Das Gedankenexperiment Schrödingers Katze verstehen

Erwin Schrödinger war schon vor seinem berühmten Gedankenexperiment "Schrödinger's Cat" eine der Schlüsselfiguren der Quantenphysik. Er hatte die Quantenwellenfunktion geschaffen, die jetzt die definierende Bewegungsgleichung im Universum war, aber das Problem ist, dass sie jede Bewegung in Form einer Reihe von Wahrscheinlichkeiten ausdrückt - etwas, das in direktem Widerspruch dazu steht, wie die meisten Wissenschaftler der Tag (und möglicherweise auch heute noch) möchte gerne darüber nachdenken, wie die physische Realität funktioniert.

Schrödinger selbst war einer dieser Wissenschaftler und entwickelte das Konzept von Schrödinger's Cat, um die Probleme mit der Quantenphysik zu veranschaulichen. Lassen Sie uns nun die Themen betrachten und sehen, wie Schrödinger versucht hat, sie durch Analogie zu veranschaulichen.

Quantenunbestimmtheit

Die Quantenwellenfunktion zeigt alle physikalischen Größen als eine Reihe von Quantenzuständen zusammen mit der Wahrscheinlichkeit, dass sich ein System in einem bestimmten Zustand befindet. Stellen Sie sich ein einzelnes radioaktives Atom mit einer Halbwertszeit von einer Stunde vor.

Gemäß der Wellenfunktion der Quantenphysik befindet sich das radioaktive Atom nach einer Stunde in einem Zustand, in dem es sowohl zerfallen als auch nicht zerfallen ist. Sobald eine Messung des Atoms durchgeführt wurde, wird die Wellenfunktion in einen Zustand kollabieren, aber bis dahin bleibt sie eine Überlagerung der beiden Quantenzustände.

Dies ist ein Schlüsselaspekt der Kopenhagener Interpretation der Quantenphysik - der Wissenschaftler weiß nicht nur nicht, in welchem ​​Zustand er sich befindet, sondern vielmehr, dass die physikalische Realität erst bestimmt wird, wenn die Messung stattfindet. In einer unbekannten Weise ist es der Akt der Beobachtung, der die Situation in den einen oder anderen Zustand verfestigt. Bis diese Beobachtung stattfindet, ist die physikalische Realität auf alle Möglichkeiten aufgeteilt.

Auf zur Katze

Schrödinger erweiterte dies, indem er vorschlug, eine hypothetische Katze in eine hypothetische Kiste zu legen. In die Kiste mit der Katze stellten wir eine Flasche mit Giftgas, die die Katze sofort tötete. Das Fläschchen wird an ein Gerät angeschlossen, das an einen Geigerzähler angeschlossen ist, ein Gerät zur Strahlungsdetektion. Das vorgenannte radioaktive Atom wird in der Nähe des Geigerzählers platziert und dort genau eine Stunde lang belassen.

Wenn das Atom zerfällt, erkennt der Geigerzähler die Strahlung, zerbricht die Phiole und tötet die Katze. Wenn das Atom nicht zerfällt, ist die Phiole intakt und die Katze lebt.

Nach einer Stunde befindet sich das Atom in einem Zustand, in dem es sowohl zerfallen als auch nicht zerfallen ist. Wenn man bedenkt, wie wir die Situation konstruiert haben, bedeutet dies, dass das Fläschchen sowohl zerbrochen als auch nicht zerbrochen ist und letztendlich der Kopenhagener Interpretation der Quantenphysik entspricht Die Katze ist sowohl tot als auch lebendig.

Interpretationen von Schrödingers Katze

Stephen Hawking wird bekanntlich mit den Worten zitiert: "Wenn ich von Schrödingers Katze höre, greife ich nach meiner Waffe." Dies stellt die Gedanken vieler Physiker dar, da das Gedankenexperiment verschiedene Aspekte aufweist, die Probleme aufwerfen. Das größte Problem bei der Analogie ist, dass die Quantenphysik typischerweise nur im mikroskopischen Maßstab von Atomen und subatomaren Partikeln arbeitet, nicht im makroskopischen Maßstab von Katzen und Giftfläschchen.

Die Kopenhagener Interpretation besagt, dass der Akt des Messens die Quantenwellenfunktion zum Kollaps bringt. In dieser Analogie erfolgt der Messvorgang tatsächlich durch den Geigerzähler. Es gibt Dutzende von Wechselwirkungen entlang der Ereigniskette - es ist unmöglich, die Katze oder die einzelnen Teile des Systems so zu isolieren, dass sie tatsächlich quantenmechanischer Natur sind.

Zu dem Zeitpunkt, an dem die Katze selbst in die Gleichung eintritt, wurde bereits eine Messung durchgeführt ... tausendmal wurden Messungen an den Atomen des Geigerzählers, des Fläschchenbrechers, der Phiole, des Giftgases und des Gases durchgeführt Katze selbst. Sogar die Atome der Kiste machen "Messungen", wenn man bedenkt, dass die Katze, wenn sie tot umfällt, mit anderen Atomen in Kontakt kommt, als wenn sie sich ängstlich um die Kiste bewegt.

Es spielt keine Rolle, ob der Wissenschaftler die Schachtel öffnet oder nicht, die Katze lebt oder ist tot, keine Überlagerung der beiden Zustände.

In einigen strengen Auffassungen der Kopenhagener Interpretation ist es jedoch tatsächlich eine Beobachtung einer bewussten Einheit, die erforderlich ist. Diese strenge Interpretationsform ist heutzutage in der Regel die Minderheitssicht der Physiker, obwohl es noch ein interessantes Argument dafür gibt, dass der Zusammenbruch der Quantenwellenfunktionen mit dem Bewusstsein in Verbindung gebracht werden könnte. (Für eine eingehendere Diskussion der Rolle des Bewusstseins in der Quantenphysik schlage ich vor Quantenrätsel: Physik trifft auf Bewusstsein von Bruce Rosenblum & Fred Kuttner.)

Eine weitere Interpretation ist die Many Worlds Interpretation (MWI) der Quantenphysik, die besagt, dass sich die Situation tatsächlich in viele Welten verzweigt. In einigen dieser Welten wird die Katze beim Öffnen der Kiste tot sein, in anderen wird die Katze am Leben sein. Die Many Worlds Interpretation fasziniert die Öffentlichkeit und sicherlich auch die Science-Fiction-Autoren. Sie ist jedoch auch eine Minderheitssicht der Physiker, obwohl es keine konkreten Beweise dafür oder dagegen gibt.

Herausgegeben von Anne Marie Helmenstine, Ph.D..