die quantenwelt
DESCRIPTION
Die Quantenwelt. Über Rätsel, die uns die Natur aufgibt. http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/ [email protected] Fakultät für Physik Universität Wien. Franz Embacher. Volkshochschule Meidling 27. November 2006. Inhalt. Klassische Physik und Quantenphysik - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/1.jpg)
Die Quantenwelt
Franz Embacher
Volkshochschule Meidling27. November 2006
http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/
Fakultät für PhysikUniversität Wien
Über Rätsel, die uns die Natur aufgibt
![Page 2: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/2.jpg)
Inhalt
• Klassische Physik und Quantenphysik• Wellen, Messungen und Wahrscheinlichkeiten• Verbotenes Tunneleffekt• Doppelspalt-Experiment• Unbestimmtheit Gickse• Elitzur-Vaidmann-Bombentest• EPR-Paradoxon und Bellsche Ungleichung• Quantenspiel• Quantencomputer• Wieso sieht die Welt so klassisch aus? Dekohärenz• Fazit
![Page 3: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/3.jpg)
Klassische Physik und Quantenphysik
• Klassische Physik• Messgrößen (Observable)• Theoretische und experimentelle Befunde: Die
klassische Physik kann nicht richtig sein!• Max Planck, Albert Einstein: Energie der
Strahlung, Photonen• Niels Bohr, Arnold Sommerfeld, Erwin
Schrödinger: Stabilität und Spektrum der Atome
![Page 4: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/4.jpg)
Wellen, Messungen und Wahrscheinlichkeiten
• Louis de Broglie: Teilchen verhalten sich wie Wellen (Wellenfunktion, )
• Problem der „Deutung“ der neuen Theorie• Max Born, Niels Bohr: Wellenfunktion
Wahrscheinlichkeiten für Messergebnisse (Kopenhagener Deutung) Orbitale, Atome, Moleküle, Stabilität der Materie
• Wellen können einander überlagern (Superpositionsprinzip)
= 1 + 2
![Page 5: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/5.jpg)
Verbotenes Tunneleffekt
![Page 6: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/6.jpg)
Doppelspalt-Experiment
Beschuss mit einzelnen Teilchen!Annahme: Das Teilchen geht durch einen Spalt Das Verhalten eines Teilchens,das durch den oberen Spalt geht, hängt davon ab, ob der untere Spalt offen ist! Widerspruch?
![Page 7: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/7.jpg)
Unbestimmtheit Gickse
• Werner Heisenberg: fundamentale Unbestimmtheit in den Messgrößen
• Messgrößen, die nicht gleichzeitig scharfe Werte haben können (komplementäre Messgrößen):• Beliebige Körper: Ort und Impuls• Elektronen: Spinkomponenten in verschiedene
Richtungen• Photonen: Polarisationen ( = Verhalten an
Polarisatoren mit unterschiedlichen Orientierungen)
• Doppelspalt-Experiment: Weg des Teilchens
![Page 8: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/8.jpg)
Elitzur-Vaidmann-Bombentest
• Bombentest illustriert die „Quantenlogik“: kein klassisches „entweder – oder“ anwendbar!
• Einige Bombe sind scharf und bestehen den Test, d.h. sie explodieren nicht – womit wurde das eigentlich „gesehen“, wenn doch kein Photon beim Zünder war?
![Page 9: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/9.jpg)
EPR-Paradoxon und Bellsche Ungleichung
• Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen: Ist die Quantentheorie unvollständig?
• EPR-Paradoxon• John Bell: Konzept für eine Entscheidung durch
ein Experiment• Bellsche Ungleichung
n(Frauen, Auto) n(Frauen, französisch) +
n(AutofahrerInnen, nicht französisch)
• Alain Aspect, Anton Zeilinger: experimentelle Durchführung
physikalisch: Polarisationen von Photonenpaaren
![Page 10: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/10.jpg)
EPR-Paradoxon und Bellsche Ungleichung
• Experiment: Bellsche Ungleichung verletzt!• Individuelle Polarisationen von Photonen eines
verschränkten Paares
können keine „Eigenschaften“ im herkömmlichen Sinn sein!! echte Unbestimmtheit und Nichtlokalität
• Die quantenmechanische Unbestimmtheit ist nicht lediglich Unkenntnis, sondern tatsächlich ein „keinen-festen-Wert-Haben“!
• Dieser Zug der Quantentheorie kann nicht durch eine zugrundeliegende klassische Theorie erklärt werden (wie Einstein vermutet hat).
![Page 11: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/11.jpg)
Quantenspiel
3 KandidatInnen, getrennt, jedeR bekommt eine Frage:• Geschmack ... süß oder sauer? 1 oder –1 • Temperatur ... heiß oder kalt? 1 oder –1
Aufgabe:• Falls GTT, TGT oder TTG ... Das Produkt der
Antworten soll 1 sein.• Falls GGG ... Das Produkt der Antworten soll –1
sein.
Gibt es eine sichere Strategie?
typisch quantenmechanische Situation
![Page 12: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/12.jpg)
Quantenspiel
Strategiezettel:• Kandidat 1: T ... x1 G ... y1 (x1 und y1 ... 1 oder –1)• Kandidat 2: T ... x2 G ... y2 (x2 und y2 ... 1 oder –1)• Kandidat 3: T ... x3 G ... y3 (x3 und y3 ... 1 oder –1)
Anforderungen an die Strategie:
GTT ..... y1 x2 x3 = 1
TGT ..... x1 y2 x3 = 1
TTG ..... x1 x2 y3 = 1
GGG .... y1 y2 y3 = –1
Folgerung: y1 y2 y3 (x1)² (x2)² (x3)² = 1
y1 y2 y3 = 1 ... Widerspruch zu GGG!
![Page 13: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/13.jpg)
Quantenspiel
Verschränkte Teilchen haben eine solche Strategie!
G und T entsprechen Messungen von Polarisationen mit unterschiedlich ausgerichteten Polarisatoren.
Nichtlokalität
„GHZ-Zustand“
![Page 14: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/14.jpg)
Quantencomputer
• Richard Feynman, David Deutsch: Parallelrechnung in den Zweigen („Partialwellen“) einer Überlagerung
• Wie viele elementare Rechenschritte sind nötig, um herauszufinden, ob zwei Zahlen (die jeweils 0 oder 1 sind) gleich sind?
cl ... 2 / qu ... 1
• Wie viele Ablesungen sind nötig, um eine Nummer in einem Telefonbuch einer Millionenstadt zu finden?
cl ... 500000 / qu ... 1000
![Page 15: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/15.jpg)
Wieso sieht die Welt so klassisch aus? Dekohärenz
• Schrödingers Katze („makroskopische Superpositionen“)
• Die Umgebung gewinnt „Information“ über ein System (was effektiv eine Messung des Systems durch die Umgebung darstellt).
• Wird die Umgebung ignoriert, so erscheint das System klassisch:
quantenmechanische klassische Überlagerung Alternativen
![Page 16: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/16.jpg)
Fazit
• Unterschiedliche Zustände können einander überlagern, d.h. gewissermaßen „gleichzeitig“ existieren.
Superpositionsprinzip
• Messgrößen müssen keine festen Werte haben (sie stellen dann keine objektiven Eigenschaften dar) Konkrete Messwerte werden erst durch die Messung erzeugt!
Unbestimmtheit (nicht Unkenntnis)
• Verschränkte Systeme können nicht durch individuelle (lokale) Eigenschaften ihrer Bestandteile erklärt werden, auch wenn diese voneinander getrennt sind (d.h. nicht miteinander wechselwirken)!
Nichtlokalität
![Page 17: Die Quantenwelt](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022082819/568142ba550346895daefbf0/html5/thumbnails/17.jpg)
Danke...
... für Ihre Aufmerksamkeit!
Diese Präsentation finden Sie im Web unter
http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Quantentheorie/vhs/