Ohne sie können Sie nicht einmal mit Ihrem Telefon spielen.

Unabhängig davon, ob sie tatsächlich mit der Quantenmechanik in Berührung gekommen sind, verwenden viele Menschen den Satz „Im Zweifelsfall die Quantenmechanik verwenden“, um über einige schwierige Probleme zu scherzen. Tatsächlich gibt es in der realen Quantenmechanik auch einige „Unsicherheiten“, wie beispielsweise das „Unsicherheitsprinzip“, von dem Sie vielleicht schon gehört haben. Allerdings ist die Bezeichnung „Unsicherheitsprinzip“ falsch und führt zu Missverständnissen hinsichtlich der Natur dieses Prinzips. Sein richtiger Name ist „ Unschärferelation “.

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Vorgeschlagene Erklärung des Prinzips

Das Unschärfeprinzip besagt, dass Ort und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig bestimmt werden können . Je klarer der Standort, desto ungenauer ist die Geschwindigkeit. Und umgekehrt gilt: Je sicherer die Geschwindigkeit, desto mehrdeutiger ist die Position. Darüber hinaus handelt es sich bei dieser Unsicherheit um einen quantifizierten spezifischen Wert und nicht um ein spontan erfundenes philosophisches Konzept. Wir haben gerade gesagt, dass der Name „Unschärferelation“ falsch ist. Das Verständnis des Unschärfeprinzips lässt sich jedoch schnell und einfach anhand der Bedeutung dieser falschen Bezeichnung in vielen populärwissenschaftlichen Büchern (einschließlich der Werke Hawkings) und in der grundlegenden Physiklehre an Universitäten erlernen. Dies war sogar Heisenbergs ursprüngliches Verständnis. Wir können genauso gut hier anfangen. Stellen Sie sich vor, wir messen den Zustand eines Teilchens. Vor der Messung wissen wir nichts davon – so, als ob sich in einem dunklen Raum eine schwarze Katze aufhält. Wir müssen Licht darauf werfen, um zu wissen, wo es ist.

Ist die Katze jedoch schwach, wird sie beim Einschalten des Lichts vom Licht weggestoßen. Dann können wir nicht sagen, ob es ursprünglich geflogen ist oder vom Licht getroffen wurde. Wir müssen also die Energie des Lichts verringern, um unser Beobachtungsobjekt nicht zu stören.

Die Energie des Lichts wird nicht durch seine Helligkeit, sondern durch seine Frequenz bestimmt. Im sichtbaren Lichtband manifestiert es sich als Lichtfarbe: Violettes Licht hat eine höhere Energie als grünes Licht und grünes Licht hat eine höhere Energie als rotes Licht. Dies mag zunächst unlogisch erscheinen, doch denken Sie einmal an eine Röntgenaufnahme des Brustkorbs: Die für eine Röntgenaufnahme des Brustkorbs verwendeten Röntgenstrahlen sind tatsächlich sehr schwach, doch ihre Frequenz ist sehr hoch, sie sind stärker als Ultraviolettstrahlen, und die Energie jedes Photons liegt auf dem Niveau ionisierender Strahlung. Zu viel Sonneneinstrahlung kann zu gesundheitlichen Problemen führen.

Zurück zum Thema: Eine Verringerung der Energie bedeutet eine Verringerung der Lichtfrequenz. Wenn die ursprüngliche Beleuchtung beispielsweise violettes Licht ist und wir sie in rotes Licht ändern, wird diese zerbrechliche kleine schwarze Katze nicht zu stark getroffen und wir können ihren ursprünglichen Bewegungszustand erkennen. Nach der Umstellung auf rotes Licht trat jedoch ein neues Problem auf: Die Wellenlänge des roten Lichts war zu lang, überschritt die Größe der schwarzen Katze und umging sie . Oder selbst wenn eine Reflexion auftritt, liegt die von uns erkannte Position innerhalb einer Wellenlänge und der Fehler ist ziemlich groß.

Entweder können wir nicht sehen, wo sich die schwarze Katze befindet, oder wir kennen den Bewegungszustand der schwarzen Katze nicht. Wenn die Genauigkeit des einen zunimmt, nimmt die Genauigkeit des anderen ab und es tritt das „Unsicherheitsprinzip“ in Kraft.

Obwohl diese Erklärung relativ leicht verständlich ist, erweckt sie bei den Menschen das Gefühl, dass die technologischen Fähigkeiten des Menschen nicht ausreichen. Wenn wir eine neue Methode finden, können wir möglicherweise den Zustand des beobachteten Objekts ermitteln, ohne es zu stören.

Tatsächlich besagt das Unschärfeprinzip, dass Unschärfe eine inhärente Eigenschaft eines Teilchens ist. Unabhängig davon, ob Sie es messen oder nicht, können seine Position und sein Impuls nicht gleichzeitig bestimmt werden .

Bitte beachten Sie, dass es sich um „unmöglich, gleichzeitig zu bestimmen“ und nicht um „unmöglich, gleichzeitig bestimmt zu werden “ handelt.

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Zwei einfache Schlussfolgerungen und weitere Implikationen

Früher glaubte man, wenn man den Zustand aller Teilchen messen könnte, könnte man auf der Grundlage physikalischer Gesetze auf ihre zukünftigen Zustände schließen und dann wäre die zukünftige Entwicklung der Welt klar. Dies gilt sogar für unsere Gedanken, denn die materielle Grundlage des Denkens sind auch die elektrischen Impulse der Neuronen.

Aber das Unschärfeprinzip negiert die gesamte Prämisse direkt. Der Zustand der Teilchen selbst ist ungewiss, daher sind alle physikalischen Gesetze nutzlos. Die Entwicklung der Quantenmechanik hat weitere Fakten ans Licht gebracht, wie etwa die Unbestimmtheit des Zustands selbst, der nicht „entweder schwarz oder weiß ist, sondern wir wissen nicht, ob er schwarz oder weiß ist“. Später entwickelte es sich zu einem Überlagerungszustand (Zufälligkeit der Quantenzustandsmessung) von „sowohl Schwarz als auch Weiß, und nur auf den ersten Blick kann man widerwillig Schwarz oder Weiß zuordnen“, was den wissenschaftlichen Determinismus in eine Sackgasse getrieben hat.

Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik aus rein klassischer Sicht: Der absolute Nullpunkt kann nicht erreicht werden. Auch aus Sicht der Unschärferelation ist dies eine einfache Schlussfolgerung: Der sogenannte absolute Nullpunkt bedeutet, dass die Positionen der Moleküle und Atome, aus denen die Substanz besteht, bestimmt sind und sich nicht mehr bewegen. Dadurch würden Position und Bewegungszustand jedes einzelnen Teilchens gleichzeitig bestimmt, was gegen die Unschärferelation verstößt und daher nicht realisierbar ist.

Der Vorschlag des Unschärfeprinzips hat weitere berühmte Ereignisse ausgelöst, wie etwa die Debatte zwischen Einstein und Bohr auf der Solvay-Konferenz, „Schrödingers Katze“, das EPR-Paradoxon, die Bell-Ungleichung, die Einstein insgeheim unterstützte, und die Tatsache, dass sich die Bell-Ungleichung als ungültig erwies. Der Nobelpreis für Physik 2022 wurde an drei Wissenschaftler verliehen, deren Experimente die Bellsche Ungleichung widerlegten, was ein Ergebnis dieser Reihe ist.

Nobelpreis für Physik 2022 für den Nachweis der Ungültigkeit der Bellschen Ungleichung mithilfe verschränkter Photonen.

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Missverständnisse über Physik-Schlagwörter

Die durch die Quantenmechanik aufgedeckten Grundlagen der materiellen Welt unterscheiden sich so sehr von den Erscheinungsformen der makroskopischen Welt und sind so kontraintuitiv, dass sie Gegenstand verschiedener Zweifel und Missverständnisse waren. Das ist normal. Selbst Einstein und Schrödinger, die Begründer der Quantenmechanik, hatten Zweifel. Was gibt es da für alle zu bezweifeln?

Es gibt jedoch viele Missverständnisse hinsichtlich der Zweifel Einsteins und Schrödingers. Viele Leute denken, dass die beiden gegen die Quantenmechanik sind. Tatsächlich richten sie sich nicht gegen die Quantenmechanik selbst, sondern gegen die Interpretation der Quantenphänomene durch die Kopenhagener Schule . Das heißt, wie man die Sprache der makroskopischen Welt verwendet, um die in der Quantenmechanikforschung beobachteten Phänomene zu erklären.

Genau wie beim oben erwähnten Unschärfeprinzip ist die Akzeptanz des „Unschärfeprinzips“ für alle größer, wenn es erklärt wird. Wenn wir jedoch sagen, dass die Teilchen selbst unsicher sind, müssen wir dies mathematisch ausdrücken, und in der makroskopischen Welt gibt es dafür keine spezifische Analogie.

Ein weiteres Missverständnis besteht darin, dass Quantenmechanik bedeutet „dies ist unsicher, das ist unsicher“, was aber nicht der Fall ist. Obwohl das Unschärfeprinzip die Möglichkeit ausschließt, den Zustand eines Teilchens genau zu messen, können die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Teilchenzustands und sein Entwicklungsprozess mithilfe der Schrödinger-Gleichung präzise bestimmt werden. Partikel können dort sein, wo sie sein sollten, aber sie werden nie dort sein, wo sie nicht sein sollten . Es besteht keinerlei Unklarheit. Es ist nur so, dass Sie beim Beobachten und Messen ein zufälliges Ergebnis entsprechend einer bestimmten Wahrscheinlichkeitsverteilung erhalten.

Gerade weil die Quantenmechanik so kontraintuitiv ist, wurde sie von großen Physikern wie Einstein streng unter die Lupe genommen. Es handelt sich um die am strengsten überprüfte Theorie der Geschichte, doch (bislang) ist sie wirklich fehlerfrei und ihre Vorhersagen wurden durch Experimente nach und nach bestätigt. Mit der Theorie „Dies ist ungewiss, das ist ungewiss“ sind keine Vorhersagen möglich.

Lassen Sie mich Ihnen zwei Beispiele der Quantenmechanik geben, die für unser Leben relevant sind: Das erste ist die Halbleitertheorie . Das Konzept des Halbleiterenergiebandes ist eine Erweiterung der Quantenmechanik. Wenn die Quantenmechanik nicht zutrifft oder keine genauen Vorhersagen ermöglichen kann, dann wäre die Halbleiterphysik nicht möglich und die Mobiltelefone und Computer, die wir zum Lesen dieses Artikels verwenden, würden nicht existieren. Das zweite ist, dass die Sonne scheint . Einsteins Masse-Energie-Gleichung offenbart nur einen Aspekt: ​​Die Temperatur der Sonne ist zu niedrig, weit entfernt von der Temperatur, die für die Kernfusion von Wasserstoff erforderlich ist. Wenn es keinen Tunneleffekt gibt, der durch die Schrödingergleichung aufgedeckt wird, kann die Sonne nicht scheinen; Oder selbst wenn die für die Kernfusion erforderliche Temperatur erreicht wird, wird die Fusionsreaktion wie eine Wasserstoffbombenexplosion ablaufen und der gesamte Stern wird sofort zerstört, statt wie jetzt, wo die Reaktion mit einer extrem niedrigen Reaktionsgeschwindigkeit ablaufen kann und die Produktionskapazität so stabil ist wie Kompost.

Es gibt ein weiteres Missverständnis, dass Quantenmechanik bedeutet: „Dies ist Quanten, das ist Quanten“, alles ist einzeln gegeben, es ist eine diskontinuierliche digitale Welt, und dann stellen sich die Leute vor: „Wir sind alle Programme, die in einem riesigen Betriebssystem leben.“ Tatsächlich wird die scheinbar diskontinuierliche Quantenwelt durch verschiedene kontinuierliche Gleichungen berechnet und erscheint nur aufgrund der Spitzen und Täler der Wahrscheinlichkeitsverteilung diskontinuierlich.

Wenn viele Medien Konzepte der Quantenmechanik erwähnen, verwenden sie gerne schockierende Schlagzeilen wie „Wie furchterregend ist das Doppelspaltexperiment?“, „Steht die intelligente Quantenkommunikation kurz vor der Verwirklichung?“, „Beherrschen Sie die Quantenverschränkung, und Sie können auch teleportieren!“ Wir sollten die Quantenmechanik mit normalem Verstand betrachten. Die mikroskopische Welt ist die materielle Grundlage der gesamten Welt, und der Umfang der Vorhersagen der Quantenmechanik umfasst auch die makroskopische Welt. Wir könnten genauso gut glauben, dass die Welt so sein sollte, wie sie wunderbar funktioniert, und sorgfältig darüber nachdenken:

„Warum ist es so schwierig, Analogien zur makroskopischen Welt zu ziehen, wenn die Mathematik solche natürlichen Berechnungen ermöglicht?“

Autor: Qu Jiong, ein populärwissenschaftlicher Autor, dessen Werke im Nationalmuseum, der National Space Administration usw. veröffentlicht wurden.

Gutachter: Zhang Wenzhuo, CEO von Quantum, ehemaliger assoziierter Forscher des Micius-Teams an der University of Science and Technology of China