Quantenobjekte und Feld - Fragen und Diskussion

[Agent Scullie]

Danke für diese Erkärung, nun wird es für mich klarer. Aber wird hier nicht mathematischer Formalismus mit physikalischen Realismus vermischt? Sowas deutete jedenfalls Prof. Lesch in verlinken 5min-Video an Mature Content

das ist schön für ihn, dass er das so deutet, das heißt aber nicht dass er damit recht hätte. Man kann wie er der Ansicht sein, dass die Wellenfunktion eines Elektrons nur gedacht sei und nicht wirklich existiere. Man kann aber eben auch anderer Ansicht sein. Das ist ja gerade der Grund, dass es überhaupt unterschiedliche Deutungen der Quantenmechanik gibt. Die von Lesch dargestellte Deutung entspricht in etwa der sog. minimalen statistischen Interpretation. Der Nachteil dieser Deutung ist aber, dass sie nur aussagt, was es nicht gibt (nämlich eine real existierende Wellenfunktion), nicht aber, was es denn dann stattdessen gibt. Sozusagen eine Art quantenmechanischer Agnostizismus.

Was löst diesen Kollaps aus? Die Wechselwirkung?

die Wechselwirkung mit einem "makroskopischen" Objekt. Was genau ein "makroskopisches" Objekt ist, wissen die Kopenhagener allerdings selbst nicht so genau.

[QUOTE=Halman;2607550]Deinen Satz: Nach der Vieleweltendeutung überträgt sich bei Wechselwirkung mit der Umgebung die Unbestimmtheit einfach auf die Umgebung.nach der Vieleweltendeutung passiert das bei der Dekohärenz immer, nach der Kopenhagener Deutung nur solange bis ein Kollaps eintritt.

Deinen Satz: Nach der Kopenhagener Deutung wäre schon die Katze "makroskopisch" genug gewesen, um die Wellenfunktion zum Kollaps zu bringen.
Also führt die Wechselwirkung zum Kollaps, richtig?

die Wechselwirkung mit einem "makroskopischen" Objekt wie der Katze, ja.

Was mich hier verwirrte, ist der Umstand, dass ich die Dekohärenz als selbige Wecheslwirkung verstand.

geht man nach der Kopenhagener Deutung, hast du einmal die Wechselwirkung mit der Umgebung, und einmal die Wechselwirkung mit einem "makroskopischen" Objekt, die einen Kollaps auslöst. Solange die Umgebung nicht "makroskopisch" genug ist, gibt es nur Dekohärenz, aber keinen Kollaps.

Sondern zur Wechselwirkung mit der Umgebung

nein, umgekehrt, die Wechselwirkung mit der Umgebung führt zur Dekohärenz.

und diese Wechselwirkung führt dann nach der kopenhagener Deutung zum Kollaps, richtig?

nein, die Wechselwirkung, die zur Dekohärenz führt, ist eine Wechselwirkung mit einer Umgebung, die nicht "makroskopisch" genug ist, um einen Kollaps herbeizuführen. Wenn sie "makroskopisch" genug ist, führt sie zum Kollaps, nicht zur Dekohärenz.

Hm - also ist die Dekohärenz eine Wechselwirkung, die zur Übertragung der Superposition auf die benachtbarte Umgebung führt

nein, die Dekohärenz ist kein Wechselwirkung, sondern wird durh eine Wechselwirkung ausgelöst.

und der Kollaps resultiert dann aus dieser daraus resultierenden Wechselwirkung.

nein, der Kollaps resultiert aus einer Wechselwirkung mit einem "makroskopischen" Objekt. Wenn die Umgebung, mit der das System wechselwirkt, "makroskopisch" genug ist, führt sie statt zur Dekohärenz zum Kollaps.

Sind es hier also zwei WW?

ja, einmal die, die zur Dekohärenz führt, und die, die zum Kollaps führt. Wobei das auch dieselbe sein kann, wenn die Umgebung "makroskopisch" genug ist.

[Halman]

Die von Lesch dargestellte Deutung entspricht in etwa der sog. minimalen statistischen Interpretation. Der Nachteil dieser Deutung ist aber, dass sie nur aussagt, was es nicht gibt (nämlich eine real existierende Wellenfunktion), nicht aber, was es denn dann stattdessen gibt. Sozusagen eine Art quantenmechanischer Agnostizismus.

Das erscheint mit recht konservativ und unbefriedigend.

die Wechselwirkung mit einem "makroskopischen" Objekt. Was genau ein "makroskopisches" Objekt ist, wissen die Kopenhagener allerdings selbst nicht so genau.

Eine Katze.

geht man nach der Kopenhagener Deutung, hast du einmal die Wechselwirkung mit der Umgebung, und einmal die Wechselwirkung mit einem "makroskopischen" Objekt, die einen Kollaps auslöst. Solange die Umgebung nicht "makroskopisch" genug ist, gibt es nur Dekohärenz, aber keinen Kollaps.

Also zwei WW:

1. WW führt zur Dekohärenz
2. WW führt zum Kollaps der Wellenfunktion

nein, umgekehrt, die Wechselwirkung mit der Umgebung führt zur Dekohärenz.

nein, die Wechselwirkung, die zur Dekohärenz führt, ist eine Wechselwirkung mit einer Umgebung, die nicht "makroskopisch" genug ist, um einen Kollaps herbeizuführen. Wenn sie "makroskopisch" genug ist, führt sie zum Kollaps, nicht zur Dekohärenz.

nein, die Dekohärenz ist kein Wechselwirkung, sondern wird durh eine Wechselwirkung ausgelöst.

Hm - also ist die Dekohärenz das Resultat der Übertragung der Wellenfunktion des Quantenobjektes auf die Umgebung. Kollabiert die Wellenfunktion, endet damit die Dekohärenz, gibt es keinen Kollaps, haben wir sehr viele Welten (außer in Kopenhagen natürlich ).

nein, der Kollaps resultiert aus einer Wechselwirkung mit einem "makroskopischen" Objekt. Wenn die Umgebung, mit der das System wechselwirkt, "makroskopisch" genug ist, führt sie statt zur Dekohärenz zum Kollaps.

Also führt die Übertragung der Superpostion eines Quantenobjektes in Falle der WW mit der makrokosmischen Umgebung zum Kollaps der Wellenfunktion, womit alles in der makrokosmischen Welt klassisch positioniert bleibt, indem sie auch dem Quantenobjekt eine eindeutige Positionierung aufzwingt?

ja, einmal die, die zur Dekohärenz führt, und die, die zum Kollaps führt. Wobei das auch dieselbe sein kann, wenn die Umgebung "makroskopisch" genug ist.

Mir fehlen nur die "schröderischen Katzengene", um dies zu verstehen. Also doch nur EINE WW nach der kopenhagener Deutung? Kommt darin überhaupt die Dekohärenz vor?

[Agent Scullie]

In der Kopenhagener Deutung gibt es zwei Möglichkeiten:

1. das Quantensystem wechselwirkt mit einer Umgebung, die nicht makroskopisch genug ist, um einen Kollaps auszulösen. Dann überträgt sich die Superposition auf das Gesamtsystem aus System und Umgebung, d.h. es tritt Dekoränz auf. Ggf. kann dieses Gesamtsystem dann mit einer noch größeren Umgebung wechselwirken, die diesmal makroskopisch genug ist, um einen Kollaps auszulösen, dann tritt ein Kollaps ein.
2. Das Quantensystem wechselwirkt direkt mit einer Umgebung, die makroskopisch genug ist, um einen Kollaps herbeizuführen. Dann kommt es direkt zum Kollaps, ohne Dekohärenz als Zwischenstufe.

Im ersten Fall sind zwei WWn beteiligt, im zweiten Fall nur eine.

[Halman]

Danke für die sehr gute Erklärung, Agent Scullie.

[Mondkalb]

In der aktuellen Ausgabe von "Spektrum der Wissenschaft" ist ein Artikel, in dem spekuliert wird, ob es überhaupt einen Grenze beim Eindringen von Quanteneffekten in die makroskopische Welt gibt, weil man Quanteneffekte zunehmend in immer größeren Systemen beobachtet, was man früher so wohl nicht für möglich gehalten hätte. Daraus ergeben sich auch Konsequenzen für die Konzepte von Raum und Zeit und Gravitation. Vielleicht gehen Raum, Zeit und Gravitation aus Quantenfluktuationen hervor ...

[Nimmermaer]

Also die Viele-Welten-Theorie ist für mich äusserst unbefriedigend und auch irrelevant, da diese Welten mit unserer ja in keinster Weise agieren würden. Wegen jedem kleinen Quantenereignis gleich ein neues Universum aufzumachen wäre auch äusserst unökonomisch von der sonst so sparsamen Natur. Blos weil mal ein quantenmechanischer Würfel fällt, muss man ja nicht unzufrieden sein, dass nicht alle Zahlen gleichzeitig rausgekommen sind.

Die Dekohärenz beschreibt, warum es in unserer makroskopischen Welt keine kohärenten Zustände vorkommen, wie sie ja in der QM typisch sind. Viele Wechselwirkungen verringern die Wahrscheinlichkeit der Kohärenz.

Ich vergleiche das immer mit dem Zeitpfeil, der in makroskopischen Systemen auftritt. So wird z.B. ein Objekt, das sich durch Luft bewegt, abgebremst, obwohl durchaus auch vorstellbar wäre, dass die Luft das Auto beschleunigt. Das ist nur beliebig unwahrscheinlich. Die Zeitsymmetrie, die beim Zusammenstoß zweier Teilchen ja noch erhalten ist, geht also durch pure Numerik verloren. Ähnlich verhält es sich übrigens mit Gas, das in einer Hälfte eines Behälters eingesperrt war, und sich dann über den gesamten Behälter ausbreitet. (Nach dem Poincareschen Wiederkehrsatz kehrt das Gas übrigens wieder in diese Behälterhälfte zurück, das dauert nur sehr, sehr lange).

(Man muss also keine Angst haben, dass der Zeitpfeil sich umdreht, wenn das Universum doch einen Gravitationskollaps erleiden sollte. Hawking hat das mal irrtümlich in einem seiner Bücher angedacht (mir ist das schon damals in der Schule, als ich das Buch gelesen habe, widersinnig vorgekommen). Aber auch Stephen Hawking ist nur ein Mensch, der sich mal irrt.)

Vom Kollaps wird übrigens meines Wissens nach in der ursprünglichen Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik von Heissenberg gar nicht explizit gesprochen, auch wenn das immer wieder behauptet wird. Meiner Meinung nach ist so ein bestimmtes Ereignis nicht nötig, ich gehe da konform mit der "Consistent Histories"-Deutung der Quantenmechanik. Wer dazu etwas wissen will, sollte sich "Quantum Philosophy" von Roland Omnes besorgen. Das ist das einzige Buch für Laien dazu, das ich kenne. Alles andere sind Fachartikel.

[Agent Scullie]

Also die Viele-Welten-Theorie ist für mich äusserst unbefriedigend und auch irrelevant, da diese Welten mit unserer ja in keinster Weise agieren würden. Wegen jedem kleinen Quantenereignis gleich ein neues Universum aufzumachen wäre auch äusserst unökonomisch

nicht wirklich. Man muss bedenken, dass dieses "ein neues Universum aufmachen" einfach nur eine Umschreibung dafür ist, dass sich der superponierte Zustand eines Systems, an den man eine Messung durchführt, auf das Gesamtsystem aus System+Beobachter überträgt. Daran ist eigentlich nichts unökonomischer als daran, dass jedes Quantensystem einen Quantenzustand bzw. eine Wellenfunktion hat.

Blos weil mal ein quantenmechanischer Würfel fällt, muss man ja nicht unzufrieden sein, dass nicht alle Zahlen gleichzeitig rausgekommen sind.

die Unzufriedenheit, die zu den verschiedenen Deutungen der QM, einschließlich der Vieleweltendeutung, führte, rührte daher, dass man immer nur eine lebende oder eine tote Katze beobachtet, niemals aber eine Superposition aus einer lebenden und einer toten Katze.

Die Dekohärenz beschreibt, warum es in unserer makroskopischen Welt keine kohärenten Zustände vorkommen, wie sie ja in der QM typisch sind.

dummerweise ist aber die Dekohärenz genauso "unökonomisch" wie die Vieleweltendeutung, da sie auch nur darin besteht, dass sich der superponierte Zustand eines Systems auf dessen Umgebung ausdehnt.

Vom Kollaps wird übrigens meines Wissens nach in der ursprünglichen Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik von Heissenberg gar nicht explizit gesprochen, auch wenn das immer wieder behauptet wird. Meiner Meinung nach ist so ein bestimmtes Ereignis nicht nötig, ich gehe da konform mit der "Consistent Histories"-Deutung der Quantenmechanik. Wer dazu etwas wissen will, sollte sich "Quantum Philosophy" von Roland Omnes besorgen.

erzähl doch mal ein bisschen davon. Wenn du damit konform gehst, solltest du ja über einen gewisses Wissen darüber verfügen.

[Nimmermaer]

nicht wirklich. Man muss bedenken, dass dieses "ein neues Universum aufmachen" einfach nur eine Umschreibung dafür ist, dass sich der superponierte Zustand eines Systems, an den man eine Messung durchführt, auf das Gesamtsystem aus System+Beobachter überträgt. Daran ist eigentlich nichts unökonomischer als daran, dass jedes Quantensystem einen Quantenzustand bzw. eine Wellenfunktion hat..

dazu später

erzähl doch mal ein bisschen davon. Wenn du damit konform gehst, solltest du ja über einen gewisses Wissen darüber verfügen.

dazu muss ich mir ein bisschen Zeit nehmen, mal sehen wann ich am Wochenende dazu komme. Bis dahin reserviere ich mir mal diesen Post.

[Halman]

Was sind eigentlich W- und Z-Bosonen

Vor kurzem habe ich gelesen, dass die virtuellen Vermittlerteilchen der Schwachen Wechselwirkung viele Male mehr Masse besitzen, als Protonen. Dies hatte mich sehr überrascht. Wie kann es sein, dass virtuelle Teilchen derartig viel Masse haben?

Von den vier fundmentalen Wechelwirkungen weiß ich über die Schwache WW am allerwenigsten. Das einzige, was ich weiß ist, dass sie für den radioaktiven Zerfall verantwortlich ist. Aber was unterscheidet W- von Z-Bosonen? Die Ladung?
Für mich sind das sehr geheimnissvolle Teilchen.

Was ich herausgefunden habe, ist, dass W-Bosonen offenbar für den Betazerfall verantwortlich sind. Dabei tritt eine WW auf, in der sich ein Down-Quark des Protons in ein Up-Quark umwandelt und dabei ein W-Boson ausgesandt wird. Dann zerfällt das W-Boson in ein Elektron und ein Antineutrino (wo bleibt denn hier die immense Masse?), wobei - wie ich von Dannyboy gelernt habe, die Leptonenzahl erhalten bleibt (vor dem Zerfall des W-Bosons war die Leptonenzahl 0 und nach dem Zerfall ebenfalls, da sich die Leptonenzahl des Teilchens und Antiteilchens aufheben).

In der Grafik wird der Betazerfall in einem anschaulichen Feynman-Diagramm dargestellt. Die drei Pfeile, die von links nach rechts verlaufen, stellen die drei Quarks (Up, Down, Up) dar, aus denen sich das Proton zusammensetz. Der "Knick" repräsentiert die WW, in der sich ein Down-Quark in ein Up-Quark verwandelt. Die Wellenlinie ist das W-Boson, die beiden Pfeile, die davon ausgehen, sind die Leptonen (Elektron und Antineutrino).

Wobei ich mich wundere, warum das Antineutrino die gleiche Pfeilrichtung hat, wie das Elektron. Sollte es nicht entgegengesetz verlaufen?

[Amelissan]

@Feynman-Graph:

Ja, das e+ - Pfeilchen hat die falsche Richtung. Ein aus einem Feynmangraphen in positiver Zeitrichtung herausfliegendes Antiteilchen sieht immer wie ein in negativer Zeitrichtung hereinfliegendes Teilchen aus.

Bei dir fliegen im Übrigen auch ein Positron und ein Elektronneutrino (kein Antineutrino) aus dem Graphen, womit du auch einen beta-plus-Zerfall gemalt hast. In deinem Text beschrieben hast du jedoch den beta-minus-Zerfall. Daher vllcht auch die Verwirrung.

Und zu der Frage wo die große Masse des W+ - Bosons hingeht: Die Antwort darauf ist, wo sie denn herkommt. Soweit ich mich entsinne, sind die Quarks sowieso auch vieeel zu leicht für das W+ - Boson. Aber da das W+ - Boson sich als virtuelles einfach Energie "leihen" und zurückgeben kann bevor der Feynmangraph endet, ist das alles kein Problem.

Wie und Warum jetzt aber W und Z-Bosonen genau existieren mit ihren jeweiligen Massen, kann ich dir nicht sagen. Da fehlt mir noch die Quantenfeldtheorie.

[Halman]

@Feynman-Graph:

Ja, das e+ - Pfeilchen hat die falsche Richtung. Ein aus einem Feynmangraphen in positiver Zeitrichtung herausfliegendes Antiteilchen sieht immer wie ein in negativer Zeitrichtung hereinfliegendes Teilchen aus.

Danke für die Bestätigung.

Bei dir fliegen im Übrigen auch ein Positron und ein Elektronneutrino (kein Antineutrino) aus dem Graphen, womit du auch einen beta-plus-Zerfall gemalt hast. In deinem Text beschrieben hast du jedoch den beta-minus-Zerfall. Daher vllcht auch die Verwirrung.

Oh, da habe ich nicht aufgepasst. Ich wusste gar nicht, dass es zwei Formen vom Beta-Zerfall gibts (wie gesagt, die Schwache WW ist ein Schwachpunkt von mir).

Im Link werden beide einander gegenübergestellt International Physics Masterclasses

Und zu der Frage wo die große Masse des W+ - Bosons hingeht: Die Antwort darauf ist, wo sie denn herkommt. Soweit ich mich entsinne, sind die Quarks sowieso auch vieeel zu leicht für das W+ - Boson. Aber da das W+ - Boson sich als virtuelles einfach Energie "leihen" und zurückgeben kann bevor der Feynmangraph endet, ist das alles kein Problem.

Woher leiht es sich denn die Energie? Vom Higgs-Feld?

Wie und Warum jetzt aber W und Z-Bosonen genau existieren mit ihren jeweiligen Massen, kann ich dir nicht sagen. Da fehlt mir noch die Quantenfeldtheorie.

Offengestanden habe ich noch große Schwierigkeiten mit der Quantenmechanik, geschweige denn mit der QFT.
Das es virtuelle Teilchen sind, nehme ich an, dass auch ihre Masse virtuell sein müssen.

[Dannyboy]

Woher leiht es sich denn die Energie? Vom Higgs-Feld?

Aus dem zugehörigen Quantenfeld. Das ist nicht das Higgs-Feld.

Im Grunde ist die große Masse damit begründet, das die Wechselwirkung nur eine sehr kleine Reichweite hat und damit das Austauschteilchen nur eine sehr kurze Existenzdauer haben kann.

[Amelissan]

Aus dem zugehörigen Quantenfeld. Das ist nicht das Higgs-Feld.

Im Grunde ist die große Masse damit begründet, das die Wechselwirkung nur eine sehr kleine Reichweite hat und damit das Austauschteilchen nur eine sehr kurze Existenzdauer haben kann.

Die kleine Reichweite ist dann doch aber eher eine experimentell ermittelte Größe... Oder kann man sich die in der QFT auch irgendwo rausziehen?

[Dannyboy]

Die kleine Reichweite ist dann doch aber eher eine experimentell ermittelte Größe... Oder kann man sich die in der QFT auch irgendwo rausziehen?

Natürlich ist die kleine Reichweite experimentell ermittelt. Die Theorie wurde ja entwickelt, um dies zu erklären.

[Agent Scullie]

Vor kurzem habe ich gelesen, dass die virtuellen Vermittlerteilchen der Schwachen Wechselwirkung viele Male mehr Masse besitzen, als Protonen. Dies hatte mich sehr überrascht. Wie kann es sein, dass virtuelle Teilchen derartig viel Masse haben?

warum sollten sie nicht derart viel Masse haben können? Wie viel Masse ein Teilchen hat, ist in der QFT eine Eigenschaft des zugrundeliegenden Feldes. Beim W- und Z-Feld ist es eben eine sehr große Masse.

Was ich herausgefunden habe, ist, dass W-Bosonen offenbar für den Betazerfall verantwortlich sind. Dabei tritt eine WW auf, in der sich ein Down-Quark des Protons in ein Up-Quark umwandelt und dabei ein W-Boson ausgesandt wird. Dann zerfällt das W-Boson in ein Elektron und ein Antineutrino (wo bleibt denn hier die immense Masse?),

die "bleibt" nirgendwo, da sie gar nicht erst vorhanden ist. Man darf sich den Austausch eines virtuellen Teilchens nicht bildlich so vorstellen, dass da tatsächlich ein Teilchen von A nach B fliegt. Vielmehr symbolisiert der Austausch des virtuellen Teilchens - die innere Linie in einem Feynman-Diagramm - eine Beteiligung des zugrundeliegenden Feldes am jeweiligen Prozess. Die verwirrende Sprechweise, dass da ein Teilchen ausgetauscht wird, geht auf die Besonderheiten zurück, die sich aus der Störungsrechnung ergeben.

Dementsprechend entsteht auch nicht beim Beta-Zerfall ein W-Boson, das dann zerfällt, sondern es ist einfach das zugehörige Feld am Ablauf des Beta-Zerfalls beteiligt. Zuweilen umschreibt man das auch so, dass virtuelle Teilchen die relativistische Energie-Impuls-Beziehung

E^2 - p^2 = m^2

nicht erfüllen müssen. Deswegen darf ein virtuelles W-Boson eine Masse von 80 GeV haben, obwohl die beteiligten Energien und Impulse viel kleiner sind.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Agent Scullie schrieb nach 8 Minuten:

Und zu der Frage wo die große Masse des W+ - Bosons hingeht: Die Antwort darauf ist, wo sie denn herkommt. Soweit ich mich entsinne, sind die Quarks sowieso auch vieeel zu leicht für das W+ - Boson. Aber da das W+ - Boson sich als virtuelles einfach Energie "leihen" und zurückgeben kann bevor der Feynmangraph endet, ist das alles kein Problem.

Woher leiht es sich denn die Energie? Vom Higgs-Feld?

Aus dem zugehörigen Quantenfeld. Das ist nicht das Higgs-Feld.

die Geschichte mit dem "Leihen" von Energie stammt aus der populärwissenschaftlichen Literatur. Demnach soll die Unschärfebeziehung zwischen Energie und Zeit erlauben, dass für kurze Zeit Energie aus dem Nichts entstünde und wieder verschwände. Im Falle eines W-Bosons würde dann eine Energie von 80 GeV entstehen, die alsbald wieder verschwinden müsste, wozu das W-Boson zerfallen müsste. "Geliehen" wird die benötigte Energie nach dieser Darstellung also weder aus dem Higgs-Feld noch aus dem zugehörigen Quantenfeld, sondern einfach aus dem Nichts. Allerdings ist das nur eine popularisierte Darstellung, die man nicht weiter ernstnehmen sollte. In der tatsächlichen QFT gibt es kein solches Leihen von Energie. Insbesondere sagt die Energie-Zeit-Unschärfebeziehung auch nicht aus, dass Energie für kurze Zeit aus dem Nichts entstehen dürfe.