Als 1925/26 die moderne Quantenmechanik geschaffen wurde, entspann sich sofort eine Diskussion über die Bedeutung der neuen physikalischen Theorie. In einer berühmten Debatte zwischen Albert Einstein und Niels Bohr ging es um die Frage: Liefert die Quantenmechanik eine vollständige Beschreibung der physikalischen Wirklichkeit? Eine zentrale Rolle in diesem Dialog spielten Gedankenexperimente, denn Versuche mit einzelnen Quantensystemen waren damals technisch noch nicht möglich.

Einstein argumentierte zuerst mit einer Quantenversion des aus der Optik wohl bekannten Doppelspaltversuchs: Licht tritt von links durch einen einzelnen Spalt und beleuchtet einen Schirm mit zwei Spaltöffnungen, deren eine geschlossen werden kann. Sind beide Spalte offen, beobachtet man auf dem Schirm Interferenzstreifen, entsprechend der Wellennatur des Lichts. Schließt man einen Spalt, treten diese Streifen nicht auf. Nun weiß man aber, dass Licht aus Teilchen – Photonen – besteht, und Einstein stellte die Frage nach dem Weg eines einzelnen Photons. Tritt das Interferenzbild, wie von der Quantenphysik vorhergesagt, auch mit einzelnen Photonen auf, die eines nach dem anderen den Doppelspalt passieren?

Bohrs Antwort lautete: Es hat keinen Sinn, über den Weg eines Teilchens zu sprechen, ohne diesen – etwa durch Schließen des unteren Spalts – festzulegen oder tatsächlich zu bestimmen. Heute sagt man: Die Interferenzen treten dann und nur dann auf, wenn keine Information vorliegt, welchen Weg das einzelne Teilchen genommen hat.

Seit den 1970er Jahren ist es technisch möglich, die Frage, ob die Interferenzstreifen auch mit einzelnen Teilchen erscheinen, tatsächlich im Labor zu entscheiden. So wurde der Doppelspaltversuch vom Autor und seinem Team mit verschiedenen Arten von massiven Partikeln durchgeführt – etwa mit Neutronen und später auch mit C60-Molekülen, so genannten Fullerenen.

Wie groß ist die Quantenwelt?

Eine interessante Frage ist, ob dies nur für kleine Teilchen gilt. Wie groß dürfen Systeme sein, an denen sich solche Quanteninterferenzen beobachten lassen? Als Gedankenexperiment hierzu erdachte Erwin Schrödinger 1935 die berühmte nach ihm benannte Katze. In seinen eigenen Worten: "Man kann auch ganz burleske Fälle konstruieren. Eine Katze wird in eine Stahlkammer gesperrt, zusammen mit folgender Höllenmaschine (die man gegen den direkten Zugriff der Katze sichern muss): In einem geigerschen Zählrohr befindet sich eine winzige Menge radioaktiver Substanz, so wenig, dass im Laufe einer Stunde vielleicht eines von den Atomen zerfällt, ebenso wahrscheinlich aber auch keines; geschieht es, so spricht das Zählrohr an und betätigt über ein Relais ein Hämmerchen, das ein Kölbchen mit Blausäure zertrümmert. Hat man dieses ganze System eine Stunde lang sich selbst überlassen, so wird man sich sagen, dass die Katze noch lebt, wenn inzwischen kein Atom zerfallen ist. Der erste Atomzerfall würde sie vergiftet haben. Die Psi-Funktion des ganzen Systems würde das so zum Ausdruck bringen, dass in ihr die lebende und die tote Katze zu gleichen Teilen gemischt oder verschmiert sind. Das Typische an solchen Fällen ist, dass eine ursprünglich auf den Atombereich beschränkte Unbestimmtheit sich in grobsinnliche Unbestimmtheit umsetzt, die sich dann durch direkte Beobachtung entscheiden lässt."

Das Beispiel von Schrödingers Katze scheint zu bedeuten, dass es keinen Sinn hat, sich Quantenzustände von sehr großen, komplexen Systemen vorzustellen. Doch wir müssen uns in Erinnerung rufen: Quanteninterferenzen treten nur dann auf, wenn keinerlei Information darüber vorliegt, welchen Weg das Teilchen genommen hat. Es geht nicht darum, ob ein Beobachter tatsächlich diese Information besitzt, sondern ob es im Prinzip überhaupt möglich ist, den Weg zu wissen …