Katze in einer Kiste wird beobachtet. Alexas_Fotos/Pixabay
Es gibt wenige Gedankenexperimente in der Wissenschaft, die so berühmt sind wie Schrödingers Katze, obwohl die meisten Menschen es Ihnen nicht erklären könnten, wenn sie es versuchen würden.
Es ist nicht so, dass die Implikationen des Gedankenexperiments undurchsichtig sind. Tatsächlich sind die Implikationen des Gedankenexperiments das einzige, was fast jeder weiß: dass Schrödingers Katze gleichzeitig lebt und tot ist.
Aber was bedeutet das überhaupt? Welche Logikkette könnte möglicherweise zu einem solchen Ergebnis führen?
Zum Glück braucht man kein Physikstudium, um zu verstehen, worauf Schrödinger mit seinem Gedankenexperiment hinaus wollte, und sogar Albert Einstein lobte Schrödinger dafür, dass er eine so einfache Illustration einiger der verwirrenderen Teile der Quantenmechanik entwickelt hat.
Kurz gesagt, keine Sorge. Das Gedankenexperiment Schrödingers Katze ist bei weitem nicht so kompliziert, wie viele zu glauben scheinen, und das richtige Verständnis von Schrödingers Katze ist ein wesentlicher Bestandteil, um die grundlegenden Merkmale des bizarren Quantenreichs der Physik zu verstehen.
Wer war Erwin Schrödinger?
Erwin Schrödinger war ein mit dem Nobelpreis ausgezeichneter österreichischer Physiker, der maßgeblich an der Entwicklung vieler grundlegender Aspekte der Quantentheorie beteiligt war.
Neben seinem bekannten Gedankenexperiment ist Schrödinger vor allem für seine Wellengleichung bekannt, mit der die Wellenfunktion eines Quantensystems zu verschiedenen Zeitpunkten berechnet wird.
Obwohl er eine so große Rolle bei ihrer Entstehung spielte, war Schrödinger nicht immer einer Meinung mit seinen Kollegen aus der Quantentheorie. Tatsächlich klangen viele der Ideen, die sie für die Quantenmechanik vorschlugen, für Schrödinger absurd, insbesondere eine von der Quantenmechanik.bekanntestes Merkmal: Überlagerung.
Was ist Quantensuperposition?
Quantensuperposition ist ein Merkmal der Quantenmechanikwobei ein Teilchen in mehr als einem Quantenzustand existieren kann, und erst wenn ein Teilchen gemessen wird, kann sein definitiver Zustand bestimmt werden.
Verständlicherweise fügt dies eine Ebene unter der physischen Realität hinzu, die vielen Menschen entweder kontraintuitiv oder schmerzlich offensichtlich erscheint.
Auf der einen Seite scheint es kaum revolutionär zu sagen, dass man den Zustand eines Teilchens nicht bestimmen kann, bevor man es misst. Man kann seine Größe auch nicht bestimmen, bevor man es misst, also was ist die große Sache?
Der Unterschied zwischen den beiden besteht darin, dass Sie eine bestimmte Größe haben, ob Sie sie messen oder nicht. Wenn Ihre Größe die Quanteneigenschaft der Überlagerung hätte, hätten Sie vor der Messung überhaupt keine bestimmte Größe.
Im Allgemeinen hätten Sie eine völlig gleiche Chance, sich in einem bestimmten messbaren Zustand zu befinden. Wenn wir das also auf den Bereich von fünf Fuß beschränken, hätten Sie eine Chance von 1 zu 12, fünf Fuß und einen Zoll zu seingroß, fünf Fuß und zwei Zoll groß und so weiter, aber Sie würden keine dieser Größen haben, bis wir Sie gemessen haben.
Dieser letzte Teil widerspricht unserer eigenen gelebten Erfahrung, da wir in unserem täglichen Leben niemals auf etwas stoßen, das in einer solchen Überlagerung existiert. Wenn Sie in der Größenordnung genug absteigen, um sich mit einzelnen Atomen und sogar kleineren Teilchen zu befassen, nicht nurist Überlagerung möglich, über die Jahrzehnte immer wieder bestätigt.
Was ist die Kopenhagener Deutung?
Die Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik ist nicht eine bestimmte Sache, sondern eine Ansammlung von Ideen zur Quantentheorie, die eng mit zwei großen Begründern der Quantenmechanik, Neils Bohr und Werner Heisenberg, verbunden sind.
Was für uns wichtig ist, ist die Idee, die Bohr in den 1930er Jahren postulierte, dass ein Quantenteilchen und das Instrument, mit dem dieses Teilchen gemessen wird, nicht unabhängig voneinander agieren, sondern im Prozess der Messung untrennbar miteinander verbunden sind.
Dies hat zu der allgemeinen Verallgemeinerung geführt, dass ein Teilchen „weiß“, dass es beobachtet wird, und auf die Anwesenheit eines Beobachters reagiert, indem es seinen Zustand definiert, damit es gemessen werden kann.
Dies widerspricht direkt den Grundprinzipien der klassischen Physik und Logik, und das hat Schrödinger so verblüfft, dass er sein berühmtes Gedankenexperiment entwickelt hat, um zu zeigen, wie absurd diese Idee ist.
Was ist das Gedankenexperiment Schrödingers Katze?
Um zu zeigen, dass ein Teilchen nicht auf Quantenebene mit dem Beobachter verknüpft werden kann, entwickelte Schrödinger die Idee eines teuflischen Geräts in einer Kiste. In der Kiste befindet sich Schrödingers Katze, wie wir sie heute kennen, aberEs gibt auch einen Geigerzähler, der mit einem Hammer verdrahtet ist.
Es gibt auch eine versiegelte Glasflasche, die Giftgas und eine winzige Menge einer radioaktiven Substanz enthält. Quantenmäßig kann diese Substanz zu jedem Zeitpunkt entweder zerfallen oder nicht zerfallen.
Wenn die Substanz zerfällt, erkennt der Geigerzähler die Strahlung und löst den Hammer aus, um die Glasflasche zu zerbrechen, wodurch das Gas in die Kiste freigesetzt wird, was wiederum die Katze töten würde. Wenn die Substanz nicht zerfällt, passiert nichts und die Katzebleibt am Leben.
Aber aufgrund des Superpositionsprinzips kann die Substanz sowohl zerfallen als auch nicht zerfallen, also zerschmettert der Geigerzähler die Flasche und zerschmettert die Flasche nicht, und Schrödingers Katze ist gleichzeitig lebendig und tot.
Die Kopenhagener Interpretation würde daher implizieren, dass der Quantenzustand des Zerfalls oder Nicht-Zerfalls erst entschieden wird, wenn das Experiment durch Öffnen der Kiste beobachtet wird, sodass erst nach dem Öffnen der Kiste das wahre Schicksal der Katze im Inneren sichtbar wirdist erledigt.
Wie kann eine Katze gleichzeitig lebendig und tot sein?
Genau diese Frage wollte Schrödinger mit seinem Gedankenexperiment erreichen. Die Implikationen der Kopenhagener Deutung sind einfach nicht logisch, wenn man sie auf seine Katze in der Kiste anwendet.
Das vorgeschlagene Ergebnis entspricht nicht unserer Realität, und so argumentierten Schrödinger und andere Gegner der Kopenhagener Interpretation, dass sie sich von der Wissenschaft entfernte und in die Welt der Philosophie und Metaphysik eintrat.
Eine wichtige Unterscheidung, die getroffen werden muss, ist, dass Schrödinger nicht was besagt, dass Quantenüberlagerung nicht real ist.
Er versuchte zu veranschaulichen, dass die menschlichen Beobachter des Experiments nicht der entscheidende Faktor sind, da jede Wechselwirkung mit einem Partikel in Überlagerung durch fast alles kann als Beobachtung im Quantensinn gelten.
Lange bevor ein Mensch die Kiste öffnet, war das Schicksal von Schrödingers Katze bereits durch den Geigerzähler entschieden.
Von der Kopenhagener Interpretation, Einstein schrieb 1950 an Schrödinger, sagte;
diese Interpretation wird jedoch am elegantesten widerlegt durch Ihr System aus radioaktivem Atom + Geigerzähler + Verstärker + Ladung Schießpulver + Katze in einer Kiste, in der die [Quantenwellenfunktion] des Systems die Katze beides enthältlebendig und zerfetzt. Ist der Zustand der Katze nur dann herzustellen, wenn ein Physiker die Situation zu einem bestimmten Zeitpunkt untersucht? Niemand bezweifelt wirklich, dass die Anwesenheit oder Abwesenheit der Katze etwas ist, das vom Beobachtungsakt unabhängig ist.
Als Dr. Christopher Baird, ein Assistenzprofessor für Physik an der West Texas A&M University schreibt: 'Der Zusammenbruch des Quantenzustands wird nicht nur von bewussten Beobachtern vorangetrieben, und „Schrödingers Katze“ war nur ein Lehrmittel, das erfunden wurde, um zu versuchen, diese Tatsache offensichtlicher zu machen, indem die von Beobachtern angetriebene Vorstellung ad absurdum geführt wird. Leider haben viele populärwissenschaftliche Autoren in unserempropagieren weiterhin das Missverständnis, dass ein Quantenzustand und damit die Realität selbst von bewussten Beobachtern bestimmt wird."
Nun kennst du also die wahre Geschichte hinter Schrödingers Katze, aber keine Sorge, die Quantenmechanik ist seltsam genug, ohne auf ein katzenartiges Multiversum zurückgreifen zu müssen.