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

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

Ist es nicht eigentlich ganz einfach? Halbklassische Erklärungen im Teilchenmodell

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

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

Wesenszug: Verhalten bei einer Messung Messergebnisse sind stets eindeutig Das ist im Teilchenmodell nicht überraschend. D2 D1

Wesenszug: „Komplementarität“ Wenn das Experiment weitere Messmöglichkeiten enthält, kann das Interferenzmuster verschwinden. Wechselwirkung, also Stöße, also Störungen der Bahn? nichtlinearer Kristall D1 D2

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 die Quantenobjekte gegenseitig beeinflussen?

Gegenseitige Beeinflussung? Das Muster kommt nicht durch gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Quantenobjekte zustande. (Auch wenn stets nur ein Quantenobjekt in der Anordnung ist, tragen die Quantenobjekte zum Interferenzmuster bei.)

Heliumatome am Doppelspalt

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

Jeweils ein Spalt geschlossen:

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

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.

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

Wesenszug: Verhalten bei einer Messung Messergebnisse sind stets eindeutig Das ist im Teilchenmodell nicht überraschend. Was aber, wenn unbestimmt ist, wie das Quantenobjekt zum Schirm kommt? D2 D1

Gedankenexperiment von Scully et al. (1991): H1 Atomofen H2 Anregungslaser

Ist das Teilchenmodell wenigstens brauchbar, 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.

Warum ist das so? Merkwürdig! Wesenszug: Interferenzfähigkeit Obwohl einzelne Quantenobjekte stets nur an einem Ort nachgewiesen werden, bilden ihre Auftreffpunkte nach vielen Wiederholungen ein Interferenzmuster. Warum ist das so? Merkwürdig!

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

Warum fällt ein Stein auf die Erde? Weil sich zwei Körper stets anziehen. (= „Erklärung“ durch allgemeine Gesetzmäßigkeit.) Solche Gesetze suchen wir auch für die Quantenobjekte.

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

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

Nicht Teilchen, nicht Welle, nicht abwechselnd Welle und Teilchen 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.

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

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

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

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

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

Doppelspalt Atomofen

Doppelspalt Atomofen

Interferometer mit einzelnen Photonen

Interferometer mit einzelnen Photonen 2 k.d.M:

Beugung an Kristallen

Beugung an Kristallen

Beugung an stehender Lichtwelle Mehrere klassisch denkbare Möglichkeiten:

Beugung an stehender Lichtwelle Mehrere klassisch denkbare Möglichkeiten:

Streuversuch Zwei klassisch denkbare Möglichkeiten: 4He 4He 4He 4He

Wesenszug: „Komplementarität“ Wenn das Experiment weitere Messmöglichkeiten enthält, kann das Interferenzmuster verschwinden. Wechselwirkung, also Stöße, also Störungen der Bahn? nichtlinearer Kristall D1 D2

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

Gedankenexperiment von Scully et al. (1991): H1 Atomofen H2 Anregungslaser

Realisierung: Dürr, Nonn, Rempe (1998)

Atom-Interferometer Ergebnis: Ergebnis:

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:

Photonen-“Spaltung“ Nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“ Nichtlinearer Kristall

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

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

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer mögliche Messung: nichtlinearer Kristall D2 D1

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer mögliche Messung: nichtlinearer Kristall D2 D1

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer mögliche Messung: nichtlinearer Kristall D2 D1

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 Zuordnung von D1 zur roten k.d.M. D2 D1

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer Zuordnung von D2 zur grünen k.d.M. D2 D1

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.

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer mögliche Messung: nichtlinearer Kristall D2 D1

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler D2 D1

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler D2 D1

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler D2 D1 Zuordnungs-Information gelöscht: „Quantenradierer“

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

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

Neutronenstreuung am C13-Kristall Streuwinkel Zahl der Detektionen

Neutronenstreuung am C13-Kristall vor der Streuung nach der Streung

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

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

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.

„Verborgene Parameter“ Vergleich mit Socken: Erklärung 1: Beide hatten schon vorher die Eigenschaft „geht durch“. N.Y. Tokio „Verborgene Parameter“ Erklärung 2: Wenn a die Eigenschaft „geht durch“ zeigt, nimmt auch b die Eigenschaft „geht durch“ an. N.Y. Tokio Nichtlokal

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: Konsequenz: Eine Messung an a verändert b sofort auch 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

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

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

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.

Annahme: Es kommt beim Durchgang durch einen Spalt doch darauf 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 Charakter und weitere Schönheitsfehler aber: gleichwertige Interpretation des gleichen erfolgreichen Formalismus

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

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.

Die Wesenszüge der Quantenphysik Powerpoint-Vorträge auf Seminar-Homepage Benutzername / Passwort seminar / pfau www.seminar-stuttgart.de Freiburg.ppt .ppt Detaillierte Darstellung in: „Die Wesenszüge der Quantenphysik Modelle, Bilder und Experimente Zweite, überarbeitete Auflage Aulis-Verlag, ISBN 3-7614-2464-7 AULIS VERLAG BAND 60 Praxis Schriftenreihe

Die Wesenszüge der Quantenphysik Praxis der Naturwissenschaften Physik in der Schule Aulis Verlag Heft 1/53 15. Januar 2004 „Anschauliche Quantenphysik“