Du stellst eine schwierige Frage! Ich versuche die ganze Zeit, Nichtphysikern QM zu erklären, und es ist wirklich schwierig; Hier sind einige der zugänglichen Erklärungen, die ich gefunden habe.

Was ich unten sagen werde, ist logischerweise nicht luftdicht und sogar kreisförmig. Das ist eigentlich eine gute Sache: Die Motivation für eine physikalische Theorie muss zirkulär sein, weil die wahre Rechtfertigung aus dem Experiment kommt. Wenn wir eine Theorie beweisen könnten, indem wir einfach darüber reden, müssten wir keine Experimente durchführen. Ebenso können Sie einem QM-Skeptiker niemals beweisen, dass QM Recht haben muss , Sie können ihm nur zeigen, dass QM der einfachste Weg ist, die Daten zu erklären.

Quantisierung$\rightarrow$Überlagerung

Wenn ich eine Sache auswählen müsste, die zu so viel QM wie möglich führt, würde ich sagen, dass Quantenteilchen in einer Überlagerung der Konfigurationen existieren können, die klassische Teilchen haben können . Aber das ist eine zutiefst unintuitive Aussage.

Es ist einfacher, mit Photonen zu beginnen, weil sie klassischerweise einem Feld entsprechen. Es ist intuitiv, dass sich Felder überlagern können; zum Beispiel überlagern sich die Schallwellen zweier gleichzeitig spielender Musiker und addieren sich gegenseitig. Trifft eine Lichtwelle auf einen teildurchlässigen Spiegel, entsteht daraus eine Überlagerung einer transmittierten und einer reflektierten Welle mit jeweils halber Energie.

Wir wissen experimentell, dass Licht in kleinen Kugeln, Photonen genannt, auftritt. Wie ist also der Zustand eines Photons nach dem Auftreffen auf einen teildurchlässigen Spiegel? Es gibt ein paar Möglichkeiten.

1. Das Photon wird halbiert, wobei eine Hälfte übertragen wird. Das ist falsch, weil wir beobachten, dass alle Photonen Energie haben$E = hf$, noch nie$E = hf/2$.
2. Das Photon geht in die eine oder andere Richtung. Das ist falsch, weil wir die beiden Strahlen mit einem zweiten teildurchlässigen Spiegel zu einem rekombinieren können (der vermeintliche zweite Strahl interferiert destruktiv). Dies könnte nicht passieren, wenn das Photon nur wahrscheinlich abprallt; Sie würden immer zwei Strahlen erhalten.
3. Das Photon geht in die eine oder andere Richtung, aber es stört irgendwie andere Photonen. Dies ist falsch, da der obige Effekt sogar mit jeweils einem Photon im Apparat fortbesteht.
4. Das Photon ist etwas ganz anderes: in einer Überlagerung der beiden Zustände. Es ist wie eine Überlagerung von Wellen, und es ist kein logisches „UND“ oder „ODER“.

Möglichkeit (4) ist die einfachste, die die Daten erklärt. Das heißt, das Experiment sagt uns, dass wir zulassen sollten, dass sich Teilchen in Überlagerungen von Zuständen befinden, die klassisch inkompatibel sind. Dann können Sie die gleiche Argumentation auf „Materie“-Partikel wie Elektronen ausdehnen, durch die Logik, dass alles im Universum nach denselben Regeln spielen sollte. (Natürlich sind solche Argumente im Nachhinein viel einfacher, und die wahre Rechtfertigung sind Jahrzehnte experimenteller Bestätigung.)

Überlagerung$\rightarrow$Wahrscheinlichkeit

Das Zulassen von Überlagerungen bringt schnell Wahrscheinlichkeiten. Angenommen, wir messen die Position des Photons, nachdem es auf einen dieser teilweise transparenten Spiegel trifft. Sein Zustand ist eine Überlagerung der beiden Möglichkeiten, aber Sie sehen immer nur die eine oder die andere – was Sie also sehen, muss wahrscheinlichkeitstheoretisch bestimmt werden.

Dies ist kein Beweis. Es zeigt nur, dass die Wahrscheinlichkeitsmessung der einfachste Weg ist, um zu erklären, was vor sich geht. Sie können die Wahrscheinlichkeit mit alternativen Formulierungen von QM beseitigen, bei denen das Photon ein zusätzliches Tag hat, das als versteckte Variable bezeichnet wird und ihm sagt, wo es "wirklich" ist, aber Sie müssen wirklich daran arbeiten . Solche Formulierungen sind allgemein komplizierter.

Überlagerung$\rightarrow$Verstrickung

Das ist ganz einfach. Betrachten Sie einfach zwei Teilchen, die jeweils beide Spin-Ups haben können$|\uparrow \rangle$oder nach unten drehen$|\downarrow\rangle$klassisch. Dann ist der gemeinsame Zustand der Teilchen klassischerweise$|\uparrow \uparrow \rangle$,$|\uparrow \downarrow \rangle$,$|\downarrow \uparrow \rangle$, oder$|\downarrow \downarrow \rangle$. Nach dem Überlagerungsprinzip kann der Quantenzustand eine Überlagerung dieser vier Zustände sein. Aber dies erlaubt sofort eine Verstrickung; zum Beispiel der Staat

Komplexe Zahlen

Dies ist einfacher, wenn Sie mit einem Ingenieur sprechen. Wenn wir es mit klassischen Wellen zu tun haben, ist es sehr praktisch, zu "komplexisieren", zu drehen$\cos(\omega t)$zu$e^{i \omega t}$, und mit Werkzeugen wie der komplexen Fourier-Transformation. Sowohl hier als auch in QM ist die komplexe Phase nur eine "Uhr", die die Phase der Welle verfolgt. Es ist trivial, QM ohne komplexe Zahlen neu zu schreiben, indem man einfach alle als zwei reelle Zahlen erweitert, wie hier argumentiert wird . Interferenzen erfordern keine komplexen Zahlen, lassen sich aber am bequemsten mit ihnen ausdrücken.

Wellenmechanik

Die zweite entscheidende Tatsache in der Quantenmechanik ist , dass der Impuls der Phasengradient ist, was nach der speziellen Relativitätstheorie bedeutet, dass Energie die Änderungsrate der Phase ist . Dies kann durch klassische Mechanik motiviert werden, die explizit in der Hamilton-Jacobi-Gleichung auftaucht, aber ich weiß nicht, wie ich es ohne Mathematik motivieren soll. In jedem Fall geben Ihnen diese die de Broglie-Beziehungen

Überlagerung$\rightarrow$Unsicherheit

Das Unsicherheitsprinzip entsteht, weil einige Fragenkomplexe nicht sofort eindeutig beantwortet werden können. Dies tritt sogar klassisch auf. Zum Beispiel haben die Fragen „bewegst du dich nach Norden oder Osten“ und „bewegst du dich nach Nordosten oder Südosten“ keine eindeutigen Antworten. Wenn Sie sich nach Nordosten bewegen, dann ist Ihre Geschwindigkeit eine Überlagerung von Norden und Osten, also hat die erste Frage keine eindeutige Antwort. Darauf gehe ich hier näher ein .

Die Heisenbergsche Unschärferelation ist die spezifische Anwendung davon auf Ort und Impuls, und sie folgt, weil Zustände mit eindeutigem Ort (d. h. diejenigen, die die Frage „bewegst du dich hier oder dort“ beantworten) keine Zustände mit eindeutigem Impuls sind („bewegst du dich nach links oder richtig"). Wie wir oben gesagt haben, ist der Impuls mit dem Gradienten der Phase der Wellenfunktion verbunden; Wenn sich ein Teilchen bewegt, "korkenziehert" es entlang seiner Phasenrichtung wie eine rotierende Frisierstange. Die ortsbestimmten Zustände sehen also wie Spitzen aus, während die impulsbestimmten Zustände wie unendliche Korkenzieher aussehen. Sie können einfach nicht beides sein.

Früher wurde dies unter dem Begriff „Messung stört das System“ verstanden. Der Punkt ist, dass Sie in der klassischen Mechanik immer harmlose Messungen durchführen können, indem Sie sanfter messen. Aber in der Quantenmechanik gibt es wirklich eine minimale Skala; "schonender" kann man mit Licht nicht messen, weil man kein Licht bekommen kann, das weniger intensiv ist als einzelne Photonen. Dann kann man zeigen, dass eine Positionsmessung mit einem Photon zwangsläufig den Impuls so stark verändert, dass die Heisenbergsche Unschärferelation erhalten bleibt. Ich mag dieses Argument jedoch nicht, weil die Unsicherheit wirklich den Staaten selbst innewohnt, nicht der Art und Weise, wie wir sie messen. Solange QM gilt, kann es nicht durch bessere Messtechnik verbessert werden.

Überlagerung$\rightarrow$Quantisierung

Die Quantisierung ist für klassische Schallwellen leicht zu verstehen: Eine gezupfte Saite kann nur diskrete Frequenzen erzeugen. Es ist keine Eigenschaft von QM, sondern eine Eigenschaft aller begrenzten Wellen.

Wenn man akzeptiert, dass der Quantenzustand eine Überlagerung klassischer Ortszustände ist und somit durch eine Wellenfunktion beschrieben wird$\psi(\mathbf{x})$, und dass diese Wellenfunktion einer vernünftigen Gleichung gehorcht, dann ist es unvermeidlich, dass Sie aus demselben Grund diskrete "Frequenzen" erhalten: Sie müssen eine ganzzahlige Anzahl von Schwingungen an Ihre Saite (oder um das Atom usw.) anpassen. Dies ergibt diskrete Energien durch$E = \hbar \omega$.

Daraus folgt die Quantisierung der atomaren Energieniveaus, das Fehlen einer Quantisierung der Energieniveaus für ein freies Teilchen sowie die Quantisierung der Teilchenzahl in der Quantenfeldtheorie, die es uns ermöglichen, überhaupt von Teilchen zu sprechen. Damit schließt sich der Kreis.

Ich bin kein Physik-Doktorand, aber ich musste mich mit ähnlichen Kuriositäten im QM aus eigener Hobby-Perspektive auseinandersetzen. Wenn ich einem absoluten Neuling QM erklären müsste, um ihn mit den Macken vertraut zu machen, würde ich mit dem wahrscheinlich wichtigsten Aspekt von QM beginnen. Wie alle anderen wissenschaftlichen Theorien ist sie ein Modell. Es ist nicht die Realität, es ist eine Beschreibung der Realität. Es ist nur eine Beschreibung, die so gut ist, dass es schwierig sein kann, den Unterschied zu erkennen.

Wenn sie das verstehen können, besteht der nächste Schritt darin, darauf hinzuweisen, dass die Beobachtungen, die zur Entwicklung von QM führen, einfach lästig sind. Sie weigern sich, sich in eine einfache Lösung einzufügen. Der einzige Grund, warum wir QM haben, ist, dass wir angefangen haben, Sonderfälle zu untersuchen, und unsere bestehenden Modelle auseinandergefallen sind. Wenn also die QM-Modelle etwas Kontraintuitives sagen (sprich: Verschränkung), dann deshalb, weil einige wirklich lästige Experimente durchgeführt wurden, die zeigten, dass unser Universum wirklich so funktioniert (wie die, die die Bell-Ungleichungen demonstrieren).

An dieser Stelle betrachte ich den Welle-Teilchen-Dualismus als einen wesentlichen nächsten Schritt. Sie erwähnen, dass Sie sich nicht damit befassen möchten, aber wenn es richtig erklärt wird, trägt es meiner Meinung nach eher zur Klarheit als zur Dunkelheit bei. Der Schlüssel ist zu erklären, dass es früher zwei Modelle für die Funktionsweise von Licht gab. Einer verwendete Mathematik in Verbindung mit Partikeln und einer verwendete Mathematik in Verbindung mit Wellen. Wir sagen oft „Licht ist gleichzeitig eine Welle und ein Teilchen“, aber das ist der verwirrende Ausdruck. Ich ziehe es vor zu sagen: „Licht ist weder eine EM-Welle noch ein Teilchen. Es ist etwasdas sich manchmal wirklich ähnlich wie eine Welle oder wirklich ähnlich wie ein Teilchen verhält, aber wenn wir es in exotische Situationen bringen, verhält es sich wie etwas ganz anderes. (Dieses "etwas ganz andere" ist zufällig gut modelliert mit Superposition)

An diesem Punkt können Sie, wenn sie mit dieser leichten Abwandlung der normalen Terminologie vertraut sind, anfangen, auf die Ergebnisse und die Gedankenexperimente und so weiter einzugehen. Ich finde es viel einfacher, Schrödingers Katze als „die Katze ist weder lebendig noch tot, sie ist etwas anderes“ zu erklären, als zu sagen „sie ist lebendig und tot“, was ihrem Verständnis widersprechen soll.

Was QM am Ende schwierig macht, ist nicht das QM. Wie Sie sagten, QM ist einfach. Was es schwierig macht, ist, dass die Modelle, die QM verwendet, darauf hindeuten, dass viele Dinge, die wir täglich für selbstverständlich halten, nicht ganz genau sind. Wenn man sanft damit umgeht, wie man all diese Annahmen, die über Jahre gemacht wurden, aus dem Gleichgewicht bringt, ist es viel einfacher, jemanden dazu zu bringen, sich mit QM wohl zu fühlen.

Bedenken Sie Folgendes: Wenn Sie das klassische Modell des Atoms verwenden, bestehen Ihre Hand und der Schreibtisch zu weit über 99,99 % aus leerem Raum. Es sind lediglich elektrostatische Abstoßungen, die den Eindruck vermitteln, dass diese Objekte fest sind. Sie und ich wissen das. Aber die meisten Menschen fühlen sich damit nicht intuitiv wohl. Es stört sie zu glauben, dass Objekte so vergänglich sind. Nun, wenn das bei jemandem eine kognitive Dissonanz verursacht, ist es dann nicht vernünftig, dass er eine kognitive Dissonanz mit QM hat, was darauf hindeutet, dass das Konzept , dass etwas leerer Raum ist, nicht einmal wirklich sinnvoll ist?

Die Theorie der Quantenmechanik wurde notwendig, als physikalische Messungen nicht in den mathematischen Rahmen der klassischen Mechanik, Elektrodynamik und Thermodynamik eingepasst werden konnten.

AFAIK drei Experimente passten grundsätzlich nicht zu den klassischen Modellen.

1) Schwarzkörperstrahlung

2) der photoelektrische Effekt

3) die Atom- und Molekülspektren, die diskrete Linien zeigen.

Auf einer niedrigeren Ebene könnte die Existenz von Atomen selbst, Elektronen, die um einen positiven Kern kreisen, in keiner Weise in einem stabilen klassischen Modell erklärt werden, da die Elektronen schließlich auf den Kern fallen und eins werden sollten. (Ich habe hier eine Antwort darauf, die für diese Antwort relevant ist)

Das Bohr-Modell zeigte den Weg zum mathematischen Modell 3), Plancks Annahme der Quantisierung der Photonenenergien im schwarzen Körper löste die UV-Katastrophe, Nummer 2), und der photoelektrische Effekt wurde durch die Annahme diskreter Energien erklärt, die von den Photonen zur Freisetzung benötigt werden gebundene Elektronen von Oberflächen.

Die Theorie der Quantenmechanik, eingebunden in ein mathematisches Modell, das auf spezifischen Wellendifferentialgleichungen und einer Reihe von Axiomen (Postulaten) basiert , erklärt vorhandene Daten und sagt neue Anordnungen voraus.

Ich versuche zu sagen, dass die Quantenmechanik kein brillantes mathematisches Modell ist, das jemand erfunden hat, sondern eine mathematische Beschreibung der Natur im Mikrokosmos, die uns durch Daten aufgezwungen wird.

Die probabilistische Natur wurde durch die Anpassungen an die Daten erzwungen.

Mich interessiert nicht, warum wir QM brauchen, ich möchte wissen/erklären, welche grundlegende Annahme notwendig ist, um die Theorie aufzubauen.

Die grundlegende Annahme ist, dass eine physikalische Theorie bestehende Daten beschreiben/anpassen musste, was die klassischen Theorien nicht konnten, und dass sie erfolgreich neue Anordnungen vorhersagen sollte.

Die Grundannahmen/Axiome sind in den Postulaten der Quantenmechanik angegeben, um aus den Lösungen der entsprechenden Differentialgleichungen diejenigen Funktionen auszuwählen, die die Postulate erfüllen.

Ihre gesamte Liste ist die mathematische Konsequenz der obigen Auswahl, und ich denke nicht, dass sie mathematisch nicht versierten Menschen einfach zu erklären ist. Komplexe Zahlen waren zu meiner Zeit (1960er) ein separater mathematischer Kurs

Bearbeiten nach Bearbeiten der Frage:

worum es bei QM geht, was in der "Quantenwelt" passiert, welche Phänomene es korrekt vorhersagt, egal wie kontraintuitiv unser klassischer Verstand ist.

Um jemanden mit minimaler Mathematik in den quantenmechanischen Rahmen einzuführen, würde ich sagen, dass „es keine absoluten dynamischen Vorhersagen für das Verhalten von Materie gibt. In der Quantenmechanik dreht sich alles um Wahrscheinlichkeiten, nicht um Gewissheiten.“

In der klassischen Mechanik gibt es eine einfache Gleichung, wenn ein Ball geworfen wird, die seine Flugbahn beschreibt. In der Quantenmechanik ist die mikroskopische Flugbahn eines Teilchens nicht vorhersagbar, aber wahrscheinlich: Es gibt viele Wege, die das Teilchen im Nanometer- und kleineren Maßstab nehmen könnte.

Ich würde ihnen dann das Doppelspalt-Interferenzexperiment mit einem Elektron nach dem anderen geben . Das Experiment ist "Elektronenstreuung an zwei Schlitzen mit bestimmter Breite und Abstand", wodurch das mikroskopische quantenmechanische Gerüst entsteht, und das Elektron wird makroskopisch am Schirm nachgewiesen. Die Anhäufung von Elektronen zeigt, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilung Welleninterferenzmuster zeigt, während Der Punkt auf dem Bildschirm hat innerhalb von Nanometern eine spezifische (x,y)-Charakteristik eines klassischen Partikel-Fußabdrucks. Dies demonstriert die Welle-Teilchen-Dualität.

Sobald die Wellennatur demonstriert ist, erlaubt die Existenz von Phasen in der Beschreibung von Wellen, Überlagerung und Verschränkung mit einfachen Analogien zu Wasserwellen und Pendeln zu erklären, ABER für Wahrscheinlichkeitsverteilungen.

Ein Minimum an Mathematik ist notwendig, aber Mathematik ist auch notwendig, um das Verhalten der klassischen Physik zu erklären.

Natürlich sehen Sie, warum die Antwort von Anna V Ihnen sagt. Du willst nicht warum, ich verstehe.

Sie wollen erklären, was QM ist. Sie wollen dem Alltagsmenschen erklären, was QM ist.

1. Quantisierung von Energie

In diesem Fall wird das, was QM ist, teilweise durch Anna Vs Antwort auf das Warum beantwortet. Früher sahen wir die Welt nur auf der Makroebene und wussten nicht, wie die Mikroebene funktioniert. Wir haben unser mathematisches System aufgebaut, um die auf der Makroebene sichtbare Welt zu beschreiben. Das hat meistens funktioniert. Dann kamen ein paar Probleme, wie die drei erwähnten, und wir mussten ein neues mathematisches System bauen (und für die Physik verwenden), das die Mikroebene beschrieb. So gab es das klassische Standardsystem, das die Makroebene (SR, GR) beschreibt, und das neue System (QM), das die Mikroebene beschreibt. Die beiden sind nicht immer kompatibel. Dies beantwortet Ihre Fragen zur Quantisierung von Energie. Sie können gewöhnlichen Menschen erklären, was QM in Bezug darauf ist, wie es die Quantisierung von Energie beschreibt. Das heißt, wie es diese drei genannten Probleme gelöst hat.

2. Interferenz

Aber ich verstehe aus Ihren Kommentaren, dass Sie Überlagerung und Interferenz erklären müssen.

Interferenzen lassen sich einem Alltagsmenschen am einfachsten mit dem Doppelspaltexperiment erklären. Es ist so einfach, wie zu sagen, dass sich das Photon als Welle ausbreitet und die Teile der Welle durch beide Schlitze gehen und nach den Schlitzen die Teile der Welle miteinander interferieren und Interferenzen erzeugen. Die dunklen Teile auf dem Bildschirm sind die destruktiven Interferenzen, und die hellen Teile sind die konstruktiven Interferenzen. Dies ist für einen gewöhnlichen Menschen verständlich. Selbst wenn Sie dies mit jeweils einem einzelnen Photon tun, wird dieses einzelne Photon, das sich als Welle fortbewegt, Teile seiner eigenen Welle stören. Sie können nicht genau wissen, wo das Photon auf dem Bildschirm landen wird, aber Sie können wissen, wo es nicht landen wird, auf den dunklen Teilen des Musters. Und Sie können im Voraus wissen,

3. Überlagerung:

Am besten verständlich ist dies für einen Alltagsmenschen aus den Neutrino-Experimenten. Neutrinos reisen in einer Überlagerung von drei Geschmacksrichtungen (das sind drei Massen für gewöhnliche Menschen). Da jeder von ihnen unterschiedliche Massen und Energien hat, bewegen sie sich auch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Wenn sie ankommen, scheinen sie nur einen bestimmten Geschmack zu haben. Da die Oszillation periodisch ist, kehrt das Neutrino nach einer bestimmten zurückgelegten Strecke zum ursprünglichen Geschmack zurück. Wenn sie die zurückgelegte Entfernung kennen, wissen sie, in welche Geschmacksrichtung es bei der Ankunft oszilliert hat, sodass sie wissen, mit welcher Geschmacksrichtung es bei der Erstellung begonnen hat.

4. Unsicherheit:

Dies ist das Wichtigste, um es einem gewöhnlichen Menschen zu erklären. Sie müssen akzeptieren, dass wir Objekte auf Mikroebene auf Skalen überprüfen, die wir wirklich nicht gut (mit wenig Fehler) betrachten können. Früher, als wir Dinge, also Makroobjekte, überprüft haben, waren sie räumlich stabil. Sogar bei kleineren Maßstäben hatten wir etwas, das viel schneller war als das Objekt, das überprüft wurde. Das war das Elektronenmikroskop, und das war der letzte Maßstab, mit dem wir Objekte im kleinen Maßstab (Atome, Protonen) ziemlich gut betrachten konnten. Können wir das mit einem anderen Elektron machen? Können wir uns ein klassisches Bild eines Elektrons machen? Oder ein Photon? Oder Quark? Oder ein Gluon? Nein, warum? Es gibt ein paar Gründe. Erstens werden sie als punktförmige Teilchen akzeptiert. Gibt es etwas, um sie zu überprüfen (wie sie klassisch aussehen würden)? Nein, da ist kein. Wie kann man ein punktähnliches Etwas überprüfen, wie es klassisch aussehen würde (weil ein gewöhnlicher Mensch vor allem sehen möchte, wie ein Objekt klassisch aussieht)? Du kannst nicht. Zweitens bewegen sie sich zu schnell, um überprüft zu werden. Mikroobjekte neigen dazu, sich die meiste Zeit nahezu mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen. Um etwas auf klassische Weise zu überprüfen, müssen Sie es mit etwas überprüfen, das sich viel schneller bewegt als das Objekt selbst. Die klassische Art, etwas zu überprüfen, ist für einen gewöhnlichen Menschen, es anzuschauen. Sie verwenden EM-Wellen. Und deine Augen. Können Sie das tun, wenn sich das Objekt mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt? Könnten Sie ein Makroobjekt sehen (und gründlich überprüfen), das sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegt? Nicht wirklich. Auf diese Weise können Sie einem gewöhnlichen Menschen erklären, was QM in Bezug auf Unsicherheit ist. Zu kleine Dinge (punktförmig) bewegen sich zu schnell (fast Lichtgeschwindigkeit). Je mehr wir versuchen, sie klassisch auf einen kleineren Ort zu beschränken, um sie zu überprüfen, desto schneller werden sie (ihr Momentum wird ungewiss sein). Um sie zu beschreiben, brauchen wir Wahrscheinlichkeiten.

Verstrickung:

Das ist etwas, was man einem gewöhnlichen Menschen nicht erklären kann. Das ist der Teil von QM, wo niemand wirklich erklären kann, und es gibt keine akzeptierte Antwort auf die Mathematik und die Experimente. Die Mathematik beschreibt die Experimente, aber niemand kann klassisch erklären warum. Nennt sich Korrelation. Es besteht eine Korrelation zwischen bestimmten Eigenschaften verschränkter Teilchen. Da ist das Kopenhagen und die Viele-Welten-Interpretation. Was auch immer Sie mehr mögen, der Alltagsmensch muss sich entscheiden.

SR:

Ich sehe, dass Sie Ihre Frage bearbeitet haben, und frage mich, warum und wie Sie einem gewöhnlichen Menschen erklären können, dass die Lichtgeschwindigkeit in jedem Frame gleich ist. Der Weg, das einem gewöhnlichen Menschen zu erklären, besteht darin, ihm zu erklären, dass er versucht, falsch zu denken. Du denkst, du könntest auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Falsch. Energie und GWs reisen mit Lichtgeschwindigkeit. Das ist die Geschwindigkeit, die einzige Geschwindigkeit der Energie. Um im Weltraum langsamer zu werden, müssen Sie Ruhemasse gewinnen. Alles ist relativ zur Lichtgeschwindigkeit c (das ist die Geschwindigkeit von EM-Wellen und GWs). Sobald Sie akzeptieren, dass das Universum so eingerichtet ist, dass sich diese Wellen im Vakuum (bei lokaler Messung) mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und alles, was eine Ruhemasse hat, im Vergleich dazu verlangsamt wird, werden Sie sehen, dass es keinen Widerspruch in Ihrem Zug gibt Beispiel. Sie und der Zug und alles, was Sie wegwerfen, fährt mit Geschwindigkeiten von 0,000 c, 0,0001 c usw. In diesem Fall scheint c immer c zu sein, aus der Sicht aller, aus jedem Frame. Das ist so gemacht, dass wir, die wir Ruhemasse haben, Zeit erfahren und anfangen können, uns in der Zeitdimension zu bewegen (Photonen und Gravitonen erleben Zeit nicht so wie wir).

Ich bin kein Doktorand in Physik, aber ich habe einen Bachelor-Abschluss darin, also schätze ich, dass ich ein potenzieller Doktorand in Physik bin.

Ich hatte >30 Jahre Zeit, darüber nachzudenken, und wenn Leute mich danach fragen, gebe ich ihnen normalerweise eine Antwort in etwa so:

Die Quantenmechanik ist eine Sammlung von Ideen , die zusammenarbeiten, um es Physikern zu ermöglichen, aus einigen ansonsten unvereinbar erscheinenden Naturgesetzen einen Sinn zu machen. Es macht die Mathematik richtig, führt aber zu meist "nicht intuitiven" Schlussfolgerungen. Einstein hat es nie "gekauft" und sich ein paar der häufigsten Beleidigungen für QM ausgedacht. Aber buchstäblich hat sich der Rest der Physik-Community QM „gekauft“, weil es die Mathematik zum Laufen bringt. Ich persönlich hoffe, dass es sich letztendlich als Notbehelf erweist und wir das zugrunde liegende Prinzip finden, das QM sinnvoll macht, aber wir sind noch nicht so weit. (In dieser Hinsicht ist es sehr ähnlich wie "dunkle Materie".)

Ich denke, dies erklärt die "Situation" von QM besser als jede inhärent verwirrende "Erklärung" einer Sammlung scheinbar unzusammenhängender Ideen und führt die Idee ein, dass Physik chaotisch ist .

PS Ich zähle "Würfelspiel" und "gruselige Fernwirkung" zu Einsteins "Beleidigungen". Letztere hat sich ebenso wie „Big Bang“ von einer Beleidigung entfernt, war aber ursprünglich als solche gedacht.

Bearbeiten: Ich kann mir vorstellen, dass sich einige (viele?) Beschweren werden, dass dies keine "Antwort" ist. Soweit die Frage berechtigt ist, stimmt das. Aber ich glaube nicht, dass die Frage wirklich lautet: Sie setzt voraus, dass es hinter QM ein zentrales Organisationsprinzip (oder zwei) gibt. Aus der Länge der qualitativ hochwertigen "Antworten", die wir bisher gesehen haben, denke ich, dass es ziemlich klar ist, dass QM(noch) nicht da ist.

Ich werde hier nur eine Antwort geben, aber ich habe ein bisschen darüber nachgedacht. Insbesondere habe ich zuvor eine Einführungspräsentation zur Quantenmechanik vorbereitet, die ich ein paar Mal für Gymnasiasten gehalten habe, und ich war mit den Ergebnissen zufrieden, da ich ihr Feedback erhielt und sie dazu brachte, der Diskussion zu folgen und Fragen zu stellen.

Wie Sie war ich mit vielen Einführungen in die Quantenmechanik, die mir begegnet sind, unzufrieden. Dinge wie der Welle-Teilchen-Dualismus und der Doppelspalt oder das Stern-Gerlach-Experiment waren für Physiker im frühen 20. Jahrhundert hilfreich, weil diese Experimente im Bereich der Arten von Experimenten lagen, an die diese Wissenschaftler gewöhnt waren, so dass die Ergebnisse für diese sehr beeindruckend waren Wissenschaftler. Junge Physiker und Laien sind mit diesen Geräten noch nicht so vertraut, daher sind die Ergebnisse nicht so auffällig.

Ich denke, es gibt einen weiteren wichtigen Unterschied zwischen dem Unterrichten der Quantenmechanik heute und dem Unterrichten der Quantenmechanik vor 70 Jahren. Der Unterschied ist, dass Zuhörer SEHR bereit sind, verrückte Dinge zu akzeptieren, die aus dem Mund eines Physikers kommen. „Oh, der Physiker sagt, das Elektron kann an zwei Orten gleichzeitig und in 6 Dimensionen sein? Ja, sie haben wahrscheinlich Recht und es ist nur etwas, das ich nie verstehen werde.“ Ich habe wahrscheinlich vor der High School etwas über die Quantisierung von Atomorbitalen gelernt, also war ich nicht überrascht, als ich die Mathematik der Quantisierung im College lernte.

Ich denke, das Wichtigste bei der Einführung der Quantenmechanik ist, den Menschen das Gefühl zu geben, dass das, was ihnen gesagt wird, wirklich seltsam ist. Wenn sie nicht das Gefühl haben, dass es seltsam ist, haben Sie es nicht geschafft.

Wie auch immer, mein Ansatz geht so.

1) Zuerst möchte ich die Leute daran erinnern, dass die Quantenmechanik ein Teilgebiet der Physik ist, die eine Art Wissenschaft ist. Die Arbeit der Wissenschaft besteht darin, theoretische Modelle zu entwickeln und zu testen, die unsere Erfahrung in dieser Welt am besten beschreiben/vorhersagen (nämlich Experimente beschreiben/vorhersagen, die wir durchführen können). Dieses Setup ist gut, weil es Ihnen ermöglicht, Fragen wie „aber ist die Katze WIRKLICH tot und lebendig?“ zu umgehen. indem es den Zuhörern ermöglicht, sich daran zu erinnern, dass die Wissenschaft uns nicht unbedingt sagt, was WAHR ist, aber sie gibt uns die bisher beste BESCHREIBUNG der Realität. Die Interpretation des physikalischen Modells ist ein anderer (aber verwandter/wichtiger) Teil der Geschichte.

2) Das ist der Schlüssel zu meinem Ansatz. Sie erwähnen, dass Sie nicht in eine Diskussion über Postulate/Hilbert-Raum usw. einsteigen möchten. Ich stimme zu, aber für mich ist es der Hilbert-Raum, der uns den Hauptunterschied zwischen klassischer und Quantenmechanik gibt, also kann ich das nicht verrutschen lassen von. Die Art und Weise, wie ich dies einem Laien vorstelle, ist die folgende. Erwähnen Sie zuerst niemals das Wort Hilbert-Raum. Das wäre schrecklich. Ich erkläre zunächst die Vorstellung vom Zustand eines physikalischen Systems im klassischen Sinne. Ich definiere den Zustand eines Systems als eine Sammlung (wie eine Tasche) von Beschreibungen eines physikalischen Systems. Der physikalische Zustand einer Wasserflasche könnte sein: "Blau, 1 kg, Bewegung mit Geschwindigkeit v nach unten, knapp über dem Tisch, flüssiger Zustand, nicht rotierend" usw. usw. Ich mache dann die sehr einfache und glaubwürdige Aussage, dass, wenn Sie auf immer kleinere physikalische Systeme (Atome/Moleküle) zoomen, der Zustand des Systems komplizierter wird. Wir müssen nämlich Möglichkeiten hinzufügen, in welchen Zuständen sich das System befinden kann. Als Teaser, klassischerweise kann ein Ball nicht an zwei Orten gleichzeitig sein, aber quantenmechanisch schon.

3) Der nächste Teil der Beschreibung soll beginnen, auf Beispiele einzugehen, wie konkret sich der Zustand des Systems unterscheiden kann. Die für mich wichtigen Unterschiede sind die Möglichkeit der Überlagerung und Verschränkung. Wir können jedoch Interferenzen und das Unsicherheitsprinzip aus der Liste des OP hinzufügen. In meiner Präsentation gehe ich normalerweise nur durch Überlagerungen, ich versuche auch, die viel verwendeten physikalischen Beispiele wie Schrödingers Katze zu vermeiden, weil die Leute das vielleicht schon einmal gehört haben und das Gefühl bekommen haben, dass nur Katzen in Überlagerungen sein können. Zur Erklärung der Superposition stütze ich mich auf meine Beschreibung eines physikalischen Zustands. Ich sage, man sollte sich einen klassischen Zustand wie eine Tüte mit Beschreibungen vorstellen. Quantenzustände sind auch eine Fülle von Beschreibungen. Das Interessante ist, dass eine Quantenzustandstasche MEHRERE verschiedene klassische Zustandstaschen enthalten kann.

4) An dieser Stelle gehe ich auf häufige Missverständnisse darüber ein, was Superposition sein könnte. Ich betrachte einen Hund, der sich in einer Überlagerung eines roten und eines blauen Hundes befindet. Mögliche Missverständnisse sind: Der halbe Hund ist blau und der halbe Hund ist rot, der Hund ist lila, der Hund wechselt sehr schnell zwischen rot und blau hin und her, der Hund ist wirklich nur rot oder blau. Ich denke, es hilft, explizit auf diese Missverständnisse hinzuweisen, denn wer auch immer Sie denken, denkt wahrscheinlich, dass eines davon richtig ist. Bei der Quantenmechanik ist es in Ordnung und wichtig, jemandem zu sagen, dass er sich etwas falsch vorstellt, auch wenn Sie ihm nicht sofort ein nicht falsches Bild geben können. Und das ist mein nächster Punkt.

5) Als nächstes, und hier unterscheide ich mich wirklich von vielen Einführungen, die ich zuvor gesehen habe: Ich stelle verschiedene mögliche Interpretationen der Superposition/Quantenmechanik vor. Viele Physiker scheinen zu denken, dass Interpretationen tabu sind und nicht diskutiert werden sollten oder "keine Physik sind". Letztlich bin ich damit nicht einverstanden.

Ich beginne damit, Schrödingers offensichtliche Frage zu stellen. Wenn wir etwas überlagern, was passiert dann, wenn wir es betrachten? Was wäre, wenn wir mit einem normalen Hund beginnen und eine Maschine haben, die ihn in eine Überlagerung von Rot und Blau bringen kann? Was würde passieren, wenn wir den Hund anschauen? Ich weise zunächst darauf hin, dass niemand auf der Welt die Antwort auf diese Frage wirklich kennt, nämlich das Messproblem ist immer noch ungelöst. Dies relativierte das Verrücktheitsniveau*. Ich gebe die Beschreibung, die drei Interpretationen der Quantenmechanik von diesem Experiment geben würden. Kopenhagener Interpretation, Interpretation vieler Welten und Interpretation verborgener Variablen. Ich versuche dann, Vor- und Nachteile jeder Interpretation zu erklären. Ich denke, das ist gut, weil es den Leuten zeigt, dass ja, Quantenmechanik seltsam ist, aber dass es nur wenige Möglichkeiten gibt, darüber nachzudenken. Ich denke, für mich ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass a) diese unterschiedlichen Interpretationen alle funktionieren können, aber b) sie alle Probleme haben.

Während dieser Präsentationen habe ich viele interessante Fragen gestellt und interessante Diskussionen geführt. Ich habe Verstrickung, Rabi-Flopping, ein Ei, das von der Decke einer Scheune rollt (Symmetriebruch) und andere interessante Themen angesprochen (aber immer Nicht-Expertensprache verwendet). Ich habe auch einige andere interessante Wege gefunden, um Verschränkung zu erklären.

Die beste Alltagsanalogie, die mir für Überlagerungen eingefallen ist, ist die Idee, nach Nordwesten zu reisen. Sie reisen nach Norden, aber Sie reisen auch nach Westen. Beide Aussagen sind gleichzeitig wahr. Du machst auch etwas etwas anderes, als rein nach Norden oder rein nach Süden zu gehen. Dies fängt die Idee ein, dass der Hilbert-Raum ein Vektorraum ist, genau wie die Himmelsrichtungen Vektoren sind.

Eine weitere interessante Überlagerung ist ein Teilchen in einer Überlagerung von Links- und Rechtsbewegung. Klassisch würden sich die beiden Vektoren aufheben und wir würden keine Bewegung sehen. Aber quantenmechanisch können beide Dinge gleichzeitig geschehen

*Im Nachhinein möchte ich nicht den Eindruck erwecken, dass die Quantenmechanik so seltsam ist, dass sie niemand versteht. Ich möchte nur darauf hinweisen, dass das philosophische Messproblem ungelöst ist. Ich denke, es ist wichtig, den Menschen zu vermitteln, dass wir die Quantenmechanik tatsächlich sehr gut verstehen und sie verwenden können, um unglaublich präzise Vorhersagen zu treffen und ihre Ergebnisse zu verwenden, um echte Technologie zu entwickeln, die jedem in seinem täglichen Leben hilft.

Ich musste dies im Zusammenhang damit beantworten, Schrödingers Katze einem Nichtphysiker zu erklären, der ein grundlegendes Verständnis davon haben wollte, worum es ging. Ich habe es ungefähr so ​​behandelt:

1. Wir wissen jetzt, dass allgemeingültige Gewissheiten und klassische Regeln/"Naturgesetze" auf der winzigen Skala von Atomen zusammenbrechen: - Subatomares Teilchenverhalten ist extrem nicht intuitiv.

• Wir haben schöne solide Regeln, die das sichtbare Universum regieren. Newton und Einstein für Schwerkraft und Kräfte, Maxwellsche Gesetze für Elektrizität und Magnetismus und so weiter.

• Aber wir wissen jetzt, dass sich Atome und subatomare Teilchen im kleineren Maßstab tatsächlich nicht so verhalten. Was wir tatsächlich sehen, ist eine Art „Mittelung“ oder statistischer Effekt aufgrund von Milliarden und Billiarden winziger Partikel.

• Zum Beispiel (und vereinfachend!) fließen im Durchschnitt Elektronen in einem Draht und verursachen elektrischen Strom. Aber ein einzelnes Elektron könnte eine Reihe von Dingen tun. Der Strom ist vorhersehbar, weil wir über eine Milliarde Milliarden Elektronen insgesamt ein ziemlich vorhersagbares durchschnittliches Verhalten sehen werden. Aber das Verhalten eines einzelnen Elektrons ist nicht so vorgegeben.

• Wenn wir also die „Bausteine“ der physikalischen Welt betrachten, müssen wir mit Teilchen arbeiten, die sich nicht so verhalten, wie wir es erwarten. Sie werden wahrscheinlich dies tun, ein bisschen wahrscheinlich das und äußerst unwahrscheinlich, dass sie etwas Drittes tun (aber sie werden es einmal in einer Million Jahren tun oder was auch immer). Und wir können tatsächlich nicht vorhersagen, was sie tun werden.

• Quantenmechanik ist der Begriff, der verwendet wird, um die Gesetze zu beschreiben, die zu beschreiben scheinen, wie die kleinsten physikalischen Teile unseres Universums funktionieren und wie sie im Durchschnitt die scheinbar vorhersagbaren Gesetze schaffen, die wir im täglichen Leben um uns herum „sehen“.

2. Was es bedeutet

• Die Tatsache, dass die Welt der subatomaren Teilchen auf diese Weise funktioniert, bedeutet, dass sie viele Überraschungen für uns bereithält, die auf einer "alltäglichen" Ebene einfach keinen Sinn ergeben.

• Aber sie scheinen wahr zu sein, auch wenn sie keinen Sinn ergeben, wir haben sie etwa ein Jahrhundert lang getestet, wir verwenden sie, um Computer und Laser zu bauen, die nicht funktionieren würden, wenn dies sehr falsch wäre. Wir wissen also, dass, so seltsam es auch erscheinen mag, es so aussieht, als wäre die Welt so.

Beispiele:

1. Beispielsweise können zwei Golfbälle nicht denselben Platz einnehmen. Aber zwei von einigen Arten von subatomaren Teilchen können es.

2. Ein Objekt wie ein Stuhl befindet sich in einem bestimmten Zustand – es existiert oder es existiert nicht. Aber ein subatomares Teilchen kann existieren – irgendwie – oder beides existieren und nicht existieren oder vielleicht existieren, was in der Alltagswelt keinen Sinn ergibt.

3. Im Alltag haben Wirkungen fast immer erkennbare Ursachen. Wenn sich eine Kiste plötzlich bewegt, hat sie etwas bewegt – eine Kette von Ursache-Wirkungs-Ereignissen. In der Quantenwelt können Dinge zufällig passieren, ohne dass etwas anderes sie „verursacht“ hat.

4. Wir können messen, wie schnell ein Auto fährt und wo es sich befindet. Aber in der subatomaren Welt, sobald Sie versuchen, eines davon genau zu messen, hindern Sie die Naturgesetze daran , das andere genau zu messen.

5. Ein Golfball, der auf eine Reihe von weit auseinander liegenden Geländern zurollt, geht durch einen Raum. Aber in der Quantenwelt kann dasselbe einzelne Teilchen (oder Welle) gleichzeitig durch zwei verschiedene Räume gehen - und auf der anderen Seite von sich selbst "abprallen" (mit ihm interagieren).

3. Wohin uns das führt

• Das ist nicht sehr intuitiv, und fragen Sie mich nicht, wie es sein kann. Aber es ist das, was wir finden, und wir sind uns dessen ziemlich sicher.

• Schrödingers Katze ist eine Möglichkeit, anhand eines Beispiels zu zeigen, wie seltsam es ist, indem man ein Setup betrachtet, in dem eine (versteckte) Katze leben oder tot sein könnte, aber wir wissen nicht, welche, und ihr Zustand wird von kontrolliert das Verhalten eines einzelnen subatomaren Teilchens. Da der Zustand des subatomaren Teilchens ungewiss ist, kennen wir eigentlich auch den Zustand der Katze nicht.

• Die Quantenmechanik sagt, dass – so wie wir es am besten verstehen – der richtige Weg, den Katzenzustand zu beschreiben, darin besteht, dass sie sowohl lebendig als auch tot ist, wenn wir sie nicht sehen können – und wenn sie enthüllt wird, wird der eine oder andere Zustand werden „unsere Realität“.

• Und wenn das komisch und unmöglich klingt - ich stimme zu!!

Wenn sie [(Nicht-Physiker) Freunde und Familie] mich fragen: "Also, worum geht es bei QM?", möchte ich ihnen eine kurze Antwort geben, eine einfache ...

Sie haben gar keine Chance , diesen Leuten QM in wenigen Worten zu erklären. Das Beste, was Sie tun können, ist, ihnen einen sehr breiten Überblick über den Zweck oder den Bereich von QM zu geben, die Motivation, warum wir Menschen es studieren, vielleicht Emotionen, die Sie empfinden, während Sie damit arbeiten, usw.

"Sie wissen, wie die Griechen dachten, dass es Atome geben muss - die kleinsten Teilchen der Materie, die nicht mehr unterteilt werden können. Sie hatten Recht; heute wissen wir, dass Atome in gewisser Weise die kleinsten Teile der Materie sind. Aber wie Sie es aus der Schule wissen , selbst Atome werden sofort in Elektronen, Protonen und Neutronen zerlegt.Auch das geht in der Schule ziemlich einfach, du weißt ja, wie das Elektron um den Proton-Neutronen-Kern zischt wie kleine Planeten oder Billardkugeln.Diese Beschreibung der Atome genügt dazu den größten Teil der Chemie und Physik so handhaben, wie wir es für praktische Anwendungen brauchen, zum Beispiel um coole neue Materialien wie spezielle Leichtmetalllegierungen für Flugzeuge herzustellen, zu verstehen, wie Gas oder Wasser funktionieren, Raketen zu schießen und so weiter."

„Jetzt, im 20. Jahrhundert, haben wir herausgefunden, dass Neutronen, Protonen, Elektronen und sogar Licht in noch kleinere Teile zerlegt oder zumindest gründlicher erklärt werden können; und darum geht es bei QM. Diese inneren Mechanismen sind absolut faszinierend, aber auch sehr unvorstellbar und es gibt keine Möglichkeit, ein einfaches Bild wie Billardkugeln oder Planeten für sie zu finden. Ich fürchte, Physiker, auch bessere als ich selbst, haben hier keine wirklich guten Beschreibungen, sondern benötigen stundenlange mathematische Studien dazu einen leichten Überblick darüber bekommen. Wir haben auch noch keine wirklichen praktischen Anwendungen davon, aber es ist eine der Grenzen des Wissens, die wir ständig erweitern ... "

Quelle: bin kein Physiker, sondern IT/CS-Typ. Ich wurde gebeten, Nicht-Technologen Dinge wie "Internet", "Computer", "Algorithmus", "KI" usw. zu erklären. Ich wandte mich bald sehr, sehr einfachen Bildern zu und übersprang jedes Maß an technischen Details, nachdem ich viele Male auf glänzende Augen gestoßen war, als ich diese – im Vergleich zu QM – extrem einfachen Dinge erklärte. Es gibt sicherlich keine Möglichkeit, Menschen, die nicht an fortgeschrittene physikalische Ideen gewöhnt sind, einen ausreichenden Eindruck von QM zu vermitteln.

Selbst Leute, die darin wohl ziemlich gut waren, geben keine kurze Antwort darauf, worum es bei QM geht. Feynman braucht in den vielen Videos, die es von ihm gibt, regelmäßig Stunden, um über QM oder andere Dinge zu sprechen, mit einem Publikum, das wahrscheinlich größtenteils Physiker sind. Er beginnt seine Vorträge nie mit einer kleinen Erklärung in wenigen Worten, weil er dies aus ontologischer Sicht für ziemlich unmöglich hält (dh Feynman - Why. ).

Ich habe nie versucht, alle Ihre Punkte zu erklären, aber die Kernidee, die ich gebe, lautet: „ Ein Zustand bestimmt möglicherweise kein Messergebnis “.

Ich erkläre zuerst die Idee eines physikalischen Zustands – dass ein physikalisches System in dem einen oder anderen Zustand sein kann. Und vor QM wurde immer angenommen, dass der Zustand das Maß bestimmt. Wenn wir sagen, dass die Geschwindigkeit des Balls v ist, dann bedeutet das, dass es einen Zustand gibt (den wir sogar als markieren können$|v\rangle$, ich glaube nicht, dass dies der Erklärung schadet), so dass wir, wenn wir die Geschwindigkeit des Balls messen, feststellen, dass es v ist. Dieser Teil kommt gut an, es ist eine leicht zu verstehende Idee.

Dann stelle ich fest, dass die erstaunliche Idee, auf der QM basiert, darin besteht, dass es Zustände gibt, die eine bestimmte Messung nicht bestimmen. Es gibt also einen Zustand, nennen wir ihn$|strange\rangle$wo wenn ich messe bekomme ich entweder eine bestimmte geschwindigkeit$v_1$oder eine andere Geschwindigkeit$v_2$.

Quantensuperposition und Indeterminismus

Dies führt natürlich zu einer Diskussion über Quantensuperposition und Indeterminismus. Ich erkläre, dass wir diese seltsamen Zustände als Summen der regulären Zustände schreiben, und QM sagt, dass solche Summen immer legitime Zustände sind. Wenn also das Teilchen einen Zustand haben kann$|v_1\rangle$(was bedeutet, dass wir die Geschwindigkeit messen$|v_1\rangle$) und einen Zustand$|v_2\rangle$, dann kann es auch einen Zustand haben$|v_1\rangle+|v_2\rangle$, was bedeutet, dass wir bei der Messung beide Geschwindigkeiten messen.

Das bedeutet, dass wir beide Geschwindigkeiten mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit messen müssen . Und tatsächlich können wir eine gewichtete Summe bilden, um die Wahrscheinlichkeit in welche Richtung zu ändern. Zum Beispiel der Staat$\sqrt{1/3} |v_1\rangle+\sqrt{2/3}|v_2\rangle$bedeutet, dass$|v_2\rangle$ist doppelt so wahrscheinlich. Ich könnte sogar erklären, dass wir aus technischen Gründen die Quadratwurzel der Wahrscheinlichkeit vor den klassischen Zustand stellen müssen.

Verstrickung

Das ist normalerweise so weit, wie ich gehe. Aber wenn ich versuchen würde, Ihre Punkte zu erklären, könnte es in diese Richtung gehen:

Die Verschränkung folgt ziemlich direkt, indem man auf die Diskussion eines bipartiten Systems umschaltet. Ich würde über eine Überlagerung wie sprechen$|01\rangle+|10\rangle$. Führen Sie dann eine lokale Messung des ersten Bits durch. Was ist das Ergebnis? Nun, nach den Regeln, die QM hat, um Subsysteme zu größeren Systemen zusammenzusetzen, wäre das Ergebnis wieder intereminiert, aber wir können wissen, was der Zustand des anderen Bits ist! Und das ist die Essenz der Verstrickung.

Unschärferelation

Was, wenn wir versuchen, zwei Eigenschaften des Systems zu messen, nicht nur eine? Sagen wir, wir versuchen, sowohl die Geschwindigkeit als auch die Position eines Teilchens zu messen?

Da jede Messung in den „seltsamen“ Fällen probabilistisch ist, ist das Ergebnis mit einer gewissen Unsicherheit behaftet. Wir könnten zum Beispiel eine bestimmte Geschwindigkeit im Durchschnitt erhalten, aber bei anderen Geschwindigkeiten auch wahrscheinlich. Wir erhalten also mehr oder weniger ein Ergebnis, aber mit einer Unsicherheit.

Dies hängt davon ab, ob der Zustand für diese Eigenschaft, für die Geschwindigkeit, "fremd" ist. Das Unsicherheitsprinzip ist die Tatsache, dass es Paare von Eigenschaften gibt, die in dem Sinne „inkommensurabel“ sind, dass man nicht beide mit perfekter Genauigkeit messen kann. Wenn der Zustand für einen nicht "fremd" ist, so dass sein Wert feststeht, dann wird der andere im Wesentlichen unendliche Unsicherheit haben. Zum Beispiel, wenn der Staat ist$|v\rangle$was bedeutet, dass wir eine bestimmte Geschwindigkeit messen$v$, das heißt, das Teilchen kann mit gleicher Wahrscheinlichkeit jede Position einnehmen. Was eindeutig verrückt ist, wir sehen solche Zustände nicht um uns herum - ein Teilchen befindet sich im Detektor, nicht auf dem Mond.

Was wir also am Ende haben, ist normalerweise ein Zustand, der für eine Eigenschaft leicht unsicher ist und auch für die andere Eigenschaft leicht unsicher ist. QM sagt, dass es sogar einen Zusammenhang zwischen diesen Unsicherheiten gibt, was die mathematische Form des Unsicherheitsprinzips ist. Aber der wichtige Punkt ist, dass ein realer Staat eine gewisse Unsicherheit in Bezug auf seinen Standort und auch eine gewisse Unsicherheit in seiner Position aufweist. Wir können das eine mit großer Genauigkeit messen, aber das führt bei dem anderen zu größerer Unsicherheit.

Interferenz

Interferenzen lassen sich mit dem Zweispalt-Versuchsaufbau erklären. Ein Partikel könnte durch den Schlitz gekommen sein$|1\rangle$oder$|2\rangle$. Dann haben wir auf dem Bildschirm eine Überlagerung der beiden. Ein "seltsamer" Zustand wie$|1\rangle+|2\rangle$.

Wenn wir jetzt auf dem Bildschirm messen, messen wir nicht, ob das Teilchen von Schlitz 1 oder 2 kam. Wir messen nur, ob das Teilchen dort ist. Und das ist eine ganz andere Eigenschaft. Es stellt sich also heraus, dass, wenn wir die Faktoren zum Schreiben des Zustands für diese Eigenschaft addieren, sie sich addieren oder voneinander subtrahieren können. So landen Sie in Zuständen wie$|there\rangle-|there\rangle=0$, also ein Zustand, der irgendwann auf dem Bildschirm "existiert nicht" anzeigt! Der Zustand des Kommens von Spalt 2 hebt den Zustand des Kommens von Spalt 1 auf, so dass (für die Eigenschaft "trifft das Teilchen dort auf den Schirm?") die Wahrscheinlichkeit Null wird!

Am Ende erhalten Sie also ein Muster aus Wahrscheinlichkeitsstreifen auf dem Bildschirm, Bereiche mit hoher Wahrscheinlichkeit und Bereiche mit geringer Wahrscheinlichkeit. Nicht weil sich das Teilchen durch den einen oder den anderen Schlitz bewegte , sondern weil es sich in einem seltsamen Zustand bewegte, einer Überlagerung, bei der es beides tat.

Das liegt nicht an der von uns gemessenen Eigenschaft „Dabeisein“, sondern ist ein allgemeines Ergebnis von QM. Die Faktoren können sich addieren oder voneinander subtrahieren (technisch ist es etwas komplexer (hah hah)), also erhalten Sie dieses Ergebnis namens "Interferenz".

Quantisierung

Schließlich, was der Theorie ihren Namen gibt, Quantisierung. Vom Prinzip her weiß ich das nicht wirklich zu erklären, ich denke es liegt an den Randbedingungen. Also vielleicht etwas wie folgt.

Ich würde mit der Idee beginnen, dass die Standortmessung ein Kontinuum von Werten haben kann. Das Teilchen kann überall sein. Ebenso kann ein Teilchen jede Energie haben und so weiter.

Oft ist im QM der Zustand jedoch körperlich eingeschränkt. Beispielsweise müssen die Zustände eines Elektrons um ein Atom herum stabil sein , da sich das Elektron so schnell bewegt, dass jeder instabile Zustand schnell instabil werden und sich selbst zerstören würde. Wenn wir also nur die Anforderung von stabilen (technisch "stationären") Zuständen auferlegen, werden wir ein seltsames Ergebnis finden - dass nur einige Zustände erlaubt sind. Die anderen Zustände berechnen einfach nicht, es gibt keine Lösungen für die Gleichungen der QM unter ihnen.

So stellen wir zum Beispiel fest, dass das Elektron um einen Kern nur bestimmte Energien haben kann. Es gibt einfach keine stationären Zustände mit unterschiedlichen Energien. Es gibt einen Zustand mit einer bestimmten Energie$E_0$(-13 eV), ein Zustand mit$E_0/2$, und so weiter - aber kein Zustand mit Energie$E_0/1.4$, zum Beispiel. Es gibt einfach keinen solchen stationären Zustand.

Wenn wir also die Energie des Zustands messen, erhalten wir immer einen dieser diskreten Werte. Das ist Quantisierung. (Der Zustand befindet sich möglicherweise immer noch in einer Superposition, sodass wir aus diesen Möglichkeiten eine Streuung der Ergebnisse erhalten können.)

Dies gilt für nahezu alle Mengen in nahezu allen Fällen. Wir erhalten also sehr, sehr oft eine „Quantisierung“ der Energie, von Dingen wie der Geschwindigkeit, mit der sich ein Objekt um seine Achse dreht, und so weiter. Die Quantenmechanik wird wegen dieser Quantisierung "Quanten" genannt.

Die Quantenmechanik ist im Kern ein Rahmenwerk zur Beschreibung des Verhaltens der Welt unter bestimmten Bedingungen, eines, das wir benötigen, um bestimmte Teile der Realität genau zu beschreiben.Das ist alles dazu. An der Quantenmechanik ist an sich nichts Seltsames, nur die Tatsache, dass sie anscheinend einem Großteil unserer alltäglichen Intuition widerspricht, und tatsächlich vielen Konzepten der klassischen Mechanik, die wir für grundlegend hielten. Wenn wir darüber nachdenken, ist dies zu erwarten. Schließlich versuchen wir nicht, alltägliche Phänomene in unserem Maßstab zu beschreiben, mit denen wir vertraut sind, wie ein Steinwurf oder ein sich im Wind wiegender Baum: Phänomene, für deren Verarbeitung unser Gehirn entwickelt wurde. Wenn Sie versuchen, die Quantenmechanik zu verstehen, vergessen Sie niemals Folgendes: Unser Gehirn war technisch gesehen nicht dafür gemacht! Es sollte Tiger im Dschungel lokalisieren oder durch die Luft fliegenden Dingen ausweichen oder sie fangen. Fühlen Sie sich nicht schlecht, wenn Ihnen diese Konzepte (obwohl zutreffend) unintuitiv oder sogar seltsam erscheinen. Es ist nur natürlich!

Ich werde nun versuchen, kurz und bündig den „Kern“ der Quantenmechanik zu erklären und warum er sich aus den experimentellen Daten (dem Ausgangspunkt jeder Physik) ergibt.

(Die folgende Zusammenfassung ist inspiriert von Ch. 1 von Cohen-Tannoudji)

Alles beginnt mit dem Doppelspaltexperiment . Das ist unser Aufbau: Eine Lichtquelle auf eine undurchsichtige Platte strahlen lassen, die zwei schmale Schlitze hat. Dahinter lässt uns ein Bildschirm das resultierende Licht sehen, das darauf scheint, und eventuell auftretende Interferenzmuster beobachten.

Bevor wir weiter gehen, erinnern wir uns kurz an die beiden Hauptideen zur Beschreibung von Licht (vor der Quantenmechanik): „Licht ist ein Teilchen“ und „Licht ist eine Welle“. Betrachtet man Dinge wie den photoelektrischen Effekt und die Schwarzkörperstrahlung und die einfache Tatsache, dass Licht in diskreten Einheiten emittiert wird (es ist niemals möglich, Licht mit einer Energie von weniger als zu emittieren).$hf$, können wir zu dem Schluss kommen, dass Licht ein Teilchen ist. Wenn wir Dinge wie Beugung und die Tatsache betrachten, dass Licht eine Art elektromagnetischer Welle zu sein scheint, könnten wir zu dem Schluss kommen, dass Licht eine Welle ist. Also, welcher ist es?

Schauen wir uns unser Experiment an. Was wir beobachten, ist Folgendes: Beleuchten Sie nur einen der Schlitze. Nennen Sie das beobachtete Muster (der Lichtintensität)$I_1(x)$. Jetzt strahlen Sie es auf den anderen Schlitz und rufen Sie das Muster auf$I_2(x)$. Groß! Richten Sie nun das Licht auf beide Schlitze und nennen Sie das beobachtete Muster$I(x)$. Wenn Licht ein Teilchen wäre, würden Sie erwarten$I(x)$einfach zu sein$=I_1(x)+I_2(x)$, aber das ist nicht der Fall. Man könnte versuchen, dies im Rahmen der Teilchentheorie zu erklären, indem man sagt, dass die Teilchen, die beide Spalte verlassen , miteinander interferieren , was dazu führt, dass das Beugungsmuster für beide Spalte sich von der Summe der beiden getrennten Muster der beiden Spalte unterscheidet. Halten wir diesen Gedanken für einen Moment fest.

Versuchen wir nun, die Intensität der Lichtquelle zu "verringern",$I_\text{source}$. Wenn Licht kein Teilchen, sondern eine Welle ist, wie die vorherigen Beobachtungen zu implizieren scheinen, dann erwarten wir einfach, dass die Intensität des Beugungsmusters proportional zur Intensität der Quelle sein wird: Drehen Sie die Quelle halb herunter und die Beugung Das Muster wird halb gedimmt, drehen Sie es auf 1/10 und das Muster hat 1/10 der Intensität, bis Sie es ausschalten und das Muster verschwindet.

Dies ist in der Tat NICHT das, was passiert. Drehen wir die Quelle herunter, drehen wir sie sogar so weit herunter, dass sie jeweils nur ein Photon (minimale Lichtquanten) aussendet. Hier passiert die Magie! Weder „Licht ist ein Teilchen“ noch „Licht ist eine Welle“ sind ausreichende Beschreibungen dessen, was passiert!

1. Lassen Sie es für die Nacht eingeschaltet: Wenn Sie zurückkommen, ist das Beugungsmuster da, obwohl nur ein Photon auf einmal emittiert wurde , so dass keine Teilchenwechselwirkungen zwischen ihnen stattfinden können, wie wir zuvor vorgeschlagen haben! Die Erklärung "Licht ist ein Teilchen" ist definitiv ausgeschlossen.

2. Schauen Sie andererseits auf den Bildschirm, nachdem jedes Photon emittiert wurde: Sie werden kein sehr, sehr schwaches Beugungsmuster finden, wie wir spekuliert haben. Überraschenderweise, unglaublich, werden wir diskrete Treffer finden ! Die Erklärung "Licht ist eine Welle" ist definitiv ausgeschlossen , da ein emittiertes Photon eher einem Treffer auf dem Bildschirm entspricht als einem sehr schwachen Muster.

Wenn also „Teilchen“ und „Welle“ keine guten Beschreibungen von Licht sind, was dann? Die Antwort muss zwangsläufig lauten: eine neue Objektklasse, die weder ein Teilchen noch eine Welle ist, sondern ein völlig neues Konzept: ein Quantenteilchen . Eine Wellenfunktion, die alle Informationen enthält, die es über das Teilchen gibt, und einen Mechanismus, der beschreibt, wie unsere "Observablen" (Position, Impuls, Spin, Polarisation usw.) mit dieser Wellenfunktion zusammenhängen. All das "seltsame" Verhalten folgt daraus. Es entspricht auch nicht unserer Intuition, wie sich Teilchen oder Wellen verhalten.

Dies ist nur der Ausgangspunkt. Wenn Sie lernen möchten, wie der Rest der Quantenmechanik von hier aus folgt, und die physikalischen Aspekte von QM wirklich verstehen möchten, empfehle ich Ihnen wärmstens Kapitel 1 von „Quantum Mechanics“ von Cohen-Tannoudji et al .