Physiker scheinen regelrecht besessen von Katzen. Angeblich hat James Clerk Maxwell, der Vater der Elektrodynamik, die Tiere aus Fenstern gestoßen, um zu untersuchen, wie sie sich beim Fallen drehen. Im Physikunterricht nutzen viele Lehrerinnen und Lehrer ein Katzenfell und einen Hartgummistab, um das Phänomen der Reibungselektrizität zu erklären. Und schließlich veranschaulichte Erwin Schrödinger die Seltsamkeiten der Quantenphysik durch ein Gedankenexperiment mit einer Katze, die weder tot noch lebendig ist.

Es scheint also wenig erstaunlich, dass Forschende im Jahr 2012 ebenfalls einen Stubentiger heranzogen, um ein neu entdecktes Quantenphänomen zu benennen. In diesem Fall konnten sie aber quasi gar nicht anders, wie die Zusammenfassung ihrer Arbeit verdeutlicht: »In diesem Paper präsentieren wir eine Quanten-Grinsekatze. In einem Experiment finden wir die Katze an einem Ort und ihr Grinsen an einem anderen vor. Die Katze ist ein Photon, das Grinsen seine Polarisation.« Beim Quanten-Grinsekatzen-Effekt können bestimmte Merkmale einen anderen Weg einschlagen als ihre Teilchen – so, wie das Lächeln der namensgebenden Katze im 1865 erschienenen Kinderbuch »Alice im Wunderland« des Mathematikers Lewis Carroll.

Inzwischen wurde bei mehreren Experimenten der Quanten-Grinsekatzen-Effekt nachgewiesen. Und nun haben Forschende um Yakir Aharonov von der kalifornischen Chapman University im Juli 2024 noch einen draufgesetzt: Ihrer Arbeit zufolge können sich Quanteneigenschaften offenbar ganz ohne Teilchen bewegen: Ein körperloses Grinsen flitzt dabei durch die Welt und beeinflusst seine Umgebung.

Doch einige Fachleute stellen die Existenz der Quanten-Grinsekatze in Frage – ebenso wie die Idee eines derart losgelösten Grinsens. Sie kritisieren nicht die theoretischen Berechnungen an sich oder die experimentellen Umsetzungen, sondern deren Interpretationen. »Es erscheint mir etwas gewagt, von körperloser Übertragung zu reden«, sagt der Physiker Holger Hofmann von der Universität Hiroschima. »Wir sollten stattdessen unsere Vorstellung von Teilchen revidieren.«

»Ich habe oft eine Katze ohne Grinsen gesehen«, dachte Alice, »aber ein Grinsen ohne Katze! Das ist die seltsamste Sache, die ich je in meinem Leben gesehen habe«aus »Alice im Wunderland«

Aharonov und seine Kollegen hatten nicht nach einer Grinsekatze gesucht – sie lief ihnen zu, als die Physiker über eine der grundlegendsten Prinzipien der Quantenmechanik nachdachten: Nichts lässt sich eindeutig vorhersagen. Anders als in der klassischen Physik kann ein und dasselbe Experiment unter exakt denselben Bedingungen unterschiedliche Ausgänge haben. Es ist unmöglich, das genaue Resultat eines einzelnen Versuchs vorherzusagen; man kann nur Wahrscheinlichkeiten angeben. Doch Aharonov gab sich mit dieser Ungewissheit nicht zufrieden.

Der inzwischen 92-jährige Physiker ist immer noch ein aktiver Forscher. »Sein Verstand ist schärfer und schneller als meiner«, sagt sein Kollege Sandu Popescu von der University of Bristol. In den 1980er Jahren überlegte Aharonov, wie man trotz der auf Wahrscheinlichkeiten basierenden Natur der Quantenmechanik mehr über die Vorgänge auf fundamentaler Ebene herausfinden könnte. Dazu wiederholt man ein Experiment viele, viele Male und gruppiert die Ergebnisse. Anschließend untersucht man, was vor und nach dem Experiment herauskam, und setzt die Ereignisse zueinander in Beziehung. »Dafür muss man den Zeitfluss in der Quantenmechanik verstehen«, erklärt Popescu. »Wir haben eine völlig neue Methode entwickelt, um Informationen von Messungen vor und nach dem Experiment zu verbinden.« Und als sie das taten, stolperten die Forscher über einige Überraschungen – unter anderem die Grinsekatze.

»Niemand versteht die Quantenmechanik. Sie ist so kontraintuitiv. Wir kennen zwar ihre Gesetze, aber wir werden immer wieder überrascht«Sandu Popescu, Physiker

Diese theoretische Idee haben Aharonov, Popescu und zwei weitere Kollegen im Jahr 2012 in einer beim »New Journal of Physics« erschienenen Arbeit vorgestellt. Die Idee klingt zunächst simpel: Man nehme eine Photonenquelle und schicke einzelne Lichtteilchen durch ein Interferometer, wo sie die Wahl zwischen zwei verschiedenen Wegen haben, die am Ende wieder zusammenführen. Wenn man den Aufbau und die Messungen geschickt vornimmt, führten die Fachleute aus, dann lässt sich nachweisen, dass das Photon im Interferometer einen anderen Weg durchläuft als seine Polarisation. Es ist, als würde das Grinsen einem Pfad folgen und die Katze dem anderen. »Niemand versteht die Quantenmechanik. Sie ist so kontraintuitiv. Wir kennen zwar ihre Gesetze, aber wir werden immer wieder überrascht«, sagt Popescu.

Es blieb nicht bei der theoretischen Idee. Ein Team um Tobias Denkmayr von der TU Wien setzte 2013 das beschriebene Experiment mit Neutronen um. Die Physiker konnten zeigen, dass die neutralen Teilchen in einem Interferometer einem anderen Pfad folgten als ihr Spin – eine quantenmechanische Eigenschaft von Teilchen, die einem Drehimpuls ähnelt. »Das System verhält sich so, als wären die Teilchen räumlich von ihren Eigenschaften getrennt«, sagte Denkmayr 2014 in einer Pressemitteilung. Drei Jahre später gelang es Forschenden um Matthias Schlosshauer von der University of Portland, das von Aharonov erdachte Experiment mit Photonen umzusetzen: Die Lichtteilchen folgten im Interferometer offenbar einem anderen Weg als ihre Polarisation. Diese zwei Versuche beweisen, dass die Quantenwelt noch seltsamer ist, als viele dachten: Teilchen können offenbar losgelöst von ihren Eigenschaften existieren.

Ist die Quanten-Grinsekatze eine Illusion?

»Eine solche Trennung macht gar keinen Sinn«, gibt der Physiker Holger Hofmann zu bedenken. »Der Ort eines Teilchens ist selbst eine Eigenschaft des Teilchens. Es wäre also zutreffender, von einer ungewöhnlichen Korrelation zwischen Ort und Polarisation zu reden.« Auch andere Fachleute sind skeptisch gegenüber der Quanten-Grinsekatzen-Interpretation. »Die meisten Menschen wissen, dass die Quantenmechanik seltsam ist, aber die Ursachen für diese Seltsamkeit zu ermitteln, ist immer noch ein aktives Forschungsgebiet«, sagt Jonte Hance, ein Kollege von Hofmann an der Universität Hiroshima. Beide Forscher haben im Januar 2024 eine alternative Erklärung der Messdaten geliefert, die auf bekannten Effekten der Quantenmechanik beruht.

Andere Fachleute haben in der Vergangenheit ebenfalls angemerkt, dass sich die Ergebnisse der Experimente unterschiedlich interpretieren lassen – eine Trennung von Teilchen und ihren Eigenschaften sei nicht eindeutig belegbar. So ließe sich die vermeintliche Quanten-Grinsekatze laut einer Arbeitsgruppe um Pablo Saldanha von der brasilianischen Universidade Federal de Minas Gerais in Belo Horizonte auf den Welle-Teilchen-Dualismus zurückführen: »Wenn man eine andere Sichtweise annimmt, gibt es keine Paradoxa, sondern alle Ergebnisse können mit der traditionellen Quantenmechanik als einfache Interferenzeffekte erklärt werden.«

Schwache Messungen

Ursprung der Kontroverse ist die Art und Weise, wie die Position der Teilchen und ihrer Eigenschaften in den Experimenten nachgewiesen wurde. Da es sich um einen Quanteneffekt handelt, ist es wichtig, die Teilchen während ihrer Reise durch das Interferometer nicht zu stören – andernfalls ändern oder verlieren sie ihre quantenmechanischen Eigenschaften. Deswegen ist es nicht möglich, die Photonen (oder Neutronen) innerhalb des Interferometers mit einem gewöhnlichen Detektor zu messen. Stattdessen griffen die Fachleute auf das 1988 von Aharonov entwickelte Prinzip der schwachen Messung zurück.

Eine schwache Messung ermöglicht es, ein Teilchen nur ganz leicht abzutasten, ohne seinen Quantenzustand zu zerstören. Dafür zahlt man allerdings einen hohen Preis: Das schwache Messergebnis ist extrem ungenau. Das spiegelt auch der Titel der 1988 veröffentlichten Arbeit von Aharonov wider, der für Physiker geradezu grotesk klingt: »Wie das Ergebnis einer Spinmessung eines Spin-½-Teilchens 100 ergeben kann«. Hintergrund ist, dass ein Spin-½-Teilchen immer nur einen Spin von plus oder minus ½ (oder eine Überlagerung dessen) haben kann, aber niemals mehr oder weniger.

Aharonov verband das Prinzip der schwachen Messungen mit der zeitlichen Verbindung von Messergebnissen. »Und plötzlich stellte sich heraus, dass diese zwei Dinge sehr überraschende Ergebnisse liefern können«, sagt Popescu. Darunter den Quanten-Grinsekatzen-Effekt. Man vollzieht entlang eines Pfads im Interferometer eine schwache Messung, führt die Pfade dann zusammen und misst die austretenden Teilchen mit einem gewöhnlichen Detektor. In diesem können lediglich Teilchen landen, die den oberen Weg des Interferometers durchlaufen haben, während die schwache Messung nur die Polarisation von Teilchen im unteren Bereich stört. Aharonov, Popescu und ihre Kollegen zeigten, dass die schwache Messung aber das Messergebnis im Detektor beeinflusst – obwohl die oben entlanglaufenden Teilchen, die im Detektor landen, davon nicht betroffen sind. Das belege, so die Forscher, dass die Teilchen dem oberen Pfad folgen, die Polarisation jedoch dem unteren.

Saldanha und seine Koautoren sind allerdings der Meinung, dass man aus Messungen in der Gegenwart keine eindeutigen Aussagen über den vergangenen Zustand von Quantensystemen ableiten kann. Die ausgetretenen Photonen können demnach keine unzweifelhaften Informationen über ihre frühere Flugbahn liefern. Denn die schwache Messung führe dazu, dass sich Wellenfunktionen von Teilchen, die den oberen und unteren Teil des Interferometers beschreiten, überlappen. Damit ließe sich nicht nachvollziehen, welchen Weg ein Teilchen gegangen sei. »Mein Hauptkritikpunkt ist, dass in den meisten dieser Arbeiten nicht deutlich gemacht wird, dass ihre paradoxen Schlussfolgerungen von einer realistischen Interpretation der schwachen Messungen abhängen«, sagt Saldanha. »Letztendlich sind die paradoxen Verhaltensweisen mit dem Welle-Teilchen-Dualismus verbunden, werden jedoch auf eine raffinierte Art und Weise verarbeitet, die diese einfachere Interpretation verschleiert.«

Auch Hofmann und seine Kollegen glauben nicht an eine Trennung von Teilchen und Eigenschaften. »Man erhält unterschiedliche Ergebnisse, wenn man ein Quantensystem auf verschiedene Weise misst«, erklärte Hofmann 2024 in einer Pressemitteilung. Das ist ein bekanntes quantenphysikalisches Phänomen: Wenn man beispielsweise erst die Geschwindigkeit eines Teilchens misst und dann seine Position, kann etwas anderes herauskommen, als wenn man erst die Position desselben Teilchens und dann die Geschwindigkeit misst. Hofmann und seine Kollegen erklären, dass die Folgerungen von Aharonov und seinem Team zwar für sich genommen richtig waren (»Das Teilchen bewegte sich entlang des oberen Wegs« sowie »Die Polarisation folgte dem unteren Pfad«), aber nun mal nicht gleichzeitig zutreffen. »Es sieht nur so aus, als wären Teilchen und Polarisation getrennt, weil man eine der Eigenschaften an einer Stelle und die andere Eigenschaft an der anderen Stelle misst«, sagte Hance Anfang 2024 im »New Scientist«. »Doch das bedeutet nicht, dass die Eigenschaften an der einen und der anderen Stelle sind, sondern dass die eigentliche Messung selbst sie so beeinflusst, dass es so aussieht.« Berücksichtige man diese Abhängigkeiten, ließe sich das paradox erscheinende Ergebnis erklären.

»Sie haben irgendwie eine sehr altmodische Sichtweise: Es gibt Widersprüche, also hört man auf, damit zu rechnen«Sandu Popescu, Physiker

Dem stimmt Popescu zu. »Ihre Arbeit ist korrekt, daran besteht kein Zweifel, genauso wie es richtig ist, was die andere Gruppe (um Saldanha) getan hat«, sagt der Physiker. »Aber sie verfehlen den Punkt.« Popescu erklärt, dass man für ein und dasselbe Phänomen verschiedene Erklärungen vorbringen kann, sich aber letztlich die Deutung mit der größten Vorhersagekraft durchsetzt. »So wie ich es verstehe, gibt es keine direkte Möglichkeit, auf ihrer Basis Vorhersagen zu treffen. Sie haben irgendwie eine sehr altmodische Sichtweise: Es gibt Widersprüche, also hört man auf, damit zu rechnen.«

Über schwache Messungen hinaus

Mit ihrer Veröffentlichung vom Juli 2024 haben Aharonov und Popescu gemeinsam mit dem Physiker Daniel Collins von der University of Bristol nun eine Arbeit nachgelegt, in der sie beschreiben, wie sich der Spin völlig unabhängig vom Teilchen selbst bewegen kann – und das, ohne auf das Konzept einer schwachen Messung zurückgreifen zu müssen.

»Es ist erstaunlich, oder? Man denkt, das Teilchen hat einen Spin und der Spin sollte beim Teilchen bleiben. Aber trotzdem durchquert der Spin die Box ohne das Teilchen«Daniel Collins, Physiker

Im von ihnen erdachten Versuchsaufbau befindet sich ein Teilchen in der linken Raumhälfte eines länglichen, zweigeteilten Zylinders, der an den äußeren Rändern verschlossen ist. Durch die Trennung in der Mitte kann das Teilchen nur mit einer verschwindend kleinen Wahrscheinlichkeit in die rechte Seite hindurchtunneln. Auch wenn das Teilchen in den meisten Situationen dauerhaft im linken Bereich bleibt, so die Forscher, sollte sich nach einer gewissen Zeit an der rechten äußeren Wand ein Drehimpulsübertrag des Spins des Teilchens messen lassen. »Es ist erstaunlich, oder?«, sagt Collins. »Man denkt, das Teilchen hat einen Spin und der Spin sollte beim Teilchen bleiben. Aber trotzdem durchquert der Spin die Box ohne das Teilchen.«

Für die Folgerungen braucht man keine schwachen Messungen, und man muss die experimentellen Ausgänge auch nicht wirklich gruppieren, um zeitliche Rückschlüsse zu ziehen. (Da der Drehimpuls der Wand selbst wegen der heisenbergschen Unschärferelation nicht eindeutig bestimmbar ist, muss man das Experiment trotzdem mehrmals durchführen, und da hilft es, die Resultate zu gruppieren – je nachdem, ob die Wand einen positiven oder negativen Drehimpulsbeitrag vom Teilchen erhalten hat. Hier ist die Gruppierung aber nur nötig, um die Messergebnisse besser auswerten zu können.) Das einzige physikalische Prinzip, auf das sich der unerwartete Effekt wirklich stützt, sind Erhaltungssätze wie die Energie- oder die Impuls- und Drehimpulserhaltung. »Es geht nicht mehr um den Zeitfluss vor und nach dem Versuch oder um schwache Messungen. Es geht darum, was Erhaltungssätze bedeuten«, sagt Popescu. Er und Collins hoffen, dass experimentelle Gruppen das von ihnen beschriebene Experiment bald umsetzen, um den Effekt im Labor beobachten zu können.

»Die gleichen Vorhersagen können ohne so dramatische Schlussfolgerungen gemacht werden«Pablo Sadanha, Physiker

Die neue Arbeit hat auch Hofmanns Interesse geweckt. »Das Szenario ist spannend, weil die Wechselwirkung zwischen Polarisation und Teilchenbewegung einen besonders starken Quanteneffekt hervorbringt, der dem Teilchenbild klar widerspricht.« Trotzdem sieht er darin keinen Beweis für einen teilchenlosen Spintransfer: »Für mich bedeutet das vor allem, dass es falsch ist, von einer messunabhängigen Realität auszugehen.« Stattdessen erlaube es die Quantenmechanik, dass sich der Aufenthalt eines Teilchens auch auf den rechten Bereich des Zylinders erstreckt, selbst wenn gleichzeitig ein Aufenthalt im linken Bereich logisch zwingend erscheint. »Ich denke, es ist Aharonov, Collins und Popescu durchaus klar, dass der Raum vor der Wand nicht wirklich leer ist«, sagt der Physiker.

Das sieht Saldanha ähnlich. »Die gleichen Vorhersagen können ohne so dramatische Schlussfolgerungen gemacht werden«, erklärt der Physiker. In diesem Fall stütze sich die Argumentation von Aharonov, Popescu und Collins zwar nicht auf schwache Messungen, dafür allerdings darauf, dass das Teilchen eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit hat, in die rechte Seite des Versuchsaufbaus zu gelangen. »Doch wir müssen vorsichtig sein, was wir mit einer ›verschwindend geringen Wahrscheinlichkeit‹ meinen, wenn wir uns auf Wellen beziehen«, sagt der Physiker. Denn die Wellenfunktion des Teilchens könne sich in diesem Bild auch in den rechten Bereich des Aufbaus ausdehnen und so den Drehimpuls der Wand beeinflussen. »Dieses Verhalten ist ein einfacher Quanteninterferenzeffekt.«

»Das ist natürlich eine andere Art, darüber nachzudenken«, sagt Popescu angesichts der vorgebrachten kritischen Stimmen. »Die Frage ist, ob diese Auslegung nützlich ist.«

Unabhängig davon, welche Interpretation der Geschehnisse nun wirklich zutrifft, könnte die Quanten-Grinsekatze neuartige technologische Anwendungen ermöglichen. Zum Beispiel ließen sich auf diese Weise Informationen oder Energie übertragen, ohne ein physisches Teilchen – ob nun aus Materie oder Licht – zu bewegen. Für Popescu spielen jedoch die fundamentalen Fragen der Physik eine wichtigere Rolle: »Es begann damit, dass wir darüber nachdachten, wie sich die Zeit in der Quantenmechanik ausbreitet. Und plötzlich konnten wir dadurch etwas Grundlegendes über die Erhaltungssätze entdecken.«