Frage zu Artikel von A. Zeilinger

[Gandalf]

Zitat von Fortram

Wenn aber die Quellen-Region relativ gross ist, erzeugen die verschiedenen Teil-Regionen unterschiedliche Interferenz-Muster. Diese überlagern sich und das Interferenz-Muster verschwindet (Siehe ebenfalls Doppel-Doppelspalt-Experiment in 'Einsteins Schleier').

Dies bedeutet, dass wenn aus einer Koinzidenz-Messung ein Interferenz-Muster resultieren soll, mit dieser Koinzidenz-Messung die Photonen-Paare eines kleinen Teilbereichs der Quellenregion herausgefiltert werden müssen. Die allermeisten Photonen-Paare müssen verloren gehen.

Wenn dem aber so ist, dann bilden diese restlichen Photonen-Paare einen riesigen Fundus, also viel mehr als ein lästiges Rauschen.

Hallo Fortram!

Zu dieser (letztednlichen) Feststellung kannst Du auch viel einfacher und stringender kommen:

Erhöhe - bei einem "stinknormalen DS-Experiment" einfach sukzessive die Anzahl der Spalten (bzw. Stege) bis "Richtung Unendlich" (= 1 einzelner Spalt)

--> Die Interferenzen hört NIE auf eine Interferenz zu sein. - Es sieht nur ab einer gewissen Spaltenanzahl für den unbedarften Beobachter so aus - 'als ob' die Interferenzu verschwunden wäre. Tatsächlich ist aber das Gegenteil der Fall: Die Interferenz ist weiterhin vorhanden, jedoch so komplex, das es wie zufälliges (hochentropisches) Rauschen aussieht, das Du als "lästig" bezeichnest.

Es liegt also kein Verständnisproblem vor, sondern ein 'Beschreibungsproblem' von "nach Objektivität suchenden Wissenschaftlern und Wissenschafts-Publizisten". Denn leider findest Du wohl in weit über 90% der Literatur darüber was anderes beschrieben; - nämlich das bei der Beobachtung von "welcher-Weg-Information" die "Interferenz verschwinden würde". (o.ä.)

Daher möchte ich Dich mal explizit auf eine andere 'Deutungsmöglichkeit' hinweisen, die vieles in einem viel stringenderem Licht erscheinen lässt.
Wie z.B. hier : http://www.quanten.de/quantenphiloso...ophie_lit.html
oder hier: http://www.rzuser.uni-heidelberg.de/...ieleWelten.pdf

So lassen sich auch Deine Eingangsfragen zum von Dir beschriebenen Experiment recht einfach aufklären:

Zitat von Fortram

Mein Frage ist nun: Wenn dieser Detektor nach 'hinten' geschoben wird, sodass immer zuerst das zweite Photon (hinter dem Doppelspalt) registriert wird, und erst danach das erste Photon, tritt auch in diesem Fall ein Interferenzmuster auf?

Es lässt sich ein Experiment ausdenken, bei welchem die Art und Weise, wie das erste Photon detektiert wird, gar noch nicht festgelegt ist, wenn das zweite Photon hinter dem Doppelspalt registriert wird. Dies spricht m.E. dafür, dass kein Interferenzmuster auftritt. Liege ich da falsch?

landläufig und populärwisenschaftlich gesagt: nein

aber aus oben beschriebenem Grund muss die Antwort etwas genauer lauten:

"ja, aber eine solche, die wir nicht so ohne weiteres als eine erkennen und als "Zufallststreuung" oder "Rauschen" deuten

Grund: Es ist nie das einzelne Photon zu betrachten, sondern immer: 'das einzelne Photon*der Versuchsaufbau*der "Rest des jeweiligen Universums' in dem der Versuch stattfindet.

Da das nicht in zeitliche Abfolgen getrennt werden kann, wird eine (leicht sichtbare) Interferenz dadurch verhindert, das viele (physikalisch mögliche und in diesem Sinn auch wirkliche) Universen am Versuch beteiligt sind, die sich jeweils darin unterscheiden, "wie weit" der Detektor, der die "welcher Weg-Information" zur Verfügung stellen kann, im jeweiligen Universum nach hinten verschoben wurde.

---> Es ist hier wie an einem Spalt mit sehr sehr vielen Schlitzen: Es sieht so aus 'als ob' die Interferenz verschwunden wäre und Photon 2 immer um den selben Punkt herum "einschlägt"

Was geschieht aber, wenn die "welche Weg-Information" für Photon 2 mittels Photon 1 nicht ausgelesen werden kann, d.h. das Photon bei 1 wird stets an einem Punkt fokussiert und Photon 2 kann immer unbeobachtet den oberen oder unteren Spalt "wählen":

Hier haben wir es dann stets mit 2 (großen) "Bündeln" von sehr sehr ähnlichen Universen beim Versuchsaufbau zu tun, die sich jeweils nur - in einem einzelnen Photon unterscheiden - In 49,999..% der Universen mit dem exakt gleichen Versuchsaufbau geht das Photon oben durch, in 49,999..% der Universen geht es unten durch.

Und DAS ergibt die makroskopisch 'sichtbare' Interferenz - nicht aus einzlenen Photonen, sondern aus Universen, in denen der exakt gleiche Versuch stattfindet.

Grüße

[RoKo]

Hallo Gandalf,

Zitat von Gandalf

..viele (physikalisch mögliche und in diesem Sinn auch wirkliche) Universen ..

1. Ein hochdimensionaler Konfigurationsraum ist kein logischer Beleg für die Existenz mehrerer Ortsräume. "Viele Welten" sind daher keine Konsequuenz der Theorie.

2. Das Schöne an der Quantenoptik ist, dass sie weitgehend klassisch erklärt werden kann; das lässt wenig Spielraum für "spinnige" Ideen.

[future06]

Zitat von RoKo

Hallo Gandalf,
1. Ein hochdimensionaler Konfigurationsraum ist kein logischer Beleg für die Existenz mehrerer Ortsräume. "Viele Welten" sind daher keine Konsequuenz der Theorie.

2. Das Schöne an der Quantenoptik ist, dass sie weitgehend klassisch erklärt werden kann; das lässt wenig Spielraum für "spinnige" Ideen.

Hallo Roko,
der HOM-Effekt ist aber klassisch nicht erklärbar, imho hatten wir das hier vor einiger Zeit schon mal diskutiert. Somit scheidet die klassische Interpretation aus - sie ist sozusagen klassisch falsifiziert..

http://de.wikipedia.org/wiki/Hong-Ou-Mandel-Effekt

Gruß,
f.

[RoKo]

Hallo future,

ich schrieb "weitgehend"; mehr nicht.

[future06]

Hallo Roko,

Zitat von RoKo

ich schrieb "weitgehend"; mehr nicht.

ja, ich hab das schon auch so gelesen...
Nur sehe ich es so, dass gerade durch dieses "weitgehend" die klassische Deutung ausscheidet, zumindest wenn es um die Frage nach der physikalischen Realität geht - man im Grund also einen philosophischen Ansatz wählt. Ich glaube also im Gegensatz zu dir, dass sich dadurch sehr viel Spielraum für "spinnierte Ideen" ergibt.

Grüße nach Hongkong!
f.

[Thom_B]

Lieber RoKo und Future06,

irgendwie habt ihr beide recht, einerseits kann man in der Optik sehr viel semiklassisch erklären, also wenn man ein klassisches Lichtfeld in Wechselwirkung mit quantisierter Materie betrachtet. Dies betrifft insbesondere fast alle Phänomäne der alltäglichen Optik. Andererseits hat die Quantenoptik (als Teilgebiet der Optik) gelernt, Experimente zu machen, die mit einem klassischen Lichtfeld definitiv nicht mehr erklärbar sind. Die meisten davon wurden hier schon genannt, meine persönlichen Highlights:

- Antibunching im Hanbury Brown Twiss Aufbau
- Sup-Poissonsche Zählstatistik
- Hong-Ou-Mandel Effekt, hier wird zusätzlich überprüft, ob die einzelnen Photonen einer Quelle auch ununterscheidbar sind
- Alles was mit Verschränkung von Photonen zu tun hat,
...

Also kann man experimentell davon ausgehen, dass es Situationen gibt, in denen man das Lichtfeld quantisiert betrachten muss, auch wenn die zugehörigen Fragestellungen etwas abgehoben erscheinen. Ob die Quantenoptik jetzt Raum für "spinnerte Ideen" lässt, weiss ich nicht. Einerseits ist die Theorie komplett entwickelt, man kann sich kaum ein Experiment denken, dass ein Theoretiker nicht innerhalb einiger Tage berechnet und simuliert hat. Das Motto "Shut up and calculate" funktioniert gerade in der Quantenoptik sehr gut. Andererseits ist die Quantenoptik immer noch das Gebiet der Physik, das es am besten zulässt, theoretische Ideen aus der Quantenphysik auch experimentell zu realisieren. Nicht umsonst stammen fast alle Tests zu Verschränkung, Bell-Ungleichengen, etc aus diesem Gebiet. Die Quantenoptik bietet daher sicher die derzeit besten Möglichkeiten "spinnerte Ideen" experimentell zu testen.

schöne Grüße
Thom_B

[RoKo]

Hallo Thom_Bn

a) der Ausdruck "spinnerte Ideen" stand in meiner Antwort an den user Gandalf, der hier schon des öfteren seine spezielle Variante der "Viele-Welten"-Interpretation vorgetragen hat,

b) Mit der Quantenpotik wird die klassische Optik bzw. die klassische Elektrodynamik nicht widerlegt, sondern lediglich in ihrem Gültigkeitsbereich eingeschränkt. Sie gilt eben nur bei hinreichend großen Intensitäten.

b1) Da der Quanteneffekt lediglich bei der Detektion auftritt, hilft die klassische Betrachtung ungemein, das Geschen bis zur Detektion zu erfassen.

c) Das Phänomen der Verschränkung ist zwar klassisch nicht erklärbar; aber das Verhalten von verschränkten Photonen ist klassisch verstehbar, wenn man sie steht als Ganzes betrachtet.

[Thom_B]

Hallo RoKo,

zu a), b), b1) : stimme ich komplett zu, die Quantenoptik umfasst die klassische Optik.

zu c): was meinst Du genau? Gibt es einen Unterschied zwischen erklären und verstehen? Natürlich führt die Vorstellung naiver Teilchen bei der Verschränkung nicht weiter, das ist ein gemeinsamer Quantenzustand für zwei Quantenobjekte, die durch eine gemeinsame Zustandsfunktion beschrieben werden. Das Problem liegt (wie so oft) nicht in der mathematischen Beschreibung, sondern in dem Versuch, ein anschauliches Bild für die Situation zu liefern. Und da versagt bei der Verschränkung sowohl das Wellenbild alsauch ein naives Teilchenbild.

schöne Grüße
Thom_B

[RoKo]

Hallo Thom_B,

meine Unterscheidung zwischen erklären und verstehen meinte es so, wie du es verstanden hast.

Zitat von Thom_B

Das Problem liegt (wie so oft) nicht in der mathematischen Beschreibung, sondern in dem Versuch, ein anschauliches Bild für die Situation zu liefern.

Und da versagt bei der Verschränkung sowohl das Wellenbild als auch ein naives Teilchenbild.

Versagt das Wellenbild tatsächlich? Wenn ja, dann muss man es dort, wo es versagt, möglicherweise nur genauer betrachten.

Bis zum Beweis des Gegenteils steht für mich fest, dass Photonen Quanta elektromagnetischer Felder sind. Wäre es anders, müssten die Physiker erst einmal erklären, warum Lichtleiter und Detektoren und alle weiteren Zutaten, die in der Quantenoptik benutzt werden, funktionieren.

Sieht man zunächst von Verschränkung ab, dann benötigt man ausser der klassischen Elektrodynamik nur die Zusatzannahme der Energiequantelung E=h*v. Wie ich schon an anderer Stelle schrieb, mutiert die Intensität dann zur Wahrscheinlichkeit. Aus der klassischen Elektrodynamik ist auch bekannt, dass die Ausbreitung der Energie(dichte) und der tatsächliche Energiefluss nicht identisch sind. Von daher ergibt sich auch kein Widerspruch zur Klassik, wenn bei einem Photon hinter einem Strahlteiler nur ein Detektor anspricht.

Auch das Phänomen der Verschränkung kann man nur mit einem Wellenbild verstehen. Dazu muss man sich detailiert die Erzeugung zweier verschränkter Photonen vorstellen und über die Konsequenzen für die Frequenzanteile nachdenken. Das verschränkte Photonen ein Ganzes bilden und stets nur gemeinsam beeinflusst werden können, ist wenig erstaunlich.

Erstaunlich ist lediglich, dass diese Beeinflussung (1) instantan auch über große Enternungen möglich ist. Wäre ich Physiker, würde ich prüfen, ob Phasenverschiebungen instantan erfolgen können.

(1) Man muss zwischen Beeinflussung (i.d.R Formänderungen des Feldes) und Wirkung (Energieumwandlung) unterscheiden.

[Thom_B]

Hallo RoKo,

wir entfernen uns zusehends vom ursprünglichen Thema, daher werde ich eventuell auf einige Deiner Punkte mal in einem eigenen Thema antworten. Hier zu Deiner Aussage:

Bis zum Beweis des Gegenteils steht für mich fest, dass Photonen Quanta elektromagnetischer Felder sind. Wäre es anders, müssten die Physiker erst einmal erklären, warum Lichtleiter und Detektoren und alle weiteren Zutaten, die in der Quantenoptik benutzt werden, funktionieren.

Genauso so wird (wie Du vermutlich weisst) in jedem guten Lehrbuch der Quantenoptik die Quantisierung des elektromagnetischen Feldes durchgeführt. Ein Photon ist dabei eine elementare Anregung einer Mode des elektromagnetischen Feldes. Die "Mode" gibt dabei die raum-zeitliche Ausdehnung der klassischen Schwingung wieder und hängt von den Randbedingungen der experimentellen Situation ab (Interferometer, Strahlteiler, Lichtwellenleiter, Fabry-Perot, was auch immer). Als Folge dieser Definition ist es schwierig, von den allgemeinen Eigenschaften eines Photons zu sprechen, da jedes Photon die Eigenschaften der Mode erbt, die quantisiert wurde. Die gängigsten Beispiele sind:

- Ich quantisiere eine laufende ebene Welle: Hier gilt strikt E=h*nu für die Energie des Photons und p=h/Lambda für den Impuls des Photons. Dagegen ist das Photon, wie auch die ebene Welle, im Prinzip räumlich und zeitlich unendlich ausgedehnt, kann aber nur einmal (an einem Ort und zu einer Zeit) detektiert werden. Inwieweit das einem Teilchen entspricht muss jeder für sich entscheiden.

- Ich quantisiere eine stehende Welle (z.B. Das Feld zwischen zwei Spiegeln): Für dieses Photon verschwindet interesantenweise der Erwartungswert des Inpulses.

- Ich quantisiere Wellenpakete: diese sind räumlich und zeitlich lokalisiert, E=h*nu und p=h/Lambda gilt aber nur noch für den Mittelwert der Frequenz bzw. Wellenlänge, da ein Wellenpaket notwendigerweise ein breites Frequenzspektrum besitzt.

- Exotischere Beispiele kann sich jeder selbst basteln, etwa Gauss-Laguerre Moden höherer Ordnung, die einen Bahndrehimpuls besitzen.



Ob die Verschränkung eher einem Wellen- oder Teilchenbild entspricht, ist natürlich Geschmacksache. Für das Wellenbild spricht, dass es irgendwie den gesamten Raum erfasst, wie das eine Welle auch tut. Allerdings kann ich mir verschränkte Zustände mit der Eigenschaft konstruieren (theoretisch und experimentell), dass falls ein Detektor A Licht mit dem Polarisationswinkel alpha misst, ein räumlich getrennter Detektor B immer Licht unter dem Polarisationswinkel alpha + 90 grad messen wird, und zwar völlig unabhängig davon, was alpha ist. In meine Vorstellung einer Welle passt das eher nicht hinein.

Letztlich gilt aber für unsere Vorstellungen: Alles ist erlaubt, solange es hilft, eine experimentelle Situation intuitiv richtig einzuschätzen, da kann jeder eigene Vorstellungen benutzen. Am Ende hilft eh nur nachrechnen und ausprobieren.

schöne Grüße
Thom_B