QUANTENMECHANIK

Ist Schrödingers Katze ein Zombie?

Die Realität der Quantenphysik und jene Wirklichkeit, die sich uns im Alltag eröffnet, könnten kaum widersprüchlicher sein

Werner Sturmberger | aus HEUREKA 1/17 vom 22.03.2017

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts existierte die Quantenmechanik nur in Gedankenexperimenten. Mittlerweile ist sie das dominierende Paradigma der Physik: Ihre Annahmen werden von Experimenten bestätigt. Und sie erschüttern die physikalischen Grundlagen der Alltagswelt.

"Unsere Vorstellung von der Welt basiert auf der Annahme, dass Vorgänge lokal-kausal stattfinden. Das, was an einem Ort passiert, kann etwas anderes an einem anderen Ort nicht augenblicklich, sondern nur maximal mit Lichtgeschwindigkeit beeinflussen. Außerdem setzen wir voraus, dass Dinge ihre Eigenschaften unabhängig von ihrer Beobachtung besitzen. Zusammen nennt man das lokalen Realismus", sagt Thomas Scheidl, Experimentalphysiker am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

Die verschränkten Zustände der Quantenmechanik

Die klassische Physik besagt, dass Korrelationen zwischen zwei Teilchen nicht beliebig stark sein können. "In der Quantenmechanik gibt es aber verschränkte Zustände. Das sind spezielle Zustände zweier Teilchen, bei denen die Korrelationen untereinander viel stärker sind, als es der lokale Realismus erlauben würde." Das kann man sich wie einen Münzwurf vorstellen -ob Kopf oder Zahl ist Zufall. Bei zwei Münzen würde man demnach vier zufällige Ergebnisse bekommen. Sind die Münzen aber im Sinn der Quantenphysik verschränkt, fallen sie immer auf die gleiche Seite, egal wie weit sie voneinander entfernt sind - eine könnte am Mond, die andere auf der Erde sein.

"In unseren Experimenten konnten wir diesen Effekt beobachten. Wir machen das natürlich nicht mit Münzen, sondern mit Lichtteilchen, die wir in ihrer Polarisation verschränken. Wir erzeugen diese, schicken sie auseinander und sehen, dass eine Polarisationsmessung an einem einzelnen Teilchen zufällig eines von zwei möglichen Ergebnissen liefert wie bei einem Münzwurf. Wir sehen aber auch, dass das Ergebnis am Partnerteilchen immer gleich ist."

Die Superposition in der Welt der Quanten

Es gibt aber noch einen weiteren Bruch mit der lokalen Realität: Im Alltag haben Teilchen Eigenschaften, unabhängig davon, ob wir sie beobachten oder nicht. Die Welt der Quanten ist aber von der Superposition, der Überlagerung von Zuständen, geprägt. Die Beobachtung schafft hier ihre Realität durch das Messen: "Ein Teilchen kann diesen oder jenen Weg gehen. Man muss es so beschreiben, als würde es beide Wege gleichzeitig gehen. Das ist die Superposition von verschiedenen Möglichkeiten. Aber wenn ich das Teilchen frage, dann gibt es eine Antwort. Der Zustand der Superposition verringert sich dann auf eine Möglichkeit und verschwindet", erklärt Scheidl.

Bekannt ist dieser Effekt vor allem als "Schrödingers Katze" - ein Gedankenexperiment, dass der Wiener Physiker Ernst Schrödinger in einem Brief an Einstein formuliert hatte. Schrödinger ersann auch eine Gleichung, die es erlaubt, trotz Superposition Aussagen über Quantensysteme zu treffen: die Wellenfunktion.

Über deren tatsächliche Beschaffenheit herrscht nach wie vor Unklarheit: Ist sie lediglich ein Hilfsmittel, das unsere Unwissenheit überbrückt, oder ein reales, physikalisches Objekt? In beiden Interpretationen kommt die Katze nicht gut davon: Im ersten Fall ist sie entweder tot oder lebendig, im zweiten Fall wäre sie gleichzeitig tot und lebendig -quasi untot und damit ein Zombie -solange niemand nachsieht.

Eine besonders spektakuläre Interpretation lieferte der Amerikaner Hugh Everett mit seiner Viele-Welten-Interpretation: Er schlug vor, dass bei jeder Quantenmessung ein neues Universum mit Parallelwelten entstehen würde. In einer Welt wäre die Katze tot, in der anderen lebendig.

Für unseren Alltag hat diese Debatte freilich nur bedingt Relevanz. Das heißt aber nicht, dass die Quantenphysik für diesen belanglos wäre, gibt Scheidl zu bedenken. "Letztlich basiert jeder Transistor und damit jeder Computer auf Quanteneffekten. Die verschränkten Teilchen bilden auch die Basis für moderne Verschlüsselungssysteme. Auch Quantencomputer könnten in nicht allzu fernen Zukunft Realität werden."

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