Kausalitätsbegriffe der Quantenmechanik
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Quantentheorie und Kausalität [email protected] 1. Philosophische Kausalitätsbegriffe 2. Einsteins Kausalität und Bohrs Komplementarität 3. Welcher Weg Experimente und ihre kausale Deutung 4. Polarisierte Photonen 5. Schlußfolgerungen zur Kausalität 1 Quantentheorie und Kausalität 1. Philosophische Kausalitätsbegriffe 2 1. Philosophische Kausalitätsbegriffe Kausalität = anthropozentrischer Begriff Aristoteles: 4 Ursachen (menschliche Handlungen) causa formalis causa materialis causa efficiens causa finalis von Wright: Interventions- oder Handlungs-Kausalität causa finalis 3 1. Philosophische Kausalitätsbegriffe 17. Jahrhundert Entanthropomorphisierung Kausalität Determinismus kausale Relationen objektive Notwendigkeit (God’s Eye View ) Descartes, Newton: Naturgesetze Leibniz: Prinzip des zureichenden Grunds Laplace: allwissender Dämon Berechenbarkeit des Weltlaufs 4 1. Philosophische Kausalitätsbegriffe 18. Jahrhundert erkenntnistheoretische Wende Kausalität = epistemischer Begriff kausale Relationen subjektive Notwendigkeit Hume: Kausalität empirische Regularität moderne Regularitätstheorien der Kausalität Kant: Kausalität objektive Zeitordnung (Prinzip a priori, Notwendigkeit transzendental) 5 1. Philosophische Kausalitätsbegriffe 19./20. Jahrhundert Positivismus kausale Analyse Mill: Ursache = hinreichende Anzahl notwendiger Bedingungen kausale Modellierung (Mackie, Cartwright) Mach: Gesetze der Physik Ökonomie des Denkens Elimination der Kausalität Russell: funktionale Abhängigkeit “The law of causality ... is a relic of a bygone age”6 Quantentheorie und Kausalität 2. Einsteins Kausalität und Bohrs Komplementarität 7 2. Einsteins Kausalität und Bohrs Komplementarität Spezielle Relativitätstheorie Einstein-Kausalität Lichtkegel kausale Relationen Signalübertragung invarianter Abstand: s = c 2 t2 - x2 Lichtkegel : s = 0 zeitartige Abstände: s > 0 Signale & kausale Relationen möglich raumartige Abstände: s < 0 keine Signale, keine kausalen Relationen objektive Zeitordnung innerhalb des Lichtkegels 8 2. Einsteins Kausalität und Bohrs Komplementarität Quantenmechanik und Messprozess Quanten-Dynamik (Schrödinger-Gleichung, ...) ih/2 d/dt = H (deterministisch, unitär, reversibel) probabilistische Deutung O (Erwartungswert Wahrscheinlichkeit) Messprozess (Reduktion der Wellenfunktion) cii =k (indeterministisch, nicht-unitär, irreversibel) 9 2. Einsteins Kausalität und Bohrs Komplementarität Bohrs Sicht Komplementarität Unschärferelation klassische Objekte: p & q p q ħ/2 Ortsmessung (Teilchen-Bild) raumzeitliche Beschreibung: q,t oder und Impulsmessung (Wellen-Bild) Komplementarität Definition von Objekten statt Approx. Korrespondenz: QM kausale Beschreibung: p,E Kausalität klassischer Grenzfall “rationale Verallgemeinerung” der klassischen Sicht 10 2. Einstein’s Kausalität und Bohr’s Komplementarität Einstein-Kausalität ?? Quantenkorrelationen – EPR: nicht-lokale Korrelationen – “prästabilierte Harmonie” bei raumartigen Abständen – aber keine Signal-Übertragung möglich – “Komplementarität” obsolet ? – Bohrs Antwort auf Einstein 1935 unbefriedigend – Komplementarität = vager Begriff – viele nicht-lokale Quantenphänomene EPR, Supraleitung, Bohm-Aharanov, ... keine Korrespondenz zu klassischen Phänomenen – Quantenoptik: erneutes Interessse an Bohr ! 11 Quantentheorie und Kausalität 3. Welcher Weg-Experimente und ihre kausale Deutung 12 3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Quantenoptik Experimente mit einzelnen Photonen & Atomen Doppelspalt-Experiment Propagation als Welle, Detektion von Teilchen Welle-Teilchen-Dualismus in einem Experiment! Abb.: S.P.Walborn et al., Quantum Erasure, American Scientist 91(2003), 336 13 3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Quantenoptik Experimente mit einzelnen Photonen & Atomen Strahlenteiler (Mach-Zehnder-Interferometer) Welle-Teilchen-Dualismus in einem Experiment! Abb.: www.cip.physik.uni-muenchen.de/~milq/kap3/k31p02.html - 8. Apr. 2005 14 3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Quantenoptik Experimente mit einzelnen Photonen & Atomen Mach-Zehnder-Interferometer / Doppelspalt & Zusatzgeräte Hohlräume, Polarisatoren, Strahlenteiler ... Gleichzeitige Messung von Weg-Information & Interferenz Gedankenexperiment: Scully, Englert & Walter: Nature 351(1991), 111-116. 15 3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Quantenoptik Experimente mit einzelnen Photonen & Atomen Mach-Zehnder-Interferometer / Doppelspalt & Zusatzgeräte Hohlräume, Polarisatoren, Strahlenteiler ... Gleichzeitige Messung von Weg-Information & Interferenz Unscharfe Eigenschaften: p 0, q 0 Streifen-Sichtbarkeit V, Weg-Unterscheidbarkeit D Kontroverse: p q ħ/2 ??? Komplementarität (aber: Komplementarität generalisierte Unschärferelationen!) 16 Diskussion: S.Dürr & G.Rempe, Am:J.Phys. 68 (2000), 1021-1024 & P.Busch & P.Lahti, arXiv:quant-ph/0406132 3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Welcher-Weg-Information: Präpariere Wellenfunktion schicke sie durch Doppelspalt oder Interferometer: i = ½ (1 + 2 ) Interferenz! markiere Weg durch Verschränkung mit orthogonalen inneren Zuständen 1 , 2 m = ½ (1 1 + 2 2 ) Weg 1 Weg 2 Interferenz verschwunden! 17 3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Welcher-Weg-Information: Präpariere Wellenfunktion schicke sie durch Interferometer: = ½ ( 1 + 2 ) i Interferenz! S.Dürr & G.Rempe, Advances in Atomic, Molecular and Optical Physics 42 (2000), 29-70 18 3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Welcher-Weg-Information markiere Weg durch Verschränkung mit orthogonalen inneren Zuständen 1 , 2 m = ½ (1 1 + 2 2 ) Weg 1 Weg 2 Interferenz verschwindet ! S.Dürr & G.Rempe, Advances in Atomic, Molecular and Optical Physics 42 (2000), 29-70 19 3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung „Quanten-Radierer” addiere Gerät zur Präparation & Messung einer Superposition von 1 und2 f = ½ [1 (c11 + c22 ) + 2 (d11 + d22 )] Interferenz ist wieder da ! S.Dürr & G.Rempe, Advances in Atomic, Molecular and Optical Physics 42 (2000), 29-70 20 3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung „Quanten-Radierer” addiere Gerät zur Präparation & Messung einer Superposition von 1 und2 f = ½ [1 (c11 + c22 ) + 2 (d11 + d22 ) Interferenz wieder da ! „Quanten-Radierer“ mit verzögerter Wahl: verzögerte Wahl wähle ein Subensemble der früheren Messungen! kein Wunder geschieht! keine „Rückwärts-Verursachung” nötig! 21 3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung „Quanten-Radierer” Doppelspalt & Wegmarkierung mit Polarisatoren S.P.Walborn et al., Quantum Erasure, American Scientist 91(2003), 336 22 3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung „Quanten-Radierer” Doppelspalt & Wegmarkierung mit Polarisatoren S.P.Walborn et al., Quantum Erasure, American Scientist 91(2003), 336 23 3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Kein Wunder no backward causation „Quanten-Radierer“ mit verzögerter Wahl: wähle Sub-Ensembles der Teilchen-Detektionen — — sie summieren sich zur Gesamtmessung auf! Gesamtmessung keine Interferenz Sub-Ensemble Interferenz-Streifen Streifen + Anti-Streifen = Gesamtmessung aber: kontrafaktische Summe ! (nach Bohr: Summe verschiedener Quantenphänomene!) Bohrs Komplementarität rehabilitiert: Weg-Information oder Interferenz-Streifen 24 ...oder beide unscharf: Komplementarität verallgemeinert 3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung „Quanten-Radierer“ mit verzögerter Wahl: wähle Sub-Ensembles der Teilchen-Detektionen — — sie summieren sich zur Gesamtmessung auf! Gesamtmessung keine Interferenz Sub-Ensemble Interferenz-Streifen Streifen + Anti-Streifen = Gesamtmessung S.Dürr & G.Rempe, Advances in Atomic, Molec. and Opt. Physics 42 (2000), 29-70 S.P.Walborn et al., Quantum Erasure, American Scientist 91(2003), 336 25 3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung Komplementarität & Kausalität Bohr: “rationale Verallgemeinerung” der klass. Sicht klassische Sicht: raumzeitliche & kausale Beschreibung vollständig bestimmte Eigenschaften Determinismus ! Komplementaritäts-Auffassung: entweder raumzeitliche oder kausale Beschreibung raumzeitlich: Interferenz-Streifen oderWeg-Information abhängig von Experiment & Messgeräten ! kausal: Teilchen-Detektion = irreversibler Prozess der Signalübertragung Einstein-Kausalität 26 3. Welcher-Weg-Experimente und ihre kausale Deutung 2 Kausalitäts-Begriffe: (1) probabilistische Kausalität der QT – deterministische, unitäre Entwicklung von – probabilistische Deutung von 2 (2) Einstein-Kausalität der Signalübertragung – keine Verletzungen der Einstein-Kausalität in QT – keine Rückwärts-Kausalität nötig zur Erklärung der „Quanten-Radierer“ mit verzögerter Wahl (3) Interventions-Kausalität des Experimentators – Wahl des Versuchsaufbaus – Präparation & Messung bestimmter Quantenzustände 27 Quantentheorie und Kausalität 4. Polarisierte Photonen 28 4. Polarisierte Photonen Präparation und Messung Experimente präparieren Wellen und messen Teilchen. Wellen werden präpariert, um etwas damit zu machen: Also sind sie real! Hackings Kriterium: “If you can spray them, they are real.” Also: Quanten-Wellen gibt es wirklich. Die Natur präpariert viele superponierte Quanten-Wellen. (Neutrino-Oszillationen, Kaon-Zerfall, Quark-“mixing”) 29 4. Polarisierte Photonen Präparation und Messung Experiment mit polarisierten Photonen: 1 c 0 Laser Vertikaler Polarisator Horizontaler Polarisator kein Licht Gekreuzte Polarisatoren präparieren QFT-Vakuum! 30 4. Polarisierte Photonen Präparation und Messung Experiment mit polarisierten Photonen: 1 c d\ e – Laser Vertikaler Polarisator Diagonaler Polarisator Horizontaler Polarisator fluktuierende TeilchenDetektionen Jeder Polarisator präpariert Zustand mit kleinerer Amplitude! 31 4. Polarisierte Photonen Präparation und Messung Teilchenbild: ? Laser Absorber 1 Absorber 2 kein Licht 2 Absorber: kein Photon kommt durch! 32 4. Polarisierte Photonen Präparation und Messung Teilchenbild: Laser Absorber 1 Absorber 3 Absorber 2 einige Photonen kommen durch 3 Absorber: einige Photonen kommen durch! 33 4. Polarisierte Photonen Präparation und Messung Wellenbild: 1 c d\ e – Laser Vertikaler Polarisator Diagonaler Polarisator Horizontaler Polarisator etwas Licht kommt durch Wie klassisches Licht! 34 4. Polarisierte Photonen Präparation und Messung Erklärung der QFT: 1 1 c d\ c11 + c20 e– d11 + d20 e11 + e20 Laser Vertikaler Polarisator Diagonaler Polarisator Horizontaler Polarisator fluktuierende TeilchenDetektionen Polarisatoren präparieren Feldmoden mit unscharfem N Detektor wirkt auf Superposition: fluktuierende Zählrate! 35 4. Polarisierte Photonen Deutung? Realismus - Reale Teilchen: kausales Paradoxon (3. Absorber scheint Photonen zu erzeugen) - Reale Wellen: Feldstärke-Puzzle (Polarisations-Zustand Feld-Amplitude) - Ignoranz-Deutung der QFT ?? (Ich habe meine Zweifel!) 36 4. Polarisierte Photonen Deutung? Instrumentalismus - nur bedingte Wahrscheinlichkeiten (die Polarisatoren ändern sie auf wohldefinierte Weise; kausale Relevanz der Präparation Kausalität ist nur Regularität) - nur die Photon-Detektionen sind real (Präparationsergebnisse weniger real als Messergebnisse...? ABER: Welcher Weg-Experimente Speichern von Information hinreichend!) - aber, worauf wirken die Polarisatoren? (wenn nicht auf Feldzustand: “a miracle occurs”....? Agnostizismus...?) 37 Quantentheorie und Kausalität 5. Schlussfolgerungen 38 5. Schlussfolgerungen Quantenoptik: Experimente Komplementarität & Welle-Teilchen-Dualismus – Quantenoptik im Teilchenbild (Realismus) kausale Paradoxien – Regularitätsauffassung der Kausalität (Instrumentalismus) kausale Lücken – Komplementarität stützt kausalen Pluralismus nicht nur für verschiedene Theorien (P.Weingartner) sondern für ein-und-das-selbe Experiment – Kausalität ist anthropozentrisch eindeutige Kausalität ging der Physik verloren Entanthropomorphisierung des physikalischen Wissens hat ihren Preis 39 begriffliche Uneinheitlichkeit
