Physiker streiten sich um eine Deutung der Quantentheorie. Nicht nur die Väter der modernen Physik hatten ihre Schwierigkeiten mit dem neuen Weltbild. Auch am Ende des zwanzigsten Jahrhunderts sind die Physiker uneins, wenn es um die philosophische Interpretation ihrer Wissenschaft geht. In letzter Zeit sorgt ein Professor aus München mit alten Weltverbesserer-Ideen für Wirbel.
“Junger Mann, Sie müssen erst noch Physik lernen!” Um ein Haar hätte Wilhelm Wien, Rektor der Universität München, den 24jährigen Werner Heisenberg aus dem Hörsaal geworfen. Anlaß waren die abfälligen Zwischenbemerkungen des Heißsporns Heisenberg während einer Vorlesung, die Erwin Schrödinger 1926 über die von ihm entwickelte Wellenmechanik hielt.
Damit sich die Wogen glätteten, lud Niels Bohr – Heisenbergs Lehrer – Schrödinger zu sich nach Kopenhagen ein, um über die Probleme zu diskutieren. Die Debatte ging über mehrere Tage und Nächte und strengte Schrödinger so sehr an, daß er krank wurde. “Frau Bohr pflegte ihn und brachte Tee und Kuchen”, erinnerte sich Heisenberg später. “Niels Bohr aber saß auf der Bettkante und redete auf Schrödinger ein: “Aber sie müssen doch endlich einsehen, daß…”
In diesen Tagen schien die Natur Kopf zu stehen. Sie sollte plötzlich kein ordentlich laufendes Uhrwerk mehr sein, der Zufall schien den Mikrokosmos zu beherrschen, die Teilchen vollzogen Quantensprünge, und manchmal war sogar das Prinzip von Ursache und Wirkung aufgehoben.
Auch heute noch bereitet die Quantenmechanik den Physikern Kopfzerbrechen und liefert Zündstoff für hitzige Diskussionen.
Im Juli 1995 organisierte der Münchner Physiker Prof. Detlef Dürr in Bielefeld ein Symposium mit dem provozierenden Titel “Quantentheorie ohne Beobachter”. Gegenüber dem Westdeutschen Rundfunk sprach er von der “Gehirnwäsche”, der sich Physikstudenten heute unterziehen müßten. In der Süddeutschen Zeitung pries sein Assistent Dr. Martin Daumer “anschauliche und unproblematische Weltbilder” als Alternative zur abstrakten Quantenmechanik.
Hört man sich dazu unter Physikern um, stößt man auf Verärgerung. Dürr koche alte Sachen hoch, heißt es, er betreibe Propaganda. “Das nimmt teilweise theologische Züge an”, meint etwa Prof. Axel Schenzle vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. “Ich habe die Diskussion mit Dürr abgebrochen. Sie war unfruchtbar.”
Worum geht der Streit? Stein des Anstoßes ist die “Kopenhagener Deutung der Quantentheorie” – die Interpretation, die Bohr und Heisenberg Anfang 1927 direkt nach Schrödingers Besuch ausheckten. Bohr und Heisenberg haben darin folgende Eigenschaften der Quantentheorie festgeschrieben:
– Statistik des Mikrokosmos: Im Reich der Teilchen regiert der Zufall. Beschrieben wird er durch die Formeln der Quantenmechanik.
– Sonderrolle des Beobachters: Nimmt man in der Welt der Elementarteilchen und Quanten eine Messung vor, beeinflußt man das ganze Experiment. Mit der Messung wird aus vielen Möglichkeiten eine zufällig ausgewählt und damit zur Realität. Mißt man zum Beispiel den Ort eines Elektrons, so weiß man nur im Moment der Messung, wo es sich befindet. Was vorher oder nachher mit ihm passiert, darüber kann man nichts wissen. Nur die Messung und ihre Ergebnisse besitzen “Realität”. Aussagen über die Natur an sich – ohne Beobachter – machen keinen Sinn.
– Komplementarität: Es existieren Paare von Dingen und Eigenschaften, die man nicht gleichzeitig genau wissen kann. Beispiel: In einem Experiment lassen sich entweder der Partikelcharakter oder der Wellencharakter von Licht nachweisen. Oder: Ort und Geschwindigkeit eines Teilchens sind nicht gleichzeitig beliebig genau zu messen. So ist die Position eines Elektrons, von dem man auf 0,1 Kilometer pro Stunde genau weiß, daß es mit tausend Kilometer pro Stunde fliegt, im besten Fall nur auf drei Zentimeter genau bekannt. Man nennt dies auch die Unschärfe- oder Ungenauigkeitsrelation. Will man die Geschwindigkeit noch genauer ermitteln, wird der Ort noch unschärfer.
Wer damit nichts anfangen kann, befindet sich in erlesener Gesellschaft. Albert Einstein, zeitlebens ein Gegner der Quantentheorie, die er durch seine Arbeiten selbst begründet hat, ersann immer neue Gedankenexperimente, die die Kopenhagener Deutung aushebeln sollten. Auf der Solvay-Konferenz in Brüssel 1927 lieferte er sich erbitterte Rededuelle mit Bohr. Paul Ehrenfest beschrieb den Kampf der Giganten so: “Schachspielartig. Einstein immer neue Beispiele. Gewissermaßen Perpetuum mobile zweiter Art, um die Ungenauigkeitsrelation zu durchbrechen. Bohr stets aus einer dunklen Wolke von philosophischem Rauchgewölke die Werkzeuge heraussuchend, um Beispiel nach Beispiel zu zerbrechen. Einstein wie ein Teufel in der Box: Jeden Morgen frisch herausspringend.”
Das berühmteste aller Gedanken-Experimente stammt indes nicht von Einstein, sondern von Schrödinger: Eine Katze wird in eine Metallkiste gesperrt, zusammen mit einer Apparatur, die dafür sorgt, daß die Katze nach einer Stunde mit jeweils fünfzigprozentiger Wahrscheinlichkeit entweder tot oder lebendig ist. In der Apparatur befinden sich einige radioaktive Atome, von denen im Mittel eines pro Stunde zerfällt. Ein Meßgerät registriert das Ereignis und setzt bei jedem Zerfall einen Hammer in Bewegung, der einen Kolben mit Blausäure zertrümmert, die wiederum die Katze umbringt. Genauso wahrscheinlich ist aber, daß keines der Atome zerfällt und die Katze am Leben bleibt.
Schrödingers Vorwurf an die Kopenhagener Physiker: Nach ihrer Auffassung sei die Katze gleichzeitig tot und lebendig. Denn erst wenn die Kammer nach einer Stunde geöffnet wird, tritt ein Beobachter hinzu und legt das Schicksal der Katze fest. Schrödingers Katze, in den Köpfen der Physiker inzwischen unsterblich, untergräbt das klassische Verständnis von Realität, weil die Beobachtung quasi rückwirkend über Tod und Leben der Katze entscheidet. Woher kommt diese Sonderrolle der Messung? Existiert hier eine Schwelle zwischen mikroskopischer und makroskopischer Welt? Oder gibt am Ende gar das Bewußtsein desjenigen den Ausschlag, der die Kiste öffnet?
Die meisten Physiker gehen sehr pragmatisch mit diesem Problem um: “Keine Disziplin der Physik wurde experimentell mehr auf Herz und Nieren geprüft als die Quantenmechanik”, betont Axel Schenzle. “Auch wenn uns nicht alles an dieser Theorie schmeckt: Der Fortschritt der Physik hangelt sich immer am Experiment und an Messungen entlang.” Schenzle vertritt die Ansicht, daß man ein “vernünftiges Maß” an Abstraktion akzeptieren muß.
Quanten-Querdenker Detlef Dürr will sich damit nicht zufriedengeben. Experimente um ihrer selbst willen interessieren ihn nicht. Mittags wartet er auf seine Studenten, um mit ihnen in der Mensa über die tiefere Bedeutung der Quantenphysik zu diskutieren.
Sein Konzept sei “klarer und tieferliegender” und vermeide Paradoxien, sagt Dürr. Sein Konzept: die “Bohmsche Mechanik”. Sie hat ihren Ursprung in der Suche Einsteins und anderer Gegner des neuen Weltbildes nach “verborgenen Parametern” und Mechanismen, die sich hinter den Zufallsgesetzen der Quantenmechanik verbergen.
Lange Zeit schien die Suche nach einer einfachen Interpretation der Quantentheorie erfolglos. Dann stellte 1952 der Amerikaner David Bohm eine alternative Theorie vor. Hoffähig wurde sie aber erst in den achtziger Jahren, nachdem John Bell vom Europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf sie präzisiert hatte.
Die Bohmsche Mechanik ist so angelegt, daß sie die gleichen Vorhersagen wie die Quantenmechanik macht. Sie ist also durch Experimente nicht zu widerlegen und liefert insofern auch nichts Neues. Aber: Das Bild, das sie von der Welt zeichnet, ist ein völlig anderes:
– Die physikalischen Größen sind konkreter als in der Quantenmechanik. Anstelle von “Wellenfunktionen” und “Operatoren”, die als abstrakte Gebilde die quantenmechanischen Teilchen umschreiben, werden hier “reale” Teilchen betrachtet, die man sich ganz konkret als winzige Kugeln vorstellen kann. Ihre Bahnen sind nicht zufällig, sondern deterministisch, das heißt wie in einem Uhrwerk vorherbestimmt.
– Die grundlegende Formel der Quantenmechanik, die Schrödinger-Gleichung, wird durch eine zweite Formel ergänzt, die die Bewegung der Teilchen beschreibt.
– Die Gleichwertigkeit von Ort und Impuls besteht nicht mehr. Die Bohmsche Mechanik arbeitet mit den Orten und leitet die Impulse ab.
– Die scheinbare Unschärfe der Teilchen-Bahnen rührt von einer “Unkenntnis der Anfangsbedingungen” her. Ein Beispiel: Man kann den Ort eines Elektrons deshalb nicht exakt messen, weil man nicht genau wissen kann, woher es kommt.
– Die Messung hat keinen Sonderstatus. Schrödingers Katze ist also – ganz real – tot oder lebendig, je nachdem, in welchem zunächst unbekannten Anfangszustand sich das Schicksals-Atom der Apparatur befunden hatte.
– Die Bohmsche Mechanik ist “nichtlokal”, das heißt, im mikroskopischen Bereich existieren Wechselwirkungen, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit ausbreiten.
Der letzte Punkt wird heute von den meisten Physikern auch für die Quantenmechanik akzeptiert. Im Mittelpunkt steht ein weiteres Gedankenexperiment, das Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen 1935 ausarbeiteten, das “EPR-Paradoxon”. Im wesentlichen geht es dabei um das Beispiel, wie zwei Teilchen auch über große Entfernungen ohne Zeitverlust miteinander kommunizieren können.
Die Frage, ob es diese “geisterhaften Fernwirkungen”, wie Einstein sie bezeichnete, gibt oder ob die Quantenmechanik falsch ist, wurde erst dreißig Jahre später auf verblüffende Art und Weise beantwortet. John Bell machte sich Gedanken über logische Regeln, denen Messungen grundsätzlich unterworfen sind. Dabei fand er seine berühmte “Bellsche Ungleichung” – eine Formel mit praktischer Relevanz: Der französische Laserspezialist Alain Aspect konnte in seinem Labor tatsächlich nachweisen, daß Paare von Lichtteilchen mit Überlichtgeschwindigkeit kommunizieren können.
Faßt man die Aussagen von Bells Geistes- und Aspects Lichtblitzen zusammen, bleibt nur eine Alternative: Entweder man akzeptiert – wie die Bohmsche Mechanik -, daß Teilchen über große Entfernungen Smalltalk mit Überlichtgeschwindigkeit betreiben können. Oder man akzeptiert – gemäß der Kopenhagener Deutung -, daß man keinerlei Aussage über die Katze in der Kiste machen kann. Einziger Ausweg: Man stellt die naturwissenschaftliche Vorgehensweise grundsätzlich in Frage.
Detlef Dürr ist der Ansicht, daß die Bohmsche Mechanik das verständlichere und aussagekräftigere Konzept ist. Dem widersprechen zwei seiner Münchner Kollegen: “Surrealistische Bohm-Trajektorien” lautet der hämische Titel einer Veröffentlichung von Prof. Georg Süßmann von der Ludwig-Maximilians-Universität München und von Dr. Berthold-Georg Englert vom Max-Planck- Institut für Quantenoptik in München. Sie weisen nach, daß auch die Bohmsche Mechanik Dinge enthält, die dem gesunden Physikerverstand widersprechen: Gibt man einem Elektron die Möglichkeit, durch zwei Löcher in einer Wand zu fliegen, und bringt dazu noch an jedem Spalt einen Detektor an, so löst nach der Bohmschen Theorie ein Elektron, das eine Bahn durch eines der Löcher verfolgt, am Detektor des jeweils anderen Loches ein Signal aus. Das bedeutet: Die Teilchen kommunizieren nicht nur mit Überlichtgeschwindigkeit, es ist sogar unklar, wo sie sich eigentlich befinden.
“Wer den Realismus will, der muß diese surrealistische Kröte schlucken”, amüsiert sich Süßmann. Er könne zwar verstehen, daß Dürr sich in die Bohmsche Mechanik verliebt habe, “aber das Versprechen, mehr Anschaulichkeit zu liefern, löst sie nicht ein”.
Noch an einer weiteren Stelle spuckt der ehemalige Assistent Carl Friedrich von Weizsäckers den “Bohmianern” in die Quantensuppe: Weil die Bohmsche Mechanik keine Messung kennt, die aus den vielen Möglichkeiten eine auswählt, sind die anderen Möglichkeiten immer noch vorhanden. Selbst nach Öffnen der Kiste ist Schrödingers Katze sowohl tot als auch lebendig, obwohl nur eine von beiden Möglichkeiten real sein kann.
In diesem Punkt ist die Bohmsche Mechanik sehr nahe an der “Vielwelten-Theorie” von Hugh Everett und John Wheeler. Diese Konstruktion löst das Katzen-Problem, indem es die Realität einfach aufspaltet: in eine Welt, in der die Katze lebendig ist, und in eine zweite Welt, in der sie tot ist. Das Universum wäre danach ein unendlich verästelter “Realitätsbaum” – eine ebenso elegante wie spekulative Erklärung des Problems.
In der Bohmschen Theorie ist zwar einer der Wege durch den Baum “Realität”, aber die anderen Äste sind auch vorhanden, weil sie nicht durch eine Messung beschnitten werden. “Ich nenne das metaphysisches Unkraut”, sagt Süßmann.
Welche Auswege aus der Katzen-Kiste bieten sich noch an? Manche Physiker halten heute ein Konzept für sinnvoll, das auch die Umgebung einbezieht. Das ungeliebte Doppelleben der Katze wird immer unwichtiger, je mehr Umgebungs-Atome man einbezieht.
Auf dem Solvay-Kongreß von 1927 entstand eines der berühmtesten Bilder der Physikgeschichte. Darauf sind – mit Ausnahme Arnold Sommerfelds – sämtliche Väter der Quantenmechanik versammelt.
Anders ausgedrückt: Je mehr man sich aus dem Mikrokosmos entfernt, um so weiter läßt man die Probleme hinter sich. Daß das keine philosophisch befriedigende Lösung bringt, da sind sich Süßmann (“Augenwischerei”) und Dürr (“Das ignoriert das Problem aufs Vollkommenste”) einig.
Süßmann hält es mit der mathematischen Strenge von Johann von Neumann: Er verfolgt die Meß-Kette vom Atom über das Meßgerät, über die Katze bis zum Auge des Beobachters, und kommt schließlich beim Bewußtsein des Beobachters an. Umgekehrt heißt das: Der menschliche Geist beeinflußt über das Gehirn und seine Netzhaut die Vorgänge in der Kiste. “Die Schwierigkeit ist nur”, überlegt Süßmann, “daß man nicht weiß, ob ein Regenwurm oder ein Schimpanse auch ein Bewußtsein hat.”
John Bell hat vor sei nem Tod der “Girardi-Rimini- Weber-Theorie” (GRW-Theorie) die größten Chancen eingeräumt. Dieser Ansatz ist der radikalste: Während die anderen Physiker nur das mathematische Gebäude von verschiedenen Seiten betrachten, machen diese Theoretiker sich an den Grundmauern zu schaffen: Sie verändern die Schrödingergleichung so, daß die vielen Möglichkeiten bei der Messung auf eine reduziert werden.
Weil diese Theorie die Grundformel verändert, kann sie auch experimentelle Vorhersagen machen. Aber erste Doppelspalt-Experimente mit Neutronen, die Prof. Anton Zeilinger von der Universität Innsbruck unternahm, konnten den Ansatz nicht bestätigen – woraufhin die GRW-Theoretiker behaupteten, Zeilinger habe nicht empfindlich genug gemessen.
Nach einem weiteren experimentellen Tiefschlag sahen sie sich gezwungen, in ihrer Formel unterschiedliche Parameter für Atomkerne und Elektronen einzuführen. “Damit ist diese Theorie für mich gestorben”, urteilt Zeilinger. Doch die GRW-Anhänger, die auf Dürrs Bielefelder Tagung stark vertreten waren, geben nicht auf. Sie feilen weiter an ihrem Zusatzterm und harren verbesserter Experimente.
Damit scheint sich eine besondere Spielart des Heisenbergschen Prinzips der Unschärfe auch für die Weltanschauung der Physiker zu bewahrheiten: Entweder man benutzt die Quantenmechanik, ohne sie richtig zu verstehen, oder man versucht, sie zu begreifen – und kann dann mit den Ergebnissen nichts anfangen.
Jan Lublinski
