SERIE PHILOSOPHIE (TEIL 7) | Physik
Das Wesen der Natur
Was ist Realität? Warum läuft Zeit immer nur in eine Richtung? Was bedeutet Kausalität? Antworten auf diese Fragen der modernen Naturphilosophie liefert die Quantenphysik.
Heute gelten folgende Fragen als zentral für die Naturphilosophie: Was sind Objekte? Was sind Raum und Zeit? Was bestimmt die Richtung des Zeitpfeils? Was sind die Grundlagen von Kausalität und Naturgesetzen? Die Quantenphysik wirft eine Reihe von traditionellen philosophischen Antworten auf diese Fragen über den Haufen.
Im Alltag wie auch in der klassischen Physik geht man von einzelnen Objekten aus. Diese "Teilchen" sollen stets einen klar definierten Ort einnehmen und eine eindeutig bestimmte Bahn in Raum und Zeit haben – sie sind "wohlbestimmt".
Die Quantenphysik, die sich in erster Linie mit dem Mikrokosmos beschäftigt, erlaubt hingegen Zustände von Objekten, in denen diese keinen "definiten" Ort und damit auch keine solche Bahn in Raum und Zeit haben


Michael Esfeld, geboren 1966, ist seit 2002
Professor für Wissenschaftsphilosophie an der
Université de Lausanne und leitet zugleich
das Studienprogramm "Wissenschaftsphilosophie und -geschichte" an der ETH Lausanne.
2008 erhielt er den Cogito-Preis für seine
Arbeiten zur Philosophie der Physik. Zuvor war er
2001 bis 2002 Professor für Logik, Erkenntnistheorie
und Wissenschaftsphilosophie an der Universität zu Köln und
2000 bis 2001 Heisenberg-Stipendiat der Deutschen Forschungsgemeinschaft.
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1. Karl Popper und der Objektbegriff
09.06.2011, Norbert Hinterberger, HamburgMan vermeidet mit dieser Argumentation von vornherein einen naiven Materialismus, wie er in unseren Tagen von Mario Bunge und Manfred Mahner präsentiert wird. Mit ‚naiv’ ist hier insbesondere der quasiidealistische Objektbegriff der Autoren angesprochen – Energie wird da als bloße Eigenschaft von Objekten verstanden (und somit als aus ihnen abgeleitet). Ohne Letztere könne es weder Energie noch Naturgesetze geben. Das wird (etwa in "Über die Natur der Dinge", 2004) für meinen Geschmack hinreichend unschlüssig angenommen, denkt man nur an die Gravitationsenergie extrem gekrümmter Räume, bei der gar keine Materie vorhanden ist (Schwarze Löcher oder die Urknallsituation vor dem ‚Knall’).
Systemeigenschaften von Ensembles können von dieser Position aus, die gewissermaßen eine Idealisierung des Objektbegriffs betreibt (da sie ihn entkleidet von allen seinen physikalischen Eigenschaften), nicht als diskrete Realität betrachtet werden. Bei den Nichtlokalitätsphänomenen ist es aber (wie Esfeld ganz richtig referiert) umgekehrt so, dass die Objekte (in Form der Elementarteilchen) ihre Individualität an das verschränkte System abgegeben haben, dem sie, jedenfalls bis zu einer möglichen Dekohärenz, angehören. Dieses ist jetzt also diskret, nicht die einzelnen Teilchen. Egal wie holistisch das System betrachtet werden muss bzw. wie weit voneinander entfernt sich die einzelnen Komponenten befinden mögen.
Mit ihrer Auffassung von Objekten als Primärentitäten können Bunge und Mahner, die übrigens auch gleich noch Objekt mit Entität gleichsetzen (sich also damit jede Möglichkeit zu diskret holistischen Betrachtungsweisen verbauen), natürlich keine realistische Erklärung der EPR-Phänomene oder der Schrödinger-Katze liefern bzw. überhaupt nichts Erhellendes zu Verschränkungen oder Superpositionen sagen. Die dürften bei ihnen nämlich nicht den Status der Diskretion besitzen, weil der für materielle Objekte reserviert sein soll.
Eine bessere Diskretion wäre also wohl von vornherein der Energiebegriff gewesen. Wir sind dann nicht mehr auf den Objektbegriff angewiesen, der uns in der Quantenphysik ohnedies nur Schwierigkeiten bereitet – eben, weil der klassische Partikelbegriff, mit dem wir ja immer noch verbal operieren, nicht auf Quantenteilchen übertragbar ist bzw. in der Quantenmechanik überhaupt keinen Sinn ergibt. Man ist durch eine weit gehend alternative Energievorstellung von Materie (die ja das Masseäquivalent genauso berücksichtigen kann) nicht weniger Realist bzw. Materialist als Bunge und Mahner. Es scheint im Gegenteil so, dass man mit dieser Strategie den bei Bunge und Mahner drohenden ‚idealistischen Materialismus’ vermeiden kann. Das wird uns ja genau genommen schon durch Einsteins berühmteste Gleichung als sinnvoll nahegelegt.
Macht man sich überdies noch eine Priorität der Welleneigenschaft der so genannten Teilchen gegenüber ihrem ja ohnedies völlig unklaren ‚Teilchencharakter’ zu eigen, hat man weitere Schwierigkeiten beim Verständnis der Nichtlokalität vermieden.
Für interessierte Leser kann ich weiterführend zu diesem Thema (ebenso wie zu den wichtigen Begriffen ‚Zeitpfeil’, ‚Entropie’ und ‚Dekohärenz’) Heinz-Dieter Zeh empfehlen (The Direction Of Time, Springer, 2001 oder Entropie, Fischer, 2005). Zum Thema Energie ‚ohne Hülle’ bzw. ohne Materieform kann man Martin Bojowald empfehlen (Zurück vor den Urknall, Fischer, 2010). Da gibt es regelrechte Energiedelikatessen wie etwa universellen Druck in Raumatomen (also quantisiertem Raum) aus dem jeweiligen ‚inversen’ Vorgängeruniversum importiert, die im Nachfolger dann zu normalem Druck werden. Wem das zu abenteuerlich klingt, der mag vielleicht daran erinnert sein, dass Bojowald damit (zumindest theoretisch) das Problem der ‚Dunklen Energie’ lösen kann und überdies mit einem (sich halt ab und an umkehrenden) Universum (mit jeweils inversen Naturkonstanten) auskommt, während aus der M-Theorie (String-Theorie) – so elegant sie ist – eine Inflation von Universen folgt. Außerdem vermeidet Bojowald die Singularität dadurch, dass seine Raumatomdurchmesser sich nur bis auf Plancklänge pressen lassen – von welcher gewaltigen Gravitationskraft auch immer. Das bewahrt uns vor den unendlichen Dichten und Energien, die aus der Annahme eines kontinuierlichen Universums folgen.
Esfeld befreit uns hier mit seiner völlig korrekten Beschreibung der Kausalität auf Quantenebene ganz nebenher auch von der ja ohnedies nicht funktionierenden klassischen Vorstellung von Determinismus. Das hat mir persönlich am besten gefallen. Nicht zuletzt wohl, weil ich seine Auffassung von Kausalität selbst vertrete. Es ist mit diesem gewissermaßen ‚indeterministischen’ Determinismus bzw. der gewissermaßen ‚grobkörnigen’ Kausalität einer modernen Interpretation der Quantenphysik nicht mehr möglich, zu sagen, dass es seit dem Urknall feststand, dass ich heute Morgen Kaffee statt Tee zu mir genommen habe – oder ähnliche Absurditäten.
2. Determinismus in einer nichtdeterministischen Welt
27.06.2011, Dr. Gunter Berauer, MünchenIm vorletzten Absatz des Beitrags wird behauptet, die fundamentalen physikalischen Eigenschaften, sofern sie von der Quantenmechanik behandelt werden, seien kausale Eigenschaften, die sich spontan manifestieren. Wie soll man das aber verstehen? Kausal ist etwas, weil es zwangsläufig aus etwas anderem folgt, wenn sich etwas aber spontan manifestiert, dann ist es eben doch zufällig und nicht kausal begründet. Auch dieser (widersprüchliche) Gedanke einer spontanen Kausalität scheint mir nicht mehr zu sein als der verzweifelte Versuch, den Determinismus in einer nichtdeterministischen Welt zu retten.
3. Drei Bemerkungen
22.08.2011, Eduard Wirsing,UlmDie Folgerung, die Esfeld zieht (und die man häufig liest), ist aber höchst verfänglich: ”SOBALD eines der Objekte einen definitiven Wert annimmt, etwa durch eine Messung, ... erhält das andere AUGENBLICKLICH (meine Hervorhebung) den entgegengesetzten Spinwert.“ Von welchem Augenblick ist überhaupt die Rede? Nach deutscher Grammatik meint der Satz den Augenblick der ersten Messung. Aber welche das ist, hängt im Allgemeinen vom Betrachter ab. Damit ist nicht einmal klar, welches der beiden Teilchen sich ’augenblicklich‘ in einen neuen Zustand begibt. Aber auch, wenn wir uns auf die Sicht eines Beobachters einigen, warum sollen wir an ein augenblickliches Geschehen glauben? Jeder Zeitpunkt bis zur zweiten Messung hätte doch den gleichen Effekt. Dem dramatischen ’Augenblick‘ entspricht kein reales, beobachtbares Ereignis. Da geschieht nichts, was einen Zeitpunkt für sich beanspruchen könnte.
Dass die Ergebnisse der zwei Messungen unabhängig von Ihrem Abstand in Raum und Zeit korreliert sind, bei passender Anordnung bis zu 100%, ist für Physiker wie Philosophen schon an sich eine harte Nuss. Die metaphysische Annahme eines nicht beobachtbaren Ereignisses zu einem nicht bestimmbaren Zeitpunkt an einem nicht bestimmbaren der beiden Teilchen macht die Nuss nicht weicher, taucht sie aber in einen dichten Nebel aus Unklarheit. Ist das nicht gegen physikalische wie philosophische Vernunft?
Zweitens und drittens. Gleich doppelt stoße ich mich an dem Satz: ”Dennoch widersprechen die Korrelationen der Grundannahme der Relativitätstheorie, nach der Ereignisse nur durch Faktoren bestimmt sind, die in deren so genanntem Vergangenheitslichtkegel liegen, also kausal abhängig sind.“
Inwiefern ist Kausalität, oder was hier gemeint ist, eine Grundannahme der Relativitätstheorie? Um die Lorentztransformation anzuwenden, braucht es keine Annahme über Ursache und Wirkung. Die Relativitätstheorie liefert ihren Beitrag zur Formulierung: Vergangen für jeden Beobachter ist der rückwärtige Lichtkegel. Aber ’Grundannahme‘? Ist das kein Missverständnis?
Das Andere hier: Obwohl der zitierte Satz grammatisch nicht ganz klar ist, verstehe ich ihn so, als widersprächen die besprochenen Korrelationen dem Kausalitätsprinzip. Eine absolute Antwort kann es darauf nicht geben, weil der Begriff zu unterschiedlich interpretiert wird. Wie ich Kausalität verstehe, erwächst damit aus dem Phänomen der Verschränkung aber kein Problem.
Das liegt an der Spukhaftigkeit von Einsteins ’Fernwirkung‘. Die ist nämlich schlimmer, als gemeinhin betont wird, und vielleicht hat er selbst das gar nicht so gemeint: Sie bewirkt nämlich gar nichts, der Suggestivwirkung des Wortes zum Trotz. Wir lassen Alice hier auf der Erde und Beth auf dem Mars an einer Serie von verschränkten Elektronenpaaren die Spins messen, und zwar so, dass nicht von vornherein die Zeitfolge klar ist; sonst gibt es nichts Interessantes zu diskutieren. Bei ihren Messungen gewinnt Alice, wenn sie von der Verschränkung weiß, jeweils auch die Kenntnis, mit welchen Wahrscheinlichkeiten Beth ’+‘ oder ’−‘ messen
wird oder schon gemessen hat, wenn ihre Messachse so oder so steht. Beth geht es genauso. Auf die Reihenfolge aber, wer da zuerst misst, finden sie in den Messprotokollen keinen Hinweis! Das ist eine Konsequenz davon, dass wir Verschränkung nicht nutzen können, um Signale (insbesondere nicht mit Überlichtgeschwindigkeit) zu übertragen. Nichts Beobachtbares, keine Wirkung, eben Spuk!
Wieso Signalisieren nicht geht? Der Apparat der Quantenmechanik zeigt, dass beim individuellen Durchmessen einer Teilchengesamtheit, wenn man die Teilchen nach der Messung wieder mischt, die ursprüngliche Gesamtheit neu entsteht. Normalerweise ist das experimentell gar nicht zu schaffen, aber mit den verschränkten Paaren funktioniert es perfekt: Alice misst Beths Teilchen, ohne sie im Geringsten anzufassen, indirekt, nebenher mit ihren eigenen. Darum bleibt Beths Gesamtheit völlig unverändert. An der Wahrscheinlichkeit keines Messergebnisses ändert sich für Beth irgendetwas. All das natürlich umgekehrt mit Blick von Beth zu Alice.
Da also weder Beth noch Alice irgendetwas von der Tätigkeit der anderen bemerken können: Wo nichts verursacht ist, wofür sollten, wofür könnten sie nach einer Ursache fragen? Dabei geht es nicht um die persönliche Wahrnehmung; aber wenn irgendetwas ’den Lauf der Welt‘ ab hier verändern würde, wäre es doch jedenfalls beobachtbar. Eine Verletzung des Kausalitätsprinzips kann ich darum nicht sehen. Aber zurück zur Korrelation der Messreihen. Ihrer Natur nach ist das eine Beziehung zwischen den bei den Messungen erhaltenen Informationen. Sie bewirkt darum bei keiner der beiden Messungen etwas, sondern nur im Vergleich der beiden. Erst, wenn beide Informationen (etwa in einem Computer) zusammengeführt werden, kann ein Signal generiert werden. Das Zusammenführen ist aber nach heutigem Kenntnisstand höchstens mit Lichtgeschwindigkeit möglich. Wenn daher ”Tick“ oder die Explosion ertönt, liegt alles, was kausal dahingeführt hat, vom Erzeugen der verschränkten Teilchen über Alices und Beths Messungen, im rückwäörtigen Lichtkegel, ganz wie es sein soll.
Noch etwas zum Abschluss. Die Tatsache, dass die Messprotokolle auch bei nachträglicher Analyse kein Signal von Alice an Beth oder umgekehrt enthüllen, insbesondere also keine Zeitmarke, zeigt die Verträglichkeit von Verschränkung und spezieller Relativitätstheorie und lässt sofort den Versuch scheitern, mit dem Phänomen der Verschränkung eine absolute Zeit nachzuweisen, wie sie uns in dem Artikel ”Bedroht die Quantenverschränkung Einsteins Theorie?“ von David Z. Albert und Rivka Galchen, Spektrum der Wissenschaft 9/09, eingeredet werden soll. Da dort überdies ohne Begründung behauptet wird, unmittelbare, auch überlichtsschnelle Signale gehörten einfach zu einer nichtlokalen Welt, kann ich diesen unsäglichen Artikel nur für einen groben Bluff halten.
4. Weltverständnis ruht auf antiquarischen Körpersinnen
07.09.2011, Walter Weiss, KasselDas ganze wäre danach nichts als eine überholte Station in der Entwicklung der Philosophie.
Leider läßt der Verfasser indessen ganz wesentliche Aspekte kurzerhand aus:
(1) Die klassische Physik befaßt sich mit dem Raum, der durch die Reichweite unserer körperlichen Sinne gebildet wird. Diesen Raum mit allen seinen Auswirkungen verstehen wir spontan und ohne jede Erklärung.
(2) Die moderne Physik strebt über diesen Raum und seine Grenzen hinaus. Sie drückt die dort jenseits der Grenzen gefundenen Erkenntnisse in mathematischen Formeln aus (die die entsprechenden Gesetze der klassischen Physik als Sonderfall enthalten). Diese Erkenntnisse der modernen Physik können wir also mathematisch erklären - verstehen können wir sie nicht. Das zeigt sich an den ausufernden Versuchen vieler moderner Physiker und Wissenschafts-schreiber, sie uns durch immer neue Beispiele verständlich zu machen - diese Versuche sind aussichtslos, denn
(3) unser Verstand ist genetisch untrennbar mit der Reichweite unserer körperlichen Sinne verknüpft. Er ist wahrscheinlich - günstigstenfalls - nichts anderes als ein abstrahiertes Abbild der Umwelt in diesem Maß. Für weitere Entwicklungen unseres Verstandes hätte die gengeschichtlich lächerlich kurze Zeit seit 'Out of Africa' niemals gereicht.
(4) Richtig verstanden wäre also eine Naturphilosophie, die diesen Namen verdient, nichts anderes als die Erkenntnis dessen, dass unser gesamtes Weltverständnis einzig und allein auf unseren antiquarischen Körpersinnen beruht, auf die alle weiteren Überlegungen, gerade auch die der modernen Physik und der modernen weiteren Naturwissenschaften projiziert sind. Da diese weiteren Überlegungen und Erkenntnisse jeweils, bevor sie zum anerkannten Wissensstand gezählt werden, durch Experimente und Beobachtungen bekräftigt und bestätigt werden müssen, ergibt sich als Resümee die Notwendigkeit einer Kontinuität zwischen dem Raum der Reichweite unserer körperlichen Sinne und dem jenseits davon liegenden Bereich.
Das sind doch recht beachtliche und schöne Ergebnisse einer solchen Naturphilosophie - die diese im Übrigen allen anderen Philosophien haushoch überlegen macht, denn sie beruht allein auf unseren Denkfähigkeiten, der Mathematik und Darwins Evolutionslehre (und nicht auf Derivaten wie Sprache, Religion und sonstigen Weltanschauungen).
5. Verschränkung und Identität
18.11.2011, Alexander Lisibach, Auenstein (Schweiz)Unterstellt man nun dem Zerfall eines Teilchens, dass dessen stehende Welle sich nicht mehr selber schließt, dann müsste dies doch auch für synchrone Wellen gelten, also für verschränkte Teilchen. Folglich müssten also verschränkte Teilchen, die inhärent identisch sind und äußerlich keinen messbaren, unterschiedlichen Einflüssen unterliegen, auch gleichzeitg zerfallen. Täten sie das im Experiment, wäre dies doch der Nachweis, dass diese Identität tatsächlich vorliegt und es scheinbar keine verborgenen Variablen dahinter mehr gibt. Tun sie es nicht, wirken möglicherweise doch verborgene Variablen (Raumzeit?).
Was meinen die Experten? Nebenbei impliziert der Gedanke an einen synchronen Zerfall oder gar eine synchrone Fusion auch die Vorstellung von immensen Energien, die schlagartig freigesetzt werden.