So funktioniert Schrödingers Katze

Erwin Schrödinger war eine der Schlüsselfiguren in Quantenphysik, noch vor seinem berühmten "Schrödingers Katze" Gedankenexperiment. Er hatte die Quantenwellenfunktion geschaffen, die nun die definierende Bewegungsgleichung im Universum war, aber das Problem ist, dass sie jede Bewegung in Form von a ausdrückt Reihe von Wahrscheinlichkeiten - etwas, das in direktem Widerspruch dazu steht, wie die meisten Wissenschaftler des Tages (und möglicherweise sogar heute) gerne darüber glauben, wie die physische Realität ist arbeitet.

Schrödinger selbst war einer dieser Wissenschaftler und entwickelte das Konzept von Schrödingers Katze, um die Probleme der Quantenphysik zu veranschaulichen. Betrachten wir also die Themen und sehen wir, wie Schrödinger sie durch Analogie veranschaulichen wollte.

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

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 zusammenfallen, aber bis dahin bleibt sie als Überlagerung der beiden Quantenzustände.

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

Schrödinger erweiterte dies, indem er vorschlug, eine hypothetische Katze in eine hypothetische Box zu legen. In die Kiste mit der Katze würden wir eine Ampulle mit Giftgas stellen, die die Katze sofort töten würde. Das Fläschchen ist an eine Vorrichtung angeschlossen, die an einen Geigerzähler angeschlossen ist, ein Gerät zur Detektion von Strahlung. 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 das Fläschchen und tötet die Katze. Wenn das Atom nicht zerfällt, ist das Fläschchen 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. Angesichts der Art und Weise, wie wir die Situation konstruiert haben, bedeutet dies jedoch, dass das Fläschchen sowohl zerbrochen als auch nicht zerbrochen ist und letztendlich der Kopenhagener Interpretation der Quantenphysik entspricht Die Katze ist tot und lebendig.

Stephen Hawking wird berühmt zitiert mit den Worten: "Wenn ich von Schrödingers Katze höre, greife ich nach meiner Waffe." Dies repräsentiert die Gedanken vieler Physiker, denn es gibt verschiedene Aspekte des Gedankenexperiments, die auftauchen Probleme. Das größte Problem bei der Analogie besteht darin, dass die Quantenphysik typischerweise nur im mikroskopischen Maßstab von Atomen und subatomaren Teilchen arbeitet, nicht im makroskopischen Maßstab von Katzen und Giftfläschchen.

Die Kopenhagener Interpretation besagt, dass durch das Messen von etwas die Quantenwellenfunktion zusammenbricht. In dieser Analogie findet der Messvorgang tatsächlich am Geigerzähler statt. Es gibt unzählige Wechselwirkungen entlang der Ereigniskette - es ist unmöglich, die Katze oder die einzelnen Teile des Systems so zu isolieren, dass sie wirklich quantenmechanischer Natur ist.

Zu dem Zeitpunkt, an dem die Katze selbst in die Gleichung eintritt, wurde die Messung bereits durchgeführt... Tausendmal wurden Messungen durchgeführt - an den Atomen des Geigerzählers, dem Fläschchenbrechapparat, dem Fläschchen, dem Giftgas und der Katze selbst. Sogar die Atome der Box machen "Messungen", wenn man bedenkt, dass die Katze, wenn sie tot umfällt, mit anderen Atomen in Kontakt kommt, als wenn sie ängstlich um die Box herumgeht.

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

In einigen strengen Ansichten der Kopenhagener Interpretation ist es jedoch tatsächlich eine Beobachtung durch eine bewusste Entität, die erforderlich ist. Diese strenge Form der Interpretation ist heute im Allgemeinen die Minderheitensicht unter Physikern, obwohl es sie gibt bleibt ein faszinierendes Argument, mit dem der Zusammenbruch der Quantenwellenfunktionen verbunden sein könnte Bewusstsein. (Für eine gründlichere Diskussion der Rolle des Bewusstseins in der Quantenphysik schlage ich vor Quantenrätsel: Physik trifft auf Bewusstsein von Bruce Rosenblum & Fred Kuttner.)

Noch eine andere Interpretation ist die Interpretation vieler Welten (MWI) der Quantenphysik, die vorschlägt, dass die Situation tatsächlich in viele Welten verzweigt. In einigen dieser Welten ist die Katze beim Öffnen der Kiste tot, in anderen lebt die Katze. Die vielen Welten faszinieren die Öffentlichkeit und sicherlich auch die Science-Fiction-Autoren Interpretation ist auch eine Minderheitensicht unter Physikern, obwohl es keine spezifischen Beweise für oder gibt dagegen.

Bearbeitet von Anne Marie Helmenstine, Ph. D.