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Alt 09.08.2010, 18:50   #1   Druckbare Version zeigen
Godwael Männlich
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Denkanstöße - Was die Welt zusammenhält - Physik

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Michael Springer ist promovierter Physiker. Er hat mehrere Hörspiele und Romane veröffentlicht und übersetzte das Buch "The Emperor's New Mind" von Roger Penrose ins Deutsche. Seit 2005 schreibt er in Spektrum der Wissenschaft die Kolumne "Springers Einwürfe".

Als Schüler verstand ich die Welt nicht. Darum besorgte ich mir Bücher, die schon im Titel versprachen, alles zu erklären: "Die Welt in der wir leben", "Du und die Natur", "Einstein und das Universum" - und "Physik und Philosophie".

Werner Heisenberg hatte ein humanistisches Gymnasium mit Latein und Altgriechisch besucht, darum fühlte ich mich bei ihm gleich zu Hause. Er zitierte sogar Platon und Aristoteles, um mir zu erklären, was das fundamental Neue an der modernen Physik ist. Die klassische Physik - Newtons Mechanik und Einsteins Relativitätstheorien - setzt stillschweigend eine "materialistische Ontologie" voraus, schreibt Heisenberg und erklärt sogleich, was er damit meint: die selbstverständliche Annahme, Teilchen und Wellen, Kräfte und Felder existierten an sich, unabhängig vom messenden Beobachter.

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In der seit kurzem erforschten Mikrowelt gilt das aber nicht mehr, erklärte mir Heisenberg. Wenn wir ein einzelnes Elektron beobachten wollen, brauchen wir dafür mindestens ein Lichtquant; doch wenn es mit dem Elektron kollidiert, verändert es dessen Ort und Impuls derart, dass wir nie beide Größen zugleich exakt messen können. Daraus folgt die heisenbergsche Unbestimmtheit. Das ganze Buch ist dem Anliegen gewidmet, diese Unbestimmtheit als Wesenszug der Quantennatur zu behaupten - gegen alle Versuche, sie als bloße Störung einer weiterhin an sich klassischen Welt zu deuten. über Unbestimmtes können wir nur Wahrscheinlichkeitsaussagen machen, aber Wahrscheinlichkeit ist ein schillernder Begriff. Sie kann bedeuten, dass etwas an sich so oder so ausgehen kann (objektive Wahrscheinlichkeit) - aber auch, dass ich nur zuwenig weiß, um eine präzise Vorhersage zu treffen (subjektive Wahrscheinlichkeit). Beim Würfelwurf ist die Wahrscheinlichkeit, eine bestimmte Augenzahl zu werfen, ein Sechstel; wäre ich aber ein allwissender Physiker, wie der Determinist Laplace ihn sich ausmalte, dann könnte ich aus den Anfangsbedingungen des Wurfs mit Gewissheit vorhersagen, wie der Würfel fallen wird. Das ist bekanntlich in der Praxis nicht möglich, darum helfen Falschspieler nach, indem sie den Würfel heimlich zinken. Aber "theoretisch" möglich ist es doch - zumindest in der deterministischen Welt der klassischen Physik.

In der Quantenwelt ist der Zufall Heisenberg zufolge objektiv, darum muss die Beschreibung unweigerlich probabilistisch sein. Heisenberg verteidigt die neue Weltsicht gegen alle Einwände seiner prominenten Kollegen, vor allem Einstein, Schrödinger und Bohm; sie vermuteten hinter der Unbestimmtheit der Quanten eine noch tiefere Ebene - die "verborgenen Parameter" -, auf der es weiter streng deterministisch zugehen soll, wie aus der klassischen Physik gewohnt. Das Paradigma all dieser Gegenversuche ist die statistische Thermodynamik. Sie beschreibt große Ensembles von Teilchen erfolgreich mit Wahrscheinlichkeitsgesetzen, wobei stillschweigend vorausgesetzt wird, dass jedes einzelne Partikel sich "eigentlich" streng determiniert verhält; nur ist es natürlich praktisch unmöglich, das Herumgestoßenwerden jedes Moleküls im Detail zu verfolgen. Und das ist auch gar nicht nötig, denn aus der statistischen Mittelung der mikroskopischen Einzelschicksale ergeben sich - man könnte auch sagen "ermergieren" - aufs Schönste die makroskopischen Gesetze der Thermodynamik mit Druck und Temperatur, Energieerhaltung und Entropiezunahme.
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So ähnlich dachten sich wohl die Quanten-Dissidenten eine Rückführung der neuen Physik auf die alte. Heisenberg lässt an alldem kein gutes Haar. Mich überzeugte er, ich war ganz auf seiner Seite. Er stand im Bund mit Bohr, Pauli und Born, gemeinsam vertraten sie die revolutionäre Kopenhagener Deutung gegen die materialistische Ontologie der alten, der newton-einsteinschen Klassik. Und wenn es um Jung gegen Alt ging, war ich natürlich für die Jungen.

II
Beim heutigen Wiedersehen mit Heisenbergs "Physik und Philosophie" aus den 1950er Jahren erweist sich das Meiste als erstaunlich haltbar. Die Kopenhagener Deutung ist nach wie vor die Standardphilosophie des praktizierenden Quantenphysikers; das heißt, sie genügt "for all practical purposes", abgekürzt "FAPP". Sie schmiegt sich dem mathematischen Formalismus der Quantenmechanik an wie ein gut sitzender Maßanzug aus dem soliden Stoff einer philosophisch angereicherten Umgangssprache.

Die Frage ist nur, ob Heisenbergs knapp geschneiderter FAPP-Anzug vielleicht allzu sehr dazu einlädt, ihn mit buntscheckigen Troddeln zu verzieren und der Quantenphysik eine Narrenkappe aus gewagten Spekulationen und Assoziationen aufzusetzen. Zum Beispiel hat Fritjof Capra, der unter anderem bei Heisenberg studierte, in mehreren Büchern ("Das Tao der Physik", "Wendezeit" usw.) einem "mechanistischen Denken", das von Descartes und Newton abstammen soll, die Schuld an praktisch sämtlichen übeln der Moderne gegeben und für eine nebulose Synthese aus Quantentheorie und fernöstlicher Mystik plädiert. Die heisenbergsche "Unschärfe" ist geradezu zum postmodernen Gemeinplatz geworden, als sei damit wissenschaftlich erwiesen, dass es überhaupt keine vom Beobachter unabhängige Wirklichkeit gebe. In dem Buch "Eleganter Unsinn" haben Alan Sokal und Jean Bricmont amüsante bis haarsträubende Beispiele für derlei Fehlschlüsse gegeben. Dabei beweist die Lektüre von Heisenbergs Original, dass er sorgfältig den Anschein vermeidet, er halte die physikalische Realität für eine subjektive Konstruktion. Er wendet sich ausdrücklich gegen den Sensualismus des Positivisten Ernst Mach, für den nur Sinnesdaten real waren. Er betont, der "Beobachter" sei nicht nur ein menschliches Bewusstsein, sondern auch ein physikalischer Messapparat. Kaum hat er wortreich die "materialistische Ontologie" verabschiedet, schon widmet er ein ganzes Kapitel der Struktur der Materie und der Hoffnung, ihre Einheit werde sich bald physikalisch beschreiben lassen - was er selbst ja bekanntlich mit seiner "Weltformel" später probiert hat.

Mag sein, dass Heisenberg, um das Neue der Quantenphysik gegenüber der klassischen Physik gebührend herauszustreichen, gelegentlich über das Ziel hinausschießt und dadurch den Anschein erweckt, die Untersuchung einer vom Bewusstsein des Beobachters unabhängigen Wirklichkeit sei nicht länger das Geschäft der Naturforschung. Doch eine explizite Formulierung eines solchen Unsinns wird man bei ihm vergeblich suchen.

Er sagt - wie Niels Bohr und die anderen Kopenhagener - etwas Anderes, das man nur auf den ersten Blick als Abschied von der Wirklichkeit missverstehen kann: Der Beobachter, das heißt ein - bewusstes oder unbewusstes - physikalisches System, das Daten misst und registriert, lässt sich nicht mehr wie in der klassischen Physik glatt vom beobachteten physikalischen System separieren. Die beiden Systeme sind beim Quantenmessprozess so gekoppelt, dass das Messresultat nicht eindeutig, sondern nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit aus dem Messprozess hervorgeht.

Interessanterweise betrifft diese unauflösliche Kopplung zwischen Messapparat und Messobjekt laut Kopenhagener Deutung zwei qualitativ ganz verschiedene Systeme: Der Messapparat gehorcht der klassischen Physik, das Messobjekt der Quantenphysik. Heisenberg spricht von zwei unterschiedlichen Sprachen" zur Beschreibung der physikalischen Experimente einerseits und ihrer Resultate andererseits.

Mir scheint, in diesem allerdings zentralen Punkt droht der noch herrschenden Kopenhagener Deutung große Gefahr. Die experimentelle Kunst ist nicht mehr nur wie zu Heisenbergs Zeiten fähig, mit großen Maschinen Atome zu spalten und in Nebelkammern die Spuren einzelner Elementarteilchen zu verfolgen, sondern sie schickt sich an, die Messgeräte selbst - oder zumindest ihre feinen Messfühler - auf atomare und vielleicht bald subatomare Größenordnung zu bringen. Beispielsweise gelingt es schon, mit Laserphotonen eine quantenmechanische Zustandsüberlagerung von zwei Teilchen in schneller Folge abzutasten, während der Quantenzustand zerfällt, und quasi aus solchen Einzelaufnahmen einen Film dieser Dekohärenz des Zustands zusammenzustellen. Umgekehrt versucht man, typische Quantenphänomene mit immer größeren - mesoskopischen - Objekten zu demonstrieren. Mit solchen Versuchen, denke ich, wird dem Kopenhagener Dogma vom qualitativen Unterschied zwischen klassisch-makroskopischem Messapparat und quantenphysikalisch-mikroskopischem Messobjekt allmählich ganz praktisch der Boden entzogen. Das bedeutet: Auch der klassische Messapparat gehört in die Domäne der Quantensprache. Alles ist letztlich Quantenphysik - Beobachter und Messgeräte inklusive. Wie die klassische Welt der makroskopischen Alltagsphysik aus den Quantengesetzen hervorgeht oder "emergiert", das vermag die wichtigste Konkurrentin der Kopenhagener Interpretation, die so genannte Dekohärenz, zu erklären. Das Dekohärenzmodell kehrt den Spieß um, den einst Einstein, Schrödinger und Bohm gegen die Kopenhagener zückten: Sie wollten die Quantenwelt klassisch machen, jetzt wird die klassische Welt auf Quantenregeln zurückgeführt. Wenn quantenmechanische Zustandsüberlagerungen durch Dekohärenz zerfallen, entstehen daraus die eindeutigen Zustände, die wir an alltäglichen Makroobjekten gewohnt sind.

Es ist schon bemerkenswert, dass Heisenberg, für den wie für jeden Theoretiker die "Einheit der Materie" der Heilige Gral der Physik war, sein Leben lang eine Deutung der Quantentheorie verteidigte, welche die Wirklichkeit in zwei unversöhnliche Domänen aufspaltete. Der Preis einer klassischen Vereinheitlichung mittels verborgener Parameter a la Bohm war ihm aus gutem Grund zu hoch: Wozu eine zusätzliche Seinsebene einführen, wenn sie physikalisch keinerlei Unterschied macht? Der enorme Preis der umgekehrten Vereinheitlichung mittels Quantendekohärenz hätte ihm - wie heute den meisten Physikern - vermutlich auch nicht behagt. Denn dabei ist der ontologische Aufwand noch viel höher: Dekohärenz ist anscheinend nur um den Preis zu haben, dass die Welt durch jeden Messakt in so viele Parallelwelten aufgespaltet wird, wie es mögliche Messresultate gibt. Dagegen mutet Heisenbergs grauer FAPP-Anzug ja wieder richtig attraktiv an. Vielleicht nicht mehr der letzte Schrei, aber immer noch grundsolide.

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Quelle: Fischblog - Wissenschaft für alle

Geändert von Godwael (09.08.2010 um 18:57 Uhr)
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