Schrödingers Katze

Schrödingers Katze bezeichnet ein populär gewordenes Gedankenexperiment aus der Anfangszeit der Modernen Physik, in dem das Weiterleben einer Katze, die sich in einem geschlossenen Kasten befindet, von einem durch die Quantenmechanik beschriebenen Vorgang abhängt. Erwin Schrödinger verdeutlichte damit 1935, dass die neuen Vorstellungen vom Zustand eines Teilchens, die die Grundlage der bis heute erfolgreichen Quantenmechanik bilden, „einfach falsch“ werden, wenn man sie auf „grob tastbare und sichtbare Dinge“ bezieht.

In der Quantenmechanik muss man sich vorstellen, dass der Zustand eines punktförmigen Elektrons einer Welle ähneln kann, die im Raum über einen mehr oder weniger großen Bereich ausgedehnt ist (Welle-Teilchen-Dualismus). Zum Beispiel ist ein Elektron im Atom nicht nur an einem Punkt, sondern gleichzeitig in „verwaschener“ Weise auch an jedem anderen Punkt im ganzen Atom anwesend. So ein Zustand wird genauer als kohärente Superposition von solchen Zuständen bezeichnet, in denen das Elektron tatsächlich nur einen Ort hat. Ebenso muss man sich von einem radioaktiven Atom vorstellen, dass es nach Ablauf einer Halbwertzeit einen Superpositionszustand einnimmt, in dem es zu gleichen Teilen sowohl „zerfallen“ als auch „nicht zerfallen“ ist. Analog müsste man sich ― so Schrödinger ― dann auch von einer Katze vorstellen können, dass sie in kohärenter Superposition gleichzeitig im Zustand lebendig und im Zustand tot ist. Um zu illustrieren, wie sie in diesen Zustand kommen kann, lässt Schrödinger in einem „burlesk ausgeschmückten“ Gedankenexperiment die kohärente Superposition von einem radioaktiven Atom auf eine Katze übergehen. Die Katze ist in einer Stahlkammer eingesperrt, zusammen mit einer „Höllenmaschine“ bestehend aus dem radioaktiven Atom, einem Geigerzähler, einem Hämmerchen und einem Fläschchen voll Giftgas. Das Giftgas tötet die Katze, sobald die Strahlung des Atoms über den Geigerzähler einen Schlag mit dem Hämmerchen auslöst, der das Fläschchen zertrümmert. Zu Beginn lebt die Katze, aber im Laufe einer Halbwertzeit gerät das Atom in den genannten kohärenten Superpositionzustand aus den Zuständen „zerfallen“ und „nicht zerfallen“. Entsprechend müsse die Katze dann in einen genauso „verwaschenen“ Zustand geraten, in dem sie je zur Hälfte sowohl „tot“ als auch gleichzeitig „lebendig“ ist. In diesem Superpositionszustand müsste die Katze bleiben, bis er durch eine wirkliche Beobachtung beendet wird. Diese würde keinen Überlagerungszustand feststellen, sondern entweder das Ergebnis „tot“ oder „lebendig“, nach einer Halbwertzeit also mit je 50 % Wahrscheinlichkeit.

Der deutliche Gegensatz zwischen dieser Vorstellung von einem „verwaschenen“ Zustand einer Katze und der gesicherten Anschauung hat innerhalb wie außerhalb der Physik jahrzehntelange Diskussionen und Missverständnisse angeregt. Zum Teil haben sie sich von Schrödingers ursprünglicher Darstellung auch erheblich entfernt. Im physikalischen Sinn ist das Problem spätestens seit den 1980er Jahren durch die Theorie der quantenmechanischen Dekohärenz geklärt worden: Die Möglichkeit, eine Katze in sowohl totem als auch lebendigem Zustand beobachten zu können, wird von der Quantenmechanik nicht vorhergesagt. Denn ein in Schrödingers Sinn „verwaschener“ Zustand einer Katze kann höchstens für eine bei weitem unmessbar kurze Zeitspanne existieren, um dann in eine Situation überzugehen, die man sich schon in der klassischen Physik und sogar im Alltag mühelos vorstellen kann, wenn nämlich z. B. nach einem Münzwurf der Zustand der Münze unklar bleibt, bis jemand hinguckt und entweder „Kopf“ oder „Zahl“ feststellt.

Dabei ist es wichtig, dass es sich bei der Katze um ein komplexes makroskopisches System handelt. Dessen ungeachtet spricht man in Anlehnung an Schrödingers Gedankenexperiment zuweilen auch bei einem mikroskopischen quantenmechanischen System von einem Katzenzustand, wenn man verschiedene seiner Zustände kohärent überlagert hat und dieser kohärente Überlagerungszustand anhält, bis das System durch eine Messung auf einen von ihnen festgelegt wird.

1. ↑ Alle „kursiven Zitate“ sind aus: Erwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik. In: Naturwissenschaften, Band 23, 1935; Teil 1 (S. 807—812): doi:10.1007/BF01491891, Teil 2 (S. 823—828): doi:10.1007/BF01491914, Teil 3 (S. 844—849): doi:10.1007/BF01491987. Die Katze wird am Ende des Teils 1 beschrieben und wird in Teil 2 nochmal in Klammern erwähnt (S. 827: „Man erinnere sich der vergifteten Katze!“)
2. ↑ Arroyo Camejo, Silvia.: Skurrile Quantenwelt. 1. Auflage. Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-29720-0, Kapitel 12. 
3. ↑ z. B. Ergebnis einer google Buchsuche am 04.11.2024, Stichwort "Schrödingers Katze"
4. ↑ D. Leibfried, C. Monroe, D. J. Wineland: Schrödingers Katze in die Falle gelockt. In: Physikalische Blätter. Band 53, Nr. 11, November 1997, S. 1117–1119, doi:10.1002/phbl.19970531111. 

1. ↑ Im Originaltext (s. u.) ist es nicht ein einziges Atom, sondern ein radioaktives Präparat, in dem innerhalb einer Stunde mit 50 % Wahrscheinlichkeit ein Zerfall nachgewiesen wird. Für die Diskussion ist die Abänderung belanglos, sie erleichtert aber die knappe Darstellung hier.