Philosophische Aspekte der Modernen Physik. 03 Quantenmechank

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Martin Fried
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1 Philosophische Aspekte der Modernen Physik 03 Quantenmechank Forum Scientiarum SS 2012 Kurt Bräuer 1

2 Atom als Teilchensystem Braunschen Röhre: Elektronen werden aus Glühdraht heraus beschleunigt, durch dünnes Kohleblättchen gelenkt und auf Leuchtschirm detektiert Die meisten Elektronen werden durch Kohleblättchen nicht beeinflußt, nur wenige werden aus Flugrichtung abgelenkt Streuwinkelverteilung Größe der Streuzentren Atome erscheinen als im wesentlichen leer, gestreut wird nur an sehr kleinem Kern Betrachtung der Atome mit gestreuten Elektronen: atomare Strukutur vergleichbar mit Planetensystemen, bestehend aus winzigen Teilchen 2

3 Wenige Elektronen abgelenkt Atom Mini-Planentensystem 3

4 Atom als Wellenstruktur Von Atomen abgegebenes Licht wird Spektralanalyse unterzogen scharfe Spektrallinien Hinweis auf schwingende Strukur, hat wegen Randbedingungen eine genau festgelegte Wellenlänge (wie Saite eines Musikinstruments) Beobachtete Wellenlängen des Lichtes lassen sich exakt auf Schwebungen atomarer Ladungsverteilungen zurückführen Atom erscheint als elektrische Ladungswellen 4

5 Atom Scharfe Spektrallinien Schwingende Ladungsverteilung 5

6 Was ist ein Atom? Struktur eines Atoms hängt von der Art der Beobachtung ab Wellen und Teilchen sind Elemente unserer objektiven, klassischen Wirklichkeit, sie sind komplementäre, also wiedersprüchliche und sich ergänzende Begriffe für das Atom Das Atom ist kein Objekt, es läßt sich klassisch nicht fassen transzendente bewusst nicht erfahrbaren Wirklichkeit Hinweis auf Durch Ordnungsstrukturen wie Raum, Zeit und Kausalität wird diese transzendente Wirklichkeit bewusstseinsfähig Art der Bewusstwerdung ist nicht eindeutig: aus Art der Beobachtung und einer Superpostion von Möglichkeiten manifestiert sich Phänomen im Bewusstsein des Beobachters 6

7 Welle komplementär Teilchen Manifestation Superposition Raum - Zeit - Wirkung Atom 7

8 Das quantenmechanische Doppelspaltexperiment Elektron wird durch Beschleunigungsgitter aus Glühwendel gezogen und hinter einem Doppelspalt auf einem Leuchtschirm detektiert Klassische Vorstellung Das Elektron fliegt auf einer Bahnkurve entweder durch die obere oder untere Spaltöffnung und wird auf dem Leuchtschirm registriert Der Leuchtschirm wird mit der Zeit erhellt und das Schattenbild des Doppel- spalte zeichnet sich mehr oder weniger deutlich ab 8

9 QM- Doppelspaltexperiment Klassische Erwartung 9

10 Tatsächliche Beobachtung Einzelne Elektronen werden registriert, mit der Zeit zeichnet sich jedoch ein Interferenzbild ab Teilchencharakter: Registrierung einzelner Ereignisse auf dem Schirm Wellencharakter: Interferenzmuster Problem: Einzelnes Elektron auf Bahnkurve trägt Information von nur einer Spaltöffnung Interferenzmuster basiert auf Information über beide Spaltöffnungen Kopenhagener Interpretation: Phänomen beruht auf Kausalzusammenhang zwischen Ursache und Wirkung Berechenbar: Wahrscheinlichkeitsstrom von Quelle zum Detektor (durch beide Spaltöffnungen) Beobachtung: Manifestation einer Möglichkeit 10

11 QM- Doppelspaltexperiment Tatsächliche Beobachtung 11

12 Interferenz Wahrscheinlichkeitswellen breiten sich von jedem Spalt kugelförmig aus Konstruktive Interferenz: Wellenberg einer Kugelwelle trifft auf Wellenberg der anderen Kugelwelle Verstärkung der Wahrscheinlichkeitsamplitude Destruktive Interferenz: Wellenberg einer Kugelwelle trifft auf Wellental der anderen Kugelwelle Auslöschung der Wahrscheinlichkeitsamplitude Unter bestimmten Winkeln kommt es zur konstrukiven Interferenz, unter anderen zu destruktiver Interferenz Interferenz der Wahrscheinlichkeitsamplitude beweist, dass die Möglichkeit, das Elektron oben und unten zu registrieren, gleichzeitig gegeben sind und sich beeinflussen. In der klassischen Physik beeinflussen sich solche Möglichkeiten nicht gegenseitig 12

13 13

14 Wegedetektor Wegedetektor liefert Information über den Weg, ohne Energie- oder Impulsübertrag Durch Beobachtung manifestiert sich ein Weg direkt hinter der Blende Interferenz wird unterbunden, das Phänomen erscheint teilchenartig Nichlokalität Die Beobachtung des Wegs an einer Blende reduziert die Möglichkeiten auch an der anderen Blende Dies ändert das gesamte Systemverhalten verhindert Interferenz 14

15 QM- Doppelspaltexperiment Wegedetektor Klassische Erwartung 15

16 QM-Doppelspaltexperiment - Interpretation Die mathematische Beschreibung basiert auf der zeitlichen Entwicklung der Wahrscheinlichkeit für das Ansprechen eines Detektors an einem Raum-Zeitpunkt Der Wahrscheinlichkeitsstrom passiert beide Löcher der Belende und interferiert dann Bei der Messung manifestiert sich aus der Wahrscheinlichkeit eine Tatsache, Energie, Impuls und Masse erscheinen an einem bestimmten Raum-Zeitpunkt Wegedetektor: Durch den Wegedetektor manifestiert sich ein Weg des Wahscheinlichkeitsstromes Dadurch verschwindet die Interferenz hinter der Blende Besonders interessant: Wegedetor spricht nicht an klassisch kann er in diesem Fall das System nicht beeinflussen tatsächlich beeinflußt der aber das System grundlegend, er verhindert die Interferenz 16

17 Nichtlokalität Der Wegedetektor befindet sich an einem bestimmten Raumpunkt Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit auch an der anderen Blendenöffnung beeinflußt 17

Wahrscheinlichkeitsstrom Ohne Wegedetektor Überlagerung beider Wege am Spalt Viele Ereignisse Interferenzmuster Wahrscheinlichkeit an den Spalten oben: unten: 1 1 2 2 1 1 2 2 Wegedetektor

18 Wahrscheinlichkeitsstrom Ohne Wegedetektor Überlagerung beider Wege am Spalt Viele Ereignisse Interferenzmuster Wahrscheinlichkeit an den Spalten oben: unten: Wegedetektor spricht nicht an 'Quantensprung' nach oben kein Interferenzmuster oben: unten: Wegedetektor spricht an 'Quantensprung' nach unten kein Interferenzmuster oben: unten:

Quanteninterferometer System aus Spiegel SP und Halbspiegel HSP Ohne Wegedetektor WD 1: konstruktive Interferenz 0 : destruktive Interferenz Wegedetektor spricht an keine

19 Quanteninterferometer System aus Spiegel SP und Halbspiegel HSP Ohne Wegedetektor WD 1: konstruktive Interferenz 0 : destruktive Interferenz Wegedetektor spricht an keine Interferenz, Teilchencharakter Wegedetektor spricht nicht an keine Interferenz, Teilchencharakter Nichtlokalität: WD spricht nicht an, trotzdem Ereignisse am vertikalen Ausgang! 19

20 Quantenmechanik Objekte auf Bahnkurven Unschärfe Ort und Impuls - Inhalt und Bewegung Komplementarität, Dualität Inhalt und Bewegung, Teilchen und Welle Manifestation einer von vielen Möglichkeiten Wahrscheinlichkeit für Messung Unschärferelatation Superposition von Möglichkeiten Interferenz, Schwebungen Nichtlokalität Wirkung der Beobachtung Einheit von Phänomen und Beobachtung 20

21 06 Quantenphänomene und Welterleben Drei 'Welten' - viele 'Welten' Atomare Erscheinung zeigt drei Aspekte der Welt: das Dingliche die Bewegung Diese Aspekte begegnen uns überall: das Transzendente in der äußeren Welt in Gedanken in Gefühlen Inhalt Bewegung Unbewusstes das Ding, das ich sehe, über das ich nachdenke, das ich schön oder häßlich find Inhalt: lokal, immer anders das Impulsfeld eines Körpers, der Gedanke: das ist richtig, falsch, schön,... das Gefühl: das ist lieb, das ist widerlich,... Bewegung: immer gleich, unabhängig vom speziellen Ort und Inhalt Unbewusstes: erlebbar in akausaler Manifestation äußert sich durch akausale Manifestation: plötzlich sehe ich etwas auf einem Bild, plötzlich fällt mir die Lösung des Rätsels ein, plötzlich ist da Liebe oder Abneigung 'Viele Welten': Abbildung unbewusster Inhalten über Ordnungsstrukuturen ist mehrdeutig (manchmal als Oszillation erlebbar) 21

22 06 Quantenphänomene und Welterleben Beweg ung komplementär Inhalt Manifestation Superposition Ordnungsstrukturen Unbewusstes 22

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