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Quanten stellen die Welt auf den Kopf

Hugo de la Smile

Vollkommener Meister
10. April 2002
553
hier ein text der dem verständnis dienen kann:

http://www.thur.de/home/annette/project/qt.htm


hier ein auszug:

3.6 Nichtlokalität

Einstein, Podolski und Rosen (EPR) konnten nicht akzeptieren, dass zwei physikalische Größen nicht gleichzeitig exakt messbar sein sollten. Sie meinten, diese Schwierigkeit müsse durch eine notwendige Vervollkomnung der Quantentheorie, z. B. über verborgene Parameter, behoben werden. Ein Gedankenexperiment sollte zur Anerkennung der Unvollständigkeit der quantenmechanischen Beschreibung führen. Das daraus ca. 1935 entstandene EPR-Gedankenexperiment ging davon aus, dass

1. entweder die Quantenmechanik unvollständig ist oder
2. dass Operatoren, die zu nichtkommutativen Größen gehören, keine simultane Realität haben können.

Vorausgesetzt wird dieser Alternative, dass jedem Element der physikalischen Realität ein Gegenstück in der Theorie entspricht und das bedeutet nach EPR, dass die physikalische Größe mit Sicherheit vorausgesagt werden kann, ohne das System zu stören (Einstein, Podolsky, Rosen 1935/1983). EPR In einem Gedankenexperiment weisen EPR nun folgendes nach (ebd., S. 140):

Zwei Quantensysteme I und II sind im Zeitraum 0 £ t £ T in Wechselwirkung. Wenn uns der Zustand der Systeme vor dem Zeitpunkt 0 bekannt war, so können wir mit der Schrödingergleichung den Zustand des kombinierten Systems z.B. für t > T errechnen. In welchem Zustand sich entweder I oder II befinden, erfahren wir erst nach einer durch die Messung hervorgerufenen der "Reduktion der Wellenfunktion". Lange nachdem die Wechselwirkung stattgefunden hat (und sich die Teilchen räumlich voneinander entfernt haben), können wir solch eine Messung vornehmen. Es gibt keine reale Wechselwirkung zwischen den Systemen mehr (weil t > T), aber durch eine Messung einer nichtkommutierbaren Größe (z.B. der Impulskoordinate) an einem Teilchen sind wir in der Lage, auch die entsprechende andere Größe an dem anderen System mit Sicherheit und ohne es zu stören, vorher zu sagen. Daraus lässt sich schließen, dass zwei physikalische Größen mit nichtkommutativen Operatoren simultane Realität besitzen können. Wir haben also die Negation von 2) bekommen. Deshalb bleibt nach EPR nur die Alternative 1) als bestätigt zurück.

In der üblichen Diskussion des EPR-Gedankenexperiments wird lang und breit über die Tatsache diskutiert, dass die beiden Zusätnde einem nichttrennbaren System angehören. "Die Mitglieder eine verschränkten Ansammlung von Objekten haben keine individuellen Quantenzustände; nur die Gruppe als ganze besitzt einen wohl definierten Zustand" (Nielse 2003, S. 53). Da diese Mitglieder räumlich weit entfernt sein können wird dies unter dem Namen "Nichtlokalitität" diskutiert. Das verändert unsere Vorstellung von der Realität drastisch.

quant04.gif


Abbildung 12: Zwei verschränkte Qubits besitzen einen gemeinsamen Quantenzustand. Die Messung eines Zustands legt quasi auch den anderen fest.


Allerdings ist es viel wichtiger, die bei EPR als selbstverständlich vorausgesetzte Realitätsannahme zu hinterfragen. Ist es wirklich so, dass die Realität physikalischer Größen nur dann angenommen werden kann, wenn sie bei der Messung in keiner Weise gestört wird? Bohr verstand die Bedeutung dieser vorausgesetzten Annahme (Bohr 1935a/1983 und 1935b/1983) und entwickelte als Antwort auf diese Herausforderung sein Konzept des "Phänomens" (siehe unten).

Die Frage, ob die Quantentheorie unvollständig ist, oder einer Vervollständigung bedarf, wurde inzwischen weitestgehend geklärt. John Bell gelang fast 30 Jahre nach EPR die Aufstellung einer Ungleichung, mit der sich beide Alternativen prinzipiell unterscheiden lassen (Bell 1964/1983).

quant11.gif


Abbildung 13: Experiment zur Bellschen Ungleichung (nach Alber, Freyberger 1999, S. 25)

In der Abbildung 13 stellt Q die Quelle dar, aus der korrelierte Photonen 1 und 2 sich in unterschiedliche Richtungen bewegen. Die Beobachter A und B ermitteln jeweils die Polarisation. Nichtlokalität würde sich darin zeigen, dass durch die gemessene Polarisation an einem Photon auch die Polarisation an dem (entfernten) anderen Photon feststeht.

Es dauerte noch einmal 20 Jahre, bis die experimentellen Möglichkeiten so weit entwickelt waren, dass tatsächlich entsprechende Versuche mit korrelierten Photonen und auch Atomen unternommen wurden, die bestätigten, dass der Formalismus der Quantentheorie vollständig ist, und daß Quantenzustände nichtlokalen Charakter haben. Dieser nichtlokale Charakter zeigt sich in der Nicht-faktorisierbarkeit des korrelierten Zustands.

Böhm beschreibt das Ergebnis folgendermaßen:

Mikrosystemen, die in der "Vergangenheit" in Wechselwirkung gestanden haben, kann auch nach ihrer räumlichen Trennung, sofern keine äußeren Eingriffe stattfinden, kein individueller Zustandsvektor zugeschrieben werden. (Böhm 1988, S. 193).

Der nichtlokale Charakter kann jedoch nicht zur Untermauerung der Annahme von Telepathie, Teleportation oder anderer überlichtschneller Informationsübertragungen verwendet werden. Es geht hier nicht um übliche Eigenschaften klassischer Objekte und eine reale langreichweitige Wechselwirkung, sondern um eine Korrelation der nicht direkt messbaren Zustandsvektoren. Es hat keinen Zweck, die Eigentümlichkeit der Quantenwelt unmittelbar klassisch zu reinterpretieren.

Der Physiker Aspect schreibt dazu:

Selbst bei diesen Experimenten war es nicht möglich, Botschaften oder sinnvolle Informationen schneller als das Licht zu übermitteln, und deshalb werde ich ganz bestimmt nicht zu dem Schluß kommen, daß ein Austausch von Signalen mit Überlichtgeschwindigkeit möglich ist." (Aspect 1983/1996, S. 58)

Letztlich wird ja nicht durch die Ortsmessung an dem einen Teilchen der Ort oder der Impuls des anderen Teilchens direkt physisch verändert (das hatten wir im Zusammenhang mit der Unbestimmtheitsrelation: Es wird nicht wirklich eine ontische "Störung" erzeugt, sondern der die jeweils mit der anfänglichen nichtkommutative Größe ist dann gar nicht für das Objekt definiert).

http://www.thur.de/home/annette/project/qt.htm#_Toc37041043

hier übrigens noch der versuch von suarez:
http://www.gapoptic.unige.ch/Publications/Pdf/Suarez.pdf

seine schlussfolgrung:

Classical correlations are correlations between events;
either the events have a common cause or one event has
a direct influence on the other(s). That is, classical correlations
is a secondary concept, built upon the primary
concept of event: the cause of ordinary correlations can
be reduced to the cause of the events. As for quantum
correlations, the violation of Bell’s inequality rules out
the common cause explanation, and correlations between
spacelike separated events exclude influences propagating
slower than the speed of light.
Multisimultaneity is an alternative model to standard
quantum mechanics in which several reference frames, determined
by the local physical devices and apparatuses,
each define a time-ordered causality with faster than light
influences (the influences being not under human control,
they cannot be used for signaling). In all situations where
the different components of the measuring apparatuses are
at relative rest, multisimultaneity has the same prediction
as quantum mechanics. However, in the intriguing situation
where entangled particles are analyzed by two beam
splitters in relative motion such that each one analyzes
“his” particle before the other, multisimultaneity predicts
that the quantum correlations disappear. Since in the reported
experiment the correlations did not disappear, multisimultaneity
is refuted. Recall that a model assuming
that the detectors determine the relevant frames has already
been refuted [11,12].
These results stress the oddness of quantum correlations.
Not only are they independent of the distance, but also
it seems impossible to cast them in any real time ordering.
Hence one cannot maintain any causal explanation in
which an earlier event influences a later one by arbitrarily
fast communication. In this sense, quantum correlations
are a basic (i.e., primary) concept, not a secondary concept
reducible to that of causality between events: Quantum
correlations are directly caused by the quantum state in
such a way that one event cannot be considered the “cause”
and the other the “effect.”
 

Hugo de la Smile

Vollkommener Meister
10. April 2002
553
nachschlag:

http://www.quantumphil.org/publications.htm

VII. CONCLUSION
The results of experiments with moving measuring de-
vices mean that the quantum correlations are caused re-
gardless of any relativistic chronology: entangled photons
run afoul of the relativity of time, Einstein’s frames have
no effect on “spooky action”, even though we cannot use
this fact to establish an absolute time.
So what Quantum Mechanics actually implies is that
in case of space-like separated measurements the depen-
dence the correlations reveal does not correspond to any
real time ordering and, consequently, is not tied to any
experimentally distinguishable frame. In spite of the dif-
ferent orderings the equations (1) and (2) bear the same
joint probability of getting the outcome (, ), i.e., the
measurable quantity Pr(, ) predicted by Quantum Me-
chanics, which is independent of any ordering and timing.
To produce the correlations, nature can choose between
the ordering assumed in (1) and that in (2) but its choice
has no observable consequence at all, and it is not possi-
ble, even in principle, to distinguish which measurement
is the independent and which the dependent one. Any
observer who would record the temporal sequence of the
outcomes in his own frame, and assume that the outcome
later in time depends on the earlier one according to one
of the rules (1) or (2), would make the same predictions
as Quantum Mechanics.
The term Pr(, ) expressing the measurable joint
probability of getting a given outcome is perfectly
Lorentz-invariant. As for the quantities Pr(|) and
Pr(|) expressing the dependence between the events
they are certainly not Lorentz invariant but don’t have
any measurable counterpart. Quantum entanglement im-
plies causal links which are not Lorentz-invariant. Nev-
ertheless such causal links do not imply any observable
violation of Lorentz invariance at all.
The influences allowing us to phone between two sep-
arated regions follow time-like trajectories, and can con-
sistently be described in terms of “before” and “after”
by means of real clocks; Einstein’s world contains only
such local causal links. The entanglement bringing about
nonlocal correlations is insensible to space and time, and
cannot be described in terms of “before” and “after”
by means of any set of real clocks. The notion of time
makes sense only in Einstein’s world, i.e. along time-like
trajectories. Suppose a physicist could act non-locally
and would like to bring about Bell-correlations; she or he
would first choose one event assigning randomly a value
(either + or −) to it, and subsequently would assign a
value depending upon the first, to the second event. Sup-
pose these operations occur without the flow of time; as
Quantum Mechanics seems to mean, and the experimen-
tal results confirm, this is the way things happen in na-
ture.
In conclusion the experiments testing quantum entan-
glement rule out the belief that physical causality nec-
essarily relies on observable signals. Quantum entangle-
ment supports the idea that the world is deeper than
5
the visible, and reveals a domain of existence, which can-
not be described with the notions of space and time. In
the nonlocal quantum realm there is dependence without
time, things are going on but the time doesn’t seem to
pass here.

http://www.arxiv.org/PS_cache/quant-ph/pdf/0311/0311004.pdf
 

Gilgamesh

Erhabener auserwählter Ritter
24. Juni 2003
1.110
Gut, nun wissen wir, was andere darüber geschrieben haben, aber was denken wir darüber?

Ist dieses Phänomen nicht erneut ein Konflikt zwischen dem Welle-Teilchen-Dualismus? Stellt man sich die korrellierten Photonen als Teilchen vor, so ist es klar und deutlich, das dieses Paar nur spiegelbildlich ihren Ursprungsort verlassen.

Das eine Photon mit Spin nach oben, und das andere mit Spin nach unten.
Natürlich wissen wir auf anhieb, welchen Spin das andere Photon hat, wenn wir das eine Messen. Es kann ja nur den anderen Zustand haben.Insofern wäre es keine Fernwirkung, vielmehr befinden sich die beiden Photonen seit ihrer Entstehung fest in diesen beiden Zuständen.

Von der Wellentheorie betrachtet eben nicht. Wenn man die Photonen als Wellen ansieht und nicht als Teilchen, so ist der Zustand des einen Photons nicht klar definiert. Es besitzt beide Zustände zugleich,also SpinOben+SpinUnten, im Rahmen einer Superposition. Erst die Messung lässt diese Superposition zusammenbrechen, wobei sich zufällig einer dieser Zustände materialisiert,also entweder SpinOben oder SpinUnten.

Jedoch läßt eine Messung nicht nur den Wellenzustand des einen Photons kollabieren, sondern zugleich auch den des verschränkten anderen. Wenn man die Wellenfunktion des anderen Photons infolge einer Messung ebenfalls zusammenbrechen läßt, dann materialisiert sich stets ein Photon mit entgegengesetztem Spin,als wüste das zweite Photon, das das erste andersrum gemessen wurde.

Verwirrend nicht wahr... :wink:

:arrow: Gilgamesh
 

antimagnet

Ritter Kadosch
10. April 2002
5.881
ich hab jetzt nicht "alles" kapiert, v.a. was hugo geschrieben hat... aber eins sollte noch gesagt sein:

es wird mal wieder klar, dass "dinge" (quanten, photonen, teilchen) weder teilchen noch welle sind, sondern sowohl als teilchen als auch als welle beschrieben werden können. ich glaube, wenn man sich das vor augen hält, muss man auch am welle-teilchen-dualismus nicht verzweifeln....


@gilga:

hmm, deine antwort oben wear mir fast zu ausführlich, sorry... :cry:

wird denn nun am zweiten teilchen gemessen oder nicht? es kann ja gar nicht ohne energieaufwand gemessen werden, oder hab ich dich falsch verstanden? und wenn man misst, verändert man den gegenstand, das gilt in der makrowelt und in der mikrowelt ganz besonders... bitte möglichst einfach antworten, bei quantentheorie setzt mein verstand aus, bei wissenschaftslogik allerdings nicht...


:gruebel:
 

Gilgamesh

Erhabener auserwählter Ritter
24. Juni 2003
1.110
Ja, am zweiten Teilchen wird auch gemessen.
Beim ertsen Teilchen weiss man noch nicht, wei es regiert, das Ergebniss ist reinzufällig! Der Spin kann nach Norden zeigen oder auch nach Süden. Kann keiner vorhersehen.

Sobald man aber das eine Teilcen gemessen hat und sich das Teilchen für einen Richtung entschieden hat, z.B.nach Norden, so ergibt die Messung an dem anderen Teilchen immer eine Südausrichtung.

Die Wahrscheinlichkeit des zweiten Teilchens wird also mit der Messung am ersten Teilchen derart manipuliert, dass diese nicht mehr zufällig eine bestimme Richtung anzeigt, sondern stets das Gegenteil der ersten Messung am ersten Teilchen..

:arrow: Gilgamesh
 

antimagnet

Ritter Kadosch
10. April 2002
5.881
a-ha.

aber woher weiß man, dass man am zweiten teilchen den spin nicht durch die messung induziert hat?


also, damit ich nicht in die falsche schublade der über-kritischen gesteckt werde: ich glaube ja, dass das erp-experiment bewiesen wurde (bzw. die verschränkung), aber ich check halt die beweislogik nicht ganz... that`s all....
 

Gilgamesh

Erhabener auserwählter Ritter
24. Juni 2003
1.110
Wenn ich es einfach ausdrücken sollte, dann muß Du Dir das so vorstellen:

Dass Messgerät ist ein Kraftfeld mit senkrechter Ausrichtung!
Alles, was dieses Messfeld passiert, richtet sich also senkrecht aus.

Ist der Spin eines Teilchens nach oben gerichtet, aber seitlich gekipp, wie das Erdmagnetfeld, dann wird es infolge dieser Messung nach oben gerichtet. Ist die Ausrichtung des Spins noch bis um 89° gekippt, findet die Ausrichtung nach nach oben statt.

Ist die Ausrichtung jedoch >=91° gekippt, so richtet sich das Teilchen nach unten aus!

Das Verhalten bei genau 90° wollen wir hier nicht berücksichtigen,weil es einen noch mehr verwirren würde.

Sobald man aber bei einem der Teilchen feststellt, dass sein Spin nach oben zeigt, weil es nach oben gerichtet wird, nimmt das andere Teilchen einen Spin entgegengesetzt an, mit einem Wahrscheinlichkeitswinkelbereich von 91°-180° und kippt somit im Messfeld genau andersrum, aslo nach unten!

Natürlich wird dieses Kippen bei beiden von der Messung induziert. Solange man nur ein Teilchen beobachtet, welches nicht mit einem anderen Verbuden ist, kann man nicht erraten, welche Ausrichtung es haben könnte. Es könnte nach oben,unten,oben, oben, unten, oben, unten, unten..usw...zufällig gemessen werden.

Bei verschränkten Teilchen ist das anders:
Misst man den Spin des einen, so nimmt der andere automatisch den anderen Spin an. Auch wenn man das eine Teilchen misst und mit der Messung des anderen Teilchens hundert jahre und 1Mio km wartet,am Ende fällt dieses Teilchen bei der Messung bevorzugt und nur in die andere Richtung.

:arrow: Gilgamesh
 

Gilgamesh

Erhabener auserwählter Ritter
24. Juni 2003
1.110
@antimagnet

Dein Name und Dein kinematisches Avatar deutet darauf hin (nicht nur das), dass Du eigentlich gut Betucht sein solltest, in Bezug auf höhere Physik.

Deine Unwissen möchte ich hiermit in Frage stellen. :evil:

:arrow: Gilgamesh
 

Hugo de la Smile

Vollkommener Meister
10. April 2002
553
Gilgamesh schrieb:
Gut, nun wissen wir, was andere darüber geschrieben haben, aber was denken wir darüber?

Ist dieses Phänomen nicht erneut ein Konflikt zwischen dem Welle-Teilchen-Dualismus? Stellt man sich die korrellierten Photonen als Teilchen vor, so ist es klar und deutlich, das dieses Paar nur spiegelbildlich ihren Ursprungsort verlassen.

Das eine Photon mit Spin nach oben, und das andere mit Spin nach unten.
Natürlich wissen wir auf anhieb, welchen Spin das andere Photon hat, wenn wir das eine Messen. Es kann ja nur den anderen Zustand haben.Insofern wäre es keine Fernwirkung, vielmehr befinden sich die beiden Photonen seit ihrer Entstehung fest in diesen beiden Zuständen.

Von der Wellentheorie betrachtet eben nicht. Wenn man die Photonen als Wellen ansieht und nicht als Teilchen, so ist der Zustand des einen Photons nicht klar definiert. Es besitzt beide Zustände zugleich,also SpinOben+SpinUnten, im Rahmen einer Superposition. Erst die Messung lässt diese Superposition zusammenbrechen, wobei sich zufällig einer dieser Zustände materialisiert,also entweder SpinOben oder SpinUnten.

Jedoch läßt eine Messung nicht nur den Wellenzustand des einen Photons kollabieren, sondern zugleich auch den des verschränkten anderen. Wenn man die Wellenfunktion des anderen Photons infolge einer Messung ebenfalls zusammenbrechen läßt, dann materialisiert sich stets ein Photon mit entgegengesetztem Spin,als wüste das zweite Photon, das das erste andersrum gemessen wurde.

Verwirrend nicht wahr... :wink:

:arrow: Gilgamesh

schau mal, wenn wir zwei verschränkte teilchen haben und die befinden sich quasi "direkt" neben einander. wie denkst du denn geht da der "informations"austausch von statten? stoßen sie an einander oder so?
fliegen noch kleinere teilchen hin und her und geben raport?
wohl kaum.
wenn nichts hin und her fliegt, was sollte es uns verwundern, dass das verhalten distanzunabhängig ist?
dieses verhalten der quanten, erscheint uns nur noch ungewöhnlicher, weil wir insgeheim immer noch ein mechanistisches weltbild haben und uns doch irgendwelche körnchen oder kügelchen vorstellen.
hier wird nur wieder klar, dass analogien mit makroskopischen objekten eben nur sehr konstruiert sind. mit alokalität der verschränktheit, habe ich genauso viel oder wenig probleme wie mit dem bild von unendlichen elektromagnetischen feldern oder mit der vorstellung, dass massen den raum krümmen.
 

Trestone

Geheimer Meister
12. April 2002
306
Was geschieht eigentlich, wenn man beide (voneinander entfernte) verschränkte "Teilchen" "zugleich" misst?
Gibt es dazu schon Experimente?
 

Trestone

Geheimer Meister
12. April 2002
306
Das Lokalitätsprinzip sollte mit etwas Phantasie doch zu retten sein.
Leider kenne ich die Annahmen rund um die Bellsche Ungleichung zu wenig, um (als Nichtphysiker) den Hintergrund analysieren zu können.

Daher einfach einmal ein naives Modell:
Teilchen werden lokal doch vollständig durch verborgene Variablen bestimmt.
Bei Bewegung verschwinden sie aber in einer "Seifenblasentarnkappe".
erst bei Messung bzw. Energieaustausch kommen sie wieder zum Vorschein. Die "Seifenblasentarnkappe" hat andere Bewegungsgesetze als klassische Teilchen, z.B. kann sie zugleich durch zwei Spalten gehen und zeigt wellenartige Gesetze.
Bei verschränkten Teilchen mit Spin hätten die beiden Teilchen in ihren Blasen also schon ständig verborgen den Spin, bei der Messung des einen Teilchens muss daher dem anderen nichts mitgeteilt werden - wann immer man die zweite "Blase" öffnet, findet man den anderen Spin.

Wahrscheinlich ist ein solches Tarnkappenkonzept aber nicht messbar und daher physikalisch nicht relevant.
Vielleicht widerspricht es aber wenigstens einem der seltsamen Ergebnisse der Quantentheorie, wie bisher die meisten meiner Überlegungen.

Gruß
Trestone
 

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