Welche Geheimnisse birgt „Schrödingers Katze“, eines der vier großen Tiere der Physik?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Luan Chunyang (Institut für Physik, Tsinghua-Universität)

Hersteller: China Science Expo

Was die Quantenmechanik betrifft, sind manche Menschen von den wunderbaren Phänomenen fasziniert, die sie bietet, und hoffen, einen Einblick in die Geheimnisse der Quantenwelt zu bekommen. Manche Menschen betrachten die Quantenmechanik als ein Mysterium und sind verwirrt, wenn sie von verschiedenen komplexen Konzepten hören. Was also genau ist Quantenmechanik?

Tatsächlich ist die Quantenmechanik gar nicht so mysteriös. Es hat sich zu einem ausgereiften Zweig der Physik entwickelt. Bereits Ende des 19. Jahrhunderts, im Zuge der fortwährenden Erforschung der mikroskopischen Welt, erkannten die Physiker allmählich, dass die auf die makroskopische Welt anwendbare klassische physikalische Theorie die Wirkungsgesetze und bestimmte wundersame Phänomene in der mikroskopischen Welt nicht erklären konnte. Daher fanden die Physiker nach unermüdlichen Bemühungen schließlich eine physikalische Theorie zur Beschreibung der mikroskopischen Welt: die „Quantenmechanik“.

Gerade weil sich die von der Quantenmechanik beschriebene mikroskopische Welt von der makroskopischen Welt unterscheidet, in der wir leben, sind wir daran gewöhnt, zur Lösung von Problemen immer die Theorien der klassischen Physik zu verwenden, und es ist schwierig, die Quantenmechanik zu verstehen. Um jedoch das Wesen der Quantenmechanik zu erfassen, müssen wir nur das Kernkonzept der „Quantenverschränkung“ verstehen.

Quantenverschränkung – das Kernkonzept der Quantenmechaniktheorie

Ich schätze, viele von Ihnen haben schon von Quantenverschränkung gehört, aber vielleicht haben Sie kein tieferes Verständnis davon.

Im theoretischen System der Quantenmechanik können bei der Wechselwirkung mehrerer mikroskopischer Teilchen, egal wie weit sie anschließend voneinander entfernt sind, die physikalischen Größen dieser mikroskopischen Teilchen nur als Ganzes beschrieben werden, die physikalischen Größen eines einzelnen mikroskopischen Teilchens können nicht mehr einzeln beschrieben werden. Dieses Phänomen, das nur in der mikroskopischen Welt existiert und die physikalischen Größen des gesamten Systems beschreibt, wird als „Quantenverschränkung“ bezeichnet.

Hier geben wir ein Beispiel, um die Wunder der Quantenverschränkung intuitiver zu erleben. Beispielsweise können Physiker ein Positron und ein Elektron kollidieren lassen, was zur Annihilation und zur Freisetzung eines Photonenpaars führt (Sie müssen sich nicht mit dem Konzept von Positronen und Elektronen befassen, Sie müssen nur verstehen, dass die gesamte physikalische Größe des Photonenpaars erhalten bleiben muss).

Da die gesamte physikalische Größe des Photonenpaars immer erhalten bleibt, unabhängig davon, wie weit die beiden Photonen voneinander entfernt sind, führt eine Änderung eines Photons sofort zu einer Änderung des anderen Photons. Daher befinden sich die Photonenpaare, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind, immer in einem Zustand der „Quantenverschränkung“.

Schematische Darstellung der Quantenverschränkung

(Fotoquelle: VEER Gallery)

Dieses Phänomen der Quantenverschränkung ist unglaublich. Denn wenn das Photonenpaar diese wunderbare Wechselwirkung aufrechterhalten soll, müssen sie die Signalübertragung untereinander in einem Augenblick abschließen. Diese augenblickliche überlichtschnelle Wechselwirkung widerspricht unserem gesunden Menschenverstand in der makroskopischen Welt und ist daher zunächst unverständlich.

Tatsächlich sind es nicht nur wir, die die Quantenverschränkung nicht verstehen können, auch viele Physiker tun sich schwer, dieses wunderbare mikroskopische Phänomen zu erklären. Sogar Einstein beklagte, dass es sich bei der Quantenverschränkung um eine „gespenstische Wechselwirkung“ handele.

Seit dem Ende des 19. Jahrhunderts haben unzählige Physiker durch wiederholte Kollisionen von Ideen nach und nach das Geheimnis der Quantenverschränkung gelüftet. Im Laufe dieser langen Debatte entdeckte man nach und nach die Gesetze, die in der mikroskopischen Welt wirken, und bereicherte und verbesserte das theoretische System der Quantenmechanik weiter.

Wie können wir als normale Menschen also die Geheimnisse der Quantenmechanik in der wunderbaren und komplexen mikroskopischen Welt entdecken? Folgen Sie dem Autor und reisen Sie durch hundert Jahre durch Zeit und Raum, um die Höhepunkte der Auseinandersetzungen zwischen den Meistern der Physik zum Thema Quantenverschränkung mitzuerleben!

Klassische Physik vs. Quantenphysik

Vom späten 19. bis zum frühen 20. Jahrhundert entstanden in der damaligen Physikgemeinschaft zwei große Denkschulen, die bis heute Einfluss haben. Die eine war die „Schule der klassischen Physik“, vertreten durch Einstein und Schrödinger, die andere war die „Schule der Quantenphysik“, vertreten durch Bohr und Heisenberg.

Einstein-Cartoon

(Fotoquelle: VEER Gallery)

Wie der Name schon sagt, besteht die klassische Schule der Physik immer darauf, von der Perspektive der klassischen Physiktheorie auszugehen und die Erfahrungen in der makroskopischen Welt zu nutzen, um über physikalische Probleme nachzudenken. Einstein hat beispielsweise immer betont, dass die physikalische Welt, in der wir leben, „deterministisch“ und nicht voller zufälliger Wahrscheinlichkeiten sein sollte. Darüber hinaus sollte eine vollständige physikalische Theorie auch strengen Grundsätzen der „Realität“ und „Lokalität“ folgen.

Die oben erwähnte „Sicherheit“ lässt sich vereinfacht wie folgt verstehen: Wenn wir alle physikalischen Informationen des wackelnden Würfels kennen (wie Masse, Geschwindigkeit usw.), können wir anhand der Gesetze der Physik die Anzahl der Punkte auf dem Würfel berechnen. Mit anderen Worten: Das Würfeln selbst ist kein Wahrscheinlichkeitsereignis, aber wir kennen das Ergebnis des Würfelns nicht, weil uns ausreichende physikalische Informationen fehlen.

„Realität“ bedeutet, dass die Eigenschaften der physischen Welt an sich real sind und nicht von unserer Beobachtung abhängen. Es ist, als ob der Mond immer da sein und nicht verschwinden würde, egal, ob wir in den Nachthimmel schauen oder nicht.

Die endgültige „Lokalität“ bedeutet, dass es eine Interaktion zwischen Objekten gibt, die Übertragungsgeschwindigkeit dieser Interaktion jedoch nicht die Lichtgeschwindigkeit überschreiten kann, geschweige denn augenblicklich erfolgen kann. Dies liegt daran, dass Einsteins spezielle Relativitätstheorie besagt, dass die Lichtgeschwindigkeit die höchste Geschwindigkeit im Universum ist.

Niels Bohr

(Bildquelle: Wikipedia)

Die von Bohr und Heisenberg vertretene Schule der Quantenphysik ist jedoch anderer Meinung.

Als Antwort auf die von der Schule der klassischen Physik vorgeschlagene Gewissheit betont die Schule der Quantenphysik, dass die mikroskopische Welt den Wahrscheinlichkeitseigenschaften im statistischen Sinne folgen sollte und nicht mehr immer bestimmten Ergebnissen entsprechen sollte wie die makroskopische Welt. Daher ist die mikroskopische Welt im Wesentlichen „probabilistisch“.

Die *„Wahrscheinlichkeit“ bedeutet hier, dass in der mikroskopischen Welt der Zustand der Materie ungewiss ist. Es kann so oder so sein. Es besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass es so oder so ist.

Um die Wahrscheinlichkeitsereignisse in der mikroskopischen Welt genauer zu beschreiben, schlug die Schule der Quantenphysik das Konzept der „Wellenfunktion“ vor, um diese Wahrscheinlichkeitsnatur widerzuspiegeln. Das heißt, der physikalische Zustand in der mikroskopischen Welt ist vor seiner Beobachtung immer eine Überlagerung verschiedener Zustände, und sobald er beobachtet wird, verwandelt er sich in einen bestimmten Zustand.

Auch hier handelt es sich bei der „Superposition“ um ein Phänomen, das nur in der mikroskopischen Welt vorkommt. Beispielsweise ist der Zerfall eines einzelnen radioaktiven Teilchens in der mikroskopischen Welt ein Wahrscheinlichkeitsereignis. Daher besteht für ein einzelnes radioaktives Teilchen innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass es zerfällt, und eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass es unverändert bleibt. Dann befindet sich das radioaktive Ion in einem Überlagerungszustand von „zerfallend/nicht zerfallend“.

Nach Ansicht der klassischen Schule der Physik sollte eine vollständige physikalische Theorie strikt der Realität und Lokalität folgen. Die Schule der Quantenphysik antwortete außerdem, dass diese sogenannte Realität und Lokalität lediglich unser Verständnis der Gesetze sei, die die Funktionsweise der makroskopischen Welt bestimmen, und nicht auf die mikroskopische Welt anwendbar sei. Daher sollten wir das Konzept der „Quantenverschränkung“ in der Quantenmechanik verwenden, um Probleme in der mikroskopischen Welt zu verstehen und zu lösen.

Quantenverschränkung

(Fotoquelle: VEER Gallery)

Man kann sagen, dass die Debatte zwischen der Schule der klassischen Physik und der Schule der Quantenphysik über die mikroskopische Welt über den Rahmen der einfachen Physik hinausgeht, sondern vielmehr das philosophische Denken zweier kognitiver Welten widerspiegelt. Obwohl Einstein auch einer der Befürworter der Quantenmechanik war, zweifelte er stets an deren Vollständigkeit und schlug weiterhin tiefgreifendere Gedankenexperimente vor (bei denen er nur logisches Denken verwendete, ohne entsprechende Experimente durchzuführen), um Schlupflöcher in der Quantenmechanik zu finden.

Gerade deshalb hat die Forschung zur Quantenmechanik eine beispiellose Entwicklung durchgemacht und die Menschen dazu veranlasst, tiefer darüber nachzudenken, wie wir die Welt verstehen können. Darüber hinaus haben Experimentalphysiker die Richtigkeit der Quantenmechanik immer wieder mit präzisen Versuchsergebnissen bestätigt.

In diesem ultimativen Showdown um akademische Ansichten zur Physik gab keine der beiden Schulen nach. Werfen wir also als Nächstes einen Blick darauf.

"Schrödingers Katze": Ich spreche für die Quantensuperposition

Die Ansichten der klassischen Schule der Physik wurden von einer großen Zahl von Physikern unterstützt, einer davon ist der berühmte Schrödinger!

Um die klassische Schule der Physik zu stützen, konzipierte Schrödinger ein interessantes Gedankenexperiment, das Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“, um die probabilistische Sichtweise der Schule der Quantenphysik zu widerlegen.

Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“

(Fotoquelle: VEER Gallery)

Vereinfacht ausgedrückt ging Schrödinger davon aus, dass eine Katze in eine vollkommen abgedichtete Kiste gesetzt würde, deren innerer Zustand von der Außenwelt nicht wahrgenommen werden könne. In der Box befindet sich außerdem radioaktives Material, das probabilistisch zerfallen kann, sowie ein Giftgasauslösegerät zur Erkennung radioaktiven Zerfalls.

Wenn das radioaktive Material nicht innerhalb einer bestimmten Zeit zerfällt, wird die Giftgas-Freisetzungsvorrichtung nicht ausgelöst und die Katze überlebt. Wenn das radioaktive Material jedoch zerfällt, erkennt das Gerät den Zerfall und löst dadurch den Schalter zur Freisetzung von Giftgas aus, wodurch die arme Katze stirbt.

Das heißt, bevor die Kiste geöffnet wird, hängt Leben oder Tod der Katze davon ab, ob das radioaktive Material zerfällt. Aber etwas Seltsames ist passiert! Nach der Auffassung der Quantenmechanik ist in der mikroskopischen Welt die Frage, ob radioaktives Material zerfällt oder nicht, selbst ein Wahrscheinlichkeitsereignis und kann nicht genau vorhergesagt werden. Daher kann es uns überraschen, dass sich die Katze vor der Beobachtung nicht in einem bestimmten Zustand befunden haben konnte, sondern dass sie sich lediglich in einem probabilistischen Überlagerungszustand von Überleben/Tod befand!

Schrödinger hoffte, die „Wahrscheinlichkeit“ der mikroskopischen Welt, an die die Schule der Quantenphysik glaubte, auf die makroskopische Welt zu übertragen, um den gesunden Menschenverstand im Leben der Menschen zu verletzen und so die Absurdität der Quantentheorie widerzuspiegeln.

Gemäß der makroskopischen Welt, in der wir leben, ist Schrödingers Hypothese natürlich richtig und dieses Wahrscheinlichkeitsereignis ist schlicht absurd. So sehr, dass sogar Einstein klagte: „Ich glaube nicht, dass der Mond am Nachthimmel verschwinden könnte, nur weil ich ihn nicht anschaue.“

Bohrs Gegenargument: Verabschieden Sie sich von den Ideen der klassischen Ära und begrüßen Sie die Quantenära

Schrödingers Gedankenexperiment scheint so perfekt, aber die Schule der Quantenphysik erkennt Schrödingers Gedankenexperiment nicht an. Bohr war der Ansicht, dass die Schule der klassischen Physik die Wahrscheinlichkeitsnatur der mikroskopischen Welt nicht wirklich verstand, nutzte aber dennoch die Denkweise der klassischen Physiktheorie, um den Rahmen der Quantenphysiktheorie anzuwenden.

Die Verbindung zwischen der mikroskopischen Quantenwelt und unserer makroskopischen Welt

(Fotoquelle: VEER Gallery)

Zunächst sollten die Wahrscheinlichkeitseigenschaften in der mikroskopischen Welt nicht bestimmten Dingen in der makroskopischen Welt entsprechen, es sollte jedoch eine Fehlergrenze geben.

Mit anderen Worten: Das mikroskopische Ereignis des „zufälligen Zerfalls radioaktiver Materie“ in Schrödingers Gedankenexperiment lässt sich nicht unendlich auf die makroskopische Welt ausdehnen, in der wir leben. Daher können wir die Wahrscheinlichkeitstheorie der Quantenmechanik nicht nutzen, um die Katze in der Kiste zu beschreiben, und es gibt keine Katze in einem Überlagerungszustand von Leben und Tod.

Zweitens muss das „Giftgasfreisetzungsgerät“ in Schrödingers Gedankenexperiment den Zerfall radioaktiven Materials erkennen, bevor es ausgelöst werden und den Tod der Katze verursachen kann.

Bei diesem Nachweisprozess muss es sich jedoch um einen statistischen Prozess des Zerfalls einer großen Menge radioaktiver Stoffe handeln. Mit anderen Worten: Die Strahlungsmenge, die durch einen einzelnen Zerfallsprozess emittiert wird, ist zu gering, um vom Detektor effektiv erfasst zu werden. Erst wenn eine große Menge radioaktiven Materials zerfällt, kann die Mindestschwelle des Detektors überschritten werden.

Daher handelt es sich bei dem Prozess dieser großen Zahl von Zerfallsereignissen immer noch um ein makroskopisches Ereignis im statistischen Sinne und nicht um ein mikroskopisches Ereignis, das durch die Quantentheorie beschrieben wird.

Schließlich werden Detektoren verwendet, um festzustellen, ob das radioaktive Material zerfallen ist, ein Vorgang, der selbst eine Form der Beobachtung darstellt. Mit anderen Worten: Obwohl wir die Schachtel nicht geöffnet haben, um den inneren Zustand zu beobachten, wurde in dem Moment, in dem das Gasgerät ausgelöst wurde, festgestellt, ob ein Zerfall stattfand oder nicht.

Daher ist der nachfolgende Zustand der Katze lediglich eine natürliche Fortsetzung der Ereignisse und es gibt keinen sogenannten Überlagerungszustand von Überleben/Tod.

Daher entdeckte die Schule der Quantenphysik aufmerksam die Lücken in „Schrödingers Katze“ und nutzte das Konzept der Wellenfunktion in der Quantenmechanik, um ihre eigenen Ansichten weiter zu festigen.

Abschluss

Allerdings war die Schule der klassischen Physik im ersten Quanten-Showdown nicht im Vorteil und das Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“, das ursprünglich die Quantentheorie widerlegen sollte, wurde zufällig zu einer interessanten Geschichte zur Förderung der „Quantenverschränkung“*.

Die klassische Schule der Physik beharrt jedoch noch immer auf der Ansicht, dass „die Physik real sein muss und physikalische Gesetze streng kausal und objektiv sein müssen“.

Daher war Einstein nicht bereit, seine Niederlage zu akzeptieren. Er suchte sich geeignete Teamkollegen aus den Meistern der klassischen Schule aus und bereitete sich auf einen zweiten Quantengipfel-Showdown gegen die Quantenschule vor, an der Bohr seinen Sitz hatte.