Kann die Quantenphysik falsch nachgewiesen werden?
Wir gingen davon aus, dass unsere reduktionistische Herangehensweise an das Universum – wo wir nach den kleinsten Bestandteilen der Realität suchten und daran arbeiteten, ihre Eigenschaften zu verstehen – uns zum ultimativen Wissen der Dinge führen würde. Wenn wir wüssten, woraus die Dinge bestehen, und die Regeln bestimmen könnten, denen sie unterliegen, würde nichts, zumindest im Prinzip, außerhalb unserer Vorhersagefähigkeit liegen.
Diese Annahme erwies sich schnell als falsch, wenn es um das Quantenuniversum geht. Wenn Sie die Realität auf ihre kleinsten Bestandteile reduzieren, stellen Sie fest, dass Sie alle Formen von Materie und Energie in unteilbare Teile aufteilen können: Quanten. Allerdings verhalten sich diese Quanten nicht mehr deterministisch, sondern nur noch probabilistisch. Aber auch damit bleibt noch ein weiteres Problem: die Wirkungen, die diese Quanten aufeinander ausüben. Unsere klassischen Vorstellungen von Feldern und Kräften können die tatsächlichen Auswirkungen des quantenmechanischen Universums nicht erfassen, was die Notwendigkeit zeigt, dass sie auch irgendwie quantisiert werden müssen. Die Quantenmechanik reicht nicht aus, um das Universum zu erklären; Dazu ist die Quantenfeldtheorie erforderlich. Deshalb.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts stellte sich jedoch heraus, dass diese Vorstellung nicht mit der Realität vereinbar war. Strahlung von erhitzten Objekten wird nicht bei allen Frequenzen emittiert, sondern in einzelne „Pakete“ quantisiert, die jeweils eine bestimmte Energiemenge enthalten. Elektronen können nur durch Licht ionisiert werden, dessen Wellenlänge kürzer (oder dessen Frequenz höher) als eine bestimmte Schwelle ist. Und Partikel, die bei radioaktiven Zerfällen emittiert wurden, prallten gelegentlich in die entgegengesetzte Richtung zurück, wenn sie auf ein dünnes Stück Goldfolie geschossen wurden, als ob dort harte „Klumpen“ Materie wären, die diese Partikel nicht passieren könnten.
Die überwältigende Schlussfolgerung war, dass Materie und Energie nicht kontinuierlich sein können, sondern in diskrete Einheiten teilbar sind: Quanten. Die ursprüngliche Idee der Quantenphysik wurde mit dieser Erkenntnis geboren, dass das Universum nicht ganz klassisch sein kann, sondern in unteilbare Teile reduziert werden kann, die scheinbar nach ihren eigenen, manchmal bizarren Regeln spielen.
Diese Entdeckungen stellten nicht nur philosophische, sondern auch physikalische Probleme. Zum Beispiel gibt es eine inhärente Unsicherheitsbeziehung zwischen der Position und dem Impuls jedes Quants von Materie oder Energie. Je besser man das eine misst, desto unsicherer wird das andere. Mit anderen Worten, Positionen und Impulse können nicht nur als physikalische Eigenschaft von Materie betrachtet werden, sondern müssen als quantenmechanische Operatoren behandelt werden, die nur eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der Ergebnisse liefern.
Warum sollte dies ein Problem sein?
Weil diese beiden Größen, die zu jedem von uns gewählten Zeitpunkt messbar sind, eine Zeitabhängigkeit haben. Die Positionen, die Sie messen, oder die Impulse, auf die Sie schließen, dass ein Teilchen besitzt, werden sich mit der Zeit ändern und weiterentwickeln.
Das wäre für sich genommen in Ordnung, aber dann gibt es noch ein anderes Konzept, das uns aus der speziellen Relativitätstheorie kommt: Der Begriff der Zeit ist für verschiedene Beobachter unterschiedlich, also müssen die Gesetze der Physik, die wir auf Systeme anwenden, relativistisch invariant bleiben. Schließlich sollten sich die Gesetze der Physik nicht ändern, nur weil man sich mit einer anderen Geschwindigkeit, in eine andere Richtung bewegt oder sich an einem anderen Ort befindet als vorher.
Wie ursprünglich formuliert, war die Quantenphysik keine relativistisch invariante Theorie; seine Vorhersagen waren für verschiedene Beobachter unterschiedlich. Es dauerte Jahre der Entwicklung, bis die erste relativistisch invariante Version der Quantenmechanik entdeckt wurde, was erst Ende der 1920er Jahre geschah.
Wenn wir dachten, dass die Vorhersagen der ursprünglichen Quantenphysik mit ihrem Indeterminismus und ihren grundlegenden Ungewissheiten seltsam waren, sind aus dieser relativistisch invarianten Version eine ganze Reihe neuer Vorhersagen hervorgegangen. Dazu gehörten:
1 – eine intrinsische Menge an Drehimpuls, die Quanten innewohnt, bekannt als Spin,
2 – magnetische Momente für diese Quanten,
3 – Feinstruktureigenschaften,
4 – neuartige Vorhersagen über das Verhalten geladener Teilchen in Gegenwart elektrischer und magnetischer Felder,
5 – und sogar die Existenz negativer Energiezustände, die damals ein Rätsel waren.
Später wurden diese negativen Energiezustände mit einem „gleichen und entgegengesetzten“ Satz von Quanten identifiziert, von denen gezeigt wurde, dass sie existieren: Antimaterie-Gegenstücke zu den bekannten Teilchen. Es war ein großer Sprung nach vorne, eine relativistische Gleichung zu haben, die die frühesten bekannten Elementarteilchen wie Elektron, Positron, Myon und mehr beschreibt.
Es konnte jedoch nicht alles erklären. Radioaktiver Zerfall war immer noch ein Rätsel. Das Photon hatte die falschen Teilcheneigenschaften, und diese Theorie konnte Elektron-Elektron-Wechselwirkungen erklären, aber nicht Photon-Photon-Wechselwirkungen. Offensichtlich fehlte noch ein wesentlicher Bestandteil der Geschichte.
Stellen Sie sich jetzt eine Frage zu diesem Elektron: Was passiert mit seinem elektrischen Feld, wenn es durch die Spalte geht?
Zuvor hatte die Quantenmechanik unsere Vorstellungen von Größen wie Position und Impuls von Teilchen – die zuvor einfach Größen mit Werten waren – durch das ersetzt, was wir quantenmechanische Operatoren nennen. Diese mathematischen Funktionen „operieren“ mit Quantenwellenfunktionen und erzeugen einen probabilistischen Satz von Ergebnissen für das, was Sie möglicherweise beobachten. Wenn Sie eine Beobachtung machen, was wirklich nur bedeutet, wenn Sie dieses Quant dazu bringen, mit einem anderen Quant zu interagieren, dessen Auswirkungen Sie dann entdecken, gewinnen Sie nur einen einzigen Wert zurück.
Aber was tun Sie, wenn Sie ein Quant haben, das ein Feld erzeugt, und dieses Quant selbst sich wie eine dezentralisierte, nicht lokalisierte Welle verhält? Dies ist ein ganz anderes Szenario als das, was wir bisher in der klassischen Physik oder in der Quantenphysik betrachtet haben. Sie können das elektrische Feld, das von diesem wellenförmigen, ausgebreiteten Elektron erzeugt wird, nicht einfach so behandeln, als ob es von einem einzigen Punkt kommt und den klassischen Gesetzen der Maxwell-Gleichungen gehorcht. Wenn Sie ein anderes geladenes Teilchen absetzen würden, wie zum Beispiel ein zweites Elektron, müsste es auf das seltsame Quantenverhalten reagieren, das diese Quantenwelle verursacht.
Normalerweise, in unserer älteren, klassischen Behandlung, drücken Felder auf Teilchen, die sich an bestimmten Positionen befinden, und ändern den Impuls jedes Teilchens. Aber wenn die Position und der Impuls des Teilchens von Natur aus ungewiss sind und wenn die Teilchen, die die Felder erzeugen, selbst in Position und Impuls ungewiss sind, dann können die Felder selbst nicht auf diese Weise behandelt werden: als ob sie eine Art Statik wären „Hintergrund“, dem sich die Quanteneffekte der anderen Teilchen überlagern.
Wenn wir das tun, ändern wir uns selbst und verpassen von Natur aus die „Quantenhaftigkeit“ der zugrunde liegenden Felder.