Denkanstöße – Was die Welt zusammenhält

9. August 2010 von Lars Fischer in Physik

Michael Springer ist promovierter Physiker. Er hat mehrere Hörspiele und Romane veröffentlicht und übersetzte das Buch "The Emperor's New Mind" von Roger Penrose ins Deutsche. Seit 2005 schreibt er in Spektrum der Wissenschaft die Kolumne "Springers Einwürfe".

Als Schüler verstand ich die Welt nicht. Darum besorgte ich mir Bücher, die schon im Titel versprachen, alles zu erklären: "Die Welt in der wir leben", "Du und die Natur", "Einstein und das Universum" – und "Physik und Philosophie".

Werner Heisenberg hatte ein humanistisches Gymnasium mit Latein und Altgriechisch besucht, darum fühlte ich mich bei ihm gleich zu Hause. Er zitierte sogar Platon und Aristoteles, um mir zu erklären, was das fundamental Neue an der modernen Physik ist. Die klassische Physik – Newtons Mechanik und Einsteins Relativitätstheorien – setzt stillschweigend eine "materialistische Ontologie" voraus, schreibt Heisenberg und erklärt sogleich, was er damit meint: die selbstverständliche Annahme, Teilchen und Wellen, Kräfte und Felder existierten an sich, unabhängig vom messenden Beobachter.

In der seit kurzem erforschten Mikrowelt gilt das aber nicht mehr, erklärte mir Heisenberg. Wenn wir ein einzelnes Elektron beobachten wollen, brauchen wir dafür mindestens ein Lichtquant; doch wenn es mit dem Elektron kollidiert, verändert es dessen Ort und Impuls derart, dass wir nie beide Größen zugleich exakt messen können. Daraus folgt die heisenbergsche Unbestimmtheit. Das ganze Buch ist dem Anliegen gewidmet, diese Unbestimmtheit als Wesenszug der Quantennatur zu behaupten – gegen alle Versuche, sie als bloße Störung einer weiterhin an sich klassischen Welt zu deuten. Über Unbestimmtes können wir nur Wahrscheinlichkeitsaussagen machen, aber Wahrscheinlichkeit ist ein schillernder Begriff. Sie kann bedeuten, dass etwas an sich so oder so ausgehen kann (objektive Wahrscheinlichkeit) – aber auch, dass ich nur zuwenig weiß, um eine präzise Vorhersage zu treffen (subjektive Wahrscheinlichkeit). Beim Würfelwurf ist die Wahrscheinlichkeit, eine bestimmte Augenzahl zu werfen, ein Sechstel; wäre ich aber ein allwissender Physiker, wie der Determinist Laplace ihn sich ausmalte, dann könnte ich aus den Anfangsbedingungen des Wurfs mit Gewissheit vorhersagen, wie der Würfel fallen wird. Das ist bekanntlich in der Praxis nicht möglich, darum helfen Falschspieler nach, indem sie den Würfel heimlich zinken. Aber "theoretisch" möglich ist es doch – zumindest in der deterministischen Welt der klassischen Physik.

In der Quantenwelt ist der Zufall Heisenberg zufolge objektiv, darum muss die Beschreibung unweigerlich probabilistisch sein. Heisenberg verteidigt die neue Weltsicht gegen alle Einwände seiner prominenten Kollegen, vor allem Einstein, Schrödinger und Bohm; sie vermuteten hinter der Unbestimmtheit der Quanten eine noch tiefere Ebene – die "verborgenen Parameter" –, auf der es weiter streng deterministisch zugehen soll, wie aus der klassischen Physik gewohnt. Das Paradigma all dieser Gegenversuche ist die statistische Thermodynamik. Sie beschreibt große Ensembles von Teilchen erfolgreich mit Wahrscheinlichkeitsgesetzen, wobei stillschweigend vorausgesetzt wird, dass jedes einzelne Partikel sich "eigentlich" streng determiniert verhält; nur ist es natürlich praktisch unmöglich, das Herumgestoßenwerden jedes Moleküls im Detail zu verfolgen. Und das ist auch gar nicht nötig, denn aus der statistischen Mittelung der mikroskopischen Einzelschicksale ergeben sich – man könnte auch sagen "ermergieren" – aufs Schönste die makroskopischen Gesetze der Thermodynamik mit Druck und Temperatur, Energieerhaltung und Entropiezunahme.

 

 

So ähnlich dachten sich wohl die Quanten-Dissidenten eine Rückführung der neuen Physik auf die alte. Heisenberg lässt an alldem kein gutes Haar. Mich überzeugte er, ich war ganz auf seiner Seite. Er stand im Bund mit Bohr, Pauli und Born, gemeinsam vertraten sie die revolutionäre Kopenhagener Deutung gegen die materialistische Ontologie der alten, der newton-einsteinschen Klassik. Und wenn es um Jung gegen Alt ging, war ich natürlich für die Jungen.

II
Beim heutigen Wiedersehen mit Heisenbergs "Physik und Philosophie" aus den 1950er Jahren erweist sich das Meiste als erstaunlich haltbar. Die Kopenhagener Deutung ist nach wie vor die Standardphilosophie des praktizierenden Quantenphysikers; das heißt, sie genügt "for all practical purposes", abgekürzt "FAPP". Sie schmiegt sich dem mathematischen Formalismus der Quantenmechanik an wie ein gut sitzender Maßanzug aus dem soliden Stoff einer philosophisch angereicherten Umgangssprache.

Die Frage ist nur, ob Heisenbergs knapp geschneiderter FAPP-Anzug vielleicht allzu sehr dazu einlädt, ihn mit buntscheckigen Troddeln zu verzieren und der Quantenphysik eine Narrenkappe aus gewagten Spekulationen und Assoziationen aufzusetzen. Zum Beispiel hat Fritjof Capra, der unter anderem bei Heisenberg studierte, in mehreren Büchern ("Das Tao der Physik", "Wendezeit" usw.) einem "mechanistischen Denken", das von Descartes und Newton abstammen soll, die Schuld an praktisch sämtlichen Übeln der Moderne gegeben und für eine nebulose Synthese aus Quantentheorie und fernöstlicher Mystik plädiert. Die heisenbergsche "Unschärfe" ist geradezu zum postmodernen Gemeinplatz geworden, als sei damit wissenschaftlich erwiesen, dass es überhaupt keine vom Beobachter unabhängige Wirklichkeit gebe. In dem Buch "Eleganter Unsinn" haben Alan Sokal und Jean Bricmont amüsante bis haarsträubende Beispiele für derlei Fehlschlüsse gegeben. Dabei beweist die Lektüre von Heisenbergs Original, dass er sorgfältig den Anschein vermeidet, er halte die physikalische Realität für eine subjektive Konstruktion. Er wendet sich ausdrücklich gegen den Sensualismus des Positivisten Ernst Mach, für den nur Sinnesdaten real waren. Er betont, der "Beobachter" sei nicht nur ein menschliches Bewusstsein, sondern auch ein physikalischer Messapparat. Kaum hat er wortreich die "materialistische Ontologie" verabschiedet, schon widmet er ein ganzes Kapitel der Struktur der Materie und der Hoffnung, ihre Einheit werde sich bald physikalisch beschreiben lassen – was er selbst ja bekanntlich mit seiner "Weltformel" später probiert hat.

Mag sein, dass Heisenberg, um das Neue der Quantenphysik gegenüber der klassischen Physik gebührend herauszustreichen, gelegentlich über das Ziel hinausschießt und dadurch den Anschein erweckt, die Untersuchung einer vom Bewusstsein des Beobachters unabhängigen Wirklichkeit sei nicht länger das Geschäft der Naturforschung. Doch eine explizite Formulierung eines solchen Unsinns wird man bei ihm vergeblich suchen.

Er sagt – wie Niels Bohr und die anderen Kopenhagener – etwas Anderes, das man nur auf den ersten Blick als Abschied von der Wirklichkeit missverstehen kann: Der Beobachter, das heißt ein – bewusstes oder unbewusstes – physikalisches System, das Daten misst und registriert, lässt sich nicht mehr wie in der klassischen Physik glatt vom beobachteten physikalischen System separieren. Die beiden Systeme sind beim Quantenmessprozess so gekoppelt, dass das Messresultat nicht eindeutig, sondern nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit aus dem Messprozess hervorgeht.

Interessanterweise betrifft diese unauflösliche Kopplung zwischen Messapparat und Messobjekt laut Kopenhagener Deutung zwei qualitativ ganz verschiedene Systeme: Der Messapparat gehorcht der klassischen Physik, das Messobjekt der Quantenphysik. Heisenberg spricht von zwei unterschiedlichen Sprachen" zur Beschreibung der physikalischen Experimente einerseits und ihrer Resultate andererseits.

Mir scheint, in diesem allerdings zentralen Punkt droht der noch herrschenden Kopenhagener Deutung große Gefahr. Die experimentelle Kunst ist nicht mehr nur wie zu Heisenbergs Zeiten fähig, mit großen Maschinen Atome zu spalten und in Nebelkammern die Spuren einzelner Elementarteilchen zu verfolgen, sondern sie schickt sich an, die Messgeräte selbst – oder zumindest ihre feinen Messfühler – auf atomare und vielleicht bald subatomare Größenordnung zu bringen. Beispielsweise gelingt es schon, mit Laserphotonen eine quantenmechanische Zustandsüberlagerung von zwei Teilchen in schneller Folge abzutasten, während der Quantenzustand zerfällt, und quasi aus solchen Einzelaufnahmen einen Film dieser Dekohärenz des Zustands zusammenzustellen. Umgekehrt versucht man, typische Quantenphänomene mit immer größeren – mesoskopischen – Objekten zu demonstrieren. Mit solchen Versuchen, denke ich, wird dem Kopenhagener Dogma vom qualitativen Unterschied zwischen klassisch-makroskopischem Messapparat und quantenphysikalisch-mikroskopischem Messobjekt allmählich ganz praktisch der Boden entzogen. Das bedeutet: Auch der klassische Messapparat gehört in die Domäne der Quantensprache. Alles ist letztlich Quantenphysik – Beobachter und Messgeräte inklusive. Wie die klassische Welt der makroskopischen Alltagsphysik aus den Quantengesetzen hervorgeht oder "emergiert", das vermag die wichtigste Konkurrentin der Kopenhagener Interpretation, die so genannte Dekohärenz, zu erklären. Das Dekohärenzmodell kehrt den Spieß um, den einst Einstein, Schrödinger und Bohm gegen die Kopenhagener zückten: Sie wollten die Quantenwelt klassisch machen, jetzt wird die klassische Welt auf Quantenregeln zurückgeführt. Wenn quantenmechanische Zustandsüberlagerungen durch Dekohärenz zerfallen, entstehen daraus die eindeutigen Zustände, die wir an alltäglichen Makroobjekten gewohnt sind.

Es ist schon bemerkenswert, dass Heisenberg, für den wie für jeden Theoretiker die "Einheit der Materie" der Heilige Gral der Physik war, sein Leben lang eine Deutung der Quantentheorie verteidigte, welche die Wirklichkeit in zwei unversöhnliche Domänen aufspaltete. Der Preis einer klassischen Vereinheitlichung mittels verborgener Parameter a la Bohm war ihm aus gutem Grund zu hoch: Wozu eine zusätzliche Seinsebene einführen, wenn sie physikalisch keinerlei Unterschied macht? Der enorme Preis der umgekehrten Vereinheitlichung mittels Quantendekohärenz hätte ihm – wie heute den meisten Physikern – vermutlich auch nicht behagt. Denn dabei ist der ontologische Aufwand noch viel höher: Dekohärenz ist anscheinend nur um den Preis zu haben, dass die Welt durch jeden Messakt in so viele Parallelwelten aufgespaltet wird, wie es mögliche Messresultate gibt. Dagegen mutet Heisenbergs grauer FAPP-Anzug ja wieder richtig attraktiv an. Vielleicht nicht mehr der letzte Schrei, aber immer noch grundsolide.


8 Kommentare zu “Denkanstöße – Was die Welt zusammenhält”

  1. matthias Antworten | Permalink

    wofür die Kritiker gut waren...

    ...das ist das Erkennen der "richtig seltsamen" Aspekte der Quantenmechanik, wie die Existenz verschränkter Zustände.
    Es waren die Leute, die sich nicht mit der Kopenhagener Deutung zufrieden geben wollten, die ihr Unbehagen damit z.B. im EPR-Paradoxon auf die Spitze trieben und damit nichtlokale Effekte vorhersagten (die eigentlich die QM widerlegen sollten).
    Auch wenn die experimentelle Überprüfung der Kopenhagener Deutung Recht gab (d.h. es gibt tatsächlich nichtlokale Effekte), war dies ein wichtiger Beitrag (zum Unverständnis der Quantenmechanik? oder wie soll man das jetzt sagen?).

  2. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Zitat: Dekohärenz ist anscheinend nur um den Preis zu haben, dass die Welt durch jeden Messakt in so viele Parallelwelten aufgespaltet wird, wie es mögliche Messresultate gibt.

    Das ist gemäss Spektrum Dossier 4/10 "Quanteninformation" zuviel verlangt. Die Dekohärenztheorie bedarf immer noch einer Interpretation und ist kompatibel sowohl mit der Vielwelten- als auch mit der Kopenhagener Interpretation.
    Die Dekohärenz ersetzt den Kollaps der Wellenfunktion, den viele als etwas ausserhalb der Quantenwelt stehendes aufgefasst haben. Dekohärenz ist das Resultat der Interaktion der Umgebung mit einem Quantensystem, wodurch die Quanten-Superpositionen zerstört werden. Zitat Dossier 4/10 Quanteninformation: Die Dekohärenz ist eine zwingende Konsequenz der Schrödinger-Gleichung unter Berücksichtigung der natürlichen Umgebung eines Systems - unabhängig von allen Interpretationsfragen.

    Mit dem Dekohärenzbegriff wird auch der menscliche Beobachter aus seiner Sonderrolle erlöst, denn auch eine Interaktion mit einem Luftmolekül verwandelt eine Superposition lokal augenblicklich in eine klassische Situation, einen Beobachter braucht es dazu gar nicht. Die Dekohärenz beantwortet auch die Frage, was die "klassischen Zustände" auszeichnet, die sich in einer Dekohärenz "materialisieren": Die klassischen Zustände sind eben genau diejenigen, die gegen Dekohärenz resistent sind (Zustände in einer "Mulde").

    Aufbauend auf der Dekohärenztheorie hat inzwischen Wojciech Zurek den ganzen Prozess der Ausbildung von Quantensuperpositionen mit Selektion eines klassischen Zustands über die Dekohärenz zur Theorie des Quantendarwinismus ausgebaut (siehe http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_Darwinism).
    Zitat: Quantum Darwinism explains the transition of quantum systems from the vast potentiality of superposed states to the greatly reduced set of pointer states as a selection process, einselection, imposed on the quantum system through its continuous interactions with the environment. ... In the case of interactions with its environment Zurek and his collaborators have shown that a preferred basis into which a quantum system will decohere is the pointer basis underlying predictable classical states. It is in this sense that the pointer states of classical reality are selected from quantum reality and exist in the macroscopic realm in a state able to undergo further evolution.

    Der Quantendarwinismus ordnet sich in das Begriffsgerüst des universellen Darwinismus ein (siehe http://en.wikipedia.org/wiki/Universal_Darwinism)

  3. Josef Honerkamp Antworten | Permalink

    Dekohärenz und Unschärferelation

    Ich kann Herrn Holzherr nur zustimmen, die Dekohärenz ist in dem Blog falsch beschrieben. Und auch die Heisenbergsche Unschärferelation. Diese folgt nicht aus dem beschriebenen Gedankenexperiment, dieses trifft nicht einmal den wahren Kern der Unschärferelation. Denn dieser Kern hat nichts mit der unvermeidlichen Wechselwirkung zu tun sondern mit der "ontologischen" Unbestimmtheit. Ort und Impuls sind vor einer Messung gar nicht wohl bestimmte Eigenschaften.

  4. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Quantenphysik unmissverständlich erklärt

    Wie man etwas formuliert, ist nirgends so wichtig wie bei Erklärungen der Quantenphysik für ein Allgemeinpublikum.
    Die einleitenden Sätze der deutschen und der englischen Wikipedia-Erklärung des Unschärfeprinzips sind beide korrekt, aber die englische Version räumt mögliche Missverständnisse viel klarer aus:

    Moreover, his principle is not a statement about the limitations of a researcher's ability to measure particular quantities of a system, but it is a statement about the nature of the system itself as described by the equations of quantum mechanics.

    Die Unschärferelation ist nicht die Folge von Unzulänglichkeiten eines entsprechenden Messvorgangs, sondern prinzipieller Natur.

    Beide Formulierungen sind korrekt, aber die Formulierung prinzipieller Natur ist doch weniger klärend als it is a statement about the nature of the system itself

  5. Saddy Antworten | Permalink

    Es gibt keinen Zufall

    Hey das Würfelbeispiel kommt mir bekannt vor ;-)
    Ich fühle mich geehrt!

  6. Michael Springer Antworten | Permalink

    Zu Martin Holzherr, Dekohärenz

    Über die Frage, ob Dekohärenz den Übergang quantisch-klassisch schon erklärt, streiten die Gelehrten. Zurek scheint das zu glauben, Zeh nicht. Das Problem ist: Wie kommt es, dass von den vielen superponierten Zuständen im Messvorgang immer nur einer registriert wird? Wohin verschwinden die anderen? Ich wäre sehr an einer Lösung interessiert, die uns viele Paralleluniversen erspart, muss aber anerkennen, dass Autoritäten wie nicht zuletzt Zeh, ein Begründer des Dekohärenzmodells, einräumen, dass die Dekohärenz den Übergang quantisch-klassisch nur zugleich mit einer Weltenaufspaltung erklären kann. Die Kopenhagener sagen einfach "Kollaps der Wellenfunktion", um die Reduktion der Superposition auf ein Ergebnis beim Messvorgang zu beschreiben – ein außerphysikalischer Sprung. Die Dekohärenzmodellierer haben eine quantenphysikalische Erklärung für den Messvorgang und den Übergang zu klassisch-eindeutigen Zuständen – aber soviel ich weiß kostet das ein Multiversum.

  7. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    @Michael Springer, Dekohärenz

    Besten Dank für die Klarstellung betreffend Dieter Zeh's Dekohärenzmodell, das explizit einen Bezug zur Vielewelten-Interpretation herstellt.

    Dieter Zeh schreibt in http://arxiv.org/...uant-ph/pdf/9506/9506020v3.pdf tatsächlich:
    Because of this dynamical autonomy of decohered world components (“branches”), there is no reason to deny the existence of “the other” components which result from the Schrödinger equation (“many minds interpretation”
    – Sect. 2.3).

    In order to derive the observed Born probabilities in terms of frequencies, we have to postulate merely that we are living in an “Everett branch” with not extremely small norm.

    Persönlich erklärt für mich das Vieleweltenmodell eigentlich nicht mehr als die Kopenhagener Interpretation, denn es scheint ja so, dass die verschiedenen Exemplare der Vielen Welten keinerlei Bezug zueinander haben, so dass die Welten, die sich abspalten ebenso unwichtig sind wie einige Lösungen von Differentialgleichungen, die von Physikern verworfen werden, weil sie unphysikalisch sind. Doch zugegeben: als Nicht-Physiker und Nicht-Mathematiker kann ich das sicher nicht beurteilen. Ich kenne nur die populärwissenschaftliche Sicht der Vielwelteninterpretation.

    Dieter Zeh hat sich übrigens im Spektrum Dossier 4/10 in einem Gastkommentar zu Worte gemeldet, wo er schreibt: Andererseits dürfte die von Everett gezogene Konsequenz von "Mehrfachwelten" von den meisten Physikern weiterhin abgelehnt werden - vorwiegend aus emotionalen Gründen. Diese pragmatische Haltung ist aber auch im Rahmen einer universell gültigen Schrödinger-Gleichung durchaus möglich, wenn man den Begriff der Realität "operationell" versteht.: Als real gilt jeweils nur das, was für die in jedem "Everett-Zweig" separat existierenden Beobachter noch beobachtbar ist.

    Doch ist Zitat
    Wie kommt es, dass von den vielen superponierten Zuständen im Messvorgang immer nur einer registriert wird?
    das einzige Problem der Beschreibung der Quantenwelt mit der Wellenfunktion? Im Kapitel Basic concepts and their Interpretation (siehe http://arxiv.org/...uant-ph/pdf/9506/9506020v3.pdf) erwähnt Dieter Zeh auch das Problem, dass nicht alle denkbaren Superpositionen in der Natur vorkommen. Einige Physiker haben darum sogenannte Superselektions-Regeln postuliert, welche "ungewünschte" Superpositionen ausschliessen.

    Wojzjeck Zurek, den sie erwähnen, hat das Dekohärenzmodell zum Quantendarwinismus (siehe http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_Darwinism) weiterentwickelt und versucht seinen Quantum Darwinism unabhängig von der Interpretation (Kopenhagener oder Viele Welten) zu machen. Im Quantendarwinismus hat Zurek den Gedanken der Superselektion zum Prinzip der environment-induced superselection weiterentwickelt. Bei dieser einselection zerfällt das Quantensystem in eine Mischung von Pointer-Zuständen, welche stabil gegenüber Umgebungsinteraktionen und nicht kohärent sind.

  8. Andreas Schindl Antworten | Permalink

    Essay über Quantenphysik

    Sehr geehrter Herr Professor Springer! Für ein Essay über Quantenphysik würde ich Ihre Meinung zum Manuskriptentwurf benötigen. Darf ich Ihnen dieses zukommen lassen?
    MfG
    Andreas Schindl

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