Die bizarren Gesetze der Quantenmechanik erlauben es mikroskopischen Teilchen, gleichzeitig zwei Zustände anzunehmen, die sich eigentlich gegenseitig ausschließen. In unserer Alltagswelt ist so etwas unmöglich: Beispielsweise hat noch niemand eine Katze beobachtet, die gleichzeitig tot und lebendig ist. Ein Physikerteam um Anton Zeilinger von der Universität Wien hat jetzt ein Experiment durchgeführt, das zeigt, wie Moleküle den Übergang von der Quantenwelt in unsere Alltagswelt vollziehen. Die Forscher stellen ihre Arbeit im Fachmagazin Nature (Bd. 427, S. 711) vor.
Physikalische Gesetze sollten allgemeingültig sein, das heißt, sie sollten immer und überall gelten. Die Quantenmechanik darf da keine Ausnahme machen. Trotzdem beobachten wir in unserer Alltagswelt keine Autos, die Garagenwände “durchtunneln” oder sich mit gleicher Wahrscheinlichkeit in Paris und London aufhalten.
Gemäß der Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik wird ein physikalisches Teilchen dazu gezwungen, sich für einen der möglichen Zustände zu “entscheiden”, wenn man es beobachtet oder eine Messung an ihm vornimmt. Zu welch paradoxen Konsequenzen diese Deutung führt, hat der österreichische Physiker Erwin Schrödinger (1887-1961) in einem berühmten Gedankenexperiment aufgezeigt.
Die Hauptrolle in seiner Geschichte spielt eine Katze, die in eine Kiste gesperrt wird, die man von außen nicht einsehen kann. In der Kiste hängt ein Hammer über einem Fläschchen mit Giftgas. Ein Auslösemechanismus sorgt dafür, dass der Hammer das Fläschchen zerschlägt, wenn ein radioaktives Atom zerfällt. Es sind gerade so viele radioaktive Atome vorhanden, dass in einer Stunde mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent gerade ein Atom zerfällt. Folglich ist die Katze nach einer Stunde mit gleicher Wahrscheinlichkeit entweder tot oder lebendig.
Aber halt: Dies widerspricht doch der Kopenhagener Deutung. Demnach “entscheidet” sich die Katze erst für einen der beiden Zustände, wenn sie beobachtet wird, wenn also jemand in die Kiste hineinschaut. Solange dies nicht geschieht, lässt die Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik nur einen Schluss zu: Die Katze befindet sich in einem Schwebezustand. Solange sie niemand beobachtet, ist sie gleichzeitig tot und lebendig.
Unter anderem wegen dieser paradoxen Konsequenz ist die Kopenhagener Deutung in den letzten Jahren mehr und mehr von der Dekohärenztheorie verdrängt worden. Diese geht davon aus, dass die Entscheidung für einen der möglichen Zustände nicht nur durch eine Messung oder Beobachtung herbeigeführt wird, sondern durch jede Wechselwirkung mit der Umgebung.
Zudem vermeidet die Dekohärenztheorie den mysteriösen “Kollaps der Wellenfunktion”, den die Kopenhagener Deutung benötigt, um den Übergang von einem Schwebezustand zu einem definitiven Zustand zu beschreiben. Die Wellenfunktionen enthalten in der Quantenmechanik die Informationen über die Wahrscheinlichkeiten der Zustände. Wie sich die Wellenfunktionen mit der Zeit verändern, beschreibt eine physikalische Gleichung ? die so genannte Schrödingergleichung.
In der Kopenhagener Deutung wird die Schrödingergleichung vorübergehend außer Kraft gesetzt, um die “Entscheidung” für einen der möglichen Zustände herbeizuführen. In der Dekohärenztheorie “kollabiert” die Wellenfunktion nicht schlagartig wie bei der Kopenhagener Deutung, sondern der Übergang vollzieht sich kontinuierlich und wird ebenfalls durch die Schrödingergleichung beschrieben. Neu ist nur die Berücksichtigung der Wechselwirkung mit der Umgebung.
Zeilinger und seine Kollegen haben nun Fullerene ? das sind fußballähnliche Moleküle, die aus 70 Kohlenstoffatomen bestehen ? durch ein Interferometer geschickt. In solch einer Apparatur kann der quantenmechanische Wellencharakter der Moleküle getestet werden. Solange die Moleküle sich in quantenmechanischen Schwebezuständen befinden, bilden ihre Wellenfunktionen bestimmte Muster ? so genannte Interferenzen ? aus. Wenn die Dekohärenz zu groß wird, verschwinden diese Muster. Die Moleküle verhalten sich dann wie klassische Teilchen.
Die Wiener Physiker konnten die Fullerene durch Erhitzen von etwa 700 Grad Celsius auf 2700 Grad Celsius aus der Quantenwelt in unserer klassische Alltagswelt überführen. Der Grund dafür ist, dass die wärmeren Moleküle aufgrund thermischer Strahlung stärker mit der Umgebung wechselwirken.
Außerdem fanden die Forscher eine gute Übereinstimmung zwischen ihren experimentellen Ergebnissen und den berechneten Voraussagen der Dekohärenztheorie. Die Wiener Physiker glauben, dass man quantenmechanisches Verhalten bei noch viel größeren Molekülen wie beispielsweise Proteinen beobachten kann.
Axel Tillemans
