Wie unsere klassische Welt entsteht

Albert Einstein sprach diesbezüglich von „spukhaften“ oder „telepathischen“ Fernwirkungen (bdw 7/2021, „Einsteins Spuk“). Er lehnte sie ab und hatte kurz vorher im selben Jahr, 1935, mit seinen Kollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen einen wichtigen Artikel veröffentlicht, den Schrödinger auch zitierte. Einstein führte diese zeitlosen und somit instantanen Fernwirkungen als Argument gegen die Vollständigkeit der Quantentheorie an. Ironischerweise ließen sie sich inzwischen jedoch eindeutig detektieren (dafür wurde 2022 der Physik-Nobelpreis verliehen). Sie scheinen auf eine fundamentale Nichtlokalität der Natur hinzuweisen – ein noch ungelöstes Rätsel (bdw 7/2021, „Kontroverse Quantenrealität“).

„In der Quantenmechanik ist das Ganze verschieden von der Summe seiner Teile“, fasst es Maximilian Schlosshauer von der University of Portland, Oregon, zusammen. Manche Physiker haben hierzu weitreichende Schlussfolgerungen gezogen – besonders prominent David Bohm in seinem 1980 erschienenen Buch „Wholeness and the Implicate Order”. Nicht so esoterisch und spekulativ, aber mit derselben Stoßrichtung, argumentierten jüngst Philosophen wie Jonathan Schaffer von der Rutgers University, New Brunswick, und Physiker wie Heinrich Päs von der Technischen Universität Dortmund.

Noch sind Ausmaß und Bedeutung dieses Quantenholismus unklar. Fest steht aber, dass die „Fernwirkungen“ oder Verschränkungen letztlich eine Form oder Folge der Superposition sind: nicht begrenzt auf einen mehr oder weniger isolierten Ort, wie im metaphorischen Katzenkämmerchen, sondern nichtlokal verschmiert über beliebige Entfernungen. So weit, so surreal …

Der Schleier der Superposition

Schrödingers Katze als makroskopische Superposition soll den Widerspruch zur Alltagserfahrung der scharfen, eindeutig positionierten Dinge demonstrieren: den Gegensatz zwischen Quantenrealität und klassischer Wirklichkeit. Was als Pseudoproblem erscheinen mag – schließlich hat niemand je eine Katzensuperposition gesehen – macht das Paradoxon noch schlimmer. Denn auch physikalische Messapparate sind aus Atomen aufgebaut, unterliegen also ebenfalls den Gesetzen der Quantentheorie. Und das vergrößert die Überlagerungen immens. Wie schon Schrödinger betont hat, ist es im Allgemeinen nämlich unmöglich, einem Teilsystem eine ψ-Funktion zuzuordnen, also einen eigenen Quantenzustand; nur das gesamte verschränkte System hat eine Wellenfunktion. Die fatale Konsequenz: Bei der Messung, bei jeder Art von Wechselwirkung, kommt es zu einer Verschränkung von System und Messgerät. Die Wellenfunktion sollte nicht „kollabieren“; vielmehr müssten die Messzeiger selbst in eine Superposition aus makroskopischen Zuständen gelangen und simultan alle möglichen Resultate überlagert angeben. Das ist paradox, denn es widerspricht jeder Erfahrung.

„Das Paradoxon ist nur ein Konflikt zwischen der Realität und dem, was man meint, dass die Realität sein sollte“, lässt sich allerdings mit dem Nobelpreisträger Richard Feynman einwenden. Die Lösung für die Erklärung der seltsamen Quantenwelt wäre somit die Einsicht, dass die Quantenwelt eben schlicht seltsam ist, zumindest für uns; dass die Seltsamkeit der Normalfall ist; und dass dann eigentlich nicht sie erklärt werden muss, sondern die vertraute Alltagswirklichkeit.

Dass diese klassische Welt, der Gegenstandsbereich der klassischen Physik, tatsächlich auch erklärt werden kann, ist vielleicht die wichtigste Entwicklung in der Quantentheorie der letzten Zeit. Indem die Physiker immer genauer hinter die Kulissen der Alltagserfahrung zu schauen lernten, öffnete sich der Schleier der Superpositionen: Diese kohärenten Quantenzustände – „kohärent“ oder „zusammenhängend“ nennt man die Bedingung, die Wellen erfüllen müssen, um interferieren zu können – breiten sich gewissermaßen so schnell und umfassend in die große weite Welt aus, dass sie sich unserer Beobachtung entziehen. Dieser Prozess der Dekohärenz führt zur Entstehung beziehungsweise Erscheinung einer klassischen Welt ohne Superpositionen.

Die Stringenz der Dekohärenz

Begonnen hat das Dekohärenz-Programm im Jahr 1970 (der Begriff selbst etablierte sich erst um 1989) mit einem Fachartikel im ersten Band der Zeitschrift Foundations of Physics. Er stammt von H. Dieter Zeh, der bis zu seiner Emeritierung 1990 an der Universität Heidelberg forschte. Seine im Rückblick bahnbrechende Pionierarbeit blieb lange kaum beachtet. Doch er und ein paar Mitstreiter verfolgten den Ansatz unbeirrt weiter, obwohl sie wissenschaftlichen Anfeindungen ausgesetzt waren und berufliche Nachteile hatten.

Sehr wichtig wurden außerdem die Arbeiten von Wojciech Zurek ab 1981. Sein 1991 in Physics Today publizierter Übersichtsartikel verhalf der Idee zu einer breiteren Anerkennung, was das „Dunkle Zeitalter der Dekohärenz“ (so Zeh) allmählich beendete. Zurek promovierte in Austin, Texas, bei dem legendären Quanten- und Gravitationsphysiker John Wheeler – der ihn auch auf Zehs Artikel hinwies – und forscht bis heute am Los Alamos National Laboratory, New Mexico.

Zehs Grundidee war es, „der Schrödinger-Gleichung – und damit dem Superpositionsprinzip – eine möglichst weitgehende (vielleicht sogar universelle) Gültigkeit zuzubilligen. Damit steht es in Gegensatz zur etablierten Kopenhagener Deutung, die klassische Begriffe zur Beschreibung von Messapparaten und Messergebnissen als eine unumgängliche Voraussetzung ansieht“, schrieb er in seinem Buch „Physik ohne Realität: Tiefsinn oder Wahnsinn?“

Dekohärenz bedeutet, dass die Kohärenz eines Quantensystems in ein größeres System, die Umgebung, delokalisiert wurde. Das ist ein rein quantenmechanischer Effekt, kein klassischer; er kann zwar mit einer Energieübertragung (Dissipation) einhergehen, lässt sich aber nicht darauf reduzieren. Er zerstört die Superposition auch nicht, sondern erweitert und verstärkt sie, sodass die Umgebung nun eingeschlossen ist. Das macht die lokale Beobachtung der Kohärenz unmöglich. Bei „gewöhnlichen“ Objekten sind daher räumliche Interferenzen im Alltag nicht wahrnehmbar. Gleichwohl existiert die Superposition noch immer; sie ist quasi global weiterhin vorhanden, jedoch lokal nicht mehr messbar.

„Dieser quantenmechanische Vorgang beschreibt eine Dislokalisierung der Superposition – weiter nichts!“, hat Zeh betont. Ihm zufolge ist die Dekohärenz auch wesentlich an der Asymmetrie der Zeit beteiligt, also dem Unterschied von Vergangenheit und Zukunft (bdw 12/2002, „Wenn die Zeit rückwärts läuft“ und 12/2010, „Die ewige Wiederkehr der Zeit“). Denn die multiplen Wechselwirkungen sind praktisch irreversibel und erhöhen gemäß des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik die Entropie.

„Dekohärenz ist einfach eine Konsequenz der Anwendung des quantenmechanischen Standardformalismus auf die Wechselwirkung zwischen einem System und seiner Umwelt. Dekohärenz ist weder eine Zusatztheorie, die sich von der Quantenmechanik unterscheidet, noch etwas, das wir nach Belieben berücksichtigen oder ignorieren können“, sagt Maximilian Schlosshauer. Der Physiker hat viel zum Verständnis des Phänomens und seiner Analyse beigetragen. „Dekohärenz ist ein allgegenwärtiger Effekt in der Natur mit weitreichenden und faszinierenden Konsequenzen, die man berücksichtigen muss, um zu einer realistischen Beschreibung physikalischer Systeme zu gelangen.“

Zehs ehemaliger Student Erich Joos hält es für einen „historischen Zufall“, dass die Dekohärenz nicht früher erkannt wurde. „Außerdem hatte man die Quantenverschränkung lange nicht akzeptiert oder aber für ungewöhnlich gehalten, obwohl sie allgegenwärtig ist“, ergänzt Schlosshauer. Er meint: „In der Physik gibt es eine Idealisierung von lokalisierten und lokalen und isolierten Systemen. Rauschen wird dann nur als Störung betrachtet, die das System nicht ändert. Daher wurde die Dekohärenz lange übersehen. Anschließend blieb es eine Weile unverständlich, dass sie äußerst effektiv wirkt.“

Die ominösen Quantenverschränkungen werfen insofern kein zusätzliches Problem auf, sondern tragen buchstäblich zur Lösung eines bestehenden bei. Ohne sie gäbe es keine Dekohärenz. Und die „spukhaften“ Fernwirkungen sind gewissermaßen die Indikatoren für die Verschränkung oder deren messbare Folgen. „Der Quantenzustand ist bereits nichtlokal und erfordert daher keine Fernwirkung mehr“, korrigierte Zeh ein hartnäckiges Missverständnis. „Das Problem lautet eher umgekehrt: Wieso können wir diese nichtlokalen Zustände makroskopisch durch lokale (klassische) Eigenschaften beschreiben?“

Kurzum: Das Dekohärenz-Programm hat sich als essenzielle Ergänzung der etablierten Quantentheorie erwiesen. Zu lange war ignoriert oder unzureichend berücksichtigt worden, dass ein Quantenzustand und ein Messgerät kein abgeschlossenes System bilden, sondern vielfältig mit der Umgebung wechselwirken – bereits durch ihre Lichtreflexion.

„Man kann auch unkontrollierbare Freiheitsgrade im Apparat schon als Teil der ,Umgebung‘ ansehen“, betonte Zeh. Und es sei doch „ohne Rechnung unmittelbar einzusehen, dass wir eine makroskopische Zeigerstellung nur dadurch ablesen können, dass der Zeiger ständig Photonen reflektiert, deren Zustand nach der Reflexion vom Zeigerstand abhängen muss.“

Licht überträgt Informationen von Partikeln, an denen es gestreut wird; es „misst“ quasi selbst. Insofern wirkt die „Umgebung als Zeuge“, wie Zurek das ausdrückt, der dies 1981 erstmals klar erkannt hatte. Die Lokalisation setzt also keine menschliche – oder überhaupt eine – bewusste Beobachtung voraus. Eben deshalb ist Einsteins Mond auch da, wenn ihn niemand betrachtet.

Kontrolle ohne Kontrolle

Die Dekohärenz bietet nicht nur die Grundlage für ein tieferes Verständnis der Quantenwelt und somit einen wichtigen, ja unerlässlichen Erklärungsrahmen. Sie hat auch praktische Konsequenzen, eröffnet also für Quanteningenieure neue Perspektiven. Dekohärenz ist eine Ressource, betonen Quantenphysiker inzwischen.

Wie kurios das Phänomen der Dekohärenz letztlich ist – oder das ihrer Grundlage: der Quantenverschränkung – haben außerdem Überlegungen zu ihrer Kontrolle gezeigt. So lässt sich die Dekohärenz im Prinzip mit dem sogenannten weißen Rauschen unterdrücken, das einer maximalen Unordnung oder einem völligen Mangel an Informationen entspricht. „Durch Erhöhung der Stärke der Rauschsignale wird ein zweistufiges System weniger an seine Umgebung gekoppelt und bleibt sogar für eine gewisse Zeit im Ausgangszustand“, haben Jun Jing und Lian-Ao Wu von der Baskischen Universität in Bilbao berechnet. Sie nennen dies „Kontrolle von Unordnung durch (noch mehr) Unordnung“ oder „Kontrolle der Dekohärenz ohne Kontrolle“.

Das klingt paradox und widerspricht auch der klassischen Physik, bei der gerade umgekehrt Unordnung durch Ordnung kontrolliert werden kann. Aber die Dekohärenz ist weniger ungeordnet als das weiße Rauschen, weil in ihr noch Quantenkorrelationen stecken. „Dieses Phänomen offenbart einen neuen physikalischen Mechanismus in der Quantenkontrolltheorie“, meinen Jing und Wu. „Da es sich um einen ausschließlich quantenmechanischen Prozess handelt, scheint das Phänomen eine weitere Anomalie in offenen Quantensystemen zu sein.“

Schrödinger-Kätzchen im Labor

Wie stark und wie schnell sich die Dekohärenz auswirkt, kann man im Rahmen des Standardformalismus der Quantentheorie inzwischen sehr gut ausrechnen. Bereits 1985 haben Joos und Zeh erste detaillierte Modelle und numerische Kalkulationen publiziert, die aber noch um fast eine Größenordnung zu gering waren. Eine genauere Ableitung veröffentlichte Lajos Diósi 1995. Ein Jahrzehnt später haben sie Klaus Hornberger, Stephen Adler und andere Physiker unabhängig voneinander und mit unterschiedlichen Ansätzen bestätigt.

Inzwischen lässt sich die Dekohärenz also genau quantifizieren. Mehr noch: Sie ist auch in Experimenten gezielt gemessen worden. Die dabei ermittelten Dekohärenzraten stimmen mit den Voraussagen der Theoretiker sehr gut überein. Was Skeptikern anfangs als vage Vermutung erschien beziehungsweise zunächst schlicht ignoriert wurde, ist nun also unstrittig und bestens etabliert.

Die erste quantitative Messung der Dekohärenz gelang nach jahrelangen Vorarbeiten 1996 einem Team um Serge Haroche und dessen früheren Doktoranden Michel Bruneau und Jean-Michel Raimond an der École Normale Supérieure in Paris. Die Physiker konstruierten mesoskopische Quantensysteme und maßen, wie deren Superposition abhängig von der wachsenden Verschränkung mit ihrer Umgebung abnahm: je größer der Quantenzustand ist, desto schneller.

In dem komplexen Experiment wurden angeregte Rubidium-Atome in einer Überlagerung zweier Zustände einzeln durch drei tiefgekühlte, supraleitende Mikrowellen-Resonatoren im Vakuum geschickt, dabei mit wenigen darin eingesperrten Photonen verschränkt und anschließend beim Passieren zweier Ionisationskammern gemessen. Die Atome hatten ein großes magnetisches Dipolmoment und wechselwirkten daher leicht mit den Photonen. Diese wurden in den Resonatoren – knapp drei Zentimeter großen, mit Niob verspiegelten Hohlräumen – über eine Gesamtstrecke von bis zu 40.000 Kilometern hin und her reflektiert. Sie spielten quasi die Rolle winziger Schrödinger-Kätzchen. Die Messung der Rubidium-Zustände mithilfe der Ionisationskammern erlaubte Rückschlüsse auf die Quantenzustände der Photonen, ohne diese zu stören. Aber ihre Verschränkung mit den Atomen ließ ihre eigene Superposition verschwinden. Diese Dekohärenz erfolgte binnen einer zehntausendstel Sekunde – etwas schneller bei sechs als bei drei gekoppelten Photonen. Haroche erhielt für die Experimente 2012 den Physik-Nobelpreis.

Das Dekohärenz-Programm bedeutet mithin einen großen Fortschritt. Es brachte viel Klarheit in die unübersichtliche Situation, und dies ganz ohne Zusatzannahmen. Vor allem macht es verständlich, warum wir eine klassische Welt mit wohlbestimmten Objekten wahrnehmen, aber keine makroskopischen Überlagerungszustände.

Was heißt das für eine Katze? Sie gibt Wärme ab, wird vom Licht und der Luft ihrer Umgebung berührt und beeinflusst umgekehrt diese, wäre also in Schrödingers Gedankenexperiment auch mit den Wänden der Kammer und mit der unschönen „Höllenmaschine“ aus radioaktiver Substanz, Gift und Hammer verschränkt – „verheddert“, wie Schrödinger selbst schrieb. Diese Quantenverschränkung impliziert, dass die Superposition sich auf das Gesamtsystem ausbreitet, das die Katze, den Hammer und das Gift einschließt, weiterhin externe Beobachter und letztlich die ganze Welt.

Neues zum vertrackten Messproblem

Allerdings erwies sich das Dekohärenz-Programm für Quantenphysiker als eine gute und zugleich schlechte Nachricht: Einerseits kann es erklären, warum man in der Regel nur ein Resultat misst und keine Superposition. Andererseits ist es weiterhin rätselhaft, warum gerade dieses Resultat zustande kam und nicht ein anderes, das ebenso möglich gewesen wäre. Insofern ist das notorische Messproblem, das im Zentrum der nunmehr fast ein Jahrhundert währenden Kontroversen in der Quantenphysik steht (bdw 9/2000, „Quantenspuk“), nach wie vor virulent. Aber auch hier ist der Einfluss der Dekohärenz heilsam, zumindest lindernd.

Ein Grund, warum die Pioniere der Quantentheorie das Messproblem nicht lösen konnten, besteht schlicht darin, dass es sich um drei miteinander zusammenhängende Schwierigkeiten handelt.

Die erste nennt man das Problem der bevorzugten Basis oder Observablen: Warum werden nur wenige physikalische Größen gemessen, vor allem Positionen, obwohl viele in einer Superposition sein können oder sogar müssen? Dieses Problem wurde erst 1981 von Zurek deutlich formuliert, vom mutmaßlichen Kollaps der Wellenfunktion unterschieden und auf offene Quantensysteme bezogen, die mit ihrer Umwelt wechselwirken.

Die zweite Schwierigkeit besteht in der Nichtbeobachtbarkeit der Interferenz: Warum sieht man keine Überlagerung der Messgeräte beziehungsweise ihrer Anzeigen? Das wurde zunächst als technisches Problem betrachtet, weil Superpositionen ja sehr wohl gemessen werden, allerdings nur von mehr oder weniger mikroskopischen Quantensystemen. Doch warum verstärken sie sich nicht auf makroskopische Skalen? Das kann nicht allein an winzigen Doppelspalten liegen, zumal sich Interferenzen auch anders und teilweise im mesoskopischen Bereich erzeugen lassen.

Die dritte Schwierigkeit: Warum haben Messungen überhaupt definite Ergebnisse? Und warum gerade die, die man feststellt? Und warum unterliegen sie der von Max Born formulierten Regel der |ψ|²-Wahrscheinlichkeitsverteilung?

„Mit der Dekohärenz wurden die beiden ersten Probleme im Wesentlichen gelöst. Weil sie sich, wie ihre Lösung, in rein operationalen Begriffen im Rahmen des Standardformalismus der Quantenmechanik beschreiben lässt, gibt es hier eigentlich keine Diskussionen mehr“, fasst Maximilian Schlosshauer die aktuelle Situation zusammen. „Das dritte Problem hingegen bleibt ein Gegenstand der Debatten – vor allem, weil es sich kaum von der Interpretation der Quantenmechanik insgesamt trennen lässt.“