Die Katze von Schrödinger

Die Katze von Schrödinger ist ein Gedanke-Experiment, das manchmal als ein Paradox beschrieben ist, das vom österreichischen Physiker Erwin Schrödinger 1935 ausgedacht ist. Es illustriert, was er als das Problem der Kopenhagener Interpretation der auf tägliche Gegenstände angewandten Quant-Mechanik gesehen hat. Das Drehbuch präsentiert eine Katze, die lebendig oder abhängig von einem früheren zufälligen Ereignis tot sein könnte. Obwohl das ursprüngliche "Experiment" imaginär war, ähnliche Grundsätze erforscht und in praktischen Anwendungen verwendet worden sind. Das Gedanke-Experiment wird auch häufig in theoretischen Diskussionen der Interpretation der Quant-Mechanik gezeigt. Im Laufe des Entwickelns dieses Experimentes hat Schrödinger den Begriff Verschränkung (Verwicklung) ins Leben gerufen.

Ursprung und Motivation

Schrödinger hat sein Gedanke-Experiment als eine Diskussion des Artikels EPR — genannt nach seinen Autoren Einstein, Podolsky und Rosen — 1935 beabsichtigt. Der Artikel EPR hat die fremde Natur der Quant-Verwicklung hervorgehoben, die eine Eigenschaft eines Quant-Staates ist, der eine Kombination der Staaten von zwei Systemen ist (zum Beispiel, zwei subatomare Partikeln), der einmal aufeinander gewirkt hat, aber dann getrennt wurde und nicht jeder in einem bestimmten Staat ist. Die Kopenhagener Interpretation deutet an, dass der Staat der zwei Systeme Zusammenbruch in einen bestimmten Staat erlebt, wenn eines der Systeme gemessen wird. Schrödinger und Einstein haben Briefe über den Artikel EPR von Einstein ausgetauscht, im Laufe dessen Einstein darauf hingewiesen hat, dass der Staat eines nicht stabilen Fässchens von Schießpulver nach einer Weile eine Überlagerung sowohl gesprengter als auch nicht explodierter Staaten enthalten wird.

Um weiter die vermeintliche Unvollständigkeit der Quant-Mechanik zu illustrieren, beschreibt Schrödinger, wie man im Prinzip die Überlagerung eines Atoms zu groß angelegten Systemen umstellen konnte. Er hat ein Drehbuch mit einer Katze in einem gesiegelten Kasten vorgeschlagen, worin das Leben oder Tod der Katze vom Staat einer subatomaren Partikel abgehangen haben. Gemäß Schrödinger deutet die Kopenhagener Interpretation an, dass die Katze sowohl lebendig als auch tot bleibt (zum Weltall außerhalb des Kastens), bis der Kasten geöffnet wird. Schrödinger hat die Idee von todlangweiligen Katzen als eine ernste Möglichkeit nicht fördern wollen; gerade umgekehrt ist das Paradox eine klassische reductio Anzeige absurdum. Das Gedanke-Experiment illustriert die Gegenintuitivkeit der Quant-Mechanik und der Mathematik, die notwendig ist, um Quant-Staaten zu beschreiben. Beabsichtigt als eine Kritik gerade der Kopenhagener Interpretation (die vorherrschende Orthodoxie 1935) hat die Katze von Schrödinger gedacht, dass Experiment ein typischer Prüfstein für alle Interpretationen der Quant-Mechanik bleibt. Physiker verwenden häufig die Weise, wie sich jede Interpretation mit der Katze von Schrödinger als eine Weise befasst, die besonderen Eigenschaften, Kräfte und Schwächen jeder Interpretation zu illustrieren und zu vergleichen.

Das Gedanke-Experiment

Schrödinger hat geschrieben:

Das berühmte Gedanke-Experiment von Schrödinger stellt die Frage, wann hält ein Quant-System vorhanden als eine Überlagerung von Staaten an und ein oder der andere werden? (Mehr technisch wann setzt das wirkliche Quant Halt fest, der eine geradlinige Kombination von Staaten ist, von denen jeder verschiedenen klassischen Staaten ähnelt, und stattdessen beginnt, eine einzigartige klassische Beschreibung zu haben?) Wenn die Katze überlebt, merkt sie sich nur, lebendig zu sein. Aber Erklärungen der EPR-Experimente, die mit der mikroskopischen Standardquant-Mechanik im Einklang stehend sind, verlangen, dass makroskopische Gegenstände, wie Katzen und Notizbücher, einzigartige klassische Beschreibungen nicht immer haben. Das Gedanke-Experiment illustriert dieses offenbare Paradox. Unsere Intuition sagt, dass kein Beobachter in einer Mischung von Staaten — noch die Katze sein kann, scheint es vom Gedanke-Experiment, kann solch eine Mischung sein. Ist die Katze erforderlich, ein Beobachter zu sein, oder tut seine Existenz in einem einzelnen bestimmten klassischen Staat verlangen einen anderen Außenbeobachter? Jede Alternative ist absurd Albert Einstein geschienen, der durch die Fähigkeit des Gedanke-Experimentes beeindruckt war, diese Probleme hervorzuheben. In einem Brief bis Schrödingers datierten 1950 hat er geschrieben:

Bemerken Sie, dass keine Anklage von Schießpulver in der Einstellung von Schrödinger erwähnt wird, die einen Geigerzähler als ein Verstärker und Hydrocyanic-Gift statt Schießpulvers verwendet. Das Schießpulver war im ursprünglichen Vorschlag von Einstein Schrödinger 15 Jahre vorher erwähnt worden, und anscheinend hatte Einstein es zur gegenwärtigen Diskussion vorangebracht.

Interpretationen des Experimentes

Seit der Zeit von Schrödinger sind andere Interpretationen der Quant-Mechanik vorgeschlagen worden, die verschiedene Antworten auf die Fragen geben, die von der Katze von Schrödinger dessen gestellt sind, wie lange Überlagerungen dauern, und wenn (oder ob) sie zusammenbrechen.

Kopenhagener Interpretation

Die meistens gehaltene Interpretation der Quant-Mechanik ist die Kopenhagener Interpretation. In der Kopenhagener Interpretation hört ein System auf, eine Überlagerung von Staaten zu sein, und wird entweder ein oder der andere, wenn eine Beobachtung stattfindet. Dieses Experiment macht offenbar die Tatsache, dass die Natur des Maßes oder Beobachtung, in dieser Interpretation nicht bestimmt ist. Das Experiment kann interpretiert werden, um zu bedeuten, dass, während der Kasten geschlossen wird, das System gleichzeitig in einer Überlagerung der Staaten besteht, "hat Kern / tote Katze" und "unverfallene Katze des Kerns/Lebens," verfallen, und dass, nur wenn der Kasten geöffnet wird und eine durchgeführte Beobachtung den Welle-Funktionszusammenbruch in einen der zwei Staaten tut.

Jedoch hat einer der Hauptwissenschaftler, die mit der Kopenhagener Interpretation, Niels Bohr vereinigt sind, nie den Beobachter-veranlassten Zusammenbruch der Welle-Funktion im Sinn gehabt, so dass die Katze von Schrödinger kein Rätsel zu ihm aufgestellt hat. Die Katze würde entweder tot oder lebendig sein, lange bevor der Kasten von einem bewussten Beobachter geöffnet wird. Die Analyse eines wirklichen Experimentes hat gefunden, dass Maß allein (zum Beispiel durch einen Geigerzähler) genügend ist, um eine Quant-Welle-Funktion zusammenzubrechen, bevor es jede bewusste Beobachtung des Maßes gibt. Die Ansicht, dass die "Beobachtung" genommen wird, wenn eine Partikel vom Kern den Entdecker schlägt, kann in objektive Zusammenbruch-Theorien entwickelt werden. Im Gegensatz bestreitet die viele Weltannäherung, dass Zusammenbruch jemals vorkommt.

Vielweltinterpretation und konsequente Geschichten

1957 hat Hugh Everett die Vielweltinterpretation der Quant-Mechanik formuliert, die Beobachtung als ein spezieller Prozess nicht aussucht. In der Vielweltinterpretation dauern sowohl lebendige als auch tote Staaten der Katze an, nachdem der Kasten geöffnet wird, aber decoherent von einander ist. Mit anderen Worten, wenn der Kasten, der Beobachter und die bereits tote Katze geöffnet wird, die in einen Beobachter gespalten ist, der auf einen Kasten mit einer toten Katze und einen Beobachter schaut, der auf einen Kasten mit einer lebenden Katze schaut. Aber da die toten und lebendigen Staaten decoherent sind, gibt es keine wirksame Kommunikation oder Wechselwirkung zwischen ihnen.

Wenn

er den Kasten öffnet, wird der Beobachter verfangen mit der Katze, so "werden Beobachter-Staaten" entsprechend, dass die Katze lebendig und tot ist, gebildet; jeder Beobachter-Staat wird verfangen oder mit der Katze verbunden, so dass die "Beobachtung des Staates der Katze" und des Staates der "Katze" einander entspricht. Quant decoherence stellt sicher, dass die verschiedenen Ergebnisse keine Wechselwirkung mit einander haben. Derselbe Mechanismus des Quants decoherence ist auch für die Interpretation in Bezug auf konsequente Geschichten wichtig. Nur die "tote Katze" oder "lebendige Katze" kann ein Teil einer konsequenten Geschichte in dieser Interpretation sein.

Roger Penrose kritisiert das:

Obwohl die Hauptströmungsansicht (ohne Vielwelten notwendigerweise gutzuheißen), darin besteht, dass decoherence der Mechanismus ist, der solche gleichzeitige Wahrnehmung verbietet.

Eine Variante des Katze-Experimentes von Schrödinger, das als die Quant-Selbstmordmaschine bekannt ist, ist vom Kosmologen Max Tegmark vorgeschlagen worden. Es untersucht das Katze-Experiment von Schrödinger aus dem Gesichtswinkel von der Katze und behauptet, dass, indem man diese Annäherung verwendet, man im Stande sein kann, zwischen der Kopenhagener Interpretation und den Vielwelten zu unterscheiden.

Ensemble-Interpretation

Die Ensemble-Interpretation stellt fest, dass Überlagerungen nichts als Subensembles eines größeren statistischen Ensembles sind. Der Zustandvektor würde für individuelle Katze-Experimente, aber nur für die Statistik von vielen ähnlich bereiten Katze-Experimenten nicht gelten. Befürworter dieser Interpretation stellen fest, dass das das Katze-Paradox von Schrödinger ein triviales Nichtproblem macht.

Diese Interpretation dient, um die Idee zu verwerfen, dass ein einzelnes physisches System in der Quant-Mechanik eine mathematische Beschreibung hat, die ihm in jedem Fall entspricht.

Verwandtschaftsinterpretation

Die Verwandtschaftsinterpretation macht keine grundsätzliche Unterscheidung zwischen dem menschlichen Experimentator, der Katze oder dem Apparat, oder zwischen belebten und leblosen Systemen; alle sind Quant-Systeme, die durch dieselben Regeln der wavefunction Evolution geregelt sind, und alle können als "Beobachter" betrachtet werden. Aber die Verwandtschaftsinterpretation erlaubt, dass verschiedene Beobachter verschiedene Rechnungen derselben Reihe von Ereignissen abhängig von der Information geben können, die sie über das System haben. Die Katze kann als ein Beobachter des Apparats betrachtet werden; inzwischen kann der Experimentator als ein anderer Beobachter des Systems im Kasten (die Katze plus der Apparat) betrachtet werden. Bevor der Kasten geöffnet wird, hat die Katze, durch die Natur davon lebendig oder tot seiend, Information über den Staat des Apparats (das Atom ist entweder verfallen oder nicht verfallen); aber der Experimentator hat Information über den Staat des Kasten-Inhalts nicht. Auf diese Weise haben die zwei Beobachter gleichzeitig verschiedene Rechnungen der Situation: Zur Katze ist der wavefunction des Apparats geschienen "zusammenzubrechen"; dem Experimentator scheint der Inhalt des Kastens, in der Überlagerung zu sein. Erst als der Kasten geöffnet wird, und beide Beobachter dieselbe Information darüber haben, was geschehen ist, tun Sie beide Systemstaaten scheinen, in dasselbe bestimmte Ergebnis, eine Katze "zusammenzubrechen", die entweder lebendig oder tot ist.

Objektive Zusammenbruch-Theorien

Gemäß objektiven Zusammenbruch-Theorien werden Überlagerungen spontan zerstört (ohne Rücksicht auf die Außenbeobachtung), wenn eine objektive physische Schwelle (von Zeit, Masse, Temperatur, Nichtumkehrbarkeit, usw.) erreicht wird. So, wie man erwarten würde, hatte sich die Katze in einen bestimmten Staat niedergelassen, lange bevor der Kasten geöffnet wird. Das konnte lose ausgedrückt werden, weil "die Katze sich beobachtet," oder "beobachtet die Umgebung die Katze."

Objektive Zusammenbruch-Theorien verlangen, dass eine Modifizierung der Standardquant-Mechanik Überlagerungen erlaubt, durch den Prozess der Zeitevolution zerstört zu werden.

Anwendungen und Tests

Das Experiment, ist wie beschrieben, ein rein theoretisches, und, wie man bekannt, ist die vorgeschlagene Maschine nicht gebaut worden. Jedoch sind erfolgreiche Experimente, die mit ähnlichen Grundsätzen, z.B Überlagerungen von relativ großen (nach den Standards der Quant-Physik) Gegenstände verbunden sind, durchgeführt worden. Diese Experimente zeigen nicht, dass ein katze-großer Gegenstand superaufgestellt werden kann, aber die bekannte obere Grenze auf "Katze-Staaten" ist aufwärts von ihnen gestoßen worden. In vielen Fällen ist der Staat, selbst wenn abgekühlt zu fast der absoluten Null kurzlebig.

  • Ein "Katze-Staat" ist mit Fotonen erreicht worden.
  • Ein Beryllium-Ion ist in einem superaufgestellten Staat gefangen worden.
  • Ein Experiment, das mit einem Superleiten-Quant-Einmischungsgerät ("TINTENFISCH") verbunden ist, ist mit dem Thema des Gedanke-Experimentes verbunden worden: "Der Überlagerungsstaat entspricht einer Milliarde Elektronen nicht, die einen Weg und eine Milliarde andere überfluten, die den anderen Weg überfluten. Das Superleiten von Elektronen bewegt sich in Massen. Alle Superleiten-Elektronen im TINTENFISCH überfluten beide Wege um die Schleife sofort, wenn sie im Katze-Staat von Schrödinger sind.".
  • Eine piezoelektrische "Stimmgabel" ist gebaut worden, der in eine Überlagerung des Vibrierens gelegt werden kann und Staaten nicht vibrieren zu lassen. Der Resonator umfasst ungefähr 10 Trillionen Atome.
  • Ein Experiment, das mit einem Grippe-Virus verbunden ist, ist vorgeschlagen worden.

Im Quant, den Ausdruck schätzend, "bezieht sich Katze-Staat" häufig auf die spezielle Verwicklung von qubits, worin die qubits in einer gleichen Überlagerung von ganzem sind, 0 und ganzem seiend, 1 seiend; z.B,

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Erweiterungen

Der Freund von Wigner ist eine Variante auf dem Experiment mit zwei Außenbeobachtern: Das erste öffnet und untersucht den Kasten und teilt dann seine Beobachtungen einem zweiten Beobachter mit. Das Problem hier ist, fungiert die Welle "Zusammenbruch", wenn der erste Beobachter den Kasten, oder nur öffnet, wenn der zweite Beobachter über die Beobachtungen des ersten Beobachters informiert wird?

In einer anderen Erweiterung sind prominente Physiker gegangen, so weit man vorschlägt, dass Astronomen, die dunkle Energie im Weltall 1998 beobachten, seine Lebenserwartung" durch ein Drehbuch von Cat von pseudo-Schrödinger "reduziert haben können, obwohl das ein umstrittener Gesichtspunkt ist.

In der populären Kultur

Siehe auch

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