Eine geschlossene Lücke bestätigt die Unwirklichkeit der Quantenwelt

Nach der Entdeckung einer Lücke im berühmten Experiment, die das Fehlen interner Eigenschaften von Quantenobjekten bewies, schlossen drei Gruppen von Experimentatoren diese schnell. Diese Episode schließt das Thema Theorien über versteckte Variablen.

Der theoretische Physiker John Wheeler verwendete einmal den Ausdruck "riesiger rauchiger Drache", um ein Lichtteilchen zu beschreiben, das von einer Quelle zu einem Photonenzähler fliegt. "Das Maul des Drachen ist scharf, wo es die Theke beißt. Der Schwanz des Drachen ist scharf, woher das Photon kommt “, schrieb Wheeler. Mit anderen Worten, das Photon hat am Anfang und am Ende des Weges eine bestimmte Realität. Aber sein Zustand in der Mitte - der Körper des Drachen - ist verschwommen. "Wir haben nicht das Recht darüber zu sprechen, was der Drache tut oder wie er dazwischen aussieht."

Wheeler unterstützte den Standpunkt, dass elementare Quantenphänomene erst dann als real bezeichnet werden können, wenn wir eine Beobachtung machen - eine philosophische Position, die als Anti-Realismus bezeichnet wird . Er hat sogar ein Experiment entwickelt, das zeigt, dass man akzeptieren muss, dass die Zukunft Einfluss haben kann, wenn man auf Realismus besteht - bei dem Quantenobjekte wie Photonen immer bestimmte innere Eigenschaften haben, was eher einer klassischen Sicht der Realität ähnelt in die Vergangenheit. Wegen der Absurdität, in die Vergangenheit zu reisen, hat sich Wheelers Experiment für einen Antirealismus auf Quantenebene ausgesprochen.

Im Mai 2018 fand Rafael Chavez mit Kollegen vom International Institute of Physics eine Lücke. Sie zeigten, dass das Wheeler-Experiment unter bestimmten Voraussetzungen mit dem klassischen Modell erklärt werden kann, das dem Photon die inneren Eigenschaften zuschreibt. Sie versahen den Drachen mit einem klar definierten Körper, der dem mathematischen Formalismus der Standardquantenmechanik verborgen war.


Rafael Chavez

Chavez 'Team hat eine Modifikation von Wheelers Experiment vorgeschlagen, um Lücken zu testen. Drei andere Teams mit ungewöhnlicher Beweglichkeit beeilten sich, ein modifiziertes Experiment durchzuführen. Ihre im Juni veröffentlichten Ergebnisse zeigten, dass die klassischen Modelle, die den Realismus fördern, keine aussagekräftige Interpretation der Ergebnisse liefern. Die Quantenmechanik mag seltsam sein, bleibt aber die einfachste verfügbare Erklärung.

Drachenfalle

Wheeler entwickelte 1983 sein Experiment, um eines der wichtigsten konzeptuellen Geheimnisse der Quantenmechanik hervorzuheben: die Welle-Teilchen-Dualität . Quantenobjekte verhalten sich entweder als Teilchen oder als Wellen, aber nicht gleichzeitig und so weiter. Aus dieser Eigenschaft der Quantenmechanik scheint sich zu ergeben, dass Objekte keine innere Realität haben, bis sie beobachtet werden. "Die Physiker mussten sich fast hundert Jahre lang mit dem Dualismus als einem inhärenten und seltsamen Merkmal der Quantentheorie abfinden", sagte David Kaiser , Physiker und Wissenschaftshistoriker am Massachusetts Institute of Technology. "Diese Idee kam vor anderen typischen seltsamen Merkmalen der Quantentheorie, wie dem Heisenbergschen Unsicherheitsprinzip und der Schrödinger-Katze ."

Dieses Phänomen wird durch einen Sonderfall des berühmten Experiments mit zwei Schlitzen unterstrichen, das als Mach-Zehnder-Interferometer bezeichnet wird .

In einem Experiment wird ein Photon in Richtung eines durchscheinenden Spiegels oder eines Strahlteilers gestartet. Ein Photon mit gleicher Wahrscheinlichkeit reflektiert es oder passiert es - wodurch es letztendlich einem von zwei Pfaden folgt. In diesem Fall geht es entweder entlang des Pfades 1 oder entlang des Pfades 2 und befindet sich mit gleicher Wahrscheinlichkeit entweder im Detektor D1 oder im D2. Ein Photon verhält sich wie ein unsichtbares Ganzes und zeigt seine korpuskuläre Natur.

Aber es gibt eine Nuance. An der Kreuzung der Pfade 1 und 2 können Sie einen weiteren Strahlteiler hinzufügen, der alles ändert. In diesem Fall sagt die Quantenmechanik, dass ein Photon sozusagen als Welle zwei Pfade gleichzeitig durchläuft. Diese beiden Wellen laufen auf einem zweiten Strahlteiler zusammen. Das Experiment kann so aufgebaut werden, dass die Wellen konstruktiv kombiniert werden - Spitze zu Spitze, Fehler zu Fehler - nur wenn sie in Richtung des D1-Detektors gehen. Und der Weg zum Zähler D2 zeigt eine destruktive Interferenz an. In dieser Situation befindet sich das Photon immer in D1 und niemals in D2. In diesem Fall zeigt das Photon seine Wellennatur.


Oben: ein Photon als Teilchen. Jeder der Detektoren registriert in 50% der Fälle ein Photon.
In der Mitte: ein Photon wie eine Welle. Das Photon registriert nur D1.
Unten: Ausstehende Auswahl. Wir beginnen ohne einen zweiten Strahlteiler und fügen ihn im letzten Moment hinzu. Das Photon, das sich zuerst wie ein Teilchen verhielt, beginnt sich plötzlich wie eine Welle zu verhalten.
Schlussfolgerung: Entweder sendet die Einführung eines zweiten Strahlteilers in der Vergangenheit ein Signal an das Photon, oder das Photon hat keine internen Eigenschaften.

Wheelers Genie manifestierte sich in der Frage: Was ist, wenn wir die Wahl, ob ein zweiter Strahlteiler hinzugefügt werden soll, verzögern? Angenommen, ein Photon tritt in ein Interferometer ein, wenn dort kein zweiter Strahlteiler vorhanden ist. Es muss sich wie ein Teilchen verhalten. Sie können jedoch in der letzten Nanosekunde einen zweiten Strahlteiler hinzufügen. Theorie und Experiment zeigen, dass ein Photon, das sich zuvor wie ein Teilchen verhalten musste und entweder in den Detektor D1 oder in D2 gelangt, sich wie eine Welle verhält und nur in D1 gelangt. Dazu scheint er zwei Wege gleichzeitig gehen zu müssen und nicht einen. Im klassischen Sinne geschieht alles so, als ob ein Photon in der Zeit zurückkommt und seine Essenz von Teilchen zu Welle ändert.

Eine Möglichkeit, eine solche Retrokausalität [den Einfluss von Ereignissen aus der Zukunft auf die Vergangenheit] zu vermeiden, besteht darin, zu leugnen, dass das Photon eine innere Realität hat, und zu behaupten, dass das Photon nur dann real wird, wenn es gemessen wird. Dann haben wir nichts zurückzuspulen.

Ein solcher Antirealismus, der häufig mit der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik in Verbindung gebracht wird , erhielt nach der Veröffentlichung von Chavez 'Arbeiten zumindest im Rahmen dieses Experiments einen theoretischen Schlag. Sein Team beschloss, die kontraintuitiven Eigenschaften der Quantenmechanik mit neuen Ideen zu erklären, der kausalen [kausalen] Modellierung, deren Popularität in den letzten zehn Jahren mithilfe des Informatikers Jude Perle und anderer zugenommen hat. Die Kausalmodellierung bestimmt einen Kausalzusammenhang zwischen verschiedenen Elementen eines Experiments. Wenn wir miteinander verbundene Ereignisse untersuchen - nennen wir sie A und B -, können wir oft nicht definitiv sagen, dass A die Ursache von B ist oder dass B die Ursache von A ist. Es besteht die Möglichkeit, dass die Ursache für beide das unvorhergesehene oder „verborgene“ Ereignis B ist. In solchen Fällen kann die kausale Modellierung helfen, dieses B aufzudecken.

Chavez und seine Kollegen Gabriela Lemos und Jacques Pienard konzentrierten sich auf Wheelers verzögertes Experiment und erwarteten, kein Modell mit einem verborgenen Prozess zu finden, das dem Photon eine innere Realität geben und sein Verhalten ohne Gegenkausalität erklären würde. Sie glaubten, dass sie beweisen würden, dass das Experiment mit verzögerter Wahl „äußerst eingängig ist, in dem Sinne, dass kein Kausalmodell es erklären kann“, sagte Chavez.


Gabriela Lemos

Aber eine Überraschung erwartete sie. Die Aufgabe war recht einfach. Sie schlugen zunächst vor, dass das Photon unmittelbar nach dem Durchgang durch den ersten Strahlteiler einen internen Zustand aufweist, der durch eine „versteckte Variable“ definiert ist. In diesem Zusammenhang ist eine versteckte Variable etwas, das in der Standardquantenmechanik nicht verfügbar ist, aber das Verhalten eines Photons in irgendeiner Weise beeinflusst. Der Experimentator entschied sich dann, einen zweiten Strahlteiler hinzuzufügen oder zu entfernen. Die kausale Modellierung, die das Reisen in die Vergangenheit verbietet, stellt sicher, dass die Wahl des Experimentators den früheren Zustand des Photons nicht beeinflusst.

Angesichts einer versteckten Variablen, die den Realismus unterstützt, zeigte das Team, dass es möglich ist, Regeln aufzuschreiben, die den Wert der Variablen und das Vorhandensein oder Fehlen eines zweiten Strahlteilers verwenden, um ein Photon auf eine Weise zu D1 oder D2 zu leiten, die die Vorhersagen der Quantenmechanik wiederholt. Sie erhielten eine klassische, kausale, realistische Erklärung. Sie fanden eine neue Lücke.

Dies überraschte mehrere Physiker, sagte Tim Burns , Spezialist für quantentheoretische Physik an der New York University in Shanghai. "Was die Leute nicht schätzten, war, dass diese Art von Experiment eine klassische Erklärung erlaubt, die die Ergebnisse des Experiments perfekt wiederholt", sagte Burns. "Sie können eine Theorie mit einer versteckten Variablen ohne Quantenmechanik erstellen."

"Es war ein Nullschritt", sagte Chavez. Der nächste Schritt besteht darin, herauszufinden, wie das Wheeler-Experiment so modifiziert werden kann, dass zwischen der klassischen Theorie der versteckten Variablen und der Quantenmechanik unterschieden werden kann.

Im modifizierten Experiment blieb das Mach-Zehnder-Interferometer unverändert; Ein zweiter Strahlteiler ist immer vorhanden. Stattdessen wird die Rolle der experimentellen Anpassungen, die der Forscher nach Belieben ändern kann, durch zwei Phasenverschiebungen gespielt - eine zu Beginn des Experiments, die andere am Ende.

Der kombinierte Effekt der beiden Phasenverschiebungen ändert die relative Pfadlänge. Dies verändert das Interferenzbild und damit das angenommene Wellen- oder Teilchenverhalten des Photons. Beispielsweise kann der Wert der ersten Phasenverschiebung so sein, dass sich das Photon wie ein Teilchen im Interferometer verhält, und die zweite Verschiebung kann dazu führen, dass es sich wie eine Welle verhält. Die Forscher brauchten die zweite Schicht, um nach der ersten zu stimmen.

Mit einem solchen Versuchsaufbau fand das Chavez-Team eine Möglichkeit, zwischen dem klassischen Kausalmodell und der Quantenmechanik zu unterscheiden. Angenommen, der erste Phasenübergang kann eine von drei Variablen und die zweite von zwei Variablen annehmen. Es ergeben sich sechs mögliche Einstellungen des Experiments. Und hier sind die Vorhersagen des klassischen Modells versteckter Variablen und der Standardquantenmechanik unterschiedlich. Dann machten die Wissenschaftler eine Formel. Die Formel empfängt an ihrem Eingang die Wahrscheinlichkeiten, die auf der Grundlage der Häufigkeit berechnet werden, mit der ein Photon an einem bestimmten Detektor ankommt (basierend auf einer Formulierung mit zwei Phasenübergängen). Wenn die Formel Null ist, kann das klassische Kausalmodell Statistiken erklären. Wenn die Gleichung jedoch eine Zahl größer als Null ergibt, gibt es aufgrund bestimmter Einschränkungen für versteckte Variablen keine klassische Erklärung für die experimentellen Ergebnisse.

Chavez hat sich mit Fabio Sciarino, einem Spezialisten für Quantenphysik an der Universität Sapienza in Rom, und seinen Kollegen zusammengetan, um die Ungleichheit zu testen. Zur gleichen Zeit führten zwei chinesische Teams - eines unter der Leitung von Jean-Wei Pan, einem Experimentalphysiker der Hefei-Universität für Wissenschaft und Technologie, und das zweite unter der Leitung von Guang-Kang Guo von derselben Universität - ihre Experimente durch.

Jedes Team hat das Schema etwas anders umgesetzt. Guos Gruppe hielt an einer einfachen Option mit einem echten Mach-Zehnder-Interferometer fest. "Dieses Experiment ist meiner Meinung nach dem ursprünglichen Vorschlag von Wheeler am nächsten", sagte Howard Wiseman, ein theoretischer Physiker an der Griffith University, der nicht an den Experimenten teilnahm.

Alle drei Teams zeigten, dass das Ergebnis der Berechnung der Formel Null mit unwiderlegbarer statistischer Signifikanz überschreitet. Sie schlossen jene klassischen Kausalmodelle aus, die Wheelers Experiment mit einer verzögerten Wahl erklären könnten. Die Lücke hat sich geschlossen. "Unser Experiment hat Wheelers berühmtes Gedankenexperiment gerettet", sagte Pan.

Diese versteckten Variablen, die noch übrig sind

Kaiser war beeindruckt von der "eleganten" theoretischen Arbeit von Chavez und den anschließenden Experimenten. "Die Tatsache, dass in jedem Experiment deutliche Anzeichen von Ungleichheit gefunden werden, ist ein überzeugender Beweis dafür, dass die" klassischen "Modelle solcher Systeme nicht das eigentliche Schema der Arbeit der Welt beschreiben, während die quantenmechanischen Vorhersagen perfekt mit den neuesten Ergebnissen übereinstimmen." Sagte er.

Die Formel wird mit bestimmten Annahmen verwendet. Eine der größten - die im Kausalmodell verwendete klassische versteckte Variable - kann einen von zwei Werten annehmen, die in einem Informationsbit codiert sind. Chavez hält dies für vernünftig, da ein Quantensystem - ein Photon - auch nur ein Informationsbit codieren kann (es geht entweder in einen Arm des Interferometers oder in den anderen). "Es ist natürlich zu sagen, dass das Modell der versteckten Variablen auch zweidimensional sein sollte", sagte Chavez.


David Kaiser

Eine versteckte Variable mit der zusätzlichen Fähigkeit, Informationen zu übertragen, kann jedoch die Fähigkeit des Kausalmodells wiederherstellen, die in einem modifizierten Experiment beobachteten Statistiken mit verzögerter Auswahl zu erklären.

Darüber hinaus widerlegen diese Experimente nicht die populärste Theorie der versteckten Variablen. Die de Broglie-Bohm-Theorie , eine deterministische und realistische Alternative zur Standardquantenmechanik, kann ein Experiment mit einer verzögerten Wahl erklären. Nach dieser Theorie haben Teilchen immer einen Ort (versteckte Variablen) und damit eine objektive Realität, werden aber gleichzeitig von einer Welle geführt. Daher ist die Realität sowohl Welle als auch Korpuskular. Eine Welle bewegt sich auf beiden Wegen, und ein Teilchen bewegt sich auf einem von zwei Wegen. Das Vorhandensein oder Fehlen eines zweiten Strahlteilers beeinflusst die Welle, die das Teilchen zu den Detektoren leitet - und dieses Ergebnis stimmt mit der Standardquantenmechanik überein.

Für Wiseman ist die Debatte über die Konfrontation zwischen der Kopenhagener Interpretation und der de Broglie-Bohm-Theorie noch lange nicht abgeschlossen. "In der Kopenhagener Interpretation gibt es keine seltsame Zeitzirkulation, gerade weil wir kein Recht haben, über die Vergangenheit eines Photons zu sprechen", schrieb er in einer E-Mail. In der Interpretation von de Broglie-Bohm gibt es eine von unserem Wissen unabhängige Realität, aber es gibt kein Problem, da es keine Zeitumkehr gibt - aber es gibt eine eindeutige kausale (vorausschauende) Beschreibung. “

Kaiser lobt die unternommenen Versuche und will weitermachen. In aktuellen Experimenten wurde die Wahl, ob eine zweite Phasenverschiebung oder ein zweiter Strahlteiler hinzugefügt werden soll oder nicht, von einem Quantenzufallszahlengenerator getroffen. In diesem Experiment wird jedoch die Quantenmechanik selbst getestet, aufgrund derer sie einen Nachgeschmack der zirkulären Abhängigkeit aufweist. "Es wäre schön zu prüfen, ob die experimentellen Ergebnisse auch bei Entwürfen konsistent bleiben, die auf völlig unterschiedlichen Zufallsquellen beruhen", sagte Kaiser.

Zu diesem Zweck haben Kaiser und Kollegen eine solche Zufallsquelle mit Photonen aus entfernten Quasaren geschaffen, von denen viele mehr als die Hälfte des [beobachtbaren] Universums passierten. Photonen wurden mit dem meterhohen Teleskop am Tafelbergobservatorium in Kalifornien gesammelt. Wenn die Photonenwellenlänge einen bestimmten Schwellenwert nicht überschreitet, gibt der Zufallszahlengenerator 0, andernfalls 1. Im Prinzip kann dieses Bit verwendet werden, um experimentelle Bedingungen zufällig auszuwählen. Wenn die Ergebnisse weiterhin Wheelers ursprüngliche Aussage stützen, "wird dies uns einen weiteren Grund geben zu sagen, dass die Welle-Teilchen-Dualität in der klassischen Physik nicht erklärt werden kann", sagte Kaiser. - Das Spektrum konzeptioneller Alternativen zur Quantenphysik hat erneut abgenommen und ist bereits in die Enge getrieben worden. Und genau das streben wir an. “

In der Zwischenzeit wurde der Körper des Drachen, der einige Wochen lang in Sichtweite war, wieder rauchig und dunkel.

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