„Die verdammte Quantenspringerei"

„Niemand versteht die Quantentheorie”, war Richard Feynman überzeugt – obwohl seine eigenen Arbeiten zur Quantenphysik 1965 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden. Das liegt vor allem am Doppelspalt-Experiment (siehe Grafik rechts „Seltsames Zusammenspiel”). Die dabei messbaren Überlagerungszustände von Strahlung oder Materie – bizarrerweise auch von einzeln nacheinander losgeschickten Partikeln wie Elektronen, Neutronen oder sogar Makromolekülen – tragen „das Herz der Quantenmechanik in sich” und sind „unmöglich, absolut unmöglich auf klassische Weise zu erklären”, betonte Feynman. Das Experiment „enthält das gesamte Rätsel der Quantenmechanik”, spitzte er zu. „Welcher Mechanismus steckt dahinter? Niemand weiß es. Niemand kann eine tiefere Erklärung dieses Phänomens geben.”

Das schrieb er 1967. Seither hat die Quantenphysik – in der Theorie und vor allem im Experiment – atemberaubende Fortschritte gemacht. Doch Feynmans zentrales Rätsel ist noch immer ungelöst. Nicht nur der Laie hat hier seine Schwierigkeiten mit Anschauung und Intuition, sondern auch der Spezialist. Allerdings kann dieser sich auf den mathematischen Formalismus zurückziehen, und der funktioniert. „Shut up and calculate!”, wird der neugierig-zweifelnde Student deshalb oft ermahnt – ein unter Forschern bereits klassisches Zitat, das auf einen 1989 publizierten Artikel von David Mermin zurückgeht, Physik-Professor an der amerikanischen Cornell University. Werner Heisenberg hatte sich vornehmer ausgedrückt, aber dasselbe gemeint: „Die Quantentheorie ist so ein wunderbares Beispiel dafür, dass man einen Sachverhalt in völliger Klarheit verstanden haben kann und gleichzeitig doch weiß, dass man nur in Bildern und Gleichnissen von ihm reden kann.”

intuitiv nicht zu verstehen

Am Rand der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft im März in Stuttgart kam es über Feynmans Bonmot zu einem kleinen Schlagabtausch zwischen zwei Nobelpreisträgern, deren Forschungen die experimentelle Quantenphysik wesentlich vorangetrieben haben.

„Feynman wollte nur kokettieren oder provozieren”, widersprach Wolfgang Ketterle vom Massachusetts Institute of Technology der These, dass niemand die Quantenphysik verstünde. „Viele Probleme sind philosophischer Natur. Sie betreffen nicht die Physik, sondern unsere Intuition.” Die größte Schwierigkeit, so Ketterle, sei die Wellenfunktion des ganzen Universums – also sein Quantenzustand. „Wie misst man die?”, fragte er. „Für die Wissenschaft und Technik spielt das aber keine Rolle.” Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München widersprach: „Wir verstehen nicht, warum unsere Erklärungen funktionieren, und hoffen auf eine tiefere Erklärung.”

„Wir haben kein intuitives Verständnis”, räumte Ketterle ein. „ Aber als Wissenschaftler verstehen wir bei der Arbeit unsere Werkzeuge, das ist kein Problem. Wir haben eine mathematische Beschreibung und könnten sie technisch umsetzen. Die philosophische Frage nach der Wirklichkeit ist natürlich etwas anderes.” Und nachdenklich ergänzte er: „Es ist unklar, ob die Welt fundamental statistisch ist oder nicht. Aber für die Praxis genügt der statistische Formalismus und erlaubt überprüfbare Vorhersagen.”

WÜRFEFLT GOTT?

Damit sprach Ketterle ein Problem an, das schon Albert Einstein umgetrieben hatte: Herrscht im Quantenreich wirklich unergründlicher Zufall, wie es die Heisenbergsche Unschärferelation und der ominöse „Kollaps” der Wellenfunktion nahe legt? Oder gibt es dahinter verborgene Gesetzmäßigkeiten, die alles genau bestimmen?

Einstein glaubte Letzteres, wofür sein Ausspruch „Gott würfelt nicht” berühmt wurde. Wörtlich schrieb er 1926 in einem Brief an Max Born, dass „der Alte … nicht würfelt”. Einstein hatte damit keine theologische Aussage im Hinterkopf, sondern meinte lediglich, dass der Quantenzufall von einer vollständig deterministischen Theorie abgelöst werden würde, wonach es keine unverursachten Ereignisse gibt.

Darüber wird nach wie vor debattiert. Zwar hat die Quantentheorie inzwischen viele weitere Tests bestanden – sogar Gedankenexperimente wurden inzwischen realisiert, wie sie Einstein 1935 zur Widerlegung ersonnen hatte. Dabei wurden Quanten miteinander „verschränkt”, die voneinander zu „wissen” schienen, obwohl sie so weit voneinander getrennt waren, dass es keinen Informationsaustausch zwischen ihnen geben konnte. Diese Experimente haben den Spielraum für „verborgene Variablen” in den letzten 30 Jahren immer stärker eingeengt. Aber noch immer gibt es Schlupflöcher, und ein universaler Determinismus ist keineswegs erledigt.

„ZÜRICHER LOKALABERGLAUBE”

Auch Erwin Schrödinger glaubte nicht an den Zufall und die Realität eines „Kollapses” der Wellenfunktion, sondern sah dahinter „nur einen bequemen Rechentrick”. Er hielt seine Gleichung für „ein abstraktes, nicht intuitives mathematisches Konstrukt”.

Das gefiel den Matrizenmechanikern um Werner Heisenberg allerdings gar nicht. Wolfgang Pauli hatte Schrödingers Wellenmechanik sogar als „Züricher Lokalaberglauben” bezeichnet, entschuldigte sich später aber dafür in einem Brief und betonte, damit nur zum Ausdruck gebracht zu haben, „dass die Quantenphänomene in der Natur solche Seiten zeigen, die nicht mit der Kontinuumsphysik allein erfasst werden können”.

Auch Heisenberg kritisierte Schrödinger bei der ersten Begegnung scharf. Nachdem Schrödinger an der Universität München einen Vortrag gehalten hatte, bezweifelte Heisenberg, dass sich mit einem kontinuierlichen Modell quantisierte Prozesse wie der Photoeffekt und die Strahlungsabgabe eines Körpers erklären lassen. Das führte zu einer heftigen Reaktion von Wilhelm Wien, der Heisenberg fast aus dem Hörsaal warf.

Heisenberg beunruhigte es „zu sehen, dass viele Physiker gerade diese Deutung Schrödingers als Befreiung empfanden”. Niels Bohr, der „sonst im Umgang mit Menschen besonders rücksichtsvoll und liebenswürdig war” – so Heisenberg –, verhielt sich gegenüber Schrödinger nun als „unerbittlicher Fanatiker, der nicht bereit war, seinem Gesprächspartner auch nur einen Schritt entgegenzukommen”. Er lud ihn aber zu einer ausführlichen Diskussion zu sich nach Dänemark ein.

„Bei einem denkwürdigen Besuch Schrödingers in Kopenhagen im Herbst 1926 kam all dies zur Sprache”, schrieb Carl Friedrich von Weizsäcker, der unter anderem bei Heisenberg und Bohr studiert hatte, in seinem Buch „Der Aufbau der Physik”: „Schrödinger bekam eine Grippe und wurde von Bohr und seiner Frau, bei denen er wohnte, hingebend gepflegt. Wenn man aber die Tür zu Schrödingers Krankenzimmer öffnete, sah man Bohr auf dem Bettrand sitzen und auf Schrödinger einreden: ,Aber Schrödinger, Sie müssen doch zugeben, dass …!‘ Bei der Abreise soll Schrödinger gesagt haben: ,Wenn die verdammte Quantenspringerei doch wieder anfangen soll, dann tut es mir leid, die ganze Theorie gemacht zu haben‘.”

Schrödingers Zweifel

Die Streitigkeiten um das richtige Verständnis der Quantentheorie, die bis heute anhalten, sind freilich überwiegend philosophischer Natur. Physikalisch funktioniert die Quantentheorie noch immer einwandfrei. Auch widersprechen sich Wellenmechanik und Matrizenmechanik gar nicht. Im Gegenteil: Sie sind mathematisch zueinander äquivalent.

Dies konnte Schrödinger bereits 1926 beweisen – wie unabhängig von ihm auch die Physiker Wolfgang Pauli, Carl Eckart, Paul Dirac und Pascual Jordan. Das freilich macht die Sache noch schwieriger. Denn damit lässt sich die Heisenbergsche Unschärferelation nicht einfach durch die deterministische Schrödinger-Gleichung aushebeln, wie Born, Einstein und Schrödinger zunächst gehofft hatten.

Obwohl sich die Quantentheorie damals wie heute für alle praktischen Zwecke bewährt hat, lässt die Lehrbuch- Version der Quantenmechanik von Niels Bohr und Werner Heisenberg – oft als „ Kopenhagener Interpretation” bezeichnet – einen entscheidenden Punkt offen: Was eigentlich konstituiert eine Messung, und wie kommt es folglich zum Kollaps der Wellenfunktion?

Schrödinger hat die irritierende und unbefriedigende Situation 1935 mit einem Gedankenexperiment illustriert: „Man kann auch ganz burleske Fälle konstruieren. Eine Katze wird in eine Stahlkammer gesperrt, zusammen mit folgender Höllenmaschine (die man gegen den direkten Zugriff der Katze sichern muss): In einem Geigerschen Zählrohr befindet sich eine winzige Menge radioaktiver Substanz, so wenig, dass im Lauf einer Stunde vielleicht eines von den Atomen zerfällt, ebenso wahrscheinlich aber auch keines; geschieht es, so spricht das Zählrohr an und betätigt über ein Relais ein Hämmerchen, das ein Kölbchen mit Blausäure zertrümmert.

Hat man dieses ganze System eine Stunde lang sich selbst überlassen, so wird man sich sagen, dass die Katze noch lebt, wenn inzwischen kein Atom zerfallen ist. Der erste Atomzerfall würde sie vergiftet haben. Die Psi-Funktion des ganzen Systems würde das so zum Ausdruck bringen, dass in ihr die lebende und die tote Katze zu gleichen Teilen gemischt oder verschmiert ist.”

Diese Parabel veranschaulicht, wie schlecht sich mikrophysikalische Phänomene, beispielsweise verschmierte Zwitterzustände, auf makroskopische Objekte der Alltagswelt, etwa eine Katze, übertragen lassen. Sie verdeutlicht auch die Dringlichkeit der Frage, wie die klassischen makroskopischen Eigenschaften aus der bizarren mikroskopischen Quantendynamik hervorgehen.

Der ominöse Kollaps

Im üblichen Formalismus der Quantentheorie, wie er 1932 von dem amerikanischen Physiker John von Neumann quasi sakrosankt in die Lehrbücher geschrieben wurde, verschwindet die ominöse Superposition bei der Messung durch einen „Kollaps der Wellenfunktion”. Das heißt, aus der Fülle der Möglichkeiten kristallisiert sich eine einzige heraus – eben das, was man beobachtet. In Schrödingers Gleichnis: Man öffnet die Kiste, und die Katze springt einem mit lautem Miau entgegen. Doch wieso sollte die Messung die Realität erzeugen? Und wo genau findet der Kollaps statt? Denn die Messgeräte selbst bestehen doch, genau wie die Gehirne der Wissenschaftler, aus Atomen – unterliegen also ebenfalls den Gesetzen der Quantenphysik.

Diese Situation hat für viel Verwirrung gesorgt und ist bis heute nicht befriedigend gelöst. Manche Physiker nehmen sogar an, dass die Wellenfunktion überhaupt nicht kollabiert.

WAS MÖGLICH IST, WIRD AUCH REAL

Diese Idee hat erstmals der amerikanische Physiker Hugh Everett III im Jahr 1957 in seiner Dissertation ausgearbeitet. Nach dieser berühmt-berüchtigten „Viele-Welten-Interpretation” der Quantentheorie „entscheidet” sich die Welt nicht für eine Alternative – eine tote oder lebendige Katze –, sondern realisiert beide. Das Universum spaltet sich gleichsam auf – beispielsweise in eines, in dem die Katze stirbt und in ein anderes, in dem sie schnurrend in ihrer Kiste liegt und sich die Pfoten leckt. Diese universale Verzweigung der Weltverläufe würde ständig geschehen, wenn die Natur tatsächlich verschiedene Optionen zur Auswahl hat. Was uns in unserer Welt als Zufall erscheint, wäre in Wirklichkeit nur ein einzelner Pfad der Notwendigkeit unter unzähligen.

Der Quantenspuk geht nicht vorbei

In den 1970er-Jahren hofften viele Wissenschaftler, der Quantenspuk ginge endlich vorüber. Damals entdeckten H. Dieter Zeh von der Universität Heidelberg und andere Physiker das Phänomen der Dekohärenz. Es beschreibt, wie selbst kleinste Wechselwirkungen mit der Umgebung, etwa mit einem Lichtteilchen oder Luftmolekül, den Überlagerungszustand eines Quantensystems beenden. Eine solche Interaktion „misst” gleichsam die Superposition, sodass etwa Schrödingers ominöser Katzenzombie allenfalls einen unbeobachtbaren Augenblick lang existieren könnte. Inzwischen haben Experimente diese Dekohärenz – das Verschwinden kohärenter Quantenzustände – experimentell eindeutig bestätigt.

Doch die Dekohärenz verschiebt das Messproblem nur. Sie „ verschränkt” das im Experiment vorübergehend isolierte Quantensystem mit der Umgebung. Der Überlagerungszustand verschwindet also streng genommen nicht, sondern weitet sich nur aus. Und wenn das ganze Universum keine „Umwelt” besitzt, weil es ein geschlossenes System ist, dann dürfte seine Wellenfunktion eigentlich auch nicht kollabieren.

Das erzwingt einen abenteuerlichen Schluss: Mit Dekohärenz und ohne Kollaps, so argumentieren immer mehr Forscher heute, ist Everetts Viele-Welten-Interpretation der Quantenphysik die gleichermaßen bizarre und folgerichtige Lösung. Auch H. Dieter Zeh sympathisiert mit der Vorstellung eines Universums aus Myriaden von überlagerten Quantenzuständen, in denen alle überhaupt möglichen Geschichtsverläufe stecken: „Es erscheint unmöglich, dieser Konsequenz zu entgehen, solange man die universelle Gültigkeit der Quantentheorie akzeptiert.” ■

RÜDIGER VAAS, bdw-Physik-Redakteur, ist gespannt auf die nächste Quanten-Revolution: eine Theorie, die die Schwerkraft einbezieht.

von Rüdiger Vaas