2.7 Erkenntnisprobleme der Quantenphysik „… ich kann davon ausgehen, dass niemand die Quantenmechanik versteht“, schrieb der amerikanische Physiker Richard Feynman (1918–1988), der für seinen Beitrag zur Quantenelektrodynamik 1965 den Nobelpreis erhielt. Er meinte damit, dass niemand weiß, warum sich Quantenobjekte so ungewohnt verhalten und warum die Rechenvorschriften der Quantenphysik bisher immer Ergebnisse in Übereinstimmung mit den Experimenten geliefert haben. Neben Schrödingers Wellenmechanik gibt es noch andere mathematische Formulierungen der Quantenphysik, z. B. Heisenbergs Matrizenmechanik. Beide Formulierungen liefern dieselben Ergebnisse. Dadurch sind die Phänomene der Mikrowelt in gewissen Grenzen berechenbar geworden. Die Grenzen werden durch die Unschärferelation und die Wahrscheinlichkeitsinterpretation der Wellenfunktion gezogen. (Eine weitere Grenze besteht darin, dass die Schrödingergleichung für Systeme mit mehreren Elektronen nur näherungsweise gelöst werden kann.) Trotz dieses Erfolges führten die ungewöhnlichen Eigenschaften der Quantenobjekte von Anfang an zu tiefen Meinungsunterschieden über die Interpretation der Quantenphysik. Besondere Bedeutung erlangte eine im Jahr 1935 ausgetragene wissenschaftliche Kontroverse zwischen Bohr und Einstein: In ihrem Verlauf diskutierte Einstein mögliche Experimente, um zu beweisen, dass die Quantenmechanik nur eine unvollständige Beschreibung der Natur darstellt. Bohr bemühte sich, Einsteins Argumente zu widerlegen. Es dauerte fast 50 Jahre, bis Einsteins Gedankenexperimente – bekannt unter dem Namen EPR-Experiment – erstmals real durchgeführt werden konnten: Sie ergaben Übereinstimmung mit den Vorhersagen der Quantenmechanik. Einstein und Schrödinger konnten sich mit der Vorstellung nicht abfinden, dass aus prinzipiellen Gründen nur Wahrscheinlichkeitsaussagen möglich sind. Einstein meinte dazu: „Gott würfelt nicht.“ Er vermutete, dass – was man heute als widerlegt ansieht – Quantenobjekte Eigenschaften haben, die uns verborgen sind, deren Kenntnis jedoch die Vorhersage von Einzelereignissen mit Bestimmtheit ermöglichen würde. Es stellt sich daher die Frage: Haben Elektronen einen Impuls, haben Photonen eine Polarisation, bevor diese Größen gemessen werden? Eine Antwort versuchte Niels Bohr bereits 1927 mit der Kopenhagener Deutung zu geben, die aber von Einstein als „Beschwichtigungsphilosophie“ kritisiert wurde. Nach Bohr darf man nicht zwischen dem Verhalten der Objekte der Mikrowelt und dem Verhalten der zu ihrer Beobachtung notwendigen Geräte trennen. Ein Experiment sagt nichts über unabhängig existierende Eigenschaften der Objekte, sondern nur über ihr Verhalten bei bestimmten Fragestellungen: Eine Ortsmessung erfordert einen anderen experimentellen Aufbau als eine Impulsmessung. Etwas schärfer formuliert: Ein Elektron ist nur dann ein Elektron, wenn es beobachtet wird. Bohrs philosophischer Standpunkt entsprang einer positivistischen Weltanschauung: Theorien sind nur Werkzeuge zur Herstellung von Beziehungen zwischen Beobachtungen ohne Aussage darüber, was hinter den Phänomenen steckt. Die Quantenphysik gibt auch heute noch Anlass zu Diskussionen über ihre Interpretation. Bohrs Standpunkt erscheint manchen Physikern zu extrem. Nicht die tatsächlich durchgeführte Messung, sondern auch eine prinzipiell durchführbare Messung bestimmt den Ausgang eines Experiments. Der Beobachter als Person plant Experimente, die Registrierung der Messdaten erfolgt automatisiert. Viele Physiker anerkennen daher die historische Rolle der Kopenhagener Deutung, sie nehmen aber einen realistischen Standpunkt ein: Sie sind von der – von einem Beobachter unabhängigen – Realität der Quantenobjekte überzeugt, wissen aber, dass Quantenobjekte neben scharfen auch unscharfe Eigenschaften besitzen, für die nur Wahrscheinlichkeitsaussagen möglich sind. 113.1 Mit dem Rastertunnelmikroskop (RTM) wurden Eisenatome auf einer Kupferoberfläche so positioniert, dass die japanischen Zeichen für „Atom“ entstanden, anschließend wurden nicht nur die Fe-Atome, sondern auch die stehende Elektronenwelle im Kupfer (blaugrün) abgetastet (Die Einfärbung veranschaulicht die Oberflächenstruktur). 113.2 Erste Reaktion von Max Planck auf Schrödingers Wellenmechanik Berlin, 2.4.1926 Verehrter Herr Kollege! … Ich lese Ihre Abhandlung, wie ein neugieriges Kind die Auflösung eines Rätsels, mit dem es sich lange geplagt hat, voller Spannung anhört, und freue mich an den Schönheiten, die sich dem Auge enthüllen, die ich aber noch viel genauer … studieren muss, um sie voll erfassen zu können … Ihr Planck 113.3 Niels Bohr über „Atome und menschliche Erkenntnis“ … kommt es vor allem darauf an, sich zu vergegenwärtigen, dass bei jedem Bericht über physikalische Experimente sowohl die Versuchsbedingungen als auch die Beobachtungen mit Hilfe jener Verständigungsmittel beschrieben werden, deren wir uns in der klassischen Physik bedienen … 113.4 Werner Heisenberg über die Kopenhagener Deutung [Der Erfolg der klassischen Physik] hat zu dem allgemeinen Ideal einer obiektiven Beschreibung der Welt geführt … Entspricht die Kopenhagener Deutung der Quantentheorie noch diesem Ideal? … sicher enthält die Quantentheorie keine eigentlich subjektiven Züge, sie führt nicht das Bewusstsein des Physikers als einen Teil des Atomvorgangs ein. Aber sie beginnt mit der Einteilung der Welt in den Gegenstand und die übrige Welt … 113 Quantenphysik 2 Grundideen der Quantenphysik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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