Motivation und Ziele
Mit der Matrizenmechanik von W. Heisenberg, der Eigenwertgleichung von E. Schrödinger und der statistischen Interpretation der darin auftretenden Wellenfunktion durch M. Born hat sich vor gut 100 Jahren die Quantenmechanik als eine neue, geschlossene Theorie der physikalischen Prozesse auf atomarer Ebene etabliert. Doch noch immer werden die erkenntnistheoretischen Konsequenzen dieser Theorie nicht nur unter Physikern kontrovers diskutiert.
Sieht man sich all die Publikationen, Youtube-Videos und Vorträge an, die anlässlich des 100-jährigen Geburtstags der Quantenmechanik in den verschiedensten Medien zu finden sind, dann fällt einem die schiere Menge an metaphysischen und nicht selten auch mystischen Interpretationen der Quantenmechanik auf. Als Beispiele seien hier die Diskussionen um die Verletzung der Kausalität in der Quantenmechanik, die mystischen verschränkten Zustände und Schrödingers Katze genannt. Letztere kann sowohl tot als auch lebendig sein - ein Lebewesen, das jeden Science-Fiction-Fan vor Wonne erschauern lässt. Zwei Experimente stehen dabei im Mittelpunkt dieser Diskussionen: Das Doppelspaltexperiment und das Bellsche Experiment. Mit Letzterem wurde - so die weit verbreitete Meinung unter Physikern - die "nicht-lokale Realität" der Quantenmechanik bewiesen, wie sie in der berühmten Arbeit von Einstein, Podolsky und Rosen (die "EPR"-Arbeit) diskutiert wurde, um auf die Unvollständigkeit der Quantenmechanik hinzuweisen.
Ein anderer Teil der Physiker fühlt sich dem pragmatischen Standpunkt sei still und rechne verbunden - gerechtfertigt durch die enormen Erfolge, mit der diese neue Theorie aufwarten konnte und deren Ergebnisse zu einem rasanten technologischen Fortschritt beigetragen haben. Sie ist heute unverzichtbar für unser Alltagsleben geworden.
Warum also fällt es uns auch nach über 100 Jahren so schwer, diese Theorie in unser Verständnis von physikalischer Realität einzugliedern? Ein Aspekt liegt sicher in der Tatsache begründet, dass die Objekte, um die es in der Quantenmechanik geht, von uns nicht direkt sinnlich wahrnehmbar sind. Das ist ein idealer Nährboden für Spekulationen und Metaphysik, von der Newton schon zu sagen wusste: "Physik, hüte dich vor der Metaphysik".
Es ist das Ziel dieser Webseite, den vielen metaphysischen und mystischen Erklärungsversuchen eine rationale Sicht entgegenzustellen. Es ist der Versuch, die klassische Physik und die Quantenmechanik auf einer rationalen Ebene wieder miteinander zu versöhnen.
Dazu wollen wir uns im nächsten Abschnitt dieser Webseite zunächst mit der Frage beschäftigen, was eigentlich unter Physik bzw. physikalischer Realität zu verstehen ist. In den darauffolgenden Kapiteln wird die darauf gegebene Antwort am Beispiel zweier fundamentaler Objekte der klassischen Physik mit Bezug zur Quantenmechanik demonstriert. Wir werden dort bereits Gemeinsamkeiten zwischen der Beschreibung von Objekten der klassischen Physik und der Quantenmechanik feststellen, die kaum in den gängigen Erklärungsversuchen zu finden sind. Da die Physik wohl diejenige Naturwissenschaft ist, die der Strukturwissenschaft Mathematik am nächsten steht, kommt auch diese Webseite nicht ohne Mathematik aus. Um aber auch an der hier behandelten Thematik interessierte Laien anzusprechen, sind die entsprechenden Kapitel jeweils in einen Laien- und Experten-Bereich unterteilt.
Die letzten beiden Bereiche dieser Webseite bieten dann dem Leser die Möglichkeit, sich mit dem oben genannten Bellschen Experiment und dem Doppelspaltexperiment interaktiv auseinanderzusetzen.
Was ist Physik? - Der Versuch einer Definition
Wagen wir zunächst den Versuch einer Definition von Physik, der vielleicht so etwas wie ein "kleinstes gemeinsames Verständnis" unter Physikern darstellen könnte:
Physik bezieht sich auf einen bestimmten Bereich menschlicher Aktivitäten, bei dem versucht wird, Ursache-Wirkungsbeziehungen in oder zwischen spezifizierten Objektklassen durch Maß und Maßzahl auszudrücken. Dabei kann es sich sowohl um reale - also direkt unserer sinnlichen Wahrnehmung zugängliche - oder abstrakte Objekte handeln. Diese werden durch ihre ebenfalls realen bzw. abstrakten Eigenschaften definiert. Die Ursachen können einerseits a priori gegeben und durch unsere experimentelle Erfahrung begründet sein. Wir wollen sie eingeprägte Ursachen/Quellen nennen. Doch es gibt auch induzierte Ursachen/Quellen, die sich auf Wechselwirkungen zwischen gleichen oder unterschiedlichen Objekten zurückführen lassen. Unter einer Wirkung verstehen wir, dass das betrachtete Objekt einen bestimmten Zustand einnehmen kann oder sich sein ursprünglicher Zustand ändert.
Gemäß diesem Verständnis wären die 8 Kategorien Ursache/Quelle, Wirkung, Wechselwirkung, Objekt, Eigenschaften, Zustand, Maß, Maßzahl die grundlegenden Kategorien von Physik. Das stellt von vornherein klar, dass wir es in der Physik mit der Aufdeckung kausaler Zusammenhänge zu tun haben, die durch die beiden Kategorien Maß und Maßzahl besonders eng an die Mathematik gekoppelt werden. Zwei Beispiele dazu aus der klassischen Physik betrachten wir in den nächsten beiden Kapiteln.
Ein wesentlicher Unterschied zwischen Physik und Mathematik besteht darin, dass bei ersterer die experimentelle Erfahrung an oberster Stelle steht. Die Strukturen der Mathematik werden dann im Nachhinein benutzt, um diese Erfahrung - ganz im Sinne von N. Bohr - in eine möglichst allgemeingültige Sprache zu fassen. Eine physikalische Theorie ist dann erfolgreich, wenn sie es gestattet, experimentelle Ergebnisse zu bestätigen oder vorherzusagen. Wird eine solche Vorhersage experimentell von unabhängigen Physikern und mit unterschiedlichen Methoden bestätigt, spiegelt diese experimentelle Erfahrung zusammen mit der sie beschreibenden Mathematik ein Element unserer physikalischen Realität wider.
Eigentlich sollte es gegen dieses Verständnis von Physik keine ernsthaften Einwände geben. Die Quantenmechanik lässt sich nun zwanglos darin integrieren, wenn wir deren Objekte und Zustände als abstrakte Größen auffassen. Es bleibt die Frage zu klären, was hier Maß und Maßzahl wären? Eine mögliche Antwort: Das Maß ist die Wahrscheinlichkeit, und die Maßzahl ist die relative Häufigkeit, die sich aus einer Vielzahl identischer Experimentschritte ermitteln lässt.
Doch seit der statistischen Interpretation der Wellenfunktion durch M. Born hat sich neben dem Horror vacui auch der Horror probabilitatis unter Physikern verbreitet. Das geht oft mit der Vorstellung einher, dass die Quantenmechanik den Determinismus aushebelt. Aber tut sie das wirklich? Es geht ja hier nicht um beliebige Wahrscheinlichkeiten, die in einem Experiment keinerlei Vorhersagen erlauben. Im Gegenteil, bestimmte Experimente führen - wie wir am Beispiel des Bellschen Experiments demonstrieren werden - zu ganz bestimmten, vorhersagbaren Wahrscheinlichkeiten, deren Ursache definierte stochastische Quellen sind. Der Horror probabilitatis hatte Einstein zu der Bemerkung "Gott würfelt nicht" veranlasst. Dem möchte man entgegenhalten: Es mag sein, dass Gott nicht würfelt. Aber der Teufel tut es mit Sicherheit! Und ein solches Verständnis von Quantenmechanik schließt ja nicht aus, dass irgendwann in der Zukunft das stochastische Verhalten dieser Quellen erklärt werden kann. Neue Physikergenerationen wollen ja auch noch ihren Spaß haben. Doch kommen wir nun zu den erwähnten Beispielen aus der klassischen Physik, um das hier Gesagte etwas konkreter zu fassen.