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So gut die Quantenwelt auch funktioniert, so genau ihre Vorhersagen mit dem Experiment auch übereinstimmen: Bis heute streiten Physiker und Philosophen über die richtige Interpretation der Quantenphysik - und über die Bedeutung der Quantenphysik für unser Weltbild.

Der Theologe Adolf von Harnack (1851-1930) hat die theoretischen Physiker als die wahren Philosophen des 20. Jahrhunderts bezeichnet. Die Notwendigkeit zu philosophieren ergab sich vor allem durch die Schlüsselposition, die der Beobachter in der Quantentheorie einnimmt.


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"Andere Welt II", M. C. Escher, 1947. In M. C. Eschers Bild existieren drei scheinbar identische Welten nebeneinander. Drei Kopien eines rätselhaften Wesens sind zu sehen, die offenbar nichts voneinander mitbekommen. Eine Interpretation der Quantentheorie geht davon aus, dass weit mehr als drei, nämlich fast unendlich viele Welten parallel zueinander bestehen.(© Photo: 2001 Cordon Art B.V.-Baarn, Holland. All rights reserved)

Im täglichen Leben wird niemand behaupten, dass der Mond nur dann am Himmel steht, wenn wir ihn anschauen. Aber in der Mikrowelt entscheidet sich das Ergebnis eines Experiments tatsächlich erst durch die Messung. Oder anders herum: Bevor eine quantenphysikalische Größe gemessen wird, hat sie keinen bestimmten Wert. Beispielsweise kann ein Elektron in einem von der Umgebung isolierten Atom sich gleichzeitig auf zwei verschiedenen Kreisbahnen um den Kern bewegen. Damit besitzt es keinen bestimmten Energiewert - solange, bis der Physiker eine Messung vornimmt. Misst man direkt nach dieser Messung das Elektron noch einmal, kommt wieder der Wert aus der ersten Messung heraus. Denn durch die erste Messung ist der vorher unbestimmte Zustand eindeutig festgelegt worden.

Der Österreicher Erwin Schrödinger hat die merkwürdigen Konsequenzen all dieser Überlegungen in seinem berühmten Gedankenexperiment mit der Katze auf die Spitze getrieben. In diesem wenig katzenfreundlichen Versuch stirbt das in einer Kiste eingesperrte Tier, sobald ein radioaktives Atom zerfällt, das sich ebenfalls in der Kiste befindet. Weil niemand sagen kann, wann das Atom zerfällt, beschreibt man es mathematisch als eine Überlagerung der Zustände "zerfallen" und "nicht zerfallen". Den Regeln der Quantenmechanik zufolge "entscheidet" sich das Atom erst dann für einen bestimmten Zustand, wenn eine Messung vorgenommen, also der Kasten geöffnet wird. Eine noch lebende Katze bedeutet: Das Atom ist noch nicht zerfallen - eine tote, dass der Zerfall bereits stattgefunden hat. Daraus folgt aber, dass auch die Katze sich solange, wie der Deckel geschlossen bleibt, in einer Überlagerung der Zustände "tot" und "lebendig" befinden müsste (wobei die Wahrscheinlichkeit, eine lebende Katze vorzufinden, natürlich mit der Zeit abnimmt).

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Schrödingers Katze
In einer verschlossenen Kiste befindet sich eine Katze zusammen mit einem radioaktiven Atom und einem Fläschchen Gift. Zerfällt das Atom, löst dies einen Mechanismus aus, der die Flasche zerschlägt; die Katze atmet die Giftdämpfe ein und stirbt. Nach der Quantentheorie gibt es zwar eine statistische Wahrscheinlichkeit für den Zerfall des Atoms, wann es aber tatsächlich zerfällt, ist vollkommen dem Zufall überlassen. Wäre auch die an dieses System gekoppelte Katze ein quantenmechanisches Objekt, so wäre auch der Zustand der Katze ungewiss. Solange man die Kiste nicht öffnet, also eine Messung vornimmt, weiß man nicht, ob die Katze noch lebt oder schon tot ist. Nach den Regeln der Quantenmechanik wäre die Katze bis zum Öffnen der Kiste weder tot noch lebendig, sondern eine "Überlagerung" der beiden Zustände "Katze tot" und "Katze lebendig". Erst wenn der Beobachter hineinschaut, müsste sie sich für einen Zustand "entscheiden". In der normalen Welt mit richtigen Katzen ist das natürlich nicht so. Deshalb ist "Schrödingers Katze" zum Glück ein rein gedanklicher Tierversuch geblieben.

Eine solche paradoxe Situation wird aber bei einer "echten" Katze aus zwei Gründen niemals eintreten. Zum einen lässt sich die Überlagerung von Zuständen nur in Systemen beobachten, die so gut isoliert sind, dass sie nicht mit ihrer Umgebung wechselwirken. Schon diese Bedingung kann ein Lebewesen nicht erfüllen, denn es muss zumindest atmen. Darüber hinaus sind quantenmechanische Effekte bei Objekten von der Größe einer Katze noch nicht beobachtet worden. In modernen Experimenten ist es aber bereits gelungen, Atome zu erzeugen, die sich gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen befinden. Unlängst gelang es sogar Forschern im US-amerikanischen Stony Brook, einen supraleitenden Strom zu erzeugen, der gleichzeitig in zwei verschiedenen Richtungen floss. Solche Versuche sind besonders knifflig, da man eine Möglichkeit finden muss, die überlagerten Zustände auf indirektem Weg nachzuweisen, denn eine direkte Messung würde ja die Überlagerung aufheben. Deshalb wird die "Katze" in der Regel auf trickreiche Weise an ein weiteres physikalisches System gekoppelt, auf das sie ihren doppeldeutigen Zustand überträgt. Dieses System lässt sich messen, ohne die "Katze" selber in ihren überlagerten Zuständen zu stören.

Bildbeschreibung:
Ein ganz besonderer Katzenbaum. Nach der Viele-Welten-Theorie muss sich ein quantenmechanisches Objekt nicht für ein Messergebnis "entscheiden" - das Universum spaltet sich vielmehr in so viele Kopien auf, dass jedes mögliche Ergebnis realisiert werden kann. Bei Schrödingers Experiment mit der Katze gibt es nur zwei Möglichkeiten: "Katze tot" oder "Katze lebendig". Wiederholt man dieses Experiment immer wieder und in allen Universen, so erhält man einen "Baum" mit fast unendlich vielen Verzweigungen.
(Illustrationen: Stefanie Juras, iser und schmidt)

Der Einfluß des Beobachters ist in der Quantenwelt entscheidend. Wie aber sein "Eingreifen" genau zu verstehen ist und wo die Grenze zwischen Alltags- und Quantenwelt tatsächlich liegt, ist bis heute nicht geklärt. Besitzt der Beobachter eine Sonderstellung, die ihn über die Materie erhebt, oder ist er selbst eine Überlagerung quantenmechanischer Zustände? In den Anfängen der Quantentheorie wurde von einigen Wissenschaftlern tatsächlich die "Geist-über-Materie"-Interpretation vertreten: das menschliche Bewusstsein sei, so behaupteten sie, nicht den Regeln der Quantenmechanik unterworfen, da diese nur für Materie gälten. Auf Grund dieser Sonderstellung könnten wir durch bloße Beobachtung bewirken, dass Objekte von unbestimmten Zuständen in ein konkretes Dasein treten. Solch eine Erklärung würde aber bedeuten, dass Messapparate alleine keine eindeutigen Ergebnisse bei einem Experiment produzieren könnten. Es wäre immer ein menschlicher Beobachter nötig, der diese Ergebnisse registriert und sie dadurch erst von der quantenmechanischen Überlagerung in die Eindeutigkeit der Alltagswelt überführt. Diese Interpretation der Quantenphysik hätte natürlich bizarre Konsequenzen: Ein Wissenschaflter könnte dann nämlich ein Messprotokoll - ohne es anzuschauen - vervielfältigen und an Physikinstitute in aller Welt verschicken. Die Ergebnisse auf den Papieren blieben solange vieldeutig, bis der erste Physiker sein Exemplar des Protokolls angesehen hätte. In diesem Augenblick wären auch die Ergebnisse auf allen anderen Kopien wie durch Zauberei festgelegt. Ein Effekt, der dem Fall der Zwillingsphotonen ähnelt, diesmal aber Objekte aus der Alltagswelt betreffen würde!

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"Ob etwas, worüber man nichts wissen kann, doch existiert, darüber soll man sich ... doch wohl ebensowenig den Kopf zerbrechen, wie über die alte Frage, wieviele Engel auf einer Nadelspitze sitzen können", meinte Wolfgang Pauli. Demnach würde sich die Frage nach einer "wahren Realität" hinter der Quantentheorie erübrigen.

Einen noch phantastischer klingenden Vorschlag zur Interpretation des Messprozesses machte 1957 der amerikanische Physiker Hugh Everett. Er ging davon aus, dass der Beobachter sich in mehrere Kopien seiner selbst aufspaltet und dadurch jeden möglichen Ausgang eines Experiments sieht. Der Beobachter merkt nur deshalb nichts davon, weil jede Kopie nach der Beobachtung in ihrem eigenen, parallel existierenden Universum weiterlebt. Da für jedes denkbare Ergebnis jeder quantenmechanischen Wechselwirkung Kopien des jeweiligen Beobachters entstehen, existieren Everetts Theorie zufolge eine fast unendliche Zahl paralleler Universen nebeneinander.

Umstritten ist im Rahmen dieser Theorie die Frage, ob wir andere Universen besuchen könnten. Der britische Physiker David Deutsch bejaht dies und kommt zu dem überraschenden Schluss, dass Zeitreisen in Everetts "Viele-Welten-Theorie" ohne Widersprüche möglich wären. Eines der wichtigsten Argumente gegen Ausflüge in die Vergangenheit ist nämlich, dass der Zeitreisende in der Vergangenheit seine eigene Geburt verhindern und somit ein Paradoxon erzeugen könnte. Dieses Argument ist aber in einem "Multiversum" nicht stichhaltig: Denn ein Zeitreisender könnte sich in die Vergangenheit jedes parallelen Universums begeben und dort die Geburt seines "Doubels" verhindern, ohne dass ein logischer Fehler auftreten würde.

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Wahrscheinlichkeitswellen in Form eines Trilobiten: Die Existenz eines ungewöhnlich großen Moleküls aus zwei Rubidium-Atomen wurde von einer amerikanischen Forschergruppe vorhergesagt. Eine der Besonderheiten dieses Moleküls ist, dass die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines äußeren Elektrons zufällig genau die Form eines Trilobiten annimmt, eines urzeitlichen Tierchens, das vor 300 Millionen Jahren in den Weltmeeren gelebt hat. Die Wissenschaftler haben hier die Aufenthaltswahrscheinlichkeit für eine zweidimensionale Fläche berechnet, die Ergebnisse wurden dann in der dritten Dimension (nach oben) aufgetragen. Die jeweilige Höhe der Wellen gibt also die Wahrscheinlichkeit an, das Elektron am betreffenden Punkt der Ebene zu finden.


Die meisten Physiker sind der Überzeugung, dass die beiden vorgestellten extremen Sichtweisen bei der Interpretation der Quantentheorie noch nicht der Weisheit letzter Schluss sind. Und letztendlich ist dies eben eine philosophische Diskussion. Bereits Niels Bohr vertrat die pragmatische Sichtweise, die Physik könne lediglich Aussagen über Dinge machen, die der Messung zugänglich sind. Über den Rest empfahl er zu schweigen. Oder, wie Wolfgang Pauli es formulierte: "Ob etwas, worüber man nichts wissen kann, doch existiert, darüber soll man sich ... doch wohl ebensowenig den Kopf zerbrechen, wie über die alte Frage, wieviele Engel auf einer Nadelspitze sitzen können."