Der ungelöste Fall des Jahrhunderts: Was passiert, wenn man eine Katze in eine Kiste steckt und eine Flasche Gift hineinlegt?

Sie haben vielleicht schon einmal vom Thema „Quantenmechanik“ gehört, und vielleicht haben Sie auch von „Schrödingers Katze“ gehört, einer ungewöhnlichen „Katze“, die in einer Kiste gefangen ist und sowohl „tot“ als auch „lebendig“ sein kann.

Warte, was ist los? Wie kann eine Katze gleichzeitig „tot“ und „lebendig“ sein?

Gestern jährte sich der Geburtstag des theoretischen Physikers Erwin Schrödinger zum 135. Mal. Sprechen wir über diese Katze, die sowohl „tot“ als auch „lebendig“ ist, und darüber, wie der Begriff „Schrödingers Katze“ seit fast hundert Jahren von den Menschen falsch verwendet wird.

Erwin Schrödinger, Bildquelle: Wikipedia

Zunächst müssen wir feststellen, dass Schrödingers „Katze“ keine echte „Katze“ ist . Schrödinger hat die Katze nicht wirklich in diesen Zustand versetzt, denn das wäre Tierquälerei.

„Schrödingers Katze“ ist eigentlich ein von Schrödinger vorgeschlagenes Gedankenexperiment , bei dem er die Methode des Widerspruchsbeweises verwendet, um seine Gegner zu widerlegen: Er glaubt, dass, wenn die Aussage des Gegners wahr ist, dies dazu führen wird, dass eine Katze gleichzeitig tot und lebendig ist, was auf den ersten Blick absurd und unmöglich ist. Daraus können wir ersehen, dass das Argument des Gegners definitiv nicht stimmt. Mit anderen Worten: Schrödinger selbst glaubte nicht, dass die Katze sowohl „tot“ als auch „lebendig“ war .

Daher scheint die Formulierung „wie Schrödingers Katze“, die verwendet wird, um etwas als „absurd“ zu beschreiben, der ursprünglichen Bedeutung Schrödingers näher zu kommen, als er sie vorschlug.

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Aber warum machte sich Schrödinger die Mühe, ein solches Gedankenexperiment zu entwerfen? Wer war sein Gegner, den er widerlegen wollte? Es handelt sich um die Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik .

Die Quantenmechanik ist eine neue Disziplin, die im 20. Jahrhundert entstanden ist. Es sind die physikalischen Gesetze, die die mikroskopische Welt beherrschen. Dabei wurden viele Phänomene entdeckt, die der Intuition überhaupt nicht entsprechen. Beispielsweise scheint eine physikalische Größe auf probabilistische Weise zu existieren : Manchmal wird sie als ein Wert gemessen und manchmal als ein anderer Wert.

Das ist komisch. Wenn Sie im Alltag einen kleinen Ball zum Rotieren bringen, sollten Sie auf den ersten Blick zweifelsfrei erkennen können, ob er sich nach links oder rechts dreht. In der Welt der Quantenmechanik können Ihre Instrumentenmessungen klare Antworten liefern, aber zwei Bälle, die genau gleich aussehen, können unterschiedliche Ergebnisse liefern.

Wie lässt sich dieses Phänomen erklären? In der Quantenmechanik können Teilchen in einem Zustand der „Quantenüberlagerung“ existieren, das heißt, sie können sowohl linkshändig als auch rechtshändig sein. Wenn Teilchen jedoch mit der äußeren Umgebung verbunden sind, wie sie etwa von Menschen gemessen werden, besagt die Kopenhagener Deutung, dass dieser Überlagerungszustand „kollabiert“, das heißt, dass er je nach Wahrscheinlichkeit zu einem der spezifischen Zustände wird.

Dies kann zwar die verwirrenden Situationen erklären, die in der Quantenmechanik auftreten, fühlt sich aber immer wie Mobbing an. Wenn ein Zustand verschwindet, sobald er gemessen wird, wie können wir dann sagen, dass er existiert? Viele berühmte Physiker, darunter Einstein und Schrödinger, konnten diese Ansicht nicht akzeptieren.

Nach mehreren Diskussionsrunden mit Einstein hatte Schrödinger das Gefühl, den Schlüssel zum Problem gefunden zu haben, und Schrödingers Katze war seine Widerlegung der Kopenhagener Deutung.

Er sagte: „Stellen Sie sich vor, wir sperren eine Katze in eine Kiste, die völlig von der Außenwelt isoliert ist.“ In der Kiste befindet sich eine Flasche Gift. Das Gift ist mit einem Mechanismus verbunden, der nur aktiviert wird, wenn die Katze von Strahlung getroffen wird. Dadurch öffnet sich der Deckel des Giftes und die Katze stirbt durch Vergiftung. Dann legten wir ein paar radioaktive Atome neben den Mechanismus, warteten kurz und fragten die Katze, was passieren würde.

Gedankenexperiment Schrödingers Katze, Bildquelle: Wikipedia

Radioaktive Atome zerfallen und setzen Strahlung frei, ein Prozess, der von der Quantenmechanik bestimmt wird. Gemäß der Kopenhagener Deutung befindet sich das Atom, solange es nicht beobachtet wird, in einem Superpositionszustand von Zerfall und Nicht-Zerfall. Analog dazu müsste sich die Strahlung in einem Überlagerungszustand von Sein und Nicht-Sein befinden, der Mechanismus müsste sich in einem Überlagerungszustand von Aktivierung und Nicht-Aktivierung befinden und das Gift müsste sich in einem Überlagerungszustand von Freisetzung und Nicht-Freisetzung befinden. Daher befindet sich die Katze in einem Überlagerungszustand von tot und lebendig und die Wahrheit kann erst enthüllt werden, wenn die Kiste geöffnet wird. Schrödinger war der Ansicht, dass die Überlagerung von Leben und Tod der Katze offensichtlich absurd sei, und konnte sich daher zurückarbeiten und beweisen, dass auch die Überlagerung von Atomen problematisch sei.

Dies ist jedoch letztlich seine subjektive Meinung. Schließlich kann niemand wirklich eine isolierte Box herstellen, um dies zu überprüfen. Das Geräusch der laufenden Katze, ihre Körpertemperatur und sogar die durch ihre Atmung verursachten Luftdruckänderungen können alle durch die Box an die Außenumgebung übertragen werden. So können Menschen feststellen, ob die Katze lebt oder tot ist, ohne die Box öffnen zu müssen.

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Nachdem das Gedankenexperiment mit Schrödingers Katze vorgeschlagen worden war, schlugen auch andere Physiker ihre eigenen Erklärungen zur Quantenmechanik vor. Die Geschichte der Dekohärenz geht beispielsweise davon aus, dass, wenn Strahlung auf den Mechanismus trifft, der Quantenzustand mit der Umgebung interagiert und Dekohärenz erzeugt, und dass es dann zu Messung und Kollaps kommt. Es hat nichts damit zu tun, ob die Person die Schachtel öffnet oder nicht, daher befindet sich nur das Atom selbst in einem Superpositionszustand, nicht die Katze. Das Leben und der Tod der Katze sind zwei völlig unabhängige Geschichten, die sich gegenseitig nicht beeinflussen.

Es gibt sogar eine Mehrwelteninterpretation, die besagt, dass beim Zerfall eines Atoms tatsächlich zwei verschiedene Welten entstehen: In einer Welt findet der Zerfall statt und die Katze stirbt, und in der anderen Welt findet kein Zerfall statt und die Katze lebt noch. Obwohl die beiden Welten sehr unterschiedlich sind, handelt es sich um „Projektionen“ derselben Welt in zwei orthogonale Richtungen. Welche Erklärung ist richtig? Da jede Erklärung letztlich zum selben physikalischen Phänomen führt, das experimentell nicht unterschieden werden kann, liegt die Antwort möglicherweise außerhalb des Rahmens der Physik.

Gutachter: Zhang Wenzhuo, CEO von Quantum Quantum, ehemaliger assoziierter Forscher des Micius-Teams der University of Science and Technology of China

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