Schrödingers Katze: Ein Einblick in die Rätsel der Quantenphysik

Eines der berühmtesten Gedankenexperimente ist „Schrödingers Katze“ – und nein, es dreht sich nicht um das flauschige Haustier des österreichischen Physikers Erwin Schrödinger, sondern um die Eigenheiten der Quantenmechanik.  

Was ist die Quantenmechanik?

Im frühen 20. Jahrhundert wurde die Welt der Quantenmechanik entdeckt. Das Konzept stammt zunächst vom deutschen Physiker Max Planck, der eine revolutionäre Hypothese vorlegte: die Betrachtung von Energie als „gequantelt“, was bedeutet, dass sie nur in kleinen Paketen in der Natur existiert. Diese Theorie wurde anschließend von Wissenschaftlern wie Albert Einstein, Niels Bohr, Paul Dirac und Werner Heisenberg weiterentwickelt. Mithilfe der Quantenmechanik werden Vorhersagen über das Verhalten von Objekten in der mikroskopischen Welt getroffen. Im Gegensatz zur makroskopischen Welt, die aus Objekten besteht, die mit bloßem Auge sichtbar sind, ist der Mikrokosmos zu klein. Er umfasst etwa Atome, Elektronen und Moleküle. Laut der Quantenmechanik können sich beispielsweise Atome in jedem Zustand befinden, solange sie nicht beobachtet werden. Sobald sie beobachtet werden, entscheiden sie sich für einen Zustand. 

Obwohl die Quantenmechanik ein abstraktes Konzept darstellt, das teilweise schwer zu begreifen ist, gilt sie als die bedeutendste einzelne Theorie der Physik. Ohne die Quantenmechanik würden weder Computer und Handys noch lebensrettende medizinische Behandlungen existieren. 

Schrödingers Katzenexperiment

In den 1930er-Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelte Erwin Schrödinger ein Gedankenexperiment, um die Auswirkungen der Quantenmechanik auf die makroskopische Welt zu veranschaulichen.  

Stell dir eine undurchsichtige Box vor. In dieser Box befindet sich eine Katze (aus dem Makrokosmos), ein tödliches Katzengift und ein radioaktives Atom (aus dem Mikrokosmos), das mit 50% Wahrscheinlichkeit Strahlungsteilchen abgeben wird. Gemäß der Quantenmechanik können wir – so lange keine Messung durchgeführt wird – nicht feststellen, ob ein radioaktives Atom innerhalb einer bestimmten Zeit zerfallen ist. Wie bereits erwähnt, müssen wir das Atom also beschreiben, als wäre es gleichzeitig zerfallen und nicht zerfallen. Erst wenn wir das Atom überprüfen, befindet es sich in einem bestimmten Zustand. 

In Schrödingers Gedankenexperiment gibt jedes zerfallene Atom ein Teilchen ab, das die Flasche, in der sich das Gift befindet, zerstört. Dann kann das Gift freigesetzt werden. Da die Katze ebenfalls aus Atomen besteht, geht Schrödinger davon aus, dass sie denselben Gesetzen der Quantenmechanik unterworfen ist. 

Die Box wird verschlossen und eine Stunde lang allein gelassen. Nach dieser Zeit gibt es zwei mögliche Szenarien: 1. Das Atom ist zerfallen, das Gift wurde freigesetzt – die Katze ist tot. 2. Das Atom ist nicht zerfallen, konnte keine Teilchen freisetzen und das Gift bleibt unberührt – die Katze lebt. Solange wir die Box nicht öffnen und hineinschauen, sind wir gezwungen, die Katze als gleichzeitig lebendig und tot zu beschreiben. Genauso wie Atome zwei Zustände gleichzeitig annehmen können, soll auch eine Katze gleichzeitig tot und lebendig sein. 

Kritik an der Quantenmechanik

Mit diesem Gedankenexperiment wollte Schrödinger darauf hinweisen, dass die Quantenmechanik ein Problem aufwirft, denn eine Katze (bestehend aus zahlreichen Atomen) kann nicht gleichzeitig tot und lebendig sein. Darüber hinaus sagt die Quantenmechanik nichts über den Zustand der Katze aus, bevor wir nachsehen. Sie ermöglicht uns lediglich die Berechnung der Wahrscheinlichkeit, dass das Tier lebendig oder tot ist, sobald wir es beobachten. 

Wenn man die theoretische Überlegung weiterführt und zu jeder Alternative eine weitere Alternative hinzufügt, könnte es Welten geben, in denen die Katze tot ist und andere Welten, in denen die Katze lebendig ist – sogenannte Paralleluniversen. Eine theoretische Überlegung, die viel Stoff zum Nachdenken gibt.  

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Bildquelle: Thgusstavo Santana via Pexels; CC0-Lizenz