Das Messproblem

Die Quantenphysik funktioniert zwar hervorragend bei allen Atomen und Molekülen. Neben der fehlenden Erklärung für das Phänomen der Verschränkung hat sie aber noch ein weiteres fundamentales Problem. Das ist das Messproblem.
Wie von mir erläutert, bewirkt jede Beobachtung, also jede Messung, den Kollaps eines Superpositionszustands. Aber etwas extrem Wichtiges habe ich bislang nicht gesagt: Gemäß der Quantenphysik dürfte es den Kollaps gar nicht geben. Vielmehr sollte sich das Messgerät ebenfalls in einem Superpositionszustand befinden und alle Zustände des Messobjekts gleichzeitig anzeigen. Was aber nicht der Fall ist. Das stellt ein fundamentales und bislang nicht wirklich überzeugend gelöstes Problem dar, das sogenannte Messproblem. Es ist deshalb ein fundamentales Problem, weil es bedeutet, dass die Quantenphysik bei jeder Messung ungültig wird.
Das Messproblem wurde schon von Erwin Schrödinger erkannt. Er illustrierte es anhand einer Katze, die heute typischerweise als „Schrödingers Katze“ bezeichnet wird. In seinem Gedankenmodell, in der Realität wäre es Tierquälerei, sind ein radioaktives Atom, ein Geigerzähler, ein Behälter mit giftigem Gas und eine Katze gemeinsam in einer Kiste. Zerfällt das radioaktive Atom, so registriert das der Geigerzähler. Der wiederum setzt dann das giftige Gas frei und die Katze stirbt. Es ist jedoch unbekannt, wann das radioaktive Atom zerfällt. Es befindet sich daher in einem Superpositionszustand aus „nicht zerfallen“ und „zerfallen“. Entsprechend ist der Geigerzähler in einem Superpositionszustand aus „nicht registriert“ und „registriert“. So geht es weiter. Das giftige Gas ist gleichzeitig „nicht freigesetzt“ und „freigesetzt“ und die Katze gleichzeitig lebendig und tot. Ich betone es nochmals: So sollte es gemäß der Quantenphysik sein. Was offensichtlich unsinnig ist. Sie erkennen, dass die Katze ein „Messgerät“ darstellt.
Welche Lösungsvorschläge gab es bislang für das Messproblem? Eine Lösung besteht darin, dass man sich zurücklehnt und sagt, dass die Quantenphysik eben bei allen großen Objekten ungültig wird. Das bedeutet, dass die Welt in eine Quantenwelt und in eine klassische Welt zerfällt. Erstere ist die Welt der Atome und Moleküle, in der die Quantenphysik regiert. Letztere ist die Welt der großen Objekte, inklusive der Messgeräte. In der klassischen Welt ist die Quantenphysik ungültig. Der Kollaps der Superpositionszustände findet immer dann statt, wenn beide Welten zusammentreffen. Wie es bei jeder Messung der Fall ist. Das ist aber keine Lösung im Sinne einer Erklärung, sondern nur die Beschreibung der Situation. Diese „Lösung“ hat sogar einen Namen, sie nennt sich die Kopenhagener Deutung. Weil sie federführend vom dänischen Physiker Niels Bohr entwickelt wurde, dessen Institut in Kopenhagen war. Er hat sich in den Anfangsjahren der Quantenphysik vehement darum bemüht, dass diese „Lösung“ zur Standardsicht wurde. Was ihm auch gelungen ist. Viele sehen das kritisch, denn dadurch wurden und werden alternative Versionen der Quantenphysik, wie die de Broglie-Bohm Theorie, unterdrückt.
Pfiffiger als die Kopenhagener Deutung ist die Viele-Welten-Interpretation des amerikanischen Physikers Hugh Everett (1930-1982), die er in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt hat. Gemäß der Viele-Welten-Interpretation gibt es bei einer Messung gar keinen Kollaps des Superpositionzustands. Stattdessen teilt sich das Universum im Augenblick der Messung in sehr viele Universen auf. In jedem bleibt ein einziger Zustand übrig, es ist aber jeweils ein anderer. Im Falle von Schrödingers Katze würde sich das Universum in zwei Universen aufteilen. In dem einen ist die Katze tot, in dem anderen ist sie lebendig. Und auch von demjenigen, der sie betrachtet, dem Beobachter, gibt es zwei Versionen. Einer sieht die tote, der andere die lebendige Katze. Das rettet rein formal die Quantenphysik, denn es geht kein Zustand des Superpositionszustands bei einer Messung verloren. Alle sind noch vorhanden, wenn auch in jeweils unterschiedlichen Universen. Es ist freilich völlig absurd, von einer Aufspaltung in mehrere Universen auszugehen. Was aber bringt sie bis auf eines zum Verschwinden? Warum gibt es im Fall von Schrödingers Katze immer nur einen einzigen Beobachter, der entweder die tote oder die lebendige Katze sieht? Das konnte Hugh Everett nicht beantworten.
Manchmal wird gesagt, dass der in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts entdeckte Effekt der Dekohärenz die Frage nach dem einzigen Universum und damit dem einzigen Beobachter beantwortet. Was dann die Lösung für das Messproblem bedeuten würde. Aber das ist umstritten. Was ist Dekohärenz? Betrachten wir hierzu nochmals das Doppelspalt-Experiment mit den Elektronen. Man beobachtet auf der zweiten Wand abwechselnd helle und dunkle Streifen. Die kommen von der Interferenz der Wellenfunktion mit sich selbst und diese Interferenz gibt es aus zwei Gründen. Der eine ist, dass die Wellenfunktion durch beide Spalten gleichzeitig fliegt. Sie sich also in zwei Zweige aufteilt, die sich hinter den Spalten wieder vereinigen. Aber das alleine genügt noch nicht für die Interferenz. Die beiden Zweige müssen zudem geordnet zusammenhängen. Das tun sie aber nur dann, wenn die Elektronen perfekt abgeschirmt sind. Ist das nicht der Fall, dann führt die Wechselwirkung mit der Umgebung dazu, dass die beiden Zweige der Wellenfunktion nicht mehr geordnet zusammenhängen. Das zerstört die Interferenz und die abwechselnd hellen und dunklen Streifen verschwinden. Diesen Effekt nennt man Dekohärenz.
Aber ganz wichtig: Die Zahl der Zustände wird durch die Dekohärenz nicht reduziert. Im Falle der toten und lebendigen Katze bedeutet das, dass die Dekohärenz zwar dazu führt, dass die beiden Beobachter (einer sieht die tote, der andere die lebendige Katze) nichts mehr voneinander wissen. Aber es sollte sie beide geben. Entgegen der Realität. Um einen der beiden Beobachter zum Verschwinden zu bringen, sind daher Zusatzannahmen nötig und die sind umstritten. Eine überzeugende Lösung des Messproblems ist das nicht.
Dann gibt es noch die de Broglie-Bohm Theorie. Wie Sie gesehen haben, kann man den Quantenobjekten in der Standardsicht der Quantenphysik keine Bahnen zuordnen, weil sowohl die Orte als auch die Geschwindigkeiten unbestimmt sind. Unklar ist nach wie vor, wie das zu interpretieren ist. Im Zusammenhang mit der Kopenhagener Deutung gibt es zwei Versionen. Die erste lautet, dass keine Aussagen zur Mikrowelt möglich sind. Die zweite besagt, dass die (unbeobachteten) Quantenobjekte aus der materiellen Welt verschwinden und in die Welt der Möglichkeiten eintauchen. Louis de Broglie, einer der Begründer der Quantenphysik, entwickelte schon in der 20er Jahren des letzten Jahrhunderts eine dritte Version, in der die Quantenobjekte doch feste Bahnen haben. Diese stieß aber auf derartig viel Widerstand, dass de Broglie sie schließlich aufgab. In der 50er Jahren wurde sie dann vom amerikanischen Physiker David Bohm (1917-1992) wiederentdeckt. Wobei er die entsprechenden Arbeiten von de Broglie gar nicht kannte. Bohm gehörte für kurze Zeit der kommunistischen Partei an. Er musste deshalb in den 50er Jahren die USA verlassen. Was die Akzeptanz seiner Theorie stark behinderte. Sie spielt auch heute nur eine Außenseiterrolle. Das hat aber nichts mit den persönlichen Problemen Bohms zu tun, sondern hängt mit der von Niels Bohr erfolgreich als Standardsicht durchgedrückten Kopenhagener Deutung zusammen.
Gemäß der de Broglie-Bohm Theorie haben die Quantenobjekte sowohl feste Orte als auch feste Geschwindigkeiten. Was bedeutet, dass sie sich auf festen Bahnen bewegen. Erstaunlicherweise widerspricht das nicht der Heisenberg‘schen Unbestimmtheitsrelation. Allerdings sind die Bahnen grundsätzlich unbekannt. Es kommen daher wieder die Wahrscheinlichkeiten ins Spiel, die von der Wellenfunktion geliefert werden. Das führt dazu, dass die sich aus der de Broglie-Bohm Theorie ergebenden Messresultate exakt denen der herkömmlichen Quantenphysik entsprechen. Aber, das ist ihr großer Vorteil, sie liefert eine genaue Vorstellung über die unbeobachtete Realität, eben die festen Bahnen. Beim Doppelspalt-Experiment fliegen die Elektronen also jeweils nur durch einen Spalt. Erzeugen aber trotzdem das Interferenz-Muster, denn ihre Bahnen werden von der Wellenfunktion geführt. Tatsächlich liefert die de Broglie-Bohm Theorie auch eine plausible Lösung des Messproblems. Weil das Messobjekt sich nicht in einem Superpositionszustand befindet. Daher kann das Messgerät sich auch nicht in einem Superpositionszustand befinden, zeigt also ein eindeutiges Resultat an. Und Schrödinger’s Katze ist natürlich entweder tot oder lebendig, nicht beides gleichzeitig.
Weil es keinen Kollaps der Wellenfunktion gibt, spielt der Beobachter absolut keine Rolle. Manchmal liest man ja, dass das Bewusstsein des Beobachters den Kollaps der Wellenfunktion verursacht. Das ist natürlich Unsinn. Bei der de Broglie-Bohm Theorie können solche abstrusen Vorstellungen gar nicht erst aufkommen.
Alles gut also? Leider nein. Denn die Lösung des Messproblems durch die de Broglie-Bohm Theorie hängt natürlich davon ab, ob die Annahme der festen Bahnen stimmt. Das kann experimentell nicht festgestellt werden. Zudem kann sie das Phänomen der Verschränkung auch nicht erklären. Und es fällt schwer, aber das ist vermutlich kein grundsätzliches Problem, sie mit der speziellen Relativitätstheorie zu vereinigen. Was bei der herkömmlichen Quantenphysik mit einigen mathematischen Verrenkungen sehr wohl möglich war und zu den Quantenfeldtheorien führte.