Heisenberg en quantumfluctuaties.

[efdee]

Bij de onzekerheidsrelatie van Heisenberg (Δ<i>x</i> Δ<i>p</i> en Δ<i>E</i>Δ <i>t</i> zijn beide groter dan de spin van een proton)
wordt nadrukkelijk vermeld, dat deze relaties <i>alleen bij metingen</i> van belang zijn.
Hoe kunnen er dan quantumfluctuaties met (virtuele) deeltjes ontstaan als er niet gemeten wordt?

[Bladerunner]

Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg is 'slechts' een bevestiging van een fundamentele eigenschap van kwantummechanica. Namelijk dat alle kwantum objecten met golfgedrag inherent zijn aan dit onzekerheidsprincipe. Dit staat los van of je wel of niet meet.
 
Als wij een eigenschap van een deeltje (b.v. momentum) willen meten gaat dat ten kostte van andere eigenschappen. Maar dat gebeurt ook zonder dat we meten (er is dus niemand die meekijkt) want of het nu het meetapparaat is of een toevallig in de buurt aanwezig groot object (beduidend groter dus dan b.v. een proton, b.v. een minuscuul stofdeeltje) ook dan geldt het onzekerheidsprincipe omdat het proton zich dan ook anders gaat gedragen.
 
Dus met meting wordt niet perse het daadwerkelijk meten bedoeld maar de (onbedoelde) interactie tussen macro objecten en objecten op kwantum niveau. De term 'meting' is dus misleidend en komt voort uit het feit dat dit onzekerheidsprincipe in het begin vergeleken/verward werd met het principe dat als je iets meet aan een macro systeem (in de wereld om je heen dus) je het automatisch zal veranderen.
 
De wiskundige vergelijkingen die wij gebruiken bij het onzekerheidsprincipe zijn slechts manieren om het principe te verwoorden, het principe verdwijnt niet alleen maar omdat we niet meten.
 
Anders gezegd: juist het onzekerheidsprincipe maakt het ons onmogelijk om een resultaat of gebeurtenis op kwantum niveau 100% te voorspellen. Je kunt b.v. wel vrij goed voorspellen wanneer een ketel met gas die je blijft verhitten zal barsten, maar niet of en wanneer b.v. een vrij proton een gas atoom zal raken.

[efdee]

Om te kunnen meten is een waarneming nodig, dus tenminste één foton die op het te meten object botst en weerkaatst.
Een macroscopisch object heeft daar geen merkbare last van maar
een deeltje op atomair niveau wordt essentieel gestoord in zijn toestand van bestaan.
Dit aspect is naar mijn idee de kern van de onzekerheidsrelatie.
 
Als er niet gemeten wordt, blijft de verstoring achterwege.

De gangbare beschrijving van de quantumflucuaties komen mij nogal sprookjesachtig over:
1) creatie
2) energie 'lenen'.
Ik weet, dat dit algemeen aanvaard wordt.
Een meer realistische verklaring zou mij zeer welkom zijn.

[Bladerunner]

"Als er niet gemeten wordt, blijft de verstoring achterwege."
 
Nee, want het maakt niet uit door wat het deeltje verstoord wordt. Die verstoring is er sowieso. Alleen als we het gaan meten participeren wij in die verstoring en maken we die dus erger. Hier staat de definitie van het onzekerheidsprincipe. Je ziet daar staan dat die onzekerheid inherent is aan de natuur van deeltjes

[efdee]

Geen speld tussen te krijgen

[flappelap]

Om te kunnen meten is een waarneming nodig, dus tenminste één foton die op het te meten object botst en weerkaatst.
Een macroscopisch object heeft daar geen merkbare last van maar
een deeltje op atomair niveau wordt essentieel gestoord in zijn toestand van bestaan.
Dit aspect is naar mijn idee de kern van de onzekerheidsrelatie.
 
Als er niet gemeten wordt, blijft de verstoring achterwege.

De gangbare beschrijving van de quantumflucuaties komen mij nogal sprookjesachtig over:
1) creatie
2) energie 'lenen'.
Ik weet, dat dit algemeen aanvaard wordt.
Een meer realistische verklaring zou mij zeer welkom zijn.

Dit wordt algemeen aanvaard als heuristische uitleg. Niks meer, niks minder.

Er zijn meerdere manieren om kwantumfluctuaties te begrijpen. Een daarvan is de kwantumversie van Huygens principe. Om de kans uit te rekenen dat een toestand zich van A naar B ontwikkelt (b.v., een elektron dat van een kanon naar een scherm gaat), moet je sommeren over alle mogelijke geschiedenissen die het deeltje kan afleggen. Omdat de kwantummechanica met golven werkt, zul je hierdoor interferentie krijgen. Die interferentie noemen we ook wel "kwantumfluctuaties" en zijn de effecten die afwijken van het klassieke geval. Je kunt ze heuristisch uitleggen als "deeltjes", maar dat is bedoeld om er een intuïtie omtrent te kweken.

Dat gewauwel over "energie lenen" is onzin. Energie is iha strikt behouden in de kwantummechanica, alleen kun je van bepaalde toestanden de energie niet exact bepalen als het een bepaalde ontwikkeling doorgaat. "Virtuele deeltjes" zijn 1 vorm om die kwantumfluctuaties in te gieten, omdat ze wiskundig gezien doen denken aan deeltjes. Maar als je dat doet, dan krijg je wel een hele vage vorm van "deeltjes", dus die interpretatie komt met een prijs.

Het zijn allemaal pogingen om kwantumeffecten fysisch te interpreteren, maar het blijven analogieën die niet te serieus genomen moeten worden.

"Als er niet gemeten wordt, blijft de verstoring achterwege."
 
Nee, want het maakt niet uit door wat het deeltje verstoord wordt. Die verstoring is er sowieso.

Dat weet je niet. De gangbare interpretaties van de kwantummechanica vertellen je alleen wat je kunt verwachten bij een meting. Wat er buiten metingen om precies gebeurt, weten we niet. We kunnen van alles doorrekenen met golffuncties, maar zonder meting valt er verder weinig zinnigs over te zeggen.

[Professor Puntje]

Is de interpretatie van de kwantummechanica door Vladimir Fock bij onze huidige kennis van kwantumprocessen nog te handhaven?

[Bladerunner]

Dat weet je niet. De gangbare interpretaties van de kwantummechanica vertellen je alleen wat je kunt verwachten bij een meting. Wat er buiten metingen om precies gebeurt, weten we niet. We kunnen van alles doorrekenen met golffuncties, maar zonder meting valt er verder weinig zinnigs over te zeggen.

Heb je de link gelezen over de definitie van het onzekerheidsprincipe? Het is namelijk echt niet zo dat dit principe pas in werking treed als wij gaan meten. Juist doordat we meten krijgen we te maken met dat principe maar dat verdwijnt niet als we niet meten. Wat je dus kunt verwachten als je op kwantumniveau gaat meten is juist dat je metingen onderhevig zijn aan het onzekerheidsprincipe en daardoor nooit 100% kloppen. Ook zonder metingen zijn deeltjes onderhevig aan dat principe omdat dat de aard van de deeltjes is.
 
Als je dus niet meet valt er ook geen enkele conclusie te trekken, dat is logisch. Maar meet je wel dan krijg je te maken met het onzekerheidsprincipe en dat maakt elke meting bij voorbaat al (ahum) onzeker...
 
Daarom kunnen we ook niet echt verklaren waarom de oerknal sowieso begon als (vermoedelijke) kwantumfluctuaties.

[flappelap]

Heb je de link gelezen over de definitie van het onzekerheidsprincipe? Het is namelijk echt niet zo dat dit principe pas in werking treed als wij gaan meten. Juist doordat we meten krijgen we te maken met dat principe maar dat verdwijnt niet als we niet meten. Wat je dus kunt verwachten als je op kwantumniveau gaat meten is juist dat je metingen onderhevig zijn aan het onzekerheidsprincipe en daardoor nooit 100% kloppen. Ook zonder metingen zijn deeltjes onderhevig aan dat principe omdat dat de aard van de deeltjes is.
 
Als je dus niet meet valt er ook geen enkele conclusie te trekken, dat is logisch. Maar meet je wel dan krijg je te maken met het onzekerheidsprincipe en dat maakt elke meting bij voorbaat al (ahum) onzeker...
 
Daarom kunnen we ook niet echt verklaren waarom de oerknal sowieso begon als (vermoedelijke) kwantumfluctuaties.

Wat jij doet riekt naar een vorm van realisme toegepast op de QM (als we NIET meten, dan ... ). Die "verstoring" wordt vaak als een soort van fysisch proces opgevat, en die kwantumfluctuaties als een soort fluctuaties in de tijd. Het beeld van virtuele deeltjes draagt daaraan toe.

Ik weet niet hoe je dit precies bedoelt; het enige dat ik zeg, is dat de QM alleen zegt hoe de golffunctie zich ontwikkelt in de tijd. Dus dat "weten" we zonder meten. Maar een ontologische interpretatie hiervan ("wat GEBEURT er nu eigenlijk) geeft de QM niet. Wanneer je dit soort vormen van realisme aanhangt, dan kom je al gauw op de conclusie dat er verborgen variabelen moeten zijn.

Oftewel: wat ik probeer duidelijk te maken, is dat je voorzichtig moet zijn met uitspraken over wat de QM zegt over gebeurtenissen buiten het meten om.
De vraag komt denk ik neer op "wat is de interpretatie van de golffunctie"?

[flappelap]

Nog een toevoeging:

Als we met klassieke golven hadden te maken, dan zou er geen probleem zijn. In de klassieke natuurkunde hanteren we immers (meestal) een vorm van realisme (als we eigenschap X meten, dan had het systeem deze eigenschap ook al voor de meting). Dus als je b.v. meet dat een klassiek deeltje verstoort word, dan ga je er impliciet van uit dat dit ook zou gebeuren als je niet had gemeten en de meting de situatie niet (al te veel) beïnvloed.

In het kwantumgeval moet je hiermee echter oppassen. Elke uitspraak over de realiteit buiten het meten om suggereert (in mijn ogen althans) een vorm van realisme, en dan krijg je al gauw EPR-achtige toestanden. Als je dus zoiets zegt als

"Ook zonder metingen zijn deeltjes onderhevig aan dat principe omdat dat de aard van de deeltjes is."

is mijn vraag: op papier in je berekening? Of "in werkelijkheid"? Over dat laatste zegt de Kopenhaagse interpretatie en veel andere interpretaties niets, tenzij je interpretaties aanhangt zoals die van Bohm en deBroglie (pilot wave theory) en "verborgen variabelen" ("verborgen" t.o.v. de Kopenhaagse interpretatie) invoert. Maar daarmee geef je dus ook deels antwoord op de interpretatie omtrent de golffunctie (vandaar mijn laatste opmerking in mijn vorige post) :)

Je opmerking over de oerknal als kwantumfluctuatie kan ik niet helemaal plaatsen, maar dat is ook uitermate speculatief.

Is de interpretatie van de kwantummechanica door Vladimir Fock bij onze huidige kennis van kwantumprocessen nog te handhaven?

Ik ben niet goed bekend met zijn interpretatie, maar zoals ik het begrijp hing hij een minimalistische, relationele interpretatie aan. Relationeel, in de zin dat hij strikt onderscheid maakte tussen meetapparaat en dat wat gemeten wordt. Of dat nu nog te handhaven is weet ik niet; ik vraag me dan b.v. af hoe je decoherentie uitlegt. Maar de details van Focks interpretatie ken ik niet, dus daar kan ik ook geen antwoord op geven :)

[Bladerunner]

"Als je dus zoiets zegt als
Ook zonder metingen zijn deeltjes onderhevig aan dat principe omdat dat de aard van de deeltjes is."
 
Dat vindt je dus terug in de definitie van het onzekerheidsprincipe:
 
The position and momentum of a particle cannot be simultaneously measured with arbitrarily high precision. There is a minimum for the product of the uncertainties of these two measurements. There is likewise a minimum for the product of the uncertainties of the energy and time.

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hb ... 2/unc1.gif

This is not a statement about the inaccuracy of measurement instruments, nor a reflection on the quality of experimental methods; it arises from the wave properties inherent in the quantum mechanical description of nature. Even with perfect instruments and technique, the uncertainty is inherent in the nature of things.
 
Die laatste zin zegt dus feitelijk, dat of je nu wel of niet meet, het onzekerheidsprincipe (en daar gaat dit topic voornamelijk over) altijd geldt.
Het verschil tussen niet en wel meten is dan slechts dat we een verstorende factor toevoegen die vele malen groter is dan bij niet meten want zelfs onze meest verfijnde en minst verstorende apparatuur werken als een 'orkaan' op deeltjes die zonder onze inmenging zich op een natuurlijke manier zouden gedragen.
 
In de Wikipedia lees je het volgende:
 
Thus, <i>the uncertainty principle actually states a fundamental property of quantum systems, and is not a statement about the observational success of current technology.</i> It must be emphasized that <i>measurement</i> does not mean only a process in which a physicist-observer takes part, but rather any interaction between classical and quantum objects regardless of any observer.
 
Dat laatste zegt dus feitelijk dat het begrip "meten" (c.q. verstoren) niet perse betekend dat wij iets meten en waarnemen maar dat elke aanwezigheid van een macro object onzekerheden veroorzaakt in het gedrag van deeltjes op kwantumniveau.

[Professor Puntje]

Het zou ook wel zéér vreemd zijn wanneer de aanwezigheid van een macro-object geen invloed had op het gedrag van micro-deeltjes. Of zo'n macro-object aanwezig is in het kader van een meting of niet zou althans binnen een realistische interpretatie van de kwantummechanica niet uit moeten maken. Het gaat immers enkel om de situatie waarin het micro-object zich bevindt en niet om wat wij mensen daar al dan niet mee voor hebben.

[Professor Puntje]

Aanvullend nog:

- Neutrino's trekken zich weinig van de aanwezigheid van gewone materie aan omdat ze sowieso maar weinig interacties met andere deeltjes hebben.

- Beschrijvingen van micro-objecten in termen die aan onze alledaagse werkelijkheid zijn ontleend lopen al snel spaak. Wellicht moeten we zoeken naar nieuwe beschrijvende eigenschappen en beelden (anders dan deeltjes en golven) die beter aansluiten op de micro-wereld, en verdwijnt de conceptuele vreemdheid van kwantumverschijnselen dan pas. Het is dan niet zo zeer dat we naar keuze maar één van de twee grootheden uit een onzekerheidsrelatie kunnen meten, maar dat onze aan de macro-wereld ontleende termen de micro-wereld geen recht doen. En dat wreekt zich vervolgens in de onzekerheidsrelaties die aan de toepasbaarheid van zulke macro-grootheden duidelijke grenzen stellen.

[flappelap]

"Als je dus zoiets zegt als
Ook zonder metingen zijn deeltjes onderhevig aan dat principe omdat dat de aard van de deeltjes is."
 
Dat vindt je dus terug in de definitie van het onzekerheidsprincipe:
 
The position and momentum of a particle cannot be simultaneously measured with arbitrarily high precision. There is a minimum for the product of the uncertainties of these two measurements. There is likewise a minimum for the product of the uncertainties of the energy and time.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hb ... 2/unc1.gif

This is not a statement about the inaccuracy of measurement instruments, nor a reflection on the quality of experimental methods; it arises from the wave properties inherent in the quantum mechanical description of nature. Even with perfect instruments and technique, the uncertainty is inherent in the nature of things.
 
Die laatste zin zegt dus feitelijk, dat of je nu wel of niet meet, het onzekerheidsprincipe (en daar gaat dit topic voornamelijk over) altijd geldt.

Nee! Dat zegt die laatste zin niet! De Delta's in het onzekerheidsprincipes zijn standaarddeviaties van grootheden (gerepresenteerd door operatoren) bij herhaaldelijk meten. Dus het vertelt je in frequentistische zin wat de spreiding van je meetwaarden zullen zijn bij herhaaldelijk meten aan identieke systemen. Wat die Wiki-pagina benadrukt, is dat deze spreiding geen gevolg is van je meetapparatuur, maar een gevolg van het kwantumformalisme.

Nogmaals: de conventionele interpretaties van de QM zoals Kopenhagen vertellen je alleen wat je kunt verwachten bij een meting. Elke ontologische uitspraak buiten die meting om veronderstelt een bepaalde vorm van realisme.

De uitspraak dat "het onzekerheidsprincipe geldt zonder meten" snijdt wat mij betreft niet eens hout, behalve dat het je iets vertelt over de golffunctie. Maar als je dat wilt verbinden aan de werkelijkheid, dan zul je duidelijk moeten maken wat de exacte relatie is tussen golffunctie en het systeem dat het beschrijft. Dat heb je tot nu toe niet gedaan.

Aanvullend nog:

- Neutrino's trekken zich weinig van de aanwezigheid van gewone materie aan omdat ze sowieso maar weinig interacties met andere deeltjes hebben.

- Beschrijvingen van micro-objecten in termen die aan onze alledaagse werkelijkheid zijn ontleend lopen al snel spaak. Wellicht moeten we zoeken naar nieuwe beschrijvende eigenschappen en beelden (anders dan deeltjes en golven) die beter aansluiten op de micro-wereld, en verdwijnt de conceptuele vreemdheid van kwantumverschijnselen dan pas. Het is dan niet zo zeer dat we naar keuze maar één van de twee grootheden uit een onzekerheidsrelatie kunnen meten, maar dat onze aan de macro-wereld ontleende termen de micro-wereld geen recht doen. En dat wreekt zich vervolgens in de onzekerheidsrelaties die aan de toepasbaarheid van zulke macro-grootheden duidelijke grenzen stellen.

John Bell heeft de term "beables" geïntroduceerd, maar dat is geen standaard terminologie geworden.

[flappelap]

Laat ik het anders stellen. Jij stelt:

Nee, want het maakt niet uit door wat het deeltje verstoord wordt. Die verstoring is er sowieso.

Wat bedoel je hier precies mee?

Als je iets bedoelt als "Bij een klassieke golf is er een onbepaaldheid tussen positie en golflengte, en via de Broglie vertaalt zich dat naar Heisenbergs onzekerheidsrelatie", dan ben ik dat natuurlijk met je eens. Maar zoals jij dit nu opschrijft, lijkt het alsof je die "verstoring" ziet als een fysiek proces, zoals vlag die wappert door de wind.

Je kunt denken: wat een ******, maar zoals ik zei: je moet erg oppassen binnen de QM omtrent uitspraken buiten de meting om, vanwege impliciete aannames omtrent realisme. Als je die nuance niet waardeert, dan geef ik Einsteins EPR-paper (en het daaropvolgende paper van Bell 3 decennia later omtrent zijn ongelijkheden) als voorbeeld.