Schrödingers Katze – Viele kennen die legendäre Katze vielleicht aus einer der bekanntesten TV Fernsehshows aller Zeiten: The Big Bang Theory.
Doch was genau hat es mit der Katze auf sich und welche Bedeutung hat diese für die moderne Physik?
Inhaltsverzeichnis
Schrödingers Katze – Ein Gedankenexperiment
Angenommen, eine Katze befindet sich in einem geschlossenen Kasten, in welchen ihr nicht hineinschauen könnt. In diesem Käfig befinden sich auch noch ein radioaktives Präparat sowie eine Ampulle mit Gift. Das radioaktive Material kann nach einer gewissen Zeit zerfallen, jedoch ist nicht klar, wann dies geschehen soll.
Wenn aber das erste Atom des radioaktiven Materials zerfällt, wird eine Kettenreaktion ausgelöst, welche tödlich enden kann. Dabei fällt ein Hammer von oben auf die Glasampulle, welche zerbricht. Das Gift kann dadurch wiederum entweichen, sodass die Katze stirbt.
Im Jahr 1935 veröffentlichte der Physiker Erwin Schrödinger das Gedankenexperiment, das ein großes Problem der Quantenmechanik problematisiert. Seit 1925 beschäftigen sich Experten und Forscher mit der sogenannten Quantenmechanik, welche die Zustände und Vorgänge von Materie in einem Größenbereich der Atome beschreibt.
Aufgrund der bewiesenen Quantenmechanik, welche von den weltbekannten Physikern Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger entwickelt wurde, befindet sich das radioaktive Präparat in einem Kasten in einem sogenannten Überlagerungszustand.
Ein Überlagerungszustand wird in der Physik auch Superposition genannt. Dabei handelt es sich um einen Zustand, bei der zwei physikalische Größen zwei Zustände gleichzeitig annehmen können. Dies mag für uns in der makroskopischen Welt wie Zauberei klingen, ist jedoch in der quantenmechanischen und mikroskopischen Welt der Atome normaler Alltag.
Das radioaktive Präparat befindet sich aber nur so lange in einem Überlagerungszustand, bis jemand nachschaut, ob ein Zerfall der Atome tatsächlich stattgefunden hat. Solange der Kasten verschlossen bleibt und keine auch externe Messung erfolgt, befindet sich das Material also gleichzeitig in einem Zustand von Zerfallen-Sein und Nicht-Zerfallen-Sein.
Mit dem Gedankenexperiment zeigt Schrödinger aber, dass sich diese Theorie nicht für große Objekte anwenden lässt. Dies würde nämlich bedeuten, dass auch die Katze in der Kiste gleichzeitig tot und lebendig ist. Der Zerfall der kleinen Atome des radioaktiven Materials wirkt sich im Gedankenexperiment direkt auf das Leben der Katze aus.
Ist die Katze nun tot oder lebendig?
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, die wir in unserem Alltag wahrnehmen. Denn die Überlagerung von verschiedenen Zuständen steht im völligen Widerspruch mit unserem Alltag und unseren Erfahrungen.
Die Katze kann in unserer makroskopischen Welt nicht gleichzeitig tot und lebendig sein. Jedoch ist die Quantenmechanik im kleineren Bereich gültig und nachgewiesen und wirkt sich stark auf unseren Alltag aus.
Ein Beispiel, welches die Überlagerung verschiedener Zustände illustriert:
Am besten lässt sich das quantenmechanische Prinzip der Überlagerung mit einem Spielwürfel darstellen. Denn, genauso wie bei der Katze von Schrödinger, kann auch nur durch die Messung bzw. durch das Nachschauen der wirkliche Zustand herausgefunden werden.
Bei einem gewöhnlichen Würfel, welchen man von vielen Spielen kennt, weiß man bereits aus eigener Erfahrung, dass einer der sechs verschiedenen Zahlen oben vorliegen kann.
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. Dann entscheidet sich der Würfel für einen Zustand und das Ergebnis ist eine eindeutige Zahl.
Welche Bedeutung hat das legendäre Gedankenexperiment für die Physik?
Da Gedankenexperiment, welches von Erwin Schrödinger erfunden wurde, hat in den Naturwissenschaften für viel Aufmerksamkeit gesorgt. Auf der anderen Seite war das Experiment keine neue Erfindung, sondern lediglich ein theoretisches Experiment als Reaktion auf die damaligen Prinzipien und Erfindungen der modernen Physik.
Noch vor dem Gedankenexperiment von Schrödinger haben weltbekannte Physiker und Naturforscher entdeckt, dass Teilchen, wie etwa Elektronen oder Licht, verschiedene Zustände einnehmen können. Dabei besitzen Elektronen die Fähigkeit, an verschiedenen Orten gleichzeitig zu sein. Erst, wenn der Vorgang mit einer Messung kontrolliert bzw. nachgeschaut wird, entscheiden sich die Partikel für einen Ort.
Aufgrund dieses Phänomens konnten moderne Physiker den Charakter von Elektronen bestimmen: das sogenannte Wellen-Teilchen-Dualismus. Dabei verhalten sich Elektronen sowohl als Welle als auch als Teilchen. Diesen Charakter konnten Physiker bei dem sogenannten Doppelspaltexperiment untersuchen, bei welchen sich die Elektronen unter keiner Beobachtung wie Wellen verhalten haben und gleichzeitig durch mehrere Öffnungen in einer Schranke wanderten. Erst, als der Vorgang der Elektronen nachgemessen und somit beobachtet wurde, waren Elektronen gezwungen, sich wie Teilchen und nicht wie Wellen zu verhalten.
