Zitat:
Zitat von Joule
Wenn man das berühmte Doppelspaltexperiment durchführt, und einen Detektor anbringt, der misst, durch welchen Spalt das Teilchen geht, die Ergebnisse dieser Messung jedoch nicht betrachtet, verschwindet dann das Interferenzmuster vom Schirm oder bleibt es bestehen?
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Das hängt von den Details des
Detektors und des
nicht-Beobachtens ab.
a) Ein Detektor könnte aus zwei Atomen bestehen, je eines hinter einem Spalt, die durch ein Photon angeregt werden. Im Falle dieser Anordnung bleibt das System interferenzfähig, denn man erhält wiederum eine quantenmechanische Superposition.
Ohne Atome hätte man hinter den Spalten 1 und 2 ganz grob den
interferenzfähigen Superpositionszustand |1> + |2>. |1> bzw. |2> steht dabei für ein Photon, das durch Spalt 1 bzw. 2 gegangen ist.
Mit Atomen A und B (die außerdem ununterscheidbar sein sollen) hätte man hinter den Spalten 1 und 2 ganz grob den Superpositionszustand |A*,B> + |A,B*>. * steht für die Anregung des jeweiligen Atoms. Natürlich zerfällt der angeregte Zustand unter Aussendung eines Photons wieder in den Grundzustand |A,B,1'> + |A,B,2'> = |A,B> (
|1'> + |2'>). Der ' deutet an, dass es sich um ein vom ersten bzw. zweiten Atom emittiertes Photon handelt. Die Superposition besagt, dass eben nicht genau ein Atom das Photon abstrahlt, und dass demzufolge der Endzustand wieder einen
interferenzfähigen Superpositionszustand des Photons enthält.
Es gibt tatsächlich ähnlich gelagerte Experimente, z.B.
Wheele's delayed choice,
delayed Choice quantum erazor
b) Anders verhält es nun, wenn man einen makroskopischen Detektor hinter dem Doppelspalt platziert. Zunächst mal wird der Detektor in einen Zeiger-Zustand übergehen, der den Durchgang durch Spalt 1 oder Spalt 2 repräsentiert. Anders als im vorigen Beispiel liegt bei einem makroskopischen Detektor jedoch eine Verschränkung mit prinzipiell unbeobachtbaren Umgebungsfreiheitsgraden (Luft, Photonen, ... im Labor) vor. Beobachtet man nun das Muster auf dem Schirm, so beobachtet man gerade
nicht diese Umgebungsfreiheitsgrade (könnte man diese Umgebungsfreiheitsgrade vollständig in die Messung des Musters auf dem Schirm einbeziehen, so würde tatsächlich ein vollständig interferenzfähiger Zustand resultieren; das verlangt die Schrödingergleichung). Vernachlässigung dieser Freiheitsgrade entspricht sozusagen einer mathematischen Mittelung über diese (Stichworte
reduced density matrix, partial trace, decoherence). Das Ergebnis ist ein Zustand, der sich näherungsweise wie ein klassisches statistisches und damit
nicht interferenzfähiges Gemisch verhält. Wichtig dafür ist jedoch letztlich immer die Umgebung; wenn man in der Lage ist, die o.g. Atome A und B durch größere Quantenobjekte zu ersetzen und dabei eine perfekte Isolation von der Umgebung zu erreichen, dann bleibt die Interferenzfähigkeit erhalten.