Von paradoxen Effekten, geisterhaften Fernwirkungen und allerlei Rätselhaftem: Die bizarren Phänomene der Quantenwelt stehen im Fokus der September-Ausgabe von bild der wissenschaft. Noch immer bereiten die geistigen „Zumutungen“ der Quantenphysik Forschenden so einiges Kopfzerbrechen und über mögliche Erklärungen wird heftig debattiert. Die Lösungsvorschläge sind teilweise verblüffend und scheinen der menschlichen Realitätswahrnehmung zu widersprechen, geht aus dem Titelthema hervor.
Die vorhersagbaren Wenn-Dann-Beziehungen und auch andere Regeln der klassischen Physik scheinen in der Quantenwelt nicht zu gelten: Das Verhalten von Wellen und Materie im Größenbereich der Atome wirkt seltsam nichtlokal, zufällig und überlagert. Dies führt zu paradox wirkenden Effekten, spukhaften Fernwirkungen und bizarren Zufallserscheinungen. Diese Phänomene sind bis heute schwer erklärbar geblieben, obwohl die Quantentheorie im Fokus vieler Forschungsteams weltweit steht und bereits zu unzähligen technischen Anwendungen geführt hat. Die seltsamen Prognosen sind auch nicht nur reine Theorie – sie wurden teilweise auch experimentell bestätigt. Dennoch erscheinen einige Aspekte der Modelle ungereimt – einiges ist noch ungelöst, unvollständig oder widersprüchlich.
Im ersten Artikel des dreiteiligen Titelthemas verdeutlicht der bdw-Redakteur Rüdiger Vaas zunächst, welche Aspekte der Quantenwelt so irritierend sind und wie sie schon den Pionieren des Forschungsfelds Albert Einstein, Max Planck und Erwin Schrödinger Kopfzerbrechen bereiteten. In den Fokus rückt er dann das Konzept der Materiewellen, das auf den Physiker Louis de Broglie zurückgeht. Es besagt, dass je nachdem, welche Experimente man macht oder welche Art von Wechselwirkung betrachtet wird, sich sowohl Materie als auch Strahlung entweder als Teilchen oder aber als Wellen zeigen kann. An dieser Auffassung hat sich bis heute nichts geändert. Doch nach wie vor bleiben Fragen offen und es ergeben sich Konsequenzen, die schwer mit der menschlichen Realitätswahrnehmung vereinbar scheinen.
Dekohärenz und Quantenkollaps
Im Reich der Quanten kommt es zu paradox anmutenden Überlagerungszuständen. Dies verdeutlicht das berühmt gewordene Gedankenexperiment von Schrödingers Katze: Das Tier müsste demnach überall zugleich und simultan lebendig als auch tot sein – bis eine Beobachtung offenbart, wo und in welchem Zustand sich die Katze denn nun genau befindet. Vaas erklärt im Artikel „Schrödingers gespenstische Katze“, warum diese geisterhaften Quantensuperpositionen sowie die Rolle von Zufall und Diskontinuität geradezu Zumutungen der Quantenwelt für den menschlichen Verstand darstellen.
Im zweiten Artikel geht es dann vor allem um einen Effekt, der zumindest einige seltsame Aspekte der Quantenwelt erklären kann: Vaas berichtet über die Dekohärenz. Das Phänomen liefert Hinweise darauf, warum Superpositionen nur unter isolierten Bedingungen gemessen werden, aber im Alltag nicht in Erscheinung treten. Der Effekt lässt sich sogar quantifizieren sowie mit raffinierten Experimenten erfassen. Dennoch erscheint das Bild weiterhin bizarr: Spukhafte Fernwirkungen verlagern demnach die Quanteninterferenzen in die weite Umgebung, wodurch sie unserer Beobachtung entzogen werden. Aber der Dekohärenz-Effekt beleuchtet das zentrale Rätsel der Quantenphysik immerhin teilweise, erklärt Vaas im Artikel „Wie unsere klassische Welt entsteht“.
Abgerundet wird das Titelthema von einem Beitrag, der verdeutlicht, dass die “Unzumutbarkeiten” der Quantenphysik nicht nur den Mikrokosmos betreffen: Die Suche der Physiker nach den Grenzen der Quantenwelt steht im Fokus. Es zeichnet sich ab, dass die Erkenntnisse zum Dekohärenz-Effekt die problematischen Aspekte nur verschieben. Vielleicht befindet sich demnach sogar das gesamte Universum in Superposition. Im Artikel „Kontroverser Kollaps“ erklärt Vaas, warum Modelle, die einen spontanen Quantenkollaps postulieren, zwar einige unklare Aspekte der Quantenphysik beleuchten können, aber erneut diffizile Fragen und weitere Probleme aufwerfen.
Die Artikel des Titelthemas „Warum die Quantenwelt so seltsam ist“ können Sie im Rahmen eines bdw+ Abonnements online lesen, oder Sie finden sie in der September-Ausgabe von bild der wissenschaft, die ab dem 16. August im Handel erhältlich ist.
Auf Tuchfühlung mit der Sonne
