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Quantentheorie und Kausalität
1. Philosophische Kausalitätsbegriffe 2. Einsteins Kausalität und Bohrs Komplementarität 3. Welcher Weg Experimente und ihre kausale Deutung 4. Polarisierte Photonen 5. Schlußfolgerungen zur Kausalität
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Quantentheorie und Kausalität
1. Philosophische Kausalitätsbegriffe
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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
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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
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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)
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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”
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Quantentheorie und Kausalität
2. Einsteins Kausalität und Bohrs Komplementarität
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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
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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) cii =k (indeterministisch, nicht-unitär, irreversibel)
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2. Einsteins Kausalität und Bohrs Komplementarität
Bohrs Sicht Komplementarität Unschärferelation Definition von Objekten p q ħ/ 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.
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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 !
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Quantentheorie und Kausalität
3. Welcher Weg-Experimente und ihre kausale Deutung
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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
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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.: Apr. 2005
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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),
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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), & P.Busch & P.Lahti, arXiv:quant-ph/
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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 Weg 2 Interferenz verschwunden!
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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
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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 Weg 2 Interferenz verschwindet ! S.Dürr & G.Rempe, Advances in Atomic, Molecular and Optical Physics 42 (2000), 29-70
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3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung
„Quanten-Radierer” addiere Gerät zur Präparation & Messung einer Superposition von 1 und2 f = ½ [1 (c11 + c22 ) + 2 (d11 + d22 )] Interferenz ist wieder da ! S.Dürr & G.Rempe, Advances in Atomic, Molecular and Optical Physics 42 (2000), 29-70
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3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung
„Quanten-Radierer” addiere Gerät zur Präparation & Messung einer Superposition von 1 und2 f = ½ [1 (c11 + c22 ) + 2 (d11 + d22 ) Interferenz wieder da ! „Quanten-Radierer“ mit verzögerter Wahl: verzögerte Wahl wähle ein Subensemble der früheren Messungen! kein Wunder geschieht! keine „Rückwärts-Verursachung” nötig!
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Quantentheorie und Kausalität
4. Polarisierte Photonen
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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”)
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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!
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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!
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4. Polarisierte Photonen
Präparation und Messung Teilchenbild: ? Laser Absorber 2 Absorber 1 kein Licht 2 Absorber: kein Photon kommt durch!
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4. Polarisierte Photonen
Präparation und Messung Teilchenbild: Laser Absorber 2 Absorber 1 Absorber 3 einige Photonen kommen durch 3 Absorber: einige Photonen kommen durch!
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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!
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4. Polarisierte Photonen
Präparation und Messung Erklärung der QFT: 1 c d\ e– 1 c11 + c20 d11 + d20 e11 + e20 Laser Vertikaler Polarisator Diagonaler Polarisator Horizontaler Polarisator fluktuierende Teilchen- Detektionen Polarisatoren präparieren Feldmoden mit unscharfem N Detektor wirkt auf Superposition: fluktuierende Zählrate!
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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!)
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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...?)
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Quantentheorie und Kausalität
5. Schlussfolgerungen
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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
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