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Schrödingers Katzenparadoxon: Wer hat die Katze getötet?

Schrödingers Katzenparadoxon: Wer hat die Katze getötet?



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Es gibt ein berühmtes Zitat, das oft Richard Feynman zugeschrieben wird und besagt: "Wenn Sie glauben, die Quantenmechanik zu verstehen, haben Sie die Quantenmechanik nicht verstanden." Dies gilt heute genauso wie vor fast 50 Jahren und wird durch Schrödingers Katzenparadoxon wunderschön illustriert.

Trotz der unglaublichen technologischen Fortschritte, die wir aus unserem offensichtlichen „Verständnis“ des Themas wie Lasern, Mobiltelefonen usw. gemacht haben, sind wir dem wirklichen Verständnis immer noch nicht näher gekommen.

Wir haben uns weiterentwickelt, um die Welt durch die Linse der Gewissheit zu sehen, Dinge haben einen Platz und Ursachen haben Auswirkungen. Dies war eines der Grundprinzipien der klassischen Newtonschen Physik, aber dies scheint in der Quantenwelt vollständig zusammenzubrechen.

Die Entwicklung der Quantenmechanik stellte buchstäblich eine Granate unter die alten Ideen der Physik. Es scheint, dass Materie an zwei Orten gleichzeitig sein kann, aus dem Nichts erscheinen kann und ohne Grund über große Entfernungen hinweg interagieren und sofort erscheinen / verschwinden kann - gruselig!

Viele der großen Köpfe der Welt wurden beauftragt, dieses Rätsel mit verschiedenen postulierten Interpretationen zu lösen. Am bekanntesten unter ihnen ist die Kopenhagener Interpretation.

Es war diese Version, der wir für das jetzt unsterbliche Schrödingers Cat Paradox-Gedankenexperiment danken können.

Was ist Schrödingers Katzenparadoxon?

Um das Prinzip richtig zu erklären, verwendete Schrödinger eine Analogie, um die Lächerlichkeit der Kopenhagener Interpretation aufzudecken. Erwin bat Dritte, sich eine Katze, etwas Gift in einer Phiole, einen Geigerzähler, radioaktives Material und einen Abzugshammer vorzustellen, die in einer undurchsichtigen Stahlbox oder einem undurchsichtigen Behälter versiegelt waren.

Das radioaktive Material war winzig, aber ausreichend, um eine 50/50-Chance zu haben, vom Gieger-Zähler erkannt zu werden. In diesem Fall würde der Hammer fallen und den Giftbehälter zerschlagen - und die unglückliche Katze töten.

Da das System versiegelt war und von außen nicht gesehen werden konnte, war der aktuelle Zustand des Katzen-radioaktiven Materials-Geiger-Gegenhammer-Gift-Systems unbekannt. Wann und nur wenn der versiegelte Behälter geöffnet wurde, würde ein Beobachter die wahre Natur des Systems kennen.

Dies war praktisch eine Möglichkeit, den Zusammenbruch des Systems in eine von zwei möglichen Konfigurationen zu visualisieren. Bis zu diesem Zeitpunkt würde die Katze in einem Schwebezustand zwischen Leben und Tod existieren.

Wenn Sie also jemals gefragt werden, wer die Katze getötet hat, waren Sie es (wenn Sie die Schachtel geöffnet haben).

Die Kopenhagener Interpretation war laut Schrödinger grundlegend fehlerhaft

Die Quantenmechanik ist wahrscheinlich die erfolgreichste wissenschaftliche Theorie aller Zeiten. Dank der Erkenntnisse über das Verhalten von Atomen konnten Physiker, Chemiker und andere Wissenschaftler neue Forschungsbereiche erschließen und neue und fortschrittliche Technologien entwickeln.

Aber wie ein großes zweischneidiges Gehirnschwert stellte es auch unser Verständnis der Welt und des Universums um uns herum vor große Herausforderungen. Viele der darin enthaltenen Erkenntnisse und Ergebnisse schienen gegen die seit Jahrhunderten geltenden Grundgesetze der Physik zu verstoßen.

Metaphysische Interpretationen der Quantenmechanik sollen versuchen, diese offensichtlichen Verstöße zu erklären und vor allem zu erklären.

Einer der ersten Versuche, die Quantenwelt in den Griff zu bekommen, war die Kopenhagener Interpretation. Es wurde von dem dänischen Physiker Niels Bohr, Werner Heisenberg, Max Born und anderen bemerkenswerten Atomphysikern der Zeit gegründet.

Interessanterweise waren sich Heisenberg und Bohr oft nicht einig, wie die mathematische Formalisierung der Quantenmechanik zu interpretieren ist. Bohr ging sogar so weit, sich von Heisenbergs "subjektiven Interpretationen" zu distanzieren, wie er es sah.

Auch der Begriff "Kopenhagener Interpretation" wurde von der Gruppe der Physiker nie verwendet. Es wurde geprägt, um von Gleichaltrigen, die mit Bohrs Idee der Komplementarität nicht einverstanden waren, als Label zu fungieren und das, was sie in den 1920er Jahren als gemeinsame Merkmale der Bohr-Heisenberg-Interpretation betrachteten, in eine Schublade zu stecken.

Heute wird die "Kopenhagener Interpretation" synonym mit Indeterminismus, Bohrs Korrespondenzprinzip, Borns statistischer Interpretation der Wellenfunktion und Bohrs Komplementaritätsinterpretation bestimmter atomarer Phänomene verwendet.

Der Begriff tauchte im Allgemeinen auf, als alternative Ansätze auftauchten. David Bohms Hidden-Variable-Ansatz und High Everetts Many World's Interpretation sind Paradebeispiele, die das Monopol der "Copenhagen Interpretation" in Frage stellten.

Es scheint auch so zu sein, dass der Begriff "Kopenhagener Interpretation" zunächst Werner Heisenberg aus seiner Vorlesungsreihe in den 1950er Jahren zugeschrieben wurde, die sich gegen die neuen "Emporkömmlings" -Interpretationen aussprach. Vorträge mit dem Satz erschienen auch in Heisenbergs 1958 Sammlung von Aufsätzen,Physik und Philosophie.

Wer war Erwin Schrödinger?

Erwin Schrödinger war ein mit dem Nobelpreis ausgezeichneter Physiker, der in Wien geboren wurde August 1887. Erwin ist bekannt für seine Arbeiten auf dem Gebiet der Quantenphysik, insbesondere der Quantentheorie.

Nach dem Militärdienst im Ersten Weltkrieg besuchte er die Universität Zürich in 1921. Er blieb sechs Jahre dort.

Im 1926, Über einen Zeitraum von sechs Monaten und im Alter von 39 Jahren produzierte er eine Reihe von Arbeiten, die den Grundstein für die Quantenwellenmechanik legten. In diesen wegweisenden Arbeiten beschrieb er seine partielle Differentialgleichung.

Diese Gleichung ist die Grundgleichung der Quantenmechanik und für die Mechanik des Atoms ebenso wichtig wie Newtons Gleichungen für die planetare Astronomie.

Sein berühmtestes Werk war sein 1935 Gedankenexperiment, The Schrödingers Cat Paradox, das versuchte, die fehlerhafte vorherrschende Interpretation der Quantenüberlagerung zu erklären.

Zu dieser Zeit stellte die Kopenhagener Interpretation fest, dass ein Objekt in einem physischen System in allen möglichen Konfigurationen gleichzeitig existieren kann. Sobald das System beobachtet wurde, brach dieser Zustand jedoch zusammen und zwang das beobachtete Objekt, sich sofort in eine von mehreren Kombinationen zu "fixieren".

Schrödinger widersprach dieser Interpretation grundsätzlich und machte sich daran, die Dinge klar zu stellen.

Er erhielt den Nobelpreis für Physik in 1933.

Ist Schrödingers Katze tot oder lebendig?

"Wenn Sie die Katze in die Schachtel legen und es keine Möglichkeit gibt zu sagen, was die Katze tut, müssen Sie sie so behandeln, als ob sie alle möglichen Dinge - lebend und tot - gleichzeitig tut", sagte sie Eric Martell, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie an der Millikin University des National Geographic.

Da dies natürlich völlig lächerlich ist, können große Objekte immer nur in einem Zustand sein - daher scheint die Quantenüberlagerung nicht für große Objekte wie Katzen zu gelten. Lebende Organismen können schließlich immer nur lebendig oder tot sein, nicht gleichzeitig beides - daher das Paradoxon.

"Wenn Sie versuchen, Vorhersagen zu treffen, und Sie davon ausgehen, dass Sie den Status der Katze kennen, werden Sie [wahrscheinlich] falsch liegen. Wenn Sie andererseits davon ausgehen, dass es sich um eine Kombination aller möglichen Zustände handelt kann sein, du wirst richtig sein. " erweiterte Eric.

Durch dieses Gedankenexperiment hat Erwin erfolgreich gezeigt, dass die Kopenhagener Interpretation von Natur aus fehlerhaft sein muss.

Aber das hat das Problem nicht ins Bett gebracht. Einige verwenden heute noch Schrödingers Paradoxon, um die Prämisse hinter dem Experiment zu unterstützen. Dies widerspricht völlig seiner ursprünglichen Absicht.

Seitdem hat die moderne Quantenphysik gezeigt, dass die Quantenüberlagerung in subatomaren Teilchen wie Elektronen existiert und nicht auf größere Objekte angewendet werden kann.

Vergiss Schrödingers Katze, es gibt ein neues Kätzchen in der Stadt

Zurück in 1996, Wissenschaftler des Nationalen Instituts für Standards und Technologie in Boulder, Colorado, konnten "Schrödingers Kätzchen" erschaffen. Es wurde in einem Band der Wissenschaft berichtet.

Sie konnten ein Atom in einen Zustand der Überlagerung von Quantenzuständen anregen. Es war dann möglich, diese beiden Zustände zu trennen, so dass das Atom gleichzeitig an zwei verschiedenen physikalischen Orten erschien.

Im Jahr 2013 konnte ein anderes Team einen ähnlichen Trick ausführen, außer diesmal mit Photonen. Sie verbanden Hunderte Millionen Photonen durch das Phänomen der Verschränkung.

Das Team verwendete einen halbtransparenten Spiegel, um ein einzelnes Photon in eine Mischung aus zwei Quantenzuständen zu bringen. Ein Zustand für Photonen, die durch den Spiegel gingen, und ein anderer für diejenigen, die reflektiert wurden - diese wurden dann verwickelt.

Als nächstes wurden Laser verwendet, um einen der Zustände zu verstärken, um ihn über Hunderte Millionen Photonen zu verteilen. Dies wurde dann in seinen ursprünglichen Einphotonenzustand zurückversetzt und Messungen wurden durchgehend durchgeführt, um zu bestätigen, dass die Verschränkung während des gesamten Experiments gehalten hatte.

Die Forscher sagen, dies sei die erste Verschränkung zwischen einem mikroskopischen und einem makroskopischen Objekt.

Diese Experimente sind ein Versuch, den Grenzwert zwischen den Mikro- und Makroskalen eines Objekts zu finden und als solcher die Grenzen des Quantenbereichs zu finden.

"Gibt es eine Grenze zwischen Mikro und Makro oder gilt die Quantenmechanik auf allen Skalen?" fragte Alexander Lvovsky von der Universität Calgary in Alberta, Kanada, und dem russischen Quantenzentrum in Moskau in einem Artikel über neue Wissenschaftler aus dem Jahr 2013.

Andere frühere Experimente versuchten ebenfalls, die Grenze zu finden, jedoch vom anderen Ende der Skala. Einer der verwendeten zwei 3-Millimeter-Diamanten wurde verwickelt.

Eine andere hatte eine Trommel von der Größe eines Sandkorns, die nach dem Ungewissheitsprinzip gefangen wurde, das besagt, dass man die exakte Position und den Impuls eines Quantenteilchens nicht gleichzeitig bestimmen kann.

Was war Schrödingers Entdeckung?

Vor Schrödingers Arbeit Newtons zweites Gesetz (F = ma) wurde verwendet, um Vorhersagen über den Pfad zu treffen, dem ein physikalisches System im Laufe der Zeit folgen würde (unter Berücksichtigung einer Reihe von Anfangsbedingungen).

Durch Lösen dieser Gleichung erhalten Sie die Position und den Impuls eines physikalischen Systems als Funktion einer externen Kraft - F. Es handelt sich jedoch nur um eine einzelne Momentaufnahme. Für ein paar hundert Jahre würde sich wenig ändern, bis der große Max Planck das Licht quantisierte.

Einstein würde darauf aufbauen, um die Beziehung zwischen Energie und Photon zu zeigen. Er schlug auch die Idee vor, dass die Energie des Photons proportional zu seiner Frequenz sein sollte.

Louis de Broglie hat das Prinzip weiter vorangetrieben und postuliert, dass Materie und nicht nur Licht auch unter einer sogenannten Welle-Teilchen-Dualität litten. Er konnte zeigen, dass Elektronen stehende Wellen bilden, solange sie sich mit ihren Teilchen ausbreiten.

Dies bedeutete, dass nur diskrete Rotationsfrequenzen möglich sein konnten, wenn sie sich um den Kern eines Atoms mit quantisierten Bahnen bewegten, die diskreten Energieniveaus entsprachen.

Der Physiker Peter Deybe inspirierte Schrödinger später mit einer spontanen Bemerkung, dass Teilchen, die sich wie Wellen verhalten, in eine Form einer Wellengleichung passen sollten. Dies wurde in gemacht 1925 während einer von Erwin Schrödingers Vorlesungen über de Broglies Materiewellentheorie.

Spöttisch stellte er fest, dass die Theorie "kindisch" sei, weil "um richtig mit Wellen umzugehen, muss man eine Wellengleichung haben".

Was ist Schrödingers Gleichung?

In Schrödingers bahnbrechenden Arbeiten zur Quantenwellenform in 1926führte er die grundlegendste Gleichung in der Wissenschaft der subatomaren Physik ein, auch bekannt als Quantenmechanik. Es wurde seitdem durch die Schrödingers Gleichung verewigt.

Diese Gleichung ist im Wesentlichen eine lineare partielle Differentialgleichung, die die zeitliche Entwicklung der Wellengleichung oder Zustandsfunktion des Systems beschreibt. Es. beschreibt daher die Form von Wellen oder Wellenfunktionen, die die Bewegung kleiner Teilchen bestimmen.

Eine Wellenfunktion ist eine grundlegende Komponente der Quantenmechanik, die an jeder räumlichen Position und zu jeder Zeit ein System definiert.

Es wird auch versucht anzugeben, wie diese Wellen durch äußere Kräfte oder Einflüsse beeinflusst und verändert werden. Diese Gleichung beschreibt auch die zeitlichen Änderungen eines physikalischen Systems, in dem Quanteneffekte wie die Welle-Teilchen-Dualität eine Hauptkomponente sind.

Die Gleichung wurde durch Anwenden auf das Wasserstoffatom als korrekt festgelegt.

Es ist gegeben durch: -

Wo;

i ist die imaginäre Einheitszahl,

ℏ ist Plancks Konstante,

Ψ ist die Wellenfunktion (oder der Zustandsvektor) und,

H ist der Hamilton-Operator.

Die Schrödinger-Gleichung kann auch aus der Energieeinsparung abgeleitet werden:

Warum verwenden wir die Schrödinger-Gleichung?

Die Shrodinger-Gleichung ist die zentrale Gleichung der nicht-relativistischen Quantenmechanik. Es quantifiziert auch die Dynamik der Grundpartikel des sogenannten Standardmodells (sofern sie Unterlichtgeschwindigkeiten haben und nicht wesentlich von der Schwerkraft beeinflusst werden).

Es findet Anwendung in der überwiegenden Mehrheit der mikroskopischen Situationen, mit denen sich Physiker derzeit befassen.

Es hat andere weitreichende Anwendungen aus der Quantenfeldtheorie, die spezielle Relativitätstheorie mit Quantenmechanik kombiniert.

Andere wichtige Theorien wie die Quantengravitation und die Stringtheorie modifizieren ebenfalls nicht die Schrödinger-Gleichung.

Die Entwicklung und Veröffentlichung dieser Gleichung und ihrer Lösungen war ein sehr realer Durchbruch im Denken in der Physik. Es war das erste seiner Art, dessen Lösungen zu Konsequenzen führten, die zu dieser Zeit höchst unerwartet und überraschend waren.

Das Wissen, das diese Gleichung aufgedeckt hat, hat es uns ermöglicht, Elektrogeräte und Computer zu konstruieren.

Da die Schrödinger-Gleichung der Eckpfeiler der modernen Quantenphysik ist, der die mikroskopische Theorie der Materie darstellt, erscheint sie in der heutigen Form in den meisten heutigen physikalischen Problemen in irgendeiner Form.

Was ist die Schrödinger-Wellenfunktion?

Schrödingers berühmtes Katzenparadoxon wird verwendet, um einen Punkt in der Quantenmechanik über die Natur von Wellenteilchen zu veranschaulichen.

"Was wir in den späten 1800er und frühen 1900er Jahren entdeckt haben, ist, dass wirklich, wirklich winzige Dinge nicht den Newtonschen Gesetzen gehorchten", sagt Martell. "Die Regeln, nach denen wir die Bewegung eines Balls, einer Person oder eines Autos regeln, können also nicht verwendet werden, um zu erklären, wie ein Elektron oder Atom funktioniert."

Worauf es ankommt, ist ein Prinzip, das Wellenfunktion genannt wird. Dies ist das Herzstück der Quantentheorie und wird zur Beschreibung subatomarer Teilchen (Elektronen, Protonen usw.) verwendet.

Die Wellenfunktion wird verwendet, um alle möglichen Zustände dieser Teilchen zu beschreiben, einschließlich Dinge wie Energie, Impuls und Position. Es ist daher eine Kombination aller Teilchen möglicher Wellenfunktionen, die existieren.

"Eine Wellenfunktion für ein Teilchen besagt, dass es eine gewisse Wahrscheinlichkeit gibt, dass es sich in einer beliebigen zulässigen Position befindet. Sie können jedoch nicht unbedingt sagen, dass Sie wissen, dass es sich in einer bestimmten Position befindet, ohne es zu beobachten. Wenn Sie ein Elektron um den Kern legen, kann dies der Fall sein einen der erlaubten Zustände oder Positionen haben, es sei denn, wir schauen ihn uns an und wissen, wo er ist. " erklärt Martell.

Genau das wollte Erwin mit seinem Paradoxon veranschaulichen. Obwohl es stimmt, dass Sie in einem nicht beobachteten physischen System nicht garantieren können, was etwas tut, können Sie sagen, dass es zwischen bestimmten Variablen liegt, auch wenn einige davon höchst unwahrscheinlich sind.

Dank Schrödingers Katze könnte die Teleportation eng werden

Die Purdue University und die Tsinghua University arbeiten derzeit daran, die Teleportation Wirklichkeit werden zu lassen. Lange das Zeug der Science-Fiction, wenn sie erfolgreich sind, könnte der tägliche Pendelverkehr der Vergangenheit angehören.

Forscher dieser Institutionen experimentieren damit, tatsächlich zu versuchen, Mikroorganismen zu teleportieren, basierend auf den Prinzipien, die in Schrödingers berühmtem Gedankenexperiment dargelegt wurden.

Sie arbeiten an einer Methode, um betroffene Organismen auf einer elektromechanischen Oszillatormembran zu platzieren. Dadurch werden sowohl die Vorrichtung als auch die Mikroorganismen in einen kryogenen Zustand abgekühlt.

Auf diese Weise wird es in einen Überlagerungszustand versetzt, der die theoretische Möglichkeit der Quantenteleportation eröffnet. Dort sollte ein supraleitender Schaltkreis ermöglichen, dass der interne Spin des Objekts zu einem anderen Zielorganismus transportiert wird.

Die Vorrichtung wird auch ein Magnetresonanzkraftmikroskop (MFRM) enthalten, um den inneren Spin des Organismus zu erfassen und ihn aktiv zu verändern. Wenn dies erfolgreich ist und sie das Mykoplasma in einen Überlagerungszustand versetzen und seinen Zustand ändern können, ist die grundlegende Grundlage für die künftige Teleportation geschaffen.

Ein anderes vorheriges Experiment hat bereits festgestellt, dass die Oszillatormembran in einen Überlagerungszustand versetzt werden kann. Im 2015 Ein an der Universität für Wissenschaft und Technologie in China durchgeführtes Experiment konnte Photonen mit mehreren Quantenfreiheitsgraden demonstrieren.

Obwohl diese Studie nicht in der Lage war, einen Organismus zu teleportieren, ist das Teleportieren des „Gedächtnisses“ von einem Ort zum anderen ein großer Fortschritt für eine potenzielle Teleportation in größerem Maßstab wie beim Menschen.

Die Quantenwelt mystifiziert die Physiker noch heute

Bis heute gibt es mehrere Interpretationen, die von einigen der größten Köpfe der Welt postuliert wurden. Jeder versucht, die Quanten- und Makrowelt um uns herum zu vereinen.

33 Physiker und Philosophen wurden gebeten, ihre Favoriten unter ihnen zu nominieren. Im 2011, Auf einer Konferenz in Österreich zum Thema „Quantenphysik und die Natur der Realität“ haben sie darüber abgestimmt. Hier sind die Ergebnisse (mit freundlicher Genehmigung von NewScientist).

Beachten Sie, dass diese in umgekehrter Reihenfolge sind und der Gesamtprozentsatz 100% überschreitet (105% - sie könnten mehrmals abstimmen) - wie passend.

Letzter Platz: Die Interpretation von de Broglie-Bohm

Stimmen: 0

Prozent: 0%

Mit insgesamt null Stimmen ist die Interpretation von de Broglie und Bohm in den letzten Jahren stark in Ungnade gefallen. Sogar Einstein gefiel es damals, aber seine Unterstützung nahm mit der Zeit ab.

Gemeinsamer 5. Platz: Quantenbayesianismus

Stimmen: 2

Prozent: 6%

Der Quantenbayesianismus behauptet, dass die Quantenunsicherheit nur in unseren Köpfen liegt. Eine gute Analogie ist, dass eine Regenwahrscheinlichkeit von 50% sofort in 100% Regen umgewandelt wird oder nicht, wenn Sie die Vorhänge öffnen.

Mit anderen Worten, wir sind unvollkommen, nicht die Quantenwelt.

Gemeinsamer 5. Platz: Relationale Quantenmechanik

Stimmen: 2

Prozent: 6%

Die Idee von Carlo Rovelli, Relational Quantum Mechanics, baut auf der Arbeit von Einsteins Relativitätstheorie auf. Als Variante der Idee der Quantenverrücktheit postuliert sie, dass man niemals alle Fakten besitzen kann.

Kein einzelner Beobachter kann also alles wissen, was vor sich geht, und ist tatsächlich Teil jeder durchgeführten Messung.

4. Platz: Objektiver Zusammenbruch

Stimmen: 3

Prozent: 9%

Der objektive Zusammenbruch postuliert, dass sich die Quantennatur eines Objekts ständig spontan ändert. Je mehr Zeug es gibt, desto schneller geht es - ein bisschen wie radioaktiver Zerfall.

Es könnte sogar dunkle Energie, Zeit und warum wir überhaupt Masse haben, erklären, wenn es wahr ist.

3. Platz: Viele Welten

Stimmen: 6

Prozent: 18%

An dritter Stelle steht die Interpretation der vielen Welten. Die Idee ist, dass etwas, wenn es beobachtet wird, die Realität in so viele mögliche Parallelwelten aufteilt, wie es Optionen gibt.

Ursprünglich in den 1950er Jahren vorgeschlagen und hat sich in letzter Zeit mit der Multiversum-Theorie etwas belebt.

2. Platz: Die Informationsinterpretation

Stimmen: 8

Prozent: 24%

Die Idee hinter der Informationsinterpretation ist, dass die grundlegende „Währung“ der Realität Information ist, nicht Zeug. Wenn ein Quantenobjekt beobachtet wird, werden einige Informationen extrahiert, wodurch es in einen Zustand versetzt wird.

Gewinner: Die Kopenhagener Interpretation

Stimmen: 14

Prozent: 42%

Ja, wir wissen, aber es ist immer noch eine der dominantesten Interpretationen, um mit Quantenverrücktheit umzugehen. Umgangssprachlich als "Shut Up and Calculate" -Option bezeichnet, deutet dies effektiv darauf hin, dass die Quantenwelt praktisch nicht erkennbar ist.

Wenn Sie einen Quantenzustand beobachten, zwingen Sie ihn grundsätzlich dazu, in den einen oder anderen Zustand zu "kollabieren". Für Kritiker wie Schrödinger ist das überhaupt keine Erklärung.

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Was ist Leben? mit Geist und Materie und autobiografischen Skizzen -Erwin Schrödinger

Auf der Suche nach Schrödingers Katze -John Gribbin

Schrödingers Katzentrilogie -Dana Reynolds


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