Schrödingers Katze

Schrödinger veröffentlichte das Gedankenexperiment 1935 in dem dreiteiligen Aufsatz "Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik" in der Zeitschrift Naturwissenschaften.^[1] Anlass war ein Briefwechsel mit Albert Einstein im Nachgang zu dem wenige Monate zuvor erschienenen Aufsatz von Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen (EPR-Paradoxon), der die Vollständigkeit der quantenmechanischen Beschreibung physikalischer Realität infrage stellte.^[2]

Schrödinger wollte mit der Katze kein reales Experiment vorschlagen. Ihm ging es darum zu zeigen, zu welch absurden Konsequenzen es führt, wenn man die quantenmechanische Superposition unverändert auf ein makroskopisches Alltagsobjekt wie eine Katze überträgt. Die Katze diente ihm als zugespitztes Gegenbeispiel, um die Grenzen einer rein formalen Anwendung des Superpositionsprinzips aufzuzeigen.

Schrödinger beschreibt eine Katze in einer geschlossenen Stahlkammer. Darin befinden sich eine geringe Menge radioaktiver Substanz, ein Geigerzähler sowie ein Mechanismus, der bei einem registrierten radioaktiven Zerfall ein Gefäß mit Blausäure zerstört und dadurch die Katze tötet.

Die Menge der radioaktiven Substanz ist so gewählt, dass innerhalb einer Stunde mit gleicher Wahrscheinlichkeit ein Zerfall stattfindet oder ausbleibt. Der Zustand des radioaktiven Systems wird dadurch mit dem Zustand der Katze gekoppelt.

Wird das gesamte System entsprechend der quantenmechanischen Wellenfunktion beschrieben, ergibt sich vor der Messung eine Superposition der Zustände "Atom nicht zerfallen – Katze lebendig" und "Atom zerfallen – Katze tot". Bei einer Beobachtung wird dagegen stets eine entweder lebende oder tote Katze festgestellt.

Wie sich der Widerspruch zwischen Superposition und eindeutigem Messergebnis auflösen lässt, wird bis heute unterschiedlich beantwortet:

• Kopenhagener Deutung: In der gängigen Lehrbuchdarstellung kollabiert die Wellenfunktion bei der Messung in einen der beiden Zustände.
• Viele-Welten-Interpretation: Beide Zustände bleiben real, spalten sich aber in getrennte, nicht mehr wechselwirkende Zweige des Universums auf.
• Dekohärenz-Theorie: Durch Wechselwirkung mit der Umgebung geht die Superposition praktisch sofort verloren, sodass makroskopisch nur ein klassisches Verhalten sichtbar wird. Warum am Ende genau ein Ergebnis eintritt, erklärt sie aber nicht vollständig.^[3]

Das Gedankenexperiment dient bis heute als Vergleichsbeispiel für die verschiedenen Deutungen der Quantenmechanik.

Das Gedankenexperiment gilt bis heute als eine der einflussreichsten Illustrationen des Messproblems.^[4] Es spielt weiterhin eine Rolle in der Diskussion verschiedener Interpretationen der Quantenmechanik.^[5]

Der Begriff Schrödinger-Katzenzustand wird darüber hinaus in der modernen Quantenphysik für Superpositionen zweier deutlich unterscheidbarer Quantenzustände verwendet.

Ein direkter klinischer Bezug des Gedankenexperiments besteht nicht. Der darin verwendete radioaktive Zerfall beruht jedoch auf einem quantenmechanischen Prozess, der auch Grundlage zahlreicher Verfahren der Nuklearmedizin ist.

Schrödinger-Katzenzustände werden in der Quantenmetrologie untersucht, wo verschränkte Zustände die Messgenauigkeit prinzipiell über klassische Grenzen hinaus verbessern können.^[6] Diese Forschung ist Teil eines breiteren Feldes der Quantensensorik, das auch Technologien umfasst, die nicht auf Katzenzuständen beruhen – etwa hochempfindliche Magnetfeldsensoren auf atomarer Basis. Solche Verfahren finden bereits erste biomedizinische Anwendungen: So wird an einer kontaktlosen Magnetoenzephalographie ebenso geforscht wie an hochauflösenden Methoden der Einzelzell-Spektroskopie, auch wenn die kommerzielle Verbreitung noch am Anfang steht.^[7]