualen Zustand der Materie, Interferenz oder Kollision mit den Innenflächen und den Ecken der Wandstärke??? Die Wandstärke ist im Vergleich zur Partikelgröße enorm.

Nachdenken über!!!

Sie sagen: „Eine, die mir immer wieder einfällt, ist die Rolle des Beobachters“. Sie sagen: "wenn wir Sensoren in der Nähe von Schlitzen platzieren", nicht "wenn wir das Experiment aus einer entfernten Ecke des Raums betrachten" ...

Ich habe einen kurzen Film gemacht, der dies erklärt, ich hoffe, Sie finden ihn nützlich: http://www.youtube.com/watch?v=gBm6Y82Mz3g