Das hier ist die Rezension eines
Kapitels von „Der Stoff aus dem der Kosmos
ist“ von Brian Greene. Links zu den Rezensionen der anderen Kapitel kann man hier finden.
Das letzte Kapitel war ja schon etwas komplex. Wenn wir den Zeitpfeil erklären wollen, also die Tatsache, dass die Zeit eine klare Richtung zu haben scheint, dann müssen wir entweder davon ausgehen, dass unsere Wirklichkeit nur eine Simulation; eine statistische Fluktuation im Zustand des Universums ist. Oder aber wir müssen postulieren, dass unser Universum nach dem Urknall in einem extrem geeordneten Zustand begonnen hat. Und bevor Greene diese Möglichkeit näher untersucht um herauszufinden, wieso das so gewesen sein sollte, betrachtet er erstmal, was die Quantenmechanik zum Zeitpfeil zu sagen hat. Vielleicht kann die ja eine vernünftige Erklärung liefern und wir können das Postulat mit dem geordneten Urknall fallen lassen.
Schon wieder: der Doppelspalt!
Aber in der Quantenmechanik wird – Überraschung! – erstmal alles etwas verwirrend 😉 Das fängt schonmal damit an, dass der Begriff „Vergangenheit“ hier nicht wirklich mit dem übereinstimmt, was wir normalerweise darunter verstehen. Die Quantenmechanik hat uns ja ein ein völlig anderes Bild von dem gegeben, was wir normalerweise als „Elementarteilchen“ kennen. Denn hier sind die „Teilchen“ keine punktförmigen Etwase mehr wie in der klassischen Physik sondern durch ihre Wahrscheinlichkeitswellen charakterisiert. In gewissen Sinne sind die Teilchen Wahrscheinlichkeitswellen. Wie der Name schon sagt geben diese Wellen die Wahrscheinlichkeit an, ein Teilchen an einem gewissen Ort zu finden. Und solange man nicht konkret nachmisst, kann man einfach nicht genau sagen, wo das Teilchen ist. Erst der Meßakt lässt die Wellenfunktion kollabieren und das Teilchen hat nun einen konkreten Ort. Wenn wir also jetzt wissen, wo ein Teilchen ist, dann können wir nicht wirklich sagen, wo es in der Vergangenheit war.
Das lässt sich besonders schön mit dem klassischen Doppelsspaltexperiment verdeutlichen. Der Augabe ist simpel. Von einer Lichtquelle aus werden zwei Spalten angestrahlt und ein Schirm dahinter zeigt an, was von der Lichtquelle durchkommt.
Wenn das Licht aus Teilchen besteht, dann sollte man erwarten, dass sich hinter den Spalten, dort wo die Teilchen durchkommen, ein Maximum an Licht am Schirm findet und links und rechts davon immer weniger. Wenn das Licht allerdings aus Wellen besteht, dann kommt die Welle durch beide Spalten, es kommt zur Interferenz, d.h. an manchen Stellen löschen sich die Wellen aus; an manchen verstärken sie sich und man sollte ein Interferenzmuster aus dunklen und hellen Streifen sehen.
Das sieht man auch, wenn man Licht durch die Spalten schickt. Aber – und das ist das spannende – man sieht es auch, wenn man z.B. Elektronen durch die Spalten schickt, die ja eigentlich „Teilchen“ sind. Und, was noch seltsamer ist, selbst wenn man immer nur ein einzelnes Elektron nach dem anderen durch die Spalten schickt erhält man ein Interferenzmuster. Die Elektronen verhalten sich also nicht nur wie eine Welle – sie wechselwirken auch scheinbar mit sich selbst. Das Elektron geht gewissermaßen gleichzeitig durch beide Spalten hindurch.
Allerdings nur, wenn man nicht nachsieht, durch welchen Spalt die Elektronen tatsächlich gegangen sind. Man kann ja probieren, schlau zu sein, und an jedem Spalt ein Meßgerät installieren, das nachsieht, ob da gerade ein Elektron durchgeht oder nicht. Macht man das, dann sieht man, dass das Elektron immer nur durch einen Spalt hindurch geht. Und das Interferenzmuster verschwindet! Je nachdem, wie wir das Elektron beobachten scheint es mal eine Welle zu sein, mal ein Teilchen.
Und die Sache mit den Wahrscheinlichkeitswellen wird noch komplexer. Richard Feynman hat gezeigt, dass man für eine korrekte Beschreibung eines Teilchens immer alle Möglichkeiten berücksichten muss. Ein Teilchen hat normalerweise viele verschiedene Möglichkeiten um von A nach B zu kommen und wird diese Möglichkeiten mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten realisieren. Aber wenn man wissen will, was das Teilchen treibt, muss man all diese Möglichkeiten berücksichtigen.
„In Feynmans Formulierung repräsentiert die beobachtete Gegenwart eine Mischung – eine besondere Form des Durchschnitts – aller denkbarer Vergangenheiten, die kompatibel sind mit dem, was wie jetzt sehen.“
schreibt Greene. Die Vergangenheit gibt es in der Quantenmechanik also nicht. Wenn wir ein Teilchen nun also beobachten, zum Beispiel in dem wir Detektoren in die Spalten einbauen, dann wählen wir quasi bestimmte Möglichkeiten aus der Vergangenheit aus:
„Ihre neue Beobachtung wählt genau jene Geschichten aus, die dem, was Ihre neue Beobachtung offen gelegt hat, vorausgehen hätten können. Da diese Beobachtung bestimmt, welche Bahn das Photon genommen hat, berücksichtigen wir nur jene Geschichten, die sich auf dieser Bahn bewegen, womit die Möglichkeit einer Interferenz ausgeschlossen wird.“
Experimente mit dem Doppelspalt wurden in den letzten Jahrzehnten oft genug durchgeführt; mit und ohne Detektoren in den Spalten. Und alle Ergebnisse bestätigen diese Theorie. Einige Experimente sind aber besonders interessant und legen verblüffende Eigenschaften des Zeitbegriffs in der Quantenmechanik offen. Eines davon nennt sich „Delayed-Choice-Experiment“ und untersucht die etwas seltsam klingende Frage ob die Vergangenheit von der Zukunft abhängt.
Die Vorahnung der Photonen
Der Aufbau ist wieder einfach. Wir haben eine Lichtquelle, deren Licht durch einen Strahlenteiler geschickt wird. Beide Strahlen werden über einen Spiegel umgelenkt und auf einem Schirm wieder zusammengeführt. Dabei wird der eine Weg etwas länger gemacht als der andere sodass die Lichtteilchen interferieren können und ein Interferenzmuster bilden. Man kann die Lichtquelle wieder so einstellen dass nur jeweils ein Photon nach dem anderen abgeschickt wird. Die Quantenmechanik sagt nun, dass auch dieses einzelnen Photon – bzw. die Wahrscheinlichkeitswelle – beide Wege geht und deswegen am Ende ein Interferenzmuster zu sehen ist. Genau das beobachtet man auch. Installiert man an den Spiegeln Detektoren, die nachsehen, welchen Weg das Photon genommen hat, dann verschwindet das Interferenzmuster. Das alles wurde experimentell nachgewiesen. John Archibald Wheeler, der große amerikanische Astronom, hat eine interessante Variation dieses Experiments vorgeschlagen: Was passiert eigentlich, wenn man die Detektoren hinter den Spiegeln installiert?
Da kommt dann also das Photon, und weil wir ja nicht auf die Spiegel schauen, nimmt es beide Wege. Unsere Detektoren, die erst dann messen, wenn das Photon die Spiegel schon längst passiert hat, müssten dann also eigentlich auch messen, dass es an beiden Spiegeln vorbeigekommen ist. Ja – sollte man meinen. Das passiert aber nicht. Wenn man diese Messung so durchführt, dann zeigt sich kein Interferenzmuster! Das Photon scheint also irgendwie zu „wissen“, dass da eine Messung kommt und es nur einen Weg nehmen darf. Bzw. scheint die Messung zu beeinflussen, was davor passiert ist.
Wheeler hat noch eine weitere Steigerung des Experiments vorgeschlagen. Anstatt eines Doppelspalts könnte man theoretisch auch eine Gravitationslinse nehmen. Die allgemeine Relativitätstheorie sagt ja, dass Masse den Raum krümmt und so ein Stern oder eine Galaxie quasi als Linse fungieren kann und das Licht so wie einen Spiegel umleitet. Wir können uns also Licht vorstellen, dass von einem Milliarden Lichtjahre weit entfernten Quasar ausgesendet wird. Unterwegs passiert es eine Gravitationslinse und wir links und rechts vorbeigelenkt. Erst auf der Erde stellen wir dann Detektoren auf die messen, ob das Photon nun tatsächlich links oder rechts vorbei ging. Und – auch wenn das Experiment noch nie durchgeführt wurde – es ist klar, was wir sehen werden: Schalten wir die Detektoren aus, werden die Photonen des Quasars ein Interferenzmuster erzeugen; wir schließen daraus, dass sie gleichzeitig links und rechts um die Linse herumgegangen sind und interferiert haben. Schalten wir sie ein, verschwindet das Muster und wir messen, dass die Photonen entweder links oder rechts herumgegangen sind. Und das, obwohl die Photonen schon vor Milliarden Jahren ausgesandt wurden und die Linse passiert haben. Noch bevor die Erde entstand, haben die Photonen also quasi „gewusst“, ob wir am Ende ihres Weges einen Detektor aufstellen oder nicht.
Das widerspricht natürlich unserer Erfahrung. Für ein Photon das vor Milliarden Jahren ausgesandt wurde kann es nicht wirklich einen Unterschied machen, ob wir heute einen Schalter an einem Meßgerät umlegen oder nicht. Greene schreibt:
„Die Quantenmechanik stellt nicht in Abrede, dass die Vergangenheit geschehen ist, und zwar unwiderruflich. Der Konflikt erwächst einfach daraus, dass der Begriff der Vergangenheit in der Quantenmechanik eine andere Bedeutung hat als in der klassischen Vorstellung. In der klassischen Vorstellung aufgewachsen, sind wir versucht zu sagen, ein Photon habe dieses oder jenes getan. In der Quantenwelt, unserer Welt, verleiht diese Auffassung dem Photon jedoch eine zu eingeschränkte Wirklichkeit.“
Und er sagt weiter:
„Obwohl also die Quantenentwicklung von der Vergangenheit bis jetzt durch nichts beeinflusst wird, was wir jetzt tun, kann die Geschichte die wir über die Vergangenheit erzählen, insofern doch die Spur heutiger Handlungen in sich tragen.“
Greene beschreibt noch zwei weitere Experimente: den Quantenradierer und den Delayed-Choice Quantenradierer. Beide sind äußerst spannend – aber wenn ich sie hier auch noch ausführlich vorstellen würde, dann würde der Artikel hier viel zu lang werden. Besorgt euch das Buch und lest es selbst nach – es lohnt sich!
Delayed-Choice-Quantenradierer: Komplizierter als es aussieht… (Bild: Patrick Edwin Moran, GFDL 1.2)
Hier ist, was Greene zu diesen Experimenten sagte:
„Als ich zum ersten Mal von diesen Experimenten hörte, befand ich mich eine Tage lang in einer Art entrückter Hochstimmung. Mir war, als hätte man mir einen Blick auf eine verschleierte Seite der Wirklichkeit gewährt. Die Alltagserfahrung – profane, gewöhnlich, normale Verrichtungen – wirkte auf mich plötzlich wie Teil einer klassischen Scharade, welche die wahre Natur unserer Quantenwelt verbarg.“
Aber eigentlich ging es uns ja um den Zeitpfeil. Wir wollen wissen, warum die Dinge nur auf eine bestimmte Weise ablaufen, aber nie auf eine andere. Warum zerbrechen Eier und warum entbrechen sie nie? Die quantenmechanische Experimente haben gezeigt, dass hier unsere alltäglichen Vorstellungen von „Vergangenheit“ und „Zukunft“ nicht mehr gültig sind. In einer Hinsicht ist die Quantenmechanik aber nicht anders als die klassische Physik: auch ihre Gesetze sind zeitsymmetrisch und unterscheiden nicht zwischen Vergangenheit und Zukunft.
Quantenmechanik und Zeitpfeil
Die Schrödingergleichung, eine der zentralen Formeln der Quantenmechanik mit der die Ausbreitung der Wahrscheinlichkeitswellen beschrieben wird, hat keinen eingebauten Zeitpfeil. Zukunft und Vergangenheit werden absolut gleich behandelt. Das mag widersprüchlich erscheinen, wo ich doch weiter oben vom Kollaps der Wahrscheinlichkeitswelle geschrieben habe, der eintritt, wenn man eine konkrete Messung durchführt. So ein Kollaps stellt doch einen eindeutigen Einschnitt dar und würde man einen Film einer kollabierenden Wahrscheinlichkeitswelle sehen, könnte man doch sofort feststellen, ob er vorwärts oder rückwärts läuft? Das ist richtig – aber laut Schrödingergleichung würde eine Wahrscheinlichkeitswelle nicht kollabieren! Dieser Kollaps ist, wie Greene schreibt, „eine nachträgliche Zugabe“ und dieses „Meßproblem der Quantenmechanik“ beschäftigt die Physiker schon von Anfang an:
„Wie bringt die Messung eines Experimentators eine Wellenfunktion zum Kollaps? Beziehungsweise: findet der Kollaps der Wellenfunktion überhaupt wirklich statt, und wenn, was geht dann tatsächlich auf der mikroskopischen Ebene vor? Bewirkt jede einzelne Messung einen Kollaps? Wann tritt der Kollaps ein und wie viel Zeit ist dazu nötig?“
fragt Greene. Im Laufe der Zeit gab es dazu einige Lösungsvorschläge, die ich hier aber nicht detailliert vorstellen kann (lest das Buch!). Eine mögliche Lösung ist zum Beispiel die berühmte Viele-Welten-Interpretation. Sie besagt, dass die Wellenfunktion tatsächlich NICHT kollabiert sondern das jedes potentielle Ereignis, das von einer Wellenfunktion beschrieben wird, auch wirklich stattfindet – nur eben jedes in einem eigenen Universum (wer ein wenig unnützes Partywissen braucht: der Sohn von Hugh Everett, dem Begründer der Viele-Welten-Interpretation ist der Sänger der Band Eels). Eine andere Lösung hat David Bohm vorgeschlagen. Laut ihm existiert das Teilchen zusätzlich zur Wellenfunktion und sie sagt dem Teilchen quasi, wie es sich verhalten soll. Ghirardi, Rimini und Weber haben eine modifizierte Version der Schrödingergleichung vorgeschlagen, laut der die Wellenfunktionen auch ohne äußeren Einfluß spontan kollabieren können (bis jetzt konnte aber noch kein Hinweis gefunden werden, dass diese Gleichung tatsächlich richtig ist). Am populärsten ist die Theorie der Dekohärenz, die besagt das die Wellenfunktion immer mehr an Koheränz verliert je länger ein System mit seiner Umgebung wechselwirkt. Ein einzelnes Photon im leeren All kann wunderbar als reine Wellenfunktion existieren. Ein großes System, wie z.B. Mensch steht aber ständig in Wechselwirkung mit der Umgebung; ständig wird er von Photonen, Luftmolekülen, etc „angestupst“ und die Wellenfunktion wird „verwischt“ und kollabiert schließlich. Das klingt plausibel – aber die Dekohärenz erklärt z.B. nicht, wie aus den vielen Möglichkeiten genau die eine ausgewählt wird, die schließlich nach dem Kollaps realisiert wird.
Das Meßproblem ist also immer noch ungelöst. Und von den Lösungsvorschlägen hätte nur einer – die neue Gleichung von Ghirardi, Rimini und Weber – hätte einen eingebauten Zeitpfeil und könnte unsere Frage aus dem letzten Kapitel, die nach der Richtung der Zeit, beantworten. Die anderen Gleichungen sind genauso zeitsymmetrisch wie die ursprüngliche Quantenmechanik. Und selbst eine zeitasymmetrische Formulierung könnte immer noch auf die gleiche Erklärung angewiesen sein, die Greene im letzten Kapitel vorgestellt hat: ein Zustand äußerst niedriger Entropie kurz nach dem Urknall. So wie es momentan aussieht, bleibt uns also erstmal nichts anderes übrig, als uns mit dem Urknall zu beschäftigen, wenn wir das Rätsel der Zeit lösen wollen. Deswegen beschäftigen sich die nächsten drei Kapitel des Buchs auch mit der Kosmologie.
„Ein einzelnes Photon im leeren All kann wunderbar als reine Wellenfunktion existieren.“
Wie sieht es mit der Hintergrundstrahlung aus? Müsste ein einzelnes Photon nicht unmittelbar mit einem Photon der Hintergrundstrahlung wechselwirken und die Wellenfunktion daher kollabieren?
@AndreasP
Photonen wechselwirken nicht direkt mit Photonen.
Es gibt nur eine sehr schwache indirekte Wechselwirkung, bei der die beiden Photonen über virtuelle Teilchen-Antiteilchen-Paare miteinander wechselwirken, aber der Effekt ist extrem schwach – wenn ich die Kohärenztheorie richtig verstehe, wäre die Zeit zur Dekohärenz extrem lang.
Aber ich vermute ohnehin, dass das mit dem einzelnen Photon mehr als Idealisierung gedacht war – im All gibt es ja auch Materie, und mit der wechselwirkt das Photon.
Mal kurz ne Frage zum Detektor nach dem Spalt: Ist das wirklich ein Problem? Ich dachte, der Detektor der den tatsächlichen Weg mißt zerstört irgendwie die Kohärenz der (Wahrscheinlichkeits-)Welle, und daher gibt es kein Interferenzmuster mehr. Wenn nun im späteren Weg ein Detektor steht, müsste der doch genau das gleiche machen, oder? Ich sehe zumindest das Spektakuläre daran noch nicht.
Folgender Versuchaufbau:
Beim Delayed-Choice-Quantenradierer leitet man die Photonen aus dem oberen Teil der Skizze nach Australien weiter und verzögert die hier in Europa verbliebenen Photonen direkt nach der Verschränkung, bis ihre verschränkten „Kopien“ in Australien angekommen sind. Nun schaltet man, hier in Europa, abwechselnd D1+D2 oder D3+D4 ein bzw. aus.
Wie lange dauert es, bis die Änderung in der Fähigkeit zur Interferenzbildung in Australien gemessen wird? Geht das mit Lichtgeschwindigkeit oder ohne Verzögerung?
Und was passiert, wenn man die Messung nicht direkt an den zum Schirm fliegenden Photonen durchführen würde? Sondern diese bsw. vor dem Schirm durch einen Kristall führt, der jedes Photon in zwei verschränkte Photonen aufspaltet.
Dann könnte man die Messung an den verschränkten Zwillingsphotonen doch auch lange nachdem die Schirmphotonen auf den Schirm trafen durchführen? Und trotzdem verschwindet das Interferenzmuster auf dem Schirm.
Insofern müssten die Schirmphotonen irgendwie wissen, was in ferner Zukunft mit ihren verschränkten Zwillingsphotonen angestellt wird?
@ Slogar:
Im letzten Absatz des „The experiment“ Teil des Wiki-Artikels steht’s: Die Interferenz in D0 ergibt sich erst, wenn man auswaehlt welche Photonen man betrachtet. Es gibt eine Interferenz zwischen D0-D1-Photonen und zwischen D0-D2-Photonen. Jedes Set davon zeigt Interferenz, aber die Gesamtheit der Photonen in D0 zeigt keine Interferenz. Das bedeutet, dass zwar die Interferenz instantan mit der Auswahl geschieht, aber keine Information mit Ueberlichtgeschwindigkeit uebertragen werden kann. Wir muessen erst in Australien anrufen und ihnen sagen welche Photonen sie auswaehlen sollen, bevor sie Interferenz beobachten koennen.
@Florian:
Herzlichen Dank fuer diesen Artikel. Solche Dinge treiben mich immer wieder an, wenn ich zu demotiviert werde. Jetzt promoviere ich schon ueber Quantenmechanik, aber vom Delayed-Choice-Quantenradierer hatte ich noch nie gehoert. Coole Sache!
@Manea-K:
Wir senden ab 00 Uhr GMT zu jeder Mikrosekunde ein Photon. Die Australier sammeln 100 Photonen ein und prüfen auf ein Interferenzmuster. Sie registrieren ein „ja“ oder ein „nein“ als Datenbit und leeren den Detektorschirm für die Aufnahme der nächsten 100 Photonen. Der Sender in Europa manipuliert die Detektoren D1+D2 und D3+D4 nur bei jedem 100ten Photon. Die Australier haben nur einen Detektor. Wir müssen Ihnen also keine weiteren Anweisungen per Telefon zukommen lassen.
@Slogar:
Das Problem ist, dass die Australier keine Interferenz sehen. Sie sehen die Punkte aus den Figuren 3-5 (in https://arxiv.org/pdf/quant-ph/9903047 ) alle zusammen (+ noch ein weiteres Set, das D4 entspricht) und koennen daraus kein Interferenzbild machen bis wir ihnen sagen: „Schaut euch nur die Punkte an, die ihr aufgenommen habt als bei uns gleichzeitig ein Signal von D1 (bzw. D2) ankam.“ Dann finden sie die Kurven aus Fig.3 bzw. 4, die sind aber verschoben, wenn sie beide Punktesets zusammen betrachten sehen sie keine Interferenz. Und wenn sie die Punkte betrachten die aufgenommen wurden als bei D3 und D4 was ankam sehen sie auch keine Interferenz.
Ah, vielleicht sollte ich das noch dazu sagen: Es gibt keine Manipulation bei diesem Experiment. Es werden immer alle Signale der Detektoren D0 – D4 aufgenommen (+ Zeitpunkt der Detektion). Bei den Detektoren D3 und D4 weiss ich genau aus welchem Spalt die Photonen kamen, deshalb gibt es keine Interferenz zwischen diesen und ihren counterparts in D0, bei D1 und D2 weiss ich es nicht, deswegen gibt es dort Interferenz.
@Manea-K:
Während die Europäer D1 und D2 eingeschaltet haben, messen die Australier eine Mischung aus Fig.3 und Fig.4.
Während die Europäer D3 und D4 eingeschaltet haben, messen die Australier eine Mischung aus Fig.5 und dem fehlenden Fig.6.
Nun würde ich auf den ersten Blick vermuten, dass man diese Überlagerung aus phasenverschobenen, unscharfen Kurven durch Bilderkennungsalgorithmen zuordnen kann. Aber davon abgesehen, was spricht dagegen, D1 und D2 durch Spiegel, Prismen, etc. zusammenzufassen?
Hier sind zwei Flash-Interaktionen zum Doppelspalt-Experiment, welche ich vor Jahren mal für KworkQuark gebastelt habe.
Mit Spalt-Detektoren:
https://kworkquark.desy.de/kennenlernen/artikel.quantenphysik-2/2/2/index.html
und ohne:
https://kworkquark.desy.de/kennenlernen/artikel.quantenphysik-2/3/2/index.html
Funktioniert immer noch 😉
Marc
@Tricklabor
naja… aber man sieht die photonen nicht fliegen *tztz
nein quatsch… war nur ein scherz…. ich finde es cool 😉
@Manea-K:
Ich hatte nicht bedacht, dass die Spiegel halb durchlässig sind und nicht alle Photonen auf D1 und D2 treffen. Darum würde mein Experiment nicht funktionieren.
Aber man kann den Aufbau vereinfachen, indem man D1+D2 entfernt und D3+D4 direkt hinter den BBO Kristall hängt. Dann würde man doch bei eingeschalteten Detektoren an D0 keine Interferenz messen und bei ausgeschalteten Detektoren würde man an D0 Interferenz messen. Oder hab ich da wieder einen Denkfehler?
so… jetzt gestehe ich euch mal, dass ich mir die drei büchlein bestellt habe *grins
ich habe das von John Gribbin zwar schon vor langer zeit gelesen, aber ich habe es nicht mehr… ist mir mit der zeit irgendwie abhanden gekommen. im cafe oder ubahn vergessen… passiert hier mal schnell in Berlin. bei den 20 bis 30 minütigen fahrzeiten ist ein buch eine grosse wohltat. und was ist besser als ein buch auf der fahrt, mit kapiteln über die zeit, zu lesen um sich diese auch (subjektiv) zu verkürzen 😉
@Slogar:
Dieses vereinfachte Experiment wuerde so funktionieren wie Du sagst, ja. Das waere aber nichts Neues, sondern einfach wieder das alte Doppelspaltexperiment mit und ohne Nachschauen durch welchen Spalt die Photonen gegangen sind.
Das Interessante an dem urspruenglichen Experiment ist ja, dass man alle gemeinsam Daten aufnimmt (wie gesagt hier wird nicht an- und ausgeschaltet) und sich erst im Nachhinein ueberlegt welche Photonen in D0 man sich anschaut.
Also im Prinzip schaut man sich jeden Punkt in D0 an, fragt sich ob man den Weg des korrespondierenden Photons kennt (i.e. hab ich zum gleichen Zeitpunkt ein Signal in D3 oder D4?) oder nicht (Signal in D1 oder D2). Wenn man nun nur die Photonen nimmt deren Wege man kennt erhaelt man eben Fig. 5 (keine Interferenz), und wenn man die zusammenfasst deren Wege man nicht kennt (allerdings nur ein Set) sieht man Interferenzmuster.
Das schoene waere jetzt (wenn ich Deinen obigen Vorschlag richtig verstanden habe) die Detektoren in Europa ein- und auszuschalten und dadurch eine instantane Aenderung im Detektorbild von D0 in Australien zu bekommen. Aber, wie gesagt, das funktioniert so nicht, auch nicht ueber Bilderkennung oder so, weil eben die Ueberlagerung der beiden Interferenzbilder (Fig.3 + Fig.4) genauso [1] aussieht wie die Ueberlagerung von Fig.5 und Fig.6. Zumindest in der Theorie. Wenn das Experiment zeigt, dass sie doch abweichen… -> Anruf in Stockholm.
[1] soweit das Wort „genauso“ bei solchen Punktmustern Sinn macht; also fuer n -> unendlich haben sie die gleiche Verteilung.
@Manea-K:
Mir geht es auch nicht um die seltsamen Zusammenhänge zwischen Gegenwart und Vergangenheit, sondern um die Informationsübertragung in Nullzeit. Bisherige Ansätze verwenden Polarisation und funktionieren nicht, weil die Verschränkung aufgehoben wird. Mein Ansatz wäre folgender:
In Europa wird pro Mikrosekunde ein Photon durch einen Doppelspalt geleitet und dahinter mit dem BBO-Kristall in zwei verschränkte Photonen geteilt.
Der eine Teil wird nun durch eine Linse wie im Delayed-Choice Quantenradierer fokussiert und nach Australien geleitet.
Der andere Teil wird in Europa durch zwei Detektoren geleitet, die den durchflogenen Spalt erkennen. Die Detektoren werden für jeweils 100 Mikrosekunden ein- oder ausgeschaltet, um beim Empfänger eine Mustererkennung zu ermöglichen.
In Australien sollte man dann in Nullzeit anhand des Musters sehen können, ob die Detektoren in Europa aktiv waren oder nicht.
@Slogar
Meines Wissens reicht „ausgeschaltete Detektoren“ nicht. Solange die Möglichkeit der Messung besteht, gibt es meines Wissens kein Interferenzmuster auf dem Schirm. Ich denke daher muß die Weginformation der Detektorphotonen ausradiert werden (prinzipiell unmeßbar gemacht werden), wenn es Interferenz der Schirmphotonen geben soll?
@Aragorn:
Ich denke, beim klassischen Doppelspalt-Experiment ist es äquivalent, ob die Detektoren existieren und ausgeschaltet sind, oder ob sie gar nicht erst am Spalt montiert wurden. Der Messvorgang ist entscheidend. Nicht das Gerät in der Nähe der Photonen“flugbahn“. Man kann es auch so sehen: Die Möglichkeit der Messung besteht erst, wenn der Detektor eingeschaltet ist.
@Slogar
Messen, und damit die Weginformationen auswerten, macht die Natur irgendwann und irgendwo sowieso. Insofern ist der Fall „gemessen durch vom Menschen konstruierten Detektor“ und „gemessen von der Natur“ nicht unterscheidbar. Ergo zerstört die alleinige Möglichkeit die Weginformation zu erhalten, die Interferenz am Schirm.
Mit dem klassischen Doppelspaltexperiment ist das nicht vergleichbar, weil deren Weginformation nur auf dem kurzen Weg Spalt->Schirm ausgelesen werden kann. Diese Wegeinschränkung besteht für die verschränkten Zwillinge im Delayed-Choice-Quantenradierer nicht. Prinzipiell können kann die Weginformation der Zwillingsphotonen auch erst Billionen Jahre in der Zukunft abgefragt werden.
@ Christian A
Das sehe ich genauso. Es gibt aber auch andere Ansätze, zum Beispiel mechanische:
https://tinyurl.com/2769a6w
@Ockham
Ja, so wie das bei Green beschrieben wird, sehe ich da auch nichts sonderlich merkwürdiges beim Vergleich des einfachen Delayed Choice Experiment und dem Messen vor dem Spiegel.
Greens Aussage „am Strahlteiler entscheidet das Photon, ob es am Schirm interferiert“, finde ich unverständlich. Wenn Photonen bezüglich der Frage „wird meine Weginformation irgendwann abgefragt?“, bereits ihre gesamte Zukunft kennen sollen, finde ich Greens Aussage widersprüchlich. In einer nichtlokalen Quantentheorie, ist die Information „es hat mir einer aufgelauert und meinen Ort zum Zeitpunkt t gemessen“, dem Quantenobjekt automatisch zu allen anderen Zeitpunkten auch bekannt. Es unterscheidet diesbezüglich einfach nicht zwischen Vergangenheit und Zukunft?
Wirklich nochmals seltsamer finde ich nur das Experiment mit den verschränkten Zwillingsphotonen. Denn dort zeigt sich, daß die Schirmphotonen nicht nur über eine Messung irgendwo auf ihrer begrenzten Weltlinie Bescheid wissen, sondern prinzipiell auch über eine Messung auf der theoretisch unbegrenzten Weltlinie ihres Zwillingsphotons informiert sind. Sie wissen zwar nur sehr, sehr wenig über ihre Zukunft, dieses wenige aber für ihre gesamte Zukunft.
Das mit der „Zukunft“ eines Photons ist doch ohnehin gefährlich: als ruhmasseloses Teilchen bewegt es sich mit c und hat daher überhaupt kein „subjektives“ Vergehen von Zeit intus. Ein Photon ist aus „seiner Sicht“ sozusagen eine an reflektierenden Stellen geknickte Stange Photon. Da Photonen und Antiphotonen auch noch identisch sind, können nicht einmal wir zwischen in der Zeit vorwärtsfliegenden und rückwärtzfliegenden Photonen unterscheiden.
@Bullet
Mit „was Photonen über ihre Zukunft wissen“, meine ich immer die Betrachtung aus unserem Bezugssystem. Nicht aus dem der Photonen. Photonen sehe die Welt sowieso ganz anders (bsw. nur zweidimensional).
Beim Delayed-Choice-Experiment mit Zwillingsphotonen, weiß das Schirmphoton beim Auftreffen am Schirm bereits, ob zu einem dazu späteren Zeitpunkt die die Ortsmessung des Zwillingsphotons ermöglicht wird oder nicht. Wird bsw. das Zwillingsphoton entsprechend gut von der Umgebung abgeschirmt, sodaß dessen Ortsinformation auch auf astronomischen Skalen nicht abgefragt wird. Dann kann auch Jahre später (bsw. mit einem Polarisator) die Weginformation erlaubt oder verweigert werden. Das Schirmphoton weiß von dieser zukünftigen Entscheidung des Experimentators bereits heute.
Und wie bereits gesagt: Ob die ermöglichte Messung durch den Experimentator wirklich stattfindet oder nicht ist egal. Die Möglichkeit es machen zu können, reicht aus um das Interferenzmuster zu zerstören. Auch bei einem ausgeschalteten oder defekten Detektor, entsteht kein Interferenzmuster, wenn die Messung bei eingeschaltetem und funktionsfähigem Detektor möglich wäre.
Das Ergebnis des Experimentes (Interferenz ja oder nein) wird nicht durch den Zustand des Messgerätes beeinflußt.
@Aragorn
„Meines Wissens reicht „ausgeschaltete Detektoren“ nicht. Solange die Möglichkeit der Messung besteht, gibt es meines Wissens kein Interferenzmuster auf dem Schirm.“
Sagen wirs anders. Sobald ein physikalischer Prozess stattfindet, der das Photon in einem gewissen Ortsbereich festnagelt, verschwindet das Interferenzmuster. Insbesondere bei einer Messung findet solch ein Prozess statt. Es ist also nicht die Messung (als menschliches Konzept), sondern der damit verbundene und nicht zu verhindernde physikalische Prozess.
Da ich das Buch gerade lese, mal ’ne verspätete Frage, vielleicht antwortet noch jemand.
Es geht um das Delayed Choice Quantum Eraser Experiment.
Mal angenommen, der Lichtwegunterschied zwischen Laser und D0 sei furchtbar viel kleiner als der zwischen Laser und dem restlichen Aufbau, der sich mit den Idler-Photonen befasst. Sagen wir, so lange, dass man Zeit genug hätte, diesen Aufbau zu verändern.
1) Wir lassen den Aufbau unverändert wie oben im Bild, nur mit dem verlängerten Weg zum Ilder-Nachweis-Aufbau. Funktioniert das Experiment dann noch genau so? Ich denke ja, wenn ich das richtig verstanden habe. Es wurde ja nirgends verlangt, dass der Weg eine bestimmte Länge einhalten muss.
2) Wir nehmen vor dem Experiment die Pfade zu D1 und D2 weg, d.h. die Position der Idler-Photonen wird immer ausradiert. Dann sollte doch auf D0 ein ganz normales Interferenz-Muster entstehen, richtig? Das könnte man aufnehmen, z.B. photographisch.
3) Jetzt der interessante Teil: Wir fangen das Experiment so an wie in Nr. 2 und lassen das Signal-Licht auf D0 fallen. Es sollte ein Interferenzmuster bilden, noch bevor die Idler-Photonen ihren langen Weg zum Aufbau geschafft haben. Gemeinerweise bauen wir den aber jetzt so um, dass der Radierer-Pfad entfällt und nur die Pfade zu D1 und D3 übrigbleiben, d.h. wir entscheiden uns nach dem Entstehen des Interferenzmusters, ob wir die Ortsinformation auswerten wollen.
Was passsiert?
Das wäre quasi ein Zeitparadoxon: wenn ich das Interferenzmuster schon fotografiert habe, sorge ich dafür, dass es nicht entstehen häte können sollen. Ich vermute mal, dass Nr. 3) so nicht funktionieren wird, also kein Interferenzmuster erzeugen sollte, sehe aber nicht, woran das liegen könnte. Die Photonen an D0 sind nun mal schneller dort, als die Idler, und dann habe ich prinzipiell die Wahl, wie mein Aufbau zum Nachweis der Idler aussieht.
Hat jemand eine gute Idee zu dieser Modifikation? Wäre interessant, ob das Experiment in ähnlicher Form schon mal versucht wurde, es gibt ja sehr schnell schaltende optische Elemente, mit denen sich die Pfade umschalten lassen. Nur hat man wenig Zeit, das Interferenzmuster bilden zu lassen, denn das muss fertig sein, bevor die Idler den Nachweis-Aufbau erreichen.
@myself:
Kleiner Fehler mit der Detektor-Nummerierung.
Also, in 2) die Pfade zu den Einzelweg-Detektoren D3 und D4 wegnehmen, die Pfade zu den Detektoren D1 und D2, die nur die Photonen mit gelöschter Weginformation anschauen können, belassen.
In 3) dann umgekehrt umbauen, D3 und D4 bleiben drin, die Wege zu D1 und D2 werden entfernt. Z.B. werden BSa und BSb durch vollverspiegelte Elemente ersetzt.
Wo sind die Quantenexperten, die das obige modifizierte Experiment kommentieren können? Bjoern?
@Alderamin: Danke für das Vertrauen – aber bei solchen Experimenten zu Grundlagen bzw. zur Interpretation der Quantentheorie müsste ich mich auch erstmal einarbeiten… mein Gebiet ist/war eher die Elementarteilchenphysik.
Jemand, der sich meines Wissens mit so etwas gut auskennt, ist Chad Orzel; vielleicht versuchst du’s mal auf seinem Blog?
https://scienceblogs.com/principles/
Danke, das werd‘ ich tun. An Greene hab‘ ich übrigens auch geschrieben, aber ob der Zeit für solche E-Mails hat, glaube ich mal nicht. Schauen wir mal.
Hallo,
gestern habe ich das erste Mal vom Delayed-Choice Quantenradierer gehört bzw. mir ein Filmchen dazu auf youtube angesehen.
https://www.youtube.com/watch?v=OGtPl_QPR-A
Ich bin mir nicht ganz sicher, ob ich die Kernaussage verstanden habe und versuche diese jetzt mal folgendermaßen in meinen Worten zu formulieren:
Ein Photon wird nach passieren des Doppelspaltaufbaus durch einen Beta-Bariumborat Kristall in zwei miteinander verschränkte identische Photonen aufgeteilt. Nach dem Aufteilen fliegt eines der zwei identischen miteinander verschränkten Photonen im Zustand der Überlagerung (roter und/oder blauer Weg) auf den Detektor 0 zu und wird von diesem „registriert“ (gemessen). Der Detektor 0 zeigt nur die Position, wo das Photon auf dem Detektorschirm 0 aufgetroffen ist.
Das Partnerphoton nimmt einen längeren und zufallsgesteuerten Weg und trifft über die Spiegelanordnung einen der Sensoren 1 bis 4, wird dort dann nicht aufgezeichnet (gemessen), sondern nur als „ankommend“ erfasst.
Sensor 1 und 2 hat jedoch keine Information darüber, welche Spalte das Partnerphoton passiert hat, da es ja sowohl über den roten als auch über den blauen Weg hätte kommen können (somit im Zustand der Überlagerung auf beiden Wegen). Der nun vorhandene Informationsgehalt „Spaltdurchgang unbekannt“ wird an den Coincident Counter weitergegeben.
Anders bei Sensor 3 und 4. Diese Sensoren können dem ankommenden Partnerphoton einen genau festgelegten Spaltdurchgang zuordnen („nur blauer Weg“ oder „nur roter Weg“). Der nun vorhandene Informationsgehalt „Spaltdurchgang bekannt“ wird an den Coincident Counter weitergegeben.
Nun kann jeder einzelne Lichtpunkt, der von einem Photon auf dem Detektor 0 erzeugt wurde einem der Sensoren 1 bis 4 zugeordnet werden, zu dem das jeweilige Partnerphoton geflogen ist.
Die Auswertung der Daten dieser Zuordnung ergibt, dass sich das „Detektor-0-Photon“ sich entsprechend dem Informationsgehalt („Spaltdurchgang bekannt/Spaltdurchgang unbekannt“) seines Partnerphotons verhält.
Dadurch wird die Frage aufgeworfen, wie das „Detektor-0-Photon“ zum Zeitpunkt t0 wissen kann, welches zufallsbedingte (zufallsgesteuerte) Ergebnis sein Partnerphoton zum Zeitpunkt t1 bekommen wird.
Ich würde mich sehr freuen, wenn es in diesem Blog jemand gibt, der mir sagt, ob dies so in etwa der Kernaussage des Experiments ist, oder ob ich vollkommen daneben liege.
Vielen Dank im Voraus.
@Stephan
Ich wollte Dir schon länger antworten, aber hatte noch nicht die Zeit, ich hoffe, du hast die Benachrichtigungsfunktion aktiv und dass sie funktioniert.
Erstmal dank für das Video. Im Prinzip hast Du das richtig aus dem Video verstanden, allerdings scheint mir die Erklärung im Video nicht korrekt zu sein. Es ist nämlich nicht so, dass im Experiment ein einzelnes Photon auf dem Detektor D0 ein Interferenzmuster erzeugt, sondern wenn man alle Zeitpunkte aus den Messdaten extrahiert, zu denen Photonen auf den Detektoren D1 und D2 gelandet sind (zu denen es jeweils Wegmöglichkeiten für beide Spalte gibt, dorthin zu gelangen), dann sieht man in der Überlagerung ein Interferenzmuster in den D0-Daten. Wenn man nur die Zeitpunkte betrachtet, zu denen Photonen auf den Detektoren D3 oder D4 registriert wurden, dann sieht man in der Überlagerungdieser Zeitpunkte kein Interferenzmuster in den Daten von D0. Das ist ein wichtiges Detail.
In https://en.wikipedia.org/wiki/Delayed_choice_quantum_eraser ist das Experiment mit seinen Folgen ausführlicher erklärt. Ein Problem scheint dann zu entstehen, wenn man die Zeit zwischen dem Eintreffen eines Photons in D0 und die Zeit bis zur Registrierung in D1-D4 sehr lang wählt und dann irgendetwas am Versuchsaufbau ändert. Das Problem dabei wäre jedoch, dass dann die zeitliche Beziehung zwischen den Photonen in D0 und den empfangenen Photoen in D1-D4 verloren ginge, d.h. man könnte nicht mehr die Zeitpunkte heraussuchen, wo das Eintreffen eines Photons in D1 oder D2 mit einem Photon in D0 korreliert und somit das Interferenzmuster aus den Daten herausfiltern (ohne dieses Filtern zeigt D0 nämlich nur eine Überlagerung von Interferenz und zwei Einzelspalten).
D.h. wenn man den Lichtweg verändern würde (und damit beantwortet der Wiki-Artikel meine eigene Frage von weiter oben) dann könnte man aus den Messdaten von D0 nachträglich auch nur das Muster extrahieren, das zu dem nachträglich veränderten Lichtweg passt.
Man braucht dann auch nicht die Erklärung von Campbell im zweiten Teil des Videos, sondern es reicht Feynmans Deutung, dass das Beobachtete immer die Pfadsumme aller Möglichkeiten ist. Sind alle Wege möglich, sieht man eine Überlagerung von Doppel- und zwei Einzelspalten. Kann man die Zeitpunkte durch D3/D4 herausfischen, in denen Photonen ein Einzelspaltmuster erzeugen, dann sieht man zu diesen Zeitpunkten genau ein solches, zu den Zeitpunkten, in denen die Photonen das Doppelspaltmuster bilden, herausgefiltert durch D1/D2, sieht man jenes. Sobald man die Messzeitpunkte in D1-D4 zeitlich entkoppelt vom Eintreffen in D0, kann man die Separierung nicht mehr vornehmen und man hat keine Chance, die Überlagerung aufzulösen. So verstehe ich die Erklärung im Wiki-Artikel.
Zitat
dass die Photonen entweder links oder rechts herumgegangen sind. Und das, obwohl die Photonen schon vor Milliarden Jahren ausgesandt wurden und die Linse passiert haben. Noch bevor die Erde entstand, haben die Photonen also quasi “gewusst”, ob wir am Ende ihres Weges einen Detektor aufstellen oder nicht.
Ende Zitat.
Weil wir nichts wissen vermuten wir mysteriöse Dinge in der Welt der Quanten.
Wenn ich einen Tropfen Wasser messen will der noch nicht an dem Messgerät
kondensiert dann weiß er wo er sich als Tropfen ausbildet? Klar in feuchter Luft wird ein gekühlter Messfühler einen Tropfen Wasser messen, weil er sich genau da
niederschlägt wo er soll, nämlich an einer kalten Fläche. Der Wassertropfen hat sogar Verstand weil er die Naturgesetze kennt. Und er kennt die Zukunft das er sich an einem
Messgerät niederschlagen muss. Das Dumme ist aber den Wassertropfen gab es noch nicht er hat sich erst aus der feuchten Luft gebildet.
Nun, bei Wellen die durchs All reisen gibt es auch erst einen Zusammenstoß mit dem Messfühler der einen winzigen Wellenzug kollabieren lässt und so ein Photon entsteht erst am Messfühler wie der Wassertropfen an dem gekühlten Absorber.
Also noch mal im Lichtstrahl gibt es kein Photon sondern nur Lichtwellen . Erst wenn diese
von einem Messgerät an ihrem Flug durchs All mit ca 300 000 km/s auf einem Messgerät
aufprallen wird bei einer bestimmten Menge der kollabierenden Lichtenergie ein Photon
Anders geht es leider nicht und was Mysteriöses passiert da auch nicht.
mfg
h. joswig