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Quantentheorie : Schrödingers Katze lebt

Klassische Objekte und deshalb keine Überlagerung von drei Katzen Bild: ddp

Vor mehr als siebzig Jahren ersann Erwin Schrödinger sein Gedankenexperiment, um zu zeigen, wie seltsam sich quantenmechanische Zustandsbeschreibungen ausnehmen können. Bis heute lassen sich daran zentrale Fragen der Interpretation des quantenmechanischen Formalismus festmachen

          Im Jahr 1935 ersann der Physiker Erwin Schrödinger einen perfiden Tierversuch: "Eine Katze wird in eine Stahlkammer gesperrt", schrieb er, "zusammen mit folgender Höllenmaschine: In einem Geigerschen Zählrohr befindet sich eine winzige Menge radioaktiver Substanz, so wenig, dass im Laufe einer Stunde vielleicht eines von den Atomen zerfällt, ebenso wahrscheinlich aber auch keines; geschieht es, so spricht das Zählrohr an und betätigt über ein Relais ein Hämmerchen, das ein Kölbchen mit Blausäure zertrümmert. Hat man dieses ganze System eine Stunde lang sich selbst überlassen, so wird man sich sagen, dass die Katze noch lebt, wenn inzwischen kein Atom zerfallen ist. Der erste Atomzerfall würde sie vergiftet haben." Die Preisfrage ist nun: In was für einem Zustand ist die Katze, bevor jemand den Kasten aufmacht und nachschaut?

          Ulf von Rauchhaupt

          Verantwortlich für das Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.

          Über die korrekte Antwort besteht bis heute keine Einigkeit. Das hat damit zu tun, dass die physikalische Welt auf der Ebene radioaktiver Atome sich als ganz andersartig herausgestellt hat als die Alltagswelt der Menschen und Katzen. So anders, dass sich die Frage stellt, inwieweit Physik - oder überhaupt naturwissenschaftliche Erkenntnis - mit der Wirklichkeit als solcher zu tun hat. Daher wird über Schrödingers Katze seit Jahrzehnten theoretisiert, philosophiert und inzwischen auch experimentiert.

          Überlagerte Zustände

          Nicht nur aus Tierschutzgründen nimmt man dabei statt Katzen aber Ionen oder elektromagnetische Felder. Gerade hat eine Physikergruppe um Serge Haroche von der Ecole Normale Supérieure in Paris eine Arbeit in Nature veröffentlicht, in der ihnen eine Sequenz von Aufnahmen aus dem Leben sogenannter "Schrödinger-Katzen-Zustände" von Lichtwellen gelang. Solche Experimente bestätigen das theoretische Bild, das man sich heute von dem macht, was mit solchen Objekten im Allgemeinen passiert: die sogenannte "Dekohärenz".

          "Die Pariser Arbeit ist vielleicht das sauberste und eleganteste Experiment zur Dekohärenz, das bislang unternommen wurde", sagt der Quantentheoretiker und Nobelpreisträger Sir Anthony Leggett, "aber auf keinen Fall löst es das Paradox von Schrödingers Katze."

          Aber was ist hier paradox? Unserem Alltagsverstand scheint die Frage nach dem Schicksal des armen Tiers einfach. Ist doch klar: Die Katze ist entweder tot oder lebendig. Nein, sagt Schrödinger, nicht wenn man die Quantenphysik ernst nimmt. Die beschreibt Objekte wie radioaktive Kerne durch mathematische Gebilde, sogenannte Wellenfunktionen, aus denen sich die Wahrscheinlichkeiten für alle möglichen Ergebnisse von Messungen an ihnen berechnen lassen. Welches Ergebnis aber sich bei einer Messung jeweils tatsächlich einstellt - etwa wann der Kern zerfällt -, das legt kein Naturgesetz fest. Da am Zustand des Atoms auch der der Katze hängt, gilt für sie das Gleiche: Bevor jemand in die Kammer schaut, gibt es sie physikalisch nur als Wellenfunktion. Und als solche ist sie alles, als was sie sich beim Blick in den Kasten erweisen kann, also tot und lebendig zugleich.

          Kollabierende Wellenfunktionen

          Allerdings ist die gemeinsame Wellenfunktion von Atom und Katze in der Kammer nie allein. Durch Wechselwirkung mit Luft und Wärmestrahlung im Kasten entsteht sehr schnell eine immer komplexere Wellenfunktion. Das ist der Prozess der Dekohärenz. Aber was passiert da wirklich?

          Dies ist die Frage nach der sogenannten Interpretation der Quantentheorie im Allgemeinen und der Wellenfunktion im Besonderen. Nach allem, was man heute weiß, legen Naturgesetze nur Wellenfunktionen fest. Nur für sie gelten Gleichungen, die ihre zeitliche Entwicklung so zwingend vorherbestimmen wie die Newtonschen Gesetze den Lauf der Gestirne. Doch das, was die Physiker in ihren Messapparaturen sehen, ist nicht die Wellenfunktion eines Objekts, sondern nur immer jeweils ein Messergebnis unter vielen anderen, die auch möglich gewesen wären. Da die Messung nur eine Möglichkeit verwirklicht und die anderen unter den Tisch fallen, wird die ursprüngliche Wellenfunktion bei der Messung zerstört. Man sagt auch: Sie kollabiert.

          Verschränkung und Dekohärenz

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