Reimagining von Schrödingers Katze bricht Quantenmechanik – und stößt Physiker

Im berühmtesten Gedankenexperiment der Welt beschrieb der Physiker Erwin Schrödinger, wie eine Katze in einer Schachtel sein könnte eine ungewisse Lage. Die besonderen Regeln der Quantentheorie bedeuteten, dass es sowohl tot als auch lebendig sein konnte, bis die Box geöffnet und der Zustand der Katze gemessen wurde., Jetzt haben zwei Physiker eine moderne Version des Paradoxons entwickelt, indem sie die Katze durch einen Physiker ersetzt haben, der Experimente durchführt — mit schockierenden Implikationen.

Die Quantentheorie hat eine lange Geschichte von Gedankenexperimenten, und in den meisten Fällen werden diese verwendet, um auf Schwächen in verschiedenen Interpretationen der Quantenmechanik hinzuweisen. Die neueste Version, an der mehrere Spieler beteiligt sind, ist jedoch ungewöhnlich: Sie zeigt, dass verschiedene Experimentatoren entgegengesetzte Schlussfolgerungen darüber ziehen können, was der Physiker in der Box gemessen hat, wenn die Standardinterpretation der Quantenmechanik korrekt ist., Dies bedeutet, dass die Quantentheorie sich selbst widerspricht.

Das konzeptionelle Experiment wird seit mehr als zwei Jahren in Physikkreisen mit Begeisterung diskutiert — und hat die meisten Forscher selbst auf einem Gebiet, das an seltsame Konzepte gewöhnt ist, ratlos zurückgelassen. „Ich denke, das ist ein ganz neues Maß an Verrücktheit“, sagt Matthew Leifer, theoretischer Physiker an der Chapman University in Orange, Kalifornien.

Die Autoren Daniela Frauchiger und Renato Renner von der ETH Zürich haben im April 2016 ihre erste Version des Arguments online gestellt., Das Abschlusspapier erscheint am 18. September in Nature Communications (1). (Frauchiger hat jetzt die Wissenschaft verlassen.)

Weird world

Die Quantenmechanik liegt fast der gesamten modernen Physik zugrunde und erklärt alles, von der Struktur der Atome bis zum Warum Magnete aneinander haften. Aber seine konzeptionellen Grundlagen lassen die Forscher weiterhin nach Antworten greifen. Seine Gleichungen können nicht das genaue Ergebnis einer Messung vorhersagen — zum Beispiel der Position eines Elektrons — nur die Wahrscheinlichkeiten, dass es bestimmte Werte liefern kann.,

Quantenobjekte wie Elektronen leben daher in einer Wolke der Unsicherheit, die mathematisch in einer „Wellenfunktion“ codiert ist, die ihre Form reibungslos ändert, ähnlich wie gewöhnliche Wellen im Meer. Wenn jedoch eine Eigenschaft wie die Position eines Elektrons gemessen wird, ergibt sie immer einen genauen Wert (und liefert denselben Wert erneut, wenn sie unmittelbar danach gemessen wird).

Die gebräuchlichste Art, dies zu verstehen, wurde in den 1920er Jahren von den Pionieren der Quantentheorie Niels Bohr und Werner Heisenberg formuliert und wird nach der Stadt, in der Bohr lebte, als Kopenhagener Interpretation bezeichnet., Es heißt, dass die Beobachtung eines Quantensystems dazu führt, dass die Wellenfunktion von einer Ausbreitungskurve zu einem einzelnen Datenpunkt „zusammenbricht“.

Die Kopenhagener Interpretation ließ die Frage offen, warum für die Quantenwelt des Atoms und die klassische Welt der Labormessungen (und der Alltagserfahrung) unterschiedliche Regeln gelten sollten. Aber es war auch beruhigend: Obwohl Quantenobjekte in unsicheren Zuständen leben, geschieht experimentelle Beobachtung im klassischen Bereich und liefert eindeutige Ergebnisse.

Nun rütteln Frauchiger und Renner aus dieser tröstlichen Position heraus., Ihre theoretische Argumentation besagt, dass das grundlegende Kopenhagener Bild — wie auch andere Interpretationen, die einige seiner Grundannahmen teilen — intern nicht konsistent ist.

Was ist in der box?

Ihr Szenario ist wesentlich stärker involviert als Schrödingers Katze-vorgeschlagen 1935-in der die Katze in einer Kiste mit einem Mechanismus lebte, der aufgrund eines zufälligen Vorkommens, wie dem Zerfall eines Atomkerns, ein Gift freisetzen würde. In diesem Fall war der Zustand der Katze unsicher, bis der Experimentator das Kästchen öffnete und es überprüfte.,

1967 schlug der ungarische Physiker Eugene Wigner eine Version des Paradoxons vor, in der er die Katze und das Gift durch einen Physikerfreund ersetzte, der in einer Schachtel mit einem Messgerät lebte, das eines von zwei Ergebnissen zurückgeben konnte, z. B. eine Münze mit Köpfen oder Schwänzen. Bricht die Wellenfunktion zusammen, wenn Wigners Freund auf das Ergebnis aufmerksam wird? Eine Denkschule sagt, dass dies der Fall ist, was darauf hindeutet, dass sich das Bewusstsein außerhalb des Quantenbereichs befindet., Wenn die Quantenmechanik jedoch für den Physiker gilt, sollte sie sich in einem unsicheren Zustand befinden, der beide Ergebnisse kombiniert, bis Wigner die Box öffnet.

Frauchiger und Renner haben eine noch ausgefeiltere Version (siehe ‚Neue Katzen in der Stadt‘). Sie haben zwei Wigners, die jeweils ein Experiment an einem Physikerfreund machen, den sie in einer Kiste aufbewahren. Eine der beiden Freundinnen (nennen Sie sie Alice) kann eine Münze werfen und — mit ihrem Wissen über Quantenphysik — eine Quantenbotschaft vorbereiten, die sie an die andere Freundin senden kann (nennen Sie ihn Bob)., Mit seinem Wissen über die Quantentheorie kann Bob Alices Botschaft erkennen und das Ergebnis ihres Münzwurfes erraten. Wenn die beiden Wigners ihre Kisten öffnen, können sie in einigen Situationen mit Sicherheit feststellen, auf welcher Seite die Münze gelandet ist, sagt Renner — aber gelegentlich sind ihre Schlussfolgerungen inkonsistent. „Der eine sagt: ‚Ich bin sicher, es sind Schwänze‘ und der andere sagt: ‚Ich bin sicher, es sind Köpfe'“, sagt Renner.,

Das Experiment kann nicht in die Praxis umgesetzt werden, da die Wigners alle Quanteneigenschaften ihrer Freunde messen müssten, einschließlich des Lesens ihrer Gedanken, weist die Theoretikerin Lídia Del Rio hin, eine Kollegin von Renner an der ETH Zürich.,

Dennoch könnte es möglich sein, zwei Quantencomputer dazu zu bringen, die Rolle von Alice und Bob zu spielen: Die Logik des Arguments erfordert nur, dass sie die Regeln der Physik kennen und darauf basierende Entscheidungen treffen, und im Prinzip kann man den vollständigen Quantenzustand eines Quantencomputers erkennen. (Quantencomputer, die dafür ausgereift genug sind, gibt es noch nicht, betont Renner.)

Duell Interpretationen

Physiker kommen immer noch mit den Auswirkungen des Ergebnisses., Es hat hitzige Reaktionen von Experten in den Grundlagen der Quantentheorie ausgelöst, von denen viele dazu neigen, ihre eigene Interpretation zu schützen. „Manche werden emotional“, sagt Renner. Und verschiedene Forscher neigen dazu, unterschiedliche Schlussfolgerungen zu ziehen. „Die meisten Leute behaupten, dass das Experiment zeigt, dass ihre Interpretation die einzige ist, die korrekt ist.“

Für Leifer sollte es nicht unbedingt ein Deal Breaker sein, inkonsistente Ergebnisse zu erzielen. Einige Interpretationen der Quantenmechanik erlauben bereits Ansichten der Realität, die von der Perspektive abhängen., Das könnte weniger unappetitlich sein, als zuzugeben, dass die Quantentheorie nicht für komplexe Dinge wie Menschen gilt, sagt er.

Robert Spekkens, theoretischer Physiker am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada, sagt, dass sich der Ausweg aus dem Paradox in einigen subtilen Annahmen im Argument verstecken könnte, insbesondere in der Kommunikation zwischen Alice und Bob.

“ Meiner Meinung nach gibt es viele Situationen, in denen jemand Wissen an Bord zu nehmen beinhaltet eine Übersetzung ihres Wissens.,“Vielleicht entsteht die Inkonsistenz dadurch, dass Bob Alices Botschaft nicht richtig interpretiert, sagt er. Aber er gibt zu, dass er noch keine Lösung gefunden hat.

Vorerst werden Physiker wahrscheinlich weiter debattieren. „Ich glaube nicht, dass wir das verstanden haben“, sagt Leifer.