In 200 Jahren schicken wir Studenten durch den Doppelspalt, behauptete kürzlich der amerikanische Physik-Nobelpreisträger Anthony Leggett in Heidelberg. Denn eine Grenze für den Gültigkeitsbereich der Quantentheorie sei noch nicht gefunden.

Den Nobelpreis 2003 erhielt Anthony Leggett von der University of Illinois in Urbana zwar für seine Erforschung der Superfluidität. Mit dem Herzen sei er aber immer bei den Grundlagen der Quantenmechanik gewesen, gestand er seinen Hörern jüngst im Rahmen der Heidelberger "Hans Jensen Lecture", die im Großen Hörsaal des Physikalischen Instituts stattfand. Insbesondere Albert Einsteins Kernfrage beschäftige ihn so lange er denken könne: ob es nämlich eine Grenze der Quantenwelt gäbe. Oder ob ihre seltsamen Prinzipien, die unserer Erfahrung so sehr zuwiderlaufen, auch den Makrokosmos beschreiben.

Vera Spillner
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 Bild vergrößernAnthony Leggett
Der britisch-amerikanische Physiker ist Professor an der University of Illinois in Urbana. 2003 erhielt er den Nobelpreis für seinen Beitrag zur Erforschung der Superfluidität.
In seinem Vortrag bot Leggett einen hörenswerten Überblick über die möglichen Interpretationen der Quantenmechanik und diskutierte einige Experimente, die makroskopische Quanteneffekte sichtbar machen. Startpunkt seiner Betrachtungen: der berühmte "Doppelspaltversuch". Damit ließe sich unmittelbar veranschaulichen, was die Quantenwelt als nicht-klassischen Sphäre kennzeichne.

Wenn ein Objekt mehrere Wege nimmt

Stellt man eine Lichtquelle vor eine Platte mit zwei Schlitzen, hinter die Platte einen Bildschirm, und lässt anschließend einzelne Lichtteilchen nacheinander durch diesen Doppelspalt fliegen, so beobachtet man auf dem Schirm die allmähliche Entstehung eines charakteristischen Interferenzmusters: nämlich mehrere helle und dunkle Streifen nebeneinander. Ein solches Interferenzmuster kann man klassisch – also nach den physikalischen Prinzipien, die vor der Entdeckung der Quantentheorie galten – nicht erklären. Denn dann müsste man davon ausgehen, dass jedes Photon entweder durch den einen oder den anderen Spalt fliegt, dann aber keine Gelegenheit zur Interferenz hat.

Im Gegenteil dazu beweise der Versuch jedoch, dass das Photon beide Wege gleichzeitig nimmt, sagt Leggett: durch den einen und durch den anderen Spalt. Ein Objekt in der Quantenwelt kann sich also an mehreren Orten gleichzeitig befinden (oder allgemeiner: mehrere Zustände gleichzeitig annehmen, die einander in der klassischen Welt ausschließen). So erst erkläre sich das Interferenzphänomen: An den dunklen Stellen interferiert das Photon mit sich selbst und löscht sich aus, an den hellen verstärkt es sich selbst.

In der makroskopischen Welt geht es eindeutig zu

Doch warum lassen sich Beobachtungen wie diese nur im Mikrokosmos machen: Approximiert die Quantenphysik die Realität nur im Kleinen? Zwar ist dies denkbar, doch eigentlich empfiehlt sich die Quantenmechanik als Universaltheorie. Denn ihr (vielbestätigter) Formalismus bietet keinerlei Hinweise darauf, dass sie nicht auch im Makrokosmos gelten müsse.

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 Bild vergrößernInterferenz mit sich selbst
Beim Doppelspaltexperiment nimmt ein Quantenteilchen den Weg durch beide Spalte, einmal von A nach E über B und einmal über C. Gelangt es schließlich zum Messgerät, kann es sich daher selbst verstärken oder auslöschen.
Erwin Schrödinger hielt dieser Überlegung einst ein berühmtes Gedankenexperiment entgegen. Er wollte zeigen, dass die Quantenmechanik unmöglich auch den Makrokosmos beschreiben kann – weil die Welt sonst absurd wäre. Dazu setzte er gedanklich eine Katze nebst einem radioaktiven Atom in eine geschlossene Box. Zerfällt das Atom, löst es eine seitlich angebrachte Pistole aus, die die Katze erschießt. Zerfällt es nicht, bleibt die Katze am Leben. Laut Quantenmechanik gilt aber: So lange niemand in die Box blickt, bleibt das Ergebnis des Experiments offen; es ist nicht entscheidbar, ob die Katze schon tot ist. Denn in der Quantenmechanik fällt die "Entscheidung" für eine bestimmte Realität erst durch den Messprozess selbst (oder, wie manche auch glauben: erst durch die Anwesenheit eines Beobachters).

Muss man also schlussfolgern, dass ohne Messung das Atom tatsächlich, wie es die Gleichungen sagen, zugleich zerfallen und nicht zerfallen ist, somit die Pistole abgeschossen und nicht abgeschossen und die Katze tot und lebendig ist? Oder endet an irgend einer "Station" zwischen Mikro- und Makrokosmos die Gültigkeit der Quantentheorie?

"Zu frustrierend um wahr zu sein"

Verschiedene Reaktionen auf dieses Gedankenexperiment sind seit den 1930er Jahren bekannt geworden, sagt Leggett. Die statistische Interpretation beispielsweise geht von einer rein epistemischen Beschreibung der Welt durch die Theorie aus. Die Quantenmechanik ist ihr zufolge also ein Formalismus ohne echten Realitätsgehalt und nur geeignet für Vorhersagen von Messergebnissen. Über den Zustand der Katze könne man darum nichts aussagen, sondern allenfalls eine Wahrscheinlichkeit für ihr Überleben berechnen.

Letztlich unbefriedigend, findet Leggett. Immerhin verbringe man als Physiker Jahre seines Lebens mit dem Studium der Quantentheorie. Dann zu hören, sie sei nur ein Rechenapparat und man solle sich hüten, ihr einen Realitätsgehalt zuzuschreiben, sei einfach "zu frustrierend, um wahr zu sein".

"Darüber wird man in 200 Jahren lachen"

Muss man also alternativ an die "Vielen Welten" des Hugh Everett glauben? Dieser Interpretation zufolge sind alle quantenmechanischen Möglichkeiten tatsächlich realisiert, so dass es unter ihnen nie zu einer "Entscheidung" kommen muss. Stattdessen beobachten wir, je nachdem in welchem Universum wir gerade sind, entweder eine tote oder eine lebende Katze. Jede Möglichkeit des experimentellen Ergebnisses bringt ein solches Universum hervor – in diesem Fall nur zwei, je nach Experiment möglicherweise aber auch unendlich viele.

"Recht teuer für eine Theorie" findet Leggett diesen Gedanken. Denn für jede Entscheidungsmöglichkeit produziere man mal eben eine Unmenge von Universen. "Wenn Physiker in 200 Jahren zurück blicken, werden sie sich wundern, dass intelligente Menschen so etwas glauben konnten", grinst er.

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 Bild vergrößernViele Welten?
Anthony Leggett ist mit keiner der bisherigen Interpretationen der Quantenmechanik zufrieden. Insbesondere über die Viele-Welten-Theorie werde man in 200 Jahren nur noch lachen.
Zwei anderen Deutungen des Schrödingerschen Experiments kann er sich am ehesten anschließen, der Dekohärenztheorie und der Ghirardi-Rimini-Weber-Theorie. Ersterer zufolge interagiert die (makroskopische) Umgebung mit dem Quantenobjekt – also beispielsweise die Katze mit dem Atom. Dadurch reduziert sich die Zahl der quantenmechanischen Möglichkeiten so lange, bis nur noch ein einziger Zustand übrigbleibt: entweder tot oder lebendig. Demnach befände die Katze sich zu keinem Zeitpunkt in einem Zwitterzustand – zu viel interagierende Umgebung, die das verhindere.

Die GRW-Theorie wiederum postuliert, dass jedes Quantenobjekt nach langer Zeit, im Durchschnitt nach rund 100 Millionen (108) Jahren, spontan "kollabiert" – also seine Zustandsmöglichkeiten auf eine einzige reduziert. Dabei "reißt" es seine Umgebung mit sich, so dass sich diese ebenfalls für eine eindeutige Realität "entscheidet". Weil eine Katze aus rund 1030 Atomen – also Quantenobjekten – besteht, geschähe dies binnen kürzester Zeit: Denn immer werde, erklärte Leggett, zumindest "irgend eines von all diesen Atomen bald dran sein mit dem Kollaps".

Doch nicht die volle Wahrheit?

Heißt das nun aber, dass die Quantenmechanik doch nicht die volle Wahrheit ist? Schließlich müssen ihr die Physiker weitere Annahmen hinzufügen, um die Dekohärenz oder die GRW-Theorie in sie zu integrieren. Zudem seien die entsprechenden Ansätze noch umstritten.

Und trotz all dieser Ideen bleibe ein Problem weiter bestehen: Überraschenderweise lasse sich schlicht und einfach keine Grenze der Quantenwelt angeben, sagt Leggett, so intensiv man auch suche. Denn auch makroskopische Objekte verhalten sich im Experiment letztlich quantenmechanisch, wie seit rund zehn Jahren immer mehr Tests bestätigen. Anton Zeilinger und seine Kollegen etwa hätten im Jahr 2000 in Wien gezeigt, dass sogar ein Fulleren – ein Molekül aus sechzig in spezieller Weise angeordneten Kohlenstoffatomen – am Doppelspalt ein Interferenzmuster erzeugt, also durch beide Spalte geht.

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 Bild vergrößernAnthony Leggett im Gespräch …
… im Gespräch mit Physikerkollege Boris Fine von der Universität Heidelberg.
Und auch aus der Supraleitung seien Beispiele bekannt, wo makroskopische Ladungsflüsse, so genannte Josephson-Flüsse, ein ungewöhnliches Verhalten aufweisen. In einem winzigen supraleitenden Ring nämlich flösse die Ladung sowohl rechts als auch links herum – und realisiert so eine quantenmechanische Superposition; zumindest so lange sie niemand misst.

Verglichen mit unserer Alltagswelt bewegen sich jedoch selbst solche Experimente in sehr kleinen Dimensionen. Schreite man die Größenskala noch weiter aufwärts, falle auf: "Ein Fulleren beinhaltet 1200 Elementarteilchen, ein Staubkorn jedoch 1014 Teilchen.". Existiert vielleicht irgendwo zwischen diesen Größenordnungen die Grenze, an der die Quantenwelt endet und die "klassische" Welt, wie wir sie kennen, beginnt?

Leggett glaubt nicht daran. "In 200 Jahren wird ein Professor seinen wissbegierigsten Studenten am Doppelspalt interferieren lassen", bemerkt er zur Freude seiner Zuschauer. "Denn auch der verhält sich letztlich sicher quantenmechanisch." Seiner Meinung nach wird es auch in Zukunft kein Experiment geben, an dem die Vorhersagen der Quantenwelt scheitern.

Kein Wetteinsatz für die Quantentheorie als Weltfundament

Trotzdem werde man nie definitiv beweisen können, dass die Quantengesetze universell gelten. Denn Experimente können eine Theorie nie endgültig bestätigen, sondern, wie auch Karl Popper einst feststellte, allenfalls falsifizieren. Darum möchte Leggett auch nicht darauf wetten, dass die Quantenmechanik tatsächlich schon die volle Wahrheit sei. Möglicherweise befindet sich die Physik mit ihrem Reduktionismus ja auf dem Holzweg, spekuliert er. Und möglicherweise, fährt er fort, sei das Ganze doch mehr als die Summe seiner Teile.

Auf die naheliegende Frage, wie unsere makroskopisch eindeutige Erfahrungswelt sich denn jemals durch die Quantenmechanik erklären lassen soll, hat aber auch der Nobelpreisträger letztlich keine Antwort. Die Quantenphysiker leben mit einer Doppelmoral, sagt er. Sie hoffen darauf, dass die Quantenmechanik die Wahrheit ist und ersinnen immer neue und "more macroscopic experiments", um zu prüfen, wie weit ihre Vorhersagekraft reicht. Aber letzten Endes, so sei zu erwarten, wird die Theorie schlicht an unserer so gar nicht quantenmechanischen Alltagserfahrung scheitern. Quantenphysiker müssten sich dann auf die Position zurückziehen, dass ihre Theorie womöglich doch nur eine Rechenmaschinerie ist. Der Rest sei einfach Schweigen.

Vera Spillner