In diesem Blogbeitrag werden wir die Grundlagen der Quantenmechanik, die Hauptpunkte der Kopenhagener Deutung und der Viele-Welten-Deutung sowie die jeweilige Auffassung von „Beobachtung“ untersuchen und anschließend über den Zweck der Quantenmechanik nachdenken.
Vor langer Zeit, in der Geschichte der Physik, veröffentlichte Max Planck eine Arbeit und experimentelle Ergebnisse seiner Schwarzkörperstrahlungsexperimente. Darin stellte er fest, dass „alle Energie aus sehr kleinen Paketen mit diskreten Werten besteht“. Dies erschütterte die Grundfesten der damals vorherrschenden Ansicht unter Physikern, die glaubten, alle Phänomene der makroskopischen Welt ließen sich durch die Newtonsche Mechanik erklären. Von da an, mit fortschreitender Messtechnik und der Möglichkeit, in die mikroskopische Welt zu blicken, veröffentlichten Physiker verschiedene experimentelle Ergebnisse, die die Grenzen der Newtonschen Mechanik aufzeigten. Diese Ergebnisse, die sich mit den bestehenden Theorien nicht erklären ließen, führten bald zur Erkenntnis der Notwendigkeit eines neuen Rahmens der Mechanik – und so war die Quantenmechanik geboren. Die Quantenmechanik festigte ihre Position schnell, indem sie erfolgreich Antworten auf Naturphänomene lieferte, die mit der bestehenden Physik nicht erklärt werden konnten, wie beispielsweise Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts und Bohrs Modell des Wasserstoffatomspektrums. Darüber hinaus etablierte sie sich durch die Bemühungen unzähliger Physiker und Entwicklungen wie die von Paul Dirac und Pascual Jordan vorgeschlagene Transformationstheorie als eigenständiges Forschungsgebiet.
Dies bedeutete jedoch lediglich die Vollendung der mathematischen „Form“ – des Werkzeugs zur Beschreibung des Inhalts der Quantenmechanik – und implizierte nicht, dass diese aus physikalischer Interpretationsperspektive etabliert war. Selbst Jahrzehnte später bestehen unter prominenten Physikern weiterhin Meinungsverschiedenheiten über die Interpretation quantenmechanischer Phänomene. Von der Kopenhagener Interpretation – oft als Mainstream-Interpretation bezeichnet – bis zur Viele-Welten-Interpretation, die als Reaktion auf die Grenzen der ersteren entstand, und verschiedenen anderen Interpretationen ergänzen sich diese unterschiedlichen Ansätze weiterhin, indem sie die Lücken schließen, die keine einzelne Interpretation vollständig erklären kann. Auf einer Quantenmechanik-Konferenz in Österreich wurde eine Umfrage unter 33 weltbekannten Physikern durchgeführt, um herauszufinden, welche Interpretation sie bevorzugen. Die Kopenhagener Interpretation erhielt 42 %, die informationstheoretische Interpretation 24 % und die Viele-Welten-Interpretation 18 %. Da keine Interpretation in dieser Umfrage mehr als 50 % erreichte, scheint klar, dass jede Interpretation ihre eigenen Grenzen hat. In diesem Artikel stelle ich kurz die Kopenhagener Interpretation und die Viele-Welten-Interpretation vor – die einen bedeutenden Teil des Forschungsfeldes ausmachen und gegensätzliche Ansichten zum Akt der „Beobachtung“ vertreten – und erörtere ihre Grenzen. Die informationstheoretische Interpretation wird in dieser Diskussion nicht berücksichtigt, da sie die Quantenmechanik aus einer etwas anderen Perspektive betrachtet als die beiden anderen.
Das Grundgerüst der Kopenhagener Deutung, vorgeschlagen von Bohr und Heisenberg, lautet wie folgt: „Solange der Beobachter keine Messgeräte verwendet, bewegt sich das Elektron im Atom gemäß den Gesetzen der Kausalität. Versucht man jedoch, das Elektron an einem festen Ort und zu einer festen Zeit innerhalb der Raumzeit zu beschreiben, treten diskrete Wechselwirkungen auf, die zu Abweichungen von der Kausalität führen, und der Beobachter muss sich zwangsläufig auf Quantenwahrscheinlichkeiten stützen.“ Die Newtonsche Mechanik besagt, dass Teilchen in der makroskopischen Welt spezifische, wohldefinierte Werte für Ort und Impuls besitzen, wenn sie sich bewegen. Das bedeutet, dass in der makroskopischen Welt, in der Beobachter – also Menschen – existieren, Ort und Impuls fixiert sind. In der mikroskopischen Welt hingegen befindet sich ein sich bewegendes Elektron in einem Zustand, in dem diese physikalischen Größen nicht eindeutig als ein einziger Wert bestimmt werden können. Vielmehr koexistieren verschiedene Zustände gleichzeitig. Wenn es beispielsweise drei mögliche Zustände – 1, 2 und 3 – gibt, die ein Elektron einnehmen kann, existiert es in allen drei Zuständen gleichzeitig, bevor es beobachtet wird. Mathematisch lässt sich dies als Summe der Wellenfunktionen für die Zustände 1, 2 und 3 ausdrücken. Wenn ein Beobachter in der makroskopischen Welt das Elektron beobachtet, wird es auf einen einzigen Zustand unter den vielen möglichen Zuständen reduziert, dessen Existenzwahrscheinlichkeit von der Wahrscheinlichkeit dieses Zustands abhängt. Anders ausgedrückt: Der Akt der „Beobachtung“ verändert den Zustand des Elektrons. Sobald beispielsweise festgestellt wird, dass sich das Elektron im Zustand 1 befindet, verschwindet die Möglichkeit, dass es sich gleichzeitig in den Zuständen 2 und 3 befindet. Dies bezeichnet die Kopenhagener Deutung als „Kollaps der Wellenfunktion“. Folglich ist der Akt der „Beobachtung“ in der Kopenhagener Deutung von immenser Bedeutung.
Berühmte Physiker wie Einstein widerlegten die Kopenhagener Deutung und führten verschiedene Gedankenexperimente als Beweis an. Das bekannteste davon ist „Schrödingers Katze“. In einer verschlossenen Box befinden sich eine Katze und ein Gerät, das je nach quantenmechanisch bestimmtem Zustand eines Teilchens Gift freisetzen kann. Ob die Katze in der Box nach einer gewissen Zeit – die selbst einen Zustand darstellt – noch lebt oder tot ist, entscheidet sich erst im Moment des Öffnens des Deckels und der Beobachtung der Katze. Dieses Gedankenexperiment verdeutlicht, dass die Anwendung des Beobachtungsprinzips, das in der mikroskopischen Welt von großer Bedeutung ist, auf die makroskopische Welt zu unerwarteten Schlussfolgerungen führt. Infolgedessen hat es zu tiefgreifenden Überlegungen über die Bedeutung der Beobachtung in der Quantenmechanik geführt. Hier setzt die Viele-Welten-Interpretation an.
Everett III., ehemals an der Princeton University, widerlegte die Behauptungen der Kopenhagener Deutung. Er argumentierte, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilung eines Teilchens nicht durch die Beobachtung verschwindet, sondern dass von Anfang an mehrere mögliche Welten existierten. Anders ausgedrückt: Die Position eines Teilchens wird durch Beobachtung nicht auf einen einzigen Wert festgelegt; vielmehr existieren bereits mehrere parallele Welten, von denen wir lediglich eine beobachten. Die Zustände, die wir nicht direkt beobachten, entfalten sich in anderen möglichen Welten. Wenn unsere Beobachtung beispielsweise Zustand 2 ergibt, verschwinden die anderen Zustände nicht in diesem Moment – sie entfalten sich in anderen Welten, und wir können sie einfach nicht beobachten.
Die Viele-Welten-Interpretation birgt jedoch eindeutig Probleme. Wenn ein Ereignis, das eintreten könnte, in allen möglichen Welten eintritt, welche Bedeutung hat dann die Wahrscheinlichkeit, die jedem Zustand zugeordnet ist? Everett versuchte, dieses Problem zu lösen, indem er jeden Zustand einfach mit einem Gewicht multiplizierte. Was es jedoch bedeutet, dass eine Welt wichtiger als eine andere sein sollte, bleibt weiterhin Gegenstand der Debatte.
Unter Berücksichtigung dieser beiden Interpretationen – jede mit ihrer eigenen Bedeutung und ihren Grenzen – neige ich zur Kopenhagener Deutung. Geht man zu den Ursprüngen der Quantenmechanik zurück, so zeigt sich, dass sie letztlich dazu diente, Phänomene in der mikroskopischen Welt zu erklären. Anders ausgedrückt: Da sie geschaffen wurde, um Phänomene durch Beobachtung und die daraus resultierenden Erkenntnisse zu entschlüsseln, ist der Akt der Beobachtung selbst von großer Bedeutung. Um den Zustand eines einzelnen Teilchens zu beobachten, muss man es in gewissem Maße beeinflussen. In der Physik nennt man dies eine „Störung“. Die Beobachtung des Zustands eines Teilchens beinhaltet also, eine geringfügige Änderung im Teilchen herbeizuführen und anschließend seine Reaktion zu beobachten. Obwohl der Zusammenhang zwischen der Herbeiführung einer Änderung im Teilchen und dem Kollaps der Wellenfunktion mathematisch etwas unklar ist, stimmen sie darin überein, dass beide den ursprünglichen Zustand verändern. Das bedeutet, dass der Akt der Beobachtung selbst physikalisch bedeutsam ist.
Die Quantenmechanik hat sich von der deterministischen Denkweise der klassischen Newtonschen Mechanik abgewandt und einen probabilistischen Ansatz verfolgt. Wie viele Menschen könnten ohne Weiteres akzeptieren, dass sich die Position eines Apfels direkt vor ihnen mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten ändert, jedes Mal, wenn sie ihn betrachten? Es stimmt, dass sowohl die Kopenhagener Deutung als auch die Viele-Welten-Deutung ihre Bedeutung und Grenzen haben, wenn es darum geht, Menschen – die an die festen Zustände von Objekten gewöhnt sind – die Phänomene der mikroskopischen Welt zu erklären. Ich bin Ingenieurstudent und beschäftige mich damit, wie man durch die Nutzung wissenschaftlicher Phänomene und ihrer Beobachtungsergebnisse neue Technologien entwickeln kann. Die Entwicklung der Quantenmechanik hat uns Werkzeuge zur Interpretation mikroskopischer Phänomene an die Hand gegeben, was direkt zu nützlichen Technologien geführt hat. Die Magnetresonanztomographie (MRT), die einen bedeutenden Beitrag zur modernen Medizin geleistet hat, wurde durch die Anwendung der Kernspinresonanz (NMR) aus der Quantenmechanik entwickelt. Diese Technologie wird nicht nur in der Spektroskopie – zur Bestimmung von Molekülstrukturen – eingesetzt, sondern auch in der Erdölexploration. Ausgehend davon bin ich der Ansicht, dass die Interpretation, die besser geeignet ist, Phänomene zu erklären – was ich als Ziel der Wissenschaft betrachte –, von größerer Bedeutung sein wird.
