Katzencontent durch Quantentricks[1]
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Quantenphysikern ist es gelungen, Objekte zu fotografieren, ohne jemals
das Licht aufzufangen, das sie reflektieren
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Als Erwin Schrödinger die nach ihm benannte Gleichung formulierte, heute
die rechnerische Grundlage der Quantenphysik, war er selbst nicht sicher,
was da eigentlich gerade entstand. Wie kann es sein, dass ein subjektives
Element wie der Beobachter die Wirklichkeit definiert?

Hier vermutete Schrödinger ein fehlendes Element, eine versteckte
Variable, die er mit einem berühmt gewordenen Gedankenexperiment aufzeigen
wollte: Man stelle sich eine Katze in einer verschlossenen, nicht
einsehbaren Kiste vor. Ebenfalls in der Kiste befindet sich eine
Mord-Apparatur, die vom Zerfall eines radioaktiven Atoms gesteuert wird.
Dieser Vorgang läuft komplett zufällig ab. Man kann zwar sagen, wie viele
von 1.000 Atomen binnen einer Stunde zerfallen werden. Doch es ist
unmöglich, die restliche Lebenszeit für ein einzelnes Atom zu bestimmen.
In welchem Zustand befindet sich die Katze?

Aus Sicht der Quantentheorie lautet die Antwort: In einer Überlagerung aus
den beiden Zuständen "tot" und "lebendig". Diese Superposition
verschwindet, wenn ein Beobachter die Kiste öffnet. Die Schrödinger-Katze
verhält sich dann wieder wie ein normales Tier und faucht entweder ob
seiner Befreiung oder sagt gar nichts mehr. Was das für unser Verständnis
von der Wirklichkeit bedeutet, darüber waren sich die Quantenphysiker
lange uneins.

Die Kopenhagener Deutung etwa, 1927 von Niels Bohr und Werner Heisenberg
in Kopenhagen formuliert, geht davon aus, dass die Wellenfunktion genau
zum Zeitpunkt der Messung kollabiert - sie nimmt einen der möglichen
Messwerte an. Die Katze wird also nicht durch das vom Kernzerfall
aktivierte Giftgas getötet, sondern durch den Menschen, der die Kiste
öffnet.

Wiener Quantenphysiker beim Fotografieren

Eine etwas leichter verdauliche Erklärung liefert die so genannte
Dekohärenztheorie, der heute die meisten Physiker zustimmen. Sie geht
davon aus, dass jedes Quantensystem mit der Zeit durch Wechselwirkung mit
seiner Umgebung verändert wird, bis es keine Quanteneigenschaften mehr hat
(diesen Vorgang nennt man Dekohärenz). Der Beobachter verliert hier die
überragende Rolle, die er in der Kopenhagener Deutung hatte. Man kann
sogar berechnen, wie schnell die Dekohärenz eintritt. Nämlich für typische
Objekte der Alltagswelt ungeheuer flink: Eine Bowlingkugel hat zum
Beispiel bei Normalbedingungen schon nach nur 10-26 Sekunden keine
Quanteneigenschaften mehr.

Die Schrödinger-Katze ist damit unter Physikern so legendär, dass sie ab
und an auch dann noch herhalten muss, wenn sie eigentlich keine Rolle
spielt. Nichtsdestotrotz ist die neueste Veröffentlichung[2] der Wiener
Quantenphysiker um Anton Zeilinger in Nature auf ihre eigene Art spannend:
Den Forschern ist nämlich gelungen, ein Objekt zu fotografieren, ohne
jemals die damit interagierenden Photonen aufzufangen.

Normalerweise funktionieren unser Sehsinn und der Fotoapparat nur, wenn
sie Lichtteilchen auffangen, die von einem Gegenstand reflektiert werden.
Ein Ding, das nicht reflektiert, ist nur noch dadurch sichtbar, dass es
als absolut schwarzer Fleck ein Stück Hintergrund verdeckt. Auf einem
ebenso schwarzen Hintergrund verschwindet das Objekt.

Verschränkte Photonen

Die Forscher setzten nun einen Trick ein. Sie erzeugen zwei Sets von
Photonen, die jeweils miteinander verschränkt sind. Mit Set 1 bestrahlen
sie den zu fotografierenden Gegenstand. Was mit den Photonen danach
passiert, erfahren sie nie. Allerdings gibt es ja noch die damit
verschränkten Photonen. Mit einer Spezialkamera fangen die Forscher diese
Lichtteilchen auf (die das Objekt nie "gesehen" haben) - und es entsteht
ein Abbild des Motivs.

Der Katzenumriss entstand auf Silizium als Folge destruktiver
beziehungsweise konstruktiver Interferenz von Photonen, die mit dem Motiv
nie interagiert haben; Bild: Gabriela Barreto Lemos

Das Experiment der Forscher hat auch eine praktische Seite: Mit ihrer
Technik ist es nämlich möglich, Bilder von Objekten anzufertigen, die für
bestimmte Wellenlängen unsichtbar oder undurchdringlich sind. Man
bescheint das Objekt einfach mit passenderen Photonen und nutzt zur
Herstellung des Fotos dann verschränkte Photonen der unpassenden
Wellenlängen.

So ließe sich etwa ein sichtbares Bild eines im sichtbaren Spektrum
unsichtbaren Objekts schießen. Es müsste allerdings theoretisch auch
möglich sein, auf diese Weise Motiv und Fotoapparat räumlich voneinander
zu trennen. Solange man nur auf ein Reservoir miteinander verschränkter
Photonen zurückgreift, könnte die Kamera auch auf dem Mond stehen, während
sich das Motiv auf der Erde befindet.

Das eBook "Die faszinierende Welt der Quanten" des Autors ist bei Beam-eBooks[3]
(DRM-frei, ePub, PDF, Mobi), bei Amazon[4] (Mobi) und Apple[5]
(iPad-Version mit Videos und Fotos) erhältlich.


Matthias Matting, 28.08.2014

Diskussion:
http://heise.de/tp/foren/S-Katzencontent...um-284665/list/[6]


[1] http://www-if.heise.de/tp/artikel/42/42635/

[2] http://www.nature.com/nature/journal/v51...ature13586.html

[3] http://www.beam-ebooks.de/ebook/45064

[4] http://www.amazon.de/Die-faszinierende-W...k/dp/B008GNA7HO

[5] https://itunes.apple.com/de/book/die-fas...541384991?mt=11

[6] http://heise.de/tp/foren/S-Katzencontent...um-284665/list/

Katzen lieben aber Kisten…