Seit Jahrzehnten versuchen Physikerinnen und Physiker, Schrödingers Katze in ihr Labor zu bringen. Ähnlich wie im berühmten Gedankenexperiment von Erwin Schrödinger möchten Fachleute ein möglichst großes Objekt dazu bringen, den seltsamen Regeln der Quantenmechanik zu folgen. Dabei hat ein Team um den Physiker Markus Arndt von der Universität Wien einen weiteren Erfolg vermeldet.

Im Experiment verhielten sich Nanoteilchen, bestehend aus mehr als 7000 Atomen, wie eine Welle – unter anderem ließ sich ihnen keine eindeutige Position mehr zuordnen. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift »Nature« berichten, kann man mit diesen Ergebnissen die Quantenmechanik und ihre Alternativen auf die Probe stellen. »Dieser Welle-Teilchen-Dualismus wurde häufig bei mikroskopisch kleinen Teilchen wie Elektronen, Neutronen und Atomen beobachtet, aber ob er auch bei makroskopischen Objekten auftreten kann, ist nach wie vor Gegenstand lebhafter Debatten«, schreibt der Physiker Tim Kovachy von der Northwestern University, der nicht an der aktuellen Studie beteiligt war, in einem begleitenden »Nature«-Artikel.

Denn unserer alltäglichen Erfahrung nach verhalten sich Objekte klassisch. Man kann einem Ball zum Beispiel eine eindeutige Position zuweisen – und selbst wenn er durch die Luft geschossen wird, folgt er einer festen Trajektorie, die sich theoretisch exakt berechnen lässt. Bei Quantenteilchen ist das hingegen anders. Viele ihrer Eigenschaften umgibt eine grundlegende Unschärfe, die nicht vermeidbar ist. Wo genau sich ein Teilchen befindet und welche Geschwindigkeit es hat, lässt sich etwa niemals gleichzeitig exakt bestimmen. »Die Standard-Quantentheorie beschränkt die von ihr beschriebenen Objekte nicht in ihrer Größe«, stellt Kovachy fest. Um zu verdeutlichen, wie befremdlich dieser Umstand ist, entwarf Erwin Schrödinger sein Gedankenexperiment rund um eine Katze, die sich in einem überlagerten Zustand aus »lebendig« und »tot« befinden würde.

Seither versuchen Fachleute, die Grenzen der Quantenmechanik immer weiter auszureizen. Was ist beispielsweise das größte oder schwerste Objekt, das sich in einen überlagerten Zustand bringen lässt? Kann man auch Tausende Atome dazu bringen, ein wellenartiges Verhalten an den Tag zu legen? Den Forschern um Arndt ist dabei ein neuer Rekord gelungen.

Die Grenzen der Quantenphysik

Für ihre Experimente haben die Physiker drei stehende Wellen im UV-Bereich genutzt, die wie eine Art Gitter wirken. Als sie Metallkügelchen, die aus Tausenden Natriumatomen bestehen, hindurchschickten, stand deren Position kurzzeitig fest: Die ungeladenen Metallteilchen konnten nur die Minima der stehenden Wellen passieren. Gemäß der heisenbergschen Unschärferelation wird der Impuls der Teilchen dadurch extrem ungenau. Das heißt, die Metallkugeln fliegen im Anschluss mit großer Ungewissheit in verschiedene Richtungen weg. Die vielen unterschiedlichen Trajektorien, die möglich sind, führen zu einer Unschärfe im Aufenthaltsort des Metallclusters. Das zeigt sich dann in einem Interferenzmuster – ähnlich wie beim Doppelspaltexperiment. »Jede kleine Kugel ist in der Überlagerung aus ›Ich bin hier und ich bin da‹«, sagt Arndt, »wobei ›hier‹ und ›da‹ Orte sind, die mehr als zehnfach weiter voneinander getrennt sind, als der Metallcluster groß ist.« In Zahlen: Die acht Nanometer großen Metallkügelchen befanden sich in überlagerten Zuständen, die eine Distanz von 133 Nanometern hatten.

Damit haben die Fachleute einen neuen Rekord aufgestellt. Der Metallcluster ist nicht das schwerste Objekt, das bislang in einen quantenmechanischen Überlagerungszustand versetzt wurde. Und es ist auch nicht die größte Delokalisation (die Distanz zwischen den beiden räumlichen Zuständen), die je erzeugt wurde. »Was bei uns besonders ist, ist die Makroskopizität«, erklärt Arndt. Diese Metrik quantifiziert, wie stark ein Experiment bestimmte Alternativen zur Quantenmechanik ausschließen kann. Kovachy schreibt: »Nach diesem Maß ist es das Experiment mit dem makroskopischsten Quantensystem, das bisher durchgeführt wurde – und übertrifft den bisherigen Rekord um das Zehnfache.«

Das Wiener Experiment bietet einen Kompromiss zwischen massereichem Objekt und Delokalisation. Dabei lassen sich hypothetische Modifikationen der Quantentheorie besonders gut testen. Sucht man zum Beispiel nach quadratischen Beiträgen zur eigentlich linearen Schrödingergleichung, dann müssten sie sich in diesem Experiment bereits nach einer Hundertstelsekunde bemerkbar machen. Würde man hingegen Elektronen statt der Metallcluster nutzen, müssten sie 80 Millionen Jahre in den Interferometern gehalten werden. Und schon die kurzen Messzeiten mit den Nanopartikeln sind eine Herausforderung.

»Unsere Experimente zeigen, dass man sich auf die Quantentheorie verlassen kann«Markus Arndt, Physiker

»Das Experiment ersteht jedes Jahr an Ostern wieder auf«, erklärt Arndt. Das habe nichts mit Mystik zu tun, sondern einfach damit, dass langwierige Bauarbeiten in der Nähe des Labors um die Feiertage herum pausierten. Denn Experimente, in denen man Quanteneigenschaften aus makroskopischen Objekten herauskitzeln will, erfordern äußerste Präzision. Die Fachleute um Arndt brauchten qualitativ hochwertige Metallcluster aus Natriumatomen, feinjustierte Laser, ein hochempfindliches Interferometer und eine möglichst stabile Umgebung. »Kleinste Druckänderungen im Labor haben den auf Luftkissen schwebenden Tisch teils schon so verkippt, dass der Einfluss der Gravitation auf die nur 100 Nanometer getrennten Quanten-Flugbahnen beim Ergebnis spürbar war«, erklärt der Physiker. Monatelang arbeiteten die Forscher an dem aufwendigen Aufbau, bis sie verlässliche Messdaten erhielten.

Im Versuch haben sich die Nanoteilchen so verhalten, wie es die Quantenmechanik vorhersagt. »Unsere Experimente zeigen, dass man sich auf die Quantentheorie verlassen kann«, sagt Arndt, »und zwar auch in einem Bereich, der bislang noch nicht getestet werden konnte.« Das schließt zwar nicht direkt alternative Theorien zur Quantenphysik aus, schränkt sie aber weiter ein.