Warum das Interferenzmuster im Doppelspaltversuch

[Bernhard]

Zitat von TomS

https://de.wikipedia.org/wiki/Superposition_(Physik)
Unter Superposition versteht man in der Physik eine Überlagerung gleicher physikalischer Größen gemäß den Regeln einer Superposition in der Mathematik. Das Prinzip lässt sich in vielen Bereichen der Physik und für verschiedene Größen nutzen. So werden etwa in der linearen Wellentheorie Amplituden an einem Ort zu einem Zeitpunkt überlagert, um Interferenzmuster zu erklären ...

Ok. Ich kannte das eher unter dem Begriff Überlagerung bzw Addition von Wellen. Danke für den Hinweis.

[sirius]

Zitat von SuperpositionSimon

Hallo ich bin der neue hier . Nach der Berechnung einer sehr originellen Aufgabe habe ich mich erfolgreich registriert und freue mich über konstruktive Diskussionen zur verrückten Quantenwelt. Meine Motivation ist es der Frage nachzugehen, ob die Welt, die wir als real betrachten so real ist, wie sie zu sein scheint . Mein Anspruch ist es aber immer Thesen wissenschaftlich zu be- oder widerlegen.

Eine der vielen Fragen, die ich habe, möchte ich an dieser Stelle gleich als erstes diskutieren:

Warum zeigt sich beim Doppelspaltversuch ohne Beobachtung ein Interferenzmuster und keine zwei Streifen?

Ich habe den Doppelspaltversuch höchstpersönlich Zuhause ausprobiert und sehe ein Interferenzmuster. Wenn sich das Photon als Welle und als Teilchen verhalten kann, warum verhält es sich im Doppelspaltversuch als Welle? Gibt es irgendeinen Grund, dass es sich als Welle verhalten muss und nicht als Teilchen verhalten darf?
Ich finde aktuell nur Gründe warum sich das Photon als Teilchen verhalten müsste (bsp. Wechselwirkung mit Luftmolekülen etc.), aber keine Gründe, warum es sich als Welle verhalten muss...

Mein hoch gestecktes Ziel ist es, den Wellenkollaps auch in der Makrowelt zu beobachten. Daher muss ich jetzt erst mal klären, warum es überhaupt ein Interferenzmuster im Doppelspaltversuch gibt .
Ich freue mich auf eure Antworten.

Der folgende Artikel paßt ganz gut zu Deinem Themengebiet, finde ich.
Es werden etliche grundlegende Aspekte hinsichtlich Welle und Teilchen angesprochen und es wird auch auf bedeutende Physiker und ihre Einstellungen und Arbeiten zur Quantenphysik verwiesen.

https://www.wissenschaft-x.com/niels...phy-of-physics

[sirius]

Hier noch zwei Links

Zusammenfassung von Spaltexperimenten für’s Abi

https://youtu.be/KUJg_Fc1KbI

und

“Quantenphysik auf dem Küchentisch” findet sich innerhalb der ersten sechs Minuten dieses Videos, dem ein Vortrag aus dem Jahr 2015 von Prof. Anton Zeilinger folgt

https://youtu.be/9bmJabWAj5s

[SuperpositionSimon]

Danke euch für die Anregungen.
@ Sirus Danke für die weiteren Quellen. Habe mir beide Videos angeschaut. Was mir beim Zeilinger sehr gut gefällt, ist, dass es die reine Neugier ist, die ihn soweit gebracht hat. Ist auf alle Fälle eine sehr interessante Zusammenfassung der quantenpysikalischen Erkenntnisse.

Die Videos von SimpleClub sind auch immer prima. In dem Fall wird nochmal sehr schön gezeigt, wie man Berechnungen an den Wellen durchführt und so die Minimas etc. bestimmt.

Aber eine Antwort auf meine Frage konnte ich bislang noch keine finden. Die Nuss ist denke ich auch gar nicht so einfach zu knacken, aber dafür gibts ja das Schwarmwissen von diesem Forum und wir müssen uns nicht mühsam wie Bohr und Einstein auf einem Spaziergang austauschen . Schließlich würde mit der Antwort auf diese Frage evtl. auch eine Antwort auf das immer noch ungelöste "Messproblem der Quantenmechanik" einhergehen.

Der Doppelspaltversuch ist immer das erste, was im Zusammenhang mit Quantenphysik genannt wird. Eben weil sich hier die Superposition in Form des Interferenzmusters zeigt. Ihr kennt auch keine anderen Versuche, oder?

Bei Schrödingers Katze konnte mir noch keiner sagen, ob die Katze nun wirklich tot und lebendig zugleich ist --> Bei allen Versuchen (außer eben dem Doppelspaltversuch) die ich kenne ist immer erst das Resultat nach dem Wellenkollaps zu sehen und damit ist die Superposition weg...

@ Sirius ich habe aktuell keine Hinweise darauf, dass Quantenverschränkung dabei eine Rolle spielt.

[Hawkwind]

Zitat von sirius

Grundsätzlich ist es aber doch so, daß Quanten verschränkt sind. Muß dann nicht auch noch ein weiterer Effekt, wo oder wie auch immer auftreten?

Das ist nicht grundsätzlich so: beliebige Quanten sind i.d.R. nicht miteinander verschränkt.
Verschränkung kann es dann geben, wenn mehrere Quanten eine gemeinsame "Entstehungsgeschichte" haben. Z.B. 2 Photonen, die beim Zerfall eines neutralen Pi-Mesons entstehen, unterliegen wegen Drehimpulserhaltung der Bedingung, dass sich ihre Drehimpulse zu Null (dem Drehimpuls des zerfallenen Pi-Mesons) addieren. Wenn du also den Drehimpuls eines Photons misst, dann kennst du in diesem Moment auch den des anderen - selbst dann, wenn es mittlerweile 100 km entfernt ist.
Darin zeigt sich die Verschränkung. Das Besondere ist, dass die erwähnte Messung den quantenmechanischen Zustand des vermessenen Photons erst festlegt, d.h. sie legt somit auch nichtlokal und instantan des Zustand des anderen Photons fest ("Spukhafte Fernwirkung").
Ansonsten wäre es exakt wie in der klassischen Physik und nicht der Rede wert.

[sirius]

Zitat von Hawkwind

Das ist nicht grundsätzlich so: beliebige Quanten sind i.d.R. nicht miteinander verschränkt.
Verschränkung kann es dann geben, wenn mehrere Quanten eine gemeinsame "Entstehungsgeschichte" haben. Z.B. 2 Photonen, die beim Zerfall eines neutralen Pi-Mesons entstehen, unterliegen wegen Drehimpulserhaltung der Bedingung, dass sich ihre Drehimpulse zu Null (dem Drehimpuls des zerfallenen Pi-Mesons) addieren. Wenn du also den Drehimpuls eines Photons misst, dann kennst du in diesem Moment auch den des anderen - selbst dann, wenn es mittlerweile 100 km entfernt ist.
Darin zeigt sich die Verschränkung. Das Besondere ist, dass die erwähnte Messung den quantenmechanischen Zustand des vermessenen Photons erst festlegt, d.h. sie legt somit auch nichtlokal und instantan des Zustand des anderen Photons fest ("Spukhafte Fernwirkung").
Ansonsten wäre es exakt wie in der klassischen Physik und nicht der Rede wert.

Herzlichen Dank für die sehr erhellende Antwort.

[TomS]

Zitat von SuperpositionSimon

Der Doppelspaltversuch ist immer das erste, was im Zusammenhang mit Quantenphysik genannt wird. Eben weil sich hier die Superposition in Form des Interferenzmusters zeigt. Ihr kennt auch keine anderen Versuche, oder?

Auch beim Doppelspaltversuch zeigt sich das Interferenzmuster nur indirekt. Direkt zeigen sich nämlich wieder isolierte Punkte / Detektionsereignisse / Teilchen.

Daher verhält es sich wie immer: die Berechnung der Wahrscheinlichkeiten für die Detektionsereignisse erfolgt mittels der Wellenfunktion. Diese gilt so ziemlich bei allen Experimenten zur Quantenphysik.

[Hawkwind]

Zitat von SuperpositionSimon

Der Doppelspaltversuch ist immer das erste, was im Zusammenhang mit Quantenphysik genannt wird. Eben weil sich hier die Superposition in Form des Interferenzmusters zeigt.

Hmm, ist das wirklich so?
Ich sehe den Zusammenhang zwischen Superposition und Interferenzmuster momentan zumindest nicht.

Mal kurz besinnen - was bedeutet "Superposition"?
Wenn |psi> eine Lösung einer linearen Differentialgleichung (hier der Schrödingergleichung) ist und |phi> ebenfalls eine Lösung ist, dann ist auch

a*|psi> + b*|phi> (das nennt man auch "Linearkombination")

eine Lösung. Für |psi> und |phi> wählt man dabei Eigen-Vektoren (in der QM sind das Lösungen zu scharfen Messwerten ("Eigenwerten")).
Bei der Superposition geht es also darum, die Lösungsmenge als Linearkombination unterschiedlicher, elementarer Lösungen ("Eigenvektoren") darzustellen. Diese Linearkombinationen führen dann in der QM in der Regel zur Vorhersage unscharfer Messwerte.

Ich kann nicht erkennen, welche Rolle das beim Doppelspaltexperiment spielen soll. Dort geht es doch lediglich im Interferenzen von Wahrscheinlichkeitswellen; es geht darum, dass sich die Auslenkungen der 2 Wahrscheinlichkeitswellen - ausgehend von den beiden Spalten - an einem Punkt hinter den Spalten additiv überlagern.
Das hat m.E. nichts mit der Superposition unterschiedlicher Eigenvektoren zu tun.

Oder sehe ich das falsch?

[TomS]

Zitat von Hawkwind

Dort geht es doch lediglich im Interferenzen von Wahrscheinlichkeitswellen; es geht darum, dass sich die Auslenkungen der 2 Wahrscheinlichkeitswellen - ausgehend von den beiden Spalten - an einem Punkt hinter den Spalten additiv überlagern.
Das hat m.E. nichts mit der Superposition unterschiedlicher Eigenvektoren zu tun.

Superposition bedeutet lediglich, dass die Summe zweier Lösungen wieder eine Lösung liefert; das können Eigenlösungen sein, müssen jedoch nicht. Im Falle des Doppelspaltes werden eben die beiden von den Spalten ausgehenden Zylinderwellen überlagert; Zylinderwellen sind dabei sogar Eigenlösungen der freien Schrödingergleichung.

[SuperpositionSimon]

Danke für die mathematischen Erläuterungen zum Thema Superposition.

Hmm, ist das wirklich so?
Ich sehe den Zusammenhang zwischen Superposition und Interferenzmuster momentan zumindest nicht.

Den Zusammenhang zwischen Superposition und Interferenzmuster sehe ich wie folgt (aber korrigiert mich gerne, wenn meine Annahmen falsch sind):

Wenn die Teilchen einzeln durch den Doppelspalt fliegen, könnte sich, sofern man die Teilchen als Teilchen betrachtet kein Interferenzmuster bilden, sondern nur zwei Streifen.
Betrachtet man das Teilchen nicht als Teilchen, sondern als Welle kann sich ein Interferenzmuster bilden.
Die (schwer vorstellbare) Voraussetzung dafür ist aber, dass das Teilchen alle möglichen Wege gleichzeitig geht und sich somit wie eine Welle ausbreitet und daher das Interferenzmuster bildet. Das nennt man doch Superposition, oder? Und ohne Superposition gäbe es kein Interferenzmuster, sondern nur zwei Streifen.
Daher ist meine Schlussfolgerung, dass das Interferenzmuster die Superposition, wenn auch indirekt (@Tom da stimme ich Dir zu) sichtbar macht.

Hier noch ein knapp 4min langes Video dazu, worauf diese Annahmen beruhen: https://www.youtube.com/watch?v=TiXfAs0Wf_E

Angenommen, es würde sich im Doppelspaltversuch auch ohne Beobachtung kein Interferenzmuster zeigen, sondern zwei Streifen. Gegen welche pysikalischen Gesetze würde das Teilchen dann verstoßen ?