Das EPR-Paradoxon

[Benjamin]

Ich möchte hiermit eine kleine Diskussion unter den Physikern hier im Forum anregen. Ich hoffe doch, es gibt sie noch!

Es geht um das EPR-Paradoxon, das 1936 von Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen in ihrer EPR-Arbeit erläutert wurde.
Das Paradoxon ist bis heute nicht gelöst. Und es ist vor allem mein persönliches Streben nach Wahrheit, das mich dazu bewegt, mir über dieses Naturverhalten Gedanken zu machen. Wie in meinem Thread "Warum Gott nicht würfelt" bereits diskutiert, vertrete ich die "naive realistische Auffassung der Natur" (wie sie der Wiener Physiker Anton Zeilinger nennt). Wie dort auch erwähnt, bin ich der Ansicht, dass sich die quantenphysikalischen Vorgänge durch das Aufgeben der Teilchentheorie verstehen lassen (oder verstehen lassen sollten) - ganz im Sinne des "Einstein'schen Realismus", wie ich mir erlaube diese Anschauung zu nennen. Also sprich: Es gibt keinen Zufall, weder im Großen noch im Kleinen!

Ich gestehe jedoch ein, dass meine Ansichten nicht einwandfrei sind. Keineswegs sogar. Ich denke zwar, dass sich der Photoeffekt, Comptoneffekt und die Interferenz einzelner Photonen im Doppelspalt-Experiment auf diese Weise erklären lassen, jedoch meine Theorie beim EPR-Paradoxon gänzlich ins Leere trifft. Die Quantenverschränkung will mir einfach nicht einleuchten.

Ich wollte nun die Physiker im Forum fragen: Wie geht ihr mit der Verschränkung um?
Ich bezweifle nämlich, dass es irgendeinen Physiker gibt, der die Quantenverschränkung wirklich versteht. Wie seht ihr das Ganze? Denkt ihr, dass sich dieses Verhalten niemals genau erklären lässt, in der Art wie viele Physiker denken, dass sich das Verhalten einzelner Quantenteilchen niemals genau erklären lässt?

das fragt sich
Ben

 

[Muzmuz]

hallo benjamin,

zunächst, denke ich, sollte man für die mehrheit der forumsuser verständliche begriffe verwenden
falls das nicht so einfach möglich ist, dann zumindest fachbegriffe erklären
wer sich nicht gerade professionell oder als ambitionierter laie mit der thematik befasst, dem wird das wort "quantenverschränkung" wenig sagen und das problem nicht verstehen

also als kurze einleitung:
bei quantenverschränkung geht es um eine mehrzahl an teilchen (zumeist 2), bei denen sich eigenschaften gleichzeitig verändern, selbst wenn diese teilchen räumlich voneinander getrennt sind
bildlich beschrieben:
betrachte ich ein teilchen eines rote-teilchen-paares und dieses wird schlagartig grün, dann passiert das selbe mit dem anderen teilchen, und zwar instantan, wobei keine information ausgetauscht werden konnte
selbst wenn sich das zweite teilchen auf dem mond befindet ändert es sich instantan und nicht erst die 1.3 sekunden später, nach denen frühestens die information der änderung des ersten teilchen zum mond gelangen konnte
quasi: das zweite teilchen hat sich auch verändert, obwohl es von der veränderung des ersten nichts wissen konnte

das unvorstellbare ist, dass hier die bedeutung des raumes aufgehoben ist
sind schon raumverzerrungen schwer bis nicht begreiflich, ist eine aufhebung der bedeutung desselben noch weniger fassbar

um die verwirrung noch zu vergrößern:
das ganze widerspricht durch die bisher gemachten beobachtungen nicht einmal der relativitätstheorie, die eine maximale informationsübertragungsgeschwindigkeit von ~300000km/s postuliert
denn: man weiss vorher nicht, wann man welche veränderung des teilchenpaares beobachten wird
d.h. es ist nicht beobachtet worden, dass der experimentator ein teilchen verändert und diese veränderung instantan beim anderen teilchen ebenfalls auftritt; mit diesem phänomen ist keine gezielte information übertragen worden (also nicht das eine teilchen rot angemalt worden, und wie von geisterhand färbte sich das zweite teilchen auch rot...nene, so nicht)

es ist vielmehr so, als wenn hier und in australien zeitgleich die lottozahlen gezogen würden, und bei beiden ziehungen immer die selben zahlen kämen
zufall scheidet augenscheinlich aus
gegenseitige kausalität ebenfalls (eines kann das andere nicht beeinflussen, denn es bleibt dafür keine zeit)
übrig bleibt entweder eine korrelation aufgrund der kausalen abhängigkeit gegenüber eines dritten phänomens oder aber etwas völlig anderes, (noch) völlig unverständliches

lg,
Muzmuz

 

[Hartmut]

Es geht um das EPR-Paradoxon, das 1936 von Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen in ihrer EPR-Arbeit erläutert wurde.
Das Paradoxon ist bis heute nicht gelöst. Und es ist vor allem mein persönliches Streben nach Wahrheit, das mich dazu bewegt, mir über dieses Naturverhalten Gedanken zu machen. Wie in meinem Thread "Warum Gott nicht würfelt" bereits diskutiert, vertrete ich die "naive realistische Auffassung der Natur" (wie sie der Wiener Physiker Anton Zeilinger nennt). Wie dort auch erwähnt, bin ich der Ansicht, dass sich die quantenphysikalischen Vorgänge durch das Aufgeben der Teilchentheorie verstehen lassen (oder verstehen lassen sollten) - ganz im Sinne des "Einstein'schen Realismus", wie ich mir erlaube diese Anschauung zu nennen. Also sprich: Es gibt keinen Zufall, weder im Großen noch im Kleinen!

Ich wollte nun die Physiker im Forum fragen: Wie geht ihr mit der Verschränkung um?
Ich bezweifle nämlich, dass es irgendeinen Physiker gibt, der die Quantenverschränkung wirklich versteht. Wie seht ihr das Ganze? Denkt ihr, dass sich dieses Verhalten niemals genau erklären lässt, in der Art wie viele Physiker denken, dass sich das Verhalten einzelner Quantenteilchen niemals genau erklären lässt?

Hallo Ben,

danke für Deine Initiative, mal wieder eine interessante Diskussion unter physikalisch Interessierten anzuregen. Ich glaube aber, dass Dein Problem sehr speziell ist und vielleicht nur eine Handvoll User daran interessiert ist.

Als angesprochener Physiker muss ich zunächst ganz nüchtern sagen, dass die Quantentheorie nicht zu meinen Alltagsproblemen gehört. Mein Physikstudium liegt so ca. 40 Jahre hinter mir, und die mich beruflich besonders interessierenden Neutronen in Kernreaktoren kann ich getrost als nicht-quantenmechanische Teilchen behandeln. Trotzdem liegt mir das Verständnis der Quantentheorie, die so sehr dem sog. „gesunden Menschenverstand“ widerspricht, sehr am Herzen.

Im Sinne von muzmuz sollte zunächst klar umrissen werden, worin das Paradoxon der drei Herren (Einstein, Podolsky, Rosen: EPR) besteht. Schon das ist nicht so einfach. Und der Begriff der „Quantenverschränkung“ dürfte erst recht nicht allen geläufig sein. Nun, muzmuz hat da schon gute Vorarbeit geleistet.

Das Paradoxon ist bis heute nicht gelöst.

Die Einwände von EPR gegen die Quantenmechanik (QM) wurden in einer Arbeit von John Bell aus dem Jahre 1964 („On the Einstein-Podolsky-Rosen paradox“) tiefschürfend untersucht. Aus den Prinzipien, die den Einwänden gegen die QM zugrunde liegen, zieht Bell experimentell überprüfbare Schlussfolgerungen, die experimentellen Ergebnissen der QM widersprechen.

Ich wollte nun die Physiker im Forum fragen: Wie geht ihr mit der Verschränkung um?

Das Prinzip der Verschränkung von Zuständen mehrerer Teilchen ruft tatsächlich höchstes Erstaunen hervor. Es besagt nichts anderes, als dass nahezu alles in der Welt mit nahezu allem zusammenhängt: Aktionen an einem Ort können über beliebig grosse Abstände hinweg momentan Quantenzustände an einem anderen Ort schaffen. Da fragt man sich natürlich, ob das mit der SRT verträglich ist, welche besagt, dass Nachrichten höchstens mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden können. Schliesslich sind alle modernen Theorien wie die elektromagnetische (Maxwell-Gleichungen) oder die Gravitationstheorie (Allgemeine RT) Nahwirkungstheorien. Aber interessanterweise stellt sich heraus, dass die QM zwar momentane Wirkungen auf dem Niveau ihrer Zustände kennt, dass diese es aber nicht erlauben, Nachrichten mit Überlichtgeschwindigkeit zu übermitteln.

Wie seht ihr das Ganze? Denkt ihr, dass sich dieses Verhalten niemals genau erklären lässt, in der Art wie viele Physiker denken, dass sich das Verhalten einzelner Quantenteilchen niemals genau erklären lässt?

Ich denke, dass die QM recht hat (weil sie vielfach verifiziert wurde) und nicht der sog. gesunde Menschenverstand. Unser Verstand ist das Ergebnis der menschlichen Evolution, und er ist geschult an den Beobachtungen makroskopischer Erscheinungen. Es ist also nicht zu erwarten, dass unser Verstand die Phänomene auf fundamentaler Ebene so einfach erkennen kann. Gedankenexperimente haben jedenfalls gezeigt, dass Prinzipien, an deren Gültigkeit zu glauben wir unbedingt geneigt sind, wie das der Induktion, des freien Willens, der Lokalität und der Realität in ihrer naiven Form nicht zusammen gelten können.

Gruss
Hartmut

 

[Ginsi]

Ich bin im Allgemeinen schon physikinteressiert, aber davon hab ich, muss ich gestehen noch nie gehört.

Wie haben die drei Herren das denn festgestellt?

mfG Ginsi

 

[Muzmuz]

hallo ginsi,

ich habe mal von einem experiment gelesen, in dem photon-teilchenpaare erzeugt wurden
diese paare wurden getrennt, und ein teil des paares wurde durch eine art filter geleitet, der nach einem zufallsmuster das teilchen aufhält oder durchlässt
und nur, wenn dieses eine teilchen durchgekommen ist, ist auch das partnerteilchen zu detektieren gewesen
die information aufgehalten/durchgekommen hatte nach einstein keine zeit, das partnerteilchen zu erreichen
also woher "wusste" das partnerteilchen, dass sein gegenpart aufgehalten wurde oder durchgekommen ist ?

die details des experimentes habe ich nicht mehr im kopf, aber ich glaube, das paradoxon ist ersichtilch


lg,
Muzmuz

 

[Ginsi]

Ersichtlich ist es, ja..

Das würde bedeuten, dass es noch etwas anderes, als den Raum geben müsste, bzw. die Definition vom Raum (indem ja maximal Lichtgeschwindigkeit erreicht werden kann) aufgehoben werden muss, oder?
Ich mein aus irgendeiner Motiavtion heraus muss das andere Teilchen ja mitkommen.. Außerdem ist das Paradoxon ja experimentell bewiesen, kann also kein Zufall sein..

Komisch, komisch

mfG Ginsi

 

[Muzmuz]

hallo,

die resultate sind mit dem heutigen stand der wissenschaft nicht eindeutig zu erklären
daher das paradoxon, und auch das interesse, diese "nuss" zu knacken
vielleicht ist aber das auslösende ereignis, also die ursache für die wirkung, örtlich nicht im filter, der das eine photon aufhält oder durchlässt, platziert
dann müsste diese information nicht vom filter durch den raum zum anderen teilchen eilen

mir gehts da so wie den anderen wissenschaftern: ich weiss es nicht, ich kann es nicht erklären
aber der versuch es zu tun (wenn auch in meinem fall mit mangelhaften und beschränkten mitteln) macht wissenschaftlichen fortschritt ja aus

lg,
Muzmuz

 

[Benjamin]

eine kurze Erläuterung eines EPR-Experiments

und nur, wenn dieses eine teilchen durchgekommen ist, ist auch das partnerteilchen zu detektieren gewesen

Ich kenne die Experimente zum EPR-Paradoxon ja leider auch nur aus Büchern. Und da schienen sie mir zum Teil widersprüchlich. Was heißen soll, ich hab das Paradoxon einfach nicht ganz verstanden. Bis heute nicht.

Von der Art Korrelation (Verschränkung), die du da ansprichst, Muzmuz, hab ich auch gehört. Es ist aber so, dass die weltbesten Photonendetektoren (laut A. Zeilingers "Einsteins Spuk") gerade einmal 50% der Photonen auch wirklich messen können. Demnach kann das von dir angesprochene Experiment gar nicht einwandfrei funktionieren.

Das mir am ausführlichsten bekannte Experiment ist das mit polarisationsverschränkten Photonen.
Dabei werden zwei Photonen gleichzeitig erzeugt, die in entgegengesetzter Richtung davonfliegen. Beide Photonen treffen danach auf eine Halbwellenplatte, die die Photonen in eine gewisse Richtung polarisiert. Diese Halbwellenplatten lassen sich beliebig drehen, so dass man jede beliebige Polarisation bewirken kann. Sind die Photonen durch die Halbwellenplatten durch (und somit polarisiert), treffen sie dann auf einen polarisierenden Strahlteiler, der die Photonen in "horizontal-" und "vertikal polarisiert" trennt. Ist ein Photon nämlich vertikal polarisiert kann es den Strahlteiler ungehindert durchlaufen. Ist es horizontal polarisiert wird es im Inneren reflektiert und tritt schräg aus dem Strahlteiler aus. Hinter jedem der zwei Strahlteiler befinden sich noch einmal zwei Photonendetektoren - einer, der die schrägaustretenden Photonen registriert und einer, der die durchlaufenden registriert. Diese Prozedur durchläuft jedes Photon für sich.

Es ist nun so: Wenn beide Halbwellenplatten nur horizontal polarisierte Photonen durchlassen, dann melden sich logischerweise immer nur die horizontalmessenden Detektoren. Auf beiden Seiten. Sind beide Halbwellenplatten vertikal orientiert, sprechen die vertikalmessenden Detektoren an. So weit, so gut.
Interessant wird es, wenn man die Halbwellenplatten anders orientiert. Zum Beispiel um 45° geneigt zum Strahlteiler. Der Photonenstrahl wird nun zerlegt in einen vertikalpolarisierten Teil und einem horizontalpolarisierten. Die Hälfte der Photonen gehen gerade durch den Strahlteiler und die andere Hälfte schräg. Die Chancen stehen für beide Photonen 50-50. Warum ein Photon gerade durchfliegt oder warum es schräg durchfliegt ist nicht gesagt. Die QM macht keine Aussage darüber, ihr nach geschieht es zufällig.

Das wirklich merkwürdige kommt aber erst jetzt: Sind beide Halbwellenplatten in gleicher Richtung um 45° geneigt, ist die Chance wie gesagt, dass ein Photon horizontal aus dem Strahlteiler austritt 50%. Das gilt für beide Photonen. Aber wann immer zwei Photonen gleichzeitig gemessen werden, sind es die gleichen Detektoren, die ansprechen. Also entweder sind beide Photonen gerade durch die Strahlteiler getreten oder sie sind beide schräg. Niemals treten ein Photon schräg und das andere gerade durch den Strahlteiler. Und dass obwohl jedes Photon für sich eine 50-50 Chance hat gerade durchzugehen oder schräg.
Warum beide immer dasselbe tun, ist nicht geklärt.

EPR waren der Ansicht, dass es für solch ein Verhalten eine noch bis dato ungefundene Eigenschaft geben muss, die die Quantenmechanik nicht einbezieht. Es kann EPR nach also nicht zufällig passieren, da doch beide immer dasselbe machen.

Der irische Physiker John Bell hat auf der Idee Einsteins, Podolsky und Rosen aufbauend eine Möglichkeit erdacht um herauszufinden, ob die Photonen schon vor ihrer Messung "wissen" welchen Weg sie gehen werden, oder ob es wirklich "zufällig" passiert. John Bell dachte eigentlich, dass er damit EPR bestätigen würde und die QM widerlegen. Es trat jedoch genau das Gegenteil ein, als man seine "Bell'sche Ungleichung" für Versuche heranzog.
Das Ergebnis sagt uns, dass kein Photon vorher weiß, wohin es gehen wird, und dennoch machen beide immer dasselbe.


(Anmerkung: Im mir bekannten Versuch hatten die Detektoren eine "Messausbeute" von 22%. Das heißt, von hundert registrierten Photonen wurden im Schnitt 22 zugleich registriert. Vorausgesetzt die Halbwellenplatten waren auch gleich orientiert.)

 

[Benjamin]

Unser Verstand ist das Ergebnis der menschlichen Evolution, und er ist geschult an den Beobachtungen makroskopischer Erscheinungen. Es ist also nicht zu erwarten, dass unser Verstand die Phänomene auf fundamentaler Ebene so einfach erkennen kann.

Das ist meines Erachtens ein cleveres Argument.
Aber dennoch bin ich davon überzeugt, dass der Mikrokosmos für unseren Verstand zugänglich ist. Er mag vielleicht unseren Erfahrungen widersprechen, aber nicht den logischen Gesetzen. (Zufall ist unlogisch!)
Ich denke, die Logik gilt fürs Große wie fürs Kleine gleichermaßen. Die Mathematik gilt schließlich auch für beides und sie entspringt der Logik.

mit freundlichen Grüße
Ben

 

[fusselhirn]

Sehr interessantes Thema!
Ich habe eigentlich mit Physik nicht so viel am Hut, aber soviel ich mich erinnere , liegt doch das angebliche Paradoxon nur darin, das man mit diesem Effekt 2 Informationen über ein Teilchen erhält, was ja der heisenbergschen Unschärferelation scheinbar widerspricht. Ansonsten ist es ein zur Zeit nicht erklärbares Phänomen aber kein Paradoxon. Oder trügt mich meine Erinnerung?