Schrödingers Katze; warum war es notwendig?

Zunächst eine historische Feinheit: Schrödinger hat die Idee der Katze eigentlich von Einstein geklaut.

Zweitens benutzten beide Männer – Einstein und Schrödinger – das Gedankenexperiment, um einen Punkt zu „erklären“, der falsch war. Sie hielten es für absurd, dass die Quantenmechanik sagte, dass der Zustand$a|{\rm alive}\rangle+b|{\rm dead}\rangle$war in der Natur möglich (es wurde behauptet, es sei in der Quantenmechanik möglich), weil es die gleichzeitige Existenz der beiden "inkompatiblen" Arten der Katze ermöglichte.

Drittens irrten sie sich, weil die Quantenmechanik impliziert, dass solche Überlagerungen absolut erlaubt sind und erlaubt sein müssen, und diese Tatsache kann experimentell verifiziert werden – nicht wirklich mit Katzen, aber mit Objekten einer charakteristischen Größe, die zugenommen hat. Makroskopische Objekte wurden bereits in ähnliche "allgemeine Überlagerungszustände" versetzt.

Die Männer haben es eingeführt, um gegen die konventionellen, Kopenhagen-ähnlichen Interpretationen der Quantenmechanik anzukämpfen, und so verwenden die meisten Menschen das Meme auch heute noch. Aber die Männer irrten sich, und so zeigt das Gedankenexperiment aus wissenschaftlich valider Sicht, dass Überlagerungen tatsächlich immer erlaubt sind – es ist ein Postulat der Quantenmechanik – auch wenn solche Zustände kontraintuitiv sind. Ähnliche Überlagerungen von Common-Sense-Zuständen werden damit nur gemessen$|a|^2$und$|b|^2$aus den Koeffizienten heraus und können als (mehr oder weniger klassische) Wahrscheinlichkeiten interpretiert werden. Aufgrund der Dekohärenz ist die relative Phase für große, chaotische Systeme wie Katzen praktisch nicht messbar, aber im Prinzip spielt sogar die relative Phase eine Rolle.

Ganz allgemein sagen die Leute, die sich irren – die ein Problem mit der Quantenmechanik haben – gerne, dass die Superposition bedeutet, dass die Katze lebt „und“ tot ist. Aber die richtige Quantenantwort ist, dass die Addition in der Wellenfunktion nicht "und" bedeutet. Stattdessen bedeutet es eine Art "oder", also sagt die Überlagerung einfach, dass die Katze tot oder lebendig ist, mit den entsprechenden Wahrscheinlichkeiten (die Quantenmechanik bestimmt nicht nur die Wahrscheinlichkeiten, sondern auch ihre komplexen Phasen, und diese können für andere Fragen von Bedeutung sein). .

Das Gedankenexperiment zielte darauf ab, ein Konzept zu veranschaulichen und die Gültigkeit eines solchen Konzepts in Frage zu stellen: 1/ Das Konzept: in der Quantenmechanik, bevor eine Beobachtung gemacht wird (beachten Sie, dass sich die Katze in einer geschlossenen Kiste befindet und niemand sehen kann, was darin vor sich geht das Kästchen), ein System befindet sich nicht in einem definierten Zustand, sondern hat nur eine gewisse Wahrscheinlichkeit, in irgendeinem Zustand zu sein - hier ist das System eine Katze, und die Zustände sind "tot" und "lebendig", und es ist tatsächlich ein auffälliges Bild. Damit ist das Ziel, die Augenbrauen hochzuziehen und die Zuhörer die Bedeutung des Konzepts in Frage stellen, tatsächlich erreicht.

2/ Die Befragung: Durch die Anwendung des Konzepts der Überlagerung auf Fragen von Leben und Tod und auch auf ein makroskopisches Objekt war das Ziel, die wirklich revolutionäre Natur des Konzepts selbst hervorzuheben – insbesondere unsere völlige Unkenntnis des Grundes dafür hervorzuheben Quantenverhalten ist auf atomarer Ebene allgegenwärtig, wird aber seltener auf makroskopischer Ebene beobachtet (obwohl einige Manifestationen existieren: Supraleitung, BEC ...)

Meine Antwort lautet also: Es war nicht notwendig, aber es war eine auffallende Art, das Konzept der Quantenüberlagerung zu vermitteln und zu fragen, was die definierende Grenze zwischen den mikroskopischen und makroskopischen Naturgesetzen ist, falls es eine gibt. Diese Frage wird immer noch diskutiert und ist eines der Ziele der Vereinigungstheorien, wobei die Hauptfrage einer Quantentheorie der Gravitation noch ungelöst ist.

Deshalb denke ich, dass Schrödinger dieses Gedankenexperiment eingeführt hat. Warum Schrödinger dieses Gedankenexperiment entwickelt hat, lässt sich erklären, wenn man sich zunächst das Doppelspaltexperiment vor Augen führt. Sie feuern ein Photon auf einen Doppelspalt, und das Photon geht durch das Doppelspaltgerät und trifft dann auf einen Schirm. Wenn Sie nicht versuchen zu bestimmen, durch welchen Schlitz das Photon gegangen ist, trifft das Photon (fast sicher) auf einen Punkt auf einem Bildschirm, der der Position eines Interferenzbauchs entspricht (Sie werden kein Interferenzmuster von Bäuchen erzeugen mit nur einem Photon, aber ein Photon wird an einer der Stellen landen, die ein Schwingungsbauch wäre, wenn Sie mehr Licht verwendet hätten (und viel mehr Photonen durch den Doppelspalt geschickt hätten). Schlitz oder den anderen. Wenn es durch den einen oder anderen Schlitz gegangen wäre, es wäre einen der beiden möglichen klassischen Wege gegangen. Das Photon wäre entlang einer geraden Linie von der Lichtquelle zu dem Schlitz gewandert, durch den es gegangen ist, und hat sich dann in einer geraden Linie weiterbewegt, bis es den Bildschirm an einem Punkt trifft, der mit dem Schlitz und der Quelle übereinstimmt. Aber das tat es nicht – es klebte den Bildschirm an einer Antiknotenposition, als ob das Photon eine Welle wäre und sich gleichzeitig durch beide Schlitze bewegte. Das Ergebnis dieses Experiments erfordert also, dass Sie das reisende Photon so betrachten, dass es auf allen möglichen Wegen existiert (dh es nimmt alle möglichen Wege) zwischen der Quelle und dem Punkt, an dem das Photon schließlich auf den Bildschirm trifft. Das Photon wäre entlang einer geraden Linie von der Lichtquelle zu dem Schlitz gewandert, durch den es gegangen ist, und hat sich dann in einer geraden Linie weiterbewegt, bis es den Bildschirm an einem Punkt trifft, der mit dem Schlitz und der Quelle übereinstimmt. Aber das tat es nicht – es klebte den Bildschirm an einer Antiknotenposition, als ob das Photon eine Welle wäre und sich gleichzeitig durch beide Schlitze bewegte. Das Ergebnis dieses Experiments erfordert also, dass Sie das reisende Photon so betrachten, dass es auf allen möglichen Wegen existiert (dh es nimmt alle möglichen Wege) zwischen der Quelle und dem Punkt, an dem das Photon schließlich auf den Bildschirm trifft. Das Photon wäre entlang einer geraden Linie von der Lichtquelle zu dem Schlitz gewandert, durch den es gegangen ist, und hat sich dann in einer geraden Linie weiterbewegt, bis es den Bildschirm an einem Punkt trifft, der mit dem Schlitz und der Quelle übereinstimmt. Aber das tat es nicht – es klebte den Bildschirm an einer Antiknotenposition, als wäre das Photon eine Welle und wanderte gleichzeitig durch beide Schlitze. Das Ergebnis dieses Experiments erfordert also, dass Sie das reisende Photon so betrachten, dass es auf allen möglichen Wegen existiert (dh es nimmt alle möglichen Wege) zwischen der Quelle und dem Punkt, an dem das Photon schließlich auf den Bildschirm trifft.

Der Unterricht? Wenn Sie nicht in eine Quanteneinheit eingreifen, entwickelt sie sich gemäß einer Wellenfunktion und befindet sich in einer Überlagerung vieler Zustände, bis sie beobachtet wird.

Nun zu Schrödingers Katze. Wenn ein Atom mit einem instabilen Kern nicht beobachtet wird, entwickelt es sich gemäß einer Wellenfunktion und befindet sich gleichzeitig in einem nicht zerfallenen Zustand und einem zerfallenen Zustand (wobei der Wert des Zerfallszustandskoeffizienten in der Wellenfunktion mit der Zeit zunimmt und der Koeffizient von der unzersetzte Koeffizient nimmt mit der Zeit ab). Während Sie die Wellenfunktion als Mittel zur Vorhersage der Wahrscheinlichkeit betrachten können, dass das Photon an einem bestimmten Punkt auf den Bildschirm trifft, können Sie sie nicht als Beschreibung der Wahrscheinlichkeit betrachten, dass das Photon durch den einen oder anderen Spalt gegangen ist, da dies nicht konsistent wäre mit der Beobachtung, dass das Photon an einer Antiknotenposition auf den Bildschirm auftrifft und nicht auf einen Punkt, der in einer Linie mit einem bestimmten Schlitz und der Lichtquelle liegt. Klassisch, das Atom muss in dem einen oder anderen Zustand existieren, aber nicht in beiden gleichzeitig; die klassischen Zustände schließen sich gegenseitig aus. Aber in der Quantenmechanik kann das Atom gleichzeitig in beiden Zuständen existieren, wenn es nicht beobachtet wird. Schrödingers Gedankenexperiment zeigt, wie lächerlich die Quantenrealität ist (widerlegt sie aber nicht). Sie können sich ein Experiment vorstellen, bei dem die Überlagerung von Atomzuständen erfordert, dass ein makroskopisches Objekt (die Katze) sich ebenfalls in einer Überlagerung sich gegenseitig ausschließender Zustände (lebendig und tot) befindet, anstatt in dem einen oder anderen klassischen Zustand zu existieren.

Schrödingers Katze ist ein Gedankenexperiment, manchmal auch als Paradoxon bezeichnet. Das Szenario zeigt eine Katze, die abhängig von einem früheren Zufallsereignis sowohl lebendig als auch tot sein kann. Obwohl das ursprüngliche "Experiment" imaginär war, wurden ähnliche Prinzipien erforscht und in praktischen Anwendungen eingesetzt.

Auch in theoretischen Diskussionen zur Interpretation der Quantenmechanik kommt das Gedankenexperiment häufig vor. Schrödinger schrieb: Man kann sogar ganz lächerliche Fälle aufstellen. Eine Katze wird in einer Stahlkammer eingepfercht, zusammen mit folgendem Gerät (das gegen direkten Eingriff der Katze gesichert werden muss): In einem Geigerzähler befindet sich ein winziges Stück radioaktiver Substanz, so klein, dass vielleicht im Verlauf stündlich zerfällt eines der Atome, aber mit gleicher Wahrscheinlichkeit vielleicht auch keines; Wenn es passiert, entlädt sich das Zählrohr und löst über ein Relais einen Hammer aus, der ein kleines Fläschchen mit Blausäure zerschmettert .

Wenn man dieses ganze System eine Stunde sich selbst überlassen hat, würde man sagen, dass die Katze noch lebt, wenn in der Zwischenzeit kein Atom zerfallen ist. Die Psi-Funktion des gesamten Systems würde dies dadurch ausdrücken, dass darin die lebende und die tote Katze (verzeihen Sie den Ausdruck) zu gleichen Teilen gemischt oder verschmiert sind.

Typisch für diese Fälle ist, dass sich eine ursprünglich auf den atomaren Bereich beschränkte Unbestimmtheit in eine makroskopische Unbestimmtheit verwandelt, die dann durch direkte Beobachtung aufgelöst werden kann. Das hindert uns daran, ein „verschwommenes Modell“ zur Darstellung der Realität so naiv als gültig zu akzeptieren. An sich würde es nichts Unklares oder Widersprüchliches verkörpern. Es gibt einen Unterschied zwischen einem verwackelten oder unscharfen Foto und einem Schnappschuss von Wolken und Nebelbänken.