Eine kurze Geschichte der Quantenalternativen

Published on May 25, 2018

Eine kurze Geschichte der Quantenalternativen

Ursprünglicher Autor: Lee Phillips
  • Übersetzung

«Копенгагенская» квантовая механика говорит, что реальность не существует, пока она не измерена, поэтому многие продолжают искать альтернативы этой интерпретации



1915 entwickelte Albert Einstein mit Hilfe seiner Freunde die Gravitationstheorie , die alles veränderte, was wir als Grundlage der physischen Realität betrachteten. Die Vorstellung, dass der Raum, den wir bewohnten, nicht perfekt durch die euklidische Geometrie beschrieben werden konnte, war unverständlich; so sehr, dass der Philosoph Immanuel Kant, in vielerlei Hinsicht ein radikaler Denker, erklärte, keine physikalische Theorie könne damit fertig werden.

Später wies der Physiker Werner Heisenberg auf die Bedeutung von Kants Fehler hin. Der große Philosoph postulierte, dass unser intuitives Verständnis der alten Geometrie von Euklid bedeutete, dass es die notwendige Grundlage der physischen Realität war. Tatsächlich stellte sich heraus, dass dies falsch war und das gesamte philosophische System Kants in Frage stellte.

Trotz eines radikalen Bruches mit früheren Vorstellungen von Raum und Zeit verschmolzen Einsteins Theorien bald mit Newtons Vorstellungen als Teil der " klassischen Physik ". Die Menschheit war dazu gezwungen, weil die Revolution des wissenschaftlichen Denkens so tiefgreifend war, dass sie in der Geschichte der Wissenschaft ein helles Zeichen setzte: die Entwicklung der Theorie der Quantenphysik.

Was kann man eine tiefere wissenschaftliche Revolution nennen als die allgemeine Relativitätstheorie? Was könnte eine tektonische Verschiebung hervorrufen, die mächtiger ist als die Vorstellung, dass Raum und Zeit selbst von Materie gebogen werden?

Um dies zu verstehen, müssen wir zuerst versuchen zu verstehen: Dies ist die Eigenart der Quantenmechanik. Sobald wir uns in der Quantenwelt unwohl fühlen, werden wir verstehen, warum Physiker nach ihrem Auftritt versucht haben, Alternativen zum CM zu schaffen - Alternativen, die die gleichen fantastischen Übereinstimmungen mit Experimenten wiedergeben und gleichzeitig einen Teil des klassischen Kerns bewahren ein intuitives Verständnis, wie sich die Natur verhalten sollte .

Alles was du weißt ist falsch


Unser tiefes intuitives Verständnis der Natur der Realität entsteht durch Beobachtung und Interaktion mit der Welt um uns herum, beginnend mit der Kindheit. Noch bevor wir es ausdrücken können, beginnen wir, die kausalen Zusammenhänge zu verstehen. Die Ursache eines Ereignisses ist ein anderes Ereignis, das aufgetreten ist. Die Welt ist vorhersehbar.

Später werden wir anspruchsvoller. Wir erkennen an, dass unser Verständnis der Ursachen begrenzt ist und wir uns der Unsicherheit ihrer Folgen bewusst sind. Vielleicht studieren wir sogar Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik und lernen, die Grenzen unseres Wissens in mathematischer Form auszudrücken. Wir glauben jedoch, dass dies nur unsere Grenzen sind und dass die Natur hinter den Kulissen unsichtbar weiterhin die genauen Regeln von Ursache und Wirkung anwendet. Wenn wir eine Münze werfen, lässt nur der Mangel an Informationen über die Bewegung der Münze und der Luft uns sagen, dass die Wahrscheinlichkeit eines fallenden Adlers gleich einer Sekunde ist. Wir gehen davon aus, dass wir uns nicht auf Wahrscheinlichkeiten verlassen müssten , wenn wir alle Details wüssten und einen ausreichend großen Computer hätten, um die Berechnungen durchzuführen.

Eine solche „realistische“ Sicht der Dinge kann jedoch die harten Daten, die bei Experimenten mit Photonen und anderen subatomaren Partikeln erhalten wurden, nicht überleben (und überlebte sie auch nicht). Es waren nicht die Physiker, die sich aufgrund ihrer hartnäckigen Unbeugsamkeit dazu entschlossen haben, eine Theorie zu entwickeln, die unseren wertvollsten intuitiven Wahrnehmungen über die Realität widersprach: Tatsächlich sind dies die Ergebnisse von Experimenten, die sich hartnäckig weigerten, klassischen Interpretationen zu entsprechen. Die Erfindung des Quantenformalismus war ein Akt der Verzweiflung - der einzige, der sich als funktionierend herausstellte. Wenn wir uns durch Fragen beschränken, die von der Quantentheorie zugelassen werden, werden wir mit den richtigen Antworten belohnt. Aber wenn wir weiterhin versuchen, mit Hilfe der Konzepte der klassischen Welt zu verstehen, was die Theorie uns sagt, werden wir verwirrt sein.

Als Physikstudent sah ich eine Trainingsdemonstration, die es mir ermöglichte, einen kurzen Blick auf die unsichtbare Verrücktheit der Welt um uns herum zu werfen. Sie können diese Erfahrung zu Hause wiederholen, indem Sie nur eine Taschenlampe oder einen Laserpointer sowie drei Polarisationsfilter verwenden (Sie können auch eine Brille aus zerbrochener Sonnenbrille mit Polarisation verwenden). Ordnen Sie die beiden Filter in einer Reihe an und lassen Sie einen Abstand zwischen ihnen. Führen Sie das Licht durch dieses Paar und drehen Sie einen Filter, bis das Licht aufhört zu gehen; Die Achsen ihrer Polarisation wurden senkrecht. Setzen Sie nun den dritten Filter zwischen die ersten beiden ein. Sie werden sehen, dass das Licht diese Konstruktion durchläuft: Durch Hinzufügen eines zusätzlichen Filters kann das Licht durchgelassen werden.

Diese Demonstration war Teil des Einführungsteils des Kurses über Quantenmechanik. Einige Wochen lang waren wir in den Formalismus der Quantentheorie vertieft, aus dem dieses scheinbar paradoxe Verhalten als triviale Konsequenz hervorgeht.

Es gibt Leute, die behaupten, dass es hier kein Paradoxon gibt und dass ein solches Verhalten mit dem klassischen Ansatz erklärt werden kann. Und in gewissem Sinne sind sie absolut richtig. Die Ergebnisse der Desktop-Demonstration, die bereits mit der klassischen Physik vertraut sind, scheinen jedoch aus dem Quantenformalismus zu stammen. Und es bedeutet etwas.


Doppelspaltexperiment mit Elektronen.

Wissenschaftler der ersten Jahrzehnte des letzten Jahrhunderts sahen sich viel erstaunlicheren und unerklärlicheren Ergebnissen von Experimenten gegenüber. Erwähnen Sie oft das oben gezeigte Experiment mit zwei Slots. Wenn wir dieses Experiment mit Elektronen oder Photonen durchführen, erhalten wir die gleichen Ergebnisse: Das Interferenzmuster, als ob zwei Wellen, die sich gegenseitig stören, aus zwei Schlitzen auftauchen. Dies zeigt, dass Licht eine Welle ist und selbst Teilchen mit einer Masse wie Elektronen sich unter solchen Bedingungen wie Wellen zu verhalten scheinen.

Das Experiment kann auf zwei merkwürdige Arten geändert werden. Erstens, wenn wir die Emissionsfrequenz von Partikeln (Photonen, Elektronen oder sogar ganzen Molekülen) verlangsamen, so dass jeweils nur ein Partikel durch die Schlitze gelangt, ändert sich das Ergebnis nicht. Dies sollte bedeuten, dass das Partikel in zwei Teile geteilt wird, beide Schlitze passiert und mit sich selbst interagiert! Zweitens verschwindet das Interferenzmuster und wird durch ein Muster ersetzt, das zu erwarten ist, wenn es sich bei den Partikeln um gewöhnliche Partikel ohne Welleneigenschaften handelt: nur zwei symmetrische Verteilungen. zentriert auf jedem der Schlitze.

Es war schwierig, eine Theorie zu finden, die die Ergebnisse erklärt und für alle geeignet ist. Es schien, als hätten Photonen oder Elektronen manchmal beschlossen, sich wie Wellen und manchmal wie Teilchen zu verhalten, je nachdem, was der Experimentator betrachten wollte.

Dann wurde alles noch seltsamer. Die Technologien haben sich dahingehend weiterentwickelt, dass wir entscheiden können, welche Art von Messung danach durchgeführt wirdwie das Teilchen seine Reise begann. Die Ergebnisse solcher Experimente mit einer "verzögerten Auswahl" blieben gleich. Wenn wir sehen, in welche Richtung sich das Teilchen bewegt hat, wird die Störung zerstört. Wenn wir uns sozusagen abwenden, kehrt das bekannte Interferenzmuster zurück. Trotzdem musste sich das Partikel „entscheiden“, ob es sich als Partikel oder als Welle verhält, bevor es die Schlitze passiert und die endgültige Konfiguration des Experiments erstellt.

Die Ergebnisse von Experimenten mit einer verzögerten Wahl zwangen nicht einen Physiker anzunehmen, dass Informationen über die Wahl des Verhaltens eines Partikels oder einer Welle in der Zeit zurückgesendet werden, beginnend mit dem Zeitpunkt der Wahl, zu dem das Partikel das Gerät durchläuft. Die Tatsache, dass diese Annahme mit größtmöglicher Ernsthaftigkeit diskutiert wurde, sollte Ihnen eine Vorstellung davon geben, wie schwierig es war, die Ergebnisse von Experimenten in der Mikrowelt mithilfe einer Reihe von Konzepten (z. B. Kausalität ) zu erklären, die unseren realistischen Weltanschauungen entnommen wurden. Die Erklärung mit einer Rückkehr in die Vergangenheit dauerte bis zu einem Moment, als ein Experiment durchgeführt wurdemit langsamen und kalten Heliumatomen in einem ähnlichen Muster. Atome durchliefen die Installation nur unter Einwirkung der Schwerkraft, daher verging zwischen dem Zeitpunkt des Durchlaufens und der Wahl der Beobachtungsmethode eine beträchtliche Zeit. Obwohl Physiker einige sehr schnelle subatomare Prozesse manchmal als eine begrenzte Form der Zeitreise bezeichnen, machte die lange Dauer von Experimenten mit Helium die Existenz einer solchen Erklärung unmöglich.

Was haben wir noch? Die Ergebnisse dieser und vieler anderer Experimente sind mit traditionellen Konzepten, die auf der Realität basieren, einfach nicht zu beschreiben: dass Objekte mit einer bestimmten Menge von Eigenschaften existieren; dass, wenn wir uns entscheiden, eine separate Eigenschaft nicht zu messen, sie immer noch eine Bedeutung hat. Die Physiker hatten lange vor der Quantenrevolution Erfahrungen mit Unsicherheit gemacht, aber diese Unsicherheit war völlig anders. Es war die Unsicherheit des Wissens , die eine unbekannte, aber existierende Ebene deterministischer Realität impliziert, die wir direkt wahrnehmen.

Wenn wir all diese Konzepte verwerfen, die für unser Verständnis der Welt so grundlegend sind, wie ersetzen wir sie dann? Schließlich sind sie nicht nur ein intuitiver Bestandteil unserer alltäglichen Erfahrung, sondern dienen auch als Grundlage für andere Bereiche der Wissenschaft.

Was wir nicht sehen


Im neunzehnten Jahrhundert führte der Determinismus auf mikroskopischer Ebene zum ersten großen Erfolg des probabilistischen Denkens in der Physik: der kinetischen Theorie der Gase. Es basierte auf der alten Idee, dass Materie aus einer riesigen Anzahl einfacher Atome besteht, die sich wie submikroskopische Ping-Pong-Bälle abstoßen. Dank einiger einfacher Annahmen sowie eines guten Anteils der Mathematik, die die kinetische Theorie begründete, gelang es den Wissenschaftlern, die bekannten Gesetze der Thermodynamik als Durchschnittswerte des Verhaltens idealer Atome abzuleiten. Die kinetische Theorie hat gezeigt, wie die Phänomene, die wir beobachten, aus dem durchschnittlichen Verhalten einer Vielzahl von Prozessen entstehen können, die wir nicht direkt beobachten können. Trotzdem handelten diese gemittelten Verhaltensweisen nach den bekannten deterministischen Gesetzen der klassischen Mechanik - die ganze Theorie basierte darauf.


Teilchen, die die Brownsche Bewegung zeigen.

Selbst im 20. Jahrhundert glaubten viele Wissenschaftler nicht an die Realität der Atome. Der Wendepunkt war Einsteins Artikel über die Brownsche Bewegung, der 1905 veröffentlicht wurde. Es wurden statistische Überlegungen angestellt, die zeigten, dass die chaotischen Bewegungen von in Wasser suspendierten Pollenteilchen durch Beschuss mit einem unsichtbaren Teilchensatz erklärt werden können.

Einstein erhielt seinen Nobelpreis nicht für diese Arbeit und nicht für einen anderen Artikel von 1905, in dem er das Relativitätskonzept E = mc 2 einführte . Der Preis wurde ihm für eine weitere Arbeit verliehen, die im selben Jahr veröffentlicht wurde und dem fotoelektrischen Effekt gewidmet ist. Diese Veröffentlichung löste ungewollt einen Prozess aus, der zum Zusammenbruch unserer klassischen Realität führte.

Die Auszeichnung, die Einstein einen Artikel einbrachte, erklärte viele mysteriöse Ergebnisse von Experimenten zur Wechselwirkung von Licht und Materie. Es wird postuliert, dass Licht durch diskrete Energiemengen, die als Quanten bezeichnet werden, von der Materie absorbiert und emittiert wird . Diese Arbeit war die Geburtsstunde der Quantenphysik - und dieses Kind von Einstein begann sich in eine Richtung zu entwickeln, die sogar seinen eigenen Vater irritierte.

In den nächsten zwei Jahrzehnten explodierte die experimentelle Forschung auf dem neuen Gebiet der Atomphysik und -chemie. Das Elektron wurde aus den Fesseln des Atoms befreit und begann direkt damit zu experimentieren. Noch merkwürdigere Phänomene traten in den Ergebnissen von Experimenten auf, eine Reihe unvollständiger Theorien und Modelle, mathematische Interpretationen zur Beschreibung der Mikrowelt erschienen. Allmählich kam alles zusammen und die Physiker konnten endlich die experimentellen Ergebnisse vorhersagen. Dies erforderte jedoch eine ungewöhnliche, abstrakte mathematische Struktur und ein Regelwerk, das sich auf die gemessenen Aspekte der Natur bezog, nämlich die Quantenmechanik. (Diese Geschichte wird in einem sehr gut geschriebenen Buch von David Lindley erzählt ).

In der dritten Dekade des 20. Jahrhunderts akzeptierten fast alle Wissenschaftler die Realität von Atomen und sogar kleineren Teilchen. Aber sie stellten sie als unsichtbare winzige Versionen bekannter Objekte dar: Planeten, Billardkugeln und Sandkörner wurden zum Vergleich herangezogen. Die meisten Wissenschaftler, die nicht zu dem kleinen Kreis gehörten, der die neue Theorie begründete oder verstand, gingen davon aus, dass es sich um eine andere Version der kinetischen Theorie der Gase handelte. Und heute denken die meisten Menschen wahrscheinlich ähnlich: Atome und andere Bestandteile der Mikrowelt mögen exotische Eigenschaften haben und seltsamen mathematischen Regeln folgen, aber zumindest nehmen sie an der uns bekannten Realität teil. Die Quantenmechanik behauptet jedoch das Gegenteil.

Eine der Schlüsselfiguren in seiner Entwicklung ist Niels Bohr (mit maßgeblichem Einfluss von Max Born und Werner Heisenberg), der auch eine der merkwürdigsten Figuren in der Geschichte der Physik war. Bohr war ein Physiker und Philosoph, der seine Kollegen ermüdete, indem er lange, detaillierte, manchmal unverständliche Sätze aussprach. Zwar kannte er die Theorie zweifelsohne perfekt und war dafür bekannt, einige Rätsel im Anfangsstadium des Studiums der Atome zu lösen, aber er zog es oft vor, Gleichungen mit lockeren, ziellosen Gesprächen zu manipulieren. Er bestand auf der Notwendigkeit, die Bedeutung von allem zu verstehen . (Seine Suche nach Bedeutung wurde von einigen der anderen Pioniere der Quantenphysik nicht geteilt, da sie bereits mit der Forschung begonnen hatten und den Ansatz „Halt die Klappe und berechne!“ Gestanden hatten .)


Das Wappen von Niels Bohr.

Teilweise inspiriert von der Theorie der Physik, die er mitentwickelte, begann Bohr allmählich, ihre mystische Seite zu entwickeln, und fügte seinem Wappen sogar das Yin-Yang-Symbol hinzu.

Dieses erste Verständnis oder die Interpretation der Quantenmechanik wurde später als "Kopenhagener Interpretation" zu Ehren der Bohr-Universität bekannt. Es ist immer noch die Standardansicht der Quantenmechanik, obwohl es keine formale Definition gibt. Es handelt sich vielmehr um eine Reihe allgemein anerkannter praktischer Regeln, die sich auf diejenigen Teile der Theorie beziehen, die im Labor beobachtet werden können. Sie können auf verschiedene Arten formuliert werden; Hier ist eine der Versionen, die das moderne Verständnis der Hauptaspekte widerspiegeln:

  • Der Zustand (Position, Impuls usw.) eines Systems wird vollständig durch seine „Wellenfunktion“ bestimmt - ein mathematisches Objekt, das gemäß den Gleichungen der Quantenmechanik deterministisch transformiert wird. Die Wellenfunktion kann nicht direkt beobachtet werden. Dies gibt uns jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass wir das System zum Zeitpunkt der Messungen in einem bestimmten Zustand vorfinden. Solche "Systeme" können Elementarteilchen sein, zum Beispiel Elektronen und Protonen, Atome oder sogar große Moleküle. Während der Messung werden die Wellenfunktion und ihre Wahrscheinlichkeiten auf den gemessenen Wert „verschärft“.
  • Es gibt keine andere „Realität“ als die Berechnung von Wahrscheinlichkeiten. Es gibt keine darunter liegende Ebene des Determinismus; Es gibt keine versteckten Mechanismen, die aufzeichnen, was vor der Messung gemessen wird. Diese Wahrscheinlichkeiten spiegeln nicht den Mangel an Wissen wider, wie in der klassischen statistischen Physik, weil es nichts gibt, über das Sie wissen können. Es gibt nur eine Chance.
  • Was gemessen werden kann, unterliegt grundsätzlichen Einschränkungen, die durch Unsicherheitsrelationen beschrieben werden: Bestimmte Größenpaare können gleichzeitig mit einer bestimmten Genauigkeit gemessen werden (Beispiele sind Positionsimpuls und Zeit-Energie). Es hat nichts mit Technologien oder Methoden zur Durchführung von Experimenten zu tun. Diese Einschränkungen sind Teil der Natur und können nicht vermieden werden.

Die Kopenhagener Interpretation kommt mit all den Komplikationen, die mit solchen Phänomenen wie den oben beschriebenen Experimenten einhergehen, mit einer verzögerten Auswahl gut zurecht. Es ist nicht nötig, mysteriöse Signale in die Vergangenheit zu senden oder komplexe Theorien zu entwickeln, um unsere Vorstellungen von der Realität zu bewahren. Wir müssen nur diese Ideen aufgeben und die Tatsache akzeptieren, dass Eigenschaften nicht unabhängig von ihrer Messung existieren. Werte werden erst dann real, wenn sie gemessen werden, und die Quantenmechanik sagt uns, dass es sich nur um Wahrscheinlichkeiten verschiedener Realitäten handelt.

Kein Ausweg?


Die Implikationen der Quantenmechanik sind zusammen mit der Kopenhagener Interpretation nicht intuitiv, phantasievoll und metaphorisch inakzeptabel. Es ist das Primat der Wahrscheinlichkeiten und die Zerstörung der deterministischen Kausalität, die Einstein argumentieren ließ, dass Gott "nicht mit der Welt würfelt". Warum haben die Physiker diese Theorie also gerne angenommen? Warum können wir nicht sagen, dass es deterministische "versteckte Parameter" gibt, die die Wahrscheinlichkeiten der Quantenwelt verursacht haben?

Die wichtigste und unmittelbarste Ursache ist der Bellsche Satz. Dieser Satz, der 1964 von John Stewart Bell bewiesen wurde , zeigt, dass wennEs gibt eine Reihe versteckter Parameter, die wir nicht messen können. Bestimmte Experimente sollten bestimmte Ergebnisse liefern. Bis heute gibt es zahlreiche Belege für äußerst genaue Experimente, dass Messungen solche Ergebnisse nicht liefern. Die Logik verlangt zu erkennen, dass es in der Mikrowelt keine unbekannte deterministische Schicht gibt.

Der Satz von Bell kann es ermöglichen, dass unsere experimentellen Ergebnisse und deterministischen verborgenen Parameter nur unter einer Bedingung koexistieren: Der Einfluss dieser Parameter muss sich schneller ausbreiten als die Lichtgeschwindigkeit. Ein solcher Einfluss kann jedoch keine echte, klassische Informationsvermittlung sein, da dies durch die spezielle Relativitätstheorie ausgeschlossen wird. Wie Einstein betonte, wird die Bewegung von Informationen, die schneller als die Lichtgeschwindigkeit sind, unser Verständnis von Ursachen und Auswirkungen weiter stören: Sie wird es ermöglichen, dass die Konsequenzen den Ursachen vorausgehen, selbst auf der Ebene des Makrokosmos.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, verborgene Parameter die kurzlebigen Effekte der Quantenmechanik übertragen zu lassen, die sich augenblicklich ausbreiten, jedoch keine Informationen im klassischen Sinne übertragen. Einstein nannte diese mysteriösen Einflüsse spöttisch "schreckliche Fernwirkung", aber mit ihnen erklären wir die Ergebnisse der Messung von verwickelten Partikeln. Für sie kann das Messen des Zustands eines Teilchens Aufschluss darüber geben, wie sich das Messen eines anderen Teilchens in einer beliebigen Entfernung auswirkt. Theorien, die den Einfluss des Bellschen Theorems vermeiden und die Existenz von versteckten Variablen voraussetzen, die auf Distanz eine Art Momentaneffekt übertragen, werden als „nicht-lokale Theorien von versteckten Parametern“ bezeichnet. Sie sind jedoch die einzige Möglichkeit, die Quantenmechanik für uns komfortabler zu gestalten.


Weniger bekanntes Experiment mit Schrödinger Röhre.

Freiheit hat ihren Preis


Sie sollten sich nicht wundern, dass Physiker seit den ersten Tagen der Quantenmechanik nach einem Ausweg suchten. Aber wie könnte etwas anderes möglich sein, wenn der Satz von Bell uns keine andere Wahl lässt?

Im Zentrum eines jeden Satzes stehen immer explizite und implizite Annahmen. Bell's Beweis verwendet eine ziemlich einfache Mathematik und es scheint, dass keine Annahmen verwendet werden, die wir nicht als wahr akzeptieren würden. Aber äußerst komplexe Probleme regen die Menschen zu verzweifelten Maßnahmen an. Quantentheoretiker suchten nach Alternativen zur Kopenhagener Interpretation und untersuchten einige dieser stillschweigend akzeptierten Annahmen - solche, die selten in Frage gestellt werden, weil sich niemand vorstellen kann, dass sie nicht wahr sind.

Quantenlogik


Eine dieser unerforschten Annahmen beeinflusst die Logikregeln, auf denen jede Art von Argumentation, einschließlich Mathematik, basiert. Interpretationen der Quantenmechanik, die die Logik selbst verändern und versuchen, etwas zu ersetzen, werden als Quantenlogik bezeichnet . Dieser Wissensbereich hat einen respektablen Stammbaum und stammt von John von Neumann, einem hervorragenden Gelehrten, der die frühe mathematische Formulierung der Quantentheorie geschrieben hat. Bereits in den 1930er Jahren zeigte er, dass die mathematische Struktur einer Theorie an eine Logik gebunden ist, die sich von der zugrunde liegenden aristotelischen Logik unterscheidet, die der klassischen Physik zugrunde liegt. Die Forschung in diesem Bereich ist nach wie vor ein exotisches (und reizvolles) Gebiet, das es zu erforschen gilt. Bisher hat noch niemand eine voll funktionsfähige, zufriedenstellende Alternative zur Kopenhagener Interpretation geschaffen.

Obwohl dieser Bereich sehr tief und ziemlich mysteriös ist, gibt es einfache Beispiele dafür, wie vertraute Logik sich schlecht an die Quantenwelt anpasst und wie man eine Alternative dazu schafft. Eine der ersten in der Literatur ist eine einzigartige Quantenidee der Überlagerung von Zuständen. In der Quantenwelt werden unsere üblichen Vorstellungen von Realität durch die Wellenfunktion ersetzt, die uns die Wahrscheinlichkeiten gibt, ein System in verschiedenen Zuständen zu erfassen. Wenn sich ein System nur in einem von zwei Zuständen befinden kann, befindet es sich vor der Durchführung der Messungen in einem Zustand, der keiner von beiden oder in einem anderen ist: in einer Überlagerung. Ein beliebtes Beispiel dafür ist das Gedankenexperiment mit „Schrödingers Katze“, das sowohl als lebendig als auch als tot gilt, bis die Kiste, in der er sitzt, offen ist. Experiment ist ein dramatischer Konflikt mit der klassischen Mechanik und unseren alltäglichen Vorstellungen von Realität: Die „Katze“ verlangt, dass sich das System tatsächlich in einem von zwei möglichen Zuständen befindet, und nur der Akt der Messung zeigt uns, wie der Zustand die ganze Zeit war.


Erwin Schrödinger

Eine Möglichkeit, der Überlagerung eine Bedeutung zu geben, besteht darin, andere Regeln der Logik anzuwenden. Wenn in unserer üblichen Logik die Aussage p (sagen wir, das Elektron befindet sich in einem Zustand mit einem Aufwärtsdrall) falsch ist und die Aussage q (das Elektron befindet sich in einem Zustand mit einem Abwärtsdrall) ebenfalls falsch ist, dann ist p ∨ q (wobei ∨ bedeutet: oder ") muss auch falsch sein. Genau das passiert bei klassischen Messungen. In der Quantenmechanik kann p nicht wahr sein, wenn es nicht gemessen wurde. Ob es im klassischen Sinne als „falsch“ oder als etwas anderes zu bezeichnen ist, ist eine andere Frage. Ebenso kann q auch nicht wahr sein. Die Kombination p ∨ q muss jedoch wahr sein.denn so ist die Definition der Überlagerung, in der sich ein Elektron vor der Messung befindet. Daher sollte unsere Quantenlogik im Gegensatz zur aristotelischen Logik zulassen, dass p ∨ q wahr ist, wenn weder p noch q wahr sind.

Es mag seltsam erscheinen, sich darauf zu verlassen, die Regeln der Logik selbst zu ändern. Aber auf diese Weise können wir die Merkwürdigkeit der Quantenmechanik auf ein oder zwei Ebenen senken, von der Ebene der Physik bis zur Ebene der Regeln, die wir für die Argumentation verwenden können.

Stochastische Mechanik


Diese Interpretation oder Erklärung der Quantenmechanik lässt die Logik intakt, fügt aber einen neuen physikalischen Prozess hinzu. Der moderne und vielversprechende Zweig der stochastischen Mechanik begann mit einem Artikel von Edward Nelson aus dem Jahr 1966 , in dem er kühn erklärte:

"In diesem Artikel müssen wir zeigen, dass eine radikale Abweichung von der klassischen Physik, die durch das Auftreten der Quantenmechanik vor vierzig Jahren verursacht wurde, nicht notwendig war."

Das Hauptergebnis des Artikels ist beeindruckend: Der Autor leitet die Schrödinger-Gleichung - die zentrale Gleichung der Quantenmechanik - unter der Annahme ab, dass die Teilchen einer schnell schwankenden Zufallskraft ausgesetzt sind. Infolgedessen weisen mikroskopische Teilchen wie Elektronen etwas Ähnliches wie die Brownsche Bewegung auf.. Nelson leitet eine Gleichung ab und verwendet aktiv Mathematik aus der statistischen Physik.

Seit der Zeit von Nelsons Artikel hat sich dieses Gebiet stetig weiterentwickelt und eine große Gemeinschaft von Forschern angezogen. Einige ihrer faszinierenden Erfolge sind die Erklärung des quantisierten Drehimpulses („Spin“), die Quantenstatistik und das berühmte Doppelspaltexperiment . Die stochastische Mechanik ist jedoch noch weit davon entfernt, die Kopenhagener Interpretation oder die traditionelle Quantenmechanik zu ersetzen. Es verwendet etwas, das aus der Ferne wie eine nicht-physische Sofortaktion aussieht, und gibt bei einigen Arten von Messungen falsche Vorhersagen. Ihre Entschuldiger geben jedoch nicht auf. Wie sagt Nelson beim Parsen Zu diesem Thema: "Wie kann eine Theorie so richtig und gleichzeitig so falsch sein?"

Pilotwellentheorie


Diese Version der Quantenmechanik kehrt zu den Anfängen des Fachgebiets zurück. Wenn das erste Stück des Quantenpuzzles 1905 von Einstein ins Leben gerufen wurde, als er erklärte, wie Licht in diskreten Mengen von Materie absorbiert und emittiert wird, dann wurde das zweite Stück 1924 von Louis de Broglie gelegt. De Broglie stellte fest, dass sich Lichtwellen wie Teilchen verhalten können, Teilchen wie Elektronen jedoch wie Wellen.

Im folgende Jahr entworfen de Broglie seine Theorie von der Pilotwelle , in der die Wellen der Materie in realen physikalischen Objekten beobachtet werden durch die Bewegung von Teilchen erzeugt. In gewissem Sinne war dies die ursprüngliche Interpretation der Quantenmechanik, wurde aber bald von der Kopenhagener Interpretation besiegt. De Broglies Ideen wurden in den 1950er Jahren von David Bom wiederentdeckt, der sie gabWeiterentwicklung . In dieser Formulierung wird die Wellenfunktion auch durch die Schrödinger-Gleichung bestimmt, aber die Pilotwellentheorie fügt eine daraus abgeleitete Gleichung hinzu, die die Bewegung von Partikeln direkt beeinflusst. Es wird davon ausgegangen, dass Partikel reale Flugbahnen haben, die unabhängig von den Dimensionen existieren. Charakteristische Quanteneffekte, wie die Interferenz in einem Experiment mit zwei Spalten, entstehen durch komplexe Flugbahnen, denen während eines Experiments Elektronen oder Photonen folgen. Diese Interpretation bildet einen großen Teil des Verhaltens der Quantenwelt nach, während der Realismus erhalten bleibt. Es bringt die Wahrscheinlichkeit zurück zu unserem gewohnten Platz, das heißt, die Wahrscheinlichkeit wird wieder zu einem Indikator für unser unvollständiges Wissen und nicht zu einem integralen Bestandteil der Natur.


Louis de Broglie

Ein ernstes Hindernis für die Wellenpilot-Theorie ist, dass die von ihr erzeugten Teilchenbahnen komplex und oft bizarr sind. Ein weiteres Hindernis besteht darin, dass eine außergewöhnliche Nichtlokalität erforderlich ist, die die Bewegung eines Teilchens prinzipiell als vom Zustand aller anderen Teilchen des Universums abhängig beschreibt. Diese Theorie wird jedoch von vielen Physikern als die vielversprechendste Alternative zur Kopenhagener Interpretation angesehen und derzeit aktiv untersucht .

Ein faszinierendes Merkmal der Wellenpilot-Theorie ist die Möglichkeit, Analoga einiger der mikroskopisch vorhergesagten Verhaltensweisen, die für die Mikroebene charakteristisch sind, auf einer makroskopischen Skala zu beobachten. Experimentelle Videos abstoßende Öltröpfchen zeigen ein auffälliges Verhalten, bei dem die Tröpfchen die Rolle von subatomaren Teilchen spielen, und das Ölbad, über dem sie suspendiert sind, erfüllt einige der Funktionen der Pilotwelle.

Mehrere Welten


Die "Multi-Welt" -Interpretation der Quantenmechanik hat in der populären Presse viel Lärm verursacht. Daher haben viele Menschen, darunter auch einige Physiker, falsche Ansichten zu dieser Theorie gewonnen.

Diese Interpretation besteht nichtauf die Schaffung eines neuen Universums in der Leistung jeder Dimension, wie allgemein angenommen wird. Sie nimmt einfach die traditionelle Quantenmechanik als Beschreibung unseres Universums und alles, was darin enthalten ist, ernst. Die Quantenmechanik beschreibt ein Teilchen, beispielsweise ein Elektron, als in der Überlagerung aller möglichen Zustände vorhanden; Bei der Durchführung einer Messung wird die Überlagerung durch den gemessenen Zustand ersetzt. Die Multi-Welt-Sicht erweitert die Idee der Überlagerung, um alles einschließlich der Messanlage und ihrer Bediener zu steuern. Sie verteidigte die Ansicht, dass die ganze Welt in einer Überlagerung existieren muss, um Integrität zu gewährleisten.

Der Begriff „viele Welten“ bezieht sich auf eine Überlagerung von Staaten, die auf die ganze Welt angewendet werden. Jeder mögliche Zustand oder das Universum existiert bereits in einem quantenmechanischen Sinn, in dem jeder mögliche Zustand eines subatomaren Teilchens eine mögliche Existenz hat. Das Messen des Zustands eines Partikels wählt ein mögliches Ergebnis aus und macht es real. Gleichzeitig wählt die Messung ein mögliches Ergebnis für das Universum aus: dasjenige, das der Experimentator bei dieser bestimmten Messung erhalten hat.

Mehrere Welten gelten als deterministisch und machen die Wellenfunktion überflüssig. Ihre Kritiker sagen, dass sie die zentrale Rolle der Wahrscheinlichkeit immer noch nicht loswerden und die Schwerkraft nicht aushalten kann.

Es gibt viele andere alternative Beschreibungsansätze, bei denen wir einfach nicht genug Platz haben. Oft sind sie der Metaphysik näher als der Physik. Eine dieser Ideen, die zwischen Wissenschaft und Philosophie angesiedelt ist, ist der Überdeterminismus . Obwohl diese Idee noch nicht in der Lage war, die Ergebnisse der Quantenmechanik nachzubilden, zieht sie ständige Aufmerksamkeit auf sich, möglicherweise aufgrund des Rufs ihres Hauptverantwortlichen, Nobelpreisträgers für Physik, Gerard 't Hooft. Überdeterminismus sollte eine Lücke in Bells Theorem werden und wurde tatsächlich als möglich beschrieben.von Bell selbst. Die Theorie vermeidet die Grundannahmen des Bellschen Theorems, wobei alles im Universum berücksichtigt wird, einschließlich der Auswahl der vom Experimentator vorgenommenen Messungen, wie sie seit Beginn der Zeit definiert wurden. Natürlich bestreitet er jede Möglichkeit des freien Willens. Eine interessante Weiterentwicklung der Theorie auf diesem Gebiet ist der Versuch von 't Hooft, seine Ideen durch die Schaffung eines quantenmechanischen Modells in einem zellularen Automaten umzusetzen.

Metaphern von metaphysischem Interesse


Einstein kannte das Wort gut und verstand die Natur tief. Er hat uns ein Vermächtnis von zwei farbenfrohen Phrasen hinterlassen, die weiterhin zitieren, um unsere Unzufriedenheit mit relevanten Aspekten der Quantenmechanik auszudrücken: „unheimliche Fernwirkung“ und „Gott würfelt nicht mit der Welt“.

Obwohl sich die Kopenhagener Interpretation immer noch durchsetzt und beide Sätze mit Gelassenheit akzeptiert, wird die quälende Unzufriedenheit, die sie hervorrufen, auch weiterhin neue Generationen von Physikern dazu motivieren, nach Alternativen zu suchen. Diese Alternative könnte eine Weiterentwicklung eines der hier beschriebenen Modelle sein, eines jener Projekte, die wir nicht in Betracht ziehen konnten, oder eine völlig neue Idee. Aber niemand kann mit Sicherheit sagen, ob einer von ihnen in Zukunft allgemeine Anerkennung finden wird.

Über den Autor:Lee Phillips ist Physiker und schreibt regelmäßig Beiträge für Ars Technica. Zuvor schrieb er über Themen wie das Erbe der Programmiersprache Fortran und das, das die Physik von Emmy Noether veränderte .