Zusammenfassung von Quantenwelt

Seit rund einhundert Jahren bildet die Quantenmechanik das Fundament der Naturwissenschaften. Sie erklärt die Existenz von Atomen und gibt Aufschluss über die chemischen Eigenschaften von Molekülen. Durch die Quantenmechanik wissen wir, warum Metalle elektrisch leitend sind und wie sich Stoffe zueinander verhalten. All diese Erklärungen liefert sie mit großer Überzeugungskraft. Und dennoch ist sie zutiefst rätselhaft.

Drei Phänomene der Quantenmechanik stellen unsere Intuition besonders auf die Probe. Beginnen wir mit der Superposition. Diese besagt, dass sich Elementarteilchen wie Atome oder Elektronen an zwei verschiedenen Orten zugleich befinden können. Allein das scheint rätselhaft genug. Physiker beobachten zudem das Phänomen der Verschränkung. Hier interagieren zwei Teilchen erst miteinander, bewegen sich dann voneinander fort und bleiben doch miteinander verbunden, indem sie Eigenschaften teilen, die sie nur gemeinsam besitzen – nicht jedoch allein. 

Die Physik möchte grundlegende Phänomene der Natur verstehen und erklären können. Obwohl die Quantenmechanik dafür enorm viel Potenzial liefert, bringt sie verschiedene Probleme mit sich, die unser Wissen beschränken und deterministische Beschreibungen über die Zukunft ausschließen. Eines haben wir bereits im letzten Blink erfahren: Wir können stets nur die Hälfte des Wissens erlangen, das wir bräuchten, um die Zukunft vorherzusagen.

Ein weiteres Hindernis folgt aus dem Subsystemprinzip, das der Theorie zugrunde liegt: Jedes System, in dem die Quantenmechanik gilt, ist ein Subsystem eines größeren Systems. Der Hintergrund ist, dass die Quantenmechanik allein auf solche physikalischen Größen Bezug nimmt, die von einem Messgerät oder einem Beobachter erfasst werden können, wobei Messgerät oder Beobachter selbst außerhalb des untersuchten Systems stehen müssen. Eine unmittelbare Konsequenz ist, dass die Quantentheorie alle Ambitionen aufgibt, das gesamte Universum zu beschreiben. Denn das Universum ist per Definition kein Subsystem eines größeren Systems.

Nach all der theoretischen Gedankenakrobatik und all dem technischen Quantenjargon wollen wir uns in diesem Blink einem berühmten Beispiel zuwenden. Die Rede ist von Schrödingers Katze und dem Rätsel, vor das sie uns stellt. Leider kommen wir auch hier nicht um etwas Fachsprache herum. Aber die Mühe wird sich lohnen!

Wir erinnern uns an die Quantenzustände: Das waren Beschreibungen eines physikalischen Systems, bei denen wir nur über die Hälfte der nötigen Informationen verfügen. Da in der Quantenphysik alle Dinge zugleich Welle und Teilchen sind, ein Quantenzustand uns aber immer nur entweder eine Position oder einen Impuls verrät, können wir solche Zustände durch eine der beiden Größen repräsentieren. Typischerweise wählt man dafür den Impuls. Einen Impuls ohne Position können wir uns als Welle vorstellen und so werden Quantenzustände durch Wellen repräsentiert.

Die Quantenmechanik ist voller Rätsel und Widersprüche. Und doch wurde das 20. Jahrhundert zum Triumphzug der Theorie. Ihre Rebellion wurde in Windeseile zur Orthodoxie. Wie konnte das geschehen?

Die Quantenrevolution begann mit Einstein. Im Jahr 1905 veröffentlichte dieser einen Aufsatz, in dem er einen radikalen Vorschlag unterbreitete. Er schlug eine Doppelnatur des Lichts vor, das zugleich Welle und Teilchen sein sollte. Zuvor hatten die Physiker angenommen, Licht bestehe nur aus Wellen. Denn Experimente wie das Doppelspaltexperiment, das Interferenzmuster von Licht nachwies, suggerierten den Wellenzustand. Zugleich aber gab es Hinweise auf Teilcheneigenschaften des Lichts, wie etwa den fotoelektrischen Effekt, bei dem Licht Elektronen aus einer Metalloberfläche herauslöst.

Mit dem Beginn der 1930er-Jahre gab de Broglie es auf, seine Führungswellentheorie zu verteidigen. Mit Ausnahme von Einstein, der den Ansatz lobte, schenkte kaum einer der Pioniere der Quantenphysik seiner Theorie viel Aufmerksamkeit. Die antirealistische Kopenhagener Interpretation setzte sich durch und wurde zur allgemeinen Lehre. So blieb es bis in die frühen 1950er-Jahre.

Zu dieser Zeit verfasste der junge US-amerikanische Physiker David Bohm ein Lehrbuch zur Quantenmechanik. Er folgte zunächst der Kopenhagener Doktrin, doch nach einem Gespräch mit Einstein in Princeton fragte er sich, ob es nicht doch eine deterministische, realistische Quantentheorie geben könnte.

Mit der neuen Führungswellentheorie und den Kollapsmodellen wurde der Realismus in der Quantenphysik wiedergeboren. Das war ein großer Schritt in die richtige Richtung. Aber die neuen Theorien konnten die realistischen Hoffnungen noch nicht erfüllen. In der Führungswellentheorie spuken gespenstisch leere Wellen und Welten herum. Die Kollapsmodelle wiederum stehen in Konflikt mit Einsteins Relativitätstheorie und dem Satz der Energieerhaltung, um nur zwei der vielen Probleme zu nennen. 

Mit der Renaissance des Realismus kamen weitere interessante Ansätze zur Quantentheorie hinzu, einen davon wollen wir hier genauer betrachten: den magischen Realismus. Er geht auf den US-amerikanischen Physiker Hugh Everett III zurück, der 1957 eine Theorie vorschlug, die heute als Viele-Welten-Interpretation der Quantenmechanik bekannt ist. 

Es gibt also eine ganze Reihe von realistischen Alternativen zur klassischen Quantenmechanik. Wir haben die Führungswellentheorie erörtert, Kollapsmodelle besprochen und magische wie auch kritische Ansätze kennengelernt. Aber ist eine der bisherigen Theorien schlüssig genug, um eine realistische Erklärung der Welt zu liefern? Hat eine der bisherigen Theorien das Zeug, die Quantenmechanik endgültig vom Thron zu stoßen?

Leider nein. Wie es scheint, bergen alle der bisher ausgearbeiteten realistischen Ansätze in der Quantenphysik ernsthafte Probleme in sich. Das ist jedoch kein Grund zur Ernüchterung, sondern Anreiz zu weiterer Forschung. Denn wie sonderbar die Welt auch sein mag, es muss möglich sein, Realist im Quantenuniversum zu sein. Davon ist der Autor überzeugt. Und tatsächlich hat er ein paar Ideen, wie wir zu einer vollständigen Theorie der Quantenphysik gelangen können.

Die Kernaussage dieser Blinks ist:

Die Pioniere der Quantenphysik waren sich von Beginn an uneinig, wie die Welt der Atome und Elektronen richtig zu verstehen sei. Lange Zeit dominierte die Theorie der Antirealisten, die meinten, es gebe keine Wirklichkeit unabhängig vom Menschen. Doch dieser Ansatz ist voller Paradoxien und Rätsel. Ein realistisches Verständnis der Quantenphysik bringt uns weiter. Realisten glauben, dass es eine „wirkliche Welt da draußen“ gibt. Zwar ist die Quantentheorie bis heute unvollständig, doch mit dem Realismus ergeben sich Möglichkeiten, die Welt der Quanten zu durchdringen und unserem Universum einen Sinn abzuringen, ohne in Rätseln zu sprechen.