Das als Schrödingers Katze bekannte Gedankenexperiment ist eines der bekanntesten und missverstandenen Konzepte der Quantenmechanik. Durch tiefes Nachdenken sind Forscher zu spektakulären Einsichten über die physikalische Realität gelangt.
Wer hat Schrödingers Katze erfunden?
Der österreichische Physiker Erwin Schrödinger, der an der Gründung der Disziplin der Quantenmechanik mitgewirkt hat, hat sein Katzenrätsel 1935 erstmals als Kommentar zu Problemen konzipiert, die ursprünglich vom Leuchtturm Albert Einstein laut einem Artikel im Quanta Magazine aufgeworfen wurden.
Während der Entwicklung ihres neuen Verständnisses des subatomaren Bereichs hatten die meisten Kollegen von Einstein und Schrödinger erkannt, dass Quantenentitäten äußerst merkwürdige Verhaltensweisen zeigten. Der dänische Physiker Niels Bohr setzte sich für das Verständnis ein, dass Teilchen wie Elektronen erst nach ihrer Messung genau definierte Eigenschaften hatten. Zuvor existierten die Teilchen in einer sogenannten Überlagerung von Zuständen, mit beispielsweise einer 50% igen Chance, sich "nach oben" zu orientieren, und einer 50% igen Chance, sich "nach unten" zu orientieren.
Insbesondere Einstein gefiel diese unentschlossene Erklärung nicht. Er wollte wissen, wie genau das Universum weiß, dass jemand etwas misst. Schrödinger hob diese Absurdität mit seiner berüchtigten Konzeptkatze hervor.
Angenommen, man baut eine seltsame Erfindung, schrieb Schrödinger 1935 in einem Artikel mit dem Titel "Die aktuelle Situation in der Quantenmechanik". Die Vorrichtung besteht aus einer Schachtel mit einem verschlossenen Fläschchen Cyanid, über dem ein Hammer aufgehängt ist, der an einem Geigerzähler angebracht ist und auf einen kleinen Klumpen schwach radioaktiven Urans gerichtet ist. In der Schachtel befindet sich auch ein Kätzchen (und denken Sie daran, dies ist ein Gedankenexperiment, das nie durchgeführt wurde).
Die Schachtel ist versiegelt, und das Experiment wird für eine bestimmte Zeitspanne, vielleicht eine Stunde, laufen gelassen. In dieser Stunde hat das Uran, dessen Teilchen den Gesetzen der Quantenmechanik entsprechen, eine gewisse Chance, Strahlung zu emittieren, die dann vom Geigerzähler aufgenommen wird, der wiederum den Hammer freigibt und die Phiole zerschmettert und die Katze tötet durch Cyanidvergiftung.
Laut Leuten wie Bohr bleibt die Kiste, bis sie geöffnet und der Status der Katze "gemessen" wird, in einer Überlagerung von Lebenden und Verstorbenen. Menschen wie Einstein und Schrödinger haben sich einer solchen Möglichkeit widersetzt, die nicht mit allem übereinstimmt, was uns unsere gewöhnliche Erfahrung sagt - Katzen sind entweder lebendig oder tot, nicht beide gleichzeitig.
"Der Uantumphysik fehlte eine wichtige Komponente, eine Geschichte darüber, wie sie mit den Dingen in der Welt übereinstimmt", schrieb der Wissenschaftsjournalist Adam Becker in seinem Buch "What Is Real?" (Grundlegende Bücher, 2018). "Wie entsteht aus einer phänomenalen Anzahl von Atomen, die von der Quantenphysik beherrscht werden, die Welt, die wir um uns herum sehen?"
Ist Schrödingers Katze echt?
Schrödingers Katze traf genau das, was an Bohrs Interpretation der Realität bizarr war: das Fehlen einer klaren Trennlinie zwischen dem Quanten- und dem Alltagsbereich. Während die meisten Leute denken, dass dies ein Beispiel für Partikel ist, denen bis zu ihrer Messung klar definierte Eigenschaften fehlen, war Schrödingers ursprüngliche Absicht genau das Gegenteil - zu zeigen, dass eine solche Idee unsinnig war. Viele Jahrzehnte lang ignorierten die Physiker dieses Problem jedoch weitgehend und gingen zu anderen Problemen über.
Ab den 1970er Jahren konnten Forscher jedoch zeigen, dass Quantenteilchen in Zuständen erzeugt werden können, die immer einander entsprechen. Wenn also einer eine "Auf" -Orientierung zeigt, ist der andere "Ab" - ein Phänomen, das Schrödinger Verschränkung nannte . Diese Arbeit wurde genutzt, um das aufstrebende Gebiet des Quantencomputers zu untermauern, das verspricht, Rechenmaschinen herzustellen, die weitaus schneller sind als aktuelle Technologien.
Im Jahr 2010 gelang es den Physikern auch, eine reale Version von Schrödingers Katze zu erstellen, allerdings auf eine Weise, die keinen Mord (auch bekannt als Kitty-Mord) beinhaltet. Wissenschaftler der University of California in Santa Barbara bauten einen Resonator, im Grunde eine winzige Stimmgabel, die die Größe des Pixels auf einem Computerbildschirm hatte. Sie stellten es in eine Überlagerung, in der es gleichzeitig oszillierte und nicht oszillierte, was zeigte, dass relativ große Objekte bizarre Quantenzustände einnehmen können.
Neuere Experimente haben Gruppen von bis zu 2.000 Atomen gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten platziert, wodurch die Trennlinie zwischen mikroskopisch und makroskopisch weiter verwischt wurde. Im Jahr 2019 gelang es Forschern der Universität Glasgow sogar, ein Foto von verschränkten Photonen mit einer speziellen Kamera aufzunehmen, die ein Bild aufnahm, wenn ein Photon mit seinem verschränkten Partner auftauchte.
Während sich Physiker und Philosophen noch nicht einig sind, wie sie über die Quantenwelt denken sollen, haben Schrödingers Erkenntnisse viele fruchtbare Forschungswege hervorgebracht und werden dies wahrscheinlich auf absehbare Zeit auch weiterhin tun.
