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Elfulus 10.12.19 01:48

Bohrende Quantenfrage
 
Als interessierter Laie, der sich auch schon mal an verschiedene Einführungen der QM gewagt hat, konnte ich einen Fragenkomplex für mich immer noch nicht zufriedenstellend beantworten:

1. Braucht man das Konstrukt der Vorstellung, dass sich vor einer Messung alle möglichen Zustände in einer Superposition überlagern, für die QM-Mathematik oder für die Logik/Voraussagen der QM?

2. Muss ein streng deterministisches System vorhersagbar und/oder perfekt messbar sein (nicht nur numerische/statistische Annäherung wie z.B. bei Dreikörperproblem/deterministischem Chaos)?

3. Wenn man 1.+2. ohne "QM-Mathematik-Störung" mit nein beantworten darf, kann man dann nicht naheliegender annehmen, der Zustand eines Quantensystems sei auch schon vor einer Messung derterminiert?

4. Wenn man 3. bejahen kann, wäre es dann nicht unter Annahme dieser Sichtweise völlig normal, dass Messungen an verschränkten Quantenzuständen immer korrelieren, ohne dafür eine mysteriöse Nicht-Lokalität zu bemühen? Schließlich würde man bei Ereignissen (oder Wechselwirkungen), die mehr als eine Zustandsänderung bewirken, kaum darüber staunen, dass diese gemeinsam verursachten Zustandsänderungen bei späteren Messungen nach einer zeitlichen Zustandsentwicklung korrelieren. Das wäre nur dann "nicht-lokal", wenn man jedem einzelnen der beiden nun verschränkten Systeme aufgrund von angeblicher Nicht-Determiniertheit und Superpositon weiterhin ein aus allen möglichen Zuständen überlagertes Eigenleben zuschreibt und auf diese Weise den beiden eigentlich nur korrelierten Messungen eine "spukhafte" nicht-lokale Ursache-Wirkungs-Beziehung andichtet, die sie dann aber genauso wenig hätten, wie gleichzeitg auftretende Storchpopulationen und menschliche Geburtenzahlerhöhungen.

Daher nochmal die Frage: (Wozu) braucht man die Vorstellung von angeblich objektivem Zufall, Indeterminismus und Zustands-Superposition? Bzw., wenn man sie nicht unbedingt bräuchte, warum lässt man sie dann nicht zugunsten von Ockhams Rasiermesser, besserer Verständlichkeit und nicht erforderlicher Nicht-Lokalität / Superposition einfach fallen? Ist es nicht so, dass viele der seltsam anmutenden QM-Interpretationen nur durch das Postulat der Indeterminiertheit und Zustandsüberlagerung mit plötzlicher Projektion/Kollaps nötig werden?

....und....was wären QBits ohne Zustandsüberlagerung?

Bernhard 10.12.19 05:52

AW: Bohrende Quantenfrage
 
Hallo Elfulus,

Zitat:

Zitat von Elfulus (Beitrag 92510)
Als interessierter Laie, der sich auch schon mal an verschiedene Einführungen der QM gewagt hat, konnte ich einen Fragenkomplex für mich immer noch nicht zufriedenstellend beantworten:

willkommen im Forum und vielen Dank für den gut formulierten Einstiegsbeitrag.

Als Antwort auf deinen Beitrag kann ich aktuell nur einen etwas augenzwinkernden Beitrag beisteuern.

Deine Fragen erinnern mich etwas an meine Suchen nach Alternativen zu den gängigen Theorien. Bei meinem Studium war das allerdings eher eine Suche nach Alternativen zu allgemeinen Relativitätstheorie. Heute, d.h. zwanzig Jahre später bin ich davon überzeugt, dass die Physiker des zwanzigsten Jahrhunderts durchaus eine "brauchbare" Arbeit abgeliefert haben, die auch heute noch sinnvoll genutzt werden kann ;) .

Die Details zu deinen Fragen überlasse ich gerne dem Forum.

Timm 10.12.19 11:58

AW: Bohrende Quantenfrage
 
Zitat:

Zitat von Elfulus (Beitrag 92510)
1. Braucht man das Konstrukt der Vorstellung, dass sich vor einer Messung alle möglichen Zustände in einer Superposition überlagern, für die QM-Mathematik oder für die Logik/Voraussagen der QM?

Durch den Zustand der Superposition sind die möglichen Messergebnisse festgelegt. Wenn man von der "Bohm'schen Mechanik" absieht ist die Quantenmechanik nicht determiniert. Das einzelne Messergebnis ist damit nicht determiniert. Wenn ein Teilchen durch den Doppelspalt geht, erscheint der Punkt mit einer durch die Wellenfunktion gegebenen Wahrscheinlichkeit irgendwo auf dem Schirm. Gehen viele Teilchen durch, ergibt sich das Interferenzbild.

Zitat:

Zitat von Elfulus (Beitrag 92510)
2. Muss ein streng deterministisches System vorhersagbar und/oder perfekt messbar sein (nicht nur numerische/statistische Annäherung wie z.B. bei Dreikörperproblem/deterministischem Chaos)?

Einige Anworten dazu findest du hier.


Zitat:

Zitat von Elfulus (Beitrag 92510)
3. Wenn man 1.+2. ohne "QM-Mathematik-Störung" mit nein beantworten darf, kann man dann nicht naheliegender annehmen, der Zustand eines Quantensystems sei auch schon vor einer Messung derterminiert?

Was bedeutet ohne "QM-Mathematik-Störung" ?
Wenn QM ohne Wellenfunktion gemeint ist, bleibt von QM nichts übrig.

Elfulus 10.12.19 14:56

AW: Bohrende Quantenfrage
 
Zitat:

Zitat von Elfulus (Beitrag 92510)
1. Braucht man das Konstrukt der Vorstellung, dass sich vor einer Messung alle möglichen Zustände in einer Superposition überlagern, für die QM-Mathematik oder für die Logik/Voraussagen der QM?

Zitat:

Zitat von Timm (Beitrag 92517)
Durch den Zustand der Superposition sind die möglichen Messergebnisse festgelegt. Wenn man von der "Bohm'schen Mechanik" absieht ist die Quantenmechanik nicht determiniert. Das einzelne Messergebnis ist damit nicht determiniert. Wenn ein Teilchen durch den Doppelspalt geht, erscheint der Punkt mit einer durch die Wellenfunktion gegebenen Wahrscheinlichkeit irgendwo auf dem Schirm. Gehen viele Teilchen durch, ergibt sich das Interferenzbild.

Das beantwortet nicht meine Frage, ob die Wellenfunktion (als Umschreibung einer statistischen Wahrscheinlichkeitsverteilung bei der potentiellen Messung) überhaupt das Konstrukt einer vorherigen realen Superposition aller möglichen Zustände benötigt. Bildlich gesprochen: was nützt mir die Vorstellung, dass der in einem unsichtbaren Becher geschüttelte Würfel vor dem Nachschauen jede Punktzahl von 1-6 darstellt, bevor man nachschaut. Ich denke, man benötigt dieses Konstrukt nicht, um zu erklären, dass man lediglich die Wahrscheinlichkeit für eine der möglichen Würfelzahlen berechnen kann. Im Falle der QM greift man dazu eben auf mathematische, irreale aber hilfreiche Konstrukte zurück, deren Lösungen letztlich wieder in der Realität liegen (ähnlich den komplexen Zahlen, die als negative Wurzeln irreal, aber bei der Berechnung mancher realer Probleme hilfreich sind). Das bedeutet aber m.E. doch nicht, dass man diese bei der Berechnung hilfreichen irrealen Konstrukte irgendeine Realität zuschreiben sollte.
Zitat:

Zitat von Elfulus (Beitrag 92510)
2. Muss ein streng deterministisches System vorhersagbar und/oder perfekt messbar sein (nicht nur numerische/statistische Annäherung wie z.B. bei Dreikörperproblem/deterministischem Chaos)?

Zitat:

Zitat von Timm (Beitrag 92517)
Einige Anworten dazu findest du hier.

Meine Frage war insofern etwas rethorisch, da ich sie mit nein beantworten würde, weil es aus meiner Sicht genügend Beispiele für streng deterministische Systeme gibt, die nicht vorhersehbar sind und deren Messungen ebenfalls nur mit Wahrscheinlichkeitsverteilungen (oder mumerischen Annäherungen) korrelieren. Umgekehrt soll man dann aber einen Zustand nicht als undeterminiert bezeichnen, nur weil dessen Messung ein nicht exakt vorhersehbares Ergebnis liefert. Wie kann man nur aus dem Tatbestand, dass ein Zustand vor einer Messung für uns unbestimmt ist, oder dass beim Doppelspalt der Weg der Teilchen jedesmal (einer Wahrscheinlichkeit folgend) anders ist und in Masse die Messung auf dem Schirm sogar Wellencharakter ergibt, ableiten, dass die zugrundeliegene "Mechanik" prinzipiell nicht determiniert sei?
Zitat:

Zitat von Elfulus (Beitrag 92510)
3. Wenn man 1.+2. ohne "QM-Mathematik-Störung" mit nein beantworten darf, kann man dann nicht naheliegender annehmen, der Zustand eines Quantensystems sei auch schon vor einer Messung derterminiert?

Zitat:

Zitat von Timm (Beitrag 92517)
Was bedeutet ohne "QM-Mathematik-Störung" ?
Wenn QM ohne Wellenfunktion gemeint ist, bleibt von QM nichts übrig.

Störung meint: Wenn ich die Vorstellung einer realen Superposition fallen lasse, ändert sich dann die Wellenfunktion oder die Wahrscheinlichkeitsverteilung bei der Messung oder irgendeine Voraussage der QM, abgesehen von der angeblich realen Überlagerung von Zuständen und der nicht-lokalen Fernwirkung? Beschreibt nicht die Wellenfunktion gerade nur potentielle Wahrscheinlichkeitsverteilungen und eben nicht ein reale Momentaufnahme eines (noch) unbestimmten Quantenzustands? Was übersehe ich?
Insgesamt könnte man natürlich einwenden: Was interessiert's ob es nur irreal oder real ist, solange die Ergebnisse in der Realität stimmen? Ich denke, es fängt an spannend zu werden, wenn man bestimmte Annahmen (wie die Superposition) in einer realen Weise benötigt, um z.B. so etwas wie Qbits und Quantencomputer zu konstruieren, bzw. meint, man könne vielleicht irgendwann angebliche nicht-lokale Fernwirkung in verschränkten Quantensystemen für irgendwas nutzen.

Timm 10.12.19 17:26

AW: Bohrende Quantenfrage
 
Zitat:

Zitat von Elfulus (Beitrag 92518)
Das beantwortet nicht meine Frage, ob die Wellenfunktion (als Umschreibung einer statistischen Wahrscheinlichkeitsverteilung bei der potentiellen Messung) überhaupt das Konstrukt einer vorherigen realen Superposition aller möglichen Zustände benötigt.

Die Beantwortung dieser Frage fällt je nach Interpretation der QM verschieden aus. Nach meinem Verständnis spielt 'Superposition' nach dem minimalistischen "shut up and calculate" keine Rolle. Sie ist ja auch per se nicht messbar. Das Konzept der Superposition ist aber sehr hilfreich, es besagt beispielsweise, daß die Individualität der beteiligten Teilchen verloren geht.

Zitat:

Zitat von Elfulus (Beitrag 92518)
Störung meint: Wenn ich die Vorstellung einer realen Superposition fallen lasse, ändert sich dann die Wellenfunktion oder die Wahrscheinlichkeitsverteilung bei der Messung oder irgendeine Voraussage der QM, abgesehen von der angeblich realen Überlagerung von Zuständen und der nicht-lokalen Fernwirkung? Beschreibt nicht die Wellenfunktion gerade nur potentielle Wahrscheinlichkeitsverteilungen und eben nicht ein reale Momentaufnahme eines (noch) unbestimmten Quantenzustands? Was übersehe ich?

Manche Interpretationen wie die der Vielen Welten beruhen gerade auf dieser Vorstellung der Superposition. Dazu mehr hier. Viele Physiker, wie etwa Zeilinger, halten sich an das mathematische Konstrukt der Wellenfunktion, wobei sich dann der Kollaps einer 'ontisch' gedachten Wellenfunktion erübrigt. Andere Physiker lehnen das strikt ab.

Das Schöne ist, solange du den Formalismus der QM respektierst, bist du frei eine der Interpretationen zu bevorzugen.

Meine Sicht der Dinge ist relativ bescheiden, ich denke es werden sich noch Experten zu Wort melden.

Ich denke nicht, daß du etwas übersiehst. Gesetzt ist der Formalismus der Quantenmechanik, nicht hingegen dessen Interpretation.

TomS 10.12.19 23:07

AW: Bohrende Quantenfrage
 
Zitat:

Zitat von Elfulus (Beitrag 92510)
1. Braucht man das Konstrukt der Vorstellung, dass sich vor einer Messung alle möglichen Zustände in einer Superposition überlagern, für die QM-Mathematik oder für die Logik/Voraussagen der QM?

Ja.

Der mathematische Formalismus der QM lässt diese Superpositionen explizit zu, und bestimmte experimentell bestätigte Phänomene lassen sich ohne diese Superpositionen nicht zutreffend vorhersagen.

Zitat:

Zitat von Elfulus (Beitrag 92510)
2. Muss ein streng deterministisches System vorhersagbar und/oder perfekt messbar sein?

Ein streng deterministisches System ist per Definitionen vorhersagbar.

Ist die Frage der Messbarkeit technisch gemeint?

Unabhängig von 1. und 2.
Zitat:

Zitat von Elfulus (Beitrag 92510)
... kann man dann nicht naheliegender annehmen, der Zustand eines Quantensystems sei auch schon vor einer Messung derterminiert?

Der Zustand ist tatsächlich determiniert, nicht jedoch der Messwert. Andersherum: der Zustand eines Quantensystems entspricht - im Gegensatz zum klassischen Fall - nicht einer Menge von potentiellen, miteinander verträglichen Messwerten.

Den Rest deiner Fragen würde ich noch zurückstellen.

Elfulus 11.12.19 14:03

AW: Bohrende Quantenfrage
 
Zitat:

Zitat von TomS (Beitrag 92520)
Ja.

Der mathematische Formalismus der QM lässt diese Superpositionen explizit zu, und bestimmte experimentell bestätigte Phänomene lassen sich ohne diese Superpositionen nicht zutreffend vorhersagen.

Hast Du ein Beispiel-Experiment, dessen Phänomene sich ohne die Annahme einer realen Superposition nicht erklären lassen?
Zitat:

Zitat von TomS (Beitrag 92520)
Ein streng deterministisches System ist per Definitionen vorhersagbar.

Dreikörperproblem und bestimmte Formen von Chaos sind deterministisch, gleichwohl aber nicht vorhersagbar. In all diesen Fällen wegen großer Auswirkungen kleinster Änderungen von nicht wiederholbar gleichen Anfangsbedingungen. Auf die selbe Weise könnte ein Quantenzustand in seiner Messung nicht vorhersagbar sein, ohne deshalb nicht determiniert zu sein.
Zitat:

Zitat von TomS (Beitrag 92520)
Ist die Frage der Messbarkeit technisch gemeint?

Ich meinte die gleiche Messbarkeit, die auch die QM fordert (wenn auch "Messung" quantenmechanisch nicht besonders gut definiert ist;))
Zitat:

Zitat von TomS (Beitrag 92520)
Unabhängig von 1. und 2.

Der Zustand ist tatsächlich determiniert, nicht jedoch der Messwert. Andersherum: der Zustand eines Quantensystems entspricht - im Gegensatz zum klassischen Fall - nicht einer Menge von potentiellen, miteinander verträglichen Messwerten.

Den Rest deiner Fragen würde ich noch zurückstellen.

Wenn nur der Messwert nicht determiniert ist, der Zustand aber wohl, dann fände sich Superposition eben nur virtuell in der Überlagerung möglicher Messwerte, nicht aber im realen (determinierten) Zustand.

Mit meinem begrenzten Wissensstand ist das alles nicht nur eine Frage der Interpretation. Spätestens, wenn man von realen Anwendungen wie Quantenteleportation oder Quantenbits redet, ist es sehr wichtig, zu verstehen, was diese Konzepte in der Realität wirklich können und was gerade nicht.

TomS 12.12.19 07:21

AW: Bohrende Quantenfrage
 
Hallo Elfulus,

relevante Experimente sind z.B. einzelne Photonen mit Superposition zweier Polarisationen und Polfiltern, einzelne Photonen mit Beansplitter und zwei Lichtwegen u.ä.

Das Dreikörperproblem bzw. allgemein chaotische Systemd sind prinzipiell exakt vorhersagbar, lediglich nicht praktisch. Das ist zu unterscheiden von der Idee einer prinzipiell stochastischen Dynamik.

Die Quantenmechanik sagt in ihrer orthodoxen Formulierung nichts zur Messbarkeit oder konkret zur Definition einer Messung.

Zum Zustandsvektor bzw. der Wellenfunktion: diese sind durch die Schrödingergleichung zu jedem beliebigen Zeitpunkt (außer bei einer Messung) exakt und deterministisch gegeben. Der quantenmechanische Zustandsvektor besteht aber eben nicht in einer direkten Information bzgl. der klassischen Eigenschaften oder der Messwerte, sondern lediglich in einem zunächst abstrakten mathematischen Objekt „Zustandsvektor“, aus dem man rechnerisch gewisse Informationen bzgl. dieser Eigenschaften oder Messwerte gewinnen kann. Das ist zu unterscheiden von der klassischen Mechanik, in der z.B. Ort und Impuls als klassische Eigenschaften, Messwerte und zugleich vollständige Beschreibung des Zustandes angesehen werden können.

Ich verstehe nicht genau, was du mit „realem determinierten Zustand“ meinst. Kannst du das erklären?

Timm 12.12.19 09:28

AW: Bohrende Quantenfrage
 
Zitat:

Zitat von Elfulus (Beitrag 92521)
Hast Du ein Beispiel-Experiment, dessen Phänomene sich ohne die Annahme einer realen Superposition nicht erklären lassen?

Vielleicht hilft dir das weiter:

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_superposition
Anton Zeilinger, referring to the prototypical example of the double-slit experiment, has elaborated regarding the creation and destruction of quantum superposition:

"[T]he superposition of amplitudes ... is only valid if there is no way to know, even in principle, which path the particle took. It is important to realize that this does not imply that an observer actually takes note of what happens. It is sufficient to destroy the interference pattern, if the path information is accessible in principle from the experiment or even if it is dispersed in the environment and beyond any technical possibility to be recovered, but in principle still ‘‘out there.’’ The absence of any such information is the essential criterion for quantum interference to appear.[2]

Elfulus 13.12.19 13:29

AW: Bohrende Quantenfrage
 
Zitat:

Zitat von TomS (Beitrag 92523)
...relevante Experimente sind z.B. einzelne Photonen mit Superposition zweier Polarisationen und Polfiltern, einzelne Photonen mit Beamsplitter und zwei Lichtwegen u.ä.

und
Zitat:

Zitat von Timm (Beitrag 92524)
Vielleicht hilft dir das weiter:https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_superposition[I]Anton Zeilinger, referring to the prototypical example of the double-slit experiment, has elaborated regarding the creation and destruction of quantum superposition.....

In den genannten Experimenten und der Interpretation des Doppelspaltexperiments durch Zeilinger wird m.E. nicht die tatsächliche vorherige Superposition der Wahrscheinlichkeitswellen bewiesen. Stattdessen wird (für mich) lediglich erkennbar, dass eine Wechselwirkung mit einem Photon, die es irgendwie ermöglichen würde, seine Weginformation überhaupt zu ermitteln (z.B. Polarisationsfilter), gleichsam diese Weginformation bestimmt/präpariert. Das erscheint mir aber auch völlig einleuchtend. Wenn ich z.b. in einer Welt lebte, in der die Größe von Autos die kleinste bisher erreichbare Größe für Teile von Messinstrumenten wäre, dann würde ich bei der Bestimmung der Weginformation eines fahrenden Autos auch ein mindestens autogroßes Teilchen benötigen. Das aber würde definitiv in seiner Wechselwirkung den Weg des gemessenen Autos fortan bestimmen (erst recht bei den in unserer Welt vergleichweise viel größeren Messinstrumenten). Dass die Weginformation also "plötzlich" die (vielleicht vorher noch chaotischen schwankende) Zustandseigenschaft definiert und damit sozusagen die chaotische Verschwommenheit zerstört, sagt meiner Meinung nichts darüber aus, ob eine zur theoretischen Berechnung vielleicht nützliche Überlagerung von vorherigen Wahrscheinlichkeitswellen in der Realität irgendeine Entsprechung hat (z.B. eine tatsächlich verschwommene Eigenschaft).
Zitat:

Zitat von TomS (Beitrag 92523)
Das Dreikörperproblem bzw. allgemein chaotische Systeme sind prinzipiell exakt vorhersagbar, lediglich nicht praktisch. Das ist zu unterscheiden von der Idee einer prinzipiell stochastischen Dynamik.

Ich finde eben gerade keinerlei Beweis dafür, dass es bei dem einen nur praktisch, aber nicht prinzipiell und beim anderen genau umgekehrt sein soll. Man könnte genauso gut argumentieren, dass eine Vorhersagbarkeit des Quantenzustandes eben nur praktisch nicht möglich ist, weil wir aufgrund des fehlenden Instrumentariums auf Wahrscheinlichkeitsberechnungen zurückgeworfen sind. Zu behaupten, dass Zustände deren Eigenschaftsmessungen nur im Wahrscheinlichkeitenraum vorhergesagt werden können, auch tatsächlich keine eindeutigen/determinierten Eigenschaften haben, ist m.E. vergleichbar mit einer Umkehrung des Prinzips der Objektpermanenz. Sprich: "Wenn ich die Eigenschaften nicht konkret vorhersehen kann, dann sind sie vor der Messung eben einfach nicht exakt vorhanden sondern nur in einer Überlagerung aller Möglichkeiten".
Zitat:

Zitat von TomS (Beitrag 92523)
Ich verstehe nicht genau, was du mit „realem determinierten Zustand“ meinst. Kannst du das erklären?

Wie vielleicht schon weiter oben klar geworden ist, meine ich mit "real determiniert" einen ähnlichen Zustand wie den eines deterministischen Chaos. Es ist in der Realität determiniert, aber ohne Kenntnis der Änderungen in den Anfangsbedingungen erscheint es mir weder determiniert noch habe ich eine Möglichkeit (außer im Gedankenmodell des "deterministischen Chaos"), diese Determiniertheit im Nachhinein doch noch real irgendwie zu ermitteln, wie bei der Entwicklung von Quantenzuständen. Bezüglich der Quantenzustandsmessungen sagt die QM dann einfach: "Da gibt es auch keine Determiniertheit, und Messungen der Eigenschaften sind objektiv zufällig und folgen nur einer [Überlagerung von] Wellenfunktion[en]". Oder zumindest (Nils Bohr) würde es für die Physik nichts bringen, wenn man etwas anderes annähme.
Wie wiederholt gesagt, hätte ich mit dieser Anwendung des shutup-and-calculate kein Problem, wenn nicht dadurch auch eine vermeintlich reale Superpositon zur Grundlage von "echten" QBits und angeblich nicht-lokalen Fernwirkungen bei verschränkten Quantensystemen würde. Von Systemen also, die vielleicht nur aufgrund ihrer Verschränkung von Beginn an in ihrer scheinbar zufällig verschwommenen Momentan-Konfiguration dauerhaft korreliert waren und nicht erst bei der Messung, wie von Zauberhand. Wenn Eigenschaften eines Zustandes vor der Messung lediglich auf eine Weise determiniert wären, die wir (noch) nicht verstehen, dann würde die QM auf Grundlage von Wahrscheinlichkeitsberechnungen nicht falsifiziert. Aber was könnte man dann aus QBits "in action" tatsächlich auslesen? Wie nicht-lokal fernwirkend wären dann Messungen an einem von zwei verschränkten Systemen?


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