Neue Physik? Weltformel?

@DasPie, ich schreibe meine Antwort für eventuelle fachfremde Mitleser auch etwas ausführlicher.

Deine Annahmen führen m.E. direkt zum Superdeterminismus, der wesentlich krassere Konsequenzen hat, als man das im ersten Moment denkt. Hier meine Begründung dazu …

An der Stelle muss man vorsichtig sein, da statistische Unabhängigkeit im Sinne wie ich es verwendet habe und Realismus zwei unterschiedliche Dinge sind.

Die Kopenhagener Interpretation nimmt Nicht-Realismus und Nicht-Lokalität an. Deine Sicht passt bzgl. Nicht-Realismus zur Kopenhagener Interpretation, weicht aber bei der Lokalität ab.

Wikipedia - Bellsche Ungleichung - Folgerungen

Dies ist die Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik, die unter Physikern vorherrscht.
Nach dieser ist die Quantenmechanik nicht-real, im Gegensatz zu den Vorstellungen von Einstein, Podolski und Rosen (siehe Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon), weil eine Messung nicht einfach eine Eigenschaft abliest, sondern feststellt (präziser: herstellt), was zuvor nicht feststand.
Und die Quantenmechanik ist nicht-lokal, weil sich der quantenmechanische Zustand des Photonenpaares über beide Messplätze erstreckt.

Ich gehe nochmal kurz auf deine beiden Punkte ein, da gerade die Unabhängigkeit der entscheidende Punkt ist, der offenbar gerne vergessen oder falsch interpretiert wird.

Lokalität

Das entspricht Einsteins Meinung, dass es keine „spukhafte Fernwirkung“ gibt. Die Folgerungen alleine aus dieser Grundhaltung sind bzgl. Interpretation der QM allerdings schon enorm!

Nehmen wir als Beispiel das Standard-Experiment mit einem Zerfall, der zwei auseinanderfliegende Teilchen mit entgegengesetztem Spin produziert.

Im Experiment sieht man, dass bei Messung des einen und anschließend des anderen Teilchens beide Spins wirklich entgegengesetzt sind. Bei häufiger Wiederholung erhält man in 50% das eine und in 50% das andere Ergebnis.

Nach dem Fomalismus der QM befinden sich die Teilchen bis zur Messung in einem verschränkten gemeinsamen Gesamtzustand. Dieser stellt insbesondere eine gleichzeitige Überlagerung beider möglicher Ergebniszustände dar, d.h. Gesamtzustand = 1/√ 2 Zustand(+|-) + 1/√ 2 Zustand(-|+).

Erst im Moment der Messung kollabiert die Wellenfunktion, das heißt der Gesamtzustand beider Teilchen bricht auf einen festen Zustand zusammen, z.B. Gesamtzustand = Zustand(-|+).

Die alles entscheidende Frage ist nun, ob dieser verschränkte Zustand wirklich existiert, oder nur im Formalismus der (damit unzureichenden) QM auftaucht.

Nach Kopenhagener Interpretation und heute üblicher (evtl. falscher) Auswertung der Bellschen Ungleichung, befinden sich die Teilchen tatsächlich bis zur Messung in einem verschränkten Zustand.

Wenn du aber Lokalität der Realität/Natur forderst, kann es diesen überlagerten Zustand nicht geben. Ab dem Zeitpunkt der Messung des einen Teilchens steht der Zustand für beide Teilchen fest, auch wenn sie raumartig voneinander getrennt sind. Die Information kann sich in dem Fall nicht lokal kausal von einem zum anderen Teilchen ausbreiten. ¹

Der Zustand beider Teilchen muss also zu Beginn schon festgestanden haben. Das ist genau das, was man als verborgene Variablen bezeichnet. Es gibt weitere Variablen, die den Ergebniszustand von Anfang an eindeutig definieren; nur die QM kennt nicht alle davon und rechnet deshalb mit behelfsmäßigen überlagerten Zuständen und Wahrscheinlichkeiten.

Jetzt kommst du genau zu dem beschriebenen Problem mit der Bellschen Ungleichung:

Im Falle einer lokal kausalen Natur ohne überlagerte Zustände (also mit verborgenen Variablen), sowie bei gegebener Unabhängigkeit des Messvorgangs vom Teilchenzustand, muss die Bellsche Ungleichung erfüllt sein.

Das ist sie aber nicht!

Einziger Ausweg bleibt für dich also die Annahme, dass der Messvorgang nicht unabhängig vom Teilchenzustand ist. Dann ist alles wieder in Ordnung und im Einklang mit den Experimenten.

Mit dieser Unabhängigkeit ist allerdings etwas leicht anderes gemeint, als du oben schreibst, was mich zum zweiten Punkt bringt…

Unabhängigkeit von Messung und Teilchenzustand

Deine Aussagen zur Unabhängigkeit in deinem Sinne sind natürlich alle plausibel, aber denke ich sogar konform mit der Kopenhagener Interpretation. Auch wenn die Messung selbst das Ergebnis am Ort der Messung nicht nur festlegt, sondern sogar mit beeinflusst, kann es bis dahin einen realen überlagerten, verschränkten Zustand gegeben haben.

Die Art von Unabhängigkeit, die aber aus deiner Annahme der Lokalität folgt und wie sie in den Aussagen zur Bellschen Ungleichung auftaucht ist eine andere.

Wir haben oben aus der Lokalität gefolgert, dass es verborgene Variablen geben muss, die der QM unbekannt sind. Das heißt im Klartext einfach nur, dass der Zustand beider Teilchen von Beginn an feststeht.

Was heißt es nun, wenn der Messvorgang nicht statistisch unabhängig von diesem Teilchenzustand ist?

Der Zustand der beiden Teilchen legt sich in unserem Szenario ja eben nicht erst bei der Messung fest, sondern steht seit dem Zerfallsvorgang von Anfang an fest.
Falls die spätere Messung also wirklich mit diesem Zustand korreliert ist, dann müssen sowohl die Messung, als auch der Teilchenzustand beim Zerfall kausal aus einer gemeinsamen Vergangenheit hervorgehen!

Schließlich kann die spätere Messung keinen direkten Einfluss auf den Zustand beim Zerfall nehmen; das wäre nicht lokal kausal.

Das ist eben das, was man Superdeterminismus nennt.

Die Konsequenzen sind sehr unintuitiv und ich habe das im ersten Moment nicht umrissen. Hier ein Beispiel…


Beispiel zum Superdeterminismus

Beim Doppelspalt-Experiment hängt es von einer Messung am Spalt ab, ob man ein Interferenz-Muster sieht oder nicht. Misst man, durch welchen Spalt das Teilchen geht, verschwindet die Interferenz.

Nun stelle man sich vor, dass der Doppelspalt weit von der Lichtquelle entfernt ist, sagen wir einige Lichtminuten. Die Entscheidung, ob man am Spalt misst oder nicht, werde erst nach der Aussendung des Lichts von der Quelle durch die Durchführenden des Experiments entschieden.

Es gibt in unserer Theorie keine überlagerten Zustände, sondern verborgene Variablen. Da sich der Teilchenzustand also nicht erst im Moment der Messung festlegt, muss schon an der Lichtquelle feststehen, ob sich das Teilchen wie eine Welle verhält oder nicht.

Wenn nun aber die spätere Messung korreliert dazu ist, ob sich das Teilchen wie eine Welle verhält, muss beides in einer gemeinsamen Vergangenheit determiniert worden sein. D.h. aus der gemeinsamen Vergangenheit geht hervor in welchem Zustand jedes Teilchen an der Quelle ist, aber auch welche Messung später durchgeführt wird!

Diese starke Aussage über einen eventuellen „freien Willen“ ist genau der Grund, warum der Superdeterminismus bzw. eine nicht vorhandene Unabhängigkeit von Anfang verworfen werden und lieber an die Kopenhagener Interpretation geglaubt wird.

Siehe dazu die Zitate bekannter Physiker in der Videos.

Das ist genau der Punkt. Der freie Wille ist dann eine Illusion. Die Frage ist, ob das wirklich so schlimm ist.

Du hast das geschrieben, während ich das oben geschrieben habe. Aber der Superdeterminismus ist genau solch eine Theorie. :slightly_smiling_face:


Das Problem ist, dass man ein tiefergehendes Verständnis nur gewinnt, wenn man sich mit den Formeln analytisch beschäftigt und auch mal selbst etwas herleitet.

Ich hatte aber dieselben Probleme, deshalb ein Rat an angehende Physik-Studenten:

Ich habe damals während der Studiums nur die Mathe-Pflichtvorlesungen gehört (Lineare Algebra I und II(?), Analysis I/II). Viele Herleitungen in den Theorie-Vorlesungen konnte ich deshalb nicht nachvollziehen.
Erst später habe ich dann auch Analysis III (Maß- und Integrationstheorie) und Algebra (Gruppen, Ringe, Körper) gehört. Ich war im Nachhinein wirklich traurig, dass mir dadurch erst Jahre nach dem Studium relativ viele Lichter aufgegangen sind.

Deshalb empfehle ich jedem Physik-Studenten, der sich insbesondere für die Theorie interessiert, mindestens LinAlg I/II, Ana I/II/III, Algebra und Funktionentheorie zu hören. Falls irgendwie möglich auch Darstellungstheorie und Funktionalanalysis.


¹) Ein Ausweg wären zusätzliche Dimensionen, über die alle Teilchen jederzeit auf kürzester Distanz verbunden wären, siehe Einstein-Rosen-Brücke. Die Information über die Messung könnte sich dann praktisch instantan und trotzdem lokal kausal von einem zum anderen Teilchen ausbreiten, obwohl diese in unseren drei Dimensionen weit entfernt wären. Ich nehme hier einfach mal unbegründet an, dass die Realität nicht so abgefahren ist. Sollte es doch so sein, stimmen meine Betrachtungen nicht.
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Ok, ich muss mich jetzt ersteinmal mit dem Superdeterminismus beschäftigen :grin:

Nur ein Kommentar zu den Spaltexperimenten und dem Welle/Teilchen Dualismus: Die Ausgangslage ist ja, dass man ein Interferenzmuster sieht wenn man nicht am Spalt misst und kein Interferenzmuster, wenn man schaut durch welchen Spalt das Teilchen gewandert ist. Generell sind das ja zwei Messungen, eine am Spalt und eine am Schirm.

Das Interferenzmuster könnte entstehen indem die Teilchen durch die Ränder vom Spalt abgelenkt werden. Je nachdem wie die Dipole der Randatome auf das Teilchen einwirkt wird es unterschiedlich abgelengt was zu den Interferenzmustern führt. Die Dipole und die (ich sag mal Wellenlänge) der Teilchen treffen also immer zu unterschiedlichen Zeiten aufeinander sodass es auch selbst bei exakt gleichem Winkel unterschiedliche Ablenkungen geben kann.

Wenn man jetzt aber an dem Spalt misst, dann verändert man dadurch ja auch den Zustand der Teilchen durch die erste Messung am Spalt und somit den weiteren Verlauf des Teilchens zum Schirm. Eventuell vernichtet man ja alleine dadurch diese Ablenkungen und das Interferenzmuster wobei ich mir hier einmal genauer anschauen müsste wie diese Messungen genau physikalisch durchgeführt werden.

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Es könnte auch ein freier Unwille sein, also etwas in uns das die Vorgänge überblicken kann und entweder laufen lässt oder einschreitet.

Diese Funktion wäre mit der Emergenz der Evolution gut vereinbar und erklärt wieso ein Bewusstsein existiert.
Da selbst unsere Geruchssinnproteine mit der QM arbeiten wäre es wahrscheinlich möglich, dass das Rätsel unseres Bewusstseins auch so einen Ursprung hat, aber das nur so eine nette Theorie am Rande.

Stimmt, aber oft geht durch die trockene herangehensweise auf dem Blatt so viel Zeit und Lust verloren.
Wenn du ein gutes Programm hättest mit Lehrvideos bei dem du alles in Sekunden simulieren oder visualisieren lassen kannst und einzelne Elemente in ausgefeilten Kurzvideos bei Bedarf erklärt werden, dann kann der Student sich eher in der Faszination verlieren.

Dann braucht es kein Gaming, denn die Menschen können die Realität spielerisch mit Hilfe von Computern und neuronalen Netzen erkunden.
Nach Benoit Mandelbrot:
„Nothing is as serious as play, let’s all play!“

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Mach das; ist auf jeden Fall abgefahrener und unplausibler als man im ersten Moment denkt. :grin:

Die Transmission durch einen einzelne Spalt wird wieder durch einen anderen Effekt beschrieben, nämlich Beugung. Dadurch entsteht ein Beugungsmuster, das allerdings erst bei sehr geringer Spaltbreite sichtbar wird.

Das Interferenzmuster entsteht durch die Zusammenwirkung der beiden Teilwellen, die aus den beiden Spalten kommen. Wenn du misst, durch welchen Spalt das Teilchen geht, bist du sicher, dass es nicht durch beide gegangen ist. Deshalb kann es kein Interferenzmuster geben. Höchstens noch das Beugungsmuster.

Das ist auch ein interessanter Punkt!

Die zweite Messung an einem lichtempfindlichen Schirm stellt wieder eine Ortsmessung dar. Das heißt wenn beispielsweise bei einer Lichtquelle die Lichtintensität immer weiter verringert wird, sieht man wie auf dem Schirm der Reihe nach einzelne „Photonen-Punkte“ auftreffen bzw. erscheinen.

Misst man gleichzeitig nicht am Spalt, entsteht mit der Zeit auf dem Schirm ein Interferenzmuster, welches sich aus den einzelnen Punkten zusammensetzt. Das gleiche Experiment kann man auch mit einem Einfachspalt machen und das Beugungsmuster beobachten, welches sich langsam zusammensetzt.

Siehe Taylor-Experiment, worüber ich in der Schule mal ein Referat halten musste. :slightly_smiling_face:

Im „echten“ Zufall und den Überlagerungszuständen der Kopenhagener Interpretation der QM wird gerne eine Erklärung für unser Bewusstsein und unseren freien Willen gesucht.

Deshalb tun sich wahrscheinlich auch viele schwer damit, ein rein deterministisches Modell zu akzeptieren.

Mir tun an der Stelle auch immer diejenigen leid, die sich für Mathematik null begeistern können, aber für das studierte Fach schon.

Ich habe da ehrlich gesagt Glück gehabt, weil mich die Mathematik mindestens genauso fasziniert. Während des Studiums war ich nur leider trotzdem zu faul.

Die Situation ist heute tatsächlich ja viel besser als zu der Zeit, wo ich Physik studiert habe. Man kann sich zu allen Themen Videos ansehen, um die Motivtion aufrecht zu erhalten. Außerdem gibt es recht viele Kanäle, die zwischen Uni-Niveau und Populärwissenschaft angesiedelt sind. So etwas schaue ich mir auch immer gerne an.

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Genau: Stichwort Huygenssches Prinzip.

Deshalb ist es aus meiner Sicht nicht sinnvoll davon zu sprechen, dass „die Teilchen am Rand abgelenkt werden“, @DasPie.

Erst einmal ist es (ohne Spaltbeobachtung) ja ein Wellenphänomen.

Wie @skyrmion ja schon andeutet, kann ich einen Photo-Schirm mit einer Photonenkanone in großen Zeitintervallen beschießen. Am Ende ergibt sich aus den Einzelschwärzungen ein Interferenzbild.

Wenn man keine soo große Leidenschaft für Mathematik hat, dann ist das imho schon harter Tobak. Also reine Mathevorlesungen. Ich hätte mir lieber soetwas wie ‚Mathematik für Physiker I/II/III‘ oder ‚Mathematische Methoden der Physik I/II/III‘ gewünscht.

Sowas gibt es ja meist nur als Einführung und nicht in höheren Semestern. Aber vielleicht ist das auch unzureichend - das kannst Du, @skyrmion, sicher besser beurteilen. Habe nur LinA und Ana I als reine Mathevorlesungen gehört.

Finde das Konzept mit direktem Bezug zur Physik persönlich attraktiver als reine Mathevorlesungen, aber wie gesagt, vielleicht wird das der Mathematik dann nicht gerecht.

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Ja ich stimme euch zu, dass ich Beugung und Interferenz hier etwas vermischt bzw. als Synonym benutzt habe wobei ich immer das huygenssches Prinzip vor Augen hatte. Aber wenn man jetzt quantenmechanisch darüber nachdenkt, dann hat man ja ersteinmal nur zwei Informationen: Einen zweidimensionalen Schirm mit einem hell/dunkel Muster darauf und (im Fall der Messung) die Information durch welchen Spalt das Teilchen geflogen ist.

Ob das Muster auf dem Schirm jetzt also durch reine Beugung helle oder dunkle Stellen ausweißt oder ob dieses Muster durch Interferenz (Überlagerung) entsteht ist also ersteinmal nicht zu unterscheiden, vorallem nicht bei mehreren Einzelteilchenversuchen.

Durch das Integral über alle Versuche ergibt sich dann das Beugungs- oder Interferenzmuster. Genaueres, also wie man jetzt Beugung von Interferenz unterscheidet, müsste ich aber auch erst wieder nachrechnen oder nachlesen, Optik ist auch schon wieder etwas her :innocent:.

(Also ja, rechnerisch oder theoretisch ist mir der Unterschied schon klar, aber auf dem 2D Schirm könnten die Muster auch ersteinmal gleich aussehen)

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Jein. Wenn ich von Objekten ausgehe, wie Du es mal geschrieben hattest, dann müsste ein Objekt entweder durch den einen Spalt oder durch den anderen gehen. Auch wenn es dort abgelenkt würde. Dann würde sich natürlich auch ein Muster ergeben, aber eben kein Interferenzbild. Wir hätten dann einfach zwei unscharfe Striche (Abbildungen). Es ist ja eben gerade die Überlagerung der Wellen, die dieses Interferenzbild schafft, weshalb eine Teilchen (bzw. die Welle) eben durch beide Spalte geflogen sein muss.

An der Stelle kann man eigentlich mal wieder dieses schöne Bild verlinken:

Ist das was am Einzelspalt bzw. isoliert am Spalt betrachtet passiert.

Ist die Überlagerung sämtlicher Elementarwellen, die jeweils von den Spalten ausgehen.

Beim Interferenzmuster - klar. Aber das setzt doch gerade voraus, dass das Teilchen/die Wellte durch beide Spalte gebeugt wurde und sich die ganzen Elementarwellen überlagern.

Als Teilchen betrachtet kann es natürlich auch zu einer Streuung/Beugung kommen, aber dann ergibt sich eben kein Interferenzmuster mehr, weil es zu keiner Überlagerung kommt. Dann gibt es ja nur die Summe aller Elementarwellen eines Spaltes.