Quantenphysik: Was ist wirklich real?

Laut Owen Maruni, einem Physiker an der Universität von Oxford, haben seit dem Aufkommen der Quantentheorie in den 1900er Jahren alle über die Seltsamkeit dieser Theorie gesprochen. Wie können sich Partikel und Atome gleichzeitig in mehrere Richtungen bewegen oder gleichzeitig im und gegen den Uhrzeigersinn drehen? Aber mit Worten kann man nichts beweisen. "Wenn wir der Öffentlichkeit sagen, dass die Quantentheorie sehr seltsam ist, müssen wir diese Aussage experimentell überprüfen", sagt Maruni. "Ansonsten machen wir keine Wissenschaft, sondern reden über alle Arten von Kringeln an der Tafel."

Dies veranlasste Marunis Mitarbeiter, eine neue Reihe von Experimenten zu entwickeln, um die Essenz der Wellenfunktion aufzudecken - die mysteriöse Essenz, die Quanten-Kuriositäten zugrunde liegt. Auf dem Papier ist die Wellenfunktion nur ein mathematisches Objekt, das mit dem Buchstaben psi (Ψ) (eines dieser gleichen Kringel) bezeichnet wird und zur Beschreibung des Quantenverhaltens von Teilchen verwendet wird. Je nach Experiment können Wissenschaftler mit der Wellenfunktion die Wahrscheinlichkeit berechnen, ein Elektron an einem bestimmten Ort zu beobachten, oder die Wahrscheinlichkeit, dass sein Spin nach oben oder unten ausgerichtet ist. Aber die Mathematik sagt nicht, was eine Wellenfunktion wirklich ist. Ist das etwas Körperliches? Oder nur ein Computer-Tool, mit dem Sie mit der Unwissenheit der Beobachter über die reale Welt arbeiten können?

Die Tests zur Beantwortung der Frage sind sehr subtil und müssen noch eindeutig beantwortet werden. Die Forscher sind jedoch optimistisch, dass die Auflösung nahe ist. Und schließlich können sie Fragen beantworten, die alle Jahrzehnte geplagt haben. Kann sich ein Teilchen wirklich an vielen Orten gleichzeitig befinden? Ist das Universum ständig in parallele Welten unterteilt, in denen jeweils unsere alternative Version existiert? Gibt es überhaupt etwas, das als objektive Realität bezeichnet wird?

"Solche Fragen kommen früher oder später zu jedem", sagt Alessandro Fedricci, Physiker an der University of Queensland (Australien). "Was ist wirklich real?"

Die Debatte über das Wesen der Realität begann, als die Physiker feststellten, dass Welle und Teilchen nur zwei Seiten derselben Medaille sind. Ein klassisches Beispiel ist ein Experiment mit zwei Schlitzen, bei dem einzelne Elektronen mit zwei Schlitzen auf eine Barriere schießen: Das Elektron verhält sich so, als würde es gleichzeitig durch zwei Schlitze hindurchtreten und von seiner anderen Seite ein gestreiftes Interferenzmuster erzeugen. 1926 erfand der österreichische Physiker Erwin Schrödinger eine Wellenfunktion, um dieses Verhalten zu beschreiben, und leitete eine Gleichung ab, die es ermöglichte, es für jede Situation zu berechnen. Aber weder er noch sonst jemand konnte etwas über die Natur dieser Funktion erzählen.

Gnade in Unwissenheit

Aus praktischer Sicht ist seine Natur nicht wichtig. Die Kopenhagener Interpretation der Quantentheorie, die in den 1920er Jahren von Niels Bohr und Werner Heisenberg erstellt wurde, verwendet die Wellenfunktion lediglich als Werkzeug, um die Ergebnisse von Beobachtungen vorherzusagen, sodass Sie nicht darüber nachdenken können, was in der Realität passiert. "Man kann Physiker nicht für ein solches Verhaltensmodell verantwortlich machen, halt die Klappe und zählt, weil es zu bedeutenden Durchbrüchen in der Kern- und Atomphysik, Festkörperphysik und Elementarteilchenphysik geführt hat", sagt Gene Brickmont, Spezialist für statistische Physik an der Katholischen Universität von Belgien. "Daher wird den Menschen geraten, sich keine Gedanken über grundlegende Probleme zu machen."

Aber einige sind immer noch besorgt. In den 1930er Jahren lehnte Einstein die Kopenhagener Interpretation ab, nicht zuletzt, weil zwei Teilchen ihre Wellenfunktionen verwirren konnten, was zu einer Situation führte, in der die Messungen eines von ihnen sofort den Zustand des anderen wiedergeben konnten, selbst wenn sie durch große Teile getrennt waren Entfernungen. Um diese „erschreckende Wechselwirkung in der Ferne“ nicht ertragen zu können, zog Einstein es vor zu glauben, dass die Wellenfunktionen der Teilchen unvollständig seien. Er sagte, dass es möglich ist, dass Teilchen einige versteckte Variablen haben, die das Messergebnis bestimmen, die von der Quantentheorie nicht bemerkt wurden.

Experimente haben seitdem die Leistung erschreckender Wechselwirkungen aus der Ferne gezeigt, was das Konzept versteckter Variablen ablehnt. Dies hinderte die anderen Physiker jedoch nicht daran, sie auf ihre eigene Weise zu interpretieren. Diese Interpretationen sind in zwei Lager unterteilt. Einige stimmen Einstein zu, dass die Wellenfunktion unsere Unwissenheit widerspiegelt. Dies nennen Philosophen psi-epistemische Modelle. Und andere sehen die Wellenfunktion als die reale Sache - psi-ontische Modelle.

Um den Unterschied zu verstehen, stellen Sie sich das mentale Experiment von Schrodinger vor, das 1935 in einem Brief an Einstein beschrieben wurde. Die Katze ist in einer Stahlkiste. Die Schachtel enthält eine Probe radioaktiven Materials mit einer Wahrscheinlichkeit von 50%, in einer Stunde ein Zerfallsprodukt zu emittieren, und einen Apparat, der eine Katze vergiftet, wenn dieses Produkt entdeckt wird. Da der radioaktive Zerfall ein Ereignis auf Quantenebene ist, schreibt Schrödinger, sollten die Regeln der Quantentheorie besagen, dass am Ende einer Stunde die Wellenfunktion des Inneren der Box eine Mischung aus einer toten und einer lebenden Katze sein sollte.

"Grob gesagt", sagt Fedricci sanft, "ist die Katze in der Box im psi-epistemischen Modell entweder lebendig oder tot, und wir wissen das einfach nicht, weil die Box geschlossen ist." Und in den meisten psi-ontischen Modellen besteht Übereinstimmung mit der Kopenhagener Interpretation: Bis der Beobachter die Schachtel öffnet, ist die Katze sowohl lebendig als auch tot.

Aber hier kommt das Argument zum Stillstand. Welche der Interpretationen ist wahr? Diese Frage ist experimentell schwer zu beantworten, da der Unterschied zwischen den Modellen sehr subtil ist. Im Wesentlichen müssen sie dasselbe Quantenphänomen vorhersagen wie die sehr erfolgreiche Kopenhagener Interpretation. Andrew White, Physiker an der University of Queensland, sagte während seiner 20-jährigen Karriere in der Quantentechnologie: "Diese Aufgabe war wie ein riesiger glatter Berg ohne Felsvorsprünge, der nicht angegangen werden konnte."

2011 änderte sich alles mit der Veröffentlichung des Satzes über Quantenmessungen, der den Ansatz der „Wellenfunktion als Ignoranz“ offenbar beseitigt hat. Bei näherer Betrachtung stellte sich jedoch heraus, dass dieser Satz genügend Raum für ihr Manöver lässt. Es inspirierte die Physiker jedoch, ernsthaft darüber nachzudenken, wie der Streit gelöst werden kann, indem die Realität der Wellenfunktion getestet wird. Maruni hat bereits ein Experiment entwickelt, das im Prinzip praktikabel ist, und er und seine Kollegen haben bald einen Weg gefunden, es in die Praxis umzusetzen. Das Experiment wurde letztes Jahr von Fedricci, White und anderen durchgeführt.

Stellen Sie sich zwei Kartenspiele vor, um die Idee des Tests zu verstehen. In einem gibt es nur rote, im anderen nur Asse. „Sie geben dir eine Karte und fragen dich, von welchem ​​Deck sie kommt“, sagt Martin Ringbauer, Physiker an derselben Universität. Wenn dies ein rotes Ass ist, "passiert eine Kreuzung, und Sie können es nicht sicher sagen." Wenn Sie jedoch wissen, wie viele Karten sich in jedem Deck befinden, können Sie berechnen, wie oft diese mehrdeutige Situation auftritt.

Die Physik ist in Gefahr

Die gleiche Mehrdeutigkeit tritt in Quantensystemen auf. Es ist nicht immer möglich, mit einer Messung herauszufinden, wie ein Photon polarisiert ist. „Im wirklichen Leben ist es leicht, den Westen von der Richtung südlich des Westens zu unterscheiden, aber in Quantensystemen ist es nicht so einfach“, sagt White. Nach der Standardinterpretation von Kopenhagen ist es nicht sinnvoll, nach der Polarisation zu fragen, da die Frage keine Antwort hat - bis eine andere Messung die Antwort genau bestimmt. Nach dem Modell "Wellenfunktion als Unwissenheit" ist die Frage jedoch sinnvoll - es ist nur so, dass sowohl dem Experiment als auch dem mit den Kartenspielen Informationen fehlen. Wie bei Karten ist es möglich, vorherzusagen, wie viele mehrdeutige Situationen durch solche Unwissenheit erklärt werden können, und mit der großen Anzahl mehrdeutiger Situationen zu vergleichen, die die Standardtheorie zulässt.

Genau das hat Fedricci mit dem Team besprochen. Die Gruppe maß die Polarisation und andere Eigenschaften im Photonenstrahl und fand den Schnittpunkt, der nicht durch Modelle der "Unwissenheit" erklärt werden kann. Das Ergebnis unterstützt eine alternative Theorie - wenn objektive Realität existiert, gibt es eine Wellenfunktion. „Es ist beeindruckend, dass das Team eine so schwierige Aufgabe mit einem so einfachen Experiment lösen konnte“, sagt Andrea Alberti, Physikerin an der Universität Bonn.

Die Schlussfolgerung ist noch nicht in Granit geschnitzt: Da die Detektoren nur ein Fünftel der im Test verwendeten Photonen einfingen, müssen wir davon ausgehen, dass sich die verlorenen Photonen genauso verhalten haben. Dies ist eine starke Annahme, und jetzt arbeitet die Gruppe daran, Verluste zu reduzieren und ein spezifischeres Ergebnis zu erzielen. Derzeit arbeitet das Maruni-Team in Oxford mit der Universität von New South Wales (Australien) zusammen, um dieses Experiment mit Ionen zu wiederholen, die leichter zu verfolgen sind. "In den nächsten sechs Monaten werden wir eine unbestreitbare Version dieses Experiments haben", sagt Maruni.

Aber selbst wenn der Erfolg auf sie wartet und die Modelle „Wellenfunktion als Realität“ gewinnen, haben diese Modelle unterschiedliche Optionen. Experimentatoren müssen einen von ihnen auswählen.

Eine der frühesten Interpretationen wurde in den 1920er Jahren vom Franzosen Louis de Broglie vorgenommen und in den 1950er Jahren vom Amerikaner David Bohm erweitert. Nach den Broglie-Bohm-Modellen haben Partikel einen bestimmten Ort und Eigenschaften, werden jedoch von einer bestimmten „Pilotwelle“ angetrieben, die als Wellenfunktion definiert ist. Dies erklärt das Experiment mit zwei Schlitzen, da die Pilotwelle beide Schlitze passieren und ein Interferenzbild ergeben kann, obwohl das von ihr angezogene Elektron selbst nur einen der beiden Schlitze passiert.

Im Jahr 2005 erhielt dieses Modell unerwartete Unterstützung. Die Physiker Emanuel Fort, der jetzt am Langevin-Institut in Paris arbeitet, und Yves Kodier von der Universität Paris Didro stellten den Studenten ihrer Meinung nach eine einfache Aufgabe: ein Experiment durchzuführen, bei dem Öltropfen, die auf ein Tablett fallen, aufgrund von Vibrationen des Tabletts verschmelzen. Zur Überraschung aller um die Tropfen herum bildeten sich Wellen, als das Tablett mit einer bestimmten Frequenz vibrierte. "Die Tropfen begannen sich unabhängig voneinander entlang ihrer eigenen Wellen zu bewegen", sagt Fort. "Es war ein Doppelobjekt - ein Teilchen, das von einer Welle gezogen wurde."

Seitdem haben Fort und Code gezeigt, dass solche Wellen ihre Teilchen in einem Experiment mit zwei Schlitzen genau so leiten können, wie es die Pilotwellentheorie vorhersagt, und andere Quanteneffekte reproduzieren können. Dies beweist jedoch nicht die Existenz von Pilotwellen in der Quantenwelt. "Uns wurde gesagt, dass solche Effekte in der klassischen Physik unmöglich sind", sagt Fort. "Und dann haben wir gezeigt, dass sie möglich sind."

Eine andere Reihe von Modellen, die auf der Realität basieren und in den 1980er Jahren entwickelt wurden, versucht, den starken Unterschied in den Eigenschaften zwischen großen und kleinen Objekten zu erklären. „Warum sich Elektronen und Atome gleichzeitig an zwei Orten befinden können und Tische, Stühle, Menschen und Katzen nicht“, sagt Angelo Basi, Physiker an der Universität von Triest (Italien). Diese als "Kollapsmodelle" bekannten Theorien besagen, dass die Wellenfunktionen einzelner Teilchen real sind, aber ihre Quanteneigenschaften verlieren und das Teilchen an eine bestimmte Position im Raum bringen können. Die Modelle sind so konstruiert, dass die Wahrscheinlichkeit eines solchen Zusammenbruchs für ein einzelnes Teilchen äußerst gering ist, so dass Quanteneffekte auf atomarer Ebene dominieren. Die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenbruchs steigt jedoch schnell an, wenn Teilchen kombiniert werden und makroskopische Objekte ihre Quanteneigenschaften vollständig verlieren und sich gemäß den Gesetzen der klassischen Physik verhalten.

Eine Möglichkeit, dies zu überprüfen, besteht darin, in großen Objekten nach Quanteneffekten zu suchen. Wenn die Standardquantentheorie wahr ist, gibt es keine Größenbeschränkungen. Und Physiker haben bereits ein Experiment mit zwei Schlitzen unter Verwendung großer Moleküle durchgeführt. Wenn die Kollapsmodelle jedoch wahr sind, sind Quanteneffekte nicht sichtbar, wenn eine bestimmte Masse überschritten wird. Verschiedene Gruppen planen, diese Masse mit kalten Atomen, Molekülen, Metallclustern und Nanopartikeln zu suchen. Sie hoffen, in den nächsten zehn Jahren Ergebnisse zu erzielen. „Was bei diesen Experimenten cool ist, ist, dass wir die Quantentheorie strengen Tests unterziehen werden, bei denen sie noch nicht getestet wurde“, sagt Maruni.

Parallele Welten

Ein Modell „Wellenfunktion als Realität“ ist Science-Fiction-Autoren bereits bekannt und beliebt. Dies ist eine weltweite Interpretation, die in den 1950er Jahren von Hugh Everett entwickelt wurde, der damals Student an der Princeton University in New Jersey war. In diesem Modell bestimmt die Wellenfunktion die Entwicklung der Realität so stark, dass sich das Universum bei jeder Quantenmessung in parallele Welten aufteilt. Mit anderen Worten, wenn wir eine Schachtel mit einer Katze öffnen, gebären wir zwei Universen - eines mit einer toten Katze und das andere mit einer lebenden.

Es ist schwierig, diese Interpretation von der Standardquantentheorie zu trennen, da ihre Vorhersagen übereinstimmen. Aber letztes Jahr schlugen Howard Wiseman von der University of Griffith in Brisbane und Kollegen ein Modell der Multivers vor, das überprüft werden kann. In ihrem Modell gibt es keine Wellenfunktion - Teilchen gehorchen der klassischen Physik, den Newtonschen Gesetzen. Und die seltsamen Effekte der Quantenwelt treten auf, weil zwischen Teilchen und ihren Klonen in parallelen Universen Abstoßungskräfte bestehen. "Die Abstoßungskraft zwischen ihnen erzeugt Wellen, die sich über alle parallelen Welten ausbreiten", sagt Wiseman.

Mithilfe einer Computersimulation, in der 41 Universen interagierten, zeigten sie, dass das Modell in einem Experiment mit zwei Schlitzen grob mehrere Quanteneffekte reproduziert, einschließlich Teilchenbahnen. Mit zunehmender Anzahl von Welten tendiert das Interferenzmuster zum Realen. Da die Vorhersagen der Theorie je nach Anzahl der Welten variieren, können Sie laut Wiseman überprüfen, ob das Multiversum-Modell richtig ist - das heißt, es gibt keine Wellenfunktion, aber die Realität funktioniert nach klassischen Gesetzen.

Da die Wellenfunktion in diesem Modell nicht benötigt wird, bleibt sie auch dann lebensfähig, wenn zukünftige Experimente Modelle mit „Ignoranz“ ausschließen. Darüber hinaus werden andere Modelle überleben, beispielsweise die Kopenhagener Interpretation, die behauptet, dass es keine objektive Realität gibt, sondern nur Berechnungen.

Aber dann, wie White sagt, wird diese Frage Gegenstand des Studiums sein. Und obwohl noch niemand weiß, wie es geht, „wäre es wirklich interessant, einen Test zu entwickeln, der prüft, ob wir eine objektive Realität haben“.

Source: https://habr.com/ru/post/de388179/