Ist das Quantenmessproblem ein Problem?

Das Problem der Quantenmessung ist ein unvermeidliches Thema bei der Entwicklung der Quantenmechanik. Es geht um die Essenz der Quantenmechanik und entsprechende Debatten gibt es bis heute. Unter Physikern gibt es unterschiedliche Meinungen. Der Autor des Textes, ND Mermin, glaubt, dass es in der Quantenmechanik kein Messproblem gibt: Es gibt keinen „realen“ Quantenzustand in einem physikalischen System, und der Zustand hängt von der Wahl und Berechnung des Physikers ab. Natürlich ist die Haltung vieler Physiker gegenüber der Interpretation der Quantenmechanik: „Halt den Mund und rechne!“ Interessanterweise wurde dieses berühmte Zitat, das immer Feynman zugeschrieben wird, tatsächlich zuerst von ND Mermin geschrieben.

Geschrieben von ND Mermin (emeritierter Professor für Physik, Cornell University)

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Die Vorstellung, dass der Kollaps der Wellenfunktion ein physikalischer Prozess sei, beruht auf einem Missverständnis der Wahrscheinlichkeit und ihrer Rolle in der Quantenmechanik.

--Autor

Es gibt drei Arten von Quantenphysikern: (1) diejenigen, die meinen, die Quantenmechanik werde durch das sogenannte Messproblem untergraben; (2) diejenigen, die wie ich meinen, es gäbe kein Messproblem; und (3) diejenigen, die meinen, das Problem sei keiner ernsthaften Betrachtung wert. Die unterschiedlichen Ansichten von 17 Physikern und Philosophen der ersten beiden Kategorien finden Sie in Kapitel 7 von Maximilian Schlosshauers Buch „Eleganz und Rätsel“.

Die meisten Menschen aller drei Kategorien würden dem Folgenden zustimmen: Die Quantenmechanik beschreibt physikalische Systeme vollständig anhand von Quantenzuständen; Zustände sind eine Zusammenfassung der Wahrscheinlichkeiten aller möglichen Antworten auf alle möglichen Fragen im System; die Quantenmechanik ist statistischer Natur; und keine tiefere Theorie kann eine vollständigere Beschreibung liefern.

Der einem System zugewiesene Zustand ändert sich mit der Zeit auf zwei Arten. Wenn an einem System keine Messungen vorgenommen werden[1], dann entwickelt sich sein Zustand im Laufe der Zeit deterministisch: kontinuierlich und nach vorgegebenen Regeln. Wenn dem System eine Frage gestellt wird (was als Durchführen einer Messung bezeichnet wird), ändert sich der Zustand bei der Antwort des Systems diskontinuierlich in einen Zustand, der sowohl vom Zustand vor der Messung als auch von der spezifischen Reaktion des Systems auf die Messung abhängt. Der zweite Prozess wird als Zusammenbruch des Staates bezeichnet. Der Zusammenbruch erfolgt normalerweise plötzlich, diskontinuierlich und zufällig.

Ein physikalisches System und ein anderes physikalisches System, das eine bestimmte Messung durchführt – ein Messgerät – können von der Quantenmechanik als ein einziges zusammengesetztes System behandelt werden. Wenn Sie es nicht messen, liefert die Quantenmechanik eine deterministische zeitliche Entwicklung für den dem System zugewiesenen Zustand. Wenn jedoch stattdessen eine Messung des gesamten zusammengesetzten Systems durchgeführt wird, bestimmt der dem zusammengesetzten System zugewiesene Zustand die Wahrscheinlichkeit, die die möglichen Antworten der den ursprünglichen Systemen zugewiesenen Zustände mit den Zuständen des Messgeräts in Beziehung setzt, die diese möglichen Antworten anzeigen. Diese zugehörigen Wahrscheinlichkeiten sind die Wahrscheinlichkeiten, die die Quantenmechanik für die ursprünglichen Einzelsysteme angibt. Daher macht es hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit keinen Unterschied, ob man die Quantenmechanik nur auf das ursprüngliche System oder auf das kombinierte System aus ursprünglichem System + (Mess-)Gerät anwendet.

Viele Physiker der Kategorie (2) würden hinzufügen, dass die Zuweisung von Quantenzuständen keine anderen Konsequenzen hat als die Generierung aller Wahrscheinlichkeiten. Während viele (vielleicht die meisten) Physiker die Wahrscheinlichkeit als objektives Merkmal der Welt betrachten, sehen die meisten Probabilisten oder Statistiker dies nicht so. Der berühmte Wahrscheinlichkeitstheoretiker Bruno de Finetti sagte 1931: „Das Aufgeben abergläubischer Vorstellungen über Phlogiston, den kosmischen Äther, absoluten Raum und Zeit … oder die Existenz von Feen und Hexen ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum wissenschaftlichen Denken. Dasselbe gilt für die Wahrscheinlichkeit. Wenn sie als etwas Objektives betrachtet wird, ist sie ebenfalls ein irreführender Trugschluss, ein illusorischer Versuch, unseren tatsächlichen Glauben an die Wahrscheinlichkeit zu externalisieren oder zu materialisieren.“

Physiker, die ihre Wahrscheinlichkeitsüberzeugungen materialisieren, müssen auch Quantenzustände materialisieren, die nichts anderes als Kataloge dieser Informationen sind. Doch ein Physiker, der Wahrscheinlichkeiten als persönliche Urteile betrachtet, betrachtet die von ihm zugewiesenen Quantenzustände zwangsläufig als einen Katalog seiner eigenen Urteile. Zu Beginn dieses Jahrhunderts betonten Carlton Caves, Christopher Fuchs und Rüdiger Schack, dass der Quantenzustand eines Systems lediglich die Überzeugungen des jeweiligen Physikers ausdrückt, der dem System den Quantenzustand zuordnet. Dies ist der Schlüssel zur Interpretation der Quantenmechanik.

Das Quantenmessproblem

Das Messproblem ergibt sich aus zwei unterschiedlichen Betrachtungsweisen der Messung: dem System selbst oder dem System + dem Messgerät. Wird das System selbst gemessen, bricht sein Zustand zusammen. Wird das Messgerät jedoch nicht überprüft, dann bricht der Zustand des Verbundsystems + Messgerät nicht zusammen. Welche Beschreibung ist richtig? Welcher ist der wahre Staat?

Die Antwort der Physiker in Kategorie (2) lautet, dass es keine realen Zustände physikalischer Systeme gibt. Was man als physikalisches System auswählt und welchen Zustand man ihm zuweist, unterliegt dem Urteil des jeweiligen Physikers, der die Messungen an dem System durchführt und der die Wahrscheinlichkeiten der Antworten mithilfe der Quantenmechanik berechnet.

Dieses Zusammenspiel zwischen kontinuierlicher und zufälliger zeitlicher Entwicklung ist auch ein Merkmal der üblichen klassischen Wahrscheinlichkeit. Wenn Statistiker den Antworten auf Fragen zu Systemen Wahrscheinlichkeiten zuordnen, ergeben sich die Muster, nach denen sich diese Wahrscheinlichkeiten im Laufe der Zeit ändern, aus der stationären zeitlichen Entwicklung eines isolierten, ungeprüften Systems. Diese Wahrscheinlichkeiten hängen jedoch auch von allen weiteren Informationen ab, die der Statistiker aus anderen Quellen über das System erhält. Die Aktualisierung der Wahrscheinlichkeiten ist der mutationsbedingte und diskontinuierliche Teil des klassischen Prozesses. Niemand hat sich jemals Gedanken über das klassische Messproblem gemacht.

Wenn ein Quantenzustand lediglich einen Katalog der Wahrscheinlichkeiten seines Auftretens enthält, dann spielt jeder Physiker, der die Quantenmechanik anwendet, die Rolle eines Statistikers. Die Aneignung weiterer Informationen durch einen Physiker – sei es durch Ablesen der Anzeige eines Messinstruments, durch Kommunikation mit anderen Physikern oder einfach dadurch, dass er über sein bereits vorhandenes Wissen nachdenkt – kann dazu führen, dass sich diese Wahrscheinlichkeiten plötzlich ändern und dadurch der Quantenzustand, der sie darstellt, aktualisiert wird. Es gibt kein Quantenmessproblem.

Physiker der ersten Kategorie gehen ihre Messprobleme auf unterschiedliche Weise an:

In ihrer ansonsten hervorragenden Arbeit zur Quantenmechanik betonten Landau und Lifshitz, dass die Quantenmechanik nicht als konzeptionelles Werkzeug des Beobachters betrachtet werden sollte. Dies führte sie zu der Behauptung, dass die Messung eine Wechselwirkung zwischen Quanten- und klassischen Objekten sei. Wie man zwischen den beiden Typen unterscheidet – was sie nie erklären – ist ihr (unausgesprochenes) Messproblem.

Andere schließen die Anwesenheit eines Beobachters aus, indem sie eine spezielle Art von physikalischem Rauschen einführen, das nur mit Subsystemen signifikant interagiert, die makroskopisch viele Freiheitsgrade enthalten. Dieses spezielle Geräusch soll einen physikalischen Mechanismus für den objektiven Zusammenbruch des objektiven Zustands bereitstellen. Sie lösten das Messproblem durch die Einführung eines neuen physikalischen Prozesses.

Wieder andere beseitigen das individuelle Urteil jedes Physikers, indem sie den Kollaps gänzlich ausschließen. Sie verwenden Quantenzustände, um ein unglaublich großes, sich kontinuierlich verzweigendes Universum zu beschreiben (die Viele-Welten-Interpretation[2]), das alle möglichen Ergebnisse aller möglichen Messungen enthält.

Diese Lösungen gehen alle davon aus, dass Quantenzustände objektive Eigenschaften der physikalischen Systeme sind, die sie beschreiben, und nicht ein Katalog persönlicher Urteile, die jeder einzelne Anwender der Quantenmechanik über diese physikalischen Systeme fällt.

Setzen Sie Wissenschaftler „in die Berge“[3]

Warum müssen wir wissenschaftliche Gesetze objektiv verstehen? Wissenschaft ist eine menschliche Tätigkeit, deren Gesetze in menschlicher Sprache ausgedrückt werden. Als Empiriker glauben die meisten Wissenschaftler, dass ihr Verständnis der Welt auf ihrer persönlichen Erfahrung beruht. Warum darauf bestehen, dass meine Erklärungen der Wissenschaft – die Dinge, die ich verwende, um die Welt zu verstehen, die ich erlebe (?) – sich niemals auf mich selbst beziehen sollten? Die Existenz des „Quantenmessproblems“, für das es entweder keine Lösung oder viele inkompatible Lösungen gibt, ist ein starker Beweis dafür, dass die Erfahrung von Wissenschaftlern beim Verständnis der Quantentheorie eine wichtige Rolle spielt, ebenso wie die Erfahrung von Statistikern beim Verständnis der üblichen Wahrscheinlichkeitstheorie eine wichtige Rolle spielt.

Viele Physiker haben diese Idee abgelehnt und argumentieren, dass Quantenzustände im frühen Universum kollabiert seien, lange bevor es Physiker gab. Ich frage mich, ob sie auch glaubten, dass Wahrscheinlichkeiten im frühen Universum aktualisiert wurden, lange bevor es Statistiker gab.

Niels Bohr hat das Problem der Quantenmessung nie erwähnt. Ich schließe mit einer Aussage von ihm, die den oben genannten Punkt prägnant zum Ausdruck bringt, nämlich dass es kein solches Problem gibt, solange das „Wir“, das zweimal vorkommt, nicht als Kollektiv von uns allen verstanden wird, sondern als jeder von uns individuell: „Das Ziel unserer Beschreibung der Natur besteht nicht darin, die wahre Natur der Phänomene aufzudecken, sondern, soweit möglich, die Beziehungen zwischen den verschiedenen Aspekten unserer Erfahrung nachzuzeichnen.“ Diese Mehrdeutigkeit der nicht identifizierten ersten Person Plural ist meiner Meinung nach der Grund für viele Missverständnisse, die noch immer die Interpretation der Quantenmechanik beeinträchtigen.

Weitere Hinweise

1. M. Schlosshauer, Hrsg., Eleganz und Rätsel: Die Quanteninterviews, Springer, 2011, Kap. 7.

2. B. De Finetti, Wahrscheinlichkeitstheorie, Interscience, 1990, Vorwort. (Übersetzung von Probabilismo, Logos 14 (Napoli) 163-219 (1931).)

3. CA Fuchs und R. Schack, Quantum-Bayesian Coherence, Reviews of Modern Physics 85, 1693 (2013).

4. ND Mermin, Die Quantenmechanik besser verstehen, Reports on Progress in Physics, 82, 012002 (2019).

5. N. Bohr, Atomtheorie und Beschreibung der Natur, Cambridge U. Press, 1934, S. 111. 18.

Hinweise

[1] Der Originaltext lautet: „Wenn keine Frage zu einem System gestellt wird.“

[2] Viele-Welten-Interpretation.

[3] Der Originaltext lautet: Bewahren Sie den Wissenschaftler in der Wissenschaft.

Dieser Artikel wurde mit Genehmigung des Autors ND Mermin übersetzt und in Fanpu veröffentlicht. Es wurde aus arXiv:2206.10741 übersetzt und der ursprüngliche Titel lautete „Eine Anmerkung zum Quantenmessproblem“. Der ursprüngliche Autor veröffentlichte es in Physics Today 75, 6, 62 (2022) unter dem Titel „There is no quantum measurement problem“.
https://doi.org/10.1063/PT.3.5027.

Produziert von: Science Popularization China-Starry Sky Project

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