Schrödingers Katze: Ein Gedankenexperiment der Quantenmechanik - Chad Orzel

Vollständige Lektion unter: http://ed.ted.com/lessons/schrodinger-s-cat-a-thought-experiment-in-quantum-mechanics-chad-orzel

Der österreichische Physiker Erwin Schrödinger, einer der Gründer der Quantenmeschanik, stellte eine berühmte Frage: Wenn man eine Katze in eine Kiste zusammen mit einem Gerät einschließen würde, das sie innerhalb der nächsten Stunde zu 50 % töten würde, in welchem Zustand befände sich die Katze nach Ablauf der Zeit? Chad Orzel untersucht dieses Gedankenexperiment genauer.

Lektion von Chad Orzel, Animation von Agota Vegso.

Der österreichische Physiker
Erwin Schrödinger

gehört zu den Begründern
der Quantenmechanik,

aber am bekanntesten ist er für etwas,
das er nie getan hat:

Ein reines Gedankenexperiment
mit einer Katze.

Er stellte sich eine Katze
in einer verschlossenen Kiste vor,

zusammen mit einem Gerät, das die Katze
mit 50 % Wahrscheinlichkeit

innerhalb der nächsten Stunde töten würde.

Nach einer Stunde fragte er nach dem
Zustand der Katze.

Unserer Vernunft zufolge müsste sie
entweder tot oder lebendig sein,

aber Schrödinger behauptete,
dass gemäß der Quantenphysik

die Katze direkt vor
dem Öffnen der Kiste

gleichzeitig tot und lebendig ist.

Erst nach dem Öffnen der Kiste können wir
einen eindeutigen Zustand erkennen.

Bis dahin ist die Katze
eine unbekannte Wahrscheinlichkeit,

halb das eine, halb das andere.

Das scheint absurd,
und genau darum ging es Schrödinger.

Für ihn war Quantenphysik
philosophisch so verstörend,

dass er seine eigene
aufgestellte Theorie aufgab

und Schriften über die Biologie verfasste.

So absurd es jedoch auch scheinen mag,
Schrödingers Katze ist ziemlich echt.

Sie ist sogar essentiell.

Wäre es für Quantenobjekte nicht möglich,
gleichzeitig zwei Zustände zu haben,

würde der Computer, auf dem Sie das hier
anschauen, nicht existieren.

Das Quantenphänomen der Überlagerung

ist eine Folge des
Welle-Teilchen-Dualismus jeder Materie.

Um eine Wellenlänge zu besitzen,

muss sich jedes Objekt über einen
Teil des Raums ausdehnen,

was bedeutet, dass es zur gleichen Zeit
mehrere Positionen einnimmt.

Die Wellenlänge eines auf einen
kleinen Raumteil beschränkten Objekts

kann aber nicht vollständig
bestimmt werden.

Also hat es viele verschiedene
Wellenlängen gleichzeitig.

Bei Alltagsgegenständen ist
dieser Wellenzustand nicht sichtbar,

weil die Wellenlänge mit
zunehmendem Impuls abnimmt.

Und eine Katze ist relativ
groß und schwer.

Würde man ein einzelnes Atom auf
die Größe des Sonnensystems aufblasen,

wäre die Wellenlänge
einer rennenden Katze

so klein wie ein Atom
in diesem Sonnensystem.

Das ist nicht feststellbar, daher wird die
Katze nie einen Wellenverlauf aufweisen.

An einem winzigen Teilchen
wie z. B. einem Elektron

kann dessen Dualität deutlich
nachgewiesen werden.

Wenn ein Hindernis mit 2 schmalen Spalten
mit einzelnen Elektronen beschossen wird,

kann man dahinter jedes Elektron
mit einer genauen Position erfassen,

so wie ein Teilchen.

Wenn man dieses Experiment aber
oft wiederholt

und dabei die einzelnen Ergebnisse
nachverfolgt,

zeichnen diese ein Muster,
das typisch für Wellen ist:

eine Reihe von Streifen --
Bereiche mit vielen Elektronen

getrennt durch Bereiche,
in denen es gar keine gibt.

Wird eine Spalte blockiert,
verschwinden die Streifen.

Das zeigt, dass das Muster nur entsteht,
wenn jedes Elektron beide Spalten

gleichzeitig durchquert.

Ein einzelnes Elektron passiert
weder die linke

noch die rechte Spalte,
sondern beide auf einmal.

Diese räumliche Überlagerung macht
moderne Technik erst möglich.

Ein Elektron nahe eines Atomkerns
befindet sich in einer wellenartigen Bahn.

Führt man zwei Atome nah zusammen,

müssen sich die Elektronen nicht
für ein Atom entscheiden,

sondern werden gemeinsam genutzt.

Auf diese Weise entstehen
chemische Verbindungen.

Ein Elektron in einem Molekül gehört nicht
nur zu Atom A oder Atom B, sondern A+B.

Fügt man weitere Atome hinzu,
verteilen sich die Elektronen

und werden von vielen Atomen
gleichzeitig genutzt.

Die Elektronen eines festen Stoffs sind
nicht an ein bestimmtes Atom gebunden,

sondern werden weiträumig
von allen Atomen geteilt.

Diese gewaltige Überlagerung
der Zustände bestimmt,

wie sich Elektronen durch Stoffe bewegen,

egal ob Leiter, Isolator oder Halbleiter.

Über die Elektronenverteilung
zwischen den Atomen

kann man präzise die Eigenschaften
von Halbleitern überprüfen,

wie z. B. von Silizium.

Durch die richtige Kombination
von Halbleitern

können winzige Transistoren
hergestellt werden,

Millionen auf einem
einzigen Computerchip.

Diese Chips und deren
verbreitete Elektronen

versorgen diesen Computer
gerade mit Energie.

Ein alter Witz besagt, dass das Internet
zum Teilen von Katzen-Videos existiert.

Auf einer tiefgründigen Ebene
verdankt das Internet seine Existenz

jedoch einem österreichischem Physiker
und seiner imaginären Katze.