Frischer Wind in der Quantenwelt

H. Dieter Zeh
Physik ohne Realit�t: Tiefsinn oder Wahnsinn?
Springer, Berlin

ISBN: 364221889X

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Unl�ngst wurden wir noch "Vom Urknall zum Durchknall " getrieben, jetzt finden wir uns irgendwo zwischen "Tiefsinn oder Wahnsinn" wieder. Wo soll das noch enden? Ich bin mir ziemlich sicher, dass es nicht die Irrenanstalt sein wird. Denn bei Dieter Zeh, emeritierter Professor der Universit�t Heidelberg, geht es physikalisch �u�erst seri�s und fundiert zu. Der Autor ist ein weltweit anerkannter Quantentheoretiker. Wir verdanken ihm unter anderem die Einf�hrung des Begriffs "Dekoh�renz", der die Interpretation der Quantenph�nomene inklusive der Rolle des Beobachters revolutioniert hat. Nach einer langen Zeit des Stillstands, bedingt durch die starre "Kopenhagener Deutung" von Nils Bohr und seinen J�ngern kam durch Zehs Forschungen ab etwa 1970 frischer Wind auf.

Leider haben das viele Physiker noch nicht mitbekommen. Und so h�lt sich eisern der Pragmatismus: Warum soll man sich mit den Grundproblemen der Quantenwelt befassen, wenn alle Voraussagen der Schr�dingergleichung mit h�chster Pr�zision best�tigt werden konnten und sich �berdies zahllose technische Anwendungen ergeben? Dabei wird ignoriert, dass sich nur wenige Schritte abseits vom gewohnten Trampelpfad erkenntnistheoretische Abgr�nde auftun, die an der Realit�t unserer Welt ernsthaft zweifeln lassen. Der Titel "Physik ohne Realit�t" ist also keine �bertreibung!

Die wenigen kritischen Physiker mussten unter Schr�dingers Katze leiden, Maxwells D�mon ertragen oder sich mit Wigners Freund herum�rgern. Hilflos sahen sie dem (fiktiven) Kollaps der Wellenfunktion zu, wurden von diversen Zeitpfeilen bedroht und suchten verzweifelt Zuflucht in Hugh Everetts "Vielen Welten". Ich werde erst gar nicht den Versuch wagen, diese wichtigen Begriffe hier n�her zu erl�utern. Dazu sollten Sie das Buch von Dieter Zeh lesen. Es ist eine Zusammenstellung von Artikeln, Vortr�gen und Web-Essays des Autors aus der Zeit von 1968 bis 2010 (mit dem Fokus auf neueren Arbeiten).

Positiv ist, dass Begriffe wie Messprozess, Dekoh�renz, Verschr�nkung, Viele Welten, Superposition, Nichtlokalit�t, Information, Zeit, Relativit�t oder Quantenkosmologie beharrlich auftreten. Diese Redundanz ist willkommen, denn dadurch werden die Zusammenh�nge immer wieder neu formuliert. Langsam, aber sicher erkennt man, worum es eigentlich geht. Bei einer einzigen Quelle besteht oft die Gefahr, dass man etwas missversteht – trotzt bestem Willen des Verfassers. Dieser glaubt fest daran, dass seine Darstellung eindeutig sei, muss sich aber oftmals wundern, was Leser daraus machen. So entstehen Fehldeutungen, die sich gerne auch fortpflanzen. Bei diesem Buch besteht die berechtigte Hoffnung, dass man es mit einer klaren Sicht der Dinge wieder zuklappt.

Der einzige Haken: Das Niveau ist hoch und es geht durchweg abstrakt zu. Da helfen auch der weit gehende Verzicht auf Mathematik oder die wenigen Grafiken nicht weiter. Der Stil ist gew�hnungsbed�rftig, und es ist zuweilen anstrengend, die komplexen S�tze zu durchdringen. Sicher, die vielen Wiederholungen sind hilfreich – das garantiert aber noch lange nicht die erhoffte Erkenntnis. Vorrausetzung ist ein breites theoretisch-physikalisches Grundwissen. Nur dann wird klar, dass hier ein v�llig neues Fundament f�r die Quantenphysik vorgestellt wird, das mit vielen gewohnten "Wahrheiten" bricht. Zentral ist f�r mich Zehs Zusammenstellung der "Popul�ren Missverst�ndnisse �ber die Quantentheorie". Hier wird mit vermeintlich sinnvollen Konzepten aufger�umt, wie der Dualismus, die Komplementarit�t oder die statistische Interpretation der Quantenmechanik. Wichtig ist auch die Betonung des (vieldimensionalen) Konfigurationsraums, der nur bei speziellen Prozessen identisch mit dem Ortsraum ist. Das wird oft �bersehen und f�hrt zu fatalen Missdeutungen.

Auf 218 Seiten offenbart der Autor viel von seiner Gedankenwelt und weicht auch den unvermeidlichen philosophischen Fragen nicht aus. Er greift dabei wichtige Themen auf wie etwa Julian Barbours "Zeitlosigkeit" oder die Rolle der Wheeler-deWitt-Gleichung. Das Buch hebt sich wohltuend von vielen anderen ab, die heute den popul�rwissenschaftlichen Markt �berschwemmen. Oft hat man den Eindruck: Das hat man alles schon irgendwo gelesen beziehungsweise der Verfasser will nur einen schnellen Euro machen (da kann ich Stephen Hawking leider nicht ausnehmen). Dieses Gef�hl stellt sich hier �berhaupt nicht ein: Man liest das Original – und das hat mit Popul�rwissenschaft nicht viel zu tun.

1. Zeh und Bojowald

09.02.2012, Norbert Hinterberger, Hamburg

Zu 'Physik ohne Realit�t' (Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012) von H. Dieter Zeh und 'Zur�ck vor den Urknall' (S. Fischer-Verlag, 2010)von Martin Bojowald:

Die Schr�dingergleichung ist die wohl bestgest�tzte Gleichung, �ber die die Physiker verf�gen. Ihre geradezu notorische Bew�hrung in allen Experimenten legte offenbar schon sehr fr�h nahe, dass sie universell g�ltig sein k�nnte.

Heinz Dieter Zeh kritisierte schon 2008 (im SPEKTRUM, 04, 08, S. 32) erneut die pragmatistische Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik, die permanent inkonsistent zwischen Quantenbegriffen und klassischen wechselt � im Stil des antirealistischen bzw. pragmatischen �doublethink�, dem sich immer noch viele Physiker anvertrauen. Er macht das wieder von seiner konsistenten Theorie der Quantendekoh�renz (1970) aus. Konsequent quantenphysikalisch zu argumentieren, hei�t f�r ihn, dass man, anders als bei den Kopenhagenern, �auch den Beobachter und den �Rest der Welt� in die quantenmechanische Beschreibung einbezieht�. Wenn man das t�te, lande man �bei der Everett-Interpretation, wonach die Quantensuperposition aller Messergebnisse weiterhin existieren muss� � eine Konsequenz der Dekoh�renz.

Ferner beklagt er zu Recht, dass die Dekoh�renz �zwar in aller Physiker Munde� sei, h�ufig genug aber ganz und gar missverstanden, bis hin zu der Vorstellung, dass sie �Ensemble erzeuge oder den Kollaps der Wellenfunktion beschreibe und somit Everett-Welten zu vermeiden gestatte. Das ist jedoch reines Wunschdenken, denn genau das Gegenteil ist richtig!� (H. D. Zeh, Wozu braucht man �Viele Welten� in der Quantentheorie, 2007, Web-Essay - www.zeh-hd.de)

In seinem Buch von 2012 findet sich nun eine Sammlung von neueren und �lteren Aufs�tzen und Essays, die sich trotz ihrer fachlichen Schwierigkeiten f�r einen kritischen Realisten wie eine Erl�sung von der antirealistischen Kopenhagener �Nicht-Interpretation� liest. Aber darauf hat ja schon Wolfgang Steinicke sehr sch�n und kompakt in seiner Rezension aufmerksam gemacht. Ich m�chte deshalb unter Bezugnahme auf dasselbe Buch und auf Bojowalds wichtiges Buch Zur�ck vor den Urknall (S. Fischer Verlag, 2010) in aller gebotenen K�rze versuchen, die Kompatibilit�t dieser beiden Kosmologen bez�glich der Begriffe �Kollaps� und �Dekoh�renz� zu �berpr�fen.
Es scheint bei Bojowald eine nichteindeutige Verwendung der Begriffe Kollaps und Dekoh�renz zu geben:

�(�) so bringt eine Messung an einem quantenmechanischen System dieses in einen definitiven Zustand durch den Kollaps der Wellenfunktion.� - Martin Bojowald, Zur�ck vor den Urknall (S. 62.)

Diese Bemerkung ist, angesichts des immer noch sehr einflu�reichen (�Kopenhagener�) Verst�ndnisses des Begriffs �Kollaps der Wellenfunktion� mindestens ambivalent. Man k�nnte sie sogar als falsch bezeichnen, wenn man nicht aufgrund des Kontextes, den Bojowald insgesamt anbietet, annehmen m�sste, dass er damit den Vorgang der Dekoh�renz meint � und einen �scheinbaren� Kollaps, wie auch Zeh. Der erkl�rt den beschriebenen Vorgang mit dem Dekoh�renz-Begriff. In seinem neuesten Buch Physik ohne Realit�t: Tiefsinn oder Wahnsinn? (Springer, 2012, S. 25.) schreibt er:

�Die empirisch begr�ndete Dynamik der Wellenfunktionen f�hrt (�) dazu, dass zwei wechselwirkende Systeme nicht einzeln, sondern nur gemeinsam eine solche �besitzen� k�nnen.�

Durch die Bezeichnung �Dekoh�renz� ger�t im �brigen wohl zumindest f�r den physikalischen Laien auch gerne mal in den Hintergrund, dass ja bei jeder Dekoh�renz des jeweils gest�rten Systems (also des vermeintlichen �Kollapses�), wenn man nur dessen St�rung betrachtet, zwangsl�ufig eine neue und gr��ere Superposition des nun �bergeordneten Systems (�gest�rtes System� mit �st�rendem System�, also eine Weiterverzweigung der Wellendynamik) entsteht.

Zeh schreibt:

�Genau diese Nichtlokalit�t hat zur Vorhersage der Ergebnisse der Bellschen Experimente gef�hrt. Denn wenn die beiden Quantenobjekte, die urspr�nglich in Wechselwirkung standen, nur einen gemeinsamen Zustand (eine gemeinsame Realit�t) besitzen, so ergibt sich daraus, dass die Messung an einem davon uns auch etwas �ber das andere sagt. Man muss also konstatieren, dass die Quantenmechanik bei dem Versuch, die Wirklichkeit zu beschreiben, den Begriff lokaler realer Zust�nde aufgeben muss � nicht aber den einer global definierten Realit�t.� (S. 25)

Die Behauptung des Kollapses der Wellenfunktion betrachtet Zeh �brigens an anderer Stelle als �quivalent zur Behauptung, die Wellenfunktion w�rde im Falle der Messung ung�ltig. Das war (insbesondere, da Zeh die Wellenfunktionen nicht nur als formale Gleichungen, sondern auch als physikalisch existent betrachtet) eine scharfe Kritik an der Kopenhagener Interpretation, die sich ja auch f�r die subatomaren Beobachtungen bzw. Messungen resignativ auf die klassische Physik zur�ckgezogen hatte. Sie wollten also gar nichts mehr zu den quantenphysikalischen Verh�ltnissen sagen, au�er, dass die Wellenfunktion eben w�hrend der Messung kollabiere. Das war nat�rlich als Erkl�rung f�r scheinbare Punktteilchen gedacht. Das hie�e aber, dass auch alle anderen Wechselwirkungen in der Natur zu jeweiligen �Kollapsen� f�hren m�ssten, denn sie sind physikalisch �quivalent zu Messungen.

Was Bojowald als Kollaps bezeichnet, scheint dagegen der Vorgang der Dekoh�renz zu sein, bei dem die physikalische Wellenfunktion in mehrere irreversibel verschiedene Teilwellenfunktionen auf gespalten wird (unsere klassische Welt ist dann nach Zeh nur eine Teil-Sicht dieser physikalischen Funktionen, n�mlich die, die wir zuf�llig � im Sinne von prinzipiell unvorhersehbar - gemessen haben). Alle Eigenschaften, die das beobachtete System besitzt, k�nnen dabei aber jeweils eine eigene Teilwellenfunktion gestalten. Der Vorteil dieser physikalischen Interpretation der Wellenfunktion: Redet man �ber alle Teilwellenfunktionen als globale Einheit, kann man zwanglos alle scheinbaren Widerspr�che der Wellen�berlagerungen (Katze tot und Katze lebendig) erkl�ren � sie existieren eben unabh�ngig voneinander in jeweils eigenen Teilwellenfunktionen. Und wenn man die nicht gleich als verschiedene �Welten� (im Sinne Everetts), sondern einfach erst mal neutraler als Teilwellenverzweigungen (ohne kausalen Einfluss aufeinander) bezeichnen will, insbesondere da sie ja auch nach Zeh selbst in ein und demselben Universum (n�mlich in unserem) existieren (welches die gesamte Superposition aller Wellenfunktionen bildet), gelangen wir damit zu einem Realismus, der nicht nur dem resignativen Antirealismus der Kopenhagener klar �berlegen ist, sondern vielleicht auch den Ableitungen proliferativer Universen der String-Theoretiker. Denn Bojowald und Zeh kommen beide mit einem Universum aus. Bojowald insistiert �berdies ebenso stark wie Zeh darauf, dass wir uns von dem g�ngigen (bzw. unverstandenen) Teilchenbegriff verabschieden m�ssen und h�lt ebenso die Wellenfunktionen (�ber die ja ohnedies jedes �Teilchen� verf�gt � wie wir aus den Schirm-/Schlitz-Experimenten wissen) f�r prim�r.
Ich halte den scheinbaren Gegensatz von Bojowald und Zeh also f�r eine reine Begriffsverwirrung bei prinzipiell gleicher Sichtweise, was die Konsequenzen des Messvorgangs angeht. Man sieht das auch ganz gut an Bojowalds Schilderungen (Zur�ck vor den Urknall, S. 82). Er schreibt dabei ganz �hnlich wie Zeh, dass die �Verschr�nkung von Wellenfunktionen sehr empfindlich auf winzige St�rungen� reagiert: �Schon einzelne Luftteilchen oder Licht oder, in einem dunklen Vacuum, W�rmestrahlung beeinflusst die Wellenfunktionen so sehr, dass sie in einem Dekoh�renz genannten Prozess, gleichsam in Reiz�berflutung ihre vorherige Verschr�nkung vergessen.� Der Mechanismus, den er f�r die Dekoh�renz angibt unterscheidet sich allerdings etwas von Zehs Interpretation: � In diesem Meer von unregelm��igen St�rungen gehen die Details der verschr�nkten Interrelation unter. �hnlich sieht auch die Welt auf gro�en Skalen klassisch aus, weil die Fluktuationen und Verschr�nkungen leicht zerst�rt werden. Im Kleinen allerdings, in der mikroskopischen Physik oder in sehr genau konstruierten Experimenten, k�nnen St�rungen oft lange genug in Schach gehalten werden, so dass sich hier die ungewohnte Welt der Quantenphysik enth�llt.� Und �ber Schr�dingers Katze sagt er: �Die Atome der Substanz befinden sich streng genommen zwar in einer �berlagerung, aber der Beitrag des zerfallenen Zustandes ist sehr klein.� (S. 82.)
Zeh w�rde diese Beschreibung vermutlich als inkonsequent betrachten und behaupten, dass die beiden Zust�nde (zerfallen/nicht zerfallen) in diesem Moment in zwei verschiedenen sich aufspaltenden Wellenverzweigungen (allerdings nun ohne kausalen Einfluss aufeinander) weiterexistieren, denn das folgt aus der Schr�dingergleichung. So jedenfalls kann kein Widerspruch und auch keine �pl�tzliche Ung�ltigkeit� (�Kollaps�) der Wellenfunktion auftreten. Die klassischen Messresultate (zerfallen oder eben unzerfallen) w�rden rein subjektiv f�r die jeweiligen Beobachter auftreten. Redet man von der klassischen Position aus von einer Tot-Lebendig-�berlagerung (wie kurz oder schwach auch immer), ergibt sich ein kontradiktorischer Widerspruch. Das findet laut Zeh dann n�mlich in einer einzelnen Wellenverzweigung statt, die wir (subjektiv) f�r die komplette Welt halten. Subjektiv in dem Sinne, dass in jeder anderen Wellenverzweigung andere Kopien von uns existieren, die dann konsequenterweise ebenfalls nur subjektiv urteilen. Das war vermutlich auch der Grund f�r den resignativen R�ckzug der Kopenhagener auf die klassische Messsituation, in der die Quantenverh�ltnisse einfach als irrelevant ignoriert wurden. Zeh und andere haben dagegen darauf aufmerksam gemacht, dass dieser Antirealismus nicht die Quantenwirklichkeit beschreiben kann. Quantenphysikalisch schl�ssig m�ssen im Falle von Dekoh�renz (die eben bei jeder beliebigen Wechselwirkung auftritt, nicht nur bei Messungen) alle �berlagerungs-Zust�nde in sich aufspaltenden Teilwellen unabh�ngig voneinander weiter existieren bzw. sich weiter entwickeln. Nur so kann man anscheinend den logischen Widerspruch A&~A (tot-und-lebendig) vermeiden. In der gesamten Wellenfunktion entwickeln sich beide Zust�nde zugleich objektiv (jeder in seiner unabh�ngigen Wellenverzweigung) weiter.

Wie sich die Wellenvorstellung auch f�r �scheinbare� Teilchen bei Zeh sozusagen �immer weiter ausbreitet�, kann man in seinem j�ngsten Web-Essay (�Die sonderbare Geschichte von Teilchen und Wellen�) verfolgen.