Niemand auf dieser Welt versteht, was Quantenmechanik ist. Dies ist vielleicht das Wichtigste, was Sie über sie wissen müssen. Natürlich haben viele Physiker gelernt, Gesetze anzuwenden und sogar Phänomene vorherzusagen, die auf Quantenberechnungen basieren. Es ist jedoch immer noch unklar, warum der Beobachter des Experiments das Verhalten des Systems bestimmt und es in einen von zwei Zuständen versetzt.
Hier einige Beispiele für Experimente mit Ergebnissen, die sich unter dem Einfluss des Beobachters zwangsläufig ändern werden. Sie zeigen, dass sich die Quantenmechanik praktisch mit dem Eingreifen bewussten Denkens in die materielle Realität befasst.
Es gibt heute viele Interpretationen der Quantenmechanik, aber die Kopenhagener Interpretation ist vielleicht die berühmteste. In den 1920er Jahren wurden seine allgemeinen Postulate von Niels Bohr und Werner Heisenberg formuliert.
Die Kopenhagener Interpretation basiert auf der Wellenfunktion. Dies ist eine mathematische Funktion, die Informationen über alle möglichen Zustände eines Quantensystems enthält, in dem es gleichzeitig existiert. Nach der Kopenhagener Interpretation können der Zustand eines Systems und seine Position relativ zu anderen Zuständen nur durch Beobachtung bestimmt werden (die Wellenfunktion wird nur verwendet, um die Wahrscheinlichkeit, ein System in dem einen oder anderen Zustand zu finden, mathematisch zu berechnen).
Wir können sagen, dass das Quantensystem nach der Beobachtung klassisch wird und in anderen Zuständen als dem, in dem es beobachtet wurde, sofort aufhört zu existieren. Diese Schlussfolgerung fand ihre Gegner (erinnern Sie sich an Einsteins berühmtes "Gott würfelt nicht"), aber die Genauigkeit der Berechnungen und Vorhersagen hatte immer noch ihre eigenen.
Trotzdem nimmt die Zahl der Befürworter der Kopenhagener Interpretation ab, und der Hauptgrund dafür ist der mysteriöse sofortige Zusammenbruch der Wellenfunktion während des Experiments. Erwin Schrödingers berühmtes Gedankenexperiment mit einer armen Katze sollte die Absurdität dieses Phänomens demonstrieren. Erinnern wir uns an die Details.
In der Black Box sitzt eine schwarze Katze und damit eine Flasche Gift und ein Mechanismus, der zufällig Gift freisetzen kann. Beispielsweise kann ein radioaktives Atom während des Zerfalls eine Blase zerbrechen. Die genaue Zerfallszeit des Atoms ist unbekannt. Es ist nur die Halbwertszeit bekannt, während der der Zerfall mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% auftritt.
Für einen externen Beobachter befindet sich die Katze in der Box offensichtlich in zwei Zuständen: Sie lebt entweder, wenn alles gut gelaufen ist, oder ist tot, wenn der Verfall stattgefunden hat und die Flasche zerbrochen ist. Beide Zustände werden durch die Wellenfunktion der Katze beschrieben, die sich mit der Zeit ändert.
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Je mehr Zeit vergangen ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass ein radioaktiver Zerfall aufgetreten ist. Sobald wir die Box öffnen, bricht die Wellenfunktion zusammen und wir sehen sofort die Ergebnisse dieses unmenschlichen Experiments.
Bis der Beobachter die Schachtel öffnet, wird die Katze endlos zwischen Leben und Tod balancieren oder gleichzeitig lebendig und tot sein. Sein Schicksal kann nur durch die Handlungen eines Beobachters bestimmt werden. Auf diese Absurdität wurde von Schrödinger hingewiesen.
1. Beugung von Elektronen
Laut einer Umfrage berühmter Physiker der New York Times ist das Elektronenbeugungsexperiment eine der erstaunlichsten Studien in der Geschichte der Wissenschaft. Was ist ihre Natur? Es gibt eine Quelle, die einen Elektronenstrahl auf einen lichtempfindlichen Bildschirm abgibt. Und diesen Elektronen steht ein Hindernis im Weg, eine Kupferplatte mit zwei Schlitzen.
Was für ein Bild können Sie auf einem Bildschirm erwarten, wenn uns Elektronen normalerweise als kleine geladene Kugeln präsentiert werden? Zwei Streifen gegenüber den Schlitzen in der Kupferplatte. In Wirklichkeit erscheint auf dem Bildschirm ein viel komplexeres Muster aus abwechselnden weißen und schwarzen Streifen. Dies liegt an der Tatsache, dass sich Elektronen beim Durchgang durch den Spalt nicht nur wie Teilchen, sondern auch wie Wellen verhalten (Photonen oder andere Lichtteilchen verhalten sich gleich, was gleichzeitig eine Welle sein kann).
Diese Wellen interagieren im Raum, kollidieren und verstärken sich gegenseitig. Infolgedessen wird ein komplexes Muster aus abwechselnden hellen und dunklen Streifen auf dem Bildschirm angezeigt. Gleichzeitig ändert sich das Ergebnis dieses Experiments nicht, selbst wenn Elektronen einzeln passieren - sogar ein Teilchen kann eine Welle sein und gleichzeitig zwei Schlitze passieren. Dieses Postulat war eines der wichtigsten in der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik, bei der Teilchen gleichzeitig ihre "gewöhnlichen" physikalischen Eigenschaften und exotischen Eigenschaften wie eine Welle demonstrieren können.
Aber was ist mit dem Beobachter? Er ist es, der diese verworrene Geschichte noch verwirrender macht. Als Physiker während solcher Experimente versuchten, mit Hilfe von Instrumenten festzustellen, durch welchen Spalt das Elektron tatsächlich fließt, änderte sich das Bild auf dem Bildschirm dramatisch und wurde "klassisch": mit zwei beleuchteten Abschnitten, die den Schlitzen genau gegenüberliegen, ohne abwechselnde Streifen.
Die Elektronen schienen nicht bereit zu sein, dem wachsamen Auge der Beobachter ihre Wellennatur zu offenbaren. Es sieht aus wie ein Geheimnis, das in Dunkelheit gehüllt ist. Es gibt aber auch eine einfachere Erklärung: Die Überwachung des Systems kann nicht durchgeführt werden, ohne es physisch zu beeinflussen. Wir werden dies später diskutieren.
2. Erhitzte Fullerene
Partikelbeugungsexperimente wurden nicht nur mit Elektronen durchgeführt, sondern auch mit anderen, viel größeren Objekten. Zum Beispiel verwendeten sie Fullerene, große und geschlossene Moleküle, die aus mehreren zehn Kohlenstoffatomen bestehen. Kürzlich hat eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universität Wien unter der Leitung von Professor Zeilinger versucht, ein Beobachtungselement in diese Experimente einzubeziehen. Dazu bestrahlten sie die sich bewegenden Fullerenmoleküle mit Laserstrahlen. Dann, erhitzt von einer externen Quelle, begannen die Moleküle zu glühen und zeigten unweigerlich ihre Anwesenheit für den Betrachter.
Mit dieser Innovation hat sich auch das Verhalten von Molekülen geändert. Vor dem Beginn einer solch umfassenden Beobachtung waren Fullerene recht erfolgreich darin, Hindernissen auszuweichen (die Welleneigenschaften zeigten), ähnlich wie im vorherigen Beispiel, wenn Elektronen auf einen Bildschirm treffen. Mit der Anwesenheit eines Beobachters begannen sich Fullerene wie völlig gesetzestreue physikalische Teilchen zu verhalten.
3. Kühlmaß
Eines der bekanntesten Gesetze in der Welt der Quantenphysik ist das Heisenbergsche Unsicherheitsprinzip, nach dem es unmöglich ist, die Geschwindigkeit und Position eines Quantenobjekts gleichzeitig zu bestimmen. Je genauer wir den Impuls eines Teilchens messen, desto weniger genau können wir seine Position messen. In unserer makroskopischen realen Welt bleibt die Gültigkeit von Quantengesetzen, die auf winzige Teilchen wirken, jedoch normalerweise unbemerkt.
Die jüngsten Experimente von Professor Schwab aus den USA leisten einen sehr wertvollen Beitrag auf diesem Gebiet. Quanteneffekte in diesen Experimenten wurden nicht auf der Ebene von Elektronen oder Fullerenmolekülen (mit einem ungefähren Durchmesser von 1 nm) gezeigt, sondern an größeren Objekten, einem winzigen Aluminiumband. Dieses Band wurde auf beiden Seiten befestigt, so dass seine Mitte in einem schwebenden Zustand war und unter äußerem Einfluss vibrieren konnte. Zusätzlich wurde ein Gerät in der Nähe platziert, das die Position des Bandes genau aufzeichnen konnte. Das Experiment enthüllte einige interessante Dinge. Erstens wirkte sich jede Messung in Bezug auf die Position des Objekts und die Beobachtung des Bandes darauf aus. Nach jeder Messung änderte sich die Position des Bandes.
Die Experimentatoren bestimmten die Koordinaten des Bandes mit hoher Präzision und änderten so nach dem Heisenberg-Prinzip seine Geschwindigkeit und damit die nachfolgende Position. Zweitens führten einige Messungen ganz unerwartet zu einer Abkühlung des Bandes. Somit kann der Betrachter die physikalischen Eigenschaften von Objekten durch seine bloße Anwesenheit verändern.
4. Partikel einfrieren
Wie Sie wissen, zerfallen instabile radioaktive Partikel nicht nur in Experimenten mit Katzen, sondern auch von selbst. Jedes Teilchen hat eine durchschnittliche Lebensdauer, die sich, wie sich herausstellt, unter dem wachsamen Auge eines Beobachters erhöhen kann. Dieser Quanteneffekt wurde bereits in den 1960er Jahren vorhergesagt, und seine brillanten experimentellen Beweise wurden in einem Artikel veröffentlicht, der von einer Gruppe unter der Leitung des Nobelpreisträgers Wolfgang Ketterle vom MIT veröffentlicht wurde.
In dieser Arbeit wurde der Zerfall instabiler angeregter Rubidiumatome untersucht. Unmittelbar nach der Herstellung des Systems wurden die Atome mit einem Laserstrahl angeregt. Die Beobachtung erfolgte in zwei Modi: kontinuierlich (das System war ständig kleinen Lichtimpulsen ausgesetzt) und gepulst (das System wurde von Zeit zu Zeit mit stärkeren Impulsen bestrahlt).
Die erhaltenen Ergebnisse stimmten voll und ganz mit den theoretischen Vorhersagen überein. Externe Lichteffekte verlangsamen den Zerfall von Partikeln und bringen sie in ihren ursprünglichen Zustand zurück, der weit vom Zerfallszustand entfernt ist. Das Ausmaß dieses Effekts entsprach ebenfalls den Prognosen. Die maximale Lebensdauer instabiler angeregter Rubidiumatome erhöhte sich um das 30-fache.
5. Quantenmechanik und Bewusstsein
Elektronen und Fullerene zeigen nicht mehr ihre Welleneigenschaften, Aluminiumplatten kühlen ab und instabile Partikel verlangsamen ihren Zerfall. Das wachsame Auge des Betrachters verändert buchstäblich die Welt. Warum kann dies nicht ein Beweis für die Beteiligung unseres Geistes an der Arbeit der Welt sein? Vielleicht hatten Carl Jung und Wolfgang Pauli (österreichischer Physiker, Nobelpreisträger, Pionier der Quantenmechanik) doch Recht, als sie sagten, dass die Gesetze der Physik und des Bewusstseins als komplementär zueinander angesehen werden sollten?
Wir sind nur einen Schritt davon entfernt zu erkennen, dass die Welt um uns herum nur ein illusorisches Produkt unseres Geistes ist. Die Idee ist beängstigend und verlockend. Versuchen wir noch einmal, uns an die Physiker zu wenden. Besonders in den letzten Jahren, als immer weniger Menschen glauben, dass die Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik mit ihrer kryptischen Wellenfunktion zusammenbricht, was auf eine profanere und zuverlässigere Dekohärenz hinweist.
Der Punkt ist, dass in all diesen Experimenten mit Beobachtungen Experimentatoren unweigerlich das System beeinflussten. Sie zündeten es mit einem Laser an und installierten Messgeräte. Sie waren durch ein wichtiges Prinzip verbunden: Sie können ein System nicht beobachten oder seine Eigenschaften messen, ohne mit ihm zu interagieren. Bei jeder Interaktion werden Eigenschaften geändert. Besonders wenn ein winziges Quantensystem kolossalen Quantenobjekten ausgesetzt ist. Ein ewig neutraler buddhistischer Beobachter ist grundsätzlich unmöglich. Und hier kommt der Begriff „Dekohärenz“ins Spiel, der aus thermodynamischer Sicht irreversibel ist: Die Quanteneigenschaften eines Systems ändern sich bei der Interaktion mit einem anderen großen System.
Während dieser Wechselwirkung verliert das Quantensystem seine ursprünglichen Eigenschaften und wird klassisch, als ob es einem großen System "gehorcht". Dies erklärt auch das Paradoxon von Schrödingers Katze: Die Katze ist ein zu großes System, so dass sie nicht vom Rest der Welt isoliert werden kann. Das Design dieses Gedankenexperiments ist nicht ganz richtig.
In jedem Fall scheint Dekohärenz ein viel bequemerer Ansatz zu sein, wenn wir die Realität des Schöpfungsakts durch das Bewusstsein annehmen. Vielleicht sogar zu bequem. Mit diesem Ansatz wird die gesamte klassische Welt zu einer großen Folge der Dekohärenz. Und wie der Autor eines der bekanntesten Bücher auf diesem Gebiet feststellte, führt dieser Ansatz logischerweise zu Aussagen wie "Es gibt keine Teilchen auf der Welt" oder "Es gibt keine Zeit auf einer fundamentalen Ebene".
Ist es wahr in einem Schöpfer-Beobachter oder in einer starken Dekohärenz? Wir müssen zwischen zwei Übeln wählen. Dennoch sind Wissenschaftler zunehmend davon überzeugt, dass Quanteneffekte eine Manifestation unserer mentalen Prozesse sind. Und wo die Beobachtung endet und die Realität beginnt, hängt von jedem von uns ab.
Basierend auf Materialien von topinfopost.com
