Wenn ein Photon wirklich durch beide Schlitze (gleichzeitig) geht, warum können wir es dann nicht an beiden Schlitzen (gleichzeitig) nachweisen?

Stellen Sie sich das so vor: Ein Photon ist das Detektionsereignis. Wenn es nur ein Photon gibt, gibt es nur ein Detektionsereignis. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung von Detektionsereignissen ist der Wellenfunktion des Photons zugeordnet.

Wenn das Photon wirklich durch beide Schlitze (gleichzeitig) geht, warum können wir es dann nicht an beiden Schlitzen (gleichzeitig) nachweisen?

Okay, lass uns ein paar Wortspiele spielen:

Dies ist keine klar definierte Frage. „Ein Teilchen entdecken“ bedeutet in der Quantenmechanik nichts. Quantenmechanische Messungen sind immer Messungen bestimmter Observablen . Es gibt keinen ganzheitlichen Akt des "Beobachtens aller Eigenschaften eines Systems auf einmal" wie in der klassischen Mechanik - eine Messung ist immer spezifisch für die von ihr gemessene Observable, und die Messung verändert unwiderruflich den Zustand des gemessenen Systems.

Die Leute verwenden oft „ein Teilchen erkennen“ als Abkürzung für „eine Positionsmessung eines Teilchens durchführen“. Per Definition hat eine Positionsmessung als Ergebnis eine einzige Position und interagiert mit dem Zustand des zu messenden Teilchens, so dass es sich jetzt wirklich in dem Zustand befindet, in dem es sich an dieser einzigen Position befindet, und nirgendwo sonst. Wenn Sie also Positionsmessungen durchführen könnten, die beide Spalte als Position des Teilchens ergeben, würde dies bedeuten, dass Sie eine unmögliche Leistung vollbracht haben – es gibt jetzt zwei Teilchen, die sich jeweils an einem Spalt befinden, und nur an diesem Spalt. Die Quantenmechanik mag seltsam sein, aber es ist hoffentlich klar, dass sie nicht so seltsam ist – wir können ein Teilchen nicht aus dem Nichts duplizieren, indem wir es einfach messen.

Wenn Sie nicht darauf bestehen, dass "detektieren" "eine Positionsmessung durchführen" bedeutet, dann ist der Standard-Doppelspaltaufbau natürlich eine "Detektion" des Photons an beiden Spalten - das Muster auf dem Bildschirm ist nur durch die Wellenfunktion des Teilchens erklärbar beide Schlitze passieren und mit sich selbst interferieren. Dies ist natürlich nur eine indirekte Argumentation - es gibt einfach keine Observable, deren Eigenzustände naiverweise "wir haben das Photon an beiden Schlitzen gleichzeitig nachgewiesen" entsprechen würden.

Schließlich scheinen Sie "Interaktion" mit "Messen" oder "Erkennen" zu verwechseln. Natürlich können wir mit dem Teilchen an beiden Schlitzen interagieren – wir können einfach keine Positionsmessungen (oder andere „Welche-Wege“-Messungen) an beiden Schlitzen durchführen und erwarten, dass sie das unmögliche Ergebnis der zweigeteilten Teilchen liefern. Aber wenn Sie sich anspruchsvollere Anordnungen wie die Quantenlöscher ansehen, gibt es sicherlich eine Wechselwirkung mit dem Teilchen an beiden Schlitzen - nur sorgfältig eingerichtet, um das Interferenzmuster nicht zu zerstören und daher keine brauchbaren Informationen zur Richtung zu erhalten.

Wir haben bereits viele Antworten erhalten (weil dieses Problem sie dazu einlädt ), aber lassen Sie mich eine weitere Möglichkeit anbieten, darüber nachzudenken. (Soweit ich das beurteilen kann, ist dies die Interpretation der Quantenmechanik, die dem Punkt, den ich machen werde, am nächsten kommt. Wie @PedroA unten anmerkt, ist das Folgende von der Interpretation abhängig.)

Wenn das Photon wirklich durch beide Schlitze (gleichzeitig) geht, warum können wir es dann nicht an beiden Schlitzen (gleichzeitig) nachweisen?

Ich denke, Sie stellen sich vor, dass wir als Wissenschaftler mit unserem Detektor ein klassisches System sind, das ein separates quantenmechanisches untersucht. Zum quantenmechanischen Aufbau gehört aber auch das gesamte Experiment, einschließlich des Detektors und wer ihn inspiziert. Unsere Überlagerung besteht nicht nur aus dem Photon, das durch den Schlitz geht$1$und sein durchgehender Schlitz$2$; es geht darum, dass wir das eine entdecken und wir das andere.

Aus der Sicht Gottes (falls es so etwas gibt) sind wir zwischen der Bekanntgabe des einen Ergebnisses und der Bekanntgabe des anderen überlagert. Wir befinden uns nicht außerhalb eines quantenmechanischen Systems mit einer solchen Gottesperspektive und sehen daher nicht die Gesamtheit der Überlagerung. Daher sehen wir nur ein Ergebnis, nicht etwas von beidem.

Sie fragen nach einer sinnvollen Antwort.

Die Quantenmechanik wurde nicht entworfen, um Sinn zu machen. Es wurde entwickelt, um richtige Antworten zu erhalten. Sie können nicht erwarten, dass es Sinn macht. Dafür ist es nicht da.

Wenn Sie eine Geschichte wollen, die Sinn macht (aber vielleicht falsch ist), hier ist eine: Licht, das durch den Weltraum reist, verhält sich genau wie eine Welle. Es ist überhaupt kein Problem, wenn eine Welle gleichzeitig durch zwei Schlitze geht. Das verschwindet einfach.

Unsere Methoden zur Lichtdetektion sind alle quantisierte Methoden. Licht verändert einen Kristall auf einem fotografischen Film. Oder es löst eine Photomultiplier-Röhre aus. usw. Sie geben alle eine quantisierte Detektion. Wenn Sie möchten, dass ein Detektor Ihnen die Amplitude der Welle mitteilt, benötigen Sie etwas, das so viele quantisierte Messungen durchführt, dass sie sich zu etwas mitteln, das kontinuierlich erscheint.

Da die Messungen quantisiert sind, wird QM natürlich quantisierte Ergebnisse vorhersagen. Das sollte es tun, wenn es richtige Antworten erhalten soll. Es wird Antworten erhalten, die mit den Daten kompatibel sind.

Es könnte einige Seltsamkeiten geben, wie Licht mit Atomen interagiert. Diese wirken sich auf die Daten aus. Aber es gibt keine bekannten Verrücktheiten in Bezug auf Licht, das durch den Weltraum wandert, es ist alles vollständig kompatibel mit Licht, das als Welle wandert.

Bei der QED geht es teilweise darum, Licht als Quantenteilchen zu beschreiben, die sich genau wie Wellen verhalten. Es gibt viel Geschwätz über Wahrscheinlichkeitsfunktionen usw. Es ist einfacher und einfacher, es einfach als Welle zu beschreiben, aber QED bekommt auch die richtigen gemessenen Antworten.

Ja, das können wir, aber die Detektoren sollten die Kohärenz nicht vollständig zerstören. Wenn nicht, ist das Interferenzmuster verschwunden. Beispielsweise sollten zwei parallele Polarisationsfilter die Interferenz nicht zerstören.

Kann das Photon an beiden Schlitzen nachgewiesen werden, natürlich nicht, es kann nicht einmal an einem Schlitz nachgewiesen werden ... es wird nur nachgewiesen, wenn die EM-Feldenergie zusammenbricht und ein Elektron anregt .... die Wissenschaft kann heute nicht erkennen, wann ein Photon ist geht nah an einem Elektron (in einem Spalt) vorbei und stört es vielleicht irgendwie. Warum kümmert es Sie überhaupt, ob ein Photon durch den einen oder den anderen Schlitz geht? ... Sie interessieren sich, weil Sie versuchen, dieses mysteriöse Muster zu erklären, das auf dem Bildschirm erscheint, und Ihnen wurde gesagt, dass es auf "Interferenzen" zurückzuführen ist. Historisch wurde es als "Interferenz"-Muster beschrieben, da das Muster sehr ähnlich wie eine Wasserwelleninterferenz aussah. (Und natürlich ist dies die Grundlage für die beschriebene Wellennatur des Lichts.

Aber es gibt 2 Aspekte, die Sie im modernen Denken beachten sollten, 1) Feynman erlaubte Pfade und 2) Photonenwellenfunktion. 1) Feynman griff das gleiche Problem an, das Sie angreifen, und sein letztendlicher Beweis war, dass Photonen das n-fache ihrer Wellenlänge zurücklegen mussten ... ähnlich wie die Länge einer Gitarrensaite nur eine Note (oder Frequenz) spielen kann und auch ähnlich wie bei einem Laserresonator, bei dem sich Photonen nicht auf dem gewünschten Weg ausbreiten, wenn die Abmessungen nicht korrekt sind. (Beachten Sie, dass die Feynman-Erklärung auch die Beobachtungen in Einzelphotonenexperimenten berücksichtigt.) 2) Da John Renee hervorhebt, dass das Photon delokalisiert ist und er sogar ausdrückt, dass das Photon eine unscharfe Kugel ist, ist dies die in Worten beschriebene Photonenwellenfunktion. Um die Beschreibung weiter zu führen, können wir sagen, dass die Kugel mit Lichtgeschwindigkeit größer und größer wird, bis das "empfangende" Atom gefunden wird und (durch Wahrscheinlichkeit und QM) entscheidet, dass es die gesamte Energie aufnehmen wird. An diesem Punkt kollabiert die Kugel und die gesamte Energie geht zum "empfangenden" Atom über. Vielleicht könnte man argumentieren, dass die Fuzzy-Kugel ein großes virtuelles Photon ohne Energie war und dass das echte Photon dorthin geht, wo die ganze Energie hingeht und es den besten Weg zum empfangenden Atom nimmt, wer weiß.

Feynman hat gezeigt, dass das Photon nicht durch 2 Schlitze gehen muss, um eine wellenähnliche "Interferenz" -Eigenschaft zu haben, er hat gezeigt, dass Licht eine Welle ist, weil es sich auf harmonischen Pfaden bewegt, dh der zurückgelegte Pfad hängt vom Photon ab Energie/Wellenlänge. Die Photonenwellenfunktion (John Rennie) sagt uns, dass das Photon überall nach einem Weg sucht ... und schließlich zu einem einzelnen Atom/Elektron zusammenbricht. Abschließend würde ich sagen, dass beide Antworten richtig sind ... es geht durch 1 Schlitz und beide Schlitze !! ... aber es ist bis zum Bildschirm nicht nachweisbar.

Erster Versuch: Wir alle wissen, dass wenn wir nur einen Schlitz blockieren, es definitiv nur durch einen von ihnen gehen würde.

Das einzige, was Sie tun können, um zu wissen, dass in gewisser Weise postuliert werden kann, dass ein Photon zu einem bestimmten Zeitpunkt durch verschiedene Schlitze geht, ist, wenn Sie den 2. Schlitz freigeben.

Wenn Sie erkennen und wissen, dass es an den Schlitzen vorbeigegangen ist, haben Sie nur Dekohärenz verursacht und es wird nicht mehr überlagert.

Man kann sich darüber noch verrückter machen, muss es aber nicht. Sie werden nicht mehr Beweise erhalten als nur das Auftreten des Interferenzmusters, es spricht ziemlich viel dafür, was Sie beweisen möchten, dass es in der Realität auftritt :)

PS:

Sie müssen nicht messen. Sie können einen beliebig langen Zeitraum zwischen jedem emittierten Photon haben und Jahre später zurückkommen, um ein Streudiagramm zu finden, das zu einem Interferenzmuster auf dem Bildschirm konvergiert. Bevor genügend Zeit vergeht, damit das Mod-Quadrat tatsächlich den Bildschirm erreicht, wird es nicht interagieren (mit dünner Luft). Sobald es den Bildschirm erreicht, wird eine Interaktion in Übereinstimmung mit der laufenden Erwartung des Quadrats des Mods stattfinden.

Das Photon geht durch beide Spalte

Denken Sie daran, dass dies wirklich nur die engste Annäherung an das ist, wofür wir Sprache haben. Nichts kann an zwei Orten gleichzeitig existieren, daran ändert auch QM nichts.

Es macht jedoch einige Dinge mit Wahrscheinlichkeit und Unsicherheit, die wir wirklich nur als "total seltsam" bezeichnen können.

Meiner sehr unbescheidenen Meinung nach ist es am besten, sich eine Wahrscheinlichkeitswellenform vorzustellen, die selbst wandert - ähnlich wie jede andere Welle. Sie könnten zum Beispiel berechnen, dass es eine 50-50-prozentige Chance hat, durch einen der Schlitze zu gehen. Dann interferieren nach den Schlitzen die Wahrscheinlichkeitswellen und erzeugen das bekannte Interferenzmuster.

Wenn Sie stattdessen das Photon messen, ist es so, als ob Sie es von diesem bestimmten Ort emittiert hätten (da Sie wissen, wo sich das Photon befindet und Sie keine Wellenform mehr haben), wodurch eine einfache Normalverteilung erzeugt wird.

Beachten Sie, dass dies NICHT genauer ist, als anzugeben, dass es sich an zwei Orten gleichzeitig befindet (zumindest soweit mir bekannt ist). Aber es ist eine Art, darüber nachzudenken, die ein mentales Bild erzeugt, das im Grunde genauso genau ist.

Wenn das Photon wirklich durch beide Schlitze (gleichzeitig) geht, warum können wir es dann nicht an beiden Schlitzen (gleichzeitig) nachweisen?

Nimmt man Feynmans Viele-Wege-Theorie (Wegintegral) der QM ernst, die in der Quantenfeldtheorie verwendet wird, gibt es Hinweise darauf, dass das Teilchen nicht nur durch die beiden Schlitze geht, sondern tatsächlich jeden möglichen Weg nimmt. Das bedeutet, dass ein Teil seines „Weges“ darin besteht, die Sonne und dann den Jupiter zu umrunden und zur Erde zurückzukehren, um einen Blip auf einem Bildschirm zu machen. Nehmen Sie alle anderen möglichen Pfade, die Sie sich vorstellen können, addieren Sie sie, und das ist der Teilchen-"Pfad". In diesem Sinne ist ein definierter Pfad eine sehr klassische Idee.

Denken Sie stattdessen an Wahrscheinlichkeiten, sich an verschiedenen Orten aufzuhalten.

Lassen Sie uns Ihr Gedankenexperiment modifizieren und darüber nachdenken, was passiert, wenn wir 1 Detektor hinter den linken Schlitz stellen. Sobald dieser eine Detektor hinzugefügt wird, verschwinden die Interferenzmuster. Wir erhalten klassische Ergebnisse (vielleicht Einzelspalt, da bin ich mir nicht sicher) sowohl in unserem Detektor als auch in unserer Originalleinwand, die die rechte Seite erfasst. Sobald wir überhaupt versuchen zu erkennen, durch welchen Spalt es geht, greift die QM auf klassische Ergebnisse zurück, die konkrete Antworten darauf geben, welche Seite das Teilchen durchquert hat. An diesem Punkt ging es nicht durch beide, es ging als klassisches Teilchen durch eines.

Warum, wissen wir nicht wirklich. Siehe hier für ein aktuelles Experiment, das versucht, dies zu beantworten. https://phys.org/news/2011-01-which-way-detector-mystery-double-slit.html

Die Quantenmechanik ist ein Werkzeug zur Beantwortung von Fragen. Sie stellen ihm eine Frage, indem Sie ein Experiment aufbauen und eine Messung durchführen. Es beantwortet diese Frage, und nur diese Frage.

Wenn Sie eine Lichtquelle, zwei Schlitze und einen Bildschirm aufbauen und die Blitze auf dem Bildschirm beobachten, dann stellen Sie sich die Frage: „Wie hängt die Wahrscheinlichkeit der Ankunft eines Photons von der Position auf dem Bildschirm ab?“. Wiederholen Sie dies mit genügend Photonen und ein Muster baut sich auf dem Bildschirm auf.

Dieser Aufbau kann Ihnen nichts über den Weg des Photons von der Lichtquelle zum Bildschirm sagen oder ob das Photon überhaupt zwischen ihnen existiert. Wenn Sie den Pfad untersuchen möchten, erstellen Sie ein anderes Experiment mit Bildschirmen entlang des Pfads, von denen Sie glauben, dass sie beteiligt sein könnten, und wenn es Blitze gibt, haben Sie eine Antwort auf die Frage „War es hier?“. Was Sie nicht haben werden, ist ein Interferenzmuster auf dem Bildschirm, denn das war ein anderes Experiment, ohne die Zwischenbildschirme, eine andere Frage.

Warum antwortet QM nicht immer wo es ist? Wir wissen es nicht. Wir waren bisher nur schlau genug, um eine Theorie zu erstellen, die Ihnen sagt, was bei der Messung passiert. Es ist eine gute Theorie, sie funktioniert außerordentlich gut, wofür sie funktioniert.

Gibt es die Wahrscheinlichkeit einer tieferen Theorie, die Ihnen sagen kann, was vor einer Messung passiert? Ich weiß nicht. Ich bin ziemlich fasziniert von Lee Smolins ereignisbasierter Welt, in der Zeit real ist, aber Distanz ein auftauchendes Phänomen ist, was Verstrickungen auf eine ziemlich überwältigende Weise erklärt.

Wenn das Photon wirklich durch beide Schlitze (gleichzeitig) geht, warum können wir es dann nicht an beiden Schlitzen (gleichzeitig) nachweisen?

Das Photon "geht durch beide Schlitze" ist nicht wirklich eine Beschreibung, mit der ich mich wohl fühle. Ein Photon ist ein quantisiertes Potential, um einen Effekt hervorzurufen. Seine räumliche Existenz ist in Form/Funktion einer Welle beschreibbar, die dem Doppelspaltaufbau ausgesetzt ist. Diese Wellenfunktion ist räumlich ausgebreitet, kann aber in ihrem Bereich nur einen einzigen quantisierten Effekt hervorrufen.

Grundsätzlich kann also die Natur von Quantenteilchen durch Wellenfunktionen beschrieben werden, aber ihre Wechselwirkungen sind diskret: Die Welle interagiert als Ganzes oder gar nicht.

Jede "Erkennung" beruht auf einem Effekt, und ein Effekt verbraucht das Photon.

Photon geht durch einen Schlitten, seine Wellenfunktion geht durch beide.