Nicht nur bei Sheldon aus der Serie "The Big Bang Theory" spielt Schrödingers Katze noch immer eine Rolle. Das 1935 von dem Physiker Erwin Schrödinger erdachte Gedankenexperiment soll aufzeigen, dass sich laut der Quantenmechanik Objekte gleichzeitig in unterschiedlichen Zuständen befinden können. In diesem Fall wäre eine Katze gleichzeitig tot und lebendig. Ein Physikprofessor erklärt, was es damit auf sich hat.

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Man stelle sich vor, eine Katze ist in einem geschlossenen Kasten eingesperrt, in den man nicht hineinschauen kann. In diesem Käfig befinden sich zudem ein radioaktives Präparat und eine Ampulle mit Gift. Das radioaktive Material kann zerfallen - wann dies geschieht, weiß man jedoch nicht.

Wenn das erste Atom des radioaktiven Materials zerfällt, wird eine tödliche Kettenreaktion ausgelöst: Dann fällt ein Hammer von oben auf die Glasampulle, diese zerbricht, das giftige Gas kann entweichen, die Katze stirbt.

Was bedeutet das nun?

Schrödingers Katze im Überlagerungszustand

Seit 1925 beschäftigen sich Forscher mit der Quantenmechanik, die die Zustände und Vorgänge von Materie im Größenbereich der Atome beschreibt. "Laut der bewiesenen Quantenmechanik, die von Physikern wie Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger entwickelt wurde, befindet sich das radioaktive Präparat im Kasten so lange in einem sogenannten Überlagerungszustand, bis jemand nachschaut, ob der Zerfall tatsächlich stattgefunden hat", erklärt der Physiker Erich Runge.

Solange der Kasten verschlossen bleibt und keine Messung erfolgt, befindet sich das Material also in der Schwebe zwischen Zerfallen-Sein und Nicht-Zerfallen-Sein.

Würfel-Beispiel: Erst durch das Nachschauen findet eine Messung statt

"Bildlich gesprochen ist das wie bei einem Würfel, bei dem man zwar aus Erfahrung weiß, dass eine der sechs Zahlen oben liegt. Solange man jedoch nicht nachgeschaut hat, findet laut Quantenmechanik eine Überlagerung der sechs Zustände statt. Erst in dem Moment, in dem man nachschaut, findet eine Messung statt, der Würfel entscheidet sich und das Ergebnis ist eine eindeutige Zahl.", so Runge.

Mit dem Gedankenexperiment zeigt Schrödinger aber, dass sich diese Theorie nicht für große Objekte anwenden lässt, denn das würde bedeuten, dass auch die Katze in der Kiste gleichzeitig tot und lebendig ist. Der Zerfall der mikroskopisch kleinen Atome des radioaktiven Materials wirkt sich im Gedankenexperiment unmittelbar auf das Leben der Katze aus.

Eine Katze oder auch schon ein Staubkorn ist jedoch so ein komplexes System, das aus einer Vielzahl von Atomen besteht, die sich nicht alle beobachten und kontrollieren lassen. Zudem ist es kaum möglich, alle äußeren Einflüsse zu vermeiden, die sich auf den Zustand der Katze auswirken könnten. So könnte beispielsweise ein Hund außerhalb der Box die Katze wittern und durch diese "Messung" bereits festlegen, ob die Katze lebt oder nicht.

Quantenmechanik in der heutigen Wissenschaft

"Das Katzen-Experiment ist nicht umsetzbar, sondern nur ein gedankliches Konstrukt. Es ist schwierig, die Grenzen auszuloten zwischen dem quantenmechanischen Verhalten im kleinen Bereich der Atome und dem Verhalten von großen makroskopischen Objekten. Denn das Überlagern von verschiedenen Zuständen steht im völligen Widerspruch mit unserem Alltag und unseren Erfahrungen, die Katze kann schließlich nicht gleichzeitig tot und lebendig sein. Jedoch ist die Quantenmechanik im kleineren Bereich gültig und nachgewiesen.", erklärt Runge.

Dass dieser Überlagerungszustand als zentrales Thema der Quantenmechanik gar nicht so absurd, sondern in der Realität tatsächlich möglich ist, konnten Forscher bereits für sehr kleine Teilchen, wie Moleküle mit bis zu 60 Atomen, nachweisen. So arbeitet die Wissenschaft aktuell daran, dieses Konzept für sogenannte Quantencomputer zu nutzen.

Diese arbeiten mit sogenannten Qubits als Einheit, die gleichzeitig zwei verschiedene Zustände einnehmen können, nämlich null und eins. Diese Computer können viel schneller und effektiver arbeiten, da mehrere Prozesse gleichzeitig ablaufen können.

Über den Experten: Prof. Dr. Erich Runge lehrt Theoretische Physik an der Technischen Universität Ilmenau. Zu seinen Forschungsschwerpunkten zählt die Quantenmechanik und Statistik ungeordneter Systeme.

Verwendete Quellen:

  • Quanten.de: "Schrödingers Katze kann aufatmen – und sei es auch nur ein letztes Mal"
  • LEIFIphysik: "Schrödingers Katze – ein Gedankenexperiment"
  • Welt der Physik: "Schrödingers Katze"
Hinweis: Dies ist ein Artikel aus unserem Archiv.