Der Rezensent ist Physiker und ständiger Mitarbeiter bei Spektrum der Wissenschaft. Physik ohne Realität: Tiefsinn oder Wahnsinn?
Springer, Berlin
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Den Physik-Nobelpreis 2012 verdienten sich zwei "Quantendompteure": Der Amerikaner David Wineland und der Franzose Serge Haroche drangen mit raffinierten Experimenten in den Grenzbereich zwischen klassischer Physik und Quantenmechanik vor (Spektrum der Wissenschaft 12/2012, S. 22). Insbesondere Haroche untersuchte quasi in Zeitlupe das Phänomen der so genannten Dekohärenz – den Übergang einer quantenmechanischen Zustandsüberlagerung in einen eindeutigen, "klassischen" Zustand.
Damit realisierte er ein berühmtes Gedankenexperiment des österreichischen Physikers Erwin Schrödinger (1887 – 1961). An die Stelle der sprichwörtlich gewordenen Katze, die quantenmechanisch bedingt in einem Schwebezustand zwischen Leben und Tod verharrt, solange sie in einem Kasten von der Umwelt isoliert bleibt, trat bei Haroche ein einzelnes Atom. Dieses "Schrödinger-Kätzchen" verlor binnen weniger zehntausendstel Sekunden seinen mehrdeutigen Energiezustand, wenn es mit einigen Photonen wechselwirkte; diese repräsentierten den Einfluss der Umwelt und sorgten dafür, dass das Atom sich für einen bestimmten Zustand entschied.
Solche experimentellen Meisterstücke – zu Zeiten Schrödingers nur in Gedanken ausführbar – sind zunächst pure Grundlagenphysik. Doch sie haben naturphilosophische Konsequenzen. Vielleicht läuten sie sogar einen regelrechten Paradigmenwechsel in der Interpretation der Quantenmechanik ein.
Die noch immer herrschende Kopenhagener Deutung der Quantenphysik, die unter anderem von dem dänischen Physiker Niels Bohr (1885 – 1962) stammt, versteht den Übergang von mehrdeutigen Quanten- zu eindeutigen klassischen Zuständen als "Kollaps der Wellenfunktion" beim Messvorgang. Die Wellenfunktion, die den multiplen Quantenzustand repräsentiert, reduziert sich unter dem Einfluss des Messgeräts irgendwie zu dem, was als eindeutiges Ergebnis gemessen wird.
Die Kopenhagener Deutung ist darum eigentlich eine "Zweiweltentheorie": Die Quantenwelt existiert separat von unserer klassischen Alltagswelt. Der Messapparat, der ganz und gar zur klassischen Welt gehört, zwingt die vieldeutige Quantendomäne gewissermaßen, Farbe zu bekennen und eindeutig Stellung zu beziehen. Erst in dem Moment, in dem wir in Schrödingers Gedankenexperiment den Käfig der armen Katze öffnen, wird sie entweder lebendig oder tot.
Diese Deutung passte Physikern wie Schrödinger und Einstein überhaupt nicht, denn sie macht die Realität – den Zustand der Katze – davon abhängig, ob und wie sie beobachtet wird. Damit schleicht sich in die Physik ein subjektives Moment ein: Der Messvorgang gewinnt eine spezielle Bedeutung gegenüber allen anderen Wechselwirkungen. Erst das Hantieren des Beobachters mit klassischem Laborgerät entlockt der unbestimmten Quantenwelt reelle Daten und Fakten.
Schrödinger und Einstein hielten darum die Quantenmechanik für eine vorläufige, unvollständige Theorie. Dahinter müsse sich eine klassische Ebene verbergen, in der dem Messprozess keine besondere Bedeutung zukomme. Zumindest die erstere Hoffnung hat sich als falsch erwiesen: Die Quanten erlauben keine Rückkehr zur klassischen Physik. Aber heißt das zugleich, man müsse sich mit der Kopenhagener Zweiweltentheorie und der besonderen Rolle des Messvorgangs abfinden? Nicht unbedingt.
Der Heidelberger Theoretiker H. Dieter Zeh vertritt seit den frühen 1970er Jahren einen "Quantenrealismus". Demnach bildet die Quantenwelt die fundamentale Realität, und die klassischen Eigenschaften der gewohnten Alltagswelt müssen selbst durch Quantenprozesse erklärt werden. Den in der Kopenhagener Deutung physikalisch undefinierten "Kollaps der Wellenfunktion" beschreibt Zeh als quantenmechanische Wechselwirkung zwischen dem zur Beobachtung ausgewählten Quantenobjekt und dem ebenfalls quantenphysikalisch zu beschreibenden Messapparat. Die beim Messvorgang auftretende Wechselwirkung ist einfach ein natürlicher Dekohärenzprozess des Typs, wie ihn Haroche experimentell realisiert hat.
Durch Haroches und Winelands Versuche hat der "quantenrealistische" Standpunkt, den Zeh schon seit Langem vertritt, sehr an Plausibilität gewonnen. Je feinere Experimente im Übergangsbereich zwischen Mikro- und Makrowelt gelingen, desto künstlicher erscheint die strikte Trennung zwischen Quantenbereich und klassischer Laborwelt. Bei Haroche – und nicht nur bei ihm – sind die vermeintlich klassischen Messsonden längst selbst von der Größenordnung der zu messenden Quantenobjekte.
Allerdings hat Zehs Quantenrealismus einen gewaltigen Pferdefuß, den er im vorliegenden Buch fairerweise nicht unterschlägt, sondern ausgiebig diskutiert. Die Frage ist ja: Wo bleiben diejenigen in der Wellenfunktion des Quantenzustands angelegten möglichen Messresultate, die im konkreten Fall nicht beobachtet werden? Die Kopenhagener Deutung drückt sich bekanntlich mit der Leerformel "Kollaps der Wellenfunktion" um eine Antwort. Zeh hat zwar eine Antwort anzubieten – aber was für eine!
Wenn wir Zehs Quantenrealismus bejahen – wofür nach meiner Überzeugung die jüngsten Fortschritte der Experimentiertechnik sprechen –, dann müssen wir wohl oder übel hinnehmen, dass die bei dem jeweiligen konkreten Messvorgang nicht beobachteten anderen Systemzustände weiter bestehen. Aber wo? Sie bleiben real, sind aber für uns nicht beobachtbar. Vielmehr existieren sie jeder für sich in einer Parallelwelt mitsamt einem parallelen Beobachter weiter. Damit landen wir bei der Vielweltentheorie nach Hugh Everett (1930 – 1982). Um die Kopenhagener Zweiweltentheorie loszuwerden, haben wir uns Everetts viele Welten eingehandelt. Ein hoher Preis!
Zeh ist ein klarer Kopf und ein scharfer Polemiker. Die Schwächen der Kopenhagener Deutung spießt er gnadenlos auf. Von den Konsequenzen seines Quantenrealismus hat er freilich bisher nur eine Minderheit der Physiker überzeugen können.
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1. Warum viele Welten?
25.04.2013, Olaf Schlüter2. Ein Plädoyer GEGEN viele Welten
10.05.2013, Dieter Eichrodt, Glengarriff (Irland)Das ist eine leider sehr verbreitete Fehlinterpretantion die auf einer platten Verwechslung der Begriffe Möglichkeit und Wirklichkeit beruht. Die Kopenhagener Deutung macht Aussagen über die Zustandsmöglichkeiten und nicht über den Zustand von unbeobachteten Objekten. Das heißt, sie erklärt die Katze für entweder lebendig oder tot, aber nicht für lebendig und tot zugleich. Sie macht den Zustand keineswegs abhängig davon, ob er beobachtet wird oder nicht. Sie errechnet aus dessen Wellenfunktion Wahrscheinlichkeiten für diese Zustände, mit denen wir rechnen müssen, bis zum ominösen "Kollaps" der Wellenfunktion. Der dann eintritt, wenn durch unser Hinschauen die Möglichkeiten durch die Wirklichkeit ersetzt werden.
Dass dabei nichts Ungewöhnliches geschieht, zeigt ein Beispiel aus der Alltagswelt, das Würfelspiel. Die (gleichen) Wahrscheinlichkeiten für jede Augenzahl "kollabieren" in dem Moment zu null beziehungsweise zu eins, wenn der Würfel auf der Tischplatte zur Ruhe kommt.
Seit wir Physik studieren, also seit wir quantitative Vorhersagen zu realen Geschehensabläufen machen, reduzieren wir die unfassbare Komplexität der Realität auf vereinfachende Modelle von ihr. Im Modell können wir Rechnungen durchführen und deren Ergebnisse mit den Resultaten von Experimenten in der Reaität vergleichen. Bei Übereinstimmung ist unser Modell weder "richtig" noch "wahr", sondern brauchbar.
"Quantenrealität" heißt: Es gibt nur eine Realität. Sie enthält den Mikrokosmos und den Makrokosmos. Und alle Erscheinungen in ihr beruhen auf Quantenwechselwirkungen. Ein brauchbares Modell der Quantenrealität ist der nach seinem Erfinder benannte "Hilbert-Raum". Das ist ein formales Konstrukt, in dem die Realität in Form von Operatoren und Zustandsfunktionen nach bewährten Axiomen abgebildet wird. Mit diesen lassen sich als (wellenförmige) Lösungsfunktionen einer von Schrödinger vorgeschlagenen Differentialgleichung Wahrscheinlichkeiten für Ereignisse in der Realität errechnen. Im Gegensatz zur "Zweiweltentheorie" unterscheidet die Kopenhagener Deutung zwischen Realität und ihrem Modell und spricht Letzterem keine physische Existenz zu.
Worauf die klassische Kopenhagener Deutung erweitert werden muss, ist das Phänomen der Dekohärenz. Im Hilbert-Raum werden Merkmale von Quantenobjekten als kohärente Wellen, das heißt als Wellen, deren Phasen jeweils wohldefiniert sind, beschrieben. Kohärenz geht aber verloren, wenn Quantenobjekte mit einer Umgebung interagieren, die aus unübersichtlich zahlreichen Mikroobjekten besteht, deren Phase nicht definiert ist. Zum Beispiel einem makroskopischen Messaufbau. Dieser Informationsverlust heißt "Dekohärenz". Das Dekohärenzphänomen schränkt die Vorhersagetauglichkeit des Quantenmodells ein und liefert die Antwort auf die Frage nach der Grenze zwischen klassischer Welt und Quantenwelt: Es gibt keine! Aber es gibt Brauchbarkeitsgrenzen für physikalische Modelle der Welt, die durch ihren Reduktionscharakter bedingt sind. Eine dieser Grenzen ist es, die durch moderne Experimentiertechnik heute immer weiter zu Gunsten des Quantenmodells verschoben werden kann.
Wir leben in einer Welt, in der mehr möglich ist, als wirklich wird. Möglich ist alles, was die Naturgesetze nicht ausschließen. Beide Feststellungen gelten auch auf der Ebene der Quantenobjekte, für die wir ein Modell haben, mit dem sich quantitative Wahrscheinlichkeiten zu den Möglichkeiten errechnen lassen. Was wirklich wird, macht unsere Welt einzig. Das zwingt uns aber nicht, die Existenz von Parallelwelten zu fordern, in denen das geschieht, was auch in unserer Welt geschehen könnte, aber nicht geschieht.
3. Antwort des Autors
18.05.2013, H. Dieter Zeh, NeckargemündWenn Herr Schlüter schreibt, dass ein Messergebnis "bei der Wechselwirkung irgendwie realisiert werden" muss, so benutzt er damit bereits die phänomenologisch sicher berechtigte Sprache der Kopenhagener "Deutung". Das Problem ist aber, dass diese "Realisierung" mit dem Formalismus der Quantentheorie in Widerspruch steht. Deswegen forderte Niels Bohr unterschiedliche kinematische Begriffe vor und nach der Messung, während von Neumann einen Kollaps in Abänderung der unitären Quantendynamik postulierte und Pauli ein stochastisches "Quantenereignis" als einen "Vorgang außerhalb der Naturgesetze" bezeichnete. Das ist nicht nur unbefriedigend, sondern bereitet auch zunehmend Probleme beim Verständnis moderner Experimente an mesoskopischen Systemen. Die anderen "Welten" (die phänomenologisch nur als "Möglichkeiten" erscheinen) ergeben sich aber laut Schrödinger-Dynamik als dynamische Nachfolger von vor der Messung zweifelsfrei realen Teilzuständen (Komponenten) – werden also keinesfalls einfach postuliert. Was man dann "real" nennt, ist letztlich Definitionssache, aber ich würde jedenfalls den dynamischen Nachfolger von etwas Realem ebenfalls real nennen, auch wenn ich ihn nicht mehr beobachten kann.
Die Konfusion von Möglichkeit und Wirklichkeit ist also in der Quantenphysik keineswegs so "platt", wie Herr Eichrodt das darstellt. So wurde der Vergleich des Quantenmessprozesses mit einem Würfelspiel sehr klar von John Bell widerlegt, aber auch schon lange zuvor haben bekannte Physiker wie u. a. Richard Feynman eine solche Analogie in aller Deutlichkeit zurückgewiesen – etwa mit dem Beispiel einer kohärenten Wiedervereinigung zweier Stern-Gerlach-Strahlen. Tun Sie das mal mit zwei möglichen Ergebnissen eines Würfelspiels!
Es freut mich zwar, wenn Herr Eichrodt viel von Dekohärenz hält. Ich kann dieses Phänomen allerdings auch aus ganz persönlicher Erfahrung nicht als eine Ergänzung der Kopenhagener Interpretation ansehen. Als ich vor über 40 Jahren damit begann, meine Kollegen auf die Bedeutung der "Umgebung" für makroskopische Systeme im Rahmen der Quantentheorie hinzuweisen, gaben mir gerade Kopenhagener die stereotype Antwort: "Dafür ist die Quantentheorie nicht gemacht." Dekohärenz verlangt auch keineswegs, dass irgendwelche Phasen "nicht definiert" oder unbekannt sind. Denn auch wohldefinierte Phasen einer Superposition werden durch diese Wechselwirkung nur auf den verschränkten Zustand mit der Umgebung übertragen – also keinesfalls "zerstört". Genau dieser unitäre Mechanismus, der die Dekohärenz erklärt und den Haroche "in Zeitlupe" bestätigt hat (wie Herr Springer es formuliert), führt aber auf parallele Welten, sobald man auch Schrödingers Katze oder den Beobachter in die quantenmechanische Beschreibung einbezieht (was Haroche als Pragmatiker allerdings nicht tut). Natürlich mag der unitäre Mechanismus irgendwo zusammenbrechen, aber das konnte bisher niemand bestätigen. Ein Kollaps als physikalischer Prozess wäre auch absolut nicht im Einklang mit Kopenhagen.
All das versuche ich natürlich in meinem Buch ausführlich zu beschreiben. Im Physikstudium erlernte Vorurteile sollte man bei der Lektüre allerdings auch einmal beiseitelegen.
H. Dieter Zeh (www.zeh-hd.de)