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Alt 06.02.2013, 22:40   #1
Anubis2707
Jungspund
 
Registriert seit: 31.01.2013
Beiträge: 29
Standard Das "Delayed Choice Quantum Eraser" Experiment

Eine interessante Variante des Doppelspaltexperiments.
Das Experiment wird auch auf Wikipedia vorgestellt: Link

Hier der Versuchsaufbau graphisch dargestellt:



Und hier der Versuchsaufbau auf Deutsch erklärt. Der Text stammt von der Seite "Matrixwissen.de"
Ich hoffe, dass ich jetzt nicht gegen Urheberrechte oder Forenregeln verstoße.

Zitat:
Hinter dem Doppelspalt befindet sich ein Beta-Bariumborat Kristall, der die Eigenschaft hat, aus einem einzelnen Photon, das auf ihn trifft, zwei miteinander verschränkte identische Photonen mit der halben Frequenz des Urspungsphotons zu erzeugen. Warum man das Photon in zwei identische miteinander verschränkte Photonen aufspalten muss, wird in kürze klar werden. Die gelbe Linse hat die Aufgabe, Photonen, die durch den oberen Spalt geflogen sind und sich somit auf dem roten Pfad befinden und Photonen, die durch den unteren Spalt geflogen sind und sich somit auf dem türkisen Pfad befinden, so abzulenken, dass sie beide auf den Sensor D0 hier oben treffen. Ziel dieser Anordnung ist es, am Sensor D0 messen zu können, ob sich ein einzelner Streifen oder ein Interferenzmuster ergibt, ohne unterscheiden zu können durch welchen der beiden Spalte die Photonen geflogen sind, die das Muster bilden. Informationen über beide Spalte sollen gezielt nicht erfasst werden, indem nur ein Sensor verwendet wird, der beide Signale erfasst, ohne sie unterscheiden zu können.

Betrachten wir also zunächst den roten Pfad. Ein Photon fliegt durch den rot markierten Spalt und es wird am Beta-Barium-Borat-Kristall aufgespalten. Ein Teil fliegt Richtung gelber Linse, der andere Teil wird über ein Prisma nach unten abgelenkt, trifft auf ein weiteres Prisma und schließlich auf einen grünen halbdurchlässigen Spiegel. Alle drei dieser grünen Spiegel haben die Eigenschaft, dass sie Licht, das auf sie trifft, in 50% aller Fälle einfach komplett durchlassen und in 50% der Fälle wird das Licht am Spiegel komplett reflektiert und umgelenkt. Die Auswahl des Pfads an diesen Spiegeln ist also ein 50/50 Zufallsprozess. Durchschnittlich wird also jedes zweite Photon nach oben abgelenkt und trifft auf Sensor D4. Im anderen Fall, fliegt das Photon direkt durch den Spiegel, wird an diesem grauen normalen Spiegel komplett reflektiert und trifft auf einen zweiten grünen Spiegel.

Die Darstellung dieses zweiten grünen Spiegels in der vorliegenden Grafik leider nicht ganz korrekt man muss sich den Spiegel leicht gedreht vorstellen, damit der Reflektionswinkel stimmmt. Im ersten Fall wird das Photon nicht abgelenkt, fliegt direkt durch den Spiegel und trifft auf Sensor D1. Im zweiten Fall wird es reflektiert und trifft auf Sensor D2.

Betrachten wir nun kurz den türkisen Pfad von Photonen die durch den unteren Spalt geflogen sind. Auch sie werden aufgespalten und durch die Prismen abgelenkt. Am ersten grünen Spiegel wird wieder jedes zweite Photon reflektiert und trifft deshalb auf Sensor D3. Im zweiten Fall fliegt das Photon einfach durch den grünen Spiegel, wird am grauen Spiegel reflektiert und trifft auf den zweiten grünen Spiegel, den Sie sich wieder leicht gedreht vorstellen müssen. 50% der Photonen fliegen gerade durch den Spiegel und treffen auf Sensor D2, die anderen 50% werden am Spiegel reflektiert und treffen auf Sensor D1.

Photonen, die durch den oberen Spalt geflogen sind und sich somit auf dem roten Pfad befinden, können nur die Sensoren D1, D2 und D4 erreichen können, allerdings nicht Sensor D3. Auf welchen der drei möglichen Sensoren ein Photon trifft, hängt von den Zufallsprozessen an den grünen Spiegeln ab, aber bei einem dieser drei Sensoren muss das Photon zwangsläufig landen. Analog gilt für den türkisen Pfad, dass Photonen, die durch den unteren Spalt geflogen sind, nur in den Sensoren D1, D2 oder D3 landen können, niemals jedoch im Sensor D4. Dadurch sollte klar sein, dass ein vom Sensor D4 erfasstes Photon, zwangsläufig durch den oberen Spalt geflogen sein muss, weil es für Photonen, die durch den unteren Spalt geflogen sind, keine Möglichkeit Sensor D4 zu erreichen. Analog gilt deshalb für Photonen, die vom Sensor D3 erfasst werden, dass diese Photonen zwangsläufig durch den unteren Spalt geflogen sein müssen. Für Photonen, die in den Sensoren D1 und D2 landen, lässt sich nicht feststellen, durch welchen der beiden Spalte sie ursprünglich geflogen sind, denn zu diesen beiden Sensoren führt sowohl ein roter als auch ein türkiser Pfad.

Nun haben Sie den Aufbau des Experiments fast verstanden. Ein wesentlicher Aspekt fehlt jedoch noch, nämlich die Funktion von Sensor D0 am oberen Rand und der Grund warum man das Photon mittels des Beta-Barium-Borat Kristalls in zwei identische Teile aufspalten muss.

Die Sensoren D1 bis D4 sind identische Sensoren, sie können messen, ob ein Photon auf den Sensor getroffen ist, dabei zeichnen sie jedoch kein Bild auf sondern liefern nur die Information, dass ein Photon gemessen wurde. Sensor D0 hingegen funktioniert ähnlich wie eine Kamera, er zeichnet also die genaue Position auf, wo das Photon auf den Schirm getroffen ist.

Der letzte Aspekt, den Sie noch verstehen müssen, bevor es zu den Ergebnissen des Experiments geht, besteht in den Laufzeiten der einzelnen Pfade : Licht bewegt sich bekanntlich mit Lichtgeschwindigkeit, deshalb gilt, dass umso kürzer der Pfad, umso schneller erreicht das Photon den Sensor. Die Pfadlängen in diesem Experiment sind so ausgelegt, dass das nach oben Richtung gelber Linse abgelenkte Photon stehts zu erst auf Sensor D0 trifft, bevor das Partnerteilchen überhaupt auf den ersten grünen Spiegel geschweige denn die Sensoren D1 bis D4 treffen kann. Somit erfolgt das Ergebnis der Messung beim Sensor D0 immer zuerst und dann mit leichter Verzögerung erreicht das Partnerphoton einen der Sensoren D1 bis D4.

Der Coincidence Counter am rechten Rand übernimmt die Auswertung der Ergebnisse der Messdaten. Er stellt quasi die Verbindung zwischen dem Ergebnis von Sensor D0 mit den Ergebnissen der anderen 4 Sensoren her. Er kann somit jeden einzelnen Lichtpunkt, der von einem Photon auf dem Sensor D0 erzeugt wurde, zu einem der vier Sensoren D1 bis D4 zuordnen bei dem das zugehörige Partnerphoton gelandet ist. Somit wird es möglich, die Daten von Sensor D0 in 4 Einzelbilder aufzuspalten, die jeweils einem der Sensoren D1 bis D4 zugeordnet werden können.

Das folgende Bild zeigt die Rohdaten von Sensor D0 links oben. Diese Rohdaten weisen nur ein breites helles Band in der Mitte des Schirms auf und liefern in diesem Rohzustand keine verwertbaren Aussagen über das Experiment. Erst wenn man jedes einzelne Photon, das von Sensor D0 gemessen wurde, dem jeweiligen Sensor D1 bis D4 zuordnet, wo das Partnerphoton gemessen wurde, wird plötzlich ein Muster sichtbar :



Wenn man sich die aufgespaltenen Sensordaten in der rechten Spalte anschaut, fällt auf, dass die den Sensoren D1 bzw. D2 zugeordneten Messdaten ein Interferenzmuster aufweisen, während die den Sensoren D3 bzw. D4 zugeordneten Messdaten kein Interferenzmuster aufweisen.

Für Photonen, welche auf die Sensoren D1 oder D2 getroffen sind, ist es unmöglich festzustellen, durch welchen Spalt sie geflogen sind, denn diese Information wurde durch die Zufallsprozesse an den grünen Spiegeln quasi "gelöscht". Das verschränkte Partnerphoton erzeugt in diesen Fällen stets ein Interferenzmuster, genauso wie beim einfachen Doppelspaltexperiment ohne Photonensensoren am Doppelspalt.

Für Photonen, welche auf die Sensoren D3 oder D4 getroffen sind, ist klar identifizierbar durch welchen Spalt sie geflogen sein müssen. Das verschränkte Partnerphoton erzeugt in diesem Fall kein Interferenzmuster, genauso wie beim einfachen Doppelspaltexperiment mit Photonensensoren am Doppelspalt.

Warum sollte uns dies jedoch zu Denken geben ?

Das Problem mit diesem Ergebnis ist, dass das verschränkte Photon, das nach oben Richtung gelber Linse abgelenkt wird, auf den Sensor D0 trifft, bevor sein Partnerphoton auf den ersten grünen Spiegel trifft. Zu diesem Zeitpunkt kann das obere Photon eigentlich noch gar nicht wissen, ob es ein Interferenzmuster bilden muss oder nicht, denn durch die längere Laufzeit des unteren Pfads, ist die Entscheidung, auf welchen Sensor das untere Photon treffen wird, noch gar nicht gefallen.

Wie kann das obere Photon in jeder einzelnen Messung bereits vorher wissen, welchen Weg das untere Photon durch die grünen Spiegel wählen wird ? Es kann es nicht wissen, weil die Entscheidung ein Zufallsprozess ist und trotzdem weiss das obere Photon in jedem einzelen Fall bescheid, sonst würden wir nicht ein Interferenzmuster in den Daten sehen, die Sensor D1 bzw. D2 zugeordnet wurden allerdings kein Interferenzmuster in den Daten, die Sensor D3 bzw. D4 zugeordnet wurden.

Haben Sie das Paradoxe an dem Ergebnis des Experiments verstanden ?

Was sagen Wissenschaftler zum Ergebnis dieses Experiments ? Wenn man versucht die Ergebnisse des Delayed Choice Quantum Eraser Experiments mit Newton'scher Physik und aus einer rein materialistschen Weltsicht heraus zu erklären, steht man vor einer unlösbaren Aufgabe. Aus diesem Grund machen viele Wissenschaftler einen Bogen um das Thema, denn es scheint auf den ersten Blick so, als ob hier gegen unser Verständnis von Kausalität und Zeit verstoßen wird.
Mich beschäftigt nun die Sache, dass das verschränkte Photon (welches auf den Sensor D0 trifft) bereits ein Wellen- oder Teilchen-Muster erzeugt, BEVOR beim Partnerteilchen feststeht, durch welchen Spalt es gegangen ist.
Und das obwohl bei den Photonen, welche auf Sensor D0 treffen, nicht feststeht, durch welchen Spalt sie gegangen sind.
Wie lässt sich das für den Laien verständlich erklären?
Anubis2707 ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 07.02.2013, 14:47   #2
basti_79
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Hallo Anubis,

Ein Zitat verstößt nicht gegen das Urheberrecht. In diesem Fall stellt sich mir allerdings die Frage, ob es tatsächlich nötig war, eine ewig lange passage zu kopieren. Hast Du den Urheber gefragt, ob Du den Text "entführen" darfst? Eine beliebte Technik ist, stattdessen den Inhalt der verlinkten Seite in eigenen Worten kurz wiederzugeben.
__________________
Perfidulo: Ich hatte erst vor, einen Roman darüber [über das verschwundene Mittelalter] zu schreiben.
Groschenjunge: Was ist der Unterschied zum Jetzt?
Perfidulo: Es quasseln nicht dauernd Leute dazwischen.
basti_79 ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 07.02.2013, 14:57   #3
Llewellian
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Die Erklärung steht auf der englischen Wiki Seite die du verlinkt hast.
Llewellian ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 07.02.2013, 16:45   #4
Anubis2707
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Zitat:
Hast Du den Urheber gefragt, ob Du den Text "entführen" darfst?
Ja, ich habe den Urheber gefragt und ich habe seine Zustimmung. Ich denke auch, dass er hier mitliest.

Zitat:
Die Erklärung steht auf der englischen Wiki Seite die du verlinkt hast.
O.k. ich gebe zu, dass es für mich als Laie schwer ist, einen englischen Text zum Thema Quantenphysik zu übersetzen. Obwohl ich schon etwas Englisch kann und ich gerade dabei bin, mein Englisch aufzufrischen.
Aber ich versuch's mal:
Auf der Wikiseite steht, dass es nicht möglich ist, die Daten von Sensor D0 auszulesen, bevor die Daten der Sensoren D1-D4 vorliegen. Es ist (für uns) also nicht möglich, über die Daten des Sensors D0 in die Zukunft zu schauen, wie sich die verschränkten Photonen entscheiden werden.

Für uns als Beobachter ist es also nicht möglich Informationen über den Laufweg der Photonen zu erhalten, bevor diese auf die Sensoren D1-D4 treffen.

Aber ist es denn zulässig, das verschränkte Photon, dass auf Sensor D0 trifft, in eine Beobachter-Rolle zu setzen? Es würde uns zwar keine Information bringen. Aber nur mal angenommen: Kann das Photon, dass auf Sensor D0 trifft "wissen", welchen Weg das verschränkte Partnerteilchen nehmen wird?
Anubis2707 ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 07.02.2013, 19:37   #5
Sakslane
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Nun ja, klassisch kann man es nicht wirklich erklären und anschaulich nun gar nicht... Diese "anschauliche" Beschreibung, dass "ein Photon entscheidet, ob es ein Interferenzmuster bilden soll oder nicht, bevor das Partnerphoton sich für seinen Weg entscheidet", ist zwar das klassische Bild, das man bei diesem Experiment vor Augen hat, aber trifft eigentlich nicht den Kern der Sache.

Quantenphysikalisch ist die Sache absolut klar: Wenn das Photon den Doppelspalt durchquert hat, befindet es sich in einem Überlagerungszustand aus "linker Spalt" (LS) und "rechter Spalt" (RS). Durch den BBO-Kristall wird dieses eine Photon mit diesem Mischzustand nun in zwei Photonen umgewandelt, die ebenfalls diese Freiheitsgrade (LS und RS) haben und deren Zustand verschränkt ist. Nun trennt man die beiden Photonen und führt an einem (im Bild dem unteren) einige Operationen durch: Zuerst koppelt man den Zustand dieses Photons (LS oder RS) an den Weg, den es nimmt (mit dem Prisma PS). Dann schickt man es in eine Apparatur, die mit 50% Sicherheit bestimmen kann, welchen Pfad es genommen hat (und damit auch, welchen Zustand es vorher hatte). Mit dieser Apparatur selektiert man nun entweder die Photonen, bei denen man den Zustand bestimmt hat, oder die, deren Zustand man nicht bestimmt hat. Für diese beiden Gruppen schaut man sich an, was die jeweiligen "Partnerphotonen" machen. Und man stellt fest, dass die Partnerphotonen genau dann ein Interferenzmuster bilden, wenn der Zustand (LS oder RS) der anderen Photonen unbestimmt bleibt. Das ist aber kein "Wunder", sondern eine absolute Konsequenz der Quantenmechanik, weil sich oberes und unteres Photon durch die Verschränkung im gleichen Zustand befinden. Sie müssen das gleiche machen, egal in welcher Reihenfolge die Messungen durchgeführt werden. Das erscheint zwar Paradox, weil die Ergebnisse jeder einzelnen Messung zufällig sind, aber dennoch sind sie korreliert.

Ich gebe zu, das ist nicht wirklich anschaulich und nicht leicht zu verstehen... Am einfachsten könnte ich es erklären, wenn ich einfach die ganzen Gleichungen dazu aufschreiben würde (es wären wohl so um die 2 Seiten), aber ich fürchte, damit können die wenigsten etwas anfangen...
Sakslane ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 07.02.2013, 20:17   #6
Anubis2707
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Zitat:
Ich gebe zu, das ist nicht wirklich anschaulich und nicht leicht zu verstehen... Am einfachsten könnte ich es erklären, wenn ich einfach die ganzen Gleichungen dazu aufschreiben würde (es wären wohl so um die 2 Seiten), aber ich fürchte, damit können die wenigsten etwas anfangen...
@ Sakslane: Vielen Dank für Deine Mühe! Du hast sicherlich Recht, dass es für einen Laien sehr schwer verständlich ist. Ich muss wohl akzeptieren, dass ich hier an die Grenzen meiner Vorstellungskraft stoße. Es liegt wohl daran, dass es nicht mit meiner Vorstellung über Raum und Zeit vereinbar ist.

Zitat:
Und man stellt fest, dass die Partnerphotonen genau dann ein Interferenzmuster bilden, wenn der Zustand (LS oder RS) der anderen Photonen unbestimmt bleibt.
Tun die Partnerphotonen das nicht schon vorher, weil der Weg zu Sensor D0 kürzer ist?
Anubis2707 ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 07.02.2013, 20:29   #7
Anubis2707
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Ich habe eben noch einen Artikel vom Team um Anton Zeilinger gefunden. Der Artikel wurde am 03.01.2013 auf der Homepage der Uni Wien veröffentlicht.

Unabhängig von Raum und Zeit
Anubis2707 ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 07.02.2013, 20:45   #8
Sakslane
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Zitat:
Zitat von Anubis2707 Beitrag anzeigen
Tun die Partnerphotonen das nicht schon vorher, weil der Weg zu Sensor D0 kürzer ist?
Richtig, aber die zeitliche Reihenfolge spielt hier keine Rolle. Das liegt daran, dass die Photonen nicht mit ihren Partnerphotonen "kommunizieren" um ihnen zu sagen, was sie machen sollen, sondern dass sie schon lange vorher (im BBO-Kristall) miteinander verschränkt werden und damit festgelegt ist, dass beide das gleiche machen, egal in welcher Reihenfolge.
Sakslane ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 07.02.2013, 21:00   #9
kfir007
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Könnte es sein, dass unsere Logik nicht unbedingt der Wirklichkeit entspricht?
Die Quantenphysik ermöglicht viele Erklärungen, die nicht logisch sind.
Wir leben damit sehr gut, Übermittlungstechnik, Fernsehen und was so alles seltsam ist; es geht, aber nur mit Quanten....

Kleiner Scherz

Aber ist es nicht wunderbar, dass es ganz klar viele Dinge gibt, die sich hartnäckig einer menschlichen Erklärung verweigern? Diese blöden Photonen, wieso entziehen sie sich perfiderweise jeder Logik?
Tja das ist das grosse Feld für unsere neue Generation der Forscher. Aufregend das Ganze

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Alt 07.02.2013, 21:11   #10
Anubis2707
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Zitat:
sondern dass sie schon lange vorher (im BBO-Kristall) miteinander verschränkt werden und damit festgelegt ist, dass beide das gleiche machen
Du meinst, dass der Weg des Photons bereits im BBO-Kristall festgelegt wird?

Zitat:
Aber ist es nicht wunderbar, dass es ganz klar viele Dinge gibt, die sich hartnäckig einer menschlichen Erklärung verweigern? Diese blöden Photonen, wieso entziehen sie sich perfiderweise jeder Logik?
Tja das ist das grosse Feld für unsere neue Generation der Forscher. Aufregend das Ganze
Für mich stellt dieses Experiment die Existenz von Raum und Zeit in Frage. Aber wohl deshalb, weil es meine Vorstellungskraft übersteigt.
Anubis2707 ist offline   Mit Zitat antworten
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