Physik-Nobelpreis 2012: Die Jäger von Schrödingers Katze

Von Holger Dambeck

Kann eine Katze tot und gleichzeitig lebendig sein? Ja, in der Quantenmechanik ist das theoretisch möglich. Serge Haroche und David Wineland haben das nach dem Physiker Erwin Schrödinger benannte Phänomen im Labor erforscht - und dafür den Nobelpreis bekommen.

Physik-Nobelpreis 2012: Serge Haroche und David Wineland Fotos
DPA/ Tierschutzheim München

Stockholm/Berlin - Die kleine Nobelpreisparty in Berlin begann mit einer Panne. Die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) hatte Dutzende Professoren und Journalisten ins Magnus-Haus geladen, um gemeinsam die Verkündung der diesjährigen Nobelpreisträger im Video-Livestream anzuschauen. Und just in dem Moment, als das Komitee in Stockholm die Namen vorlesen wollte, brach die Übertragung ab.

Gelächter im Saal - und Ratlosigkeit. Mancher tippte hektisch auf seinem Smartphone herum. Wer hat die begehrte Auszeichnung denn nun bekommen? Es dauerte zwei, drei Minuten, bis DPG-Vizepräsident Wolfgang Sandner einen Ausdruck mit den diesjährigen Preisträgern organisiert hatte: Die begehrten Medaillen gehen an den Franzosen Serge Haroche und den Amerikaner David Wineland. Auch ohne die offizielle Begründung des Nobelkomitees gehört zu haben, war vielen Physikern schnell klar, wofür der Preis 2012 vergeben wurde.

Haroche und Wineland sind Quantenphysiker, die ihre Kollegen seit Jahren mit spektakulären Experimenten verblüffen. "Das sind zwei würdige Nobelpreisträger, die den Großteil ihres Lebens damit verbracht haben, die Quantenmechanik auf die Probe zu stellen", sagte Sandner, Direktor des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin-Adlershof.

Haroche und Wineland haben unabhängig voneinander Methoden entwickelt, mit denen einzelne Teilchen untersucht werden können, wobei deren Quantenzustände erhalten bleiben. Wineland vom National Institute of Standards and Technology in Boulder (US-Bundesstaat Colorado) arbeitete mit Ionen, die er einzeln in einer sogenannten Ionenfalle isolierte. Der Franzose Haroche, Professor an der École Normale Supérieure in Paris und am Collège de France, sperrte einzelne Photonen zwischen zwei Spiegeln ein.

Tot und lebendig zugleich

"Beide Forscher haben Fundamentales geleistet und neue Arbeitsgebiete geprägt", sagte Ekkehard Peik von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Es habe in der Quantenmechanik viele Gedankenexperimente gegeben. "Was passiert, wenn ein Atom und ein Photon miteinander wechselwirken?" Die Experimente der Nobelpreisträger hätten erstmals Quanteneffekte gezeigt. Bis dahin hätten viele Kollegen es kaum für möglich gehalten, dass man ein Ion oder ein Photon überhaupt isolieren und dann auch noch untersuchen könnte.

Die von Wineland verwendete Ionenfalle nutzt elektrische Felder, um ein einzelnes Ion darin in der Schwebe zu halten. Für die Erfindung der Ionenfalle hatte es schon 1989 einen Nobelpreis gegeben - für Hans Dehmelt und Wolfgang Paul. Wineland wird mehr als 20 Jahre später für seine Raffinesse ausgezeichnet, das gefangene Ion mit Laserlicht und Laserpulsen zu bearbeiten.

Ein präzise eingestellter Laser kann das eingeschlossene Ion in den Zustand der sogenannten Superposition versetzen. Es hat dann zwei Quantenzustände gleichzeitig. Das klingt nicht nur paradox - es hat den Begründer der Quantenmechanik, Erwin Schrödinger, auch auf ein berühmtes Gedankenexperiment gebracht:

Eine Katze ist in einer Kiste zusammen mit einem instabilen Atomkern eingesperrt. Dieser zerfällt binnen einer gewissen Zeit mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit. Zerfällt der Kern, registriert dies ein Geigerzähler, und es wird Giftgas freigesetzt, das die Katze tötet. Laut den Gesetzen der Quantenphysik befindet sich der instabile Atomkern in einem Zustand der Superposition - er ist zugleich zerfallen und nicht zerfallen. Demnach müsste die Katze zugleich tot und lebendig sein. Gewissheit verschafft erst ein Blick in die Kiste. Diese Messung aber lässt den Zustand der Superposition kollabieren - mit den zwei möglichen Ausgängen tot oder lebendig.

Die Absurdität dieses Gedankenexperiments ließ Schrödinger am Konzept der Quantenmechanik zweifeln. Wineland und Haroche aber ist es gelungen, derartige Superpositionen experimentell zu untersuchen. Das Nobelkomitee lobte ihren Einfallsreichtum, mit dem sie zeigen konnten, wie ein Quantenzustand durch den Akt der Messung kollabiert und die Eigenschaft der Superposition verlorengeht.

Haroche musste bei seinen Experimenten mit eingefangenen Photonen die besten Spiegel der Welt nutzen. Sie bestehen aus supraleitendem Material, das auf minus 272 Grad gekühlt wird. Die sphärisch gebogenen Reflektoren haben einen Abstand von knapp drei Zentimetern. Ein darin gefangenes Photon rast dann etwa eine Zehntelsekunde lang hin und her und legt dabei 40.000 Kilometer zurück, bevor es verschwindet.

Präzisere Zeitmessung

Zur Manipulation des Photons nutzte Haroches Team sogenannte Rydberg-Atome, die tausend Mal größer sind als herkömmliche Atome, und schickte sie mit einer zuvor genau gewählten Geschwindigkeit durch die Photonenfalle. Dabei kommt es zu einer Wechselwirkung, der Quantenzustand des Atoms verändert sich. Das Photon wird bei diesem Experiment vermessen, aber nicht zerstört.

Die Arbeiten der beiden Nobelpreisträger gelten auch deshalb als Meilensteine, weil sie die Basis möglicher Quantencomputer darstellen. Statt aus Transistoren könnten sie aus Ionenfallen aufgebaut sein und eines Tages die Rechenleistung herkömmlicher Rechner weit übertreffen.

Aber auch eine noch genauere Zeitmessung dürfte schon bald mit Atomuhren möglich sein. Die von Wineland entwickelte Lasermanipulation von Ionen ermöglicht Atomuhren, die schneller ticken und damit viel präziser arbeiten als herkömmliche Cäsium-Uhren.

Haroche wurde bei der Bekanntgabe des Preises live per Telefon zugeschaltet. Er sei überwältigt von der Auszeichnung, sagte er. Der Preis ist dieses Jahr mit acht Millionen schwedischen Kronen (fast 930.000 Euro) dotiert. Die Verleihung findet traditionell am 10. Dezember statt, dem Todestag des Stifters Alfred Nobel. 2011 hatten drei Astronomen aus den USA und Australien die Auszeichnung für ihre Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums erhalten.

Am Montag wurden John Gurdon und Shinya Yamanaka mit dem Medizin-Nobelpreis für ihre Forschung an Stammzellen geehrt. Am Mittwoch folgt der Nobelpreis für Chemie, am Donnerstag der Literatur-Nobelpreis. Der mit besonderer Spannung erwartete Träger des Friedensnobelpreises wird am Freitag in Oslo verkündet.

Diesen Artikel...
Aus Datenschutzgründen wird Ihre IP-Adresse nur dann gespeichert, wenn Sie angemeldeter und eingeloggter Facebook-Nutzer sind. Wenn Sie mehr zum Thema Datenschutz wissen wollen, klicken Sie auf das i.

Auf anderen Social Networks teilen

  • Xing
  • LinkedIn
  • Tumblr
  • studiVZ meinVZ schülerVZ
  • deli.cio.us
  • Digg
  • reddit
Forum - Diskutieren Sie über diesen Artikel
insgesamt 219 Beiträge
Alle Kommentare öffnen
    Seite 1    
1.
marthaimschnee 09.10.2012
Zitat von sysopDie Absurdität dieses Gedankenexperiments
zeigt sich schon darin, daß völlig außer Acht gelassen wird, daß der Geigerzähler das Resultat des Zerfalls und nicht den Zerfall selber detektiert. An dem Punkt muß auch die Quantenmechanik zugeben, daß zumindest in dieser Raum-Zeit-Koordinate die Katze tot ist. Die kann nämlich im Gegensatz zum instabilen Kern genauso wenig zwei Zustände annehmen, wie der Geigerzähler, der ihren Tod auslöst. Und solange das nicht passiert ist, ist sie am Leben (bzw zumindest nicht durch die Apparatur getötet). Der Umstand, daß der Kern noch nicht zerfallen ist, obwohl wir bereits das Ergebnis davon sehen, läßt sich auf die Art gar nicht beweisen, weil alle teilnehmenden Probanden einer kausalen Kette unterworfen sind, die das Zerfallsprodukt auslöst, selbst wenn das aus irgendeinem bisher unbekannten Grund selbst nicht kausal ist! Aber wie auch bei der Relativitätstheorie und Heisenbergs Unschärferelation scheint mir bei Schrödinger einfach ein recht wesentlicher Bestandteil zu fehlen. Es gibt nichts Unerklärbares, es gibt lediglich noch nicht entdecktes Wissen!
2. warum bekommen die einen Nobelpreis
what 09.10.2012
warum bekommen die einen Nobelpreis für sowas wenn die nicht mal mehr bemerkten dass ein zwischen den Spiegeln gefangenes Photon laut diesem Bericht mit ÜBER Lichtgeschwindigkeit dahin fliegt :)
3.
syracusa 09.10.2012
Zitat von marthaimschneeAber wie auch bei der Relativitätstheorie und Heisenbergs Unschärferelation scheint mir bei Schrödinger einfach ein recht wesentlicher Bestandteil zu fehlen. Es gibt nichts Unerklärbares, es gibt lediglich noch nicht entdecktes Wissen!
Sie irren. Und dass Ihre Ansicht falsch ist, ist schon längst bewiesen. Ihre Ansicht beruht darauf, dass man irgend was Entscheidendes an der Sache noch nicht entdeckt hätte, dass also noch irgend welche bislang unbekannten "verborgenen" Variablen eine Rolle spielen. Diese aber kann man mit Sicherheit ausschließen: Bellsche Ungleichung (http://de.wikipedia.org/wiki/Bellsche_Ungleichung) Noch weiter: dieser Zustand der Superposition in unserer "Raumzeitkoordinate" kann nachgewiesen und technisch genutzt werden. Es handelt sich also um eine tatsächlich existierende fundamentale Eigenschaft der Natur.
4. ???
siliconsidewinder 09.10.2012
Lieber Leser Schrödingers Katze ist der Versuch Schrödingers die grundsätzliche Problematik der Quantemechanischen Betrachtungsweise verständlich zu machen. Es geht darum das in der Quantemechanik ein "Teilchen" eben nur unter den richtigen Umständen den Anstand hat sich als solches zu verhalten. Erst die Untersuchung offenbarte den Zustand, bestimmte ihn aber auch gleichzeitig. Die Makroskopische Welt mit ihren vertrauten Gesetzten erwies sich in der Qm als untergeordneter sonderfall. Das es diesen Physikern und ihren Arbeitsgruppen gelungen ist diese Hürde zu umschiffen ist bahnbrechend und hat den Preis mehr als verdient.
5. Schrödinger
hman2 09.10.2012
Zitat von marthaimschneeDie kann nämlich im Gegensatz zum instabilen Kern genauso wenig zwei Zustände annehmen, wie der Geigerzähler, der ihren Tod auslöst. Und solange das nicht passiert ist, ist sie am Leben (bzw zumindest nicht durch die Apparatur getötet). Der Umstand, daß der Kern noch nicht zerfallen ist, obwohl wir bereits das Ergebnis davon sehen, läßt sich auf die Art gar nicht beweisen, weil alle teilnehmenden Probanden einer kausalen Kette unterworfen sind, die das Zerfallsprodukt auslöst, selbst wenn das aus irgendeinem bisher unbekannten Grund selbst nicht kausal ist!
Das stimmt so nicht. Ohne Blick in die Kiste wissen wir *gar nichts* über den Zustand der Katze. Sie behaupten nur, sie könne nicht zwei Zustände annehmen, weil das ihrer Realwelt-Erfahrung entlehnt ist. Und genau deshalb wählte Schrödinger den Vergleich.
Alle Kommentare öffnen
    Seite 1    
News verfolgen

HilfeLassen Sie sich mit kostenlosen Diensten auf dem Laufenden halten:

alles aus der Rubrik Wissenschaft
Twitter | RSS
alles aus der Rubrik Technik
RSS
alles zum Thema Quantenphysik
RSS

© SPIEGEL ONLINE 2012
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH

SPIEGEL ONLINE Schließen


  • Drucken Versenden
  • Nutzungsrechte Feedback
  • Kommentieren | 219 Kommentare
  • Zur Startseite
Nobelpreisträger-Quiz

Fotostrecke
Physik-Nobelpreis 2011: Was explodierende Sterne verraten

Physik-Nobelpreisträger seit 1999
2012
David Wineland (USA) und Serge Haroche (Frankreich) für ihre Arbeit zur Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Ihnen war es gelungen, einzelne Quantenpartikel zu messen und zu kontrollieren, ohne sie zu zerstören, was den Weg zu revolutionären Quantencomputern ebnen könnte.
2011
Die Amerikaner Saul Perlmutter und Adam Riess sowie der US-Australier Brian Schmidt für ihre Forschungen zur Ausdehnung des Universums durch die Beobachtung ferner Sternenexplosionen, sogenannter Supernovae.
2010
Andre Geim und Konstantin Novoselov erhalten die Auszeichnung für die fundamentale Entdeckung der zweidimensionalen Kohlenstoffstruktur Graphen
2009
Charles Kuen Kao für seine Arbeit auf dem Gebiet der schnellen Datenübertragung durch Glasfasern. Willard Boyle und George Smith teilen sich die zweite Hälfte des Preises für die Erfindung des lichtempfindlichen CCD-Chips, der heute in den meisten Digitalkameras eingebaut ist.
2008
Yoichiro Nambu (USA), Makoto Kobayashi (Japan) und Toshihide Maskawa (Japan) für die Entdeckung und Erklärung sogenannter Symmetriebrechungen in der Teilchenphysik, die das Verständnis der Natur entscheidend verbessert haben.
2007
Peter Grünberg (Deutschland) und Albert Fert (Frankreich) für die Entdeckung des "Riesenmagnetowiderstands" , durch den sich die Speicherkapazität von Computer-Festplatten drastisch erhöhen ließ.
2006
John C. Mather und George F. Smoot (beide USA) für die Entdeckung der Saat der Galaxien in der kosmischen Hintergrundstrahlung, dem "Echo des Urknalls".
2005
Roy J. Glauber (USA) für Grundlagen der Quantenoptik sowie John L. Hall (USA) und Theodor W. Hänsch (Deutschland) für die Entwicklung einer laserbasierten Präzisionsmesstechnik für Lichtfrequenzen.
2004
David J. Gross , H. David Politzer und Frank Wilczek (alle USA) für Erkenntnisse zur Kraft zwischen den kleinsten Materieteilchen im Atomkern, den Quarks.
2003
Alexej Abrikosow (USA und Russland), Vitali Ginsburg (Russland) und Anthony Leggett (USA und Großbritannien) für bahnbrechende Arbeiten zu Supraleitern und Supraflüssigkeiten.
2002
Raymond Davis (USA), Masatoshi Koshiba (Japan) und Riccardo Giacconi (USA) für die Entdeckung kosmischer Röntgenstrahlen und Neutrinos.
2001
Wolfgang Ketterle (Deutschland), Eric A. Cornell (USA) und Carl E. Wieman (USA) für die Erschaffung des Bose-Einstein- Kondensats, der fünften Erscheinungsform der Materie neben fest, flüssig, gasförmig und dem Plasma.
2000
Herbert Kroemer (Deutschland), Zhores Alferow (Russland) und Jack Kilby (USA) für die Herstellung integrierter Schaltkreise und des Halbleiter-Lasers.
1999
Gerardus 't Hooft und Martinus J.G. Veltman (beide Niederlande) für ihre Beiträge zur Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung.
Ehrung mit Weltrang - die Nobelpreise
Der Stifter
Mit der Stiftung der Nobelpreise wollte der schwedische Forscher und Großindustrielle Alfred Nobel (1833-1896) einen Konflikt lösen, der sein Leben bestimmte: Der Dynamit-Erfinder konnte nicht verwinden, dass seine Entdeckung für den Krieg genutzt wurde. Als "Wiedergutmachung" vermachte er sein Vermögen einer Stiftung, aus deren Zinsen Preise für jene finanziert werden sollten, die "im verflossenen Jahr der Menschheit den größten Nutzen geleistet haben". Nobel selbst hatte mehr als 350 Patente angemeldet.
Die Auszeichnungen
Die Preise werden seit 1901 vergeben. Die Dotierung stieg von anfangs 150.800 Kronen auf zehn Millionen Kronen (eine Million Euro), wurde 2012 aber wegen der Wirtschaftskrise wieder auf acht Millionen Kronen gesenkt. Bis zu drei Menschen können sich einen wissenschaftlichen Preis teilen. Der Friedensnobelpreis wird auch an Organisationen verliehen. Höhepunkt ist stets die feierliche Verleihung der Auszeichnungen am 10. Dezember, dem Todestag von Nobel.
Die Kategorien
Die Preisträger für Physik und Chemie werden immer von der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften, die der Medizin vom Karolinska-Institut in Stockholm und die Literaturpreisträger von der Königlich-Schwedischen Akademie der Künste ausgewählt. Die Friedenspreisträger bestimmt ein Ausschuss des norwegischen Parlaments in Oslo.
Die Alternativen
Neben den eigentlichen Nobelpreisen wird seit 1969 eine Ehrung für Wirtschaftswissenschaften in Gedenken an Alfred Nobel verliehen. Sie wurde 1968 von der Schwedischen Reichsbank gestiftet. Seit 1980 vergibt die "Stiftung zur Auszeichnung richtiger Lebensführung" (Right Livelihood Award Foundation) die Right Livelihood Awards, die oft als alternative Nobelpreise bezeichnet werden.