23. Januar 2005 Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung

Quanten-Pornographie

Im Mikrokosmos gelten andere Gesetze. Daß sie etwas mit der Alltagsrealität zu tun haben, gilt als anstößig

Nach der Quantentheorie David Bohms sind Elektronen Teilchen, die auf definierten Bahnen laufen: Hinter einem Doppelspalt (schwarz) etwa auf kurvigen Trajektorien (farbig), die der klassischen Vorstellung widersprechen.
© Detlef Dürr, LMU

Die materielle Welt besteht aus Atomen, und diese wiederum bestehen aus noch kleineren Objekten, etwa Elektronen – so steht es in jedem Schulbuch. Stühle, Tische, Steine sind in der Realität mehr oder weniger wohlgeordnete Ansammlungen winziger Teilchen.

In der Realität? Tatsächlich war selbst die Existenz der Atome noch um 1900 stark umstritten; erst eine der drei Arbeiten Albert Einsteins in seinem Wunderjahr 1905 verhalf der Idee endgültig zum Durchbruch. Doch zwanzig Jahre später war wieder alles ganz anders. Zwar zweifelte niemand mehr, daß die Materie letztlich aus diskreten Objekten besteht, wohl aber daran, daß sich diese verhielten wie verkleinerte Fußbälle. Es stellte sich heraus, daß die vertrauten mechanischen Gesetze in der Mikrowelt nicht mehr gelten. Sie müssen dort durch die Gesetze der Quantenmechanik ersetzt werden. Dieser Quantengesetze, etwa jene, die beim sogenannten Doppelspaltexperiment zum Zuge kommen (siehe Grafik „Paradoxes Torwandschießen“), brachten viele Physiker dazu, sich von der Vorstellung, die fundamentalen Bausteine derWelt verhielten sich wie kleine Teilchen, die einen Ort oder eine Flugbahn haben, wieder zu verabschieden.

Paradoxes Torwandschießen: Die Muster hinter dem Doppelspalt kann man nach der Kopenhagener Interpretation nur berechnen. Nach Bohm kann man sie auch verstehen.
© FAZ

Wie aber soll man diese Gesetze sonst verstehen? Wie auf einem Jahrmarkt der Ideen erfinden und verwerfen Forscher seit achtzig Jahren die verschiedensten sogenannte „Interpretationen“ der Quantentheorie, also Erklärungen der Quantengesetze, welche die Frage nach der Realität in der Mikrophysik beantworten. Oder eben bewußt nicht beantworten, wie in der „Kopenhagener Interpretation“, die auf den Dänen Nils Bohr, einen der Erzväter der Quantentheorie, zurückgeht. Dessen Anhänger – heute wohl die Mehrheit der interessierten Physiker – weigern sich, überhaupt Aussagen über so etwas wie Realität zu machen, die hinter ihren Formeln stecken könnte. Wichtig ist ihnen nur, daß die Theorie imstande ist, vorherzusagen, wie die makroskopischen Messungen ausfallen – und das kann die Quantentheorie heute wie kaum eine zweite in der Physik.

Nach der Kopenhagener Interpretation läßt sich der Mikrokosmos zwar berechnen, aber nicht im Sinne einer herkömmlichen Naturphilosophie verstehen. Das kann man wahlweise als Demut des menschlichen Verstandes vor seinen Grenzen deuten – oder aber als Ungeheuerlichkeit. Es gibt daher Forscher, die sich mit dieser, wie sie es empfinden, Vergewaltigung des gesunden Menschenverstandes nicht abfinden wollen. Der Münchner Mathematikprofessor Detlef Dürr ist einer von ihnen. Er hält es lieber mit dem amerikanischen Physiker David Bohm. Dieser hatte 1952 eine alternative Quantentheorie entwickelt, um den Teilchen wieder ihre Realität zurückzugeben.

David Bohm 1949

Der 1917 in Pennsylvania geborene David Bohm gilt als eines der größten physikalischen Talente seiner Generation. Dennoch eckte er an –und nicht erst mit seiner Interpretation der Quantenmechanik. 1949, als Bohm Assistenz-Professor an der Universität Princeton war, zitierte man ihn vor das berüchtigte Komitee für „unamerikanische Aktivitäten“, das ihn verdächtigte, ein kommunistischer Agent gewesen zu sein. Bohm verweigerte die Aussage, woraufhin man ihn zu einer Haftstrafe verurteilte. 1951 wurde er freigesprochen, doch die Universität Princeton verbot ihm, jemals wieder den Campus zu betreten. In seiner Heimat gab es für Bohm keine Chance mehr auf eine wissenschaftliche Karriere.

Er wanderte daraufhin nach Brasilien aus, wo er 1952 seine eigene Interpretation der Quantenmechanik ausarbeitete und veröffentlichte. Obwohl der Theorie keine Fehler nachzuweisen waren, wurde sie sehr skeptisch aufgenommen. „Wenn wir Bohm nicht widerlegen können“, sagte der einflußreiche Physiker J. Robert Oppenheimer, „dann müssen wir ihn ignorieren.“ Bohms weitererWeg führte über Israel 1961 nach London, wo er bis zu seinem Tod 1992 lehrte und arbeitete. Bis zum Schluß entwickelte er seine Theorie weiter, mit der er die vorherrschende, seiner Meinung nach schizophrene Interpretation der Quantenmechanik überwinden wollte.

Im üblichen Formalismus der Quantentheorie kommt der Begriff „Teilchen“ gar nicht vor. Statt dessen gibt es dort die sogenannte Wellenfunktion. Sie erscheint gleichzeitig als alles und nichts. Die Wellenfunktion trägt alle wahrnehmbaren Möglichkeiten der Welt in sich. Aus ihr lassen sich die Wahrscheinlichkeiten dafür berechnen, daß eine dieser Möglichkeiten tatsächlich eintritt, wenn man einem Quantensystem mit einem Meßapparat zu Leibe rückt. Erst im Akt der Beobachtung wird das Teilchen in unserer großen Welt existent, während zugleich die Wellenfunktion samt ihrer Quantennatur verlorengeht. Die Wellenfunktion „kollabiert“, und es ist, als beschere sie erst dabei dem Teilchen durch einen geheimnisvollen Mechanismus seine Realität. Die meisten Physiker begegnen diesem als „Meßproblem“ bekannten Rätsel pragmatisch: Sie ignorieren es oder nehmen es als echte „Kopenhagener“ bewußt hin. Dennoch gilt das Phänomen bis heute für die meisten Experten als ungelöst.

Für „Bohmianer“ wie Detlef Dürr dagegen gibt es kein Meßproblem – weil für sie die Teilchen schon vor der Messung existieren. Bohm integrierte das Teilchenkonzept in die Wellenwelt der Quantenmechanik, indem er der Theorie eine einzige Gleichung hinzufügte. Mit dieser ist es möglich, die Bahnen der Teilchen jederzeit exakt zu berechnen. Seit Jahren feilen die Bohmianer an den Details der Theorie und kämpfen für deren Akzeptanz. Im Fachjournal Physical Review Letters beschrieb Dürrs Team vor kurzem, daß sich die Theorie der Teilchen- bahnen auch auf die Erzeugung und Vernichtung von Elementarteilchen ausweiten läßt, wie man sie in Teilchen- beschleunigern beobachtet. Dürr glaubt fest daran, daß die Bohmsche Interpretation die einzig richtige ist: „Sie können jede Frage an die Theorie stellen und kriegen auf jede Frage eine Antwort.“ Den Bohmschen Bahnen sei Dank – alle Mysterien der Quantenwelt lösen sich in reale, wenn auch etwas skurrile Teilchenbahnen auf.

Obwohl es keine gültigen Beweise gegen Bohms Theorie gibt, galt sie lange als geradezu unerhört. Als auf einem Kongreß in den achtziger Jahren zum erstenmal die im Computer berechneten Bohmschen Teilchenbahnen des Doppelspaltexperiments öffentlich gezeigt wurden, sprang der Italiener Franco Selleri spontan auf und rief: „Dies ist die Hardcorepornographie der Quantenmechanik.“ Bei allem philosophischen Reiz einer Rückkehr zur Idee lokalisierter Teilchen – so etwas durfte es einfach nicht geben, schon gar nicht für die Verfechter der Kopenhagener Interpretation.

Die aber sei eine Theorie, die „nichts erklärt“, findet Detlef Dürr. Seiner Ansicht nach versuchte Bohr, die Rätsel der Quantenwelt mit roher Gewalt zu beseitigen: Per Postulat habe er mit dem „Kollaps der Wellenfunktion“ der Theorie so etwas wie ein wirklichkeitswandelndesWunder eingebaut. Statt einesWeltbildes habe Nils Bohr eine diffuse Philosophie der Dualität geschaffen, in der große und kleine Welt unvereint nebeneinander existierten. Diesen Dualismus gibt es bei Bohm nicht. Mag die Wellenfunktion unendlich viele Möglichkeiten enthalten, die Bohmsche Mechanik kennt zu jedem Zeitpunkt immer nur eine Anordnung der Teilchen und damit immer nur eine Welt.

Bohms Theorie hat einen Vorund einen Nachteil: Sie ist nicht widerlegbar. Denn sie ist gerade so konstruiert, daß ihre Voraussagen mit denen des herkömmlichen Quantenformalismus identisch sind. Damit kann die Theorie aber auch nicht bewiesen werden. Die Bohmschen Bahnen sind zwar berechenbar, aber meßbar sind sie grundsätzlich nicht. Jeder experimentelle Versuch, der zu diesem Zweck unternommen wird, macht die mysteriösen Quanteneigenschaften des Teilchens sofort zunichte.

Die Situation bleibt also unbefriedigend. „Wenn experimentell nicht zwischen den Interpretationen entschieden werden kann, dann wird die Wahl zwischen ihnen zur reinen Geschmackssache“, sagt Claus Kiefer. Und diese Geschmackssache ist nach Ansicht des Kölner Theoretikers für viele Physiker vor allem eine Frage der Weltanschauung. Den Bohmianern wirft er dabei vor, sentimental an einemWeltbild festzuhalten, das sich an der menschlichen Alltagswahrnehmung orientiert. Die habe zwar viel mit unseren Bedürfnissen, aber mit der Physik des Mikrokosmos wahrscheinlich nichts zu tun. „Die Anschauung muß sich nach der Physik richten“, sagt Kiefer, „nicht andersrum.“ Wenn im Quantenformalismus keine Teilchen vorkämen, dann gebe es eben auch keine. Welche Theorie die richtige ist, entscheide vielmehr die mathematische Einfachheit, und da sei schon die eine zusätzliche Bohmsche Formel eine Formel zuviel.

Für Theoretiker wie Kiefer besteht alles, was ist, tatsächlich nur aus derWellenfunktion. Alles andere sei Illusion. Konsequenterweise müssen dann alle möglichen Realitäten, die die Wellenfunktion repräsentiert, gleichzeitig existieren. Darum wurde diese Theorie auch die „Viele-Welten-Interpretation“ getauft, bei der unendlich viele Universen nebeneinander bestehen. Darunter könnte sich zum Beispiel eines befinden, in dem Claus Kiefer die Bohmsche Mechanik ablehnt, und eines, in dem er an sie glaubt. Der Mensch nimmt aber immer nur eine dieser Myriaden von Realitäten wahr, zu den anderen ist jeder Kontakt unmöglich. Eine bizarre Welt, das räumt auch Kiefer ein: „Ich verstehe das als Arbeitshypothese. Ganz geheuer ist mir diese Theorie auch nicht.“ Doch der Formalismus der Quantentheorie schreibe ihm sein Wirklichkeitsverständnis nun einmal vor.

Für Detlef Dürr dagegen ist die Vorstellung vieler Welten, die nichts voneinander wissen, sinnlos. Daß er am Teilchenbild aus Sentimentalität festhalte, empfindet er nicht als Vorwurf. Schließlich glaube er an nur eine Realität, sagt Dürr, „und das Reale muß man in der Theorie benennen“. Bei Bohm sind das eben die Teilchen. Die Überprüfbarkeit sei, sagt Dürr, dabei nicht unbedingt notwendig. Viel wichtiger sei, daß mit den Teilchenbahnen die Quantenmechanik wieder verstehbar würde: „Es besteht die Chance, daß wir wieder hin zu einer Physik kommen, die einWeltbild verkündet. Schließlich will ich wissen, was wirklich ist.“ Diese Sehnsucht nach Verständnis wachse bei immer mehr Grundlagenforschern, glaubt Dürr, ebenso der Zuspruch für die Bohmsche Idee.

Das sehen nicht alle so. „Viele, die früher Bohm gefolgt waren, glauben jetzt, daß sich alles durch den Begriff der Information erklären läßt“, sagt zum Beispiel Antony Valentini vom kanadischen Perimeter- Institut, selbst ein erklärter Bohmianer. Seit zehn Jahren sei eine neue „Informations-Theorie“ im Aufschwung, von der er selbst als Kenner der Szene nicht sagen könne, wie sie funktioniere. Der Begriff der Information sei viel zu vage, die Theorie noch nirgendwo ausformuliert. Doch ihre Anhängerzahl wächst, insbesondere unter Experimentatoren. Auch der Wiener Quantenpapst Anton Zeilinger zählt dazu. Doch der „Informations- Hype“ werde verfliegen, da ist sich Valentini sicher: „Denen wird die Luft ausgehen, wenn sie sehen, daß ihre Theorie nichts beantwortet.“

Valentini ist anders als die anderen Bohmianer. Weil die gewöhnliche Version der Bohmschen Mechanik nicht experimentell beweisbar ist, lehnt er sie ebenso ab wie Claus Kiefer. Er ist dabei, eine eigene Variante zu entwickeln, die experimentell von der gewöhnlichen Quantentheorie unterscheidbar sein soll. Dazu müßte man es allerdings schaffen, bestimmte exotische Elementarteilchen imWeltraum aufzuspüren und zu vermessen.

Valentinis Abweichung von den „Mainstream-Bohmianern“ ist bezeichnend für die Szene der Quantenquerdenker: eine gespaltene Gemeinde von Grüblern, untereinander oft ohne Kontakt, manchmal sogar verfeindet. Es sei wie in der Politik, sagt Antony Valentini: „Es gibt Ignoranz, Moden und Intrigen. Und es geht um Macht und Fragen der Finanzierung.“ Der Kölner Claus Kiefer sieht das nüchterner: „Historisch wird sich ohnehin das richtige Weltbild durchsetzen.“ Vorausgesetzt, die Forscher interessieren sich auch in Zukunft noch für die Frage der Realität.

0 Kommentare…

Kommentar schreiben


(Bitte beachten Sie die Hinweise und Regeln zu Kommentaren.)