In diesem Blogbeitrag werden wir untersuchen, was Wellenkollaps bedeutet, wobei wir uns auf die Kopenhagener Interpretation und die Viele-Welten-Interpretation unter den verschiedenen Interpretationen der Quantenmechanik konzentrieren und die Eigenschaften und Grenzen jeder Interpretation betrachten.
Vom späten 19. Jahrhundert bis zum frühen 20. Jahrhundert traten Phänomene auf, die sich nicht allein durch die klassische Physik erklären ließen. Maxwell und Einstein entdeckten, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzt. Max Born sagte voraus, dass auch Teilchen wellenartige Eigenschaften besitzen. Das Davisson-Germer-Doppelspaltexperiment soll experimentell nachgewiesen haben, dass Elektronen Welleneigenschaften besitzen. Bei genauerer Betrachtung des Doppelspaltexperiments zeigt sich Folgendes: Eine Vorrichtung, die Elektronen aussendet, eine Platte mit zwei Spalten und ein Schirm sind in Reihe angeordnet. Die von der Elektronenquelle emittierten Elektronen passieren die beiden Spalte und erreichen den Schirm; beim Beobachten des Auftreffens der Elektronen auf den Schirm entsteht ein Interferenzmuster. Ein solches Muster tritt nicht auf, wenn nur ein Schlitz vorhanden ist. Daher muss die Position eines Elektrons als Welle erklärt werden, die gleichzeitig durch beide Spalte hindurchtritt. Die Quantenmechanik entstand, um diese Phänomene zu erklären. In der Quantenmechanik werden Wahrscheinlichkeitswellen als die fundamentalen Bausteine der Natur beschrieben. Wahrscheinlichkeitswellen werden verwendet, um den Zustand von Materie zu beschreiben. Der Aggregatzustand umfasst Eigenschaften wie Position und Spin. Eine Wahrscheinlichkeitswelle deutet darauf hin, dass ein Wert an keinem einzelnen Punkt festgelegt ist, sondern dass die Wahrscheinlichkeit des Auftretens an jedem Punkt variiert. Die Quantenmechanik wurde Anfang des 20. Jahrhunderts begründet, und zahlreiche experimentelle Ergebnisse aus dieser Zeit und der Folgezeit bestätigen die Gültigkeit dieser Theorie. Kernstück dieser Theorie ist die Schrödinger-Wellengleichung. Als fundamentale Gleichung der Quantenmechanik beschreibt die Schrödingergleichung, wie sich eine Wahrscheinlichkeitswelle im Laufe der Zeit verändert. Es bleibt jedoch unklar, in welchem genauen Zusammenhang solche Wahrscheinlichkeitswellen mit dem Alltag stehen. Im Alltag beobachten wir nicht mehrere Zustände, sondern einen einzigen, festgelegten Zustand – wie lässt sich das erklären? Was ist eine Wahrscheinlichkeitswelle und gibt es eine Möglichkeit, sie zu verstehen? Zur Beantwortung dieser Fragen sind verschiedene Interpretationen der Quantenmechanik entstanden. In einer früheren Umfrage, die im Rahmen einer Quantenphysikkonferenz durchgeführt wurde, wurden die Teilnehmer nach ihren Präferenzen bezüglich der einzelnen Interpretationen gefragt. Die Präferenz für die Kopenhagener Interpretation lag bei 42 %, für die quanteninformationelle Perspektive bei 24 % und für die Viele-Welten-Interpretation bei 18 %. Wie die Umfrage zeigt, ist die Kopenhagener Interpretation die vorherrschende Interpretation in der Physikergemeinschaft. Die Kopenhagener Interpretation ist diejenige, die in den Anfängen der Quantenmechanik von Gelehrten unter der Führung von Bohr entwickelt wurde. Brian Greene führte den Kernsatz der Kopenhagener Deutung wie folgt ein: „Sobald wir versuchen, eine Wahrscheinlichkeitswelle direkt zu beobachten, stört der Akt der Beobachtung selbst sie.“ Die Kopenhagener Deutung erklärt, dass die Wahrscheinlichkeitswelle im Moment der Beobachtung nicht mehr in diesem Zustand verharren kann und zu einem einzigen Punkt zusammenfällt. Es wird erklärt, dass das Ergebnis dieses Zusammenbruchs zu einem einzigen Punkt die uns bekannte Realität ist. Dieser Vorgang wird Wellenkollaps genannt. Die Quanteninformationstheorie erklärt, dass das Universum selbst aus Quanteninformation besteht, welche das Wesen des Universums ausmacht. Es geht davon aus, dass alles das Ergebnis von Quantenberechnungen ist, die diese Quanteninformation einbeziehen. Aus dieser Perspektive wird das gesamte Universum manchmal als eine Maschine betrachtet, die Quantenberechnungen durchführt. Seth Lloyd hat ein Buch geschrieben, das diese Sichtweise überzeugend vertritt. In diesem Buch erläuterte er die Rolle der Information und ihren Bezug zu den tatsächlichen physikalischen Gesetzen. Er erklärte beispielsweise, wie Quantencomputer dazu neigen, unbekannte Informationen zu verbreiten, und ging näher auf die physikalischen Gesetze im Zusammenhang mit der Entropie ein. Die Viele-Welten-Interpretation wurde von Hugh Everett vorgeschlagen. Diese Interpretation akzeptiert den Kollaps der Wellenfunktion nicht, der den Eckpfeiler der Kopenhagener Interpretation darstellt. Stattdessen geht es davon aus, dass sich das Universum in mehrere Welten aufspaltet und alle Möglichkeiten verwirklicht werden. Damit ist erklärt, dass in jeder Welt ein Beobachter die Realität wahrnimmt, die uns vertraut ist. Das Konzept des Wellenfunktionskollapses – das als Kern der Kopenhagener Interpretation angesehen werden kann – überzeugt mich nicht. Wie Brian Greene hervorhob, ist die Grenze, die definiert, was eine „Beobachtung“ darstellt, unklar. Die Erklärung lautet in etwa so: Der Kollaps der Wellenfunktion tritt nicht auf, wenn mikroskopische Objekte miteinander interagieren, wohl aber, wenn ein Beobachter eine Messung vornimmt; diese Erklärung ist jedoch schwer zu akzeptieren.
Es liegt nahe anzunehmen, dass die Gesetze der Physik universell und im gesamten Universum identisch gelten. Da der Beobachter ebenfalls Teil des Universums ist, halte ich es für natürlich, dass die Gesetze der Quantenmechanik gleichermaßen für alle Handlungen gelten, einschließlich der Beobachtung. Die Kopenhagener Interpretation erklärt den Wellenkollaps jedoch damit, dass er eine Folge des Beobachtungsaktes des Beobachters ist. Mathematisch gesehen ist der Wellenkollaps ebenfalls eine Operation, die sich von gewöhnlichen quantenmechanischen Operationen unterscheidet. Obwohl ich den Prozess, durch den sich eine Wahrscheinlichkeitswellenfunktion ändert, hier nicht im Detail erklären kann, lässt er sich als eine Operation beschreiben, die die Multiplikation mit einer reversiblen Matrix mit bestimmten besonderen Eigenschaften beinhaltet. „Reversibel“ bedeutet, dass eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen dem Ergebnis und dem Zustand besteht, der es verursacht hat. Tritt jedoch ein Kollaps der Wellenfunktion ein, ist diese Korrespondenz nicht mehr gegeben. Das System verharrt in einem einzigen Zustand, wodurch es unmöglich wird, den ursprünglichen Zustand wiederherzustellen. In Fällen, in denen die Art der Beobachtung von entscheidender Bedeutung ist – wie etwa bei der Kopenhagener Deutung – wird manchmal das Konzept des Heisenberg-Schnitts eingeführt. Dieses Konzept besagt, dass die Gesetze der Quantenmechanik bis zu einer gewissen Grenze gelten und jenseits dieser Grenze die Wellenfunktion kollabiert. Diese Grenze ist jedoch nicht klar definiert. Es könnte auf der Ebene von Objekten wie Elektronen oder Protonen angesetzt werden, oder auf der Ebene makroskopischer Objekte wie Menschen. Dies ist unbefriedigend, da nicht genau angegeben wird, wo diese Grenze gezogen werden soll. Ein bekanntes Beispiel, das diese Situation veranschaulicht, ist Schrödingers Gedankenexperiment mit der Katze. In diesem Gedankenexperiment erscheinen ein Teilchen, das kleiner als ein Atom ist, und eine Katze. Das kleine Teilchen kann mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit zerfallen, ein Prozess, der sich durch die Quantenmechanik erklären lässt. Daneben befindet sich ein Detektionsgerät. Man sagt, dass in dem Moment, in dem ein solcher Verfall festgestellt wird, ein Mechanismus ausgelöst wird, der die Katze tötet. Dies wirft die Frage auf, ob die Katze in diesem Moment tot oder lebendig ist. Die Kopenhagener Interpretation besagt, dass der Zustand der Katze – ob lebendig oder tot – in dem Moment bestimmt wird, in dem sie beobachtet wird. Diese Erklärung basiert auf der Annahme, dass selbst makroskopische Objekte keinen Wellenkollaps erfahren. Dies legt nahe, dass selbst große Objekte im Rahmen der Quantenmechanik betrachtet werden müssen. Folglich gibt es Gedankenexperimente, die diese Situation auf die Spitze treiben. In diesem Gedankenexperiment gehen wir davon aus, dass ein Freund das Schrödingersche Katzen-Gedankenexperiment durchgeführt und den Zustand der Katze beobachtet hat. In einem solchen Fall liefert es keine definitive Erklärung dafür, an welcher Grenze die Wellenfunktion als kollabiert anzusehen ist. Bezüglich dieser Grenze halten manche den Umfang des Wissens des Beobachters für entscheidend, und dies soll mit der Wahrscheinlichkeit zusammenhängen. Dennoch hat die Kopenhagener Interpretation den Vorteil, dass sie die vom Beobachter festgestellten Ergebnisse einfach und klar erklärt. Tatsächlich erklärt es die Ergebnisse verschiedener Experimente sehr gut. Es genügt, den Wellenkollaps im Moment der Beobachtung der experimentellen Ergebnisse oder bei der Interaktion mit makroskopischen Objekten anzuwenden. Es handelt sich um eine bequeme Interpretation, die keine Berücksichtigung des Quantenzustands der Beobachtungsausrüstung erfordert. Ein Grund für den großen Erfolg, trotz des intuitiv schwer zu akzeptierenden Ergebnisses des Wellenkollapses, ist wahrscheinlich die Fähigkeit, experimentelle Ergebnisse gut zu erklären. Gerade weil der Wellenkollaps eine so unnatürliche Erklärung ist, glaube ich, dass die Viele-Welten-Interpretation eine praktikable Alternative zur Kopenhagener Interpretation sein könnte. Die Viele-Welten-Interpretation berücksichtigt den Wellenkollaps nicht. Es soll sich um eine Interpretation handeln, die sich ausschließlich auf die Schrödinger-Gleichung konzentriert. Da sie den Akt der Beobachtung nicht als irgendwelchen besonderen Gesetzen unterworfen ansieht, interpretiert sie den Vorgang einfach als eine Änderung des Wellenzustands, wie sie sich aus der Wellengleichung ergibt. Anders ausgedrückt: Es wird davon ausgegangen, dass die Welle bei einer Beobachtung nicht kollabiert, sondern dass Beobachter und Objekt in einen quantenmechanisch verschränkten Zustand eintreten. Um diesen verschränkten Zustand zu verstehen, betrachten wir ein Beispiel aus der Perspektive der Viele-Welten-Interpretation, die den Wellenkollaps nicht anerkennt. Der Spin eines Elektrons kann entweder nach oben (↑) oder nach unten (↓) zeigen. Das Beobachtungsgerät ist ein Gerät, das den Spin des Elektrons misst. Nehmen wir an, das Zustandsanzeigefenster des Beobachtungsgeräts hat drei mögliche Zustände: oben (⟰), unten (⟱) und leer (). Betrachten wir die Situation vor der Messung. Der Spin des Elektrons und das Zustandsanzeigefenster des Beobachtungsgeräts können als voneinander unabhängige Wahrscheinlichkeitswellen beschrieben werden. Das Elektron ist nicht entweder fest als nach oben (↑) oder nach unten (↓) gerichtet, sondern wird durch eine Wahrscheinlichkeitswelle dargestellt. Der Messapparat wäre für das Experiment auf den leeren Zustand () eingestellt gewesen, und es gäbe eine Wahrscheinlichkeitswellenfunktion, die diese Situation repräsentiert. Betrachten wir nun die Situation nach der Messung. An diesem Punkt kann es nicht mehr als unabhängige Wahrscheinlichkeitswellenfunktionen beschrieben werden. Der Gesamtzustand wird stattdessen durch eine einzige Wahrscheinlichkeitswellenfunktion beschrieben, die sowohl das Elektron als auch das Messgerät umfasst.
Genauer gesagt wird es durch eine einzige Wahrscheinlichkeitswellenfunktion dargestellt, die nur zwei mögliche Situationen beschreibt: eine, in der der Spin des Elektrons nach oben zeigt und das Zustandsfenster des Beobachtungsapparats „oben“ (↑⟰) anzeigt, und eine andere, in der der Spin des Elektrons nach unten zeigt und das Zustandsfenster des Beobachtungsapparats „unten“ (↓⟱) anzeigt. Dieses Phänomen, bei dem mehrere Zustände nicht mehr unabhängig sind, wird als „Verschränkung“ bezeichnet. Die Viele-Welten-Interpretation geht noch einen Schritt weiter. Anhand des obigen Beispiels lassen sich zwei mögliche Situationen erkennen (↑⟰, ↓⟱). Die Viele-Welten-Interpretation sieht die Welt in diese beiden Zustände gespalten. Das heißt, in der einen Welt tritt die Situation ↑⟰ ein, in der anderen Welt die Situation ↓⟱. Man sagt, dass es bei genauerer Betrachtung der Schrödingergleichung kein größeres mathematisches Problem gibt, wenn man sie auf diese Weise betrachtet. Wenn wir die möglichen Zustände anhand der Ergebnisse von Beobachtungen trennen und jedes Ergebnis als eine eigene Welt interpretieren, dann ist das genau die Viele-Welten-Interpretation. Somit wird jedes Ereignis, das als Beobachtung betrachtet werden kann, als ein Ereignis angesehen, in dem sich Welten spalten. Folglich wird in jeder Welt jede quantenmechanisch realisierbare Möglichkeit verwirklicht. Der Aspekt der Viele-Welten-Interpretation, der mich am meisten anspricht, ist, dass sie den Akt der Beobachtung nicht als etwas Besonderes betrachtet. Da selbst der Beobachter als Teil einer Welt betrachtet wird, die denselben Gesetzen der Quantenmechanik unterliegt, halte ich diese Interpretation für eine universeller anwendbare. Die Viele-Welten-Interpretation stößt jedoch auf zahlreiche Kritikpunkte. Es gibt keine überzeugende Erklärung dafür, was es bedeutet, wenn sich die Welt in mehrere Welten aufspaltet. Darüber hinaus ist die Behauptung, dass mehrere Welten existieren, an sich schon bizarr. Wenn Welten unaufhörlich und unendlich neu erschaffen werden, gibt es keine Erklärung dafür, wie wir bei so vielen von ihnen den Überblick behalten können. Wenn verschiedene Welten zudem völlig voneinander getrennt sind und sich nicht gegenseitig beeinflussen können, könnte man argumentieren, dass aus der Perspektive des Beobachters die Existenz anderer Welten völlig bedeutungslos ist. Aus dieser Perspektive wird die Interpretation selbst bedeutungslos. Darüber hinaus gibt es in der Viele-Welten-Interpretation noch einige Herausforderungen, die bewältigt werden müssen. Zunächst muss geklärt werden, welche Welt ein tatsächlicher Beobachter wahrnehmen wird. Es muss auch einen Weg geben, Phänomene aus der Perspektive des Beobachters zu beschreiben – und nicht aus der Perspektive des Ganzen –, um die Phänomene zu erklären, die wir im Alltag beobachten. Dies liegt daran, dass wir Wahrscheinlichkeitswellen nicht direkt beobachten, sondern nur deren Ergebnisse. Die Kopenhagener Interpretation erklärt diesen Aspekt eindeutig. Die Kopenhagener Deutung geht davon aus, dass die von uns beobachtete Welt durch den Kollaps der Wellenfunktion realisiert wird, und sie liefert Ergebnisse, die mit der Realität übereinstimmen. Darüber hinaus sollte die Viele-Welten-Interpretation in der Lage sein, die Kopenhagener Interpretation zu erklären. Wenn die Viele-Welten-Interpretation die richtige ist, sollte sie aus ihrer eigenen Perspektive erklären können, wie alle bisherigen experimentellen Ergebnisse mit den Vorhersagen der Kopenhagener Interpretation übereinstimmen. Des Weiteren müssen wir ermitteln, unter welchen Umständen Unterschiede zwischen den beiden Interpretationen auftreten könnten. Daher stellt auch die Herstellung einer Verbindung zur Kopenhagener Interpretation eine große Herausforderung dar. Ich unterstütze das Konzept des Wellenkollapses der Kopenhagener Interpretation nicht, da unklar ist, wann genau es angewendet werden sollte, und ich halte die Praxis, die Messung als separaten Prozess zu betrachten, im Hinblick auf die Universalität für problematisch. Stattdessen sollten wir meiner Meinung nach an der Auffassung festhalten, dass das gesamte Universum als probabilistische Welle in der Quantenmechanik beschrieben werden kann und dass auch der Beobachter ein Teil davon ist. Daher denke ich, dass die Viele-Welten-Interpretation und ähnliche Theorien als Alternativen dienen könnten. Wie bereits erwähnt, bestehen jedoch auch bei diesen Interpretationen noch einige Probleme. Wie Umfrageergebnisse unter Physikern belegen, konnte hinsichtlich der Interpretation der Quantenmechanik noch keine endgültige Schlussfolgerung gezogen werden. Einige der bestehenden Interpretationen wurden in der Vergangenheit durch Experimente widerlegt. Allerdings wurden für die Kopenhagener Deutung oder die Viele-Welten-Deutung noch keine derartigen Experimente durchgeführt. Es ist möglich, dass eines Tages experimentelle Designs entwickelt werden, die tatsächlich die Unterschiede zwischen diesen Interpretationen aufzeigen können. Alternativ könnten wir letztendlich zu dem Schluss kommen, dass alle diese Interpretationen gleichermaßen gültig sind. Daher glaube ich, dass sich mit zunehmendem Verständnis der physikalischen Gesetze neue Wege zur Interpretation der Quantenmechanik eröffnen werden. Es wird faszinierend sein, diesen Prozess mitzuerleben.
