Materiewellen - Wie groß darf Materie maximal sein, damit diese Wellencharakter hat?

[Cordess]

In folgendem, übrigens sehr guten, Video wird die Quantenphysik anhand
des Doppelspaltexperiements kurz veranschauchlicht:

Teil 1/3
YouTube - Quantenphysik | Teil 1/3

Teil 2/3
YouTube - Quantenphysik | Teil 2/3

Teil 3/3
YouTube - Quantenphysik | Teil 3/3


In Teil 2 dabei dabei etwa zur Mitte des Videos gezeigt, daß
auch Materie Wellencharakter haben kann, wenn diese sich z.B. im Vakuum befindet und nicht gemessen wird.
Bei der erwähnten Materie handelt es sich um Fullerene, also Molekühle
mit ca. 60 oder mehr Kohlenstoffatomen.
Fullerene ? Wikipedia

Meine Frage ist nun, wie Groß darf die Materie überhaupt sein, damit sie noch Wellencharakter hat?
Materiewelle ? Wikipedia
Im Film wird die Frage von Einstein bezügl. des Mondes angesprochen, warum der noch da sei, wenn man ihn nicht anschaut (bzw. misst) und diese damit erklärt, daß der Mond ja ständig gemessen wird, da er mit
anderen Teilchen, z.B. dem Sonnenwind und ähnlichem interagiert.


Wie würde dies aber nun aussehen, wenn man den Mond vom Sonnenwind, Teilchenstrahlen und anderen Einflüssen, wie z.b. einzelnen Wasserstoffatomen im Vakuum abschirmen könnte?
Würde er dann Wellencharakter aufzeigen können?
Und wenn nein, warum nicht?
Die Größe allein reicht mir als Erklärung nicht, ich würde es gerne genauer wissen.


Dann würde ich noch gerne wissen, bei welchen Arten von Messungen/Einflüssen von/auf z.B. Fluorenen diese keinen Wellencharakter mehr haben?
Gilt das für alle Arten von Messungen bzw. Einflüsse oder gibt es auch welche, die hier nicht zu einem aufhören des Wellencharakters führen?

Bei Messung durch Materieteilchen oder elektromagnetische Wellen (Protonen = auch Teilchen) dürfte es klar sein, hier müßten die Fluorene IMO die Welleneigenschaft verlieren, wenn sie damit in Berühung kommen bzw. damit interagieren.
Aber wie sieht es mit der Gravitation und elektrischen und magnetischen Feldern aus?

Und zu letzteren beiden würde ich gerne wissen, was jetzt aber auch ein ganz anderes Thema wäre, sind diese an Elektromagnetische Wellen gebunden?
Also kann es überhaupt elektrische oder magnetische Felder geben, wenn keine Elektromagnetischen Wellen (Teilchen von Protonen) in der Nähe sind, bzw. wodurch werden diese Felder überhaupt ausgemacht, wie muß man sich das vorstellen?
Wenn ich mir nen stromdurchflossenen Draht im Vakkum vorstelle, dann besitzt dieser ja wegen dem Strom schonmal ein Magnetfeld. Wenn ich den Draht aber mit einer Dipolantenne verbinde,
dann sendet er elektromagnetische Wellen aus, demnach mäßte ein elektrisches Feld aus elektromagnetischen Wellen bestehen. Ist dies richtig?


Nun aber nochmal zurück zu den Materiewellen:

Was war das größte Experiment mit der größten getesten Materie, bei dem die Materie noch Wellencharakter hatte?
Ging es noch weiter als mit Fullerenen?
Hat man schonmal darüber nachgedacht, das Doppelspaltexperiment mit einem sehr kleinen Satelliten durchzuführen?

Denn so wie ich das verstehe, könnte das eigentliche Problem, warum im makroskopischen Bereich der Wellencharakter noch nicht festgestellt wurde, ja auch sein, daß es ja kaum ein perfektes Vakuum gibt.
Und weil das so ist, waren bestenfalls nur solche Experiemente mit sehr kleinen Molekühlen wie die Fullerene möglich, denn sie waren so klein, daß sie während dem Experiement durch reinen Zufall nicht auf ein anderes Element (wie z.B. Wasserstoffatome) in dem künstlichen Vakuum trafen und somit eine Messung nicht möglich war, die den Wellencharakter verhindern hätte können.
Der Nachweis des Wellencharakters war also dadurch möglich.
Macht man aber die Materieobjekte größer, dann steigt die Wahrscheinlichkeit, daß sie im unperfekten Vakuum auf irgend ein Teilchen treffen und somit das Experiment verfälscht wird, bzw. der Wellencharakter nicht mehr aufgezeigt werden kann, denn die Grundaussage des Videos ist ja,
daß Materie gemessen werden muß, damit der Wellencharakter nicht mehr auftritt.

[Agent Scullie]

Meine Frage ist nun, wie Groß darf die Materie überhaupt sein, damit sie noch Wellencharakter hat?

beliebig. Nach deBroglie gilt für ein beliebiges Objekt:

(Wellenlänge) = (Plancksche Konstante) / (Impuls)

wobei nichtrelativistisch

(Impuls) = (Masse) * (Geschwindigkeit)

Irgendwelche Grenzmassen oder Grenzgrößen gibt es dabei nicht. Allerdings ist bei makroskopischen Objekten aufgrund ihrer großen Masse schon bei verschwindend kleinen Geschwindigkeiten die Wellenlänge unmessbar klein, so dass die Welleneigenschaften kaum noch messbar sind.

Im Film wird die Frage von Einstein bezügl. des Mondes angesprochen, warum der noch da sei, wenn man ihn nicht anschaut (bzw. misst) und diese damit erklärt, daß der Mond ja ständig gemessen wird, da er mit
anderen Teilchen, z.B. dem Sonnenwind und ähnlichem interagiert.


Wie würde dies aber nun aussehen, wenn man den Mond vom Sonnenwind, Teilchenstrahlen und anderen Einflüssen, wie z.b. einzelnen Wasserstoffatomen im Vakuum abschirmen könnte?
Würde er dann Wellencharakter aufzeigen können?

selberstverständlich. Wobei man wissen muss, dass der Mond aufgrund der ständigen Beobachtungen in einem Quantenzustand ist, wo er stark lokalisiert ist, was einem sogenannten Wellenpaket entspricht, wo viele Wellenlängen durcheinandergemischt sind (man erkennt hier die Unschärferelation: ein Objekt mit wohldefinieter Wellenlänge und damit wohldefiniertem Impuls ist als ebene Welle im Raum vollständig delokalisiert, ein lokalisiertes Objekt hingegen hat als Wellenpaket keine eindeutige Wellenlänge und keinen eindeutigen Impuls).
Würde man jetzt alle Einflüsse auf den Mond abschalten, würde sein Quantenzustand nicht unverzüglich in den einer ebenen Welle übergehen, sondern als Wellenpaket allmählich zerfließen, d.h. im Raum immer stärker delokalisiert werden. Aufgrund der großen Masse des Mondes würde dieser Vorgang aber sehr lange dauern.

Dann würde ich noch gerne wissen, bei welchen Arten von Messungen/Einflüssen von/auf z.B. Fluorenen diese keinen Wellencharakter mehr haben?

Quantenobjekte haben immer Welleneigenschaften, jedoch gibt es Messungen, bei denen diese keine Auswirkungen haben.

In der Frühphase der Quantenphysik ging man noch von einem Welle-Teilchen-Dualismus aus, d.h. dass ein Quantenobjekt manchmal ein Teilchen und manchmal eine Welle sei, die Vorstellung ist aber seit 1925 überholt. Seither geht man davon aus, dass ein Quantenobjekt weder Welle noch Teilchen (im klassischen Sinne) ist, sondern eben ein Quantenobjekt, das sowohl Eigenschaften einer klassischen Welle als auch eines klassischen Teilchens hat.

Bei Messung durch Materieteilchen oder elektromagnetische Wellen (Protonen = auch Teilchen) dürfte es klar sein, hier müßten die Fluorene IMO die Welleneigenschaft verlieren, wenn sie damit in Berühung kommen bzw. damit interagieren.

tun sie aber nicht. Was wohl passieren kann ist, dass der Quantenzustand eines Quantenobjekts durch eine Messung stark lokalisiert wird ("Kollaps der Wellenfunktion"), dabei geht aber nicht die Welleneigenschaft verloren, es wird nur ein stark lokalisiertes Wellenpaket erzeugt.

Man könnte lediglich insofern von einem Verlust der Welleneigenschaft sprechen, als dass man bei Wellen meist an eher monofrequente Wellen mit wohldefinierter Wellenlänge denkt, so dass ein lokalisiertes Wellenpaket nicht der Vorstellung einer Welle entspricht.

Und zu letzteren beiden würde ich gerne wissen, was jetzt aber auch ein ganz anderes Thema wäre, sind diese an Elektromagnetische Wellen gebunden?
Also kann es überhaupt elektrische oder magnetische Felder geben, wenn keine Elektromagnetischen Wellen (Teilchen von Protonen) in der Nähe sind,

ja sicher. Elektromagnetische Wellen sind nur der freie Strahlungsanteil des EM-Feldes, das ist in der Quantenelektrodynamik genauso wie in der klassischen Elektrodynamik. Es ist lediglich so, dass in der QED der Nichtstrahlungsanteil des Feldes weitaus schwierig zu behandeln ist als der Strahlungsanteil, weswegen man sich Näherungsverfahren wie der Störungsrechnung bedient, wo es dann so aussieht, als würden vom EM-Feld getragene Wechselwirkungsprozesse zwischen elektrisch geladenen Teilchen durch den Austausch virtueller Photonen vermittelt werden.

bzw. wodurch werden diese Felder überhaupt ausgemacht, wie muß man sich das vorstellen?

so ähnlich wie in der klassischen Feldtheorie: du hast an jedem Punkt x^mu im Raum einen Feldstärkewert A^mu(x^mu). Dieser ist das Viererpotential, von dem sich die elektrische und magnetische Feldstärke ableiten. EM-Wellen entsprechen dann einer bestimmten Klasse von Feldkonfigurationen. Der Übergang zur Quantenfeldtheorie sieht dann so aus, dass der Feldstärkewert nicht mehr wohldefiniert ist, sondern mit einer Unschärfe behaftet ist, was durch eine Wellenfunktion auf dem Raum der Feldkonfigurationen beschrieben werden kann.

Du kannst dir das so klar machen:
Beim Übergang von der klassischen Mechanik der Punktteilchen zur Quantenmechanik wird der klassische Teilchenort x "verschmiert", was durch eine Wellenfunktion psi(x) ausgedrückt wird.
Analog wird beim Übergang von der klassischen Feldtheorie zur Quantenfeldtheorie die klassischen Feldkonfiguration A(x) "verschmiert", d.h. der Feldstärkewert an einem bestimmten Punkt ist nicht mehr wohldefiniert, was durch eine Wellenfunktion psi[A(x)] über alle Feldkonfigurationen beschrieben wird.

Wichtig ist: du musst erst einmal die klassische Feldtheorie verstanden haben, bevor du dich an die Quantenfeldtheorie heranwagen kannst.

Wenn ich mir nen stromdurchflossenen Draht im Vakkum vorstelle, dann besitzt dieser ja wegen dem Strom schonmal ein Magnetfeld. Wenn ich den Draht aber mit einer Dipolantenne verbinde,
dann sendet er elektromagnetische Wellen aus,

nur wenn's ein Wechselstrom ist. Ein von Gleichstrom durchflossene Antenne sendet nicht.

demnach mäßte ein elektrisches Feld aus elektromagnetischen Wellen bestehen.

anders rum: elektromagnetische Wellen "bestehen" aus einem elektrischen und einem magnetischen Feld. Das EM-Feld ist fundamental als seine Feldwellen, so ähnlich wie die Luft fundamentaler ist als Luftschwingungen in Form von Schallwellen. Die Luft "besteht" ja auch nicht aus Schallwellen.

[Cordess]

WOW, Danke für die ausführliche Antwort, eine Frage habe ich jetzt aber noch zu folgendem:

selberstverständlich. Wobei man wissen muss, dass der Mond aufgrund der ständigen Beobachtungen in einem Quantenzustand ist, wo er stark lokalisiert ist, was einem sogenannten Wellenpaket entspricht, wo viele Wellenlängen durcheinandergemischt sind (man erkennt hier die Unschärferelation: ein Objekt mit wohldefinieter Wellenlänge und damit wohldefiniertem Impuls ist als ebene Welle im Raum vollständig delokalisiert, ein lokalisiertes Objekt hingegen hat als Wellenpaket keine eindeutige Wellenlänge und keinen eindeutigen Impuls).
Würde man jetzt alle Einflüsse auf den Mond abschalten, würde sein Quantenzustand nicht unverzüglich in den einer ebenen Welle übergehen, sondern als Wellenpaket allmählich zerfließen, d.h. im Raum immer stärker delokalisiert werden. Aufgrund der großen Masse des Mondes würde dieser Vorgang aber sehr lange dauern.

In dem Video wird ja ein Photon durch einen Doppelspalt geschossen und aufgrund der Delokalisiertheit und dem Doppelspalt wird es irgendwo auf dem Schirm zwischen weit links und weit rechts wieder angezeigt.
Nimmt man den Doppelspalt weg und ersetzt ihn durch nur einen Spalt, dann
bleibt das Photon auf einem schmalen Streifen in der Mitte.

Kurz gesagt, dank des Doppelspalt kann man das Photon stark ablenken.
Daher müßte doch so eine Ablenkung auch mit Gammastrahlung funktionieren, denn die besteht ja auch aus Photonen.
Etwas, was eigentlich ja kaum möglich ist, denn Gammastrahlung läßt sich normalerweise nicht ablenken, z.B. weder durch Magnetfelder noch durch elektrische Felder, aber mit einem einfachen Doppelspalt müßte dies ja jetzt eigentlich funktionieren.
Ist das so richtig?


Und dann noch etwas.
Wenn wir nun den Doppelspalt anstatt vertikal auf der Erde, wie er im Video veranschaulicht wird, in horizontaler Richtung zur Erde in einer Umlaufbahn anbringen und nun ein Photon durch diesen durchschiesen.
Dann müßte man damit ja die Höhe der Umlaufbahn des Photons beeinflußen können.
Denn entsprechend dem links und rechts auf dem Schirm müßte nun das Photon in hoher oder tiefer Umlaufbahn wieder erscheinen, wenn
man es lokalisieren würde, also irgendwas damit macht, was dem auftreffen auf einem Schirm entspricht.

Übertragen wir das nun auf Masseobjekte, dann müßte es ja möglich sein ein Raumschiff, daß wir zuvor komplett delokalisieren und nun durch einen Doppelspalt schießen ohne viel Energieaufwand auf eine andere Umlaufbahn zu bringen.
Wäre das möglich?
In der Raumfahrt wäre das zumindest ein riesen Fortschritt.

Oder könnte es sein, daß die Gravitation hier einen großen Strich durch die Rechnung macht?
Wie würde sich das delokalisierte Photon beim Doppelspaltversuch verhalten, wenn man auf die Linke Seite des Schirmes ein starkes Gravitationsfeld bzw. Massereiches Objekt anbringen würde?
Würde sich dann die statistische Wahrscheinlichkeit, wo das Photon auftritt sich dann hin zugunsten des Gravitationsfeldes auf der Linken Seite verschieben?


BTW, die UFO Fantastereien bzw. Geschichten in denen ja immer beschrieben wird,
daß die Dinger beim Fliegen unsichtbar werden würden, hätten dann sogar einen wissenschaftlichen
Anhaltspunkt, den dies würde einer Delokalisierung der Ufomasse entsprechen.
Nicht das ich jetzt was von den UFO Geschichten halte, aber für Science Fiction Filme wäre das ne tolle Erklärung.

Wichtig ist: du musst erst einmal die klassische Feldtheorie verstanden haben, bevor du dich an die Quantenfeldtheorie heranwagen kannst.

Ja, ich denke ich muß mich da mal etwas genauer einarbeiten.
Deine Erklärung fand ich aber schon sehr gut.

[Agent Scullie]

Kurz gesagt, dank des Doppelspalt kann man das Photon stark ablenken.
Daher müßte doch so eine Ablenkung auch mit Gammastrahlung funktionieren, denn die besteht ja auch aus Photonen.
Etwas, was eigentlich ja kaum möglich ist, denn Gammastrahlung läßt sich normalerweise nicht ablenken, z.B. weder durch Magnetfelder noch durch elektrische Felder, aber mit einem einfachen Doppelspalt müßte dies ja jetzt eigentlich funktionieren.

sicher, nur müsste die Breite jedes der beiden Spalte in der Größenordnung der Wellenlänge liegen. Zudem sollte die Dicke des Materials, in das der Doppelspalt eingelassen ist, nicht größer als die Spaltbreite sein. Für Gammastrahlen ist beides nicht realisierbar: die Wellenlänge von Gammastrahlen liegt unterhalb eines Atomradius, zugleich müssen Materialien, die gammastrahlenundurchlässig sein sollen, mindestens einige Zentimeter dick sein.

Und dann noch etwas.
Wenn wir nun den Doppelspalt anstatt vertikal auf der Erde, wie er im Video veranschaulicht wird, in horizontaler Richtung zur Erde in einer Umlaufbahn anbringen und nun ein Photon durch diesen durchschiesen.
Dann müßte man damit ja die Höhe der Umlaufbahn des Photons beeinflußen können.
Denn entsprechend dem links und rechts auf dem Schirm müßte nun das Photon in hoher oder tiefer Umlaufbahn wieder erscheinen, wenn
man es lokalisieren würde, also irgendwas damit macht, was dem auftreffen auf einem Schirm entspricht.

ganz recht.

Übertragen wir das nun auf Masseobjekte, dann müßte es ja möglich sein ein Raumschiff, daß wir zuvor komplett delokalisieren und nun durch einen Doppelspalt schießen ohne viel Energieaufwand auf eine andere Umlaufbahn zu bringen.
Wäre das möglich?

das Problem wird darin bestehen, das Raumschiff zu delokalisieren. Und selbst wenn das gelingen würde, so wäre die Umlaufbahn, in der man es beim Beobachten vorfindet, rein zufällig, man könnte es also nicht gezielt auf eine gewünschte Bahn bringen.

Oder könnte es sein, daß die Gravitation hier einen großen Strich durch die Rechnung macht?
Wie würde sich das delokalisierte Photon beim Doppelspaltversuch verhalten, wenn man auf die Linke Seite des Schirmes ein starkes Gravitationsfeld bzw. Massereiches Objekt anbringen würde?

die Wellenfunktion eines Teilchens in einen Potential fällt natürlich mit anwachsendem Potential stark ab. Deswegen ist auch die Wahrscheinlichkeit, ein zu einem Atom gehörendes Elektron in Kernnähe zu finden, größer als es in großer Entfernung vom Kern zu finden. Beim Photonen im Gravitationsfeld wäre entsprechend auf der dem Gravitationszentrum zugewandten Seite die Wahrscheinlichkeit, das Photon dort vorzufinden, erhöht.

Würde sich dann die statistische Wahrscheinlichkeit, wo das Photon auftritt sich dann hin zugunsten des Gravitationsfeldes auf der Linken Seite verschieben?

ganz recht.

BTW, die UFO Fantastereien bzw. Geschichten in denen ja immer beschrieben wird,
daß die Dinger beim Fliegen unsichtbar werden würden, hätten dann sogar einen wissenschaftlichen
Anhaltspunkt, den dies würde einer Delokalisierung der Ufomasse entsprechen.

keineswegs. Wenn ein Ufo unsichtbar wird, wird es ja währenddessen beobachtet. Es kann also keine quantenmechanische Delokalisierung eintreten.

[Cordess]

das Problem wird darin bestehen, das Raumschiff zu delokalisieren. Und selbst wenn das gelingen würde, so wäre die Umlaufbahn, in der man es beim Beobachten vorfindet, rein zufällig, man könnte es also nicht gezielt auf eine gewünschte Bahn bringen.

Ja, das wäre dann Glücksspiel und da du, wie weiter unten angegeben sagst, daß die Gravitation für eine tendenzielle Richtung sorgen würde, wäre es sogar ein Glücksspiel mit hoher Höhenverlustwahrscheinlichkeit
und damit leider sinnlos.

keineswegs. Wenn ein Ufo unsichtbar wird, wird es ja währenddessen beobachtet. Es kann also keine quantenmechanische Delokalisierung eintreten.

Das ist auch wieder wahr.
Daran habe ich nicht gedacht.

Und wenn es ein Tarnschild hätte, so daß nicht mehr bekannt ist wo es ist und es erst dann delokalisiert, könnte es dann dank Quantennichtlokalisierbarkeit wenigstens im Raum herumspringen
oder wäre hier bestensfalls immer nur eine Richtungsänderung, aber niemals eine Streckenänderung möglich, da wir ja nach normalem Physikverständnis immer von einer bestimmten Eingangsgeschwindigkeit ausgehen müßten und damit die erzielbare Strecke definiert wäre?
Kurz gesagt, würde die Quantennichtlokalisierbarkeit theoretisch Raum für einen Sprungantrieb schaffen?

[Agent Scullie]

Und wenn es ein Tarnschild hätte, so daß nicht mehr bekannt ist wo es ist und es erst dann delokalisiert, könnte es dann dank Quantennichtlokalisierbarkeit wenigstens im Raum herumspringen

es würde aber relativ lange dauern, bis sich die Wellenfunktion des Raumschiffes hinreichend delokalisiert hätte. Und selbst dann wäre der Punkt, an den das Raumschiff springt, rein zufällig.

Zum Umgehen der Lichtgeschwindigkeitsgrenze wäre das auch nicht brauchbar: in der relativistischen Quantentheorie kann die Delokalisierung nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit anwachsen.