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... [10][11][12] Quantum eraser has now been experimentally realized by various people using photons. [13][14][15][16][17][18][19][20][21][22][23] There have been some other proposals using neutral kaons 24 , using a modified Stern-Gerlach steup, 25 and also using atoms in an optical Strern-Gerlach model. 26 The idea of quantum eraser has also been generalized to three-path interference. ...
... However, there is another aspect of it which has not been recognized in the earlier studies of delayed-choice experiments. Notice that (14) implies that looking at which detector the quanton has landed in, one can now predict which of the two which-way detector states, |+ or |− , will be surely obtained in a measurement. So, eventhough the which-way information is erased after the quanton is registered in a detector, the quanton retains another kind of information about the which-way detector. ...
... One can now make a comparison of the quantum eraser experiment using Mach-Zehnder setup with the two entangled spins considered in section III. Let us first write (14) in a slightly different form ...
The delayed-choice quantum eraser has long been a subject of controversy, and has been looked at as being incomprehensible to having retro-causal effect in time. Here the delayed-choice quantum eraser is theoretically analyzed using standard quantum mechanics. Employing Mach-Zehnder interferometer, instead of a conventional two-slit interference, brings in surprising clarity. Some common mistakes in interpreting the experiment are pointed out. It is demonstrated that in the delayed mode there is no which-way information present after the particle is registered on the screen or the final detectors, contrary to popular belief. However, it is shown that another kind of information is present even after the particle is registered in the final detectors. The registered particle can be used to predict the results of certain yet to be made measurements on the which-way detector. This novel correlation can be tested in a careful experiment. It is consequently argued that there is no big mystery in the experiment, and no retro-causal effect whatsoever.
... Various realizations of the quantum eraser in more or less traditional systems have been reported so far. First experiments in this direction employed entangled optical photon pairs for the study of interference [16] and momentum-position complementarity [17][18][19], while later on also more exotic systems have been employed or envisaged, for instance, mesoscopic systems [20,21], kaons [22], nuclear spins [23], continuousvariable quantum erasing using field quadrature amplitude and phases [24] or ultrafast quantum emitters in microcavities [25]. We note that most of these setups address the position-momentum complementarity, with few exceptions [16,22,24]. ...
... Specifying Eqs. (18), (21) and (23) to this case and following the procedure as it has been employed for a sudden turn off of the magnetic field in Ref. [54], we finally obtain the following scattering output (in first order) coming from target 2, ...
A new quantum eraser setup exploiting for the first time the time-energy complementarity relation in the x-ray regime is investigated theoretically. Starting point is the interference process between x-ray quanta driving two nuclear hyperfine transitions in a nuclear forward scattering setup. We show that which-way information can be obtained by marking the scattering paths with orthogonal polarization states, thus leading to the disappearance of the interference pattern. In turn, erasure of the which-way information leads to the reappearance of the interference fringes. We put forward two schemes using resonant scattering off nuclear targets and design which-way marking procedures to realize the quantum eraser setup for x-ray quanta.
... However, there exists quantum entanglement for quantum fields. The strong quantum correlations between two entangled fields can lead to disappearance of interference in one field from the distinguishability of the other [5,6] and recovery of interference by erasure of this distinguishability through projection measurement [2,3]. Moreover, it is even possible to remotely manipulate the coherence property of one field by controlling the other entangled field [7]. ...
In classical coherence theory, coherence time is typically related to the bandwidth of the optical field. Narrowing the bandwidth by optical filtering will result in the lengthening of the coherence time. In the case of a delayed pulse photon interference, this will lead to pulse overlap and recovery of interference, which is otherwise absent due to time delay. However, this is changed for entangled optical fields. In this Letter, we investigate how the temporal coherence of the fields in a pulse-pumped SU(1,1) interferometer changes with the bandwidth of optical filtering. We find that the effect of optical filtering is not similar to the classical coherence theory in the presence of quantum entanglement. A full quantum theory is presented and can explain the phenomena well.
... Stated differently a nesting argument 16,[19][20][21] essentially "enlarges" the domain of reversibility to include whatever resources or regions of (Hilbert or configuration) space are necessary to re-establish reversibility, thereby disputing any irreversibility postulated by quantum mechanics. [24][25][26][27][28][29][30][31][32] For all practical purposes 33 quantum systems remain "epistemically" irreversible, 34,35 but so are classically reversible statistical systems, for which the entropy increase dissolves into thin air as one looks "closer" at individual constituents. 36 Having just avoided the quantum Scylla of "irreversibility through reversibility" brings us closer to the quantum Charybdis of "quantum jellification" by the prevailing quantum superposition of classically distinct states of matter and mind, described so vividly in the late Schrödinger's Dublin seminars, 18 repeating the cat paradox 17 in terms of jellyfish. ...
Quantum physical resources are directional quantities that can be formalized by unit vectors or the associated orthogonal projection operators. When compared to classical computational states which are elements of (power) sets vector computations offer (dis)advantages.
... So, the fate of the second beam splitter is decided after the photon has enteresd the MZI hence there is no way for a photon to know beforehand if the beam splitter is present or absent. "Quantum eraser " experiments have been studied to understand the dual nature of quantum objects [16][17][18]. In addition to that, multi-slit interference has also been studied, there are some reported three-slit experiments [19][20][21]. ...
The mystical properties of quantum mechanics have been under investigation for quite a while now. Wave-particle duality, superposition, entanglement, etc. are extensively studied to understand the foundational nature of quantum mechanics. We, here, report a two-photon version of the delayed-choice experiments in the IBM Q experience platform. We devise a circuit which is equivalent to sending two entangled photons into two different Mach-Zehnder interferometers, one of which, is controlled by an ancilla. For different states of ancilla, the results show that these two photons exhibit particle-like, wave-like and also simultaneously both wave-like and particle-like behavior.
... An analogue of the Mach-Zehnder interferometer was used by the group of A. Aspect with the primary intention to test Bell's inequalities [7] showing that Wheeler's predictions were correct. Other groups [8,9,10,11,12,13] arrived at similar results. In order to investigate the problem further, a quantum eraser was used. ...
We discuss the problem of time in quantum mechanics. In the traditional formulation of quantum mechanics time enters the model as a~parameter, not an observable, as was suggested by the famous Pauli theorem. It is now known, that Pauli's assumptions were too strong and that by removing some of them time can be represented as a~quantum observable. In this case, instead of the unitary time evolution, other operators which map the initial space of states into the final space of states at each step of the evolution can be used. This allows to treat time as a~quantum observable in a~consistent way
... Now let us look in more detail at modifications of double-slit experiments spanning more than two decades (e.g., Scully and Drühl 1982;Zajonc et al. 1991;Walborn et al. 2002) that reproduce the double-slit experiment but use quantum methodologies with two ends in mind: First is to eliminate the need for any physical measurement that can scatter or introduce large uncontrolled phase factors. These would cause a disruption of the wave and collapse it. ...
We examine the issue of the Heisenberg-von Neumann cut in light of recent interpretations of quantum eraser experiments which indicate the possibility of a universal Observer outside space-time at an information level of existence. The delayed-choice aspects of observation, measurement, the role of the observer, and information in the quantum framework of the universe are discussed. While traditional double-slit experiments are usually interpreted as indicating that the collapse of the wave function involves choices by an individual observer in space-time, the extension to quantum eraser experiments brings in some additional subtle aspects relating to the role of observation and what constitutes an observer. Access to, and the interpretation of, information outside space and time may be involved. This directly ties to the question of where the Heisenberg-von Neumann cut is located and what its nature is. Our model is an interpretation which we term the Enhanced Orthodox Interpretation of Quantum Mechanics. It does not contradict the standard orthodox interpretation, but we believe it extends it by approaching von Neumann’s work in a new way. The Enhanced Orthodox Interpretation accepts the presence of a universal Observer, retaining the importance of observation augmented by the role of information. There is a possibility that individual observers making choices in space and time are actually aspects of the universal Observer, a state masked by assumptions about individual human minds that may need further development and re-examination.
... However, the interference pattern reappears if the which-path information is further manipulated after the marked photons have passed through the double slits to obscure the which-path markings. Since 1982, multiple experiments have demonstrated the validity of the so-called quantum "eraser" [9][10] [11]. ...
We approach wave particle duality, the role of the observer and implications on Retrocausality, by starting with the results of a well verified quantum experiment. We analyze how some current theoretical approaches interpret these results. We then provide an alternative theoretical framework that is consistent with the observations and in many ways simpler than usual attempts to account for retrocausality, involving a non-local conscious Observer.
... However, the interference pattern reappears if the which-path information is further manipulated after the marked photons have passed through the double slits to obscure the which-path markings. Since 1982, multiple experiments have demonstrated the validity of the so-called quantum "eraser"[9][10][11]. Versions of the quantum eraser using entangled photons, however, are intrinsically non-classical. ...
We approach wave particle duality, the role of the observer and implications on Retrocausality, by starting with the results of a well verified quantum experiment. We analyze how some current theoretical approaches interpret these results. We then provide an alternative theoretical framework that is consistent with the observations and in many ways simpler than usual attempts to account for retrocausality, involving a non-local conscious Observer.
Imaging with undetected photons (IUP) enables the possibility of sensing changes in the phase and the transmission of a beam of light that need never be detected. This has led to the possibility of infrared sensing with visible silicon camera technology, for example. Relying on the interference of two identical pairs of photons, IUP was initially achieved using unidirectional paths through two nonlinear crystal pair sources. More recently, folded arrangements using bidirectional paths through a single-crystal have become common for their simplicity. Here, we theoretically model and experimentally implement a novel setup involving three interference paths through a single nonlinear crystal. This establishes two independent IUP sensing modes in addition to a third linear interference mode. We achieve this using a polarization state quantum eraser approach, with excellent agreement between experiment and theory. This system provides a new route to control and optimize IUP interference in a single-crystal folded arrangement by using controllable quantum erasure to balance the interferometer, opening the door to new implementations and applications for IUP.
Quantum illumination has been proposed and demonstrated to improve the signal-to-noise ratio (SNR) in light detection and ranging (LiDAR). When relying on coincidence detection alone, such a quantum LiDAR is limited by the timing jitter of the detector and suffers from jamming noise. Inspired by the Zou-Wang-Mandel experiment, we design, construct, and validate a quantum induced coherence (QuIC) LiDAR which is inherently immune to ambient and jamming noises. In traditional LiDAR the direct detection of the reflected probe photons suffers from deteriorating SNR for increasing background noise. In QuIC LiDAR we circumvent this obstacle by only detecting the entangled reference photons, whose single-photon interference fringes are used to obtain the distance of the object, while the reflected probe photons are used to erase path information of the reference photons. In consequence, the noise accompanying the reflected probe light has no effect on the detected signal. We demonstrate such noise resilience with both LED and laser light to mimic the background and jamming noise. The proposed method paves a new way of battling noise in precise quantum electromagnetic sensing and ranging.
The problem of quantum time and evolution of quantum systems, where time is not a parameter, is considered. In our model, following some earlier works, time is represented by a quantum operator. In this paper, similarly to the position operators in the Schrödinger representation of quantum mechanics, this operator is a multiplication-type operator. It can be also represented by an appropriate positive operator-valued measure (POVM) which together with the 3D position operators/measures provide a quantum observable giving a position in the quantum spacetime. The quantum evolution itself is a stochastic process based on Lüder’s projection postulate. In fact, it is a generalization of the unitary evolution. This allows to treat time and generally the spacetime position as a quantum observable, in a consistent and observer-independent way.
We report a method of homodyne detection that can recover otherwise lost interference effect in an unbalanced SU(1,1) interferometer. The indistinguishability due to amplitude measurement and slow detection is responsible for the recovery of interference.
Two processes of photon-pair creation can be arranged such that the paths of the emitted photons are identical. The path information is thereby not erased but rather never born in the first place due to this path identity. In addition to its implications for fundamental physics, this concept has recently led to a series of impactful discoveries in the fields of imaging, spectroscopy, and quantum information science. Here the idea of path identity is presented and a comprehensive review of recent developments is provided. Specifically, the concept of path identity is introduced based on three defining experimental ideas from the early 1990s. The three experiments have in common that they contain two photon-pair sources. The paths of one or both photons from the different sources overlap such that no measurement can recognize from which source they originate. A wide range of noteworthy quantum interference effects (at the single- or two-photon level), such as induced coherence, destructive interference of photon pairs, and entanglement generation, are subsequently described. Progress in the exploration of these ideas has stagnated and has gained momentum again only in the last few years. The focus of the review is the new development in the last few years that modified and generalized the ideas from the early 1990s. These developments are overviewed and explained under the same conceptual umbrella, which will help the community develop new applications and realize the foundational implications of this sleeping beauty.
We present a tutorial on the phenomenon of induced coherence without induced emission, and specifically its application to imaging and metrology. It is based on a striking effect where two nonlinear crystals, by sharing a coherent pump and one or two output beams, can induce coherence between the other two output beams. This can be thought of as a type of quantum-erasure effect, where the “welcher-weg” (which-way), or in this case, “which-source,” information is erased when the shared beams are aligned. With the correct geometry, this effect can allow an object to be imaged using only photons that have never interacted with the object—in other words, the image is formed using undetected photons. Interest in this and related setups has been accelerating in recent years due to a number of desirable properties, mostly centered around the fact that the fields for detection and imaging (since separate) may have different optical properties, entailing significant advantages for various applications. The purpose of this tutorial is to introduce researchers to this area of research, to provide practical tools for setting up experiments as well as understanding the underlying theory, and also to provide a comprehensive overview of the sub-field as a whole.
The expression of human art, and supposedly sentient art in general, is modulated by the available rendition, receiving and communication techniques. The components or instruments of these techniques ultimately exhibit a physical, in particular, quantum layer, which in turn translates into physical and technological capacities to comprehend and utilize what is possible in our universe. In this sense, we can apply a sort of Church-Turing thesis to art, or at least to its rendition.KeywordsQuantum computer musicQuantum music theoryMusic perceptionChurch–Turing thesisBose and Fermi modelling
It is known that quantum interference can disappear with the mere possibility of distinguishability without actually performing the act but can be restored by erasing the path information. A common erasure method is by conditional projective measurement known as a “quantum eraser.” On the other hand, the essence of quantum interference is amplitude addition. So, direct amplitude measurement and subsequent addition can also lead to the recovery of interference. In this paper, we create temporal distinguishability in an unbalanced SU(1,1) interferometer and observe no interference in the direct photodetection of the outputs. Different from the quantum eraser scheme, we recover interference via amplitude measurement by homodyne detection even with distinguishability in photon generation but no conditional projective measurement. The new mechanism of recovering interference can be applied to other unbalanced interferometers and should have practical applications in quantum metrology and sensing.
We report a method of homodyne detection that can recover otherwise lost interference effect in an unbalanced SU(1,1) interferometer. The indistinguishability due to amplitude measurement and slow detection is responsible for the recovery of interference.
A realizable delayed-choice quantum eraser, using a modified Mach-Zehnder (MZ) interferometer and polarization entangled photons, is theoretically analyzed here. The signal photon goes through a modified MZ interferometer, and the polarization of the idler photon provides path information for the signal photon. The setup is very similar to the delayed-choice quantum eraser experimentally studied by the Vienna group. In the class of quantum erasers with discrete output states, it is easy to see that the delayed mode leaves no choice for the experimenter. The which-way information is always erased, and every detected signal photon fixes the polarization state of the idler, and thus gives information on precisely how the signal photon traversed the two paths. The analysis shows that the Vienna delayed-choice quantum eraser is the first experimental demonstration of the fact that the delayed mode leaves no choice for the experimenter, and the which-way information is always erased. Additionally it is shown that this argument holds even in a conventional two-slit quantum eraser. Every photon registered anywhere on the screen, fixes the state of the two-state which-way detector in a unique mutually unbiased basis. In the delayed-choice quantum eraser experiments, the role of mutually unbiased basis sets for the which-way detector, has been overlooked till now.
If quantum mechanics is taken for granted, the randomness derived from it may be vacuous or even delusional, yet sufficient for many practical purposes. “Random” quantum events are intimately related to the emergence of both space-time as well as the identification of physical properties through which so-called objects are aggregated. We also present a brief review of the metaphysics of indeterminism.
Complementarity is one of the main features of quantum physics that radically departs from classical notions. Here we consider the limitations that this principle imposes due to the unpredictability of measurement outcomes of incompatible observables. For two-level systems, it is shown that any preparation violating complementarity enables the preparation of a non-signalling box violating Tsirelson’s bound. Moreover, these “beyond-quantum” objects could be used to distinguish a plethora of non-orthogonal quantum states and hence enable improved cloning protocols. For higher-dimensional systems the main ideas are sketched.
The delayed-choice quantum eraser has long been a subject of controversy, and has been looked at as being incomprehensible to having retro-causal effect in time. Here the delayed-choice quantum eraser is theoretically analyzed using standard quantum mechanics. Employing Mach-Zehnder interferometer, instead of a conventional two-slit interference, brings in surprising clarity. Some common mistakes in interpreting the experiment are pointed out. It is demonstrated that in the delayed mode there is no which-way information present after the particle is registered on the screen or the final detectors, contrary to popular belief. However, it is shown that
another kind of path information is present even after the particle is registered in the final detectors. The registered particle can be used to predict the results of certain yet to be made measurements on the which-way detector. This novel correlation can be tested in a careful experiment. It is consequently argued that there is no big mystery in the experiment, and no retro-causal effect whatsoever.
We examine aspects of observation, measurement, the role of the observer, and information in the quantum framework of the universe. The results of a class of quantum eraser experiments carried out in the laboratory can be interpreted as indicating that the collapse of the wave function may not necessarily involve choices by observers in space-time. Instead, it is the access to and interpretation of information, outside of space and time, which may be involved. Although not contradicting the standard orthodox interpretation, we believe it extends it and enriches it. Our interpretation is consistent with the presence of a universal Observer in the quantum universe of possibilities. The implications for the quantum universe and the role of the mind are discussed and explored, such as the need for a universal Observer. There is a possibility that individual observers making choices in space and time are really aspects of the existence of the universal Observer.
The Thesis discusses theoretically a Quantum eraser in a double slit experiment with two four-level ions in order to visualize the decoherence time of a quantum measurement process.
We present an idea for the doubly tagged delayed-choice tunable quantum eraser in a cavity QED setup, based on fully controlled resonant as well as dispersive atom-field interactions. Two cavity fields, bound initially in the Bell state, are coupled to a three-level atom. Such an atom is initially prepared in the coherent superposition of the lower two levels and is quite capable of exhibiting Ramsey fringes if taken independently. It is shown that the coherence lost due to tagging can not only be retrieved but that the fringe visibility/path distinguishability can also be conditionally tuned in a delayed manner through local manipulation of the entangled cavity fields. The stringent condition here is the retainment of the system's coherence during successive manipulations of the individual cavity fields. Such a quantum eraser, therefore, prominently highlights the links among all the counterintuitive features of quantum theory including the conception of time, measurement, state vector reduction, coherence and information in an unambiguous manner. The schematics can be straightforwardly extended to a multipartite scenario and employed to explore multi-player quantum games with the payoff being strangely decided through delayed choice setups.
This experiment was conceived of as a method of transmitting information from inside a black hole to the outside. As it turns out, it doesn't work in the form described (and possibly not in any form), but the way in which Nature prevents quantum-mechanical effects from transmitting usable information using quantum correlations is illuminating. In the process, one can learn some quantum theory, as well as quantum optics. The proposed scheme uses a double-slit experiment, in the manner of the Delayed Choice set up \cite{Scully1} \cite{Scully2}, where the region where the interference takes place (between "signal" photons) is spatially separated from the region where the Delayed Choice (with "idler" photons) is made. Indeed, this Double-Delayed Choice, which is this thought experiment, has one of the idler photons slip inside the event horizon and serves as the method to attempt to communicate from the inside to the outside.
The concept of a Hamiltonian-independent geometric phase which depends only on the path of the evolution in parameter space is well established in a broad spectrum of physical phenomena. Recently it has been extended to the so-called `off-diagonal' geometric phase, which is associated with the off-diagonal matrix elements of the evolution. Here we present a polarized neutron interferometer experiment which for the first time allows an explicit observation and quantitative determination of off-diagonal geometric phase shifts: Final counts with and without polarization analysis enable us to observe simultaneously the off-diagonal and diagonal geometric phases in two detectors. We have quantitatively measured the off-diagonal geometric phase for noncyclic evolutions, confirming the theoretical predictions. We discuss the significance of our experiment in terms of geometric phases (both diagonal and off-diagonal) and in terms of the quantum erasing phenomenon.
Die bereits erwähnten Widerstände gegen die Aufgabe des Ideals der klassischen Naturbeschreibung haben zahlreiche Forscher und Denker dazu gebracht, alternative Deutungsmuster zur Kopenhagener Deutung
vorzuschlagen. Die wichtigsten sollen hier vorgestellt werden; wobei die Auswahl natürlich ein wenig willkürlich ist, aber trotzdem nicht nur die bekanntesten und einflussreichsten, sondern auch ein paar der unbekannteren, aber dennoch interessanten Interpretationen beinhaltet. Zur Gültigkeit dieser Interpretationen sei angemerkt, dass es jedem einzelnen Forscher natürlich vorbehalten ist, seine eigene, private Interpretation beizubehalten, solange diese ihm bei seiner Forschung dienlich ist. Es kann ja nur im Sinne der Wissenschaft sein, eine Vielfalt von Motiven und Motivationen in die wissenschaftliche Arbeit einfließen zu lassen und dadurch eine heuristische Breite zu erreichen, die durch eine übermäßig einseitige Sichtweise oder Anschauung verloren ginge. Für die philosophische Reflexion jedoch ist eine das gesamte Theoriegebäude berücksichtigende Schärfe erforderlich, die auf den heuristischen Aspekt lediglich als solchen Bezug nehmen und keine Verallgemeinerungen aus ihm ziehen kann.
Die
Reflexion der evolutionären Entstandenheit des Menschen ist von herausragender Bedeutung für unser Weltbild, da wir aus ihr Schlüsse über unsere Veranlagungen, über unsere körperlichen wie geistigen Kapazitäten und auch über deren Grenzen ziehen können. Die daraus folgenden Lehren sind nicht zuletzt für eine Einschätzung unserer Fähigkeit wichtig, Probleme rechtzeitig wahrnehmen und lösen zu können. In einer immer schnelleren und komplexeren Welt ist auch eine immer bessere Einsicht in unsere eigene Natur vonnöten, wollen wir nicht biologischen und kulturellen Vorurteilen unterliegen, sondern stattdessen mögliche Fehlleistungen antizipieren.
In dieser Abhandlung haben wir bereits viele Themen zum Verhältnis von Wissenschaft und Wirklichkeit erörtert, dieses Verhältnis ist das Grundthema der gesamten Diskussion. Der Titel dieses Kapitels ist also nicht als Abgrenzung gedacht. Vielmehr wollen wir hier mehrere wichtige, offengebliebene Punkte erörtern sowie einige übergreifende Fragestellungen zusammenführen und abrunden. Wie wir gesehen haben, lassen sich die grundlegenden Interpretationsbedingungen der Quantenphysik, wie sie vor allem die Kopenhagener Deutung konzise darstellt, unter hinreichend vorsichtig und allgemein formulierten Grundsätzen durchaus in Einklang bringen mit der Einsicht in die evolutionäre Entstandenheit des menschlichen Erkenntnisvermögens. Anhand dieser Rahmenbedingungen haben wir eine Erkenntnistheorie entwickelt, die sowohl naturalistischen als auch pluralistischen Charakter besitzt. Zu ihr gehört eine grobe Einteilung in Materie, Lebendiges und Psychisches, wobei allerdings die einzelnen Unterbereiche keineswegs als homogen zu denken sind und zwischen den Bereichen durchaus Übergangsformen auftreten können. Der dezidierte Pluralismus zeigt sich darin, dass wir eine prinzipielle Reduktion jedes dieser Bereiche auf einen anderen als unmöglich und daher zum Scheitern verurteilt annehmen. Die Gründe für die Schärfe dieser Position haben wir in der Reduktionismusdebatte in Kap. 11 herausgearbeitet.
Die
Evolutionäre Erkenntnistheorie
ist eine moderne Erkenntnistheorie, die mit vielen etablierten Traditionen bricht. Dementsprechend wird sie auch durchaus kontrovers diskutiert. Es existieren leicht unterschiedliche Varianten der Evolutionären Erkenntnistheorie, denen prinzipiell eine materialistische Ontologie
gemeinsam ist. Die meisten dieser Ansätze sind von den erkenntnistheoretischen Thesen Konrad Lorenz’
inspiriert, die dieser in Anschluss an seine ethologischen Arbeiten aufgestellt und in denen er erstmals eine umfassend angelegte Theorie über den evolutiv bedingten Charakter menschlichen Erkennens erarbeitet hatte. Wir werden uns bei der Darstellung der Evolutionären Erkenntnistheorie vor allem an den Werken Gerhard Vollmers
orientieren, da dieser ein geschlossenes philosophisches System präsentieren kann, bei dem die erkenntnistheoretischen Grundlagen konsequent zu Ende gedacht sind. Teilweise besitzt die vollmersche Evolutionäre Erkenntnistheorie auch stark programmatischen Charakter. Insbesondere die Aussagen zum Reduktionismus
und zu den Zielen der Wissenschaft sind nicht nur Extrapolationen der hier postulierten Ontologie, sondern durchaus mutige Spekulationen auf zukünftige wissenschaftliche Entwicklungen, die sich eben dadurch – nämlich ihren positiven heuristischen Wert – zu legitimieren suchen. Dabei stößt Vollmer
mitunter auf Thesen, die sich beispielsweise von denen Konrad Lorenz’
unterscheiden, welcher mit seinen verhaltensphysiologischen Reflexionen doch den Grundstein zur Evolutionären Erkenntnistheorie
gelegt hatte.
In
diesem Kapitel wollen wir in kurzer und sehr skizzenhafter Form die neueren Entwicklungen der Quantentheorie aufzeigen, auf denen die heutige physikalische Grundlagenforschung beruht und die in ihrer Präzision und Reichweite weit über die herkömmliche Quantenmechanik hinausreichen. Die unglaublichen Erfolge der Physik ab der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts in der Aufklärung der Struktur der Materie sowie die Vielzahl der auf diesem Gebiet in den letzten Jahrzehnten vergebenen Nobelpreise sind ein beredtes Zeugnis für die wissenschaftliche Signifikanz dieser Entwicklungen. Zugleich jedoch hat die wissenschaftsphilosophische Diskussion lange Zeit wenig Notiz von ihnen genommen. Dies hat mehrere Gründe. Zum einen sind die neuen mathematischen Konzepte noch wesentlich komplizierter und abstrakter und besitzen einige rein ad hoc konstruierte Zutaten, so dass eine Interpretation noch weniger auf ein wohldefiniertes Axiomensystem zurückgreifen kann, als es bei der Quantenmechanik der Fall war. Zum anderen hat wohl auch die immer noch sehr kontroverse Auseinandersetzung um die Interpretation
der Quantenmechanik vielen die Lust oder den Mut genommen, sich mit den noch wesentlich anspruchsvolleren Quantenfeldtheorien
zu beschäftigen. Dennoch besitzen diese einige außerordentlich interessante Aspekte, die weit über die nichtrelativistische Quantenmechanik hinausreichen und die sowohl für eine Interpretation der Mikrowelt als auch allgemein für das wissenschaftliche Weltbild weitreichende Einsichten liefern können.
Bisher haben wir den von Konrad Lorenz aufgestellten Grundsatz, dass das ontogenetische Apriori der mentalen Strukturen ein phylogenetisches Aposteriori darstellt, nur in einer sehr allgemeinen Form benutzt. Dieser Satz besagt letztlich nichts anderes, als dass die grundlegenden geistigen Kategorien des Menschen nicht vom Himmel gefallen sind, sondern sich, wie seine körperlichen Charakteristika auch, in einem evolutionären Anpassungsprozess entwickelt haben. Die Gene liefern hier wie immer nur das Grundmaterial und die Informationen zur organismischen Entfaltung; entscheidend ist immer auch die Wechselwirkung mit der Außenwelt. Diese Hypothese ist gewissermaßen eine naturalistische Umdeutung des kantschen Apriori. Gleichzeitig weist sie darauf hin, dass menschliches Erkennen ein zirkelhafter Prozess ist, denn sie benutzt empirische Erkenntnisse aus der Biologie zur Erklärung der Bedingungen der Möglichkeit von Erkenntnis. Gerhard Vollmer hat gegenüber Kritiken an dieser Formulierung wiederholt und schlüssig darauf hingewiesen, dass die einzige Möglichkeit, eine plausible Theorie der Erkenntnis aufzustellen, darin besteht, diesen Zirkel nicht als vitiösen Zirkel, als Fehlschluss zu deuten, sondern als plausible Beschreibung der Art und Weise, wie wir Menschen eben tatsächlich Erkenntnis erlangen.
Nun
ist die Evolutionäre Erkenntnistheorie nicht die einzige Erkenntnistheorie, die den Anspruch erheben kann, die evolutive Entstandenheit des Menschen philosophisch verarbeitet zu haben. Es existieren unter anderem einige dezidiert nichtreduktionistische und sehr unterschiedliche Ansätze, die wir an dieser Stelle nicht tiefer gehend diskutieren können, die aber zumindest einer knappen Erörterung bedürfen. Sie öffnen zudem den Blick für biologisch begründete Erkenntnistheorien, die auf anderen Fundamenten als die meisten realistisch-naturalistischen
Ansätze stehen, und mögen somit auch als Kontrastpunkte und Motivation für den dritten Teil dienen.
Nachdem
wir nunmehr den theoretischen Rahmen dieser Theorie abgesteckt haben, wollen wir uns nun ihren philosophisch bedeutsamsten Anwendungen zuwenden. Diese bieten sich nicht nur zur Veranschaulichung der oben zitierten Postulate an, sondern präzisieren auch die Aussagen der Evolutionären Erkenntnistheorie, indem sie mögliche unterschiedliche Interpretationen des hypothetischen Realismus scharf eingrenzen und somit auch einer Kritik besser zugänglich machen. Im anschließenden Kapitel werden wir diese Punkte einzeln aufgreifen und kritisch beleuchten.
Wie
jede andere philosophische Disziplin lässt sich auch die Erkenntnistheorie durch die Fragen charakterisieren, die sie zu beantworten sucht, von denen sie dies zumindest vorgibt oder auch deren Beantwortbarkeit sie abstreitet – je nach Konstruktion des theoretischen Gebäudes und seiner Grundannahmen, innerhalb derer die einzelnen Schulen der betreffenden Disziplin argumentieren. Die Fragen, die sich der Mensch in Bezug auf seine Erkenntnis oder die anderer Menschen stellt, hängen natürlich von seinem Weltbild ab, welches wiederum eine kulturelle und eine individuelle Prägung besitzt. Das Ziel einer ausformulierten Erkenntnistheorie kann es somit nur sein, den Einzelnen und seine Gesellschaft – oder besser: den Einzelnen in seiner Gesellschaft – über die Natur menschlichen Wissens, über den Erwerb und die Geltung neuer Erkenntnisse aufzuklären. Darüber hinaus stellt sich die Frage, inwieweit eine erkenntnistheoretische Konzeption von alltäglichem und wissenschaftlich erworbenem Wissen ein durchdachtes Weltbild bieten kann, das in sich widerspruchsfrei ist, in Einklang mit möglichst vielen Einzelerkenntnissen oder auch umfassenden Theorien steht sowie plausible Ansichten zur Lösung von Problemen liefert.
Eigentlich müsste der Titel dieses Kapitels „Kopenhagener Deutungen“ heißen, da es weder eine allgemein gültige Darstellung gibt, noch die Hauptprotagonisten in ihren Ansichten exakt übereinstimmen. Es gibt jedoch einige gelungene, unkontroverse Darstellungen ihrer Kernthesen. Im engeren Sinne bezeichnet man als „Kopenhagener Interpretation“
oder „Kopenhagener Deutung“ die unter Ägide Niels Bohrs
wesentlich von Werner Heisenberg
, Wolfgang Pauli
, Max Born
, Pascual Jordan
und Paul Dirac
entwickelte Deutung, während sie in allgemeinerem Sinne als die von der wissenschaftlichen Gemeinschaft weitestgehend akzeptierte Standardinterpretation angesehen werden kann, wenn auch von verschiedenen Wissenschaftlern unterschiedliche Akzente gesetzt oder Schwerpunkte hervorgehoben werden. Ein großer Teil der Physiker schließlich arbeitet mit der Quantenmechanik
in einem sehr pragmatischen Sinne und schert sich nicht besonders um schwierige Interpretationsfragen. Letztendlich nutzen sie jedoch meist eine von der Kopenhagener Deutung gestützte Geisteshaltung bei der Anwendung der Quantenmechanik.
Abgesehen von den häufig in schiefen Bildern verwendeten Quantensprüngen
und der obligatorischen Unschärfe hat die Quantenphysik noch einige andere philosophisch reichhaltige Begriffe zu bieten. In diesem Kapitel wollen wir deshalb neben der Welle-Teilchen-Dualität
auch das von Niels Bohr
entwickelte und erkenntnistheoretisch tiefreichende Konzept der Komplementarität
eingehend diskutieren. Zunächst aber werfen wir einen Blick auf die wichtigsten Experimente, die zur Quantenmechanik geführt haben und die eine vertiefte Einsicht in die von unserer Alltagswelt grundverschiedenen und manchmal auch verstörenden Quantenphänomene gewähren. Dann folgen die Axiome der Quantenmechanik und eine kurze Übersicht über den Formalismus, der anhand einiger elementarer Beispiele erklärt wird. An diesen lässt sich auch die wichtige heuristische Bedeutung des Korrespondenzprinzips
darlegen. Das nach Paul Ehrenfest
benannte Ehrenfest-Theorem
schließlich erläutert den Übergang zwischen der Mikro- und der Makrophysik.
Wie
aus der bisherigen Analyse ersichtlich wird, hat die Evolutionäre Erkenntnistheorie wichtige philosophische Impulse geben können; jedoch kann sie ihren selbst gestellten Anspruch nicht erfüllen, ein umfassendes, plausibles Realitätsverständnis darzustellen. Betrachten wir zunächst das Grundanliegen der Evolutionären Erkenntnistheorie, so ist es zweifelsohne als intellektueller Quantensprung
zu bezeichnen, das menschliche Erkenntnisvermögen in seiner evolutionären Entstandenheit zu reflektieren. Dies stellt ein tiefgehendes kulturelles Unternehmen dar, dessen Konsequenzen vermutlich größtenteils noch völlig unterschätzt werden.
In den Jahren nach Aufstellung der Quantenmechanik
haben mehrere Autoren versucht, das absurd anmutende Realitätsverständnis der neuen Theorie mit einer Reihe von Gedankenexperimenten zu beleuchten. Diese Gedankenexperimente werden gemeinhin „Paradoxa der Quantenmechanik“ genannt, weil sie dem menschlichen Alltagsverstand Hohn sprechen und paradox erscheinen. Doch sind sie kein Beweis für logische Inkonsistenzen in der Formulierung oder Interpretation der Theorie. Vielmehr entspringen sie entweder Missverständnissen der Kopenhagener Deutung
oder sie legen ihren Finger in die schwärende Wunde, die die Quantenphysik in das klassisch-physikalische Weltbild gerissen hat. Letzteres gilt in besonders eindruckvoller Weise für das sogenannte EPR-Paradoxon, das Einstein zusammen mit Boris Podolsky
und Nathan Rosen
aufgestellt hat und das als zentrale Arbeit für das Verständnis der Quantenphysik gilt.
Ein verbreitetes Vorurteil in bezug auf die Physik besteht darin zu denken, die Physik wäre eine bestimmte monolithische mathematische Theorie; vielleicht mit verschiedenen Zweigen, aber doch mit einer einheitlichen Struktur. Wie bereits das Eingangszitat von Albert Einstein sowie die im Folgenden zu besprechenden offenen Forschungsprogramme andeuten, ist die Lage jedoch weitaus komplizierter.
Wie jede andere erkenntnistheoretische Konzeption hat auch diese eine eigene Bedeutung für die Philosophie des Geistes. Der hier entwickelte naturalistisch-pluralistische Ansatz unterscheidet sich deutlich von den herkömmlichen Positionen bezüglich des Zusammenhanges von Körper und Geist. Auffallend ist, wie in der natur- und geistesphilosophischen Diskussion der Gegensatz zwischen Materiellem und Psychischem betont wird; wobei häufig implizit davon ausgegangen wird, dass sich beides halbwegs klar definieren ließe. Wenn wir aber nicht einmal die lebendigen Organismen in rein materiellen Begriffen zu beschreiben in der Lage sind, müssen wir das Leib-Seele-Problem in neuer Form betrachten, nämlich aufgefächert in dingliche Materie, körperlichen Organismus und psychische Zustände. Dieses Problem stellt sich uns folglich als Problem des Zusammenhanges von Materie, Körper und Bewusstsein. In dieser Form wird auch klar, was Biologen seit langem bekannt ist, was philosophisch aber nicht einfach zu thematisieren ist; nämlich dass Bewusstsein nur Sinn macht als biologische Funktion. Nachdem bisher also die Besonderheiten und nichtreduktiven Eigenständigkeiten von Materie, Leben und Psyche im Zentrum der Erörterung standen, stellt sich jetzt die Frage, in welchen Zusammenhang sie sich bringen lassen – denn dass sie zusammenhängen, kann nicht bestritten werden. Insbesondere benötigen wir dringend eine Auflösung des Dilemmas der mentalen Verursachung. Bevor dies geschehen kann, sind jedoch zunächst grundlegende erkenntnistheoretische Fragen zu Personalität und Perspektivität sowie zum Zusammenhang von physikalischen und biologischen Beschreibungsebenen des Gehirns, zur psychophysischen Unschärfe und zum Verhältnis von Neurophysiologie
und Anthropologie zu klären.
Die grundlegende Frage nach dem Dasein der Quanten, die im ersten Teil dieser Abhandlung angeklungen ist, kann nicht von der Physik allein gelöst werden, sondern nur in Einklang mit der Philosophie eine Antwort finden. Das Erstaunliche an der Quantenphysik ist ja, dass ihre Untersuchungsobjekte sich zwar nicht im strengen Sinne der klassischen Physik objektiv darstellen lassen, sie gleichwohl aber als Konstituenten unserer gewöhnlichen Materie doch so etwas wie dinglichen Charakter haben. Es stellt sich also die Aufgabe, mit Hilfe der bisher aus evolutionären Betrachtungen abgeleiteten Einsichten den Existenzbegriff für die Quantenwelt zu präzisieren. Zu diesem Zweck wird sich eine sprachliche Unterscheidung als hilfreich erweisen, die gemeinhin unberücksichtigt bleibt. Wir benutzen die Wörter „Realität“ und „Wirklichkeit“ sowie „real“ und „wirklich“ zumeist synonym. Dementsprechend haben wir auch in dieser Abhandlung bis zu dieser Stelle keine Unterscheidung zwischen diesen beiden Begriffen getroffen.
Die Lehre aus der bisherigen Analyse lässt sich in kurzen Worten schildern. Auf der einen Seite bestehen quantenphilosophische Interpretationsanforderungen, welche jedes klassische, durchgehend objektive Realitätsverständnis scheitern lassen. Aus der Philosophie der Physik heraus alleine findet sich allerdings kein Anschluss an die Philosophie der Biologie oder gar des Geistes. Die Philosophie der Physik bedarf einer Einordnung in ein größeres philosophisches System, um ihrer Bedeutung gerecht werden zu können. Denn einerseits vermag sie uns zwar über Strukturen der Wirklichkeit zu belehren und somit wichtige strukturelle Interpretationsbedingungen zu einem solchen größeren System beizutragen; sie liefert uns grundlegende Einsichten hinsichtlich unserer Begriffe von Wissenschaft und Wirklichkeit. Andererseits besteht unsere Welt nicht nur aus physikalisch Beschreibbarem; sie geht nicht in den Gleichungen der Physik und ein paar Randbedingungen auf. Die Philosophie der Physik kann also ein umfassenderes philosophisches System nicht aus sich selbst heraus konstruieren. Auch die Philosophie der Biologie steht vor ähnlichen Problemen. Dies wird bereits daraus ersichtlich, dass sich ohne Rekurs auf außerbiologische Erkenntnisse aus der von der Evolutionstheorie abgeleiteten Mesokosmos-Zentriertheit unserer Wahrnehmungen und Vorstellungen ebenso eine Beibehaltung der durch diesen Mesokosmos geprägten Realitätsvorstellungen postulieren lässt wie deren Zusammenbruch. Es werden also weiterführende, nicht ausschließlich biologische Betrachtungen benötigt. Bereits der Begriff des Mesokosmos impliziert ja schon jenseits des sinnlich Wahrnehmbaren und eventuell auch Vorstellbaren liegende Ordnungsstrukturen und wächst daher auf einem kulturell und somit auch naturwissenschaftlich gewachsenen Verständnis unserer Welt, das über die Biologie hinausreicht.
Der
Evolutionären Erkenntnistheorie kommt das große Verdienst zu, zum ersten Mal in der Geschichte der Philosophie die entscheidende Bedeutung der evolutiven Entstandenheit des Menschen in eine umfassende Theorie der Erkenntnis gefasst zu haben. Da nun aber keine menschliche Erkenntnis – und auch keine Erkenntnistheorie – endgültige Geltung für sich beanspruchen kann, wollen wir untersuchen, welche Punkte an ihrem Realitätsverständnis zweifelhaft, unplausibel oder widersprüchlich sind. Wir werden hierbei die Kritik gemäß dem Prinzip der Universellen Evolution
von unten im Mikrobereich beginnen und schließlich zu den höher gelegenen Problemen vordringen.
Ist
die Welt wirklich verrückt? Oder erscheint sie uns nur so aus unserer bescheidenen menschlichen Perspektive? Oder ist es vielleicht eher verrückt zu glauben, man könne anhand einer Handvoll Prinzipien, die sich zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Geschichte der Zivilisation als brauchbar erwiesen haben zum Verständnis und zur Nutzbarmachung makroskopischer Körper und der sie regierenden Kräfte, die ganze Welt erklären? Welche Antwort man auch für sich findet, so ist doch nach der bisher präsentierten Analyse der Quantenmechanik ersichtlich, dass wir uns vom allzu einfachen Naturverständnis der klassischen Physik verabschieden müssen. Und dies folgt nicht erst aus der Unmöglichkeit, Lebens- oder Geistesprozesse anhand dieser Prinzipien zu beschreiben, sondern bereits aus einer Analyse der fundamentalen Eigenschaften der unbelebten Natur. Diese Prinzipien, die für einen großen Teil vor allem abendländischen Denkens zur meist unreflektierten Grundlage geworden sind, versagen bei der Ergründung der Struktur unserer Materie.
Welchen Sinn hat wohl das Leben? Welcher Sinn mag darin liegen, dass sich vielleicht hin und wieder hier oder da auf irgendeinem Planeten in den Weiten des Universums selbstreproduzierende Wesen entwickeln? – Wie bereits an diesen beiden Fragen zu sehen ist, vermischen sich bei solchen Betrachtungen schnell die alltagsweltliche und die biologisch-naturwissenschaftliche Bedeutung des Begriffs „Leben“.
In diesem Kapitel soll uns eine Frage beschäftigen, die zu den Urgründen der Philosophie zählt und die doch über die Jahrtausende ein wenig verschüttet gegangen ist. Es ist die Frage nach der Einheit des Schönen, des Wahren und des Guten. Wohl kein anderer Denker hat diese Einheit so brillant in einem geschlossenen philosophischen Gedankengebäude untergebracht wie Platon
; und nicht nur ihm, sondern auch all den zahllosen Überlieferern der alten Schriften, all den bekannten wie den namenlosen Schreibern, Weisen, Nonnen, Mönchen und Gelehrten des orientalischen und des europäischen Mittelalters verdanken wir die Tatsache, dass sich auch in unserem durch vielfache gesellschaftliche wie gedankliche Brüche geteilten modernen Zeitalter noch ein Bild vom Weltbild jener Zeiten machen lässt.
I present a personal account of the research and activities of Leonard Mandel and his students in the 1990’s. In that final decade, Professor Mandel’s group expanded the use of parametric downconversion to explore the foundations of quantum mechanics, building upon the techniques which he had pioneered in the 1980’s. The investigations of the operational quantum phase reached their conclusion, and experiments continued in atomic resonance fluorescence. At the end of the decade, new collaborations led to experiments in spin squeezing, homodyne detection, and pulsed downconversion.
We propose and analyze an experiment designed to probe the extent to which information accessible to an observer and the "eraser" of this information affects measured results. The proposed experiment could also be operated in a "delayed-choice" mode.
Simultaneous observations of wave and particle behavior is prohibited,
usually by the position-momentum uncertainty relation. It is reported
here, however, that a way has been found, based on matter-wave
interferometry and recent advances in quantum optics, to obtain
which-path or particlelike information without scattering or otherwise
introducing large uncontrolled phase factors into the interfering beams.
It is the information contained in a functioning measuring apparatus,
rather than controllable alterations of the spatial wave function, that
changes the outcome of the experiment to enforce complementarity.
An experiment has been carried out in which two pairs of light beams produced by down conversion in two nonlinear crystals driven by a common pump were mixed by two beam splitters, and the coincidence rate for simultaneous detections of mixed signal and idler photons was measured. It is found that the down-converted light carries information about the phase of the pump field through the entanglement of the down-converted photons with the vacuum.
Second-order interference is observed in the superposition of signal photons from two coherently pumped parametric down-converters, when the paths of the idler photons are aligned. The interference exhibits certain nonclassical features; it disappears when the idlers are misaligned or separated by a beam stop. The interpretation of this effect is discussed in terms of the intrinsic indistinguishability of the photon paths.