Eine kurze Geschichte der Quantenalternativen

Die Quantenmechanik „Kopenhagen“ sagt, dass die Realität erst existiert, wenn sie gemessen wird. Daher suchen viele weiterhin nach Alternativen zu dieser Interpretation

1915 entwickelte Albert Einstein mit Hilfe seiner Freunde die Gravitationstheorie , die alles drehte, was wir als Grundlage der physischen Realität betrachteten. Die Vorstellung, dass der Raum, in dem wir leben, nicht vollständig durch die euklidische Geometrie beschrieben werden kann, war unverständlich; so sehr, dass der Philosoph Immanuel Kant, in vielerlei Hinsicht ein radikaler Denker, sagte, dass keine Theorie der Physik damit fertig werden könne.

Der Physiker Werner Heisenberg wies später auf die Bedeutung von Kants Fehler hin. Der große Philosoph postulierte, dass unser intuitives Verständnis der alten Geometrie von Euklid bedeutete, dass es eine notwendige Grundlage der physischen Realität war. Tatsächlich stellte sich heraus, dass dies falsch war und das gesamte philosophische System Kants in Frage stellte.

Trotz eines radikalen Bruches mit früheren Vorstellungen von Raum und Zeit verbanden sich Einsteins Theorien bald mit Newtons Vorstellungen als Teil der " klassischen Physik ". Die Menschheit war dazu gezwungen, weil sich die Revolution des wissenschaftlichen Denkens als so tiefgreifend herausstellte, dass sie eine helle Spur in der Geschichte der Wissenschaft bildete: die Entwicklung der Theorie der Quantenphysik.

Was kann als eine tiefere wissenschaftliche Revolution bezeichnet werden als die allgemeine Relativitätstheorie? Was könnte eine stärkere tektonische Verschiebung bewirken als die Vorstellung, dass Raum und Zeit selbst durch Materie gekrümmt sind?

Um dies zu verstehen, müssen wir zuerst versuchen zu verstehen: Dies ist die inhärente Fremdheit, die der Quantenmechanik innewohnt. Sobald wir uns in der Quantenwelt unwohl fühlen, werden wir verstehen, warum Physiker nach dem Erscheinen von KM auf der Bühne versucht haben, Alternativen dazu zu schaffen - Alternativen, die die gleichen fantastischen Entsprechungen mit Experimenten herstellen und gleichzeitig einen Teil des klassischen Kerns bewahren, der mit unserer Tiefe übereinstimmt ein intuitives Verständnis dafür, wie sich die Natur verhalten sollte .

Alles was du weißt ist falsch

Unser tiefes intuitives Verständnis der Natur der Realität ergibt sich aus der Beobachtung und Interaktion mit der Welt um uns herum, beginnend mit der Kindheit. Noch bevor wir es ausdrücken können, beginnen wir, Ursache-Wirkungs-Beziehungen zu verstehen. Die Ursache für jedes Ereignis ist ein anderes Ereignis, das aufgetreten ist. Die Welt ist vorhersehbar.

Später werden wir anspruchsvoller. Wir erkennen an, dass unser Verständnis der Ursachen begrenzt ist und wir uns der Unsicherheit ihrer Folgen bewusst sind. Vielleicht studieren wir sogar Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik und lernen, die Grenzen unseres Wissens in mathematischer Form auszudrücken. Wir glauben jedoch, dass dies nur unsere Grenzen sind und dass die für uns unsichtbare Natur hinter den Kulissen weiterhin die genauen Regeln von Ursache und Wirkung anwendet. Wenn wir eine Münze werfen, ist es nur ein Mangel an Informationen über die Bewegung der Münze und die Luft, der uns sagen lässt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Adler fällt, eine Sekunde beträgt. Wir gehen davon aus, dass wir uns nicht auf Wahrscheinlichkeiten verlassen müssten, wenn wir alle Details kennen und einen Computer hätten, der groß genug ist, um die Berechnungen durchzuführen.

Eine solche „realistische“ Sicht der Dinge kann jedoch die harten Daten, die in Experimenten mit Photonen und anderen subatomaren Teilchen erhalten wurden, nicht überleben (und hat sie nicht überlebt). Es waren nicht die Physiker, die sich aufgrund ihrer hartnäckigen Unlösbarkeit dazu entschlossen haben, eine Theorie zu entwickeln, die unseren wertvollsten intuitiven Gefühlen über die Realität widerspricht: Tatsächlich weigerten sich diese experimentellen Ergebnisse hartnäckig, klassischen Interpretationen zu entsprechen. Die Erfindung des Quantenformalismus war ein Akt der Verzweiflung - der einzige, der funktionierte. Wenn wir uns darauf beschränken, Fragen zu stellen, die die Quantentheorie zulässt, werden wir mit den richtigen Antworten belohnt. Wenn wir jedoch weiterhin versuchen, anhand der Konzepte der klassischen Welt zu klären, was die Theorie uns sagt, werden wir verwirrt sein.

Als Physikstudent sah ich eine Trainingsdemonstration, die es mir ermöglichte, einen kurzen Blick auf die unsichtbare Fremdheit der Welt um uns herum zu werfen. Sie können dieses Experiment zu Hause mit nur einer Taschenlampe oder einem Laserpointer sowie drei Polarisationsfiltern wiederholen (Sie können auch Brillen von kaputten Sonnenbrillen mit Polarisation verwenden). Platzieren Sie die beiden Filter in einer Reihe und lassen Sie einen Abstand zwischen ihnen. Führen Sie das Licht durch dieses Paar und drehen Sie einen Filter, bis das Licht nicht mehr durchgeht. ihre Polarisationsachsen wurden senkrecht. Fügen Sie nun den dritten Filter zwischen die ersten beiden ein. Sie werden sehen, dass das Licht durch diese Struktur zu treten beginnt: In gewisser Weise lässt das Licht durch Hinzufügen eines zusätzlichen Filters durch.

Diese Demonstration war Teil des Einführungsteils des Kurses über Quantenmechanik. Einige Wochen lang waren wir in den Formalismus der Quantentheorie eingetaucht, aus dem dieses scheinbar paradoxe Verhalten als triviale Konsequenz hervorgeht.

Es gibt Leute, die behaupten, dass es kein Paradoxon gibt und dass ein solches Verhalten mit dem klassischen Ansatz erklärt werden kann. Und in gewissem Sinne sind sie absolut richtig. Die Ergebnisse der Desktop-Demonstration, erstaunliche Studenten, die bereits mit der klassischen Physik vertraut sind, ergeben sich offensichtlich aus dem Quantenformalismus. Und das bedeutet etwas.


Zwei-Lücken-Experiment mit Elektronen.

Wissenschaftler der ersten Jahrzehnte des letzten Jahrhunderts waren mit viel erstaunlicheren und unerklärlicheren experimentellen Ergebnissen konfrontiert. Erwähnen Sie oft das obige Experiment mit zwei Slots. Wenn wir dieses Experiment mit Elektronen oder Photonen durchführen, erhalten wir die gleichen Ergebnisse: ein Interferenzbild, als ob zwei Störwellen aus zwei Schlitzen entstanden wären. Dies zeigt, dass Licht eine Welle ist und dass sich sogar Teilchen mit Masse wie Elektronen unter Bedingungen wie Wellen zu verhalten scheinen.

Das Experiment kann jedoch auf zwei merkwürdige Arten geändert werden. Wenn Sie die Emissionsfrequenz von Partikeln (Photonen, Elektronen oder sogar ganzen Molekülen) verlangsamen, sodass jeweils nur ein Partikel durch die Schlitze gelangt, ändert sich das Ergebnis nicht. Dies sollte bedeuten, dass das Teilchen irgendwie in zwei Teile geteilt ist, durch beide Schlitze geht und mit sich selbst interagiert! Zweitens verschwindet das Interferenzmuster und wird durch ein Muster ersetzt, das zu erwarten wäre, wenn die Partikel gewöhnliche Partikel ohne Welleneigenschaften wären: nur zwei symmetrische Verteilungen, relativ zu jedem der Schlitze zentriert.

Es war schwierig, eine Theorie zu finden, die die Ergebnisse erklärt und für alle geeignet ist. Es schien, dass Photonen oder Elektronen sich manchmal entschieden, sich wie Wellen und manchmal wie Teilchen zu verhalten, je nachdem, was der Experimentator betrachten wollte.

Dann wurde alles noch seltsamer. Die Technologien haben sich so weit entwickelt, dass wir wählen können, welche Art von Messung durchgeführt werden soll, nachdem das Teilchen seine Reise begonnen hat. Die Ergebnisse solcher Experimente mit verzögerter Auswahl blieben gleich. Wenn wir sehen, welche Richtung das Teilchen gewählt hat, wird die Interferenz zerstört. Wenn wir uns sozusagen abwenden, kehrt das bekannte Interferenzmuster zurück. Trotzdem musste das Partikel „entscheiden“, ob es sich wie ein Partikel oder wie eine Welle verhalten soll, bevor es durch die Risse geht und bevor es die endgültige Konfiguration des Experiments erstellt.

Die Ergebnisse von Experimenten mit verzögerter Selektion führten dazu, dass mehr als ein Physiker davon ausging, dass Informationen über die Wahl des Verhaltens eines Teilchens oder einer Welle vom Zeitpunkt der Wahl zu einem bestimmten Zeitpunkt, bevor das Teilchen die Vorrichtung passiert, zeitlich zurückgesendet werden. Die Tatsache, dass diese Annahme mit äußerster Ernsthaftigkeit diskutiert wurde, sollte Ihnen eine Vorstellung davon geben, wie schwierig es war, die Ergebnisse von Experimenten in der Mikrowelt mit einer Reihe von Konzepten (wie Kausalität ) zu erklären, die aus unseren realistischen Weltbildern stammen. Die Erklärung der Zeitreise dauerte bis zu einem Moment, als wir ein Experiment mit langsamen und kalten Heliumatomen in einem ähnlichen Schema durchführten. Atome passierten den Apparat nur unter dem Einfluss der Schwerkraft, daher verging eine beträchtliche Zeit zwischen dem Moment des Durchgangs und der Wahl der Methode zu ihrer Beobachtung. Obwohl Physiker manchmal einige sehr schnelle subatomare Prozesse als eine begrenzte Form der Zeitreise beschreiben, machte die lange Dauer von Experimenten mit Helium eine solche Erklärung unmöglich.

Was bleibt uns noch übrig? Die Ergebnisse dieser und vieler anderer Experimente lassen sich mit traditionellen, auf der Realität basierenden Konzepten einfach nicht beschreiben: Objekte existieren mit bestimmten Eigenschaften; Wenn wir uns entscheiden, eine einzelne Eigenschaft nicht zu messen, hat dies immer noch eine Bedeutung. Die Physiker hatten lange vor der Quantenrevolution Erfahrung mit Unsicherheit, aber diese Unsicherheit war von einem völlig anderen Typ. Es war eine Unsicherheit des Wissens , die eine unbekannte, aber existierende Ebene bestimmter Realität unter dem, was wir direkt wahrnehmen, implizierte.

Wenn wir all diese Konzepte verwerfen, die für unser Verständnis der Welt so grundlegend sind, warum sollten wir sie dann ersetzen? Schließlich wurden sie nicht nur zu einem intuitiven Bestandteil unserer täglichen Erfahrung, sondern dienen auch als Grundlage für andere Bereiche der Wissenschaft.

Was wir nicht sehen

Im neunzehnten Jahrhundert führte der Determinismus auf mikroskopischer Ebene zum ersten großen Erfolg des probabilistischen Denkens in der Physik: der kinetischen Theorie der Gase . Es basierte auf der alten Idee, dass Materie aus einer großen Anzahl einfacher Atome besteht, die sich wie submikroskopische Tischtennisbälle abstoßen. Dank einiger einfacher Annahmen sowie eines guten Anteils der Mathematik, die die kinetische Theorie hervorgebracht hat, konnten die Wissenschaftler die Gesetze der Thermodynamik ableiten, die uns als Durchschnittswerte des Verhaltens idealer Atome bekannt sind. Die kinetische Theorie hat gezeigt, wie die beobachteten Phänomene aus dem gemittelten Verhalten vieler Prozesse entstehen können, die wir nicht direkt beobachten können. Trotzdem handelten diese gemittelten Verhaltensweisen nach den bekannten deterministischen Gesetzen der klassischen Mechanik - die gesamte Theorie basierte auf ihnen.


Teilchen, die die Brownsche Bewegung zeigen.

Selbst im 20. Jahrhundert glaubten viele Wissenschaftler nicht an die Realität der Atome. Der Wendepunkt war Einsteins Artikel über die Brownsche Bewegung, der 1905 veröffentlicht wurde. Es wurden statistische Überlegungen verwendet, die zeigten, dass die zufällige Bewegung von in Wasser suspendierten Pollenpartikeln durch den Beschuss eines unsichtbaren Satzes von Partikeln erklärt werden kann.

Einstein erhielt seinen Nobelpreis nicht für diese Arbeit und nicht für einen anderen Artikel im Jahr 1905, in dem er das Konzept der Relativitätstheorie E = mc ² einführte. Der Preis wurde ihm für eine weitere Arbeit verliehen, die im selben Jahr veröffentlicht wurde und dem photoelektrischen Effekt gewidmet ist. Diese Veröffentlichung löste unbeabsichtigt einen Prozess aus, der zum Zusammenbruch unserer klassischen Realität führte.

Einsteins preisgekrönter Artikel erklärte viele der mysteriösen Ergebnisse von Experimenten zur Wechselwirkung von Licht und Materie. Es wird postuliert, dass Licht von diskreten Energiemengen, die Quanten genannt werden, absorbiert und von der Materie emittiert wird. Diese Arbeit war die Geburtsstunde der Quantenphysik - und dieses Kind von Einstein begann sich in eine Richtung zu entwickeln, die sogar seinen eigenen Vater irritierte.

In den nächsten zwei Jahrzehnten explodierte die experimentelle Forschung auf einem neuen Gebiet der Atomphysik und -chemie. Das Elektron wurde von den Fesseln des Atoms befreit und begann direkt damit zu experimentieren. Seltsamere Phänomene tauchten in den Ergebnissen von Experimenten auf, eine Reihe unvollständiger Theorien und Modelle, mathematische Interpretationen zur Beschreibung der Mikrowelt erschienen. Allmählich kam alles zusammen und die Physiker konnten endlich die experimentellen Ergebnisse vorhersagen. Dies erforderte jedoch eine ungewöhnliche, abstrakte mathematische Struktur und eine Reihe von Regeln, die sie mit den gemessenen Aspekten der Natur, nämlich der Quantenmechanik, verbinden. (Diese Geschichte wird in einem sehr gut geschriebenen Buch von David Lindley erzählt.)

Bis zum dritten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts akzeptierten fast alle Wissenschaftler die Realität von Atomen und noch kleineren Teilchen. Aber sie stellten sie als unsichtbare winzige Versionen bekannter Objekte dar: Zum Vergleich wurden Planeten, Billardkugeln und Sandkörner verwendet. Die meisten Wissenschaftler, die nicht zu dem kleinen Kreis gehörten, der die neue Theorie schuf oder verstand, gingen davon aus, dass es sich um eine andere Version einer kinetischen Theorie der Gase handelt. Und heute denken die meisten Menschen wahrscheinlich ähnlich: Atome und andere Komponenten der Mikrowelt mögen exotische Eigenschaften haben und seltsamen mathematischen Regeln folgen, aber zumindest nehmen sie an der Realität teil, die wir kennen. Die Quantenmechanik behauptet jedoch das Gegenteil.

Eine der Schlüsselfiguren in seiner Entwicklung ist Niels Bohr (mit maßgeblichem Einfluss von Max Born und Werner Heisenberg), der auch eine der seltsamsten Figuren in der Geschichte der Physik war. Bohr war ein Physiker-Philosoph, der seine Kollegen langweilte, indem er lange, detaillierte, manchmal unverständliche Sätze aussprach. Obwohl er die Theorie zweifellos perfekt kannte und dafür bekannt war, in der Anfangsphase der Atomforschung mehrere Rätsel zu lösen, zog er oft müßige, sinnlose Gespräche der Manipulation von Gleichungen vor. Er bestand darauf , die Bedeutung von allem zu verstehen . (Seine Suche nach Bedeutung wurde von einigen anderen Pionieren der Quantenphysik nicht geteilt, da sie bereits mit dem Shut Up and Calculate- Ansatz begonnen hatten.)


Familienwappen von Niels Bohr.

Teilweise inspiriert von der Theorie der Physik, die er mitgestaltete, begann Bohr allmählich, seine mystische Seite zu entwickeln, und fügte seinem Wappen sogar das Symbol "Yin-Yang" hinzu.

Dieses erste Verständnis oder diese Interpretation der Quantenmechanik wurde später zu Ehren der Universität Bohr als „Kopenhagener Interpretation“ bekannt . Es ist immer noch die Standardansicht der Quantenmechanik, obwohl es keine formale Definition gibt. Es handelt sich vielmehr um eine Reihe allgemein anerkannter praktischer Regeln, die sich auf die Teile der Theorie beziehen, die im Labor beobachtet werden können. Sie können auf verschiedene Arten formuliert werden; Hier ist eine Version, die ein modernes Verständnis der Hauptaspekte widerspiegelt:

• Der Zustand (Position, Impuls usw.) des Systems wird vollständig durch seine „Wellenfunktion“ bestimmt - ein mathematisches Objekt, das gemäß den Gleichungen der Quantenmechanik deterministisch transformiert wird. Die Wellenfunktion kann nicht direkt beobachtet werden; Es gibt uns jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass wir das System zum Zeitpunkt der Messung in einem bestimmten Zustand finden. Solche "Systeme" können Elementarteilchen sein, beispielsweise Elektronen und Protonen, Atome oder sogar große Moleküle. Während des Messvorgangs „ziehen“ sich die Wellenfunktion und ihre Wahrscheinlichkeiten auf den gemessenen Wert zusammen.
• Es gibt keine andere „Realität“ als die Berechnung von Wahrscheinlichkeiten. Es gibt keine zugrunde liegende Schicht des Determinismus; Es gibt keine versteckten Mechanismen, die aufzeichnen, was vor der Messung gemessen wird. Diese Wahrscheinlichkeiten spiegeln nicht den Mangel an Wissen wider, wie in der klassischen statistischen Physik, da es nichts zu wissen gibt. Es gibt nur Wahrscheinlichkeit.
• Es gibt grundlegende Einschränkungen dessen, was gemessen werden kann, beschrieben durch Unsicherheitsrelationen: Bestimmte Größenpaare können gleichzeitig mit einem bestimmten Grad an Genauigkeit gemessen werden (Position-Impuls und Zeit-Energie können als Beispiele dienen). Dies hat nichts mit Technologie oder experimentellen Methoden zu tun; Diese Einschränkungen sind Teil der Natur und können nicht vermieden werden.

Die Kopenhagener Interpretation kommt mit allen Feinheiten, die Phänomene umgeben, wie den oben beschriebenen Experimenten mit verzögerter Selektion, gut zurecht. Es ist nicht nötig, mysteriöse Signale in die Vergangenheit zu senden oder komplexe Theorien zu erstellen, um unsere Vorstellungen von der Realität zu bewahren. Wir müssen diese Ideen einfach aufgeben und die Tatsache akzeptieren, dass Eigenschaften unabhängig von ihrer Messung nicht existieren. Werte werden erst real, wenn sie gemessen werden, und die Quantenmechanik sagt uns, dass sie nur die Wahrscheinlichkeiten verschiedener Realitäten sind.

Gibt es keinen Ausweg?

Die Konsequenzen der Quantenmechanik sind zusammen mit der Kopenhagener Interpretation nicht intuitiv, bizarr und metaphorisch inakzeptabel. Es war das Primat der Wahrscheinlichkeiten und die Zerstörung der bestimmten Kausalität, die Einstein dazu brachte, zu beanstanden, dass Gott "nicht mit der Welt würfelt". Warum akzeptieren Physiker diese Theorie gerne? Warum können wir nicht sagen, dass es deterministische "versteckte Parameter" geben kann, die die Ursachen für die Wahrscheinlichkeiten der Quantenwelt geworden sind?

Der wichtigste und unmittelbarste Grund ist der Satz von Bell.Dieser Satz, der 1964 von John Stuart Bell bewiesen wurde , zeigt, dass bestimmte Experimente bestimmte Ergebnisse liefern sollten , wenn es eine Schicht versteckter Parameter gibt, die wir nicht messen können. Bis heute gibt es viele Hinweise auf äußerst genaue Experimente, dass Messungen solche Ergebnisse nicht liefern. Die Logik erfordert die Erkennung, dass es in der Mikrowelt keine unbekannte deterministische Schicht gibt.

Der Satz von Bell kann es unseren experimentellen Ergebnissen und deterministischen versteckten Parametern ermöglichen, nur unter einer Bedingung nebeneinander zu existieren: Der Einfluss dieser Parameter muss sich schneller ausbreiten als die Lichtgeschwindigkeit. Ein solcher Einfluss kann jedoch keine echte klassische Informationsübertragung sein, da die Möglichkeit dazu durch die spezielle Relativitätstheorie ausgeschlossen ist. Wie Einstein betonte, wird das Bewegen von Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit unsere Vorstellungen über Ursachen und Wirkungen weiter verletzen: Es wird ermöglichen, dass Wirkungen den Ursachen vorausgehen, selbst auf der Ebene des Makrokosmos.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, verborgenen Parametern zu erlauben, den kurzlebigen Effekt der Quantenmechanik zu übertragen, der sich sofort ausbreitet, aber keine Informationen im klassischen Sinne überträgt. Einstein nannte diese mysteriösen Einflüsse spöttisch „schreckliche Fernwirkung“, aber mit ihnen erklären wir die Ergebnisse von Messungen verwickelter Partikel. Für sie kann die Messung des Zustands eines Partikels Aufschluss darüber geben, wie sich die Messung eines anderen Partikels in beliebiger Entfernung auswirkt. Theorien, die den Einfluss des Bellschen Theorems vermeiden und die Existenz versteckter Variablen ermöglichen, die auf Distanz einen unmittelbaren Effekt übertragen, werden als "nichtlokale Theorien versteckter Parameter" bezeichnet. Aber sie sind die einzige Möglichkeit, die Quantenmechanik für uns komfortabler zu gestalten.


Weniger bekanntes Experiment mit Schrödinger-Pfeife.

Freiheit hat ihren Preis

Sie sollten sich nicht wundern, dass Physiker seit den ersten Tagen der Quantenmechanik nach einem Ausweg aus der Situation gesucht haben. Aber wie könnte etwas anderes möglich sein, wenn der Satz von Bell uns keinen Ausweg lässt?

Jeder Satz basiert immer auf expliziten und impliziten Annahmen. Bell's Beweis verwendet eine ziemlich einfache Mathematik und es scheint, dass keine Annahmen angewendet werden, die wir nicht bereits als wahr akzeptieren würden. Aber äußerst komplexe Probleme inspirieren die Menschen zu verzweifelten Maßnahmen. Quantentheoretiker haben nach Alternativen zur Kopenhagener Interpretation gesucht und einige dieser stillschweigenden Annahmen untersucht - solche, die selten in Frage gestellt werden, weil sich niemand vorstellen kann, dass sie nicht wahr sind.

Quantenlogik

Eine dieser unerforschten Annahmen beeinflusst die Regeln der Logik, auf denen jede Art von Argumentation basiert, einschließlich der Mathematik. Interpretationen der Quantenmechanik, die die Logik selbst verändern und versuchen, etwas zu ersetzen, werden als Quantenlogik bezeichnet . Dieses Wissensgebiet hat einen respektablen Stammbaum und stammt von John von Neumann, einem großartigen Gelehrten, der die frühe mathematische Formulierung der Quantentheorie geschrieben hat. In den 1930er Jahren zeigte er, dass die mathematische Struktur der Theorie an eine Logik gebunden ist, die sich von der der aristotelischen Logik zugrunde liegenden Physik unterscheidet. Die Forschung auf diesem Gebiet ist weiterhin ein exotisches (und reizvolles) Forschungsgebiet. Bisher hat niemand eine voll funktionsfähige, zufriedenstellende Alternative zur Kopenhagener Interpretation geschaffen.

Obwohl dieser Bereich sehr tief und ziemlich mysteriös ist, gibt es einfache Beispiele dafür, wie die vertraute Logik nicht gut in die Quantenwelt passt und wie man eine Alternative dazu schafft. Als eine der ersten in der Literatur gibt es eine einzigartige Quantenidee der Überlagerung von Zuständen. In der Quantenwelt werden unsere üblichen Vorstellungen von Realität durch eine Wellenfunktion ersetzt, die uns die Wahrscheinlichkeit gibt, ein System in verschiedenen Zuständen zu erfassen. Wenn sich das System nur in einem von zwei Zuständen befinden kann, befindet es sich vor der Durchführung der Messungen selbst in einem Zustand, in dem keiner von beiden oder beide überlagert sind. Ein beliebtes Beispiel hierfür ist ein Gedankenexperiment mit der Schrödinger-Katze, die bis zum Öffnen der Schachtel, in der sie sitzt, als lebendig und tot gilt. Ein Experiment ist ein dramatischer Konflikt mit der klassischen Mechanik und unseren alltäglichen Vorstellungen von der Realität: Eine „Katze“ erfordert, dass sich das System tatsächlich in einem von zwei möglichen Zuständen befindet, und nur der Akt der Messung zeigt uns, wie der Zustand die ganze Zeit gewesen ist.


Erwin Schrödinger

Eine Möglichkeit, Überlagerungsbedeutung zu geben, besteht darin, andere logische Regeln anzuwenden. Wenn in unserer üblichen Logik die Aussage p (zum Beispiel "das Elektron befindet sich in dem Zustand, in dem der Spin nach oben ausgerichtet ist") falsch ist und die Aussage q ("das Elektron befindet sich in dem Zustand, in dem der Spin nach unten ausgerichtet ist") falsch ist, dann ist p ∨ q (wobei ∨ bedeutet " oder ") muss auch falsch sein. Genau das passiert bei klassischen Messungen. In der Quantenmechanik kann p nur dann wahr sein, wenn es gemessen wird. Ob es im klassischen Sinne als „falsch“ oder als etwas anderes angesehen werden sollte, ist eine andere Frage. Ebenso kann q auch nicht wahr sein. Die Kombination p ∨ q muss jedoch wahr sein, weil dies die Definition der Überlagerung ist, in der sich das Elektron vor der Messung befindet. Daher sollte unsere Quantenlogik zulassen, dass p ∨ q wahr ist, wenn weder p noch q wahr sind, im Gegensatz zur Aristoteles-Logik.

Es mag seltsam erscheinen, sich auf eine Änderung der Logikregeln selbst zu verlassen. Auf diese Weise können wir die Fremdheit der Quantenmechanik auf ein oder zwei Ebenen reduzieren, von der Ebene der Physik bis zur Ebene der Regeln, die wir zum Denken verwenden können.

Stochastische Mechanik

Diese Interpretation oder Erklärung der Quantenmechanik lässt die Logik intakt, fügt aber einen neuen physikalischen Prozess hinzu. Der moderne und vielversprechende Zweig der stochastischen Mechanik begann mit einem Artikel von Edward Nelson aus dem Jahr 1966 , der kühn erklärte:

"In diesem Artikel müssen wir zeigen, dass eine radikale Abweichung von der klassischen Physik, die durch die Entstehung der Quantenmechanik vor vierzig Jahren verursacht wurde, nicht notwendig war."

Das Hauptergebnis des Artikels ist beeindruckend: Der Autor leitet die Schrödinger-Gleichung - die zentrale Gleichung der Quantenmechanik - ab, unter der Annahme, dass Teilchen schnell oszillierenden Zufallskräften ausgesetzt sind. Folglich zeigen mikroskopische Teilchen wie Elektronen etwas Ähnliches wie die Brownsche Bewegung. Nelson leitet die Gleichung ab und verwendet aktiv Mathematik aus der statistischen Physik.

Seit Nelsons Artikel hat sich dieses Gebiet stetig weiterentwickelt und eine große Gemeinschaft von Forschern angezogen. Zu ihren faszinierenden Erfolgen gehören die Erklärung des quantisierten Drehimpulses („zurück“), die Quantenstatistik und das berühmte zweiteilige Experiment . Die stochastische Mechanik ist jedoch noch weit davon entfernt, die Kopenhagener Interpretation oder die traditionelle Quantenmechanik zu ersetzen. Es verwendet eine nicht-physische Sofortaktion aus der Ferne und gibt bei einigen Arten von Messungen falsche Vorhersagen. Ihre Apologeten geben jedoch nicht auf. Wie Nelson beim Parsen sagt zu diesem Thema: "Wie kann eine Theorie so richtig und gleichzeitig so falsch sein?"

Pilotwellentheorie

Diese Version der Quantenmechanik kehrt zu den Anfängen des Feldes zurück. Wenn das erste Teil des Quantenpuzzles 1905 von Einstein ins Leben gerufen wurde, als er erklärte, wie Licht durch diskrete Größen von Materie absorbiert und emittiert wird, dann wurde das zweite Fragment 1924 von Louis de Broglie eingesetzt. De Broglie erklärte, während sich Lichtwellen wie Teilchen verhalten können, können sich Teilchen wie Elektronen wie Wellen verhalten.

Im folgenden Jahr skizzierte de Broglie seine Theorie der Pilotwelle , bei der die in realen physischen Objekten beobachteten Materiewellen durch die Bewegung von Partikeln erzeugt werden. In gewisser Weise war dies die anfängliche Interpretation der Quantenmechanik, die jedoch bald von der Kopenhagener Interpretation besiegt wurde. De Broglies Ideen wurden in den 1950er Jahren von David Bohm wiederentdeckt, der sie gabWeiterentwicklung . In dieser Formulierung wird die Wellenfunktion auch durch die Schrödinger-Gleichung gesteuert, aber die Wellenpilot-Theorie fügt eine daraus abgeleitete Gleichung hinzu, die die Bewegung der Teilchen direkt beeinflusst. Es wird angenommen, dass Partikel reale Flugbahnen haben, die unabhängig von Messungen existieren. Charakteristische Quanteneffekte wie Interferenzen in einem Experiment mit zwei Schlitzen ergeben sich aus komplexen Trajektorien, denen Elektronen oder Photonen während des Experiments folgen. Diese Interpretation stellt einen großen Teil des Verhaltens der Quantenwelt wieder her, während der Realismus erhalten bleibt. Es bringt die Wahrscheinlichkeit an unseren gewohnten Platz zurück, dh die Wahrscheinlichkeit wird wieder zu einem Indikator für unser unvollständiges Wissen und nicht zu einem integralen Bestandteil der Natur.


Louis de Broglie

Ein ernstes Hindernis für die Wellenpiloten-Theorie ist, dass die von ihr erzeugten Teilchenbahnen komplex und oft bizarr sind. Ein weiteres Hindernis besteht darin, dass es einer extremen Nichtlokalität bedarf, die im Prinzip die Bewegung eines Teilchens als abhängig vom Zustand aller anderen Teilchen im Universum beschreibt. Diese Theorie wird jedoch von vielen Physikern als die vielversprechendste Alternative zur Kopenhagener Interpretation angesehen und wird aktiv untersucht .

Ein faszinierendes Merkmal der Pilotwellentheorie ist die Möglichkeit, Analoga einiger der vorhergesagten Verhaltensweisen, die für die Mikroebene charakteristisch sind, auf makroskopischer Ebene zu beobachten. Experiment Video Die abstoßenden Öltröpfchen zeigen ein erstaunliches Verhalten, bei dem die Tröpfchen die Rolle subatomarer Partikel spielen und das Ölbad, über dem sie suspendiert sind, einige der Funktionen einer Pilotwelle erfüllt.

Mehrere Welten

Die "Vielwelt" -Interpretation der Quantenmechanik machte in der populären Presse viel Lärm. Daher haben viele Menschen, einschließlich einiger Physiker, falsche Ansichten zu dieser Theorie erlangt.

Diese Interpretation besteht nicht darauf , für jede Dimension ein neues Universum zu schaffen, wie normalerweise angenommen wird. Sie nimmt einfach die traditionelle Quantenmechanik als Beschreibung unseres Universums und alles darin ernst. Die Quantenmechanik beschreibt ein Teilchen, beispielsweise ein Elektron, als in einer Überlagerung aller möglichen Zustände vorhanden; Beim Messen wird die Überlagerung durch den gemessenen Zustand ersetzt. Der Multiworld-Standpunkt erweitert die Idee der Überlagerung, um alles zu steuern, einschließlich der Messanlage und ihrer Bediener. Sie verteidigt die Ansicht, dass die ganze Welt in einer Überlagerung existieren muss, um Integrität zu gewährleisten.

Das Konzept der „vielen Welten“ bezieht sich auf eine Überlagerung von Zuständen, die auf die ganze Welt angewendet werden. Jeder potentielle Zustand oder das Universum existiert bereits im quantenmechanischen Sinne, in dem jeder mögliche Zustand eines subatomaren Teilchens eine potentielle Existenz hat. Durch Messen des Zustands eines Partikels wird ein mögliches Ergebnis ausgewählt und realisiert. Gleichzeitig wählt die Messung ein mögliches Ergebnis für das Universum: das, das der Experimentator mit dieser speziellen Messung erhalten hat.

Mehrere Welten gelten als deterministisch und machen eine Kontraktion der Wellenfunktion überflüssig. Ihre Kritiker behaupten, dass sie die zentrale Rolle der Wahrscheinlichkeit immer noch nicht loswerden kann und die Schwerkraft nicht eindämmen kann.

Es gibt viele andere alternative Ansätze, für deren Beschreibung wir einfach nicht genügend Platz haben. Oft sind sie der Metaphysik näher als der Physik. Eine dieser Ideen zwischen Wissenschaft und Philosophie ist der Superdeterminismus . Obwohl diese Idee die Ergebnisse der Quantenmechanik noch nicht nachvollziehen konnte, hat sie ständige Aufmerksamkeit erregt, möglicherweise aufgrund des Rufs ihres Hauptapologen, des Nobelpreisträgers für Physik, Gerard 't Hooft. Der Superdeterminismus sollte eine Lücke in Bells Theorem sein und wurde tatsächlich von Bell selbst als möglich beschrieben. Die Theorie vermeidet die Grundannahmen des Bellschen Theorems, indem sie alles im Universum berücksichtigt, einschließlich der Wahl der Messungen durch den Experimentator, wie sie von Anfang an definiert wurden. Natürlich bestreitet er jede Möglichkeit des freien Willens. Eine interessante Entwicklung der Theorie auf diesem Gebiet ist 't Hoofts Versuch, seine Ideen durch die Erstellung eines Modells der Quantenmechanik in einem zellularen Automaten umzusetzen.

Metaphysische metaphysische Angst

Einstein beherrschte das Wort gut und verstand die Natur tief. Er hinterließ uns zwei farbenfrohe Sätze, die wir weiterhin zitieren, um unsere Unzufriedenheit mit den relevanten Aspekten der Quantenmechanik auszudrücken: „schreckliche Fernwirkung“ und „Gott [...] würfelt nicht mit der Welt“.

Obwohl die Kopenhagener Interpretation weiterhin dominant ist und beide Sätze ruhig akzeptiert, wird die von ihnen verursachte unerträgliche Unzufriedenheit weiterhin neue Generationen von Physikern motivieren, nach Alternativen zu suchen. Diese Alternative kann eine Weiterentwicklung eines der hier beschriebenen Modelle sein, eines dieser Projekte, die wir nicht in Betracht ziehen konnten, oder eine völlig neue Idee. Aber niemand kann mit Sicherheit sagen, ob einer von ihnen in Zukunft allgemeine Anerkennung finden wird.

Über den Autor: Lee Phillips ist Physiker und schreibt regelmäßig Beiträge für Ars Technica. Zuvor schrieb er über Themen wie das Erbe der Programmiersprache Fortran und die sich ändernde Physik von Emmy Noether .