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Katze mit zwei Augenfarben

Schrödingers Katze ist tot und lebendig

Die Quantenphysik ist voller Rätsel: Das bekannteste Beispiel dafür betrifft "Schrödingers Katze", die zugleich lebendig und tot sein soll. Oder weiß man nur nicht genug über sie? Österreichische Physiker haben nun gezeigt, dass der reale Zustand der Katze tatsächlich eine Überlagerung von "lebendig" und "tot" ist.

Quantenphysik 09.02.2015

Die Wellenfunktion ist von zentraler Bedeutung in der Quantenmechanik. Sie erlaubt die extrem genaue Berechnung des Verhaltens von Quantenobjekten, beispielsweise Elektronen oder Lichtteilchen (Photonen). Doch dieses Verhalten mutet seltsam an: In der Quantenwelt können Teilchen an zwei Orten zur gleichen Zeit sein oder sich in anderen ihrer Eigenschaften überlagern - die Physiker sprechen von "Superposition".

Die Studie:

"Measurements on the reality of the wavefunction" von Martin Ringbauer und Kollegen ist am 2. 2. 2015 in "Nature Physics" erschienen.

Die berühmteste Beschreibung dieses besonderen, mit dem Erfahrungshorizont des Alltags schwer nachvollziehbaren Quantenzustands stammt vom österreichischen Physiker Erwin Schrödinger (1887-1961): In seinem Gedankenexperiment sitzt eine Katze in einer Kiste mit einer Apparatur, die mit 50-prozentiger Wahrscheinlichkeit zum Tod des Tiers führen kann.

Reale Eigenschaft oder mathematisches Hilfsmittel?

"In der Quantenmechanik würde der Zustand der Katze durch eine Wellenfunktion beschrieben - es ist das zentrale Werkzeug, um physikalische Systeme zu beschreiben", erklärte Martin Ringbauer, Doktorand im Andrew White's Quantum Technology Labor der University of Queensland in Brisbane (Australien) und Erstautor der Studie, gegenüber der APA.

Die Wellenfunktion würde den Zustand der Katze als Superposition beschreiben, also gleichzeitig tot und lebendig. Nur wenn man die Box öffnet, also eine Messung vorgenommen wird, ist es möglich, den Zustand der Katze festzustellen.

Obwohl die Wellenfunktion seit fast einem Jahrhundert von den Physikern verwendet wird, "ist es nach wie vor unklar, was sie tatsächlich ist", so der österreichische Physiker Alessandro Fedrizzi, ebenfalls von der University of Queensland. Selbst Physiker wie Albert Einstein, Werner Heisenberg oder Erwin Schrödinger fragten sich, ob sie eine reale Eigenschaft eines Quantensystems darstellt oder nur ein mathematisches Hilfsmittel ist, das die über ein System verfügbare Information beschreibt.

Wie ein Roboter, der Karten mischt und austeilt

Einstein waren diese Quantenphänomene suspekt, er hing der Meinung an, dass der Zustand der Superposition nicht real sei. Vielmehr wisse man als Beobachter nicht, ob die Katze tot oder lebendig ist. Mit der Superposition werde dieses limitierte Wissen beschrieben - weshalb diese Ansicht "Wissensinterpretation" genannt wird. Denn die Alternative, die Superposition als realer Zustand, behagte Einstein nicht, bedeutet sie doch, dass die Katze tatsächlich gleichzeitig tot und lebendig sein kann.

Über Jahrzehnte war das eine rein philosophische Frage. Im vergangenen Jahr gelang es aber den Ko-Autoren Cyril Branciard, Eric Cavalcanti und internationalen Kollegen die Frage in einer Art und Weise zu formalisieren, dass sie experimentell überprüft werden kann. Sie machten sich dabei die sonderbare quantenphysikalische Eigenschaft zunutze, dass Quantenzustände im Allgemeinen in einer Messung nicht perfekt unterschieden werden können.

Die Wissenschaftler vergleichen dies mit einem Roboter, der Spielkarten mischt und austeilt. Dafür hat er zwei Einstellungen: Er kann entweder eine zufällige Karte mit roter Farbe geben oder ebenso zufällig eines der vier Asse. Wenn der Roboter nun etwa ein Herz Ass austeilt, kann man nicht sagen, nach welcher der beiden Einstellungen der Roboter gearbeitet hat.

Spricht gegen Einsteins Vermutung

"Das entspricht der Wissensinterpretation der Wellenfunktion. Wir wissen nicht, welche Einstellung der Roboter hatte oder ob die Katze lebendig oder tot ist", so Ringbauer. Nachdem Branciard und Cavalcanti gezeigt hatten, wie man diese Eigenschaft für einen experimentellen Test nutzen kann, präparierten Fedrizzi, Ringbauer und ihre Kollegen Photonen in solchen Zuständen, die nicht mehr perfekt unterscheidbar sind und führten Messungen dieser Zustände durch.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Wissensinterpretation dieses Phänomen der Nichtunterscheidbarkeit von Quantenzuständen nicht vollständig erklären kann", sagte Ringbauer. Mit anderen Worten: Die Physiker widerlegten damit die Interpretation, dass die Wellenfunktion ein reines Hilfsmittel ist, aber keine physikalische Realität hat - Schrödingers Katze ist tatsächlich gleichzeitig tot und lebendig, im Gegensatz zu Einsteins Vermutung.

Bleibt schließlich noch eine dritte Interpretation der Wellenfunktion: Vielleicht gibt es gar keine Katze, bevor man die Box öffnet. Anhänger dieser Auslegung meinen, dass nicht alle unsere Beobachtungen durch eine objektive Realität beschrieben werden können und die Wellenfunktion nur die subjektive Erfahrung verkörpert.

science.ORF.at/APA

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