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Quantentheorie vs. Klassische Physik

Lokalität, Nichtlokalität und Quantenphilosophie

Bevor wir uns im nächsten Schritt mit dem Begriff Information beschäftigen, ist es erforderlich zu wissen, was Lokalität und Nichtlokalität bedeutet. Daher muss zuerst die Quantentheorie der klassischen Physik gegenübergestellt werden.

 

Die Quantentheorie ist eine Ansammlung mathematischer Formeln, die im Prinzip jedem Physikstudenten erklärt werden kann. Sie beschreibt drei unserer vier Naturkräfte: Elektromagnetismus, die schwache und die starke Kernkraft. Ihre Anwendung ermöglichte uns z. B. die Entwicklung der Laser- und Halbleitertechnologien. Man sagt, 1/3 der Weltwirtschaft haben wir heute der Quantentheorie zu verdanken.

Aber die Implementierung der Quantentheorie in unsere Welt – also zu erklären, was die Quantenphysik für unsere Welt bedeutet – das ist noch keinem gelungen.

"Wer sagt, er versteht die Quantenphysik, der hat sie nicht wirklich verstanden.“

  • Richard Feynman

 

Das Vorurteil, die Quantentheorie sei unverstehbar und zudem nur auf den Bereich der Atome beschränkt, führt dazu, dass sich der „Normalbürger“ mit der Quantentheorie erst gar nicht beschäftigen möchte. Warum sollte man sich mit etwas auseinandersetzten, was selbst Spezialisten für unverstehbar halten?

Wir werden uns hier nicht mit mathematischen Formeln beschäftigen, sondern mit der Quantenphilosophie, die sich aus diesen Formeln ergibt. Was ist der Unterschied zwischen Wirklichkeit und Realität? Gibt es "freien Willen"? Gibt es nur eine Zukunft oder mehrere Zukünfte? 

 

Wenn wir daran festhalten wollen, dass die Quantentheorie im Makrokosmos ungültig sei, und dass im Makrokosmos nur die klassische Physik gültig sei – dann führt kein Weg am Determinismus vorbei. Freien Willen kann es dann nicht geben.

Die Vorstellung, dass wir über keinen freien Willen verfügen, steht aber im Widerspruch zu der Erfahrung, die wir alle haben.

 

Determinismus und die Zeit

In der klassischen Physik gibt es keinen objektiven Zufall. Wenn wir alle Parameter eines Ausgangszustandes kennen, können wir daraus alle kausalen Folgeereignisse berechnen. Wir können z.B. die Flugbahn einer Raumsonde berechnen und vorhersagen, wann diese in der Zukunft am Ziel ankommen wird. Diese Vorausplanung erlaubt die Annahme, dass es auch eine Zukunft gibt. Dass die Zukunft also bereits feststeht und die Raumsonde am vorhergesagten Zeitpunkt auch ankommen wird. Sollte die Sonde nicht am Ziel ankommen, dann spielen sicherlich unbekannte Parameter eine Rolle. Ein Gesteinsbrocken, welcher die Flugbahn kreuzt, wäre solch eine unbekannte Größe, die in die Berechnung nicht einbezogen wurde.

In der klassischen Physik sind es die unbekannten Parameter, die uns als zufällig erscheinen.

In Spielfilmen aus Hollywood wird solches Weltbild gerne vermittelt. Terminator, Zurück in die Zukunft oder Täglich grüßt das Murmeltier sind solche Filme, in denen eine bereits feststehende Zukunft angenommen wird und das Verhalten der Menschen als deterministisch dargestellt wird.

 

Ohne freien Willen ist unser Leben deterministisch – also bereits festgelegt. Unser Leben wäre wie ein Videofilm, den man in der Zeit vor und zurückspulen kann. Wir glauben, dass es eine Zukunft gibt und dass es im Prinzip möglich wäre, in die Zukunft zu reisen. Dann könnten wir uns dort die Lottozahlen anschauen, wieder zurück in die Gegenwart reisen und zum Millionär werden.

Diese Sichtweise ergibt sich aus der klassischen Physik. Solange wir glauben, dass die Quantentheorie außerhalb der Atome keine Gültigkeit hat und wir unser Universum nur mit den Gesetzen der klassischen Physik beschreiben – solange finden wir keinen Ausweg aus diesem Dilemma. Der arme Mensch hinter der Theke, der im Film „Täglich grüßt das Murmeltier“ in einer Zeitschleife hängt, lässt täglich das Tablett fallen. Er kann gar nichts dafür. Das ist eben sein Schicksal, welches bereits festgelegt ist.

 

In der klassischen Physik gibt es nur ein Universum, in welchem wir uns befinden und nur eine Zeitlinie, welche von der Vergangenheit in die Zukunft zeigt.

 

Die Quantentheorie und die Möglichkeiten.

Wer sich für die Quantenphysik interessiert, dem sei das Buch „Einsteins Schleier“ von Anton Zeilinger empfohlen. Zeilinger erklärt in einer für den Laien verständlichen Sprache die Quantenphysik von ihrer Entstehung bis hin zur Möglichkeit der Teleportation.

Wir wollen uns im Folgenden den Begriffen „Nichtlokalität“ und „Wahrscheinlichkeitsfunktion“ aus der Quantenphysik zuwenden und uns mit den beiden Interpretationen „Kopenhagener Deutung“ und „Viele Welten Interpretation“ auseinandersetzen.

 

In der Quantentheorie existieren bis zum Zeitpunkt der Messung alle Möglichkeiten in einer Überlagerung gleichzeitig. Das Teilchen existiert also überall dort, wo die Wahrscheinlichkeit, es anzutreffen, größer als Null ist. Diese Überlagerung der Möglichkeiten wird als Wahrscheinlichkeitswelle bezeichnet. Vor dem Zeitpunkt der Messung ist das Teilchen räumlich und zeitlich an keinem bestimmten Ort. Es ist nichtlokal.

 

Erst das Vorliegen von Information erzeugt aus den Möglichkeiten ein Faktum. Dies wird durch das Doppelspaltexperiment, welches in der Einleitung vorgestellt wurde, veranschaulicht.

 

Die Kopenhagener Deutung

Die Kopenhagener Deutung (oder „Halt's Maul und rechne!“ - Interpretation) geht auf den Physiker Niels Bohr zurück. Sie wurde 1927 auf einer Tagung in Kopenhagen formuliert. Die Physiker einigten sich darauf, dass die Gültigkeit der Quantentheorie bis zu den Messinstrumenten besteht, und nicht weiter. So wird manchmal auch Wissenschaft gemacht – per Handzeichen sozusagen!
Dabei gibt die Quantentheorie den Kollaps der Wellenfunktion überhaupt nicht her. Die Kopenhagener Deutung ist eben nur das: Eine Deutung.

Die Interpretation trifft im Wesentlichen folgende Aussage: Bis zum Zeitpunkt der Messung existieren alle Möglichkeiten gleichzeitig. Ein Teilchen befindet sich bis zur Messung an allen wahrscheinlichen Orten gleichzeitig.

Erst bei der Messung kollabiert die Welle und das Teilchen wird zum Ding.

Bei der Messung manifestiert sich aus der Vielzahl von Möglichkeiten eine Möglichkeit. Weil man aber im Makrokosmos keine Superpositionen beobachten kann, wird davon ausgegangen, dass die Quantentheorie auf die Welt der Atome beschränkt ist – „bis zu den Messinstrumenten und nicht weiter!“

 

Die Viele Welten Interpretation

„Die Wellenfunktion kollabiert nicht, niemals!“

-Hugh Everett

 

 

Physiker, die sich der Stringtheorie verschrieben haben, vertreten die Meinung, dass die quantenmechanische Wahrscheinlichkeitswelle niemals kollabiert. Dies wird damit begründet, dass es kein Naturgesetz gibt, welches den Kollaps der Wellenfunktion hergibt. Zwar lässt sich die Kopenhagener Deutung hervorragend anwenden. Denn sie beschreibt das, was wir in Experimenten beobachten können: Den Kollaps der Wellenfunktion. Darum glauben viele Physiker an die Richtigkeit dieser Interpretation. Weil sie das aussagt, was man in Experimenten beobachten kann. Jedoch kollabiert die Welle nur scheinbar – aus der Sicht des Beobachters.

 

Hugh Everett ist Gründer der Viele-Welten-Interpretation. Everett hatte 1959 die Idee, dass das gesamte Universum quantenmechanisch ist. Der Grund, warum wir in unserem Alltag keine Überlagerung von Möglichkeiten erkennen können, ist folgender:

Wenn das Universum quantenmechanisch ist, dann bildet der Beobachter mit dem Beobachteten ein verschränktes System. In der Einleitung wurde das Phänomen der Verschränkung bereits vorgestellt. Teile eines Quantensystems sind miteinander auf "spukhafte Weise (A. Einstein)" verbunden. In der Quantenmechanik sind Objekt und Subjekt als eine Einheit zu betrachten.

 

Das hat zur Folge, dass bis zum Zeitpunkt der Messung alle Möglichkeiten bestehen und auch nach dem Zeitpunkt der Messung alle Möglichkeiten weiterhin bestehen. Nicht die Wahrscheinlichkeitswelle kollabiert, sondern das Universum teilt sich in alle Möglichkeiten.
Und der Grund dafür, dass quantenmechanische Phänomene im Alltag nicht zu beobachten sind, sei der, dass der Beobachter sich mit dem Universum teilt. Everett war der Meinung, dass es neben unserem Universum noch eine Vielzahl weiterer Universen gibt.

 

Nun, das ist natürlich starker Tobak! Und das ist auch der Grund, warum die breite Mehrheit lieber am Kollaps der Wellenfunktion festhalten will. Denn es gibt nur diese beiden Möglichkeiten: Entweder die Wahrscheinlichkeitswelle kollabiert zu einer Möglichkeit oder das Universum teilt sich in alle Möglichkeiten.

Zur Zeit Everetts war eine Teilung des Universums natürlich überhaupt nicht vorstellbar. Sie können sich bestimmt vorstellen, welchen Spot er für seine Idee eingebüßt hatte. 

Heute jedoch ist die Idee vom Multiversum zu einer ernsthaften wissenschaftlichen These herangewachsen.

 

Die klassische Physik beschreibt alles, was messbar ist. Sie beschreibt Dinge, die Fakt sind. In der klassischen Physik gibt es keinen echten, objektiven Zufall. Dinge, die uns als „zufällig erscheinen“ scheinen nur deshalb zufällig zu sein, weil uns bestimmte Parameter unbekannt sind.

Könnten wir im Prinzip die Flugbahn jeder einzelnen Lottokugel unter Berücksichtigung ihres Gewichts, des Luftwiderstandes usw. berechnen, so wäre das Ergebnis der Lottoziehung nicht mehr zufällig.

 

Zum Bereich der klassischen Physik zählen wir alles, worüber wir Wissen in Erfahrung bringen können. Dazu gehört das Universum, also der Raum und die Zeit, sowie Materie und Energie.

Es ist all das, was wir als „Realität“ bezeichnen. Es würde keinen Sinn machen, über eine Realität zu sprechen, ohne Informationen über diese erlangen zu können.

 

Die Quantentheorie beschreibt nicht die Fakten sondern die Möglichkeiten. In der Quantentheorie existieren bis zum Zeitpunkt der Messung alle Möglichkeiten in einer Überlagerung gleichzeitig. Erst die Messung erzeugt aus den Möglichkeiten ein Faktum. Existieren mehrere Möglichkeiten als gleichwahrscheinlich, dann geschieht die Realisierung eines Faktums zufällig. Es handelt sich in der Quantentheorie um einen echten, objektiven Zufall. Das bedeutet, dass man tatsächlich nicht vorhersagen kann, welches Ergebnis eine Messung liefern wird. In der Quantentheorie spricht man davon, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass dieses oder jenes Ergebnis eintreten wird.

 

Dieser objektive Zufall gefiel Albert Einstein nicht, der ein Anhänger der klassischen Physik war. Hierzu sagte er einmal: „Der Alte würfelt nicht.“ Wobei er mit dem „Alten“ Gott meinte.

 

Um den nächsten Seiten folgen zu können, ist es für den Leser wichtig zu wissen: 

 

  1. Die klassische Physik beschreibt die Fakten. Also alles was messbar ist. Es gibt keinen echten Zufall. Lokalität ist ein Begriff in der klassischen Physik. Die Dinge sind räumlich und zeitlich an einem bestimmten Ort. (Fakten)

  2. Raum und Zeit sind Teil der klassischen Physik.

  3. Die Quantentheorie beschreibt die Möglichkeiten. In der Quantentheorie gibt es den objektiven Zufall. 

  4. In der Quantentheorie ist Materie räumlich und zeitlich nichtlokal. Materie existiert nicht wie in der klassischen Physik. Sie existiert vielmehr in einer "Überlagerung aller Möglichkeiten."

 

 

 

 


 

 

Publiziert am: Donnerstag, 14. Januar 2016 (18519 mal gelesen)
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