Es kann eine Möglichkeit geben, Schrödingers Katze - das berühmte katzenbasierte Gedankenexperiment, das das mysteriöse Verhalten subatomarer Partikel beschreibt - einen Blick auf die Katze zu werfen, ohne das (hypothetische) Tier dauerhaft zu töten.
Die unglückliche, imaginäre Katze ist gleichzeitig lebendig und tot in einer Kiste oder existiert in einer Überlagerung von "toten" und "lebendigen" Zuständen, so wie subatomare Teilchen in einer Überlagerung vieler Zustände gleichzeitig existieren. Ein Blick in die Kiste verändert jedoch den Zustand der Katze, die dann entweder lebendig oder tot wird.
Jetzt jedoch beschreibt eine Studie, die am 1. Oktober im New Journal of Physics veröffentlicht wurde, einen Weg, die Katze möglicherweise anzusehen, ohne sie zum Leben oder Sterben zu zwingen. Auf diese Weise wird das Verständnis der Wissenschaftler für eines der grundlegendsten Paradoxe in der Physik verbessert.
In unserer gewöhnlichen, großräumigen Welt scheint das Betrachten eines Objekts nichts daran zu ändern. Aber zoomen Sie genug hinein, und das ist nicht der Fall.
"Wir denken normalerweise, dass der Preis, den wir für das Suchen zahlen, nichts ist", sagte Studienleiter Holger F. Hofmann, außerordentlicher Professor für Physik an der Hiroshima-Universität in Japan. "Das ist nicht richtig. Um zu schauen, muss man Licht haben und Licht verändert das Objekt." Das liegt daran, dass selbst ein einzelnes Lichtphoton Energie von oder zu dem Objekt überträgt, das Sie betrachten.
Hofmann und Kartik Patekar, die zu dieser Zeit ein Gaststudent an der Hiroshima-Universität waren und jetzt am Indian Institute of Technology in Bombay sind, fragten sich, ob es eine Möglichkeit gibt, zu schauen, ohne "den Preis zu zahlen". Sie landeten auf einem mathematischen Rahmen, der die anfängliche Interaktion (Blick auf die Katze) von der Anzeige (Wissen, ob sie lebt oder tot ist) trennt.
"Unsere Hauptmotivation war es, die Art und Weise, wie eine Quantenmessung durchgeführt wird, sehr genau zu untersuchen", sagte Hofmann. "Und der entscheidende Punkt ist, dass wir die Messung in zwei Schritten trennen."
Auf diese Weise können Hoffman und Patekar davon ausgehen, dass alle Photonen, die an der anfänglichen Wechselwirkung beteiligt sind, oder einen Blick auf die Katze werfen, erfasst werden, ohne dass Informationen über den Zustand der Katze verloren gehen. Vor dem Auslesen ist also noch alles verfügbar, was Sie über den Zustand der Katze wissen müssen (und darüber, wie sich der Zustand verändert hat). Erst wenn wir die Informationen vorlesen, verlieren wir einen Teil davon.
„Interessant ist, dass beim Auslesen eine der beiden Arten von Informationen ausgewählt und die andere vollständig gelöscht wird“, sagte Hofmann.
So haben sie ihre Arbeit mit Schrödingers Katze beschrieben. Angenommen, die Katze befindet sich noch in der Box, aber anstatt nach innen zu schauen, um festzustellen, ob die Katze lebt oder tot ist, stellen Sie eine Kamera außerhalb der Box auf, die irgendwie ein Bild darin aufnehmen kann (für das Gedankenexperiment, ignorieren Sie die Tatsache, dass physische Kameras nicht so funktionieren). Sobald das Bild aufgenommen wurde, verfügt die Kamera über zwei Arten von Informationen: Wie sich die Katze infolge der Aufnahme verändert hat (was die Forscher als Quanten-Tag bezeichnen) und ob die Katze nach der Interaktion lebt oder tot ist. Keine dieser Informationen ist bisher verloren gegangen. Und je nachdem, wie Sie das Bild "entwickeln", rufen Sie die eine oder andere Information ab.
Denken Sie an einen Münzwurf, sagte Hofmann zu Live Science. Sie können wählen, ob eine Münze geworfen werden soll oder ob es sich derzeit um Kopf oder Zahl handelt. Aber du kannst nicht beides wissen. Wenn Sie wissen, wie ein Quantensystem geändert wurde und wenn diese Änderung reversibel ist, können Sie den Ausgangszustand wiederherstellen. (Bei der Münze würden Sie sie zurückwerfen.)
"Man muss das System immer zuerst stören, aber manchmal kann man es rückgängig machen", sagte Hofmann. In Bezug auf die Katze würde dies bedeuten, ein Bild aufzunehmen, aber anstatt es zu entwickeln, um die Katze klar zu sehen, es so zu entwickeln, dass die Katze wieder in ihren toten und lebendigen Schwebezustand zurückkehrt.
Entscheidend ist, dass die Wahl der Anzeige einen Kompromiss zwischen der Auflösung der Messung und ihrer Störung darstellt, die genau gleich sind, wie das Papier zeigt. Die Auflösung bezieht sich darauf, wie viel Information aus dem Quantensystem extrahiert wird, und die Störung bezieht sich darauf, wie stark das System irreversibel verändert wird. Mit anderen Worten, je mehr Sie über den aktuellen Zustand der Katze wissen, desto unwiederbringlicher haben Sie ihn unwiederbringlich verändert.
"Was ich überraschend fand, ist, dass die Fähigkeit, die Störung rückgängig zu machen, direkt damit zusammenhängt, wie viele Informationen Sie über das Beobachtbare erhalten" oder die physikalische Größe, die sie messen, sagte Hofmann. "Die Mathematik ist hier ziemlich genau."
Obwohl frühere Arbeiten auf einen Kompromiss zwischen Auflösung und Störung bei einer Quantenmessung hingewiesen haben, ist dieses Papier das erste, das die genaue Beziehung quantifiziert, sagte Michael Hall, theoretischer Physiker an der Australian National University, Live Science in einer E-Mail.
"Soweit ich weiß, haben keine früheren Ergebnisse die Form einer exakten Gleichheit in Bezug auf Auflösung und Störung", sagte Hall, der nicht an der Studie beteiligt war. "Dies macht den Ansatz in der Zeitung sehr ordentlich."
