Trixi spielt mit einem kleinen bits von Materie: Das Young Doppelspaltexperiment

Ein Beitrag von Gaia

Bevor Trixi das Schicksal angeht, wird sie das Schwarze Loch des Kaninchens mit dem Gesicht nach unten wenden. Wir müssen tief durchatmen und sie dazu bringen, in die Zeit zurück zu gehen bis zum Beginn des XX. Jahrhunderts, als die ersten tiefen Diskrepanzen zwischen klassischer und moderner Physik auftauchten. Die Zeitreise war dank der besonderen Zeit möglich, in der Trixi das genaue Datum der Reise genau auf das Jahr 1927 festgelegt hat, wo die beiden Physiker Clinton Davisson und Lester Gremer etwas zeigen werden, das die Physik und unsere Denkweise für immer revolutionieren wird.

Dieser Text ist zuerst in Englisch verfasst worden und wurde im Anschluss von Gaia ins Deutsche übersetzt, da sie keine deutsche Muttersprachlerin ist.

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Sicherlich gibt es mehrere Theoreme und Experimente, die die Grundlage der Quantenphysik bilden, aber unter allen von ihnen hat sich das Doppelspaltexperiment als vielleicht das sinnvollste herausgestellt, aufgrund der Auswirkungen, die die Grundlage sogar des Konzepts der Messung und der Beobachtbaren zerstörten. Tatsächlich, nach neutonischer Mechanik, wenn Trixi bis zu einem Baum behauptet und dort an einem Ast hängt, fühlte sich eine ihrer Süßigkeiten auf dem Boden an, sicherlich aufgrund der Schwerkraft, die die Süßigkeiten am Boden herunterzog, wäre es möglich, ihren Landepunkt zu erkennen. Die genaue Trajektorie der Süßigkeiten wird eindeutig bestimmt, indem ihr Impuls und ihre Position gemessen werden.

Auf der anderen Seite, wenn wir in die Quantenwelt gehen, wird der miniaturisierte Trixi bald erfahren, wie die Messung der winzigen Süßigkeiten nicht mehr so einfach sein wird. Als Trixi Davisson und Gremer in ihrem Labor zum ersten Mal traf, erklärten sie ihr, wie das Doppelspaltexperiment tatsächlich den Beweis für die scheinbar mystische Natur der Quantenphysik darstellt und wie auch dies das Universum beeinflusste, indem sie die mystische Eigenschaft von Teilchen und Wellen, die unter dem Konzept der Wellen-Teilchen-Dualität vereint sind, enthüllten.

Die beiden Physiker haben das Young-Doppelspaltexperiment aus dem Jahr 1801 erneut besucht, wo er erstmals innerhalb der klassischen Physik die Beugung des Lichts demonstrierte, das einen von zwei parallelen Schlitzen durchbrochenen Bildschirm beleuchtet, und die Interferenzmuster auf dem dahinter liegenden Detektor auftauchten. Damit Trixi dieses Experiment vollständig verstehen und die damit verbundenen tiefen Implikationen zu schätzen weiß, haben sie ihr beigebracht, wie sie zuerst sehen muss, wie sich Partikel und Wellen in der makroskopischen Welt (klassische Physik) verhalten.

Am Anfang begann sie ganz einfach damit, kleine Murmeln auf den Bildschirm zu schießen, die zuerst mit nur einem einzigen Schlitz durchbohrt wurden, und sie fand heraus, dass nur ein einziges Band an der Rückwand produziert wurde. Offensichtlich war sie nicht besonders überrascht, dass sie einen weiteren Schlitz auf der Leinwand hinzufügte, ein Doppelband wurde auf der Rückseite der Wand produziert. Es war alles ziemlich klar, was das Verhalten der Murmeln und damit die materiellen Phänomene betrifft. Um das Verhalten der Wellen zu verstehen, stellte sie stattdessen die durchbohrten Siebe in ein mit Wasser gefülltes Becken. Indem sie Kieselsteine in das Becken warf, fand sie heraus, wie sich die von den Kieselsteinen erzeugten Wellen, die sich durch das Lochsieb ausbreiten, je nach Anzahl der auf dem Lochsieb vorhandenen Schlitze sehr unterschiedlich verhalten.

In der Tat, während mit nur einem Schlitz, das gleiche einzelne Band, das für Murmeln beobachtet wurde und in Übereinstimmung mit dem einzigen Schlitz produziert wurde, als der Bildschirm mit einem doppelten Schlitz durchbohrt wurde, erschienen mehrere Bänder und insbesondere ein Interferenzmuster an der Wand. Aufgrund der intrinsischen Natur der Wellen und der Beugung, die sie beim Auftreffen auf die Schlitze durchlaufen haben, heben sie sich auf, wenn die Oberseite einer Welle auf die Unterseite einer anderen Welle trifft, und wenn sich die beiden Spitzen treffen, kombinieren sie sich und führen zu Bändern mit höherer Intensität, was die hellen Linien des Interferenzmusters an der Rückwand erklärt.

Zusammenfassend für die mikroskopische Welt und innerhalb des klassischen Physikbildes, wenn Trixie mit Murmeln und Materiestücken spielt und sie durch einen Doppelschlitzschirm startet, findet sie die Doppelbänder auf dem Detektor, während sie, wenn sie mit Kieselsteinen und den im Wasser erzeugten Wellen spielt, ein Interferenzmuster auf dem Detektor findet, genau wie Young, das für Licht gefunden wurde, das ihre intrinsische wellenartige Natur beweist. In Bereichen, in denen das Licht entlang des Bildschirms hell reflektiert wird, kommen die Wellen aus beiden Schlitzen in Phase und addieren sich so zu ihren Spitzen. In Regionen der Dunkelheit kommen die Wellen phasenverschoben an und heben sich gegenseitig auf.

Zu diesem Zeitpunkt genoss Trixi bereits die Zeit mit Davisson und Gremer und sie war schon sehr aufgeregt, mit Murmeln und Kieseln zu spielen und die unerwarteten Ergebnisse zu genießen, die sie bisher erlebt hatte, aber sie war sich nicht bewusst, dass das Beste noch kommen würde. Der weitere Schritt bedeutete, in die mikroskopische Größe der Quantenwelt zu gehen, wo die beiden Physiker und Trixi sich miniaturisiert wiederfanden und anstelle von Murmeln und Kieseln nun mit Elektronen und Photonen spielten. Elektronen sind in der Tat winzige Materieteilchen wie winzige Murmeln, und wenn Trixi anfängt, sie durch einen einzelnen Schlitzschirm zu schießen, verhalten sie sich genau wie der Marmor, indem sie ein einzelnes Band produzieren.

Andererseits, wenn Trixi Elektronen (die winzigen Materieteilchen) durch den Doppelschlitzbildschirm schießt, anstatt zwei Bänder zu erhalten, findet sie ein Interferenzmuster wie Wellen, nicht wie kleine Murmeln! Während sie die beiden Physiker anstarrt, die neben ihr sitzen und die Komplizen des anderenanlächeln, beginnt sie sich zu fragen, wie Materieteilchen ein Interferenzmuster erzeugen können, wie das überhaupt vorstellbar war? Materie und Partikel konnten keine Fransen erklären, da ein solches Verhalten charakteristisch für die konstruktive und destruktive Interferenz ist, die nur Wellen erzeugen. Aber Trixi war ein kluges Mädchen und sie bewies es, indem sie ihnen vorschlug, wie vielleicht diese kleinen Eier voneinander abprallten und auf diese Weise dieses Muster schufen.

Um diese Hypothese zu bestätigen, schlugen Davisson und Gramer ihr den Versuch vor, Elektronen einzeln durchzuschießen, so dass es keine Möglichkeit gibt, dass sie sich gegenseitig stören könnten. Und so begann sie, das zu tun, und nach einem einstündigen Experiment, bei dem ein Elektron nach dem anderen abgeschossen wurde, ist das gleiche Interferenzmuster hinter dem Bildschirm entstanden! Die Schlussfolgerung war unausweichlich: Das Muster entstand in der Verteilung der Endpositionen vieler völlig unabhängiger Elektronen.

Wie konnte das überhaupt möglich sein? Jedes Elektron hat keine Ahnung, wo vorhergehende Elektronen gelandet sind oder wo zukünftiges Elektron noch landen wird, es scheint stattdessen jedes Elektron als reine sich ausbreitende Welle zu wirken, die beide Schlitze gleichermaßen durchquert hat und daraus seinen Landepunkt wählt. Mit anderen Worten, das einzelne Elektron, das seine Reise als Partikel beginnt und während des Fluges zu einer Welle des Potentials wird, das durch beide Schlitze geht und sich selbst daran stört, die Wand zu treffen und die hellste und dunkelste Linie zu erzeugen, die die am wenigsten wahrscheinlichen Landepunkte ist.

Dieses atemberaubende Experiment zeigte nicht nur die Wellen-Teilchen-Dualität, die auch für Elektronen und Elementarteilchen anwendbar ist, sondern zerstörte auch die Grundlagen der klassischen Mechanik und die Messungen einer Bewegung. Trixi konnte den dahinter stehenden Formalismus nicht einmal annähernd verstehen, aber stattdessen wurde ihr gesagt, dass es mathematisch gesehen noch seltsamer sei.

Der Matrixformalismus dahinter besagt, dass die Elektronen beide Schlitze durchlaufen und keiner von beiden und nur einer und nur der andere: Alle Möglichkeiten sind übereinander angeordnet und sie sind alle gleichwertig, bis das Endteilchen an einem bestimmten Landepunkt landet, wo es schließlich beobachtet wird. Es sieht aus wie eine Welle von möglichen undefinierten Positionen, die sich irgendwann, aus irgendeinem Grund, in eine einzige bestimmte Position auflöst. Trixi war bereits völlig schockiert und erfreut, als sie auch zwei neue Physiker in die miniaturisierte Welt des Quantenlabors eintrat, sich als Werner Heisenberg und Niels Bohr vorstellte und als kleine Zwerge in diese Welt einzog. Sie begannen, Trixi zu erklären, indem sie ihr erklärten, wie selbst die Physiker des XX. Jahrhunderts und ihre Gemeinschaft von diesen Erkenntnissen völlig verblüfft waren, und indem sie aufzeigten, wie die Notwendigkeit, selbst die Grundlagen des wissenschaftlichen Ansatzes zu überdenken, am Ende unvermeidlich war.

War das Teilchen innerhalb dieser mysteriösen Spanne zwischen der Schöpfung und der Entdeckung mehr als ein Raum der Möglichkeit? Um diese Frage zu beantworten, kamen mehrere Interpretationen auf, die versuchten, das Paradoxon zu erklären. Heisenberg und Bohr waren Pioniere der Quantenphysik und nach ihrer Interpretation namens “die Kopenhagener Interpretation” muss die Wellenfunktion keinen physikalischen Charakter haben. Stattdessen besteht es aus reinen Möglichkeiten und suggeriert, dass ein Partikel den Doppelspalt als eine Welle von möglichen Positionen durchquert, die letztlich alle möglichen Wege umfasst. Erst wenn das Partikel erkannt wird, werden ein Ort und der Weg, den es bis dorthin zurückgelegt hat, “entschieden”. Die Kopenhagener Interpretation nennt diesen Übergang von einem Möglichkeitsraum zu einem definierten Satz von Eigenschaften “den Zusammenbruch der Wellenfunktion”.

Es sagt uns, dass es vor dem Zusammenbruch sinnlos ist, überhaupt zu versuchen, die Eigenschaften eines Partikels zu definieren. Es ist fast so, als ob das Universum zulässt, dass alle Möglichkeiten gleichzeitig existieren, aber die Entscheidung, was tatsächlich bis zum letzten Moment passiert ist, zurückhält. Seltsamer, diese verschiedenen möglichen Wege, diese verschiedenen möglichen Realitäten, interagieren miteinander. Diese Interaktion erhöht die Chance, dass einige Wege real werden und verringert die Chance anderer.

Es gibt eine Interaktion zwischenmöglichen Realitäten, die sich in der Verteilung der Endposition im Interferenzmuster zeigt. Dieses Muster ist real, auch wenn die überwiegende Mehrheit der an der Erzeugung der Interferenz beteiligten Wege nie die Realität erreicht. In der Kopenhagener Interpretation ist diese endgültige Wahl des Experiments des Universums im Wesentlichen zufällig innerhalb der Grenzen der Endwellenfunktion.

Innerhalb dieser Interpretation könnten die potenziellen Einwände, die Trixie hatte, als sie zum ersten Mal diesem Experiment ausgesetzt war, und seine Auswirkungen können einfach abgelehnt werden, da sie einfach nicht logisch unterstützt werden. Die traditionelle Weltlogik hat jedoch in unserem Quantum Universe Dictionary keinen Platz.Wir leben in einer Welt, in der sich die Natur auf Quantenebene so verhält, dass wir unsere intuitiven Denkweisen aufgeben müssen, da wir unser Gehirn nur für makroskopische Phänomene entwickelt haben. Es gibt keinen Grund, warum die grundlegende Natur der

Realität für den Geist eines Menschen oder eines Mädchens wie Trixi verständlich sein muss. Es gibt keinen Grund, warum Visualisierung, die normalerweise mit dem Konzept der Erklärung verbunden ist, geeignet sein sollte, Objekte auf den grundlegendsten Ebenen der Realität zu beschreiben. Heutzutage können wir unsere Grenzen nur akzeptieren, indem wir denken, dass das menschliche Gehirn im Moment nur verdrahtet ist, um sich mit der klassischen Mechanik und dem dreidimensionalen Raum zu befassen, und indem wir bedenken, dass unsere Spezies nicht JET entwickelt wurde, bis zu dem Punkt, an dem Konzepte wie der multidimensionale Raum und Wahrscheinlichkeitsschwankungen gewöhnliche Konzepte für unseren Geist sind.

Aber wenn es so ist, dass die Natur unbegreiflich ist, wie kann sie dann unsere Unwissenheit überhaupt lindern, die Leere mit Theorien zu füllen, die auch für uns keinen Sinn ergeben? Anhänger der Quantenmechanik werden argumentieren, dass es eine Art “Verständnis” gibt, das durch das Herumspielen mit all diesen unscharfen, nicht intuitiven “Ideen” erreicht wird, obwohl sie nicht wesentlich artikulieren können, was für eine Art von Verständnis das ist. Das Quantenuniversum ist seltsam und bizarr und seltsam und seltsam und durch die Verwendung von Analogien sollten wir es einfach akzeptieren. Das Doppelspaltexperiment und seine Variationen sind die winzigen Stücke des Quantengerüsts, um die geheimnisvollen Eigenschaften der mikroskopischen Welt zu “beweisen”, auch wenn sie nicht rational verstanden oder kommuniziert werden können.


Beitragsfoto:  Gemeinfrei-ähnlich freigegeben durch Yong Chuan on Unsplash.

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