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Katz und Maus à la Schrödinger

Quantenphysikalische Systeme existieren meist in mehreren möglichen Zuständen gleichzeitig. Erwin Schrödinger trieb in seinem berühmten Gedankenexperiment diese dem Alltagsverstand unfaßliche Situation auf die Spitze, indem er eine Katze unentschieden zwischen Tod und Leben verharren ließ. Nun zeigt ein Experiment, wie der theoretische Krampf sich lösen läßt: Man schicke eine Quanten-Maus vorbei.

Am Beispiel einer Katze, deren Schicksal unentrinnbar an ein quantenmechanisches Zufallsereignis gekoppelt ist – sie muß sterben, falls ein radioaktives Atom zerfällt –, wollte der österreichische Physiker Erwin Schrödinger (1887 bis 1961, Nobelpreis 1933) seinerzeit demonstrieren, wie unfertig die Quantentheorie eigentlich noch sei. Ihr zufolge bleibt jedes mikrophysikalische Objekt (im Gedankenexperiment das radioaktive Atom) in einer Superposition mehrerer möglicher Zustände (das Atom kann sowohl zerfallen als auch nicht), solange es nicht mit einem makroskopischen Meßgerät oder Beobachter wechselwirkt. Ist ein solcher Überlagerungszustand nun seinerseits mit einem anderen Objekt (in Schrödingers Beispiel der Katze) quantenmechanisch korreliert, so gilt dasselbe für das Gesamtsystem: Es existiert – bis zu einem tatsächlichen Meßvorgang – als Superposition der möglichen Beobachtungsresultate, und somit west auch die Katze nur als untotes Gebilde in einem abstrakten Zustandsraum. So etwas erschien damals nicht nur Schrödinger, sondern auch anderen Koryphäen der Physik als naturwissenschaftlicher Skandal.

Seither haben sich die allermeisten Physiker freilich damit abgefunden, quasi mit Schrödingers Katze zu leben, denn das fragwürdige Dasein dieses Tiers konnte, so skurril es anmutete, bis dato zumindest nicht mit Beobachtungen in Widerspruch geraten: Das damit illustrierte Problem stellte sich ja gerade am unbeobachteten Objekt.

Mittlerweile gelingt es den Experimentalphysikern aber immer besser, die Existenz von Zustandsüberlagerungen und -korrelationen direkt nachzuweisen. Voraussetzung dafür sind enorme Fortschritte in der Experimentiertechnik: Man vermag heutzutage einzelne Atome mit frequenzveränderlichen Lasern in ganz bestimmte Anregungszustände zu versetzen und anschließend in tiefstgekühlte Hohlraumresonatoren zu locken, wo sie mit bestimmter Wahrscheinlichkeit ein Strahlungsquant – in diesem Fall ein Photon im Mikrowellenbereich – abgeben. Pionierarbeit auf diesem Gebiet sogenannter Ein-Atom-Maser hat die Forschergruppe um Herbert Walther vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München geleistet.

Zwischen Atom und Hohlraum-Strahlungsfeld entsteht dabei letztlich die gleiche Korrelation wie zwischen radioaktivem Atom und Katze in Schrödingers Gedankenversuch. Neu daran ist aber, daß sich die Verschränkung von Atomzustand und Strahlungsquanten in Resonatoren zur störungsfreien Quantenmessung (quantum nondemolition) nutzen läßt. Auf diese Weise hat die Garchinger Gruppe bereits die Komplementarität von Welle und Teilchen untersucht und erfolgreich sogenannte Quantenradierer konstruiert (Spektrum der Wissenschaft, Februar 1995, Seite 50).

Das bedeutet aber auch, daß man im Prinzip Schrödingers Katze beobachten kann, ohne ihre Zustandsüberlagerung aufzuheben (was vordem ebenso undenkbar schien wie eine quantenphysikalische Messung ohne störenden Einfluß auf den Beobachtungsgegenstand), das heißt, ohne ihren Zustand als lebend-totes Zwitterwesen – oder allgemeiner: als Quantensuperposition – zu zerstören. Auf diese Weise mogelt man sich gewissermaßen am sonst unweigerlichen Effekt der Quantenmessung, dem sogenannten Kollaps der Wellenfunktion, ein Stück weit vorbei.

Tatsächlich ist es Chris Monroe und David Wineland vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder (US-Bundesstaat Colorado) kürzlich gelungen, ein einzelnes Atom in eine definierte Superposition von zwei Anregungszuständen zu versetzen und diese dann in Gestalt simultaner gegensätzlicher Pendelbewegungen des Atoms nachzuweisen; damit wurde Schrödingers Gedankenversuch erstmals realisiert, wenn auch nur anhand eines winzigen "Kätzchens" im Grenzbereich von Mikro- und Makrowelt (Spektrum der Wissenschaft, August 1996, Seite 24).

In Frankreich ist die Arbeitsgruppe um Serge Haroche und Jean-Michel Raimond von der Pariser École Normale Supérieure führend auf dem Gebiet der Ein-Atom-Mikromasertechnik (siehe ihren Artikel "Hohlraum-Quantenelektrodynamik", Spektrum der Wissenschaft, Juni 1993, Seite 48). Sie haben jetzt einen weiteren Fortschritt bei der Realisierung einer Quantenkatze erzielt, indem sie ein einzelnes Rubidium-Atom, das zuvor in eine Superposition zweier hochangeregter Zustände versetzt worden war, in einen Resonator-Hohlraum schickten. Dort erzeugte das Atom sich dann gleichsam selbst seine Schrödinger-Katze in Form eines elektromagnetischen Resonanzfeldes, welches – entsprechend den beiden atomaren Anregungszuständen, die es verursachten – eine Superposition zweier Schwingungszustände mit unterschiedlicher Phase war.

Nun untersuchten die französischen Forscher, wie stabil diese Zustandsüberlagerung – entsprechend Schrödingers lebendig-toter Katze – unter verschiedenen Bedingungen blieb. Zu diesem Zweck schickten sie ein zweites Atom durch den Resonator, das mit dem seltsamen Feldzustand im Hohlraum in Wechselwirkung trat und schließlich in einem Detektor offenbarte, ob dadurch sein Anregungszustand in charakteristischer Weise verändert worden war ("Physical Review Letters", Band 77, Seite 4887; 9. Dezember 1996).

Haroche vergleicht das zweite Atom mit einer Schrödinger-Maus, die im Vorbeiwandern testet, ob Schrödingers Katze noch in einem lebendig-toten Überlagerungszustand verharrt oder ob dieser schon durch sogenannte Dekohärenz in eine der Alternativen lebendig oder tot zerfallen ist ("Science", Band 274, Seite 1615; 6. Dezember 1996).

Wie sich zeigt, hängt das Ergebnis von der Zeitspanne ab, die zwischen dem Durchgang des ersten und des zweiten Atoms durch den Hohlraum verstreicht: Nach einer gewissen Zeit zeigt das zweite Atom keine Zustandsüberlagerung mehr an. Auf diese Weise läßt sich feststellen, wie lange der gemischte Zustand erhalten bleibt beziehungsweise wann er durch Dekohärenz in seine Komponenten zerfallen muß.

Dabei kommt es darauf an, wie viele Photonen sich im Resonator aufhalten und wie weit die Feldphasen auseinanderliegen. So gesehen hängt die Stabilität der Überlagerung entscheidend von deren Größe ab: Je mehr sie sich makroskopischen Dimensionen nähert, desto kürzer dauert sie an.

Abgesehen von der experimentellen Leistung ist an diesem Katz-und-Maus-Spiel theoretisch bemerkenswert, daß es Dekohärenz und Meßprozeß voneinander trennt. Während man in der Gründerzeit der Quantenphysik noch glaubte, jede Beobachtung zerstöre (durch Kollaps der Wellenfunktion) die Superposition möglicher Zustände, vermag man mit den modernsten Methoden der störungsfreien Messung Schrödingers Katze gleichsam zu belauschen, ohne sie aus ihrem seltsamen Dämmerzustand zwischen Leben und Tod zu schrecken. Dabei erweist sich, daß – in bester Übereinstimmung mit dem Korrespondenzprinzip, wonach beim Übergang vom Mikro- zum Makrokosmos die Quantenphysik kontinuierlich in die klassische übergeht – Superpositionen mehrerer Zustände reine Quantenphänomene sind: Je größer das betrachtete System, desto kurzlebiger sind Schrödinger-Katzen. Im makrophysikalischen Alltag wird man ihnen somit nie begegnen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 1997, Seite 24
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
2 / 1997

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 2 / 1997

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