Hallo, Mein Sohn ist sehr wissbegierig und ist auf das Experiment der Schrödinger Katze gestoßen und fragt mich jetzt, wie das gemeint ist. Kann mir das jemand so erklären, dass mein sohn (und ich auch) es verstehen können? Bis dann! Danke
Hallo Mario + Sohn,
leicht ist die Aufgabe nicht, denn so richtig verstanden hat das eigentlich bis heute noch niemand. Bei den Dingen des Alltagslebens glaubt man, sie zu verstehen wie z.B., dass ein Apfel nach „unten“ fallen muss, weil er von der Erde angezogen wird, und vieles andere mehr. In der Quantenmechanik aber ist vieles ganz anders als man es gewohnt ist. Deshalb verzeiht mir, dass der erste folgende Absatz sich noch mit einem anderen Phänomen beschäftigt, das man aber zum Verständnis unbedingt braucht.
Am einfachsten ist die Quantenmechanik (scheinbar) am Beispiel von Licht zu verstehen. Licht wird im Allgemeinen als Welle aufgefasst. Es hat damit eine Wellenlänge und eine Frequenz. Eine Welle ist mathematisch aber unendlich lang (eine Sinus-Welle). Wenn Licht z.B. von einem Atom abgestrahlt wird, hat es diese zwar nach allgemeiner Auffassung auch, aber genau genommen sind noch viele andere Wellenlängen mit unterschiedlicher Amplitude (Stärke) mit dabei. Sie alle zusammen addieren sich zu einem „Wellenpaket“, das tatsächlich durch eine mittlere Wellenlänge und zugleich durch eine begrenzte Länge gekennzeichnet ist. Man spricht da von einer „Überlagerung“ (!!) von vielen Wellenlängen oder besser der Überlagerung vieler Wellenfunktionen. Das kleinste mögliche, aus solch einer Überlagerung sich ergebende Wellenpaket nennt man ein Photon. Macht man nun eine sehr präzise Messung der Wellenlänge von vielen solcher Photonen, so werden die meisten Messergebnisse sehr nahe an dieser mittleren Wellenlänge liegen. Einige Messungen zeigen aber auch etwas kürzere oder etwas längere Wellenlängen. Manche liegen sogar deutlich darüber oder darunter. Das sind nicht Messfehler, sondern sie entsprechen genau der „Dichte“ der kürzeren oder längeren Wellenlängen, die nötig sind, um ein Photon begrenzter Wellenlänge zu erzeugen. Misst man nur ein einzelnes Photon, wird man natürlich nur 1 Messwert bekommen und der liegt meistens sehr nahe an der mittleren Frequenz, kann aber auch etwas daneben liegen.
Vielleicht ist Euch bekannt, dass Licht trotz obiger Erklärung nicht nur Wellen-, sondern auch Teilchencharakter haben kann. Das Photon kann sich unter bestimmten Umständen auch wie ein Teilchen verhalten. Diesen Effekt will ich hier nicht weiter ausbreiten. Aber dass z.B. ein Elektron ein Teilchen ist und somit Teilchencharakter hat, versteht sich fast von selbst. Allerdings ist es so, dass auch ein Elektron Wellencharakter haben kann. Es verhält sich dann so, als bestünde es aus vielen Wellenanteilen, die sich zu einem Wellenpaket namens Elektron zusammentun. Das gilt aber auch z.B. für ein Proton (Wasserstoffkern) und sogar für ganze Atome. Mehr noch, es gilt auch für ganze Moleküle und weil damit nun schon alle Grenzen überschritten wurden, gilt das dann auch für einen Tisch(!). Bei Tischen hat man den Wellencharakter tatsächlich noch nicht nachgewiesen, aber sogar für recht große Moleküle hat man dies bereits machen können. Und die Theorie der Quantenmechanik kennt da keinen Unterschied zwischen Tischen und Molekülen. Beide sind aus mehreren oder sehr vielen kleinen Einzelteilen zusammengesetzt. Ein Teilchen (ein Photon oder ein Molekül) kann somit als Überlagerung verschiedener Wellen (allgemeiner: Wellenfunktionen) beschrieben werden. Bei einer Messung kann aber immer nur eine dieser Wellen gemessen werden (manche mit großer, andere mit geringerer Wahrscheinlichkeit entsprechend ihrem Beitrag). Es gilt dann aber, was gemessen wurde. Vorher waren noch alle Wellenlängen da, dann aber hat sich eine quasi durchgesetzt. Die Überlagerung ist „kollabiert“, wurde auf einen Wert reduziert.
Jetzt sind wir Schrödingers Katze schon recht nahe. Wenn man Messungen an einem Teilchen vornimmt, so kann dies nicht nur die Wellenlänge, sondern z.B. auch dessen Ort, Geschwindigkeit oder Energie sein. Die Quantenmechanik bezieht sich aber auch auf alle anderen Eigenschaften eines Teilchens und deren Entwicklung. Theoretisch kann man bei Kenntnis eines Ausgangszustandes eines Teilchens auch dessen Endzustand nach Durchlaufen eines Prozesses berechnen und diesen auch messen. Das gilt auch für das „Teilchen“ Katze. Das Teilchen Katze, das aus der Überlagerung vieler Möglichkeiten (Wellenfunktionen) besteht, kann also entsprechend den einwirkenden Prozessen sehr viele Entwicklungen nehmen. Die Natur scheint sich aber erst durch eine Messung oder einen Vorgang, der einer Messung gleich kommt, zu entscheiden, welche Entwicklung zwischenzeitlich eingetreten ist. Wenn man also einen Kasten mit einer Katze darin so gestaltet, dass mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein tödliches Gas zutritt oder eben auch nicht, dann deutet die Quantenmechanik diesen Vorgang so, dass die Katze im Inneren dieses Kastens solange eine Überlagerung einer lebenden und einer toten Katze ist, bis der tatsächliche Zustand gemessen wird (Öffnen des Kastens und Inaugenscheinnahme der Katze).
Mit diesem Gedankenexperiment wollte Schrödinger, der selbst die Quantenmechanik theoretisch begründet hat, das Absurde und noch Unverstandene der Quantenmechanik deutlich machen (Einstein immer an seiner Seite). Leider konnten alle seine Argumente dieser Art wiederlegt und damit die Annahme, dass tatsächlich eine tote und eine lebende Katze (und eine sterbende und eine, die die Luft anhält etc.) in dem Kasten sitzen, bestätigt werden. Allerdings habe ich oben bereits erwähnt, dass jeder „Vorgang, der einer Messung gleich kommt,“ auch bereits diesen „Kollaps“, also eine Entscheidung der Natur hervorrufen kann. Das kann z.B. durch einen gegen das Gas unempfindlichen Floh geschehen, der merkt, dass mit der Katze etwas nicht mehr stimmt. Dabei ist zu fragen, ob eine Messung wirklich nur durch lebende Objekte passieren kann. Heute sieht man diesen Kollaps eigentlich durch jede Wechselwirkung mit einem anderen Teilchen (z.B. mit dem Strohhalm, den die noch lebende oder sterbende Katze knickt, oder mit einem anderen Molekül) hervorgerufen. Dennoch sind die Überlegungen dazu von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der Quantenmechanik.
Eine andere Deutung von Hugh Everett (Viele-Welten-Theorie) geht übrigens dahin, dass jede der zur Überlagerung notwendigen Wellenfunktionen sich so weiterentwickelt, als wäre sie die Einzige. Wenn wir also eine bestimmte Wellenlänge (oder irgendetwas anderes) messen, dann entspricht das der Welt(!), in der diese Wellenlänge aktiv ist. In anderen Welten setzen sich bei einem Messvorgang andere Wellenlängen durch. Jeder Messvorgang (oder vergleichbare Vorgang) erschafft somit wieder viele neue Welten.
Wenn Ihr jetzt meint, dass die Physiker hier endgültig gezeigt haben, dass sie Spinner sind, so kann ich das niemandem übel nehmen. Mein volles Verständnis. Aber in Kenntnis der Quantenmechanik habe ich auch durchaus sehr viel Verständnis für Hugh Everett.
Hallo,
eine gute Frage, ich tue mal mein Bestes 
Wenn man davon ausgeht, dass unsere ganze Welt, das ganze Universum, den Gesetzen der Physik folgt, dann sollte es eigentlich keinen Zufall geben.
Alles, was unter den exakt gleichen Voraussetzungen passiert, führt zum exakt gleichen Ergebnis. Das sehen wir im Alltag aber nicht, weil wir eigentlich nie die exakt gleichen Voraussetzungen haben.
Wenn man eine Münze wirft, kommt auch jedes Mal etwas anderes heraus, aber eigentlich ist das kein Zufall. Es ist mal mehr oder weniger windig, die Münze lag etwas anders auf unserem Daumen, und wir nehmen nie exakt gleich viel Kraft beim hochwerfen.
Also dachten sich irgendwann die Physiker, dass wenn wir alles wüssten, die Position und die Geschwindigkeit von jedem Teilchen (Atome usw.), dann könnte man immer vorausberechnen, passiert.
Dann entdeckte man die Quanteneffekte. Das sind Effekte, die sich nur den Größenordnungen von Atomen abspielen. Betrachtet man nur ein Handvoll Atome, kann man relativ gut dafür sorgen, dass alle Voraussetzungen immer gleich sind.
Aber dennoch gibt es Vorgänge, die manchmal so, und manchmal anders ablaufen, z.B. radioaktiver Zerfall.
Dabei wird ein Atom spontan zu einem kleineren Atom und sendet dabei ein anderes Teilchen aus. Es ist unmöglich festzustellen, ob und wann das passiert. Hat man aber ganz viele Atome, dann kann ausrechnen, wieviele von ihnen im Durchschnitt in den nächsten paar Sekunden zerfallen werden.
Wie bei der Münze, bei der man zwar nie genau weiß, ob es Kopf oder Zahl wird, aber im Durchschnitt sind es ungefähr gleich viele.
Schrödingers Katze ist nun ein Gedankenexperiment, das diese Effekte auf anschaulichere Maßstäbe zu bringen versucht. Es gibt eine Kiste, in der eine Katze sitzt und sich eine Aparatur befindet. Wenn diese Aparatur misst, dass ein Atom zerfallen ist, setzt sie ein Gift frei, welches die Katze tötet. Wenn nicht, passiert nichts und die Katze bleibt lebendig.
(Hier könnte man auch etwas netter zu der Katze sein und vllt sagen, dass es ein abgeschlossenes Zimmer gibt mit einer Klingel. Wenn man die Klingel drückt, wird drinnen entweder eine schwarze oder eine weiße Katze (abhängig von der Aparatur) in eine Kiste gesteckt und die Kiste nach draußen transportiert.)
Normalerweise würde man jetzt sagen, die Katze in der Kiste ist tot oder lebendig (bzw schwarz oder weiß), aber man weiß es nicht, solange man die Kiste nicht aufmacht und nachschaut.
Schrödingers Katze sagt nun aber, dass die Katze beides ist. Sie ist also gleichzeitig tot und lebendig (bzw. schwarz und weiß). Erst, wenn man die Kiste aufmacht und nachschaut, wird eine von beiden Möglichkeiten zur Realität und die andere verschwindet.
(Es gibt auch Theorien, die sagen, dass sich das Universum in zwei verschiedene aufteilt, in dem einen ist die Katze tot (schwarz), im anderen ist sie lebendig (weiß).)
Das klingt alles sehr seltsam und überhaupt nicht nach Physik, aber die Hauptaussage von Schrödingers Katze ist schon lange bewiesen worden:
Es gibt Vorgänge, bei denen es mehrere Ergebnisse geben kann, abhängig vom Zufall. Solange niemand nachschaut, was denn nun das Ergebnis ist, also solange niemand misst, sind alle Möglichkeiten gleichzeitig wahr. Erst durch die Beobachtung „kollabiert“ es in einen einzigen wirklichen Zustand.
Das wurde jetzt doch länger als ich dachte, aber ich hoffe, es ist einigermaßen verständlich. Falls nicht, helfe ich gerne weiter
Gruß
Florian
Hallo, Mein Sohn ist sehr wissbegierig und ist auf das
Experiment der Schrödinger Katze gestoßen und fragt mich
jetzt, wie das gemeint ist. Kann mir das jemand so erklären,
dass mein sohn (und ich auch) es verstehen können? Bis dann!
Danke
Experiment der Schrödinger-Katze
Kann mir das jemand so erklären,
dass mein Sohn (und ich auch) es verstehen können? Bis dann!
Hi,
das ist kompliziert. Im Prinzip ist es ein Insiderwitz der Quantenphysiker, d.h. nur lustig, wenn man die Grundlagen und Grenzen der Quantenmechanik schon einigermaßen kennt.
Der nicht witzige Anteil ist ein Gedankenexperiment, also etwas, was real nie funktionieren würde.
Quantenmechanik beschreibt nie bestimmte Situationen, sondern immer eine Vielzahl von Möglichkeiten. Deshalb müssen z.B. im Cern Hunderte von Millionen Kollisionen untersucht werden, um den Hauch der Möglichkeit der Existenz des Higgs-Bosons (des Gott(verdammten) Teilchens) nachzuweisen.
Die quantenmechanische Sicht der Welt ist also immer eine statistische. Und zwar aus fundamentalen Gründen, die aber auch erst nach längerem Studium einsichtig sind. Im Prinzip, genausowenig wie wir etwas außerhalb der Raumzeit oder vor dem Urknall beobachten können, genausowenig können wir hinter die inneren Beweggründe der Elementarteilchen schauen.
In einem Experiment zwingt man aber nun ein physikalisches System, sich zu einem konkreten Messwert zu bekennen. Statistische Möglichkeit wird also zu gemessener Realität. Das nennt man dann auch den „Zusammenbruch der Wellenfunktion“. Das Problem ist nur, dass Messen immer eine Interaktion von Messgerät und Messgegenstand ist.
In der klassischen Physik ist das kein Problem, da diese Interaktion nur eine kleine Störung des Geschehens ist, z.B. wenn man ein Voltmeter oder Oszilloskop an eine elektrische Schaltung hält. Bei rein optischen Beobachtungen werden nur Photonen ausgetauscht (aber siehe letzte Erkenntnisse zu den Voyager-Sonden).
In der Quantenmechanik ist nun das Problem, dass das Messinstrument notwendigerweise größer als der Messgegenstand ist. Selbst das optische Beobachten, also die Wechselwirkung mit Photonen, hat meist die Größenordnung dessen, was man eigentlich beobachten will. Der Beobachter (also das Messinstrument) kann also nicht mehr als (überwiegend) unabhängig vom Beobachteten (und umgekehrt) betrachtet werden.
Und hier kommt jetzt die tote schwarze Katze ins Spiel. Wenn man mal die ganze Brutalität weglässt ist das einfach nur die Frage:
Was wäre, wenn man einen Verstärker hätte, der einen Quantenvorgang auf die Stufe der klassischen Mechanik verstärkt? Kann man dann die Quantendynamik klassisch messen oder müsste man das klassische System quantenstatistisch behandeln? Die letztere Variante führt dann zu der scherzhaften Formulierung, dass bis zum Öffnen der Kiste die Katze als Wellenfunktion existiert, in der sie gleichzeitig tot und lebendig ist.
Also im Prinzip wird gezeigt, dass ein solcher Verstärker absurd ist. Man kann kein Mikroskop bauen, mit dem man den Elektronen beim Hüpfen zwischen den verschiedenen Quantenzuständen zuschauen kann.
Gruß, Lutz Lehmann
Ich will dir mal was sagen zu Schrödingers katze…
1.Wenn du nach siehst bist du wissenschaftler,
2.wenn du nicht nach siehst aber eines von beiden glaubst bist du Theologe.
3.Wenn du das ergebnis weist ohne es zu überprüfen bist du Esoteriker
Schade das die aufstellungen 1-3 nicht von mir sind… aber genial oder…
Befass dich mal lieber mit heisenbergsche unschärferelation…XD
ist nur spass…"/"