Schrödingers Katze (vereinfacht): Was ist das und warum ist es wichtig?

1935 – zwei Jahre nach Erhalt des Nobelpreises für seine Beiträge zur Quantenphysik – Österreichische Der Physiker Erwin Schrödinger schlug das berühmte Gedankenexperiment vor, das als Schrödingers Katzenparadox bekannt ist.

Das Paradox ist eines der bekanntesten Dinge der Quantenmechanik in der Populärkultur, aber es ist nicht nur surreal und lustig Art und Weise zu beschreiben, wie sich die Quantenwelt verhält, trifft tatsächlich eine zentrale Kritik an der vorherrschenden Interpretation von Quanten Mechanik.

Es bleibt bestehen, weil es die absurde Idee einer gleichzeitig lebenden und toten Katze vorschlägt, aber es hat einiges philosophisches Gewicht, weil dies in gewisser Weise wirklich etwas ist, was die Quantenmechanik vorschlagen könnte möglich.

Schrödinger hat sich genau aus diesem Grund das Gedankenexperiment ausgedacht. Wie viele andere Physiker war er mit der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik nicht ganz zufrieden und suchte nach einer Möglichkeit, das zu vermitteln, was er als das

Die Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik ist immer noch der am weitesten verbreitete Versuch, zu verstehen, was Quantenphysik im physikalischen Sinne eigentlich bedeutet.

Sie besagt im Wesentlichen, dass die Wellenfunktion (die den Zustand eines Teilchens beschreibt) und die Schrödinger Gleichung (mit der Sie die Wellenfunktion bestimmen) sagen Ihnen alles, was Sie über ein Quant wissen können Zustand. Das mag auf den ersten Blick vernünftig klingen, aber das impliziert viele Dinge über die Natur der Realität, die vielen Menschen nicht gefallen.

Zum Beispiel breitet sich die Wellenfunktion eines Teilchens über den Raum aus, und so besagt die Kopenhagener Interpretation, dass ein Teilchen keinen definitiven Ort hat, bis eine Messung durchgeführt wird.

Wenn Sie eine Messung durchführen, verursachen Sie den Kollaps der Wellenfunktion, und das Teilchen fällt sofort in einen von mehreren möglichen Zuständen, und dies kann nur anhand einer Wahrscheinlichkeit vorhergesagt werden.

Die Interpretation besagt, dass Quantenteilchen tatsächlich keine Werte von Observablen wie Ort, Impuls oder Spin haben bis eine Beobachtung gemacht wird. Sie existieren in einer Reihe von potentiellen Zuständen, in einer sogenannten „Superposition“ und können im Wesentlichen sein als alle gleichzeitig betrachtet, obwohl gewichtet, um anzuerkennen, dass einige Staaten wahrscheinlicher sind Andere.

Manche nehmen diese Interpretation strenger als andere – zum Beispiel könnte die Wellenfunktion einfach als theoretisches betrachtet werden Konstrukt, das es Wissenschaftlern ermöglicht, die Ergebnisse von Experimenten vorherzusagen – aber so sieht die Interpretation im Großen und Ganzen Quanten Theorie.

In dem Gedankenexperiment schlug Schrödinger vor, eine Katze in eine Kiste zu legen, so dass sie zusammen mit einem Giftfläschchen vor Beobachtern versteckt wurde (Sie können sich auch hier eine schalldichte Kiste vorstellen). Das Giftfläschchen ist manipuliert, um die Katze zu zerbrechen und zu töten, wenn ein bestimmtes Quantenereignis eintritt, das Schrödinger für den Zerfall eines radioaktiven Atoms hielt, das mit einem Geigerzähler nachweisbar ist.

Als ein Quantenprozess, Der Zeitpunkt des radioaktiven Zerfalls lässt sich nicht im Einzelfall vorhersagen, sondern nur als Mittelwert über viele Messungen. Da es keine Möglichkeit gibt, den Zerfall und das Zerbrechen des Giftfläschchens tatsächlich zu erkennen, gibt es buchstäblich keine Möglichkeit zu wissen, ob es im Experiment passiert ist.

Genauso wie Teilchen in der Quantentheorie vor der Messung nicht als an einem bestimmten Ort angesehen werden, sondern a Quantenüberlagerung möglicher Zustände, das radioaktive Atom befindet sich in einer Überlagerung von „zerfallen“ und „nicht“ verfallen.“

Die Wahrscheinlichkeit jedes einzelnen könnte bis zu einem Niveau vorhergesagt werden, das über viele Messungen hinweg genau wäre, jedoch nicht für einen bestimmten Fall. Wenn sich also das radioaktive Atom in einer Überlagerung befindet und das Leben der Katze vollständig von diesem Zustand abhängt, bedeutet dies dann, dass sich der Zustand der Katze auch in einer Überlagerung von Zuständen befindet? Mit anderen Worten, befindet sich die Katze in einer Quantenüberlagerung von lebendig und tot?

Findet die Überlagerung von Zuständen nur auf der Quantenebene statt oder zeigt das Gedankenexperiment, dass sie logischerweise auch für makroskopische Objekte gelten sollte? Wenn es nicht für makroskopische Objekte gelten kann, warum nicht? Und vor allem: Ist das nicht alles ein bisschen lächerlich?

Das Gedankenexperiment trifft den philosophischen Kern der Quantenmechanik. In einem leicht verständlichen Szenario werden die potenziellen Probleme mit der Kopenhagener Interpretation offengelegt und den Befürwortern der Erklärung bleibt etwas Erklärungsbedarf. Einer der Gründe, warum es in der Populärkultur ertragen wird, ist zweifellos, dass es den Unterschied anschaulich zeigt zwischen der Art und Weise, wie die Quantenmechanik den Zustand von Quantenteilchen beschreibt, und der Art und Weise, wie Sie makroskopische Objekte.

Es befasst sich jedoch auch mit dem Begriff, was Sie in der Quantenmechanik mit „Messung“ meinen. Dies ist ein wichtiges Konzept, denn der Prozess des Kollaps der Wellenfunktion hängt grundlegend davon ab, ob etwas beobachtet wurde.

Müssen die Leute? physisch beobachten das Ergebnis eines Quantenereignisses (zum Beispiel das Lesen des Geigerzählers) oder muss es einfach mit etwas Makroskopischem interagieren? Mit anderen Worten, ist die Katze in diesem Szenario ein „Messgerät“ – ist das Paradoxon so gelöst?

Es gibt keine wirklich allgemein akzeptierte Antwort auf diese Fragen. Das Paradox fängt perfekt ein, was es mit der Quantenmechanik auf sich hat, was für Menschen, die daran gewöhnt sind, dies zu erleben, schwer zu verdauen ist makroskopische Welt, und in der Tat, deren Gehirne sich letztendlich entwickelt haben, um die Welt zu verstehen, in der Sie leben, und nicht die Welt der subatomaren Partikel.

Das EPR-Paradoxon ist ein weiteres Gedankenexperiment, das Probleme mit der Quantenmechanik aufzeigen soll, und wurde nach Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen benannt, die das Paradoxon erfunden haben. Dies bezieht sich auf Quantenverschränkung, die Einstein bekanntlich als „gruselige Fernwirkung“ bezeichnete.

In der Quantenmechanik können zwei Teilchen „verschränkt“ werden, sodass keines des Paares ohne Bezug auf die beschrieben werden kann andere – ihre Quantenzustände werden durch eine gemeinsame Wellenfunktion beschrieben, die nicht in einen für ein Teilchen und einen für getrennt werden kann Ein weiterer.

Zum Beispiel kann der „Spin“ von zwei Partikeln in einem bestimmten verschränkten Zustand gemessen werden, und wenn einer gemessen wird mit Spin „up“, der andere muss Spin „down“ haben und umgekehrt, obwohl dies nicht im Voraus festgelegt wird.

Dies ist ohnehin ein wenig schwer zu akzeptieren, aber was wäre, wenn, wie das EPR-Paradoxon vorschlägt, die beiden Teilchen durch eine große Entfernung getrennt wären. Die erste Messung wird durchgeführt und zeigt „Spin-Down“, aber dann sehr kurz danach (so schnell, dass sogar ein Licht Signal konnte nicht rechtzeitig von einem Ort zum anderen gereist sein) wird eine Messung in der Sekunde durchgeführt Partikel.

Woher „erkennt“ das zweite Teilchen das Ergebnis der ersten Messung, wenn es unmöglich ist, dass ein Signal zwischen beiden gewandert ist?

Einstein glaubte, dies sei ein Beweis dafür, dass die Quantenmechanik „unvollständig“ sei und dass „versteckte Variablen“ im Spiel seien, die scheinbar unlogische Ergebnisse wie diese erklären würden. 1964 fand John Bell jedoch einen Weg, das Vorhandensein der von Einstein vorgeschlagenen versteckten Variablen zu testen eine Ungleichung gefunden, die, wenn sie gebrochen wird, beweisen würde, dass das Ergebnis nicht mit einer versteckten Variablen erhalten werden kann Theorie.

Auf dieser Grundlage durchgeführte Experimente haben ergeben, dass die Bellsche Ungleichung gebrochen ist, und das Paradox ist also nur ein weiterer Aspekt der Quantenmechanik, der scheint seltsam, aber so funktioniert die Quantenmechanik einfach.