Quantentheorie und Kausalität brigitte.falkenburg@udo.edu 1. Philosophische Kausalitätsbegriffe 2. Einsteins Kausalität und Bohrs Komplementarität 3. Welcher Weg Experimente und ihre kausale Deutung 4. Polarisierte Photonen 5. Schlußfolgerungen zur Kausalität

Quantentheorie und Kausalität 1. Philosophische Kausalitätsbegriffe

1. Philosophische Kausalitätsbegriffe anthropozentrischer Begriff Aristoteles: 4 Ursachen (menschliche Handlungen) causa formalis causa materialis causa efficiens causa finalis von Wright: Interventions- oder Handlungs-Kausalität  causa finalis

1. Philosophische Kausalitätsbegriffe 17. Jahrhundert Entanthropomorphisierung Kausalität  Determinismus kausale Relationen  objektive Notwendigkeit (God’s Eye View ) Descartes, Newton: Naturgesetze Leibniz: Prinzip des zureichenden Grunds Laplace: allwissender Dämon  Berechenbarkeit des Weltlaufs

1. Philosophische Kausalitätsbegriffe 18. Jahrhundert erkenntnistheoretische Wende Kausalität = epistemischer Begriff kausale Relationen  subjektive Notwendigkeit Hume: Kausalität  empirische Regularität  moderne Regularitätstheorien der Kausalität Kant: Kausalität  objektive Zeitordnung (Prinzip a priori, Notwendigkeit transzendental)

1. Philosophische Kausalitätsbegriffe 19./20. Jahrhundert Positivismus kausale Analyse Mill: Ursache = hinreichende Anzahl notwendiger Bedingungen  kausale Modellierung (Mackie, Cartwright) Mach: Gesetze der Physik  Ökonomie des Denkens Elimination der Kausalität Russell: funktionale Abhängigkeit “The law of causality ... is a relic of a bygone age”

Quantentheorie und Kausalität 2. Einsteins Kausalität und Bohrs Komplementarität

2. Einsteins Kausalität und Bohrs Komplementarität Spezielle Relativitätstheorie Einstein-Kausalität  Lichtkegel kausale Relationen  Signalübertragung invarianter Abstand: s = c 2 t2 - x2 Lichtkegel : s = 0 zeitartige Abstände: s > 0 Signale & kausale Relationen möglich raumartige Abstände: s < 0 keine Signale, keine kausalen Relationen objektive Zeitordnung innerhalb des Lichtkegels

2. Einsteins Kausalität und Bohrs Komplementarität Quantenmechanik und Messprozess Quanten-Dynamik (Schrödinger-Gleichung, ...) ih/2 d/dt = H  (deterministisch, unitär, reversibel) probabilistische Deutung  O  (Erwartungswert  Wahrscheinlichkeit) Messprozess (Reduktion der Wellenfunktion)  cii  =k  (indeterministisch, nicht-unitär, irreversibel)

2. Einsteins Kausalität und Bohrs Komplementarität Bohrs Sicht Komplementarität Unschärferelation   Definition von Objekten p q  ħ/2 klassische Objekte: p & q Ortsmessung (Teilchen-Bild) raumzeitliche Beschreibung: q,t oder und Impulsmessung (Wellen-Bild) kausale Beschreibung: p,E Komplementarität statt Kausalität Korrespondenz: QM   klassischer Grenzfall “rationale Verallgemeinerung” der klassischen Sicht Approx.

2. Einstein’s Kausalität und Bohr’s Komplementarität Einstein-Kausalität  ??  Quantenkorrelationen EPR: nicht-lokale Korrelationen “prästabilierte Harmonie” bei raumartigen Abständen aber keine Signal-Übertragung möglich “Komplementarität” obsolet ? Bohrs Antwort auf Einstein 1935 unbefriedigend Komplementarität = vager Begriff viele nicht-lokale Quantenphänomene EPR, Supraleitung, Bohm-Aharanov, ... keine Korrespondenz zu klassischen Phänomenen Quantenoptik: erneutes Interessse an Bohr !

Quantentheorie und Kausalität 3. Welcher Weg-Experimente und ihre kausale Deutung

3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Quantenoptik Experimente mit einzelnen Photonen & Atomen Doppelspalt-Experiment Propagation als Welle, Detektion von Teilchen Welle-Teilchen-Dualismus in einem Experiment! Abb.: S.P.Walborn et al., Quantum Erasure, American Scientist 91(2003), 336

3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Quantenoptik Experimente mit einzelnen Photonen & Atomen Strahlenteiler (Mach-Zehnder-Interferometer) Welle-Teilchen-Dualismus in einem Experiment! Abb.: www.cip.physik.uni-muenchen.de/~milq/kap3/k31p02.html - 8. Apr. 2005

3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Quantenoptik Experimente mit einzelnen Photonen & Atomen Mach-Zehnder-Interferometer / Doppelspalt & Zusatzgeräte Hohlräume, Polarisatoren, Strahlenteiler ... Gleichzeitige Messung von Weg-Information & Interferenz Gedankenexperiment: Scully, Englert & Walter: Nature 351(1991), 111-116.

3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Quantenoptik Experimente mit einzelnen Photonen & Atomen Mach-Zehnder-Interferometer / Doppelspalt & Zusatzgeräte Hohlräume, Polarisatoren, Strahlenteiler ... Gleichzeitige Messung von Weg-Information & Interferenz Unscharfe Eigenschaften: p  0, q  0 Streifen-Sichtbarkeit V, Weg-Unterscheidbarkeit D Kontroverse: p q  ħ/2  ???  Komplementarität (aber: Komplementarität  generalisierte Unschärferelationen!) Diskussion: S.Dürr & G.Rempe, Am:J.Phys. 68 (2000), 1021-1024 & P.Busch & P.Lahti, arXiv:quant-ph/0406132

3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Welcher-Weg-Information: Präpariere Wellenfunktion   schicke sie durch Doppelspalt oder Interferometer:  i =  ½ (1  + 2 )  Interferenz! markiere Weg durch Verschränkung mit orthogonalen inneren Zuständen 1 , 2   m =  ½ (1 1  + 2 2 ) Weg 1 Weg 2  Interferenz verschwunden!

3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Welcher-Weg-Information: Präpariere Wellenfunktion   schicke sie durch Interferometer:  i =  ½ (1  + 2 )  Interferenz! S.Dürr & G.Rempe, Advances in Atomic, Molecular and Optical Physics 42 (2000), 29-70

3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Welcher-Weg-Information markiere Weg durch Verschränkung mit orthogonalen inneren Zuständen 1 , 2   m =  ½ (1 1  + 2 2 ) Weg 1 Weg 2  Interferenz verschwindet ! S.Dürr & G.Rempe, Advances in Atomic, Molecular and Optical Physics 42 (2000), 29-70

3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung „Quanten-Radierer” addiere Gerät zur Präparation & Messung einer Superposition von 1  und2   f  = ½ [1  (c11  + c22 ) + 2  (d11  + d22 )]  Interferenz ist wieder da ! S.Dürr & G.Rempe, Advances in Atomic, Molecular and Optical Physics 42 (2000), 29-70

3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung „Quanten-Radierer” addiere Gerät zur Präparation & Messung einer Superposition von 1  und2   f  = ½ [1  (c11  + c22 ) + 2  (d11  + d22 )  Interferenz wieder da ! „Quanten-Radierer“ mit verzögerter Wahl: verzögerte Wahl  wähle ein Subensemble der früheren Messungen! kein Wunder geschieht! keine „Rückwärts-Verursachung” nötig!

3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung „Quanten-Radierer” Doppelspalt & Wegmarkierung mit Polarisatoren S.P.Walborn et al., Quantum Erasure, American Scientist 91(2003), 336

3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung „Quanten-Radierer” Doppelspalt & Wegmarkierung mit Polarisatoren S.P.Walborn et al., Quantum Erasure, American Scientist 91(2003), 336

3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Kein Wunder no backward causation „Quanten-Radierer“ mit verzögerter Wahl: wähle Sub-Ensembles der Teilchen-Detektionen — — sie summieren sich zur Gesamtmessung auf! Gesamtmessung  keine Interferenz Sub-Ensemble  Interferenz-Streifen Streifen + Anti-Streifen = Gesamtmessung aber: kontrafaktische Summe ! (nach Bohr: Summe verschiedener Quantenphänomene!)  Bohrs Komplementarität rehabilitiert: Weg-Information oder Interferenz-Streifen ...oder beide unscharf: Komplementarität verallgemeinert

3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung „Quanten-Radierer“ mit verzögerter Wahl: wähle Sub-Ensembles der Teilchen-Detektionen — — sie summieren sich zur Gesamtmessung auf! Gesamtmessung  keine Interferenz Sub-Ensemble  Interferenz-Streifen Streifen + Anti-Streifen = Gesamtmessung S.P.Walborn et al., Quantum Erasure, American Scientist 91(2003), 336 S.Dürr & G.Rempe, Advances in Atomic, Molec. and Opt. Physics 42 (2000), 29-70

3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Komplementarität & Kausalität Bohr: “rationale Verallgemeinerung” der klass. Sicht klassische Sicht: raumzeitliche & kausale Beschreibung vollständig bestimmte Eigenschaften  Determinismus ! Komplementaritäts-Auffassung: entweder raumzeitliche oder kausale Beschreibung raumzeitlich: Interferenz-Streifen oderWeg-Information abhängig von Experiment & Messgeräten ! kausal: Teilchen-Detektion = irreversibler Prozess der Signalübertragung  Einstein-Kausalität

3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung  2 Kausalitäts-Begriffe: (1) probabilistische Kausalität der QT deterministische, unitäre Entwicklung von   probabilistische Deutung von 2 (2) Einstein-Kausalität der Signalübertragung keine Verletzungen der Einstein-Kausalität in QT keine Rückwärts-Kausalität nötig zur Erklärung der „Quanten-Radierer“ mit verzögerter Wahl (3) Interventions-Kausalität des Experimentators Wahl des Versuchsaufbaus Präparation & Messung bestimmter Quantenzustände  

Quantentheorie und Kausalität 4. Polarisierte Photonen

4. Polarisierte Photonen Präparation und Messung Experimente präparieren Wellen und messen Teilchen. Wellen werden präpariert, um etwas damit zu machen: Also sind sie real!  Hackings Kriterium: “If you can spray them, they are real.” Also: Quanten-Wellen gibt es wirklich. Die Natur präpariert viele superponierte Quanten-Wellen. (Neutrino-Oszillationen, Kaon-Zerfall, Quark-“mixing”)

4. Polarisierte Photonen Präparation und Messung Experiment mit polarisierten Photonen: 1 c 0  Laser Vertikaler Polarisator Horizontaler Polarisator kein Licht Gekreuzte Polarisatoren präparieren QFT-Vakuum!

4. Polarisierte Photonen Präparation und Messung Experiment mit polarisierten Photonen: 1 c d\  e –  Laser Vertikaler Polarisator Diagonaler Polarisator Horizontaler Polarisator fluktuierende Teilchen- Detektionen Jeder Polarisator präpariert Zustand mit kleinerer Amplitude!

4. Polarisierte Photonen Präparation und Messung Teilchenbild:   ? Laser Absorber 2 Absorber 1 kein Licht 2 Absorber: kein Photon kommt durch!

4. Polarisierte Photonen Präparation und Messung Teilchenbild:   Laser Absorber 2 Absorber 1 Absorber 3 einige Photonen kommen durch 3 Absorber: einige Photonen kommen durch!

4. Polarisierte Photonen Präparation und Messung Wellenbild: 1 c d\  e –  Laser Vertikaler Polarisator Diagonaler Polarisator Horizontaler Polarisator etwas Licht kommt durch Wie klassisches Licht!

4. Polarisierte Photonen Präparation und Messung Erklärung der QFT: 1 c d\  e–  1  c11  + c20  d11  + d20  e11  + e20  Laser Vertikaler Polarisator Diagonaler Polarisator Horizontaler Polarisator fluktuierende Teilchen- Detektionen Polarisatoren präparieren Feldmoden mit unscharfem N Detektor wirkt auf Superposition: fluktuierende Zählrate!

4. Polarisierte Photonen Deutung? Realismus - Reale Teilchen: kausales Paradoxon (3. Absorber scheint Photonen zu erzeugen) - Reale Wellen: Feldstärke-Puzzle (Polarisations-Zustand   Feld-Amplitude) - Ignoranz-Deutung der QFT ?? (Ich habe meine Zweifel!)

4. Polarisierte Photonen Deutung? Instrumentalismus - nur bedingte Wahrscheinlichkeiten (die Polarisatoren ändern sie auf wohldefinierte Weise; kausale Relevanz der Präparation  Kausalität ist nur Regularität) - nur die Photon-Detektionen sind real (Präparationsergebnisse weniger real als Messergebnisse...? ABER: Welcher Weg-Experimente  Speichern von Information hinreichend!) - aber, worauf wirken die Polarisatoren? (wenn nicht auf Feldzustand: “a miracle occurs”....? Agnostizismus...?)

Quantentheorie und Kausalität 5. Schlussfolgerungen

Quantenoptik: Experimente  5. Schlussfolgerungen Quantenoptik: Experimente  Komplementarität & Welle-Teilchen-Dualismus Quantenoptik im Teilchenbild (Realismus)  kausale Paradoxien Regularitätsauffassung der Kausalität (Instrumentalismus)  kausale Lücken Komplementarität stützt kausalen Pluralismus nicht nur für verschiedene Theorien (P.Weingartner) sondern für ein-und-das-selbe Experiment Kausalität ist anthropozentrisch eindeutige Kausalität ging der Physik verloren Entanthropomorphisierung des physikalischen Wissens hat ihren Preis   begriffliche Uneinheitlichkeit