Quantenphysik aus klassischen Wahrscheinlichkeiten C. Wetterich. nicht
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- Jens Fürst
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Transkript
1 Quantenphysik aus klassischen Wahrscheinlichkeiten C. Wetterich Gott würfelt Gott würfelt nicht
2 Quanten Teilchen und klassische Teilchen
3 Quanten Teilchen klassische Teilchen Teilchen-Welle Dualität Unschärfe keine Trajektorien Tunneln Interferenz bei Doppelspalt Teilchen scharfer Ort und Impuls klassische Trajektorien maximale Energie beschränkt Bewegung nur durch einen Spalt
4 Doppelspalt - Experiment
5 Doppelspalt - Experiment Wahrscheinlichkeits Verteilung ein isoliertes Teilchen! keine Wechselwirkung zwischen Atomen, die durch Spalt fliegen
6 Doppelspalt - Experiment Kann man klassische Wahrscheinlichkeits Verteilung im Phasenraum und ein Zeitentwicklungs Gesetz für diese angeben, die Interferenzmuster beschreibt?
7 Quanten-Teilchen aus klassischen Wahrscheinlichkeiten Wahrscheinlichkeitsverteilung im Phasenraum für ein Teilchen ein w(x,p) wie für klassisches Teilchen! Observablen verschieden von klassischen Observablen Zeitentwicklung der Wahrscheinlichkeitsverteilung verschieden von klassischen Teilchen
8 Quantenphysik kann durch klassische Wahrscheinlichkeiten beschrieben werden!
9 Unterschiede zwischen Quantenphysik und klassischen Wahrscheinlichkeiten
10 Quanten - Konzepte Wahrscheinlickeits - Amplitude Verschränkung Interferenz Superposition von Zuständen Fermionen und Bosonen unitäre Zeitentwicklung Übergangsamplitude nicht-kommutierende Operatoren Verletzung der Bell schen Ungleichung
11 Quantenphysik Wellenfunktion Wahrscheinlichkeit Phase
12 Kann Quantenphysik durch klassische Wahrscheinlichkeiten beschrieben werden? No go Theoreme Bell, Clauser, Horne, Shimony, Holt Kochen, Specker
13 dennoch : Quantenphysik kann durch klassische Wahrscheinlichkeiten beschrieben werden!
14 Zwitter Keine unterschiedlichen Konzepte für klassische Teilchen und Quanten Teilchen Kontinuierliche Interpolation zwischen klassischen Teilchen und Quanten Teilchen möglich
15 Quantenteilchen und klassische Wahrscheinlichkeiten
16 Quanten Teilchen klassische Teilchen Teilchen-Welle Dualität Unschärfe keine Trajektorien Interferenz bei Doppelspalt Tunneln Quanten - Wahrscheinlichkeit Schrödinger dinger-gleichung Teilchen scharfer Ort und Impuls klassische Trajektorien nur durch einen Spalt maximale Energie beschränkt Bewegung klassische Wahrscheinlichkeit Liouville-Gleichung
17 Schritt 1 keine klassischen Trajektorien
18 Quanten Teilchen klassische Teilchen Teilchen-Welle Dualität Unschärfe keine Trajektorien Interferenz bei Doppelspalt Tunneln Quanten - Wahrscheinlichkeit Schrödinger dinger-gleichung Teilchen Welle Dualität scharfer Ort und Impuls klassische Trajektorien nur durch einen Spalt maximale Energie beschränkt Bewegung klassische Wahrscheinlichkeit Liouville-Gleichung
19 Quanten Teilchen klassische Teilchen Quanten Wahrscheinlichkeits- Amplitude ψ(x) Schrödinger dinger-gleichung klassische Wahrscheinlichkeit im Phasenraum w(x,p) Liouville-Gleichung für w ( entspricht Newton Gl. für Trajektorien )
20 keine klassischen Trajektorien auch für klassische Teilchen in der Mikrophysik : Trajektorien mit festem Ort und Impuls zu jedem Zeitpunkt sind inadequate Idealisierung! aber zumindest formal möglich als Grenzfall
21 Schritt 2 Änderung der Liouville Gleichung
22 Quanten Teilchen klassische Teilchen Teilchen-Welle Dualität Unschärfe keine Trajektorien Interferenz bei Doppelspalt Tunneln Quanten - Wahrscheinlichkeit Schrödinger dinger-gleichung Teilchen Welle Dualität scharfer Ort und Impuls klassische Trajektorien nur durch einen Spalt maximale Energie beschränkt Bewegung klassische Wahrscheinlichkeit Liouville-Gleichung
23 Quanten Teilchen klassische Teilchen Teilchen-Welle Dualität Unschärfe keine Trajektorien Interferenz bei Doppelspalt Tunneln Quanten - Wahrscheinlichkeit Schrödinger dinger-gleichung Teilchen Welle Dualität scharfer Ort und Impuls klassische Trajektorien nur durch einen Spalt? maximale Energie beschränkt Bewegung? klassische Wahrscheinlichkeit modifizierte Evolutionsgleichung
24 Evolutionsgleichung Zeitentwicklung der Wahrscheinlichkeitsdichte muss als Gesetz vorgegeben werden nicht a priori bekannt Newton s Gleichung mit Trajektorien muss nur in geeignetem Grenzfall folgen
25 Zwitter gleicher Formalismus für Quantenteilchen und klassische Teilchen unterschiedliche Zeitentwicklung der Wahrscheinlichkeitsverteilung Zwitter : zwischen Quanten und klassischen Teilchen kontinuierliche Interpolation der Zeitentwicklungs - Gleichung
26 Schritt 3 modifizierte Observablen
27 Quanten Teilchen klassische Teilchen Teilchen-Welle Dualität Unschärfe keine Trajektorien Interferenz bei Doppelspalt Tunneln Quanten - Wahrscheinlichkeit Schrödinger dinger-gleichung Teilchen Welle Dualität scharfer Ort und Impuls klassische Trajektorien nur durch einen Spalt? maximale Energie beschränkt Bewegung? klassische Wahrscheinlichkeit modifizierte Evolutionsgleichung Einschränkung nkung der möglichen Information unvollständige ndige Statistik
28 15 Orts - Observable verschiedene Observablen je nach experimenteller Situation geeignete Observable für Mikrophysik muss gefunden werden klassische Ortsobservable : Idealisierung einer unendlich präzisen Auflösung Quanten Observable auch mit ausgedünnter Information noch berechenbar
29 klassische Wahrscheinlichkeiten keine deterministische klassische Theorie
30 Probabilistischer Realismus Physikalische Theorien und Gesetze beschreiben immer nur Wahrscheinlichkeiten
31 Physik beschreibt nur Wahrscheinlichkeiten Gott würfelt
32 Physik beschreibt nur Wahrscheinlichkeiten Gott würfelt Gott würfelt nicht
33 Physik beschreibt nur Wahrscheinlichkeiten Gott würfelt Gott würfelt nicht Mensch kann nur Wahrscheinlichkeiten erkennen
34 Probabilistische Physik Es gibt eine Realität Diese kann nur durch Wahrscheinlichkeiten beschrieben werden ein Tröpfchen Wasser Teilchen elektromagnetisches Feld exponentielles Anwachsen der Entfernung zwischen zwei benachbarten Trajektorien
35 Probabilistischer Realismus Die Grundlage der Physik sind Wahrscheinlichkeiten zur Vorhersage von reellen Ereignissen
36 Gesetze basieren auf Wahrscheinlichkeiten Determinismus als Spezialfall : Wahrscheinlichkeit für Ereignis = 1 oder 0 Gesetz der großen Zahl eindeutiger Grundzustand
37 bedingte Wahrscheinlichkeit Sequenzen von Ereignissen ( Messungen ) werden durch bedingte Wahrscheinlichkeiten beschrieben sowohl in klassischer Statistik als auch in Quantenstatistik
38 w(t 1 ) : nicht besonders geeignet für Aussage, ob hier und jetzt ein Geldstück herunterfällt
39 Schrödingers Katze bedingte Wahrscheinlichkeit : wenn Kern zerfallen dann Katze tot mit w c = 1 (Reduktion der Wellenfunktion)
40 Teilchen Welle Dualität 20
41 Quanten Teilchen klassische Teilchen Teilchen-Welle Dualität Unschärfe keine Trajektorien Interferenz bei Doppelspalt Tunneln Quanten - Wahrscheinlichkeit Schrödinger dinger-gleichung Teilchen Welle Dualität scharfer Ort und Impuls klassische Trajektorien nur durch einen Spalt maximale Energie beschränkt Bewegung klassische Wahrscheinlichkeit Liouville-Gleichung
42 Quanten Formalismus für klassisches Teilchen
43 Wahrscheinlichkeitsverteilung für ein klassisches Teilchen klassische Wahrscheinlichkeits verteilung im Phasenraum
44 Wellenfunktion für klassisches Teilchen klassische Wahrscheinlichkeits verteilung im Phasenraum Wellenfunktion für klassisches Teilchen C ( hängt von Ort und Impuls ab ) C
45 Wellenfunktion für ein klassisches Teilchen C C reell hängt von Ort und Impuls ab Quadrat ergibt Wahrscheinlichkeit
46 Quantengesetze für Observable C C
47 ψ y p z <0 p z >0 x
48 Liouville - Gleichung beschreibt klassische Zeitentwicklung der klassischen Wahrscheinlichkeitsverteilung für Teilchen in Potenzial V(x)
49 Zeitentwicklung der klassischen Wellenfunktion C C C
50 Wellengleichung C C modifizierte Schrödinger - Gleichung
51 Wellengleichung C C fundamenale Gleichung für klassisches Teilchen in Potenzial V(x) ersetzt Newton Gleichung
52 Teilchen Welle Dualität Welleneigenschaften der Teilchen : kontinuierliche Wahrscheinlichkeitsverteilung
53 Teilchen Welle Dualität Experiment ob Teilchen an Ort x - ja oder nein : diskrete Alternative 0 1 Wahrscheinlichkeitsverteilung, Teilchen an Ort x anzutreffen : kontinuierlich 1
54 Teilchen Welle Dualität Alle statistischen Eigenschaften klassischer Teilchen könnnen im Quanten Formalismus beschrieben werden! noch keine Quanten - Teilchen
55 Quanten Observable und klassische Observable 30
56 Welche Observablen wählen? Impuls: : p oder? Ort : x oder? Verschiedene Möglichkeiten, im Prinzip der Messanordnung angepasst
57 Quanten - Observablen Observablen für klassischen Ort und Impuls Observablen für Quanten - Ort und Impuls kommutieren nicht
58 Unschärfe Heisenberg sche sche Unschärfe rfe-relation Quanten Observablen enthalten statistischen Anteil ( ähnlich Entropie, Temperatur )
59 verwende Quanten Observablen zur Beschreibung von Orts- und Impuls- Messungen von Teilchen
60 Quanten - Zeitentwicklung
61 Quanten Teilchen klassische Teilchen Teilchen-Welle Dualität Unschärfe keine Trajektorien Interferenz bei Doppelspalt Tunneln Quanten - Wahrscheinlichkeit Schrödinger dinger-gleichung Teilchen Welle Dualität scharfer Ort und Impuls klassische Trajektorien nur durch einen Spalt maximale Energie beschränkt Bewegung klassische Wahrscheinlichkeit Liouville-Gleichung
62 Quanten Teilchen klassische Teilchen Teilchen-Welle Dualität Unschärfe keine Trajektorien Interferenz bei Doppelspalt Tunneln Quanten - Wahrscheinlichkeit Schrödinger dinger-gleichung Teilchen Welle Dualität scharfer Ort und Impuls klassische Trajektorien nur durch einen Spalt? maximale Energie beschränkt Bewegung? klassische Wahrscheinlichkeit modifizierte Evolutionsgleichung
63 Modifikation der Evolution für klassische Wahrscheinlichkeitsverteilung C C H W H W
64 Quantenteilchen Evolutionsgleichung C C C fundamenale Gleichung für Quanten - Teilchen in Potenzial V ersetzt Newton Gleichung
65 mit Evolutionsgleichung Quantenteilchen C C C Quanten Observablen erfüllen alle Vorhersagen der Quantenmechanik für Teilchen in Potenzial V
66 Quantenphysik kann durch klassische Wahrscheinlichkeiten beschrieben werden!
67 Doppelspalt - Experiment
68 Quantenformalismus aus klassischen Wahrscheinlichkeiten 40
69 reiner Zustand wird beschrieben durch quantenmechanische Wellenfunktion realisiert für klassische Wahrschein- lichkeiten der Form Zeitentwicklung beschrieben durch Schrödinger Gleichung
70 Dichte Matrix und Wigner-transform Wigner transformierte Dichtematrix in der Quantenmechanik erlaubt einfache Berechnung der Erwartungswerte quanten- mechanischer Observablen kann aus Wellenfunktion für klassisches Teilchen konstruiert werden! C C
71 Quanten Observablen und klassische Observablen
72 Zwitter Unterschied zwischen Quanten Teilchen und klassischen Teilchen nur durch unterschiedliche Zeitentwicklung CL kontinuierliche Interpolation H W QM
73 Zwitter - Hamiltonian γ=0 : Quanten Teilchen γ=π/2 : klassisches Teilchen
74 Wie gut ist Quantenmechanik? Kleiner Parameter γ kann experimentell getestet werden Zwitter : keine erhaltene Energie mikroskopisch ( ist erhalten ) Statischer Zustand: oder
75 Grundzustand für Zwitter statischer Zustand mit niedrigstem Quanten - Energie Eigenzustände nde für Quantenenergie Zwitter Grundzustand hat Beimischung von angeregten Niveaus der Quantenenergie
76 Energie Unschärfe des Zwitter - Grundzustands auch winzige Energieveschiebung
77 Experimente zur Bestimmung oder Einschänkung nkung des Zwitter parameters γ? fast entartete Energieniveaus? E 0
78 Geschärfte Observablen zwischen Quantum und klassisch ß=0 : Quantenobservablen, ß=1 : klassische Observablen
79 Abschwächung chung der Unschärferelation Experiment?
80 Quantenteilchen und klassische Statistik Gemeinsame Konzepte und gemeinsamer Formalismus für Quanten- und klassische Teilchen : klassische Wahrscheinlichkeits- verteilung, Wellenfunktion Unterschiedliche Zeitentwicklung, unterschiedliche Hamilton- Operatoren Kontinuierliche Interpolation zwischen Quanten- und klassischen Teilchen möglich - Zwitter
81 Verallgemeinerung 50
82 Quantenmechanik aus klassischen Wahrscheinlichkeiten klassische Wahrscheinlichkeitsverteilung kann explizit angegeben werden für : quantenmechanisches Zwei-Zustands Zustands-System Quantencomputer : Hadamard gate Vier-Zustands Zustands-System ( CNOT gate ) verschränkte Quantenzustände nde Interferenz
83 Bell sche Ungleichungen werden verletzt durch bedingte Korrelationen Bedingte Korrelationen für zwei Ereignisse oder Messungen reflektieren bedingte Wahrscheinlichkeiten Unterschied zu klassischen Korrelationen ( Klassische Korrelationen werden implizit zur Herleitung der Bell schen Ungleichungen verwandt.. ) Bedingte Dreipunkt- Korrelation nicht kommutativ
84 Realität Korrelationen sind physikalische Realität, nicht nur Erwartungswerte oder Messwerte einzelner Observablen Korrelationen können nicht-lokal sein ( auch in klassischer Statistik ) ; kausale Prozesse zur Herstellung nicht-lokaler Korrelationen erforderlich Korrelierte Untersysteme sind nicht separabel in unabhängige ngige Teilsysteme Ganzes mehr als Summe der Teile
85 EPR - Paradoxon Korrelation zwischen zwei Spins wird bei Teilchenzerfall hergestellt Kein Widerspruch zu Kausalität oder Realismus wenn Korrelationen als Teil der Realität verstanden werden ( hat mal nicht Recht )
86 Untersystem und Umgebung: unvollständige ndige Statistik typische Quantensysteme sind Untersysteme von klassischen Ensembles mit unendlich vielen Freiheitsgraden ( Umgebung ) probabilistische Observablen für Untersysteme : Wahrscheinlichkeitsverteilung für Messwerte in Quantenzustand
87 Was ist ein Atom? Quantenmechanik : isoliertes Objekt Quantenfeldtheorie : Anregung eines komplizierten Vakuums Klassische Statistik : Untersystem eines Ensembles mit unendlich vielen Freiheitsgraden
88 Essenz des Quanten - Formalismus Beschreibung geeigneter Untersysteme von klassischen statistischen Ensembles 1) Äquivalenz - Klassen von probabilistischen Observablen 2) Unvollständige ndige Statistik 3) Korrelation zwischen Messungen oder Ereignissen basieren auf bedingten Wahrscheinlichkeiten 4) Unitäre Zeitentwicklung für isolierte Untersysteme
89 Zusammenfassung Quantenstatistik entsteht aus klassischer Statistik Quantenzustand,, Superposition, Interferenz, Verschränkung, Wahrscheinlichkeits-Amplitude Unitäre Zeitentwicklung in der Quantenmechanik beschreibbar durch Zeitentwicklung klassischer Wahrscheinlichkeiten Bedingte Korrelationen für Messungen sowohl in Quantensystem als auch klassischer Statistik
90 Experimentelle Herausforderung Teste quantitativ, wie gut die Vorhersagen der Quantenmechanik erfüllt sind Zwitter Geschärfte Observablen Kleine Parameter : fast Quantenmechanik
91 Ende
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