Alles was du über über Quantenphysik wissen wolltest (und wahrscheinlich auch das, was du nicht wissen wolltest).
Ich glaube, dass alle das Doppelspalt-Experiment und die Schrödingerkatze kennen. Wenn nicht, dann bitte entweder mich, die Tante Gugl, oder Wikipedia fragen.
Die Position eines Teilchens, sagen wir es handle sich um ein Photon im Doppelspalt-Experiment, ist unbestimmt. Es befindet sich in einer Überlagerung (Superposition) aller möglichen Positionen. Es ist gleichsam nirgends und überall, es fliegt quasi durch beide Spalte gleichzeitig. Bis es am Schirm auftrifft, wo die Üerlagerung beendet wird. Von den vielen Positionen bleibt nur eine übrig. Welche das ist, ist Zufall. Damit wir ein Streifenmuster sehen können, braucht es aberwitzig viele Photonen, die auf dem Schirm auftreffen. Und da mitteln sich die Zufälligkeiten aus. Die Interferenzstreifen kann man genauso gut mit klassischer Physik berechnen, es kommt das Gleiche heraus. Um das Doppelspalt-Experiment zu erklären, braucht man keine Quantenphysik. Es war schon ca. 100 Jahre vor der Entdeckung der Quantenphysik bekannt.
Nach quantenphysikalischer Betrachtung wird das Teilchen am Schirm "gemessen" oder "beobachtet". Das sind leider sehr irreführende Begriffe. Sie suggerieren, dass das Bewusstsein des Beobachters diese Festlegung des Zustandes bewirke. Tatsächlich heißt die "quantenmechanische Messung" aber nur, dass das Teilchen mit etwas "großem" in Berührung kommt, also groß im Vergleich zu einem einzelnen Teilchen. Messgeräte sind notwendigerweise groß, andere Dinge sind auch groß, sind aber keine Messgeräte. Sie bewirken aber trotzdem das Zusammenbrechen der Überlagerung. Das Zusammenbrechen der Überlagerung wird Dekohärenz genannt.
Photonen sind praktisch, weil sie unbeeinflusst durch Luft, Glas und Wasser flitzen können. Mit anderen Teilchen wie Elektronen, Atomen oder Molekülen lässt sich das Doppelspalt-Experiment auch ausführen, nur muss man verhindern, dass das Teilchen unabsichtlich "gemessen" wird, also mit irgendwas Anderem in Berührung kommt. Deshalb ist das Experiment umso schwieriger durchzuführen, je größer die Teilchen sind. Unter Normalbedingungen findet die Dekohärenz innerhalb von Nanosekunden (milliardstel Sekunden) statt. Um das zu verhindern, führt man Experimente, bei denen man etwas Anderes als Photonen verwendet, unter Hochvakuum und bei Tieftemperatur durch.
Der Begriff der Messung bzw. Beobachtung hat leider ein großes Missverständnis bewirkt. Wenn die (bewusste) Messung den Zustand von Materie beeinflusst, dann könne man mit Geisteskraft irgend etwas bewirken. Quantenheilung, Bestellungen beim Universum usw. Da wir aber keine einzelnen Teilchen sind, sondern aus sehr vielen Teilchen bestehen, und alles mit dem wir in Berührung kommen, auch aus sehr vielen Teilchen besteht, finden solche quantenmechanischen Messungen andauernd statt und Materie wie wir sie kennen ist ständig "gemessen" und daher nicht in Überlagerungs-Zuständen.
Selbst wenn es stimmte, dass der Beobachter eine Veränderung herbeiführen könne, hätten wir immer noch nichts gewonnen. Jedes Teilchen bekommt eine zufällige Position. Das ist eine Qualität von Zufall, die wir in unserer makroskopischen Welt gar nicht kennen. Die Eigenschaft des Teilchens ist nicht nur uns nicht bekannt, es gibt sie vor der Messung gar nicht. Das Universum hat nicht genug Information, um den Zustand festzulegen. Einstein meinte "Gott würfelt nicht", aber da ist er falsch gelegen. Wenn nun jedes Teilchen einen zufälligen Zustand bekommt, mitteln sich die Zufälle wieder weg und der Beobachter hat nichts verändert. Selbst dann würde die Quantenphysik nichts Anderes aussagen als die klassische Betrachtungsweise.
Da wird gerne auf das Spin-Experiment von Paul Davies verwiesen. Der Experimentator soll durch seine Willenskraft den Ausgang des Experiments beeinflusst haben. Das Experiment hat aber einen Haken: Es hat nie stattgefunden. Eine pure Erfindung, ein Esoteriker schreibt es vom anderen ab.
Geschickte Geschäftemacher wie Hans Peter Dürr, Deepak Chopra, Frank Kinslow usw. haben in diesem Missverständnis ihre Chance gesehen, etwas völlig Unbegründetes zu verkaufen, aber mit angeblicher Wissenschaft als Begründung. Quantenphysik ist kontraintuitiv, wenige verstehen sie, da kann man leicht irgendwas behaupten. Viele sind darauf herein gefallen - und das ist der Grund, warum ich das hier schreibe.
Hans Peter Dürr war bekanntlich Wissenschaftler und Nachfolger von Heisenberg. Deshalb scheint alles, was er gesagt und geschrieben hat, Wissenschaft zu sein ... oder ...? Wissenschaft ist nur, was nach der wissenschaftlichen Methodik erarbeitet und überprüft ist. Das hat er aber nicht gemacht (wofür er aber eigentlich bezahlt wurde).
Ein weiteres kontraintuitives und oft missverstandenes Konzept der Quantenphysik ist die quantenmechanische Verschränkung. Nehmen wir der Einfachheit halber wieder Photonen. Und zwar Paare von Photonen, die gemeinsam entstanden sind, und die immer die gleiche Polarisation haben müssen. Allerdings ist die Polarisation unbestimmt, sie ist in einem Überlagerungszustand aus horizontal polarisiert und vertikal polarisiert. Das eine Photon ist im Überlagerungszustand, das andere auch. Wenn das eine gemessen wird (ihr wisst schon, dazu muss es nur irgendwo auftreffen), ist seine Überlagerung beendet. Und die des anderen auch. Sofort. Über beliebige Distanzen. Das nennen wir nichtlokal.
Telepathie, Kinslow's Fern-Quantenheilung usw. werden mit der Verschränkung begründet. Jedes Elektron weiß alles über alle anderen Elektronen im Universum, weil alles mit allem verschränkt ist, und zwar seit dem Urknall.
Die Sache hat gleich zwei Haken. Der erste sollte jetzt schon allen klar sein: nämlich dass Verschränkung, wie alle Überlagerungs-Zustände, ja blitzartig beendet ist, sowie die in unseren Größenordnungen unvermeidbare quantenmechanische Messung eintritt. Der zweite ist, dass über Verschränkung keine Information übertragen werden kann. Das ist prinzipiell ausgeschlossen. Einstein, dem der Gedanke einer spukhaften Fernwirkung unerträglich war, konnte wieder zufrieden sein.
Was gibt es noch zu sagen?
Heisenberg'sche Unschärfe-Relation. Auch wieder: Für einzelne Teilchen relevant, für normal große Dinge nicht. Die Heisenberg'sche Unschärfe-Relation besagt nicht, dass die Wissenschaft sich selbst widerlegt (von einem Astrologen gehört), und nicht, dass jedes Atom das zu dir gehört auch zu mir gehört und wir dadurch alle miteinander verbunden seien.
Tunneleffekt: Nein, ich kann nicht durch Wände gehen, obwohl die Teilchen, aus denen ich bestehe, es prinzipiell können. Ein Teilchen kann zufällig und mit geringer Wahrscheinlichkeit eine Energie-Barriere "durchtunneln". Damit das auch in unserer makroskopischen Welt funktioniert, müssten alle Teilchen zufällig gleichzeitig tunneln, und das tun sie nicht.
Schrödinger's Katze: Ganz einfach, das radioaktive Atom ist in einem Überlagerungszustand aus zerfallen und nicht zerfallen, der Detektor mit dem Mechanismus der die Giftflasche zerschlägt ist aber ein makroskopisches Objekt und daher nicht in Überlagerung. So wie die Katze auch, sie ist entweder lebendig oder tot, aber nicht in Überlagerung von tot und lebendig. Und mit dem Bewusstsein des Beobachters hat das überhaupt nichts zu tun. Für alle TierfreundInnen: Schrödingers Katzen-Experiment ist nur ein Gedanken-Experiment. Niemand hat je daran gedacht, es wirklich auszuführen.
Quantenfelder: Gott, das Jenseits, und die Lottozahlen von nächster Woche wird man im Quantenfeld vergebens suchen. Quantenfelder sind mathematische Konstrukte und sehr nützliche Werkzeuge in der Quantentheorie. Aber nichts Mystisches.
Bis jetzt habe ich mich auf die Kopenhagener Deutung beschränkt, die kurz gefasst so zu charakterisieren ist: Shut up and calculate (Halt den Mund und rechne). Das heißt: irgendwelche philosophischen Überlegungen, was das für unser Verständnis von Realität bedeuten könnte, werden nicht angestellt.
Daneben gibt es noch ein paar andere Deutungen, die aber alle zu den gleichen Resultaten führen wie die Kopenhagener Deutung. Für mich ist Hugh Everett's Viele-Welten-Modell (Multiversum) die interessanteste und unterhaltsamste. Wenn irgendeine quantenmechanische Messung stattfindet (und das passiert ja andauernd und unvorstellbar oft), wird keine zufällige Entscheidung getroffen, sondern es entsteht ein weiteres Universum. Im Katzen-Beispiel ist in einem Universum das Atom zerfallen und die Katze tot, im anderen ist das Atom ganz geblieben und die Katze lebt. Es gibt auch zwei Beobachter, einer hat eine lebende und einer eine tote Katze vorgefunden. Verrückt, aber nicht zu widerlegen. Und ohne Konsquenz. Welches meiner vielen ich's in den vielen Universen jetzt vor dem Computer sitzt und tippt (ziemlich viele davon tun es und ziemlich viele nicht, in noch viel mehr Universen gibt es mich gar nicht), ist egal. Diese Welten kommen nicht miteinander in Berührung und jede Welt ist für sich genommen in Ordnung. Sie ist von einer Welt, die von der Kopenhagener Deutung beschrieben wird, nicht zu unterscheiden.
Apropos "rechnen": Sprachliche Umschreibungen, wie diese hier, sind immer nur ein Behelf. Die Sprache, in der das Buch der Physik geschrieben ist, ist und bleibt die Mathematik. Die ist nicht jedermanns Sache. Meine auch übrigens nicht, ich war immer schlecht in Mathematik.
Ist Quantenphysik irrational? Selbst in Ö1 war das schon zu hören. Nach den hier geschilderten Verrücktheiten könnte man schon auf diesen Gedanken kommen. Sie läuft gesunden Menschenverstand zuwider. Dieser ist aber auf unsere makroskopische Welt trainiert, unsere Intuition versagt hier. Quantenphysik ist nur rational zu erfassen, sie ist das Rationalste der Welt.
Ich glaube, dass alle das Doppelspalt-Experiment und die Schrödingerkatze kennen. Wenn nicht, dann bitte entweder mich, die Tante Gugl, oder Wikipedia fragen.
Die Position eines Teilchens, sagen wir es handle sich um ein Photon im Doppelspalt-Experiment, ist unbestimmt. Es befindet sich in einer Überlagerung (Superposition) aller möglichen Positionen. Es ist gleichsam nirgends und überall, es fliegt quasi durch beide Spalte gleichzeitig. Bis es am Schirm auftrifft, wo die Üerlagerung beendet wird. Von den vielen Positionen bleibt nur eine übrig. Welche das ist, ist Zufall. Damit wir ein Streifenmuster sehen können, braucht es aberwitzig viele Photonen, die auf dem Schirm auftreffen. Und da mitteln sich die Zufälligkeiten aus. Die Interferenzstreifen kann man genauso gut mit klassischer Physik berechnen, es kommt das Gleiche heraus. Um das Doppelspalt-Experiment zu erklären, braucht man keine Quantenphysik. Es war schon ca. 100 Jahre vor der Entdeckung der Quantenphysik bekannt.
Nach quantenphysikalischer Betrachtung wird das Teilchen am Schirm "gemessen" oder "beobachtet". Das sind leider sehr irreführende Begriffe. Sie suggerieren, dass das Bewusstsein des Beobachters diese Festlegung des Zustandes bewirke. Tatsächlich heißt die "quantenmechanische Messung" aber nur, dass das Teilchen mit etwas "großem" in Berührung kommt, also groß im Vergleich zu einem einzelnen Teilchen. Messgeräte sind notwendigerweise groß, andere Dinge sind auch groß, sind aber keine Messgeräte. Sie bewirken aber trotzdem das Zusammenbrechen der Überlagerung. Das Zusammenbrechen der Überlagerung wird Dekohärenz genannt.
Photonen sind praktisch, weil sie unbeeinflusst durch Luft, Glas und Wasser flitzen können. Mit anderen Teilchen wie Elektronen, Atomen oder Molekülen lässt sich das Doppelspalt-Experiment auch ausführen, nur muss man verhindern, dass das Teilchen unabsichtlich "gemessen" wird, also mit irgendwas Anderem in Berührung kommt. Deshalb ist das Experiment umso schwieriger durchzuführen, je größer die Teilchen sind. Unter Normalbedingungen findet die Dekohärenz innerhalb von Nanosekunden (milliardstel Sekunden) statt. Um das zu verhindern, führt man Experimente, bei denen man etwas Anderes als Photonen verwendet, unter Hochvakuum und bei Tieftemperatur durch.
Der Begriff der Messung bzw. Beobachtung hat leider ein großes Missverständnis bewirkt. Wenn die (bewusste) Messung den Zustand von Materie beeinflusst, dann könne man mit Geisteskraft irgend etwas bewirken. Quantenheilung, Bestellungen beim Universum usw. Da wir aber keine einzelnen Teilchen sind, sondern aus sehr vielen Teilchen bestehen, und alles mit dem wir in Berührung kommen, auch aus sehr vielen Teilchen besteht, finden solche quantenmechanischen Messungen andauernd statt und Materie wie wir sie kennen ist ständig "gemessen" und daher nicht in Überlagerungs-Zuständen.
Selbst wenn es stimmte, dass der Beobachter eine Veränderung herbeiführen könne, hätten wir immer noch nichts gewonnen. Jedes Teilchen bekommt eine zufällige Position. Das ist eine Qualität von Zufall, die wir in unserer makroskopischen Welt gar nicht kennen. Die Eigenschaft des Teilchens ist nicht nur uns nicht bekannt, es gibt sie vor der Messung gar nicht. Das Universum hat nicht genug Information, um den Zustand festzulegen. Einstein meinte "Gott würfelt nicht", aber da ist er falsch gelegen. Wenn nun jedes Teilchen einen zufälligen Zustand bekommt, mitteln sich die Zufälle wieder weg und der Beobachter hat nichts verändert. Selbst dann würde die Quantenphysik nichts Anderes aussagen als die klassische Betrachtungsweise.
Da wird gerne auf das Spin-Experiment von Paul Davies verwiesen. Der Experimentator soll durch seine Willenskraft den Ausgang des Experiments beeinflusst haben. Das Experiment hat aber einen Haken: Es hat nie stattgefunden. Eine pure Erfindung, ein Esoteriker schreibt es vom anderen ab.
Geschickte Geschäftemacher wie Hans Peter Dürr, Deepak Chopra, Frank Kinslow usw. haben in diesem Missverständnis ihre Chance gesehen, etwas völlig Unbegründetes zu verkaufen, aber mit angeblicher Wissenschaft als Begründung. Quantenphysik ist kontraintuitiv, wenige verstehen sie, da kann man leicht irgendwas behaupten. Viele sind darauf herein gefallen - und das ist der Grund, warum ich das hier schreibe.
Hans Peter Dürr war bekanntlich Wissenschaftler und Nachfolger von Heisenberg. Deshalb scheint alles, was er gesagt und geschrieben hat, Wissenschaft zu sein ... oder ...? Wissenschaft ist nur, was nach der wissenschaftlichen Methodik erarbeitet und überprüft ist. Das hat er aber nicht gemacht (wofür er aber eigentlich bezahlt wurde).
Ein weiteres kontraintuitives und oft missverstandenes Konzept der Quantenphysik ist die quantenmechanische Verschränkung. Nehmen wir der Einfachheit halber wieder Photonen. Und zwar Paare von Photonen, die gemeinsam entstanden sind, und die immer die gleiche Polarisation haben müssen. Allerdings ist die Polarisation unbestimmt, sie ist in einem Überlagerungszustand aus horizontal polarisiert und vertikal polarisiert. Das eine Photon ist im Überlagerungszustand, das andere auch. Wenn das eine gemessen wird (ihr wisst schon, dazu muss es nur irgendwo auftreffen), ist seine Überlagerung beendet. Und die des anderen auch. Sofort. Über beliebige Distanzen. Das nennen wir nichtlokal.
Telepathie, Kinslow's Fern-Quantenheilung usw. werden mit der Verschränkung begründet. Jedes Elektron weiß alles über alle anderen Elektronen im Universum, weil alles mit allem verschränkt ist, und zwar seit dem Urknall.
Die Sache hat gleich zwei Haken. Der erste sollte jetzt schon allen klar sein: nämlich dass Verschränkung, wie alle Überlagerungs-Zustände, ja blitzartig beendet ist, sowie die in unseren Größenordnungen unvermeidbare quantenmechanische Messung eintritt. Der zweite ist, dass über Verschränkung keine Information übertragen werden kann. Das ist prinzipiell ausgeschlossen. Einstein, dem der Gedanke einer spukhaften Fernwirkung unerträglich war, konnte wieder zufrieden sein.
Was gibt es noch zu sagen?
Heisenberg'sche Unschärfe-Relation. Auch wieder: Für einzelne Teilchen relevant, für normal große Dinge nicht. Die Heisenberg'sche Unschärfe-Relation besagt nicht, dass die Wissenschaft sich selbst widerlegt (von einem Astrologen gehört), und nicht, dass jedes Atom das zu dir gehört auch zu mir gehört und wir dadurch alle miteinander verbunden seien.
Tunneleffekt: Nein, ich kann nicht durch Wände gehen, obwohl die Teilchen, aus denen ich bestehe, es prinzipiell können. Ein Teilchen kann zufällig und mit geringer Wahrscheinlichkeit eine Energie-Barriere "durchtunneln". Damit das auch in unserer makroskopischen Welt funktioniert, müssten alle Teilchen zufällig gleichzeitig tunneln, und das tun sie nicht.
Schrödinger's Katze: Ganz einfach, das radioaktive Atom ist in einem Überlagerungszustand aus zerfallen und nicht zerfallen, der Detektor mit dem Mechanismus der die Giftflasche zerschlägt ist aber ein makroskopisches Objekt und daher nicht in Überlagerung. So wie die Katze auch, sie ist entweder lebendig oder tot, aber nicht in Überlagerung von tot und lebendig. Und mit dem Bewusstsein des Beobachters hat das überhaupt nichts zu tun. Für alle TierfreundInnen: Schrödingers Katzen-Experiment ist nur ein Gedanken-Experiment. Niemand hat je daran gedacht, es wirklich auszuführen.
Quantenfelder: Gott, das Jenseits, und die Lottozahlen von nächster Woche wird man im Quantenfeld vergebens suchen. Quantenfelder sind mathematische Konstrukte und sehr nützliche Werkzeuge in der Quantentheorie. Aber nichts Mystisches.
Bis jetzt habe ich mich auf die Kopenhagener Deutung beschränkt, die kurz gefasst so zu charakterisieren ist: Shut up and calculate (Halt den Mund und rechne). Das heißt: irgendwelche philosophischen Überlegungen, was das für unser Verständnis von Realität bedeuten könnte, werden nicht angestellt.
Daneben gibt es noch ein paar andere Deutungen, die aber alle zu den gleichen Resultaten führen wie die Kopenhagener Deutung. Für mich ist Hugh Everett's Viele-Welten-Modell (Multiversum) die interessanteste und unterhaltsamste. Wenn irgendeine quantenmechanische Messung stattfindet (und das passiert ja andauernd und unvorstellbar oft), wird keine zufällige Entscheidung getroffen, sondern es entsteht ein weiteres Universum. Im Katzen-Beispiel ist in einem Universum das Atom zerfallen und die Katze tot, im anderen ist das Atom ganz geblieben und die Katze lebt. Es gibt auch zwei Beobachter, einer hat eine lebende und einer eine tote Katze vorgefunden. Verrückt, aber nicht zu widerlegen. Und ohne Konsquenz. Welches meiner vielen ich's in den vielen Universen jetzt vor dem Computer sitzt und tippt (ziemlich viele davon tun es und ziemlich viele nicht, in noch viel mehr Universen gibt es mich gar nicht), ist egal. Diese Welten kommen nicht miteinander in Berührung und jede Welt ist für sich genommen in Ordnung. Sie ist von einer Welt, die von der Kopenhagener Deutung beschrieben wird, nicht zu unterscheiden.
Apropos "rechnen": Sprachliche Umschreibungen, wie diese hier, sind immer nur ein Behelf. Die Sprache, in der das Buch der Physik geschrieben ist, ist und bleibt die Mathematik. Die ist nicht jedermanns Sache. Meine auch übrigens nicht, ich war immer schlecht in Mathematik.
Ist Quantenphysik irrational? Selbst in Ö1 war das schon zu hören. Nach den hier geschilderten Verrücktheiten könnte man schon auf diesen Gedanken kommen. Sie läuft gesunden Menschenverstand zuwider. Dieser ist aber auf unsere makroskopische Welt trainiert, unsere Intuition versagt hier. Quantenphysik ist nur rational zu erfassen, sie ist das Rationalste der Welt.