Schrödingers Katze ist tot und lebendig

Ist "Schrödingers Katze" wirklich zugleich lebendig und tot, oder weiß man nur nicht genug über ihren Zustand? In Australien tätige österreichische Physiker haben in diesem alten Dilemma der Quantenmechanik nun wesentliche Fortschritte erzielt: sie zeigten, dass der reale Zustand der Katze tatsächlich ein Überlagerungszustand von lebendig und tot ist, berichten sie im Fachjournal "Nature Physics".

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".

Vergiftete Katze

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.

"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.

Messung machts

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.

Einsteins Kritik

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 "Wissens-Interpretation" 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 ein rein philosophischer Disput. 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 Wissenschafter 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.

"Das entspricht der Wissens-Interpretation 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.

Wellenfunktion ist real

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Wissens-Interpretation dieses Phänomen der Nicht-Unterscheidbarkeit von Quantenzuständen nicht vollständig erklären kann", sagte Ringbauer. Mit anderen Worten: Die Physiker widerlegten damit die Interpretation, dass die Wellenfunktion ein rein statistisches Hilfsmittel ist, aber keine physikalische Realität hat - Schrödingers Katze ist tatsächlich gleichzeitig tot und lebendig.

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.