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Quantenphysik

Sieht so die Quantenmechanik aus?

Gegen viele quantenphysikalische Phänomene sträubt sich unsere Intuition mit aller Macht. Umso beeindruckender ist es, wenn Derek Muller mit hüpfenden Silikontropfen den Tunneleffekt und das Doppelspaltexperiment reproduziert.
Is This What Quantum Mechanics Looks Like?

Veröffentlicht am: 02.11.2016

Laufzeit: 0:07:40

Sprache: englisch

Untertitel: englisch

Veritasium ist ein Wissenschaftskanal auf YouTube des australisch-kanadischen Filmemachers Derek Muller. Die Videos, die bei Kritikern oft positive Resonanz hervorgerufen haben, reichen von Experteninterviews über wissenschaftliche Experimente bis hin zu Songs.

Seit Begründung der Quantentheorie streiten Physiker um deren Deutung. Hinsichtlich ihres mathematischen Formalismus stimmen sie zwar miteinander überein – er "funktioniert", liefert also korrekte Ergebnisse –, doch herrscht Uneinigkeit darüber, was seine Gleichungen über die Realität aussagen. Viele Physiker bevorzugen die um 1927 erstmals vorgeschlagene so genannte Kopenhagener Deutung. Dieser zufolge lässt sich die in den Gleichungen auftauchende Wellenfunktion Ψ (Psi) als genau das verstehen, was man über quantenmechanische Objekte überhaupt wissen kann: als eine vollständige Beschreibung der Realität.

Doch es gibt konkurrierende Ansätze. Der wichtigste ist die "Führungswellen"- oder "Pilot Wave"-Interpretation. Genau diese führt Wissenschafts-YouTuber Derek Muller auf seinem berühmten Kanal Veritasium vor: mit Hilfe von Tropfen aus Silikonöl, die sich hüpfend über eine Oberfläche aus derselben Flüssigkeit bewegen.

Tatsächlich lohnt es, sich mit der Führungswellen-Interpretation zu beschäftigen. Wirklich befriedigend erscheint nämlich auch die Kopenhagener Deutung nicht. Die radikalen Konsequenzen, die sie mit sich bringt, lassen sich mit unserer Intuition schlicht nicht in Einklang bringen. Beispielsweise folgt aus dem Verhalten von Ψ, dass die Welt auf subatomarer Ebene fundamental statistisch sein muss. Anders formuliert: Aus einer Ursache A folgt nicht notwendig eine Wirkung B, stattdessen tritt B nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein. Aus A kann auch C oder D folgen, jeweils mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten.

Auch erlaubt Ψ nicht, dass bestimmte Objekteigenschaften wie Ort und Impuls gleichzeitig einen definierten Wert haben (siehe hierzu die Unschärferelation). Je genauer man den Ort eines Objekts kennt, desto weniger genau kann man seinen Impuls in Erfahrung bringen – der Mikrokosmos erscheint verschwommen. Dies ist nicht lediglich deshalb der Fall, weil wir ihn nicht präzise vermessen könnten, sondern aus prinzipiellen Gründen, die tief in der Quantentheorie liegen.

Viele Physiker, darunter Albert Einstein, waren mit diesen Konsequenzen der Kopenhagener Deutung unzufrieden. Schon im Jahr ihrer Entstehung gelang Louis de Broglie aber ein Gegenentwurf, den David Bohm 1952 noch einmal erweiterte: eben die genannte Führungswellen-Interpretation. Dieser Theorie zufolge beschreibt Ψ die Realität der Objekte gerade nicht vollständig. Vielmehr müsse Ψ um Information über den jeweiligen Ort eines Teilchens ergänzt werden. Anschaulich beschrieben heißt das: Legt man ein Teilchen an einen bestimmten Ort auf die Oberfläche der Ψ-Welle, so wie ein Staubkorn auf eine Wasseroberfläche, wird es von dem Ψ-Feld geleitet und erhält so seine Eigenschaften.

2005 fanden französische Physiker um Yves Coudet eine Möglichkeit, diese Anschaulichkeit auf die Spitze zu treiben. Sie zogen aus Silikonöl Tropfen heraus, die anschließend sehr lange über dessen Oberfläche hüpften und sich in ihrer horizontalen Richtung von den dabei entstehenden Wellen beeinflussen ließen. Beeindruckenderweise konnten die Forscher mit Hilfe der Tropfen die wichtigsten quantenmechanischen Effekte reproduzieren, wie etwa das Doppelspaltexperiment, den Tunneleffekt oder den Umstand, dass Teilchen sich nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit an einem bestimmten Ort aufhalten – all dies, ohne dass Quantenteilchen mit im Spiel gewesen wären.

Genau dieses Experiment führt uns nun Derek Muller vor. Seine auf und ab springenden Tröpfchen sind Teilchen mit definiertem Ort, die beim Herabfallen auf die Öloberfläche Wellen auslösen. Fallen sie anschließend erneut herab und treffen auf eine der entstandenen Wellenflanken, werden sie von dieser zur Seite abgelenkt – sie beginnen zu wandern und werden so zu Teilchen, die von einem Wellenfeld geleitet werden. Die Analogie zur de Broglie-Bohm-Theorie ist augenfällig.

Dank der Führungswellen-Interpretation erscheinen uns physikalische Objekte also wieder vertrauter: Sie muten nicht länger verschwommen an, ihr Ort ist stets wohldefiniert. Auch verschwindet der Wahrscheinlichkeitscharakter der Theorie: Zusammen mit einer weiteren Bewegungsgleichung und konkreten Anfangsbedingungen legt Ψ nun den Pfad eines Teilchens eindeutig fest, statt ihn mit statistischen Mitteln zu beschreiben.

Dummerweise hilft die Theorie aber kaum weiter, denn experimentell lässt sie sich weder bestätigen noch falsifizieren: Da wir die Anfangsbedingungen eines Experiments nie exakt feststellen können, bleibt uns auch die exakte theoretische Vorhersage des Pfads, entlang dessen sich ein Teilchen bewegt, stets verwehrt. Zudem sprechen weitere Gründe gegen sie.

Auch hüpfende Silikontröpfchen machen einen Mikrokosmos, in dem Quantenteilchen nicht rätselhaft erscheinen, sondern uns vertrauten Regeln gehorchen, also nicht wahrscheinlicher. Ausschließen lässt er sich aber natürlich auch nicht. Wer ein Gefühl dafür bekommen will, wie unsere Welt im Innersten vielleicht doch aussieht: Derek Muller vermittelt es hier in aller Kürze und Anschaulichkeit. Unbedingt ansehen!

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