Schrödingers Katze – Gedankenexperiment in 3 Schritten einfach erklärt! | Quantenphysik

Schrödingers Katze ist vielleicht das bekannteste Sinnbild der Quantenphysik. Doch was genau steckt dahinter? Dieser Beitrag führt dich Schritt für Schritt durch das skurrile Gedankenexperiment und erklärt dir, warum Schrödingers Katze gleichzeitig tot und lebendig ist.

Schrödingers Katze einfach erklärt!

Im Jahr 1935 präsentierte der österreichische Physiker Erwin Schrödinger ein theoretisches Experiment im Bereich der Quantenphysik – bekannt unter dem Titel „Schrödingers Katze“. Das Ziel: Zu zeigen, dass die Zustände der Atome im Bereich der Quantenmechanik nicht einfach in unseren Alltag (von der mikroskopischen in die makroskopische Welt) übertragen werden können. Mit anderen Worten: Quantenphysik lässt sich nicht einfach in unserer „realen Welt“ demonstrieren. Doch beginnen wir ganz am Anfang:

Schrödingers Katze: Das Gedankenexperiment einfach erklärt

An dieser Stelle führt dich der Beitrag Schritt für Schritt durch die Ausgangssituation und zeigt dir, warum das Experiment mit Schrödingers Katze so außergewöhnlich ist:

1. Eine Kiste voller skurriler Dinge

In einer Kiste befinden sich:

• Eine Katze

• Eine radioaktive Substanz

• Ein Geigerzähler (misst radioaktiven Zerfall)

• Ein Hammer

• Eine Ampulle mit Gift (Blausäure)

Schrödingers Katze - Inside the Box!

Wichtig: Die Menge der radioaktiven Substanz ist dabei exakt so gewählt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Atom zerfällt, genauso groß ist, wie die Wahrscheinlichkeit, dass es nicht zerfällt. Schrödinger selbst nannte diese Kiste „die Höllenmaschine“.

2. Eine tödliche Kettenreaktion

Sobald jedoch ein Atom der radioaktiven Substanz zerfällt, beginnt eine tödliche Kettenreaktion. Der Geigerzähler in der Kiste registriert den radioaktiven Zerfall und bewegt dadurch den Hammer. Dieser zerbricht die Gift-Ampulle und die Katze stirbt.

3. Schrödingers Katze ist tot und lebendig zugleich

Solange die Kiste verschlossen bleibt, sind die Atome des radioaktiven Materials laut Quantenmechanik gleichzeitig zerfallen und nicht zerfallen. Sie befinden sich in einem sogenannten „überlagerten Zustand“ – genauso wie die Katze. Sie ist zu 50 Prozent tot und zu 50 Prozent lebendig. Quantenmechanisch ausgedrückt: Sie befindet sich in der „Superposition“ beider Zustände.

Nach den Gesetzen der Quantenmechanik lässt sich der Zustand erst dann genau erkennen, wenn das System mit seiner Umwelt interagiert, also eine „Messung“ durchgeführt wird. In diesem Fall: Wenn jemand die Kiste öffnet, um nachzuschauen. Die quantenmechanische Superposition führt nämlich dazu, dass die Teilchen einen eindeutigen Zustand annehmen. Im Gedankenexperiment: Also die radioaktiven Atome entweder zerfallen oder nicht.

Auch interessant für dich: „Symptome radioaktiver Strahlung: Folgen von Radioaktivität auf den menschlichen Körper“

Merke: Solange die Kiste mit Schrödingers Katze nicht geöffnet wurde, existieren beide Zustände zeitgleich. Die Katze ist tot und lebendig. Sobald die Kiste geöffnet wird, nimmt die Katze einen der beiden Zustände an – sie lebt oder stirbt.

„Bildlich gesprochen ist das wie bei einem Würfel, bei dem man aus Erfahrung weiß, dass eine der sechs Zahlen oben liegt. Solange man jedoch nicht nachgeschaut hat, findet laut Quantenmechanik eine Überlagerung der sechs Zustände statt. Erst in dem Moment, in dem man nachschaut, findet eine Messung statt, der Würfel entscheidet sich und das Ergebnis ist eine eindeutige Zahl.“ – Prof. Dr. Erich Runge (Technische Universität Ilmenau) zu Schrödingers Katze

Schrödingers Katze: Das Paradoxon des Physik-Experiments

Der Widerspruch besteht darin, dass gemäß unserer Alltagserfahrung kein Tier in ein und demselben Moment lebendig und tot sein kann. In der Welt der Quantenphysik sind diese bizarren Situationen jedoch üblich.

Das Gedankenexperiment mit Schrödingers Katze soll zeigen, dass sich Vorgänge aus der Quantenmechanik nicht einfach und direkt auf unseren Alltag übertragen lassen. Quantenobjekte wie Photonen und Elektronen können gleichzeitig mehrere Zustände annehmen, wie auch folgendes Experiment zeigt:

Das Doppelspalt-Experiment: Eine „reale“ Version von Schrödingers Katze

Der überlagerte Zustand lässt sich gut am sogenannten Doppelspalt-Experiment demonstrieren. Ein Photon kann nämlich durch zwei Spalten gleichzeitig durchdringen – also an zwei Orten sein. Wenn man jedoch eine Messung vornimmt – sich also anschauen möchte, wie das Photon durch beide Spalten läuft (vgl. die Kiste mit Schrödingers Katze öffnen) – wird das Photon dazu gezwungen einen bestimmten Spalt zu wählen. Das Experiment verläuft also anders, als erhofft. Hier ein kurzes Video zum Doppelspalt-Experiment:

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Quellen bzw. weiterführende Links:

(1) Welt der Physik: „Schrödingers Katze“

(2) LEIFIphysik: „Schrödingers Katze – ein Gedankenexperiment“

(3) StudySmarter: „Schrödingers Katze“

(4) chemie.de: „Schrödingers Katze“