Interpretationen und Bildung eines verbalen Modells Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik...

Interpretationen und Bildung eines verbalen Modells

Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

Atomofen

Messergebnisse

Erklären und

Vorhersagen

Syste-matisch unter-suchen

Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten

Die physikalische Erkenntnisweiseˆ

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En a

Ist es nicht eigentlich ganz einfach?

Halbklassische Erklärungen im Teilchenmodell

Wesenszug: Stochastisches Verhalten

Der Auftreffpunkt kannnicht vorhergesagt werden.

Wegen unterschiedlicher Anfangsbedingungen?

Wesenszug:

Interferenz-fähigkeit

Weil sich dieQuantenobjektegegenseitig beeinflussen?

Messergebnisse sind stets eindeutig

Wesenszug: Verhalten bei einer Messung

D

1

D

2

Das ist im Teilchenmodell nicht überraschend.

Wesenszug:„Komplementarität“

Wenn das Experiment weitere Messmöglichkeiten enthält, kann das Interferenzmuster verschwinden.

nichtlinearer Kristall

D

1

D

2

Wechselwirkung,also Stöße,also Störungender Bahn?

Nichtlokalität:

Eine Ursache an einem Ort wirkt sich instantan auch an weit entfernten Orten aus.

Hatten die Objekte die Eigenschaften schon vorher?

Wesenszug:

Interferenz-fähigkeit

Weil sich dieQuantenobjektegegenseitig beeinflussen?

(Auch wenn stets nur ein Quantenobjekt in der Anordnung ist, tragen die Quantenobjekte zum Interferenzmuster bei.)

Das Muster kommt nicht durch gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Quantenobjekte zustande.

Gegenseitige Beeinflussung?

Heliumatome am Doppelspalt

Doppelspalt-Experiment:

Ist das Überraschend? Ungewohnt? Merkwürdig?

Jeweils ein Spalt geschlossen:

Ist das Überraschend? Ungewohnt? Merkwürdig?

Wenn man sich die Quantenobjekteals Teilchen(Fußbälle) vorstellt:

Ja!

Wenn das Quanten-objekt jeweils linksoder rechts durch ginge,müsste man die Summenverteilungbeobachten.

Man sagt:Es ist unbestimmt,durch welchen Spalt das Quantenobjektzum Schirm gelangt.

Bedeutet das,man weiß nicht durch welchen Spalt das Quantenobjekt geht?

Nein!ObjektiveUnbestimmtheitist mehr als subjektiveUnkenntnis.(„Ignoranzhypothese“)

Messergebnisse sind stets eindeutig

Wesenszug: Verhalten bei einer Messung

D

1

D

2

Das ist im Teilchenmodell nicht überraschend.

Was aber,wenn unbestimmt ist,wie das Quantenobjekt zum Schirm kommt?

Gedankenexperiment von Scully et al. (1991):

Anregungslaser

Atomofen

H1

H2

Ist das Teilchenmodell wenigstensbrauchbar, wenn nur ein Spalt offen ist?

Nein!

Denn dann trägt es zur Einzelspaltbeugung bei.

Doppelspalt und Einzelspaltaufnahme[Jönsson 1961]

Also: Weg vom Teilchenbild.

Hilft das Wellenbild weiter?

Von Wasserwellen ist der Effekt bekannt:Berg und Berg verstärken sich.Berg und Tal löschen sich aus.

© M. Komma, Tübingen

Aber: Bei Wasserwellen kommt das Paket„verschmiert“ an.

Das Quantenobjekt wird nie „verschmiert“ nachgewiesen.

Wesenszug: Interferenzfähigkeit

Präzisierung:

Obwohl einzelne Quantenobjekte stets nur an einem Ort nachgewiesen werden,

bilden ihre Auftreffpunkte nach vielen Wiederholungen ein Interferenzmuster.

Merkwürdig!Warum ist das so?

Wesenszug: Interferenzfähigkeit

Obwohl einzelne Quantenobjekte stets nur an einem Ort nachgewiesen werden,

bilden ihre Auftreffpunkte nach vielen Wiederholungen ein Interferenzmuster.

Warum fließt elektrischer Strom,wenn eine Spannung angelegt wird?

Warum ziehen sich zwei Körper an?

Warum ... ?

Weil sich zwei Körper stets anziehen.

Warum fällt ein Stein auf die Erde?

(= „Erklärung“ durch allgemeine Gesetzmäßigkeit.)

Solche Gesetze suchen wir auch für die Quantenobjekte.

Beobachtungen und Messergebnisse

Erklären und

Vorhersagen

Syste-matisch unter-suchen

Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten

Die physikalische Erkenntnisweise

1 22

*gravm m

F Gr

Ist also das Wellenmodell besser?

Das Quantenobjekt als ausgedehntes Objekt(wie ein Schallwellenpaket)?

Teilung am Spalt?

Weitere Ausbreitung nach den Wellengesetzen?

Zusammenziehen bei einer Ortsmessung?

Das Quantenobjekt als ausgedehntes Objekt?

Dagegen spricht:

• Zusammenziehen auch geladener Quantenobjekte Abstrahlung?

• Zusammenziehen instantan (mit Überlichtgeschwindigkeit)

• „Voreilige Teilung“ bei zwei Wegen (Delayed-Choice-Experimente)

Das Quantenobjekt als Teilchen

Das Quantenobjekt als Welle

Jedes Modell hat seine Grenzen,die deutlich gemacht werden müssen.

Aber um Vorhersagen für die Interferenzexperimente und insbesonderefür die Komplementarität zu machen,brauchen wir ein leistungsfähigeres Modell:

Verbales ModellGrafisches Modell

Nicht Teilchen, nicht Welle, nicht abwechselnd Welle und Teilchen. Keine Vorstellung:

?„Standardinterpretation“

(Kopenhagener Interpretation)

Hochschule:

Leichfüßiger Einsatz beider Modelle

Grenzen genau bekannt.

Formalismus stets im Hintergrund.

Standardinterpretation:

Wir vermeiden es, darüber zu sprechen, wie das Quantenobjekt zum Schirm kommt.

Wir sprechen darüber, • ob es ein Muster gibt,• wie dieses aussieht.

Messergebnisse

Die physikalische Erkenntnisweise

Erklären und

Vorhersagen

Syste-matisch unter-suchen

Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten

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B B iBH

B iB B

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En a

Suche nach Gesetz-

mäßigkeiten

QP-Formalismus

Interferenz-Phänomene

Musterja/nein?

Verbales Modell

Die physikalische Erkenntnisweise

Was ist bei allen Interferenzexperimenten gemeinsam?

Gesetzmäßigkeit zum 2. Wesenszug:

„Mehrere Alternativen“

„Mehrere Möglichkeiten“

Immer wenn es mehrere

klassisch denkbare Möglichkeiten gibt,

dann ist ein Interferenzmuster möglich.

Gesetzmäßigkeit zum 2. Wesenszug:

Warum „klassischdenkbare Möglichkeiten“?

Sonst müsste man ja Fußballergebnissebekommen.

Atomofen

Doppelspalt

Atomofen

Doppelspalt

Interferometer mit einzelnen Photonen

Interferometer mit einzelnen Photonen

2 k.d.M:

Beugung an Kristallen

Beugung an Kristallen

Mehrere klassisch denkbare Möglichkeiten:

Beugung an stehender Lichtwelle

Mehrere klassisch denkbare Möglichkeiten:

Beugung an stehender Lichtwelle

Zwei klassisch denkbare Möglichkeiten:

4He 4He 4He 4He

Streuversuch

Wesenszug:„Komplementarität“

Wenn das Experiment weitere Messmöglichkeiten enthält, kann das Interferenzmuster verschwinden.

nichtlinearer Kristall

D

1

D

2

Wechselwirkung,also Stöße,also Störungender Bahn?

Verschwindet das Muster aufgrund derunvermeidbaren Stöße?

Nein:Das Muster verschwindet auch,wenn der Impulsübertrag für die Stoßerklärung zu klein ist.

Gedankenexperiment von Scully et al. (1991):

Anregungslaser

Atomofen

H1

H2

Realisierung:

Dürr, Nonn, Rempe (1998)

Ergebnis:

Atom-InterferometerErgebnis:

Gesetzmäßigkeit zur „Komplementarität“

Immer wenn (zum Zeitpunkt des Nachweises) eine Messung möglich ist,

deren Messergebnisse den k.d.M.

zugeordnet werden können,

dann gibt es doch kein Interferenzmuster.

Interferometer mit einzelnen Photonen

Interferometer mit einzelnen Photonen

2 k.d.M:

Nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“

Nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“

nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

Mandel et al.

Wesenszug: Komplementarität

Immer wenn (zum Zeitpunkt des Nachweises) eine Messung möglich ist,

...

nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

D1

D2

mögliche Messung:

nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

D1

D2

mögliche Messung:

nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

D1

D2

mögliche Messung:

Wesenszug: Komplementarität

Immer wenn (zum Zeitpunkt des Nachweises) eine Messung möglich ist,

deren Messergebnisse den k.d.M.

zugeordnet werden können,

...

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

D1

D2

Zuordnung von D1 zur roten k.d.M.

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

D1

D2

Zuordnung von D2 zur grünen k.d.M.

Wesenszug: Komplementarität

Immer wenn (zum Zeitpunkt des Nachweises) eine Messung möglich ist,

deren Messergebnisse den k.d.M.

zugeordnet werden können,

dann gibt es doch kein Interferenzmuster.

nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

D1

D2

mögliche Messung:

Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler

D1

D2

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

D1

D2

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler

D1

D2

Zuordnungs-Information gelöscht:„Quantenradierer“

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer

Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler

Ist das Überraschend? Ungewohnt? Merkwürdig?

Siehe:Vergleich mit einer Blume.

Feynman: „Wir können das Rätsel nicht zum Verschwinden bringen, indem wir erklären, wie es funktioniert. Wir werden Ihnen nur sagen, wie es funktioniert.“

Warum ist das so?

Neutronenstreuung am C13-Kristall

Streuwinkel

Zahl der Detektionen

vor der Streuung

nach der Streung

Neutronenstreuung am C13-Kristall

Klassisch denkbare Möglichkeitenund Zuordenbarkeit

Interferenzmuster und Komplementarität

• bewusste Fachmethodik bringt Klarheit• weg von der falschen Vorstellung, hin zur abstrakten verbalen Ebene• aktuelle High-Tech-Experimente• Relativierung des Weltbilds

Nichtlokalität bei verschränkten Photonen:

a b

Versuchsergebnis: Wenn a durchgeht, geht auch b durch.Wenn a absorbiert wird, wird auch b absorbiert.

a b

Nichtlokalität bei verschränkten Photonen:

Versuchsergebnis: Wenn a durchgeht, geht auch b durch.Wenn a absorbiert wird, wird auch b absorbiert.

Erklärung 1: Beide hatten schon vorher die Eigenschaft „geht durch“.

Erklärung 2:Wenn a die Eigenschaft „geht durch“ zeigt, nimmt auch b die Eigenschaft „geht durch“ an.

Vergleich mit Socken:Erklärung 1: Beide hatten schon vorher die Eigenschaft „geht durch“.

Erklärung 2:Wenn a die Eigenschaft „geht durch“ zeigt, nimmt auch b die Eigenschaft „geht durch“ an.

N.Y. Tokio„Verborgene Parameter“

N.Y. TokioNichtlokal

Bells Ungleichung:

Annahme: Erklärung 1 ist richtig. Dann kann man daraus die sogenannte Bellsche Ungleichung herleiten. (1966)

Diese steht jedoch im Widerspruch zu den experimentellen Ergebnissen von Aspect et al. (1981)

Folge: Erklärung 1 reicht nicht aus.

Verborgene Parameter alleine können die Versuchsergebnisse nicht erklären.

Folge: Die Quantentheorie muss nichtlokal sein.

Nichtlokalität bei verschränkten Photonen:

a b

Konsequenz:

Eine Messung an a verändert bsofortauch über weite Entfernungen.

Nichtlokalität bei verschränkten Photonen:Kein Widerspruch zu Einstein,da keine Information übertragen werden kann.

Wenn man an a eine bestimmte Polarisation gemessen hat,muss b die gleiche Polarisation haben.Kann man damit nicht jeweils ein bit übertragen?Nein, weil das Messergebnis an a zufällig ist.

100011011101001

a b

Bohmsche Führungswellen= andere Interpretation desQuantenphysik-Formalismus

Eine Alternative zur Standardinterpretation:

Doch Teilchenmodell,aber:wie erklärt man dann die Interferenzmuster?

Wenn das Quanten-objekt jeweils linksoder rechts durch ginge,müsste man die Summenverteilungbeobachten.

Wenn das Quanten-objekt jeweils linksoder rechts durch ginge,

und es beim Durchgangdurch einen Spalt nichtdarauf ankommt,ob der andere offen ist,

müsste man die Summenverteilungbeobachten.

Annahme:

Es kommt beim Durchgangdurch einen Spalt dochdarauf ankommt,ob der andere offen ist.

Wie erklärt man dann die Interferenzmuster?

Bohmsche Führungswellen:„Quantenpotential Q“

y

x

Q

Bahnen im Quantenpotential

Bohmsche Führungswellen:Schließen eines Spalts Quantenpotential verschwindet (fast)

y

x

Q

Bohmsche Führungswellen:Stark nichtlokale Interpretation der Quantentheorie

Bohmsche Führungswellen:

Öffnen der einen Möglichkeit ändert sofort das Quantenpotential auch am anderen Ende.

Auch für andere Quantenobjekte

Bohmsche Führungswellen:

Stark nichtlokaler Charakterundweitere Schönheitsfehler

aber:gleichwertige Interpretationdes gleichen erfolgreichen Formalismus

Wesenszug: Stochastisches Verhalten

Der Auftreffpunkt kannnicht vorhergesagt werden.

Wegen unterschiedlicher,stochastisch verteilter Anfangsbedingungen?

Standardinterpretation:Die Anfangsbedingungen können nur bis zu einembestimmten Grad gleich präpariert werden.(gemäß Heisenbergs Unbestimmtheitsrelation)Darüber hinaus sind sie unbestimmt.

Interpretation mit verborgenen Parametern: Anfangsbedingungen sind zufällig verteilt.

Eine genaue Präparierung ist in beiden Interpretationen nicht möglich.

Die Ergebnisse sind in jedem Fall stochastisch verteilt.

Die Wesenszüge der Quantenphysik

Detaillierte Darstellung in:„Die Wesenszüge der Quantenphysik Modelle, Bilder und ExperimenteZweite, überarbeitete AuflageAulis-Verlag,

ISBN 3-7614-2464-7 AULIS VERLAG

BAND 60

Praxis Schriftenreihe

Powerpoint-Vorträge auf Seminar-HomepageBenutzername / Passwort seminar / pfau

www.seminar-stuttgart.de

Freiburg.ppt.ppt

Die Wesenszüge der Quantenphysik

Praxis der NaturwissenschaftenPhysik in der Schule

Aulis Verlag

Heft 1/53 15. Januar 2004

„Anschauliche Quantenphysik“