Viele Menschen haben diesen Ausdruck gehört, aber vielleicht versteht nicht jeder seine vereinfachte Bedeutung. Versuchen wir es ohne komplizierte Theorien und Formeln herauszufinden.
"Schrödingers Katze" heißt das berühmte Gedankenexperiment des berühmten österreichischen theoretischen Physikers Erwin Schrödinger, der auch Nobelpreisträger ist. Mit dieser fiktiven Erfahrung wollte der Wissenschaftler die Unvollständigkeit der Quantenmechanik beim Übergang von subatomaren zu makroskopischen Systemen zeigen.
Erwin Schrödingers Originalartikel wurde 1935 veröffentlicht. Hier ist ein Zitat:
Sie können auch Fälle konstruieren, in denen Burleske ausreicht. Lassen Sie eine Katze zusammen mit der folgenden teuflischen Maschine (die unabhängig von der Intervention der Katze sein sollte) in einer Stahlkammer eingeschlossen sein: Im Geigerzähler befindet sich eine winzige Menge radioaktiver Substanz, die so klein ist, dass nur ein Atom in einer Stunde zerfallen kann, aber mit derselben Wahrscheinlichkeit kann nicht zerfallen; In diesem Fall wird die Leseröhre entladen und das Relais ausgelöst, wodurch der Hammer freigegeben wird, der den Kegel mit Blausäure bricht.
Wenn Sie dieses gesamte System für eine Stunde sich selbst überlassen, können wir sagen, dass die Katze nach dieser Zeit am Leben sein wird, solange der Zerfall des Atoms nicht auftritt. Der allererste Zerfall eines Atoms hätte die Katze vergiftet. Die Psi-Funktion des Gesamtsystems drückt dies aus, indem eine lebende und eine tote Katze (Entschuldigung für den Ausdruck) zu gleichen Teilen gemischt oder verschmiert werden. Typisch in solchen Fällen ist, dass die Unsicherheit, die ursprünglich auf die Atomwelt beschränkt war, in makroskopische Unsicherheit umgewandelt wird, die durch direkte Beobachtung beseitigt werden kann. Dies hindert uns daran, das "Unschärfemodell" naiv als die Realität reflektierend zu akzeptieren. An sich bedeutet dies nichts Unklares oder Widersprüchliches. Es gibt einen Unterschied zwischen einem verschwommenen oder unscharfen Foto und einem Foto von Wolken oder Nebel.
Mit anderen Worten:
- Es gibt eine Kiste und eine Katze. Die Box enthält einen Mechanismus, der einen radioaktiven Atomkern und einen Behälter mit einem giftigen Gas enthält. Die Parameter des Experiments wurden so ausgewählt, dass die Wahrscheinlichkeit eines nuklearen Zerfalls in 1 Stunde 50% beträgt. Wenn der Kern zerfällt, öffnet sich ein Behälter mit Gas und die Katze stirbt. Wenn der Kern nicht zerfällt, bleibt die Katze gesund und munter.
- Wir schließen die Katze in einer Kiste, warten eine Stunde und fragen uns: Lebt die Katze oder ist sie tot?
- Die Quantenmechanik sagt uns sozusagen, dass sich der Atomkern (und damit die Katze) gleichzeitig in allen möglichen Zuständen befindet (siehe Quantenüberlagerung). Bevor wir die Schachtel geöffnet haben, befindet sich das "Katzenkern" -System mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% im Zustand "Der Kern ist verfallen, die Katze ist tot" und im Zustand "Der Kern ist nicht verfallen, die Katze lebt" mit einer Wahrscheinlichkeit von 50%. Es stellt sich heraus, dass die Katze, die in der Kiste sitzt, gleichzeitig lebt und tot ist.
- Nach der modernen Kopenhagener Interpretation ist die Katze ohne Zwischenzustände lebendig / tot. Und die Wahl des Zustands des nuklearen Zerfalls erfolgt nicht zum Zeitpunkt des Öffnens der Box, sondern auch, wenn der Kern in den Detektor eintritt. Denn die Reduktion der Wellenfunktion des "Cat-Detector-Nucleus" -Systems ist nicht mit dem menschlichen Beobachter der Box verbunden, sondern mit dem Detektor-Beobachter des Kerns.
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Wenn nach der Quantenmechanik keine Beobachtung über den Kern eines Atoms erfolgt, wird sein Zustand durch die Vermischung zweier Zustände beschrieben - eines aufgelösten Kerns und eines ungelösten Kerns. Daher ist eine Katze, die in einer Kiste sitzt und den Kern eines Atoms verkörpert, gleichzeitig lebendig und tot. Wenn die Schachtel geöffnet wird, kann der Experimentator nur einen bestimmten Zustand sehen - "der Kern ist verfallen, die Katze ist tot" oder "der Kern ist nicht verfallen, die Katze lebt".
Das Wesen der menschlichen Sprache: Schrödingers Experiment zeigte, dass eine Katze aus quantenmechanischer Sicht sowohl lebendig als auch tot ist, was nicht sein kann. Daher weist die Quantenmechanik erhebliche Mängel auf.
Die Frage ist: Wann hört das System auf, als Mischung aus zwei Zuständen zu existieren und einen bestimmten auszuwählen? Der Zweck des Experiments ist es zu zeigen, dass die Quantenmechanik ohne einige Regeln unvollständig ist, die angeben, unter welchen Bedingungen die Wellenfunktion zusammenbricht, und die Katze entweder tot wird oder am Leben bleibt, aber keine Mischung aus beiden mehr ist. Da es klar ist, dass eine Katze entweder lebendig oder tot sein muss (es gibt keinen Zustand zwischen Leben und Tod), gilt dies auch für den Atomkern. Es muss entweder aufgelöst oder nicht aufgelöst sein (Wikipedia).
Eine andere jüngste Interpretation von Schrödingers Gedankenexperiment ist die Geschichte von Sheldon Cooper, dem Helden der Serie Big Bang Theory, die er für Pennys weniger gebildeten Nachbarn rezitierte. Die Essenz von Sheldons Geschichte ist, dass das Konzept von Schrödingers Katze in Beziehungen zwischen Menschen angewendet werden kann. Um zu verstehen, was zwischen einem Mann und einer Frau passiert, welche Art von Beziehung zwischen ihnen: gut oder schlecht, müssen Sie nur die Schachtel öffnen. Davor sind Beziehungen sowohl gut als auch schlecht.
Unten sehen Sie ein Video dieses Dialogs der Urknalltheorie zwischen Sheldon und Singing.
Schrödingers Illustration ist das beste Beispiel für die Beschreibung des Hauptparadoxons der Quantenphysik: Nach ihren Gesetzen existieren Teilchen wie Elektronen, Photonen und sogar Atome gleichzeitig in zwei Zuständen ("lebend" und "tot", wenn Sie sich an die langleidende Katze erinnern). Diese Zustände werden Überlagerungen genannt.
Der amerikanische Physiker Art Hobson von der University of Arkansas (Arkansas State University) bot seine eigene Lösung für dieses Paradoxon an.
„Messungen in der Quantenphysik basieren auf dem Betrieb bestimmter makroskopischer Geräte wie des Geigerzählers, die den Quantenzustand mikroskopischer Systeme bestimmen - Atome, Photonen und Elektronen. Die Quantentheorie impliziert, dass, wenn Sie ein mikroskopisches System (Partikel) mit einem bestimmten makroskopischen Gerät verbinden, das zwischen zwei verschiedenen Zuständen des Systems unterscheidet, das Gerät (z. B. Geigerzähler) in einen Zustand der Quantenverschränkung gerät und sich gleichzeitig in zwei Überlagerungen befindet. Es ist jedoch unmöglich, dieses Phänomen direkt zu beobachten, was es inakzeptabel macht “, sagt der Physiker.
Hobson sagt, dass in Schrödingers Paradoxon die Katze die Rolle eines makroskopischen Instruments spielt, eines Geigerzählers, der an einem radioaktiven Kern angebracht ist, um den Zerfallszustand oder "Nichtzerfall" dieses Kerns zu bestimmen. In diesem Fall ist eine lebende Katze ein Indikator für "Nichtverfall", und eine tote Katze ist ein Indikator für Verfall. Aber nach der Quantentheorie muss sich die Katze wie der Kern in zwei Überlagerungen von Leben und Tod befinden.
Stattdessen muss laut dem Physiker der Quantenzustand der Katze mit dem Zustand des Atoms verwickelt sein, was bedeutet, dass sie in "nicht lokaler Verbindung" miteinander stehen. Das heißt, wenn sich der Zustand eines der verschränkten Objekte plötzlich in das Gegenteil ändert, ändert sich der Zustand seines Paares genauso, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Dabei verweist Hobson auf die experimentelle Bestätigung dieser Quantentheorie.
„Das Interessanteste an der Theorie der Quantenverschränkung ist, dass sich der Zustand beider Teilchen sofort ändert: Kein Licht oder elektromagnetisches Signal hätte Zeit, Informationen von einem System zu einem anderen zu übertragen. Wir können also sagen, dass dies ein Objekt ist, das durch den Raum in zwei Teile geteilt ist, egal wie groß der Abstand zwischen ihnen ist “, erklärt Hobson.
Schrödingers Katze lebt nicht mehr gleichzeitig und ist tot. Er ist tot, wenn Verfall auftritt, und lebendig, wenn Verfall niemals auftritt.
Wir fügen hinzu, dass drei weitere Gruppen von Wissenschaftlern in den letzten dreißig Jahren ähnliche Optionen zur Lösung dieses Paradoxons vorgeschlagen haben, diese jedoch nicht ernst genommen wurden und in weiten wissenschaftlichen Kreisen unbemerkt blieben. Hobson merkt an, dass die Lösung der Paradoxien der Quantenmechanik, auch der theoretischen, für ihr tiefes Verständnis absolut notwendig ist.
Sie können mehr über die Arbeit des Physikers in seinem Artikel lesen, der in der Zeitschrift Physical Review A veröffentlicht wurde.
Schrödinger.
Aber in jüngerer Zeit hat THEORETICS ERKLÄRT, WIE SCHWERPUNKT SCHRODINGERS KATZE TÖTET, aber das ist schon schwieriger …
In der Regel erklären Physiker das Phänomen, dass in der Welt der Teilchen eine Überlagerung möglich ist, bei Katzen oder anderen Makroobjekten jedoch keine Störung durch die Umwelt. Wenn ein Quantenobjekt ein Feld passiert oder mit zufälligen Teilchen interagiert, nimmt es sofort nur einen Zustand an - als ob es gemessen worden wäre. Auf diese Weise wird die Überlagerung zerstört, wie Wissenschaftler glaubten.
Aber selbst wenn es auf irgendeine Weise möglich wäre, ein Makroobjekt in einem Überlagerungszustand von Wechselwirkungen mit anderen Teilchen und Feldern zu isolieren, würde es früher oder später immer noch einen einzigen Zustand annehmen. Zumindest gilt dies für die Prozesse auf der Erdoberfläche.
„Irgendwo im interstellaren Raum hätte eine Katze vielleicht die Chance, die Quantenkohärenz aufrechtzuerhalten, aber auf der Erde oder in der Nähe eines Planeten ist dies äußerst unwahrscheinlich. Der Grund dafür ist die Schwerkraft “, erklärt der Hauptautor der neuen Studie, Igor Pikovski vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Pikovsky und seine Kollegen an der Universität Wien argumentieren, dass die Schwerkraft eine zerstörerische Wirkung auf die Quantenüberlagerung von Makroobjekten hat, weshalb wir solche Phänomene im Makrokosmos nicht beobachten. Das Grundkonzept der neuen Hypothese ist übrigens im Spielfilm Interstellar zusammengefasst.
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass ein extrem massereiches Objekt die Raumzeit in seiner Nähe biegt. Wenn man die Situation auf einer feineren Ebene betrachtet, kann man sagen, dass für ein Molekül, das sich in der Nähe der Erdoberfläche befindet, die Zeit etwas langsamer vergeht als für ein Molekül auf der Umlaufbahn unseres Planeten.
Aufgrund des Einflusses der Schwerkraft auf die Raumzeit erfährt ein Molekül, das unter diesen Einfluss geraten ist, eine Ablenkung in seiner Position. Und dies sollte wiederum seine innere Energie beeinflussen - Schwingungen von Partikeln in einem Molekül, die sich im Laufe der Zeit ändern. Wenn ein Molekül in einen Zustand der Quantenüberlagerung zweier Orte eingeführt würde, würde die Beziehung zwischen Position und innerer Energie das Molekül bald zwingen, nur eine der beiden Positionen im Raum zu "wählen".
"In den meisten Fällen ist das Phänomen der Dekohärenz mit einem äußeren Einfluss verbunden, aber in diesem Fall interagiert die innere Schwingung der Partikel mit der Bewegung des Moleküls selbst", erklärt Pikovsky.
Dieser Effekt wurde noch nicht beobachtet, da andere Dekohärenzquellen wie Magnetfelder, Wärmestrahlung und Vibrationen normalerweise viel stärker sind und die Zerstörung von Quantensystemen lange vor der Schwerkraft verursachen. Aber Experimentatoren versuchen, die angegebene Hypothese zu testen.
Markus Arndt, Experimentalphysiker an der Universität Wien, führt Experimente zur Beobachtung der Quantenüberlagerung in makroskopischen Objekten durch. Es sendet kleine Moleküle in das Interferometer und gibt dem Partikel effektiv die "Wahl", welchen Weg es einschlagen soll. Aus Sicht der klassischen Mechanik kann ein Molekül nur einen Weg gehen, aber ein Quantenmolekül kann zwei Wege gleichzeitig gehen, sich selbst stören und ein charakteristisches Wellenmuster erzeugen.
Ein ähnlicher Aufbau kann auch verwendet werden, um die Fähigkeit der Schwerkraft zu testen, Quantensysteme zu zerstören. Dazu müssen die vertikalen und horizontalen Interferometer verglichen werden: Im ersten Fall sollte die Überlagerung aufgrund der Zeitdilatation auf verschiedenen "Höhen" des Pfades bald verschwinden, während im zweiten Fall die Quantenüberlagerung bestehen bleiben kann.