Quantenphysik 24.06.2023, 10:46 Uhr

Schrödingers Katze – mehr als ein Gedankenexperiment?

Bei Schrödingers Katze handelt es sich um ein naturwissenschaftliches, theoretisches Experiment. Der Physiker Erwin Schrödinger wollte damit die Herausforderungen der Quantenphysik darstellen. Doch ist es mehr als nur ein Gedankenexperiment?

Schrödingers Katze

Bei geöffnetem Karton sieht jeder, ob die Katze tot oder lebendig ist. Ist er geschlossen, sieht es anders aus.

Foto: Panthermedia.net/Claus Lenski

Im Jahr 1935 präsentierte der renommierte Physiker Erwin Schrödinger ein bis heute diskutiertes Gedankenexperiment. In diesem Experiment wird eine Katze in einen Zustand versetzt, in dem sie gleichzeitig tot und lebendig ist, solange niemand sie beobachtet. Was zunächst als rein theoretisches Konzept erschien, könnte jedoch mehr sein als nur ein Experiment der Gedanken. Kürzlich haben Physiker einen 16 Mikrogramm schweren Saphir in einen Zustand überführt, der zwei unterschiedliche Schwingungszustände miteinander kombiniert. Bevor wir uns jedoch genauer damit befassen, ist es sinnvoll, das ursprüngliche Gedankenexperiment von Schrödinger genauer zu betrachten.

Was ist Schrödingers Katze?

Schrödingers Katze ist ein Gedankenexperiment aus der Quantenphysik, das der österreichische Physiker Erwin Schrödinger im Jahr 1935 entwickelt hat. Das Experiment diente dazu, die merkwürdigen Eigenschaften der Quantenmechanik darzustellen.

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Es funktioniert wie folgt: Stellen Sie sich eine Katze in einer undurchsichtigen Kiste vor, zusammen mit einer radioaktiven Substanz, einem Geigerzähler und einer tödlichen Vorrichtung, die aktiviert wird, wenn der Geigerzähler ein radioaktives Teilchen erfasst. Laut der Quantenmechanik kann ein radioaktives Teilchen in einem sogenannten Überlagerungszustand sein, bei dem es sich gleichzeitig in einem zerfallenen und nicht zerfallenen Zustand befindet.

Nun argumentiert Schrödinger, dass – solange die Kiste geschlossen ist und niemand von außen nachschaut – die Katze in einer Überlagerung von Zuständen ist. Das bedeutet, dass das Tier sowohl lebendig als auch tot ist, da der Zerfall des radioaktiven Teilchens seinen Tod verursachen würde (wenn die tödliche Vorrichtung tatsächlich ausgelöst würde). Erst wenn die Kiste geöffnet wird und jemand den Zustand der Katze beobachtet, wird die Überlagerung aufgelöst und die Katze befindet sich in einem eindeutigen Zustand – entweder lebendig oder tot.

Gehört Schrödingers Katze zur Quantenphysik?

Schrödingers Katze ist tatsächlich ein Gedankenspiel, das in der Quantenphysik entwickelt wurde, um die Herausforderungen zu verdeutlichen, die die Quantenmechanik mit sich bringt. Es zeigt, dass bestimmte quantenphysikalische Phänomene, wie die Überlagerung von Zuständen, theoretisch auf makroskopische Objekte wie eine Katze übertragen werden können. Es zeigt auch das Konzept der quantenmechanischen Verschränkung und die Rolle des Beobachtens beim Auflösen der Überlagerung in einen eindeutigen Zustand.

Schrödingers Katze beschreibt den Überlagerungszustand eines quantenmechanischen Systems, wie zum Beispiel ein Teilchen. Dieser Zustand wird von Expertinnen und Experten als „Superposition“ bezeichnet. Das Experiment legt nahe, dass die Quantenmechanik dazu führt, dass ein System oder ein einzelnes Objekt in der Superposition existieren kann. Aber nur, bis eine Beobachtung oder Messung durchgeführt wird, die den Zustand auf einen eindeutigen Wert reduziert – im Fall der Katze hieße der „lebendig“ oder „tot“.

Obwohl Schrödingers Katze nur ein Gedankenexperiment ist, hat es über die Jahrzehnte einen großen Einfluss auf das Verständnis der Quantenphysik gehabt und wird häufig als anschauliches Beispiel für die seltsamen und faszinierenden Aspekte innerhalb der Quantenwelt verwendet. Es zeigt, wie bestimmte Prinzipien der Quantenphysik auf makroskopische Dinge angewendet werden können und wie die Beobachtung den Zustand eines Systems beeinflusst.

Wie tot ist Schrödingers Katze?

Schrödingers Katze ist ein theoretisches Beispiel. Dabei ist keine und war auch nie eine echte Katze im Spiel. Die besondere Idee hinter diesem Gedankenspiel ist nicht das Tier selbst, sondern dass dessen tatsächlicher Zustand erst durch Beobachtung oder Messung bestimmt wird. Dann löst sich die Überlagerung auf. Wenn also die fiktive Kiste geöffnet wird und jemand von außen den Zustand der Katze erfasst, würde sich die Superposition in einen eindeutigen Zustand auflösen – abhängig davon, ob das radioaktive Teilchen zerfallen ist oder nicht.

In der Realität können makroskopische Objekte in der Größe einer Katze nicht in einem Zustand der Superposition existieren. Auf dieser Aussage beruhen auch die am Experiment geäußerten Zweifel. So sagen Kritikerinnen und Kritiker, dass sich die Katze niemals in irgendeinem Mischzustand zwischen Tod und Leben befinden wird, sondern entweder lebendig oder tot ist. Die Begründung: Wenn eine Quantenberechnung zeigt, dass eine Katze, die in einem geschlossenen Kasten sitzt, eine 50-prozentige Chance hat, tot zu sein, und eine 50-prozentige Chance, am Leben zu sein – weil es eine 50-prozentige Wahrscheinlichkeit gibt, dass ein bestimmter Mechanismus ausgelöst wird, kann es nur ein „entweder oder“ geben.

Was beweist Schrödingers Katze?

Schrödingers Katze ist kein Beweis für eine bestimmte Aussage. Vielmehr wurde es entwickelt, um einige Aspekte der Quantenphysik zu diskutieren. Das Experiment hebt insbesondere die merkwürdige Natur der Quantenmechanik hervor, in der Teilchen oder Systeme in der Superposition existieren können, bei der sie gleichzeitig mehrere Zustände innehaben.

Schrödingers Katze soll einfach zeigen, dass die Quantenmechanik mit unserem alltäglichen Verständnis von Realität und Kausalität in Konflikt geraten kann. Es stellt eine Herausforderung dar, da es auf makroskopische Objekte wie eine Katze setzt, während die meisten quantenmechanischen Phänomene normalerweise auf der mikroskopischen Ebene beobachtet werden.

Das Gedankenexperiment hat zu zahlreichen Diskussionen und Interpretationen in der Quantenphysik geführt. Es verdeutlicht die Unbestimmtheit und Nichtlokalität in der Quantenwelt und hat zu weiteren Untersuchungen und Debatten über die Natur der Realität und die Interpretationen der Quantenmechanik geführt. Schrödingers Katze dient dabei stets als metaphorisches Werkzeug und ist nicht als wörtliche Beschreibung der Realität zu betrachten.

Ein Edelstein auf den Spuren von Schrödingers Katze

Neuerdings gibt es die Katze trotzdem – im übertragenen Sinn. Vor kurzem ist es Physikern gelungen, einen 16 Mikrogramm schweren Saphir in eine Überlagerung zweier Schwingungszustände zu versetzen. Damit ist der Edelstein das bislang größte Objekt, das innerhalb einer quantenmechanischen Superposition existiert hat. Der Saphir wurde dazu angeregt, zu vibrieren. Das versetzt die Atome, aus denen der Kristall besteht, in Schwingungen. In der Superposition schwingen sie gleichzeitig in zwei entgegengesetzte Richtungen.

Der Sinn solcher Versuche liegt darin, herauszufinden, wie und warum die Gesetze der Quantenwelt bei größeren Objekten in diejenigen Gesetze der klassischen Physik übergehen. Zwar war die Distanz zwischen den beiden Schwingungszuständen mit einem milliardstel Nanometer winzig klein, aber ausreichend, um beide deutlich voneinander unterscheiden zu können. „Indem wir die zwei Schwingungszustände des Kristalls in eine Überlagerung versetzt haben, haben wir effektiv eine Schrödinger-Katze hergestellt, die 16 Mikrogramm wiegt“, heißt es seitens der Fachleute.

Welchen Einfluss hat Schrödingers Katze außerhalb der Naturwissenschaften?

Man muss kein Quantenphysiker oder keine Quantenphysikerin sein, um schon einmal von Schrödingers Katze gehört zu haben. Denn ganz abgesehen von den Einflüssen innerhalb der Naturwissenschaften hat die berühmte Katze in den vergangenen Jahrzehnten Einzug in die Populärkultur gehalten. Sie wird oft als Metapher oder Referenz verwendet, um auf merkwürdige und paradoxe Aspekte im Alltag hinzuweisen. Beispiele für Schrödingers Katze in der Populärkultur sind:

  • Literatur und Film: Schrödingers Katze wurde in verschiedenen Büchern und Filmen referenziert. Zum Beispiel erscheint sie in Douglas Adams‘ Roman „Per Anhalter durch die Galaxis“ und in Terry Pratchetts Scheibenwelt-Romanen. In Filmen und Serien wie „The Big Bang Theory“, „The Cloverfield Paradox“ und „Watchmen“ wird das Gedankenexperiment ebenfalls erwähnt oder darauf angespielt.
  • Musik: Die Katze wurde auch in der Musik referenziert. Bands und Künstler haben den Begriff in ihren Songtexten verwendet. Ein bekanntes Beispiel ist das Lied „Schroedinger’s Cat“ von „Hawkwind“. Zudem gibt es eine Band, die sich direkt nach dem Experiment benannt hat: „Schroedinger‘s Cat“.
  • Populärwissenschaftliche Bücher und Medien: Schrödingers Katze wird häufig in populärwissenschaftlichen Büchern, Artikeln und Videos über die Quantenphysik verwendet, um die Konzepte der Superposition und Verschränkung zu erklären.
  • Internet-Memes: Schrödingers Katze hat es in Zeiten der sozialen Medien zudem in die Welt der Internet-Memes geschafft. Es gibt verschiedene Bilder und Memes, die sich auf das Experiment beziehen und seine paradoxen Aspekte auf humorvolle Weise darstellen.

Ein Beitrag von:

  • Julia Klinkusch

    Julia Klinkusch ist freiberufliche Texterin und Medizinautorin.

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