Das Phänomen der Superposition ist eine der besonders unanschaulichen Folgen aus den Gesetzen der Quantenphysik: Ein Teilchen kann sich gleichzeitig in mehreren verschiedenen Zuständen befinden. Zumindest so lange, bis jemand nachsieht und misst, kann sich ein Elektron links- und rechtsherum drehen, oder ein Lichtteilchen befindet sich zugleich an zwei verschiedenen Orten.

Ein bekanntes Gedankenexperiment ist das von Schrödingers Katze. Eingesperrt in einer Kiste mit einer Maschine, die sie mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit tötet, verbringt die Mieze ihr Dasein in einer Überlagerung von tot und lebendig, solange sich die Außenwelt nicht einmischt. Dieses Bild ist paradox und bizarr – das dachte auch der Vater der Quantenmechanik, Erwin Schrödinger, als es 1935 zeichnete.

Tatsächlich wird sich ein quantenmechanisches System, das so groß ist wie eine Katze, schnell von selbst in einen der möglichen Zustände befördern. In den Jahrzehnten nach Schrödinger setzte sich zunehmend das Konzept der so genannten Dekohärenz durch. Aus je mehr Bestandteilen sich ein Versuchsaufbau zusammensetzt, desto schneller wechselwirken die Einzelzustände unvermeidlich mit Teilchen aus der Umgebung, und die Überlagerung geht verloren. Das System fällt in einen der Zustände, denn es lässt sich nicht mehr gut von seiner Außenwelt trennen. Je dicker die Katze, desto eher ist sie wirklich tot.

Albert Einstein, Katzenmörder?

Hier kommt jetzt eine aktuelle Untersuchung von Igor Pikovski und seinen Kollegen ins Spiel. Die Forscher von der Universität Wien, der Harvard University und der University of Queensland betrachteten einen zusätzlichen Mechanismus, der die Dekohärenz beeinflussen könnte: die Schwerkraft und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie. Denn diese spielt nicht nur auf kosmologischen Skalen eine Rolle. Selbst das Gravitationsfeld der Erde ist stark genug, um theoretisch ein quantenmechanisches Experiment stören zu können.

Das liegt an der Zeitdilatation, auf Grund derer beispielsweise jemand, der sich bewegt, nicht so schnell altert. Sie folgt aus Einsteins Gleichungen. Auch in einem Schwerefeld gehen Uhren langsamer als außerhalb – ein Effekt, der sich mit extrem genauen Uhren sogar in verschiedenen Höhen über der Erdoberfläche feststellen lässt.

Wen die Schwerkraft anstupst

Pikovski und sein Team haben im Journal "Nature Physics" ausgerechnet, was geschieht, wenn man quantenmechanische Experimente unter dem Gravitationseinfluss der Erde durchführt. Wenn sich ein Teilchen in einer Superposition von Zuständen befindet, von denen sich einer etwas höher bewegt als der andere, dann kann für beide die Zeit unterschiedlich verlaufen – handelt es sich etwa um ein vibrierendes Molekül, ändert sich beispielsweise die Schwingungsdauer. Die Quanteneigenschaften vermischen sich gewissermaßen mit denen des Gravitationsfelds. Und das kann bereits dazu führen, dass die betroffenen Überlagerungen der Wellenfunktionen zusammenbrechen.

Das bedeutet im theoretischen Extremfall, dass selbst in einem perfekt nach außen isolierten Versuchsaufbau einige Zustände für quantenmechanische Experimente untauglich werden könnten – einfach, weil das System auf dem Erdboden stand oder die Wege der Teilchen unvorteilhaft ausgerichtet waren. Konkret rechnen die Forscher um Pikovski nach, dass das bei Quantenobjekten der Fall sein würde, sobald sie wenige Mikrometer groß wären.

Auch wenn die Autoren anmerken, dass dieser Effekt in der Zukunft experimentell überprüft werden könnte, sind diese Dimensionen allerdings noch sehr weit entfernt von jenen, mit denen Wissenschaftler heute im Labor hantieren. Möglicherweise wird er bedeutender, wenn Forscher versuchen, sehr große Objekte miteinander interferieren zu lassen und sehr komplexe quantenmechanische Systeme wie beispielsweise Quantencomputer zu beherrschen. Am Tod von Schrödingers Katze trägt Einstein aber nach wie vor keine Schuld. Andere Einflüsse wirken sich viel stärker aus.