Das viel zu lange und nicht mal besonders glückliche Leben von Schrödingers Katze

Schrödinger selbst verstand die Sache als Witz. Als er sein Gedankenexperiment vorschlug, bezeichnete er es als „burleske” Konstruktion, mit der er einen Mangel am damaligen Verständnis von Quantenphysik aufzeigen wollte. Aber noch heute wird Schrödingers Katze diskutiert, mystifiziert und in allen abwegigen Aspekten als für unser Weltbild relevant verstanden. Zeit, einen etwas nüchterneren Blick auf den meistdiskutierten Katzencontent des letzten Jahrhunderts zu werfen.

Wie hier schon besprochen wurde, verhält sich die Welt auf der subatomaren Ebene eher verwirrend: Elektronen durchfliegen zwei Spalte gleichzeitig oder befinden sich gleichzeitig in zwei verschiedenen Atomorbitalen; mithin alles Dinge, für die uns in naiver Weltsicht die Anschauung fehlt. Mathematisch lässt sich das Verhalten derweil exakt und problemlos beschreiben, zum Beispiel unter Zuhilfenahme einer Wellenfunktion, die den Aufenthaltsort des Teilchens beschreibt. Der tatsächliche Zustand oder Ort des Teilchens ist dann gegeben durch die Überlagerung aller möglichen Wellenfunktionen: wir sehen Überlagerungsmuster hinter einem Doppelspalt, wir messen durch die Überlagerung entstehende Schwebungen im Fall der Atomorbitale. Dabei finden wir für das einzelne Teilchen durchaus in der Messung (etwa auf dem Schirm hinter dem Doppelspalt) einen einzelnen Aufenthaltsort für jedes einzelne Teilchen, nur solange wir nicht messen, scheint er allein durch die Ausbreitung der Wellenfunktion gegeben; darum korrelieren die Auftreffpunkte hinter dem Doppelspalt eben auch mit den Werten, die die Wellenfunktion an den Punkten einnimmt.

Das rauszufinden und exakt zu beschreiben war für die Quantenphysiker des letzten Jahrhunderts (vor PISA-Schock und Frauen an den Instituten) noch nicht wirklich Raketenwissenschaft. Man konnte die nötigen Beschreibungen ableiten und experimentell mal um mal bestätigen. So hat man dann eine Weltbeschreibung, in der auf subatomarer Ebene die Teilchenzustände als Überlagerung ihrer möglichen Wellenfunktionen gegeben sind, bis sie eben gemessen werden: dann “kollabiert” die Wellenfunktion und wir befinden uns in unserer gewohnten Alltagswelt wieder.

Es gibt dabei nur ein Problem: wie und wann kollabiert denn die Wellenfunktion? Wenn wir uns darauf beschränken, dies gerade dem Experimentator und seiner Messung zuzuschreiben und wir vor der Messung nur Quantenwelt und Wellenüberlagerung annehmen, kommen wir schnell in an sich absurde Situationen. Und eben darauf wollte Erwin Schrödinger mit seinem Gedankenspiel hinweisen:

Man nehme eine Katze und setze sie in eine Kiste. An die Kiste angeschlossen ist ein Mechanismus, der die Katze töten kann (und wird), wenn er ausgelöst wird — Auslöser ist aber zum Beispiel der Zerfall eines radioaktiven Atoms. Wann das radioaktive Atom zerfällt, ist rein zufällig, aber wir können den Zustand des Atoms beschreiben durch die Überlagerung der Wellenfunktion „nicht zerfallen” mit der Wellenfunktion „zerfallen” und erhalten als Ergebnis eben eine Gesamtwellenfunktion des Systems. Leider bringt das unsere Katze in eine etwas prekäre Situation. Die Wellenfunktion setzt sich fort durch den kausal dahintergeschalteten Auslöser des Mechanismus, der sich nun ebenfalls in einer Überlagerung von „ausgelöst” und „nicht ausgelöst” befinden sollte, und damit eben weiter in die Box und in die Katze: diese liegt nun offensichtlich ihrerseits in einer Überlagerung der Zustände „Katze” und „Ex-Katze” vor. Und zwar ganz buchstäblich, nicht nur in einer Form ausgeprägten Ennuis des frühen Zwanzigsten Jahrhunderts. Und dieser Überlagerungszustand ändert sich erst, wenn wir die Kiste aufmachen und nachsehen.

Das alles scheint ein Mysterium, vielleicht nicht zwangsläufig, aber oft genug wird es dazu gemacht. Warum man oft auf dieser Ebene stehen bleibt, ist eine interessante Frage. Zum einen kommt es unserem menschlichen Egozentrismus und unserer alles beherrschenden Ich-Perspektive natürlich blendend entgegen: erst unsere Wahrnehmung entscheidet über die Realität. Das ist in vielen Dingen sowieso unser Welterleben. Philosophisch passt es zudem wunderbar in die Erzählungen der idealistischen Tradition: wenn im leeren Wald ein Baum umfällt, ist er dann überhaupt umgefallen? Wer wollte es Physikern vorwerfen, dass sie ins Philosophieren kommen, wenn sie sich doch einmal aus ihrer nüchternen Wissenschaft in die vorgebliche Hochsphäre der Philosophie geworfen finden. Dass sich die Geschichten über die vermeintlich gleichzeitig tote wie lebendige Katze immer noch so verbreiten, dürfte aber auch nicht zuletzt an Physikstudenten selbst liegen: zum einen die selten gewaschenen Live-Rollenspieler mit Zombiefilm-Vorlieben, die das alles ganz spannend finden; zum anderen die sozial arg gehandicapten Nerds, die jenseits der Arbeit wenig kennen und überm Bier auch mal eine coole Geschichte erzählen, vielleicht sogar ein Frau beeindrucken wollen, um sie ihrerseits mal in die Kiste zu bekommen. So verbreiten sich dann Gerüchte. Man möchte sie alle in Kisten sperren und… dann in den Kisten lassen.

All das geht an Schrödingers Kernfrage vorbei: wie und wann entsteht aus der Quantenwelt der Wellenfunktionen und Überlagerungen unsere eigentliche Welt, in der wir uns täglich bewegen und nie auf Dinge stoßen, die gleichzeitig tot und lebendig sind? Vor der Beantwortung der Frage lohnt es sich aber, die populären Missverständnisse über Schrödingers Katze durchzugehen und zu sehen, wo sie irren.

Erstes Missverständnis: Die Wellenfunktion kollabiert, wenn wir die Kiste öffnen; dann stellen wir fest, ob die Katze die ganze Zeit tot oder lebendig war — So funktioniert Quantenphysik eben gerade nicht. Wenn tatsächlich ein Überlagerungs- oder Wellenfunktionszustand vorliegt, dann wird der nicht nachträglich dadurch negiert, dass die Wellenfunktion irgendwann kollabiert. Im Doppelspaltexperiment kollabiert die Wellenfunktion des Elektrons eben am Schirm — aber das Teilchen war dennoch auf seinem Weg als Welle unterwegs, nicht als Teilchen, wie uns die Auftreffpunkte eindeutig beweisen. Wir können so experimentell unterscheiden, ob ein Objekt sich klassisch fortbewegt oder quantenmechanisch. Sollten wir Schrödingers Katzenexperiment tatsächlich durchführen und könnten wir an der dann lebenden oder toten Katze keinen Unterschied sehen zu einer klassisch überlebenden oder gestorbenen Katze, dann ist das ein guter Hinweis darauf, dass die Katze nie in einer relevanten Überlagerung von Zuständen war. Andersherum: beim Öffnen der Kiste mag die Wellenfunktion der Katze kollabieren, das ändert aber nichts daran, dass sie sich gegebenenfalls die ganze Zeit in einer Überlagerung von Wellenzuständen befunden hat. Wir finden also nicht die tote oder lebende Katze, sondern vielleicht eher etwas, was wir bisher nur in Die Fliege gesehen haben. Wenn denn.

Zweites Missverständnis: Unser Bewusstsein oder unser Wahrnehmen bringt die Wellenfunktion zum Kollabieren, darum müssen wir die Box öffnen — Dass das so nicht stimmt, dass es zumindest nicht aus der Physik folgt, habe ich in dem vorangegangenen Quantenphysik-Beitrag schon darzustellen versucht. Naiv stellt sich da sowieso die Frage, warum das vergleichsweise direktere Wahrnehmen der Katze dazu nicht ausreichen sollte. Tatsächlich wurde dieser Lösung aber vorgeschlagen, etwa vom Nobelpreisträger Eugene Wigner, der darin eine Bestätigung des ontologischen Dualismus sah: die Wellenfunktion kann sich durch den mechanistischen Auslöser ziehen, in unserer bewussten Wahrnehmung sind uns solche Zustände aber unbekannt. Ergo: das Bewusstsein ist nicht mechanistisch oder materiell und konstituiert im Vorgang des Bewusstmachens erst die ansonsten unbestimmte Realität. Beide Behauptungen sind aber anzuzweifeln: zieht sich die Wellenfunktion tatsächlich durch den Auslöser? Woher wissen wir, dass sich nicht auch durch unser Bewusstsein Wellenüberlagerungen ziehen, wenn wir es nicht anders kennen? Welche physischen Objekte haben überhaupt Bewusstsein: nur der Mensch, eine Katze oder auch eine bewusstlose Katze? Bestenfalls kommt man so mit viel Mühe zu einem Weltbild, dessen einzige Qualität die Ununterscheidbarkeit zu einem nicht-idealistischen Weltbild objektiver Realität ist. Schlimmstenfalls kann man das dann aber auch wieder weitertreiben, um am Ende zum eh nicht widerlegbaren Solipsismus zu gelangen: alles ist Wellenüberlagerung, und nur mein Gehirn konstituiert für mich allein daraus die Welt.

Drittes Missverständnis: Das Öffnen der Box ist die Messung, die zum Kollaps der Wellenfunktion führt — Das ist eng verwandt mit dem vorherigen Punkt, wird aber oft nicht so verstanden. Wie im Doppelspalt-Experiment die rein mechanistische Messung des Elektronenweges schon die Wellenfunktion kollabieren lässt, nicht die Aufmerksamkeit des Doktoranden am Detektor, so werden auch hier schon Messungen veranstaltet, bevor irgendeine Katze zu schaden kommen kann. Der Zerfall des radioaktiven Atoms muss ja irgendwie registriert werden, damit er den Mechanismus auslösen kann. Das mag etwa durch einen Geiger-Zähler geschehen. In dem Punkt geht das vom Atom abgestrahlte Photon aber eine Wechselwirkung ein, ähnlich wie es das auf dem Schirm hinter einem Doppelspalt tun würde. Wenn wir davon ausgehen, dass die Wellenfunktion an dem Punkt im Doppelspaltexperiment zusammenbricht, dann wird sie das auch bei Schrödingers Katze tun. Insbesondere treten danach, in dem eigentlichen Tötungsmechanismus eine Vielzahl anderer Wechselwirkungen auf, die sich schließlich dazu aufsummieren müssen, dass wir am Ende eine tote Katze haben. All das sind Wechselwirkungen, die potenziell das Kollabieren der Wellenfunktion nach sich ziehen — davon „erholt” sich die Wellenfunktion auch nicht mehr, weil sie jetzt auf eine Kausalkette „Atom ist zerfallen” festgelegt ist. Dem Idealisten oder Zweifler bleibt da nur der Weg, auch im Doppelspaltexperiment zu fordern, dass sich der Schirm erst füllt, wenn jemand einen Blick darauf wirft; aber der knallharte Idealist oder Postmodernist glaubt da vermutlich eh nicht, dass es überhaupt einen Schirm oder ein Experiment gibt, solange er das alles nicht wahrnimmt.

Damit nähert man sich der Beantwortung der Frage, die Schrödinger eigentlich umtrieb. Es scheinen die Wechselwirkungen mit der Umgebung zu sein, die dafür sorgen, dass Wellenfunktionen sich nicht ewig ausbreiten und komplexere Systeme keine Anzeichen dafür erkennen lassen, dass sie in überlagerten Quantenzuständen vorliegen können. Tatsächlich ist dieser Grenzbereich zwischen Quanten- und klassischer Welt derzeit unter genauer Beobachtung; nicht, weil Wissenschaftler plötzlich ihre Vorliebe für Katzen entdeckt hätten, sondern weil alles, was irgendwie mit Quantencomputern zusammenhängt, sich gerade gut auf Förderanträgen macht derzeit von großem Interesse ist. Hier konnten Physiker der Uni Frankfurt im letzten Jahr das Doppelspalt-Experiment so nachstellen, dass sie (ganz ohne „Beobachtung”) die Wellenfunktion eines Elektrons dadurch zum Kollabieren und die Überlagerungsmuster am Schirm dadurch zum Verschwinden brachten, dass sie dieses Elektron eine einzige Wechselwirkung mit einem einzelnen anderen Elektron vollführen ließen. Daneben gibt es immer noch exotischere Theorien wie die von Roger Penrose [1], dass selbst ein ansonsten ungestörtes System schließlich seine Wellennatur verliert, nämlich durch den Einfluss der Gravitation auf das System. Und die Viele-Welten-Interpretation hat sowieso kein Problem mit all dem und kann sich von außen gelassen anschauen, was wir über die Welt hier herausfinden.

Was immer das auch sein mag und was immer sich auch in geschlossen Boxen so abspielen mag: die Frage, ob Schrödingers Katze wirklich in einer Überlagerung von lebendigem und totem Zustand dahinvegetiert, bis jemand die Kiste öffnet, ist wissenschaftlich und philosophisch etwa so relevant wie die bierinduzierten Überlegungen des Fußballfans, der sich vor der Sportschau fragt: wenn ich die Ergebnisse nicht kenne, hat meine Mannschaft dann überhaupt schon gewonnen oder verloren?

Aber auch um solche Fragen sind ja ganze Institute herumgebaut worden.

[1] Zusatzzitat daraus an die Adresse aller Pseudowissenschaftler, Metaphysiker und Empirieverächter:

If something is wrong with a theory, or there is some experimental anomaly, those are motivations for changing a theory. When your motivation comes from a metaphysical reluctance for reality to be a certain way, then historically that kind of motivation has never produced the right answers.

– David Deutsch

Nachtrag: Wer alle beiden hier versteckten Cheeseburger-Referenzen auf Anhieb finden und benennen kann… sollte dringend öfter rausgehen.