Die Quantenmechanik, die Theorie, die die Mikrowelt der Atome und Teilchen beherrscht, hat sicherlich den X-Faktor. Im Gegensatz zu vielen anderen Bereichen der Physik ist es bizarr und kontraintuitiv, was es schillernd und faszinierend macht. Als der Nobelpreis für Physik 2022 an Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger für die Erforschung der Quantenmechanik verliehen wurde, es löste Aufregung und Diskussion aus.
Aber Debatten über Quantenmechanik – sei es in Chat-Foren, in den Medien oder in Science-Fiction – können dank einer Reihe hartnäckiger Mythen und Missverständnisse oft durcheinander geraten. Hier sind vier.
1. Eine Katze kann tot und lebendig sein
Das hätte Erwin Schrödinger wohl nie vorhersehen können GedankenexperimentSchrödingers Katze, erreichen würde Internet-Meme-Status Im 21. Jahrhundert.
Es deutet darauf hin, dass eine unglückliche Katze, die in einer Kiste mit einem Notausschalter steckt, der durch ein zufälliges Quantenereignis ausgelöst wird – zum Beispiel radioaktiver Zerfall – gleichzeitig lebendig und tot sein könnte, solange wir die Kiste nicht öffnen, um dies zu überprüfen.
Wir wissen seit langem, dass Quantenteilchen gleichzeitig in zwei Zuständen sein können – zum Beispiel an zwei Orten. Wir nennen dies eine Superposition.
Wissenschaftler konnten dies im berühmten Doppelspalt-Experiment zeigen, bei dem ein einzelnes Quantenteilchen, etwa ein Photon oder Elektron, gleichzeitig durch zwei verschiedene Spalte in einer Wand gehen kann. Woher wissen wir das?
In der Quantenphysik ist der Zustand jedes Teilchens auch eine Welle. Aber wenn wir einen Strom von Photonen – einen nach dem anderen – durch die Schlitze schicken, entsteht auf einem Schirm hinter dem Schlitz ein Muster aus zwei Wellen, die sich gegenseitig überlagern. Da jedes Photon keine anderen Photonen hatte, mit denen es interferieren konnte, als es durch die Schlitze ging, bedeutet dies, dass es gleichzeitig durch beide Schlitze gegangen sein muss – und sich selbst gestört hat (Bild unten).
Damit dies funktioniert, müssen die Zustände (Wellen) in der Überlagerung des Teilchens, das durch beide Spalte geht, „kohärent„—eine wohldefinierte Beziehung zueinander haben.
Diese Überlagerungsexperimente können mit Objekten immer größerer und komplexerer Größe durchgeführt werden. Einer berühmtes Experiment von Anton Zeilinger demonstrierte 1999 die Quantenüberlagerung mit großen Molekülen Kohlenstoff-60 bekannt als „Buckyballs“.
Was bedeutet das für unsere arme Katze? Ist es wirklich sowohl lebendig als auch tot, solange wir die Kiste nicht öffnen? Offensichtlich ist eine Katze nichts anderes als ein einzelnes Photon in einer kontrollierten Laborumgebung, sie ist viel größer und komplexer. Jede Kohärenz, die die Billionen und Aberbillionen von Atomen, aus denen die Katze besteht, miteinander haben könnte, ist extrem kurzlebig.
Das bedeutet nicht, dass Quantenkohärenz in biologischen Systemen unmöglich ist, nur dass sie im Allgemeinen nicht für große Lebewesen wie Katzen oder Menschen gilt.
2. Einfache Analogien können Verschränkung erklären
Verschränkung ist eine Quanteneigenschaft, die zwei verschiedene Teilchen verbindet, sodass Sie, wenn Sie eines messen, automatisch und sofort den Zustand des anderen kennen – egal, wie weit sie voneinander entfernt sind.
Gängige Erklärungen dafür In der Regel handelt es sich um Alltagsgegenstände aus unserer klassischen makroskopischen Welt, wie Würfel, Karten oder sogar Paar Socken in verschiedenen Farben. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Sie sagen Ihrem Freund, dass Sie eine blaue Karte in einen Umschlag und eine orangefarbene Karte in einen anderen gesteckt haben. Wenn Ihr Freund einen der Umschläge wegnimmt und öffnet und die blaue Karte findet, weiß er, dass Sie die orange Karte haben.
Aber um die Quantenmechanik zu verstehen, müssen Sie sich vorstellen, dass sich die beiden Karten in den Umschlägen in einer gemeinsamen Überlagerung befinden, was bedeutet, dass sie gleichzeitig orange und blau sind (insbesondere orange/blau und blau/orange). Beim Öffnen eines Umschlags kommt eine zufällig bestimmte Farbe zum Vorschein. Aber das Öffnen der zweiten zeigt immer noch die entgegengesetzte Farbe, weil sie „gespenstisch“ mit der ersten Karte verbunden ist.
Man könnte die Karten dazu zwingen, in einem anderen Farbsatz zu erscheinen, ähnlich wie bei einer anderen Art von Messung. Wir könnten einen Umschlag mit der Frage öffnen: „Bist du eine grüne oder eine rote Karte?“. Die Antwort wäre wieder zufällig: grün oder rot. Aber entscheidend ist, dass, wenn die Karten verwickelt wären, die andere Karte immer noch das gegenteilige Ergebnis liefern würde, wenn dieselbe Frage gestellt würde.
Albert Einstein versuchte dies mit klassischer Intuition zu erklären, indem er vorschlug, die Karten hätten mit a versehen sein können versteckter, interner Befehlssatz die ihnen sagten, in welcher Farbe sie bei einer bestimmten Frage erscheinen sollten. Er lehnte auch die scheinbar „gruselige“ Aktion zwischen den Karten ab, die es ihnen anscheinend ermöglicht, sich gegenseitig sofort zu beeinflussen, was eine Kommunikation bedeuten würde, die schneller als die Lichtgeschwindigkeit ist, etwas, das von Einsteins Theorien verboten ist.
Einsteins Erklärung wurde jedoch nachträglich von ausgeschlossen Satz von Bell (ein theoretischer Test des Physikers John Stewart Bell) und Experimente der Nobelpreisträger des Jahres 2022. Die Idee, dass das Messen einer verschränkten Karte den Zustand der anderen verändert, ist nicht wahr. Quantenteilchen sind nur auf mysteriöse Weise auf eine Weise korreliert, die wir nicht mit alltäglicher Logik oder Sprache beschreiben können – sie kommunizieren nicht, enthalten aber auch einen versteckten Code, wie Einstein gedacht hatte. Vergessen Sie also Alltagsgegenstände, wenn Sie an Verstrickung denken.
3. Die Natur ist unwirklich und „nicht lokal“
Bells Theorem soll oft beweisen, dass die Natur nicht „lokal“ ist, dass ein Objekt nicht nur direkt von seiner unmittelbaren Umgebung beeinflusst wird. Eine andere gängige Interpretation ist, dass die Eigenschaften von Quantenobjekten nicht „real“ sind, dass sie vor der Messung nicht existieren.
Aber Bells Theorem erlaubt uns nur zu sagen dass die Quantenphysik bedeutet, dass die Natur nicht sowohl real als auch lokal ist, wenn wir gleichzeitig einige andere Dinge annehmen. Zu diesen Annahmen gehört die Idee, dass Messungen nur ein einziges Ergebnis haben (und nicht mehrere, vielleicht in Parallelwelten), dass Ursache und Wirkung zeitlich vorwärts fließen und dass wir nicht in einem „Uhrwerkuniversum“ leben, in dem seitdem alles vorherbestimmt ist der Anbruch der Zeit.
Trotz Bells Theorem kann die Natur durchaus real und lokal sein, wenn Sie zulassen, dass einige andere Dinge kaputt gehen Wir berücksichtigen den gesunden Menschenverstand, wie z. B. die Zeit, die sich vorwärts bewegt. Und weitere Forschung wird hoffentlich die große Zahl möglicher Interpretationen der Quantenmechanik eingrenzen. Die meisten Optionen auf dem Tisch – zum Beispiel das Zurückfließen der Zeit oder das Fehlen eines freien Willens – sind jedoch mindestens so absurd wie das Aufgeben des Konzepts der lokalen Realität.
4. Niemand versteht die Quantenmechanik
EIN klassisches Zitat (Physiker zugeschrieben Richard Feynmannaber in dieser Form auch paraphrasierend Nils Bohr) vermutet: „Wer glaubt, die Quantenmechanik zu verstehen, versteht sie nicht.“
Diese Ansicht ist in der Öffentlichkeit weit verbreitet. Quantenphysik ist angeblich nicht zu verstehen, auch nicht für Physiker. Aber aus der Perspektive des 21. Jahrhunderts ist die Quantenphysik für Wissenschaftler weder mathematisch noch konzeptionell besonders schwierig. Wir verstehen es sehr gut, bis zu einem Punkt, an dem wir Quantenphänomene mit hoher Präzision vorhersagen, hochkomplexe Quantensysteme simulieren und sogar mit dem Bau von Quantencomputern beginnen können.
Superposition und Verschränkung erfordern, wenn sie in der Sprache der Quanteninformation erklärt werden, nicht mehr als High-School-Mathematik. Bells Theorem erfordert überhaupt keine Quantenphysik. Sie lässt sich mit Hilfe von Wahrscheinlichkeitstheorie und linearer Algebra in wenigen Zeilen herleiten.
Die wahre Schwierigkeit liegt vielleicht darin, die Quantenphysik mit unserer intuitiven Realität in Einklang zu bringen. Nicht alle Antworten zu haben, wird uns nicht davon abhalten, weitere Fortschritte in der Quantentechnologie zu machen. Wir können einfach nur sei still und rechne.
Zum Glück für die Menschheit weigerten sich die Nobelpreisträger Aspect, Clauser und Zeilinger, den Mund zu halten und fragten immer wieder, warum. Andere wie sie könnten eines Tages dazu beitragen, die Quantenverrücktheit mit unserer Erfahrung der Realität in Einklang zu bringen.
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