Das Ganze ist das Wahre

Normalerweise gehen wir davon aus, dass die uns umgebenden Objekte unabh?ngig von uns oder anderen Objekten existieren. Wir k?nnen ein Glas als wohldefiniertes Objekt betrachten und seine chemischen oder physikalischen Eigenschaften im Labor untersuchen. Kennen wir zudem alle Umwelteinfl¨¹sse, die auf das Glas einwirken, k?nnen wir sein Verhalten f¨¹r jeden beliebigen Zeitpunkt vorhersagen. Der Wissenschaft steht eine Wirklichkeit gegen¨¹ber, die aus klar abgegrenzten Objekten besteht und mit wissenschaftlichen Instrumenten vermessen und letztlich kontrolliert werden kann. Von der Dampfmaschine bis zur Gl¨¹hbirne beruhen weite Teile des wissenschaftlichen Fortschritts auf dieser Vorstellung. Die klassische Physik mit den Gesetzen der Newton¡¯schen Mechanik, der Elektro- und der Thermodynamik hat sie in ¨¹berpr¨¹fbare Naturgesetze gegossen.

Doch zu Beginn des 20. Jahrhunderts geriet dieses deterministische Weltbild zunehmend ins Wanken. Physiker wie Max Planck, Albert Einstein oder Nils Bohr zeigten, dass die klassische Physik bei der Beschreibung von Atomen oder Elementarteilchen versagt. In der Welt des mikroskopisch Kleinen, so schien es, gelten fundamental andere Gesetze.

Das Ende des Determinismus

?Die Quantenphysik bricht mit der Vorstellung einer in Subsysteme zerfallenden, deterministischen Wirklichkeit?, erkl?rt ETH-Professor Hans Christian ?ttinger. Er forscht am Departement f¨¹r Materialwissenschaft zur Quantenfeldtheorie und befasst sich mit den philosophischen und erkenntnistheoretischen Implikationen der Quantentheorie. ?In der Welt der subatomaren Teilchen k?nnen Dinge nicht mehr isoliert betrachtet werden, da alles miteinander korreliert sein kann?, so der Physiker.

Misst oder beobachtet man ein System von Elektronen, Photonen oder anderen kleinsten Teilchen, tritt man unweigerlich mit ihm in Wechselwirkung und wird zu einem Teil eines gr?sseren Gesamtsystems. In diesem Sinn untersuchen wir keine unabh?ngige Wirklichkeit, sondern auch jene Ver?nderungen, die durch Messungen oder andere Interventionen unweigerlich ausgel?st werden. Doch damit nicht genug. Ist vermeintlich zuf?lliges Verhalten in der klassischen Physik ein Produkt mangelnder Informationen oder fehlerhafter Messungen, wird es in der Quantentheorie zum Prinzip erkl?rt. ?Unser quantenphysikalisches Bild der Welt des Kleinsten zeigt klar, dass es echten Zufall in der Welt gibt?, sagt ?ttinger.

Der Doppelspaltversuch

Der sogenannte Doppelspaltversuch illustriert dies eindr¨¹cklich. Schiesst man Photonen aus einer Lichtquelle auf einen Detektorschirm, landen diese zuf?llig ¨¹ber einen weiten Bereich verteilt an unterschiedlichen Punkten, obwohl sie unter gleichen physikalischen Bedingungen abgefeuert wurden. Keinerlei Muster sind erkennbar. Es herrscht Zufall. Schiesst man dagegen mehrere Kugeln unter exakt gleichen Umweltbedingungen aus einer Pistole ab, schlagen diese zuverl?ssig immer am selben Ort ein. Schiebt man nun eine Trennwand mit zwei parallel angeordneten, gleich grossen Spalten zwischen die Lichtquelle und den Detektorschirm, bildet sich ein streifenf?rmiges Muster auf dem Schirm. Dieses Interferenzmuster kann mathematisch mit einer Wellenfunktion beschrieben werden, die es Physikern erlaubt, die Wahrscheinlichkeit, mit der Teilchen an gewissen Orten auftreffen, zu bestimmen. In der Welt der Quanten ersetzen probabilistische Aussagen den Determinismus der klassischen Physik.

Doch das Experiment h?lt eine weitere ?berraschung bereit: Bringt man an jedem der beiden Spalte zus?tzlich einen Detektor an, der misst, durch welchen Spalt sich die Photonen jeweils bewegen, ?ndert sich das Muster auf dem Schirm erneut. F¨¹r ETH-Professor ?ttinger ist dies nicht weiter unerwartet: ?Indem wir Trennwand und Detektoren in das Experiment einf¨¹gen, ver?ndern wir die Welt, die wir beobachten wollten. Sie interagieren mit den Photonen und beeinflussen ihr Verhalten.? Diese Einsicht gilt auch f¨¹r andere Elementarteilchen. Weder ganze Atome noch einzelne Elektronen lassen sich messen, ohne sie dabei in einem gr?sseren Gesamtsystem zu sehen. Doch warum sind dann grosse Objekte wie ein Glas isoliert beobachtbar, wenn alles miteinander korreliert ist? F¨¹r theoretische Physiker wie ?ttinger sind hier Dekoh?renz-Effekte am Werk: ?Die wechselseitigen Korrelationen klingen bei gr?sseren Objekten schnell ab. Dadurch k?nnen wir ein Glas oder einen Stein einzeln untersuchen, ohne deren Interaktionen mit der Umwelt ber¨¹cksichtigen zu m¨¹ssen.?

Komplementarit?t und Widerspr¨¹che

So plausibel ?ttingers Ausf¨¹hrungen zum holistischen Charakter von Quantensystemen und zur Dekoh?renz erscheinen m?gen, stehen sie doch im Widerspruch zur dominanten, anfangs von Nils Bohr gepr?gten Lesart der Quantentheorie, der Kopenhagener Interpretation. Nach dieser Interpretation beschreibt die Quantenmechanik nicht die Realit?t, sondern einen Wissenszustand ¨¹ber die Realit?t. Bohr nahm an, dass jedes quantenphysikalische Objekt stets sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften aufweist. Im Fachjargon ist vom Komplementarit?tsprinzip oder vom Welle-Teilchen-Dualismus die Rede. Dementsprechend wird das streifenf?rmige Interferenzmuster aus dem Doppelspaltversuch als Indiz daf¨¹r gesehen, dass sich Photonen tats?chlich wie Wellen durch die beiden Spalte bewegen. Misst man nun diese Bewegung mit einem Detektor, kommt es zu einem Kollaps der Wellenfunktion. Die Photonen werden dann als diskrete Teilchen auf dem Schirm sichtbar.

F¨¹r ?ttinger und andere Physiker wirft diese Lesart mehr Fragen auf, als sie beantwortet. Sollen wir davon ausgehen, dass sich Teilchen wellenartig bewegen? Steht diese Annahme nicht im Widerspruch zur Behauptung des Kollapses? Was genau verstehen wir in der Quantenphysik ¨¹berhaupt unter einem Teilchen? Und k?nnen sich diese wirklich auf Bahnen bewegen?

Quantenfeldtheorie

?ttinger zufolge zwingen uns solche Fragen dazu, klassische Begriffe wie Teilchen, Welle oder Bewegung aufzugeben. Er selbst sieht in der Quantenfeldtheorie den vielversprechendsten Ansatz zur grundlegenden Erkl?rung von Quantenph?nomenen, obwohl deren robuste und anschauliche Formulierung grosse Probleme aufwirft. In der Quantenfeldtheorie k?nnen jederzeit neue Teilchen entstehen und verschwinden. Anstatt von Teilchen spricht der Physiker lieber von Wolken oder Schw?rmen von Teilchen, die erst ab einer gewissen Aufl?sung als einzelne Teilchen erkennbar sind. Unterhalb dieser Grenze sind sie verschmiert, ?hnlich wie bei einem Bild, bei dem die einzelnen Pixel erst beim Hineinzoomen sichtbar werden, wobei die genaue Pixelaufl?sung f¨¹r das Gesamtbild gar keine Rolle spielt.

Ob dieses Bild der Quantenwelt letztlich ¨¹berzeugender ist, wird wohl noch l?nger Anlass zu Diskussionen geben. Die Anwendungen der Quantentheorie sind dennoch l?ngst Bestandteile unseres Alltags. Nur ganz zu verstehen scheinen wir den zu Grunde liegenden mathematischen Formalismus bis heute nicht. Dazu m¨¹ssten wir bereit sein, neue Erkenntnisse in unsere Erfahrungswelt zu integrieren.