Wenn Sie ein Quantensystem einrichten, in dem das Ergebnis dann etwas Makroskopisches bestimmt, wie das… leben oder Tod einer Katze in einer Kiste, Sie könnten verstehen, dass dies bedeutet, bis Sie die Kiste öffnen, Die Katze befindet sich in einer Überlagerung von toten und lebenden Zuständen. Die eigentliche Geschichte ist viel, viel reicher als das.
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Eine der bizarrsten Ideen über das Quantenuniversum ist der Begriff der unbestimmten Zustände., In unserem konventionellen, makroskopischen Universum sind wir an Dinge gewöhnt, die einfach auf eine bestimmte, nicht kontroverse Weise existieren. Ob wir etwas betrachten oder nicht, es existiert einfach, unabhängig von unseren Beobachtungen. Im Quantenuniversum zeigen einzelne Systeme jedoch ein unterschiedliches Verhalten, je nachdem, ob Sie sie messen oder nicht. Die vielleicht berühmteste Popularisierung dieser Idee ist in Form von Schrödingers Katze, wo ein System eingerichtet ist, so dass, wenn ein radioaktives Atom zerfällt, die Katze stirbt, aber wenn nicht, lebt die Katze., Aber es gibt mehr Mythen als Wahrheiten rund um dieses Experiment, und Dave Wagner möchte, dass wir sie entwirren, was darauf hindeutet:
Ich habe gerade gelesen einer Ihrer „Top n Mythen/Missverständnisse über…“ja, und ich dachte, eine gute Idee für einen wäre“ Top n Mythen / Missverständnisse über Schrödingers Katze.“
Schauen wir uns an, was wirklich hinter diesem berühmten Gedankenexperiment vor sich geht.
Elektronen weisen Welleneigenschaften sowie Partikeleigenschaften auf und können zum Konstruieren verwendet werden…, bilder oder Sondenpartikelgrößen genauso gut wie Licht können. Hier sehen Sie die Ergebnisse eines Experiments, bei dem Elektronen (oder mit äquivalenten Ergebnissen Photonen) einzeln durch einen Doppelspalt abgefeuert werden. Sobald genügend Elektronen abgefeuert sind, ist das Interferenzmuster deutlich zu sehen.
Thierry Dugnolle / Public Domain
Zunächst einmal ist es wichtig zu erkennen, woher die Idee für Schrödingers Katze kam: ein echtes physisches Experiment mit eindeutigen, aber sehr unintuitiven Ergebnissen., Alles, was Sie tun müssen, ist etwas Licht auf zwei dünne, eng beieinander liegende Schlitze zu richten und zu beobachten, welche Art von visuellem Muster auf dem Bildschirm auf der anderen Seite angezeigt wird. Solange Ihr Licht alle die gleiche Wellenlänge hat und Sie nur auf den Bildschirm schauen, erhalten Sie ein Interferenzmuster oder einen alternativen Satz vieler Hell-Dunkel-Bänder.
Aber wenn Sie dann erkennen: „Hey, Licht besteht aus Photonen, und jedes einzelne Photon muss durch den einen oder anderen Schlitz gehen“, beginnen Sie, die Verrücktheit im Spiel zu sehen. Selbst wenn Sie Photonen einzeln senden, erhalten Sie immer noch das Interferenzmuster., Und dann haben Sie die gute Idee zu messen, welchen Schlitz jedes Photon durchläuft. Sobald Sie das tun — und Sie sind übrigens erfolgreich-verschwindet das Interferenzmuster.
Wenn Sie messen, welchen Schlitz ein Elektron durchläuft, wenn Sie ein einzelnes Teilchen-at-a-time-Double durchführen… wenn Sie experimentieren, erhalten Sie kein Interferenzmuster auf dem Bildschirm dahinter. Stattdessen verhalten sich die Elektronen (oder Photonen) nicht als Wellen, sondern als klassische Teilchen.
Wikimedia Commons user Inductiveload
Wie machen wir das sinnvoll?, Dieses Experiment ist in vielerlei Hinsicht die ultimative Illustration dafür, wie Quantenphysik funktioniert und warum es so seltsam ist. Es ist, als ob sich einzelne Quanten selbst als Wellen verhalten und sich selbst stören, indem sie gleichzeitig durch beide Schlitze reisen und das beobachtete Muster erzeugen. Aber wenn Sie es wagen, sie zu messen — also zu bestimmen, welchen Schlitz sie durchlaufen—, reisen sie nur durch den einen oder anderen Schlitz und erzeugen diese Störung nicht mehr.
Es macht eines sehr deutlich: Der Akt der Beobachtung eines Quantensystems kann in der Tat das Ergebnis sehr verändern., Aber das, wie die meisten Entdeckungen in der Physik, bringt nur mehr Fragen auf. Unter welchen Bedingungen ändert eine Beobachtung das Ergebnis? Was macht eine Beobachtung aus? Und muss ein Mensch ein „Beobachter“ sein oder könnte eine anorganische, nicht lebende Messung ausreichen?
Das sind alles gute Fragen, und genau diese Art von Fragen veranlassten Erwin Schrödinger, sein berühmtes Katzenparadoxon zu formulieren. Es geht ungefähr so:
- Sie richten ein geschlossenes System ein, dh,, eine Box,
- wo in der Box ist ein Quantensystem, wie ein einzelnes radioaktives Atom,
- und wenn das Atom zerfällt, öffnet sich eine Tür,
- hinter dieser Tür ist vergiftetes Katzenfutter,
- und auch in der Box ist eine Katze, die das Essen frisst, wenn es verfügbar wird,
- also wartest du eine Halbwertszeit,
- und dann stellst du die Schlüsselfrage: Ist die Katze lebendig oder tot?
Das war ‚ s. Das ist die volle Idee des Schrödingers Katzen-Gedankenexperiments.
Ist die Katze tot oder lebendig?, Während wir vielleicht denken, dass die Katze selbst in einer Überlagerung von… dead-and-Alive-Zustände, bis wir die Kiste öffnen, Das ist eine falsche Denkweise, die seit vielen Jahrzehnten besteht, obwohl Schrodinger selbst so etwas nie behauptet hat.
geralt /
Was passiert also, wenn Sie die Box öffnen?,
Das Öffnen der Box muss gleichbedeutend mit einer Beobachtung sein, also entweder:
- Sie finden eine tote Katze, die das Essen gefressen hat, das durch den Zerfall des radioaktiven Atoms aufgedeckt wurde, oder
- Sie finden eine lebende Katze, bei der kein Futter aufgedeckt wurde und das ursprüngliche radioaktive Atom noch nicht verfallen ist.
Aber bevor Sie die Box geöffnet haben-denn so funktionieren Quantensysteme-muss sich das Cat/food/Atom-System in einer Überlagerung beider Zustände befinden., Es besteht nur eine unbestimmte Wahrscheinlichkeit, dass das Atom verfallen ist, und daher muss sich das Atom gleichzeitig in einer Überlagerung von verfallenen und nicht verfallenen Zuständen befinden. Da der Zerfall des Atoms die Tür steuert, die Tür die Nahrung steuert und die Nahrung bestimmt, ob die Katze lebt oder stirbt, muss sich die Katze selbst in einer Überlagerung von Quantenzuständen befinden. Irgendwie ist die Katze sowohl Teil-tot als auch Teil-lebendig, bis eine Beobachtung gemacht wird.
In einem traditionellen Schrodingers Katze Experiment, Sie wissen nicht, ob das Ergebnis eines Quantums…, verfall ist aufgetreten, was zum Tod der Katze führt oder nicht. In der Box wird die Katze entweder lebendig oder tot sein, je nachdem, ob ein radioaktives Teilchen verfallen ist oder nicht. Wenn die Katze ein wahres Quantensystem wäre, wäre die Katze weder lebendig noch tot, sondern in einer Überlagerung beider Zustände, bis sie beobachtet wird. Sie können jedoch niemals beobachten, dass die Katze gleichzeitig tot und lebendig ist.
Wikimedia Commons User Dhatfield
Und das ist kurz gesagt der größte Mythos und Missverständnis, der mit Schrödingers Katze verbunden ist.,
Tatsächlich hat Erwin Schrödinger selbst seine „Katzen“ – Idee nicht als Versuchsvorschlag präsentiert. Er hat es nicht entwickelt, um tiefe Fragen über die Rolle eines Menschen im Beobachtungsprozess zu stellen. Er behauptete nicht wirklich, dass sich die Katze selbst in einer Überlagerung von Quantenzuständen befinden würde, in denen sie gleichzeitig Teil-tot und Teil-lebendig ist, so wie ein Photon im Doppelschlitzexperiment teilweise durch beide Schlitze zu gehen scheint.
Jede Idee in dieser Richtung ist selbst ein Mythos und ein Missverständnis, das Schrödingers ursprünglichem Zweck, dieses Gedankenexperiment aufzustellen, zuwiderläuft., Sein wahrer Zweck? Um zu veranschaulichen, wie einfach es ist, zu einer absurden Vorhersage zu gelangen — wie einer Vorhersage einer gleichzeitig halb toten und halb lebenden Katze -, wenn Sie die Quantenmechanik falsch interpretieren oder missverstehen.
Wenn Sie ein Experiment mit einem Qubit-Status durchführen, der mit |10100> beginnt, übergeben Sie es… 10 Kopplerpulse (dh Quantenoperationen), Sie erhalten keine flache Verteilung mit gleichen Wahrscheinlichkeiten für jedes der 10 möglichen Ergebnisse., Stattdessen haben einige Ergebnisse ungewöhnlich hohe Wahrscheinlichkeiten und einige sehr niedrige. Wenn Sie das Ergebnis eines Quantencomputers messen, können Sie feststellen, ob Sie das erwartete Quantenverhalten beibehalten oder es in Ihrem Experiment verlieren. Die Aufrechterhaltung, auch für nur wenige Qubits, für eine beträchtliche Zeitspanne ist eine der größten Herausforderungen, vor denen Quantencomputer heute stehen.viel Glück dabei für etwas so Komplexes wie eine Katze.
C. Neill et al. (2017), arXiv:1709.,06678v1, quant-ph
Mit anderen Worten, so ziemlich alles, was Sie jemals von Schrödingers Katze gehört haben, ist wahrscheinlich ein Mythos, mit der einzigen Ausnahme der Tatsache, dass Quantensysteme tatsächlich durch eine probabilistisch gewichtete Überlagerung aller möglichen zulässigen Zustände gut beschrieben werden und dass eine Beobachtung oder Messung immer einen und nur einen endgültigen Zustand enthüllt.
Dies gilt nicht nur, sondern unabhängig davon, welche Quanteninterpretation Sie wählen., Es spielt keine Rolle, ob Sie ein Ergebnis aus dem Ensemble aller möglichen Ergebnisse auswählen; Es spielt keine Rolle, ob Sie eine unbestimmte Wellenfunktion in einen bestimmten Zustand reduzieren; Es spielt keine Rolle, ob Sie aus einer unendlichen Reihe paralleler Universen in ein bestimmtes Universum fallen.
Wichtig ist nur, dass eine Quantenbeobachtung stattgefunden hat.
Die Interpretation vieler Welten der Quantenmechanik besagt, dass es unendlich viele gibt…, Paralleluniversen, die existieren und alle möglichen Ergebnisse eines quantenmechanischen Systems enthalten, und dass eine Beobachtung einfach einen Weg wählt. Diese Interpretation ist philosophisch interessant, aber unsere Katze wird entweder tot oder lebendig sein, keine Überlagerung von beiden, unabhängig vom Verhalten eines äußeren Beobachters.
Christian Schirm
In Wirklichkeit ist die Katze selbst ein absolut gültiger Beobachter. Die Tatsache, dass sich die Tür oder das Tor öffnet und der Mechanismus, der sie steuert, ausgelöst wird, ist eine vollkommen gültige Beobachtung., Einen Geigerzähler hineinzuwerfen, ein Gerät, das empfindlich auf radioaktiven Verfall reagiert, würde als Beobachtung gelten. Und tatsächlich wird jede nicht reversible Wechselwirkung, die innerhalb dieses Systems auftritt, selbst wenn sie vollständig von der Außenwelt in dieser Box abgedichtet ist, einen und nur einen endgültigen Zustand offenbaren: Entweder ist das Atom verfallen oder nicht.
Der Grund dafür ist einfach, dass jede Wechselwirkung zwischen zwei Quantenteilchen das Potenzial hat, den Quantenzustand zu bestimmen und die Quantenwellenfunktion in der gebräuchlichsten Interpretation effektiv zu kollabieren., In Wirklichkeit löst der Zerfall (oder Nicht-Zerfall) des Atoms den Türmechanismus aus (oder löst ihn nicht aus), und allein dort findet der Übergang von diesem bizarren Quantenverhalten zu unserem vertrauten klassischen Verhalten statt.
Dieses Diagramm zeigt (in rosa) die Menge einer radioaktiven Probe, die nach mehreren Halbwertszeiten verbleibt… bestanden haben. Nach einer Halbwertszeit ist die Hälfte der Probe übrig; nach zwei Halbwertszeiten ist eine Hälfte des Rests (oder ein Viertel) übrig; und nach drei Halbwertszeiten ist eine Hälfte davon (oder ein Achtel) übrig., Wenn dieser Zerfall jedoch als Auslöser dafür dient, dass etwas auftritt oder nicht, reicht dies selbst aus, um eine Beobachtung zu bilden.
Andrew Fraknoi, David Morrison und Sidney Wolff / Rice University, unter c. c. a. -4.0
Schrödinger selbst war in diesem Punkt sehr klar und erklärte:
Es ist typisch für diese Fälle, dass eine ursprünglich auf den atomaren Bereich beschränkte Unbestimmtheit in makroskopische Unbestimmtheit umgewandelt wird, die dann durch direkte Beobachtung gelöst werden kann., Das hindert uns daran, ein „verschwommenes Modell“ zur Darstellung der Realität so naiv als gültig zu akzeptieren. An sich würde es nichts Unklares oder Widersprüchliches verkörpern. Es gibt einen Unterschied zwischen einem wackeligen oder unscharfen Foto und einem Schnappschuss von Wolken und Nebelbänken.
Mit anderen Worten, Schrödinger wusste, dass die Katze entweder tot oder lebendig sein muss. Die Katze selbst wird sich niemals in einer Überlagerung von Quantenzuständen befinden, sondern entweder definitiv tot oder definitiv zu irgendeinem Zeitpunkt am Leben sein., Nur weil Ihre Kamera unscharf ist, argumentiert er, bedeutet das nicht, dass die Realität grundsätzlich unscharf ist.
Dieses 2-Panel zeigt Beobachtungen des Galaktischen Zentrums mit und ohne Adaptive Optik,… zur Veranschaulichung der Auflösung erlangen. Die tatsächlichen Positionen der Sterne (rechts) sind aufgrund der Einschränkungen unserer Ausrüstung (links) nicht von Natur aus unsicher, und in ähnlicher Weise ist eine Katze aufgrund der Kiste, in die wir sie legen, nicht unsicher in ihrem Tod oder Lebensstatus.
UCLA Galactic Center Group – W. M., Keck Observatory Laser Team
Als Einstein über „Gott, der nicht mit dem Universum würfelt“ sprach, bezog er sich darauf. Tatsächlich schrieb Einstein an Schrödinger selbst Folgendes und fragte rhetorisch: „Soll der Zustand der Katze nur geschaffen werden, wenn ein Physiker die Situation zu einem bestimmten Zeitpunkt untersucht?“
Die Antwort lautet vielleicht leider “ natürlich nicht.“Dieses unbestimmte Quantenverhalten ist tatsächlich enorm schwierig aufrechtzuerhalten; Dies ist eine der größten Herausforderungen beim Aufbau größerer Quantensysteme., Das Verwickeln von nur wenigen tausend Atomen für eine kurze Zeit ist eine sehr neue Errungenschaft, und einer der Gründe, warum Quantencomputer so schwierig sind, ist, dass verschränkte Qubits nur für so kurze Zeitintervalle in einem unbestimmten Zustand gehalten werden können.
Das Quantenuniversum ist sicherlich für fast alle von uns ein unbekannter Ort, und Schrödingers Katze ist meistens ein Beispiel dafür, wie einfach es für uns ist, es falsch zu interpretieren. Vielleicht ist der Top-Mythos über Schrödingers Katze, dass es überhaupt etwas mit Quantenweirdness zu tun hat.
Senden Sie Ihre Fragen Ethan Fragen an startswithabang bei gmail dot com!,