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

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Präsentation zum Thema: "Interpretationen und Bildung eines verbalen Modells Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik Atomofen."—  Präsentation transkript:

1 Interpretationen und Bildung eines verbalen Modells Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik Atomofen

2 Messergebnisse Erklären und Vorher sagen Syste- matisch unter- suchen Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten Die physikalische Erkenntnisweise

3 Ist es nicht eigentlich ganz einfach? Halbklassische Erklärungen im Teilchenmodell

4 Wesenszug: Stochastisches Verhalten Der Auftreffpunkt kann nicht vorhergesagt werden. Wegen unterschiedlicher Anfangsbedingungen?

5 Wesenszug: Interferenz- fähigkeit Weil sich die Quantenobjekte gegenseitig beeinflussen?

6 Messergebnisse sind stets eindeutig Wesenszug: Verhalten bei einer Messung D1D1 D2D2 Das ist im Teilchenmodell nicht überraschend.

7 Wesenszug: Komplementarität Wenn das Experiment weitere Messmöglichkeiten enthält, kann das Interferenzmuster verschwinden. nichtlin earer Kristall D1D1 D2D2 Wechselwirkung, also Stöße, also Störungen der Bahn?

8 Nichtlokalität: Eine Ursache an einem Ort wirkt sich instantan auch an weit entfernten Orten aus. Hatten die Objekte die Eigenschaften schon vorher?

9 Wesenszug: Interferenz- fähigkeit Weil sich die Quantenobjekte gegenseitig beeinflussen?

10 (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?

11 Heliumatome am Doppelspalt

12 Doppelspalt- Experiment: Ist das Überraschend? Ungewohnt? Merkwürdig?

13 Jeweils ein Spalt geschlossen:

14 Ist das Überraschend? Ungewohnt? Merkwürdig? Wenn man sich die Quantenobjekte als Teilchen (Fußbälle) vorstellt: Ja!

15 Wenn das Quanten- objekt jeweils links oder rechts durch ginge, müsste man die Summenverteilung beobachten. Man sagt: Es ist unbestimmt, durch welchen Spalt das Quantenobjekt zum Schirm gelangt.

16 Bedeutet das, man weiß nicht durch welchen Spalt das Quantenobjekt geht? Nein! Objektive Unbestimmtheit ist mehr als subjektive Unkenntnis. (Ignoranzhypothese)

17 Messergebnisse sind stets eindeutig Wesenszug: Verhalten bei einer Messung D1D1 D2D2 Das ist im Teilchenmodell nicht überraschend. Was aber, wenn unbestimmt ist, wie das Quantenobjekt zum Schirm kommt?

18 Gedankenexperiment von Scully et al. (1991): Anregungslaser Atomofen H1H1 H2H2

19 Ist das Teilchenmodell wenigstens brauchbar, wenn nur ein Spalt offen ist? Nein!

20 Denn dann trägt es zur Einzelspaltbeugung bei.

21 Doppelspalt und Einzelspaltaufnahme [Jönsson 1961]

22 Also: Weg vom Teilchenbild. Hilft das Wellenbild weiter?

23 Von Wasserwellen ist der Effekt bekannt: Berg und Berg verstärken sich. Berg und Tal löschen sich aus. © M. Komma, Tübingen

24 Aber: Bei Wasserwellen kommt das Paket verschmiert an. Das Quantenobjekt wird nie verschmiert nachgewiesen.

25 Wesenszug: Interferenzfähigkeit Präzisierung: Obwohl einzelne Quantenobjekte stets nur an einem Ort nachgewiesen werden, bilden ihre Auftreffpunkte nach vielen Wiederholungen ein Interferenzmuster.

26 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.

27 Warum fließt elektrischer Strom, wenn eine Spannung angelegt wird? Warum ziehen sich zwei Körper an? Warum... ?

28 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.

29 Beobachtungen und Messergebnisse Erklären und Vorher sagen Syste- matisch unter- suchen Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten Die physikalische Erkenntnisweise

30 Ist also das Wellenmodell besser?

31 Das Quantenobjekt als ausgedehntes Objekt (wie ein Schallwellenpaket)?

32 Teilung am Spalt?

33 Weitere Ausbreitung nach den Wellengesetzen?

34 Zusammenziehen bei einer Ortsmessung?

35 Das Quantenobjekt als ausgedehntes Objekt? Dagegen spricht: Zusammenziehen auch geladener Quantenobjekte Abstrahlung? Zusammenziehen instantan (mit Überlichtgeschwindigkeit) Voreilige Teilung bei zwei Wegen (Delayed-Choice-Experimente)

36 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 insbesondere für die Komplementarität zu machen, brauchen wir ein leistungsfähigeres Modell: Verbales Modell Grafisches Modell

37 Nicht Teilchen, nicht Welle, nicht abwechselnd Welle und Teilchen. Keine Vorstellung: ? Standardinterpretation (Kopenhagener Interpretation)

38 Hochschule: Leichfüßiger Einsatz beider Modelle Grenzen genau bekannt. Formalismus stets im Hintergrund.

39 Standardinterpretation: Wir vermeiden es, darüber zu sprechen, wie das Quantenobjekt zum Schirm kommt. Wir sprechen darüber, ob es ein Muster gibt, wie dieses aussieht.

40 Messergebnisse Die physikalische Erkenntnisweise Erklären und Vorher sagen Syste- matisch unter- suchen Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten

41 Suche nach Gesetz- mäßigkeiten QP-Formalismus Interferenz- Phänomene Muster ja/nein? Verbales Modell Die physikalische Erkenntnisweise

42 Was ist bei allen Interferenzexperimenten gemeinsam? Gesetzmäßigkeit zum 2. Wesenszug: Mehrere Alternativen Mehrere Möglichkeiten

43 Immer wenn es mehrere klassisch denkbare Möglichkeiten gibt, dann ist ein Interferenzmuster möglich. Gesetzmäßigkeit zum 2. Wesenszug:

44 Warum klassisch denkbare Möglichkeiten? Sonst müsste man ja Fußballergebnisse bekommen.

45 Atomofen Doppelspalt

46 Atomofen Doppelspalt

47 Interferometer mit einzelnen Photonen

48 2 k.d.M:

49 Beugung an Kristallen

50

51 Mehrere klassisch denkbare Möglichkeiten: Beugung an stehender Lichtwelle

52 Mehrere klassisch denkbare Möglichkeiten: Beugung an stehender Lichtwelle

53 Zwei klassisch denkbare Möglichkeiten: 4 He Streuversuch

54 Wesenszug: Komplementarität Wenn das Experiment weitere Messmöglichkeiten enthält, kann das Interferenzmuster verschwinden. nichtlin earer Kristall D1D1 D2D2 Wechselwirkung, also Stöße, also Störungen der Bahn?

55 Verschwindet das Muster aufgrund der unvermeidbaren Stöße? Nein: Das Muster verschwindet auch, wenn der Impulsübertrag für die Stoßerklärung zu klein ist.

56 Gedankenexperiment von Scully et al. (1991): Anregungslaser Atomofen H1H1 H2H2

57 Realisierung: Dürr, Nonn, Rempe (1998)

58 Ergebnis: Atom-Interferometer Ergebnis:

59 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.

60 Interferometer mit einzelnen Photonen

61 2 k.d.M:

62 Nichtlinearer Kristall Photonen-Spaltung

63 Nichtlinearer Kristall Photonen-Spaltung

64 nichtlinearer Kristall Photonen-Spaltung im Interferometer Mandel et al.

65 Wesenszug: Komplementarität Immer wenn (zum Zeitpunkt des Nachweises) eine Messung möglich ist,...

66 nichtlinearer Kristall Photonen-Spaltung im Interferometer D1D1 D2D2 mögliche Messung:

67 nichtlinearer Kristall Photonen-Spaltung im Interferometer D1D1 D2D2 mögliche Messung:

68 nichtlinearer Kristall Photonen-Spaltung im Interferometer D1D1 D2D2 mögliche Messung:

69 Wesenszug: Komplementarität Immer wenn (zum Zeitpunkt des Nachweises) eine Messung möglich ist, deren Messergebnisse den k.d.M. zugeordnet werden können,...

70 Photonen-Spaltung im Interferometer D1D1 D2D2 Zuordnung von D1 zur roten k.d.M.

71 Photonen-Spaltung im Interferometer D1D1 D2D2 Zuordnung von D2 zur grünen k.d.M.

72 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.

73 nichtlinearer Kristall Photonen-Spaltung im Interferometer D1D1 D2D2 mögliche Messung:

74 Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler D1D1 D2D2 Photonen-Spaltung im Interferometer

75 D1D1 D2D2 Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler

76 D1D1 D2D2 Zuordnungs-Information gelöscht: Quantenradierer Photonen-Spaltung im Interferometer Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler

77 Ist das Überraschend? Ungewohnt? Merkwürdig? Siehe: Vergleich mit einer Blume.

78 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?

79 Neutronenstreuung am C13-Kristall Streuwinkel Zahl der Detektionen

80 vor der Streuung nach der Streung Neutronenstreuung am C13-Kristall

81 Klassisch denkbare Möglichkeiten und 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

82 Nichtlokalität bei verschränkten Photonen: a b Versuchsergebnis: Wenn a durchgeht, geht auch b durch. Wenn a absorbiert wird, wird auch b absorbiert. a b

83 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.

84 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. Tokio Nichtlokal

85 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.

86 Nichtlokalität bei verschränkten Photonen: a b Konsequenz: Eine Messung an a verändert b sofort auch über weite Entfernungen.

87 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 a b

88 Bohmsche Führungswellen = andere Interpretation des Quantenphysik-Formalismus Eine Alternative zur Standardinterpretation: Doch Teilchenmodell, aber: wie erklärt man dann die Interferenzmuster?

89 Wenn das Quanten- objekt jeweils links oder rechts durch ginge, müsste man die Summenverteilung beobachten.

90 Wenn das Quanten- objekt jeweils links oder rechts durch ginge, und es beim Durchgang durch einen Spalt nicht darauf ankommt, ob der andere offen ist, müsste man die Summenverteilung beobachten.

91 Annahme: Es kommt beim Durchgang durch einen Spalt doch darauf ankommt, ob der andere offen ist.

92 Wie erklärt man dann die Interferenzmuster?

93 Bohmsche Führungswellen: Quantenpotential Q y x Q

94 Bahnen im Quantenpotential

95 Bohmsche Führungswellen: Schließen eines Spalts Quantenpotential verschwindet (fast) y x Q

96 Bohmsche Führungswellen: Stark nichtlokale Interpretation der Quantentheorie

97 Bohmsche Führungswellen: Öffnen der einen Möglichkeit ändert sofort das Quantenpotential auch am anderen Ende. Auch für andere Quantenobjekte

98 Bohmsche Führungswellen: Stark nichtlokaler Charakter und weitere Schönheitsfehler aber: gleichwertige Interpretation des gleichen erfolgreichen Formalismus

99 Wesenszug: Stochastisches Verhalten Der Auftreffpunkt kann nicht vorhergesagt werden. Wegen unterschiedlicher, stochastisch verteilter Anfangsbedingungen?

100 Standardinterpretation: Die Anfangsbedingungen können nur bis zu einem bestimmten 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.

101 Die Wesenszüge der Quantenphysik Detaillierte Darstellung in: Die Wesenszüge der Quantenphysik Modelle, Bilder und Experimente Zweite, überarbeitete Auflage Aulis-Verlag, ISBN AULIS VERLAG BAND 60 Praxis Schriftenreihe Powerpoint-Vorträge auf Seminar-Homepage Benutzername / Passwort seminar / pfau Freiburg.ppt.ppt

102 Die Wesenszüge der Quantenphysik Praxis der Naturwissenschaften Physik in der Schule Aulis Verlag Heft 1/ Januar 2004 Anschauliche Quantenphysik


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