100 Jahre Quantenphysik: Quantenphysik zwischen Theorie und Anwendung: Zahlreiche Grundlagenexperimente haben die sonderbare Natur der Quantenphysik bestätigt: Von Schrödingers Katze bis zur Quantenteleportation
Abstract Die Quantenphysik hat zu Beginn des letzten Jahrhunderts das auf der klassischen Physik basierende Weltbild grundlegend geändert. Sie widerspricht in vielen Bereichen der Intuition, und deshalb wurde in der Vergangenheit immer wieder ihre Vollständigkeit infrage gestellt und eine Ergänzung gefordert. Dies hat neben der Diskussion der philosophischen Grundsatzfragen auch zu vielen Gedankenexperimenten geführt; ferner wurden Paradoxa aufgezeigt und diskutiert. Wir geben hier einen Überblick über experimentelle Tests der Grundlagen der Quantenphysik. Es zeigt sich, dass die Besonderheiten der Quantenphysik zu interessanten Anwendungen führen.
Abstract Die Quantenphysik hat zu Beginn des letzten Jahrhunderts das auf der klassischen Physik basierende Weltbild grundlegend geändert. Sie widerspricht in vielen Bereichen der Intuition, und deshalb wurde in der Vergangenheit immer wieder ihre Vollständigkeit infrage gestellt und eine Ergänzung gefordert. Dies hat neben der Diskussion der philosophischen Grundsatzfragen auch zu vielen Gedankenexperimenten geführt; ferner wurden Paradoxa aufgezeigt und diskutiert. Wir geben hier einen Überblick über experimentelle Tests der Grundlagen der Quantenphysik. Es zeigt sich, dass die Besonderheiten der Quantenphysik zu interessanten Anwendungen führen.
Das "Messproblem" oder allgemeiner, das "Interpretationsproblem" der Quantenphysik ist aktuell.Dies ist erstaunlich, liegt die Theorie doch seit nunmehr gut 100 Jahren vor, und kann sie mit Recht als die erfolgreichste, präziseste und umfassendste wissenschaftliche Konzeption bezeichnet werden, über die wir verfügen.Nach vielen der von den meisten Wissenschaftsphilosophen als zentral angesehenen Kriterien guter Theorien, ist die Quantenphysik unübertroffen.Die Zahl ihrer Anwendungen ist enorm, sie erreicht eine Genauigkeit, die weit über allen vorangegangenen Theorien liegt und ihr auch bei überraschenden und ungewohnten Prognosen erreichter Bestätigungserfolg muss beeindrucken.Kurz, sie gilt als ein ausgezeichneter Kandidat für das, was oft als ‚die aktuell beste Theorie' bezeichnet wird.Nur leider, sie beschreibt eine ‚seltsame' Quantenwelt.Formal gesehen betrifft das Interpretationsproblem die Differenz zwischen der Kontinuität der zu Grunde liegenden Gleichung und der Diskontinuität von Messergebnissen.Diese Diskontinuität verdankt sich formal der nicht-kommutativen Algebra für Operatoren.Bei allen Quantisierungsverfahren -auch wenn sie den Korrespondenz-und Analogievorschriften (zum ‚klassischen' Formalismus) genügen -müssen die Vertauschungsregeln zusätzlich angegeben werden.Der Inhalt dieser Vertauschungsregeln ist als solcher also nicht Inhalt des formalen Apparates; er ergibt sich nicht aus diesem.Diese Eigenständigkeit der Vertauschungsregeln ist notwendig, um die Lücke zwischen Formalismus und Messergebnis zu füllen; auf welche Eigenschaften der Quantenwelt sie sich dabei beziehen, eröffnet den Interpretationsspielraum.Viele der sich in diesem Verfahren ergebenden Eigenschaften muten nun seltsam und ungewohnt im Vergleich zur ‚bekannten' makroskopischen (klassischen) Welt an."Seltsam" ist nun natürlich ein Ausdruck, der weder in der Formulierung der Theorie, noch auch in einer wissenschaftsphilosophischen Auseinandersetzung mit ihr, einen rechten Platz hat.Er umschreibt aber die Tatsache, dass einige
Die Quantentheorie und die Theorie der quantenmechanischen Messung ermoglichen es, Aussagen uber quantenphysikalische Systeme (Atome, Kerne, Elementarteilchen) zu machen, die an diesen Systemen experimentell nachgepruft werden konnen.Beispiele fur solche Aussagen sind z.B. ,,das Elektron hat den Impuls p" oder ,,der Atomkern hat einen Drehimpuls J".Wie fur die Aussagen aller Wissensgebiete wird man zunachst auch fur diese Aussagen erwarten, daR sie den Regeln der Logik gehorchen.Tatsachlich ist das aber nicht der Fall.Es hat sich namlich gezeigt, daB von den Regeln der Aussagenlogik, die zuerst von den Stoikern aufgestellt wurden, spater im Mittelalter und in der modernen mathematischen Logik wieder aufgegriffen wurden, nur noch ein Teil fur Aussagen uber Quantenphanomene richtig bleibtl).2)3 9, 4).Einige dieser Regeln verlieren ihre Gultigkeit.Derjenige Teil der logischen Regeln, der auch noch in der Quantenphysik gilt, wird gewohnlich als Quantenlogik bezeichnet.Es handelt sich also bei der Quantenlogik nicht um eine ,,neue" Logik, die im Bereich des Atomaren gilt, sondern um eine restriktive Logik, die weniger enthalt als die uns bekannte klassische Aussagenlogik.Der heutige Physiker ist im allgemeinen leicht geneigt zu glauben, daR irgendeine Disziplin, die in der Philosophie vergangener Jahrhunderte fur wahr gehalten wurde, durch die moderne Physik widerlegt sei.Das kommt einerseits daher, daR viele Physiker empiristisch denken, d. h. in diesem Falle, daB sie geneigt sind zu glauben, man konne alle auf die Erfahrung bezogenen Behauptungen auch durch Erfahrungen -z.B. der Atomphysikwiderlegen. Anderseits sprechen fur eine solche Einstellung die schlechten Erfahrungen, die die Physik mit Begriffen und Satzen gemacht hat, die in der philosophischen Tradition uberliefert wurden.Die Verknupfung von Raum und Zeit in der Relativitatstheorie oder das Versagen des Kausalgesetzes in der Quantentheorie gehoren zu diesem Problemkreis.Man wird deshalb versucht sein, auch eine Restriktion der Aussagenlogik in der modernen Atomphysik einfach als eine neue Erfahrung hinzunehmen.Dies ist jedoch nicht ohne weiteres moglich.Die groRte Schwierigkeit, die sich einer solchen Einstellung entgegenstellt, ist die Tatsache, daB die klassische Aussagenlogik wahr ist.Und zwar ist die Aussagenlogik keineswegs in einem empirischen Sinne wahr, sondern sie ist wahr durch das unmittelbare Einleuchten (die Evidenz) ihrer Satze, deren Gultigkeit somit auf keinen bestimmten Gegenstandsbereich eingeschrankt ist.Wie das im Einzelnen 2x1 verstehen ist, sol1 im ersten Teil auseinandergesetzt werden.Nehmen wir zunachst einmal die Evidenz der klassischen Logik als gegeben an, so entsteht die Frage, wie es moglich sein kann, daR fur die Aussagen der Quantenphysik nur eine restriktive Logik, die Quantenlogik, gilt.
Die Quantentheorie ist schon 90 Jahre alt, sie bereitet aber immer wieder große Verständnisschwierigkeiten, weil viele ihrer Aussagen unserer Erfahrung und Intuition widersprechen. Viele der von Bohr, Schrödinger, Heisenberg, Einstein und anderen vorgeschlagenen “Gedankenexperimente”, die damals heftig und kontrovers diskutiert wurden, sind durch enorme Fortschritte in der Experimentiertechnik inzwischen Wirklichkeit geworden.Auf mich üben die modernen Experimente zur Quantenmechanik eine große Faszination aus, und ich hoffe, diese Faszination auch dem Leser vermitteln zu können.
ZusammenfassungGegen Ende seines Lebens schrieb Einstein seinem ältesten Freund, daß ihn 50 lange Jahre des ununterbrochenen „bewußten Nachgrübelns“ über die Frage „Was sind Lichtquanten?“ der Antwort um nichts näher gebracht hätten. Wie immer übertrieb Einstein auch in diesem Falle keineswegs: Das Problem, Diskretheit ebenso wie Kontinuität in der natürlichen Welt zu verstehen, beschäftigte ihn während seiner ganzen wissenschaftlichen Laufbahn. Daß Einstein so viel Zeit und Energie darauf verwendete, sich mit der Quantentheorie auseinanderzusetzen, mag viele — sogar viele Physiker — überraschen. Denn sein Entwurf der speziellen und der allgemeinen Relativitätstheorie sowie seine vielen Versuche, eine noch allgemeinere Theorie, nämlich eine einheitliche Feldtheorie, zu schaffen, haben seine anderen Leistungen in den Schatten gestellt. Und doch wird vermutlich jeder, der das Werk Einsteins kennt, den Worten von Max Born, einer der bedeutendsten Persönlichkeiten in der Entwicklungsgeschichte der Quantenmechanik, zustimmen, als er schrieb: „Meiner Meinung nach müßte er selbst dann, wenn er nicht eine einzige Zeile über die Relativität geschrieben hätte, als einer der größten theoretischen Physiker aller Zeiten gelten.“ Diese Meinung gründete sich hauptsächlich auf jene Schriften, in denen Einstein über die erstaunlichen Ergebnisse seines „bewußten Nachgrübelns“ über das Quantenproblem berichtet.
Im Hinblick auf die Diskussion betreffend erkenntnistheoretische Probleme in der Quantenphysik wird zunächst an die Hauptzüge der Entwicklung der klassischen Physik kurz erinnert, wobei Nachdruck auf die Begriffe Objektivität, Determinismus und Relativität gelegt wird. Hiernach wird betont, daß die Quantenphysik, trotz ihres statistischen Charakters, die Forderungen an Objektivität und Vollständigkeit erfüllt, und in dieser Verbindung wird auf die Notwendigkeit hingewiesen, bei der Beschreibung der unteilbaren Quantenphänomene eine prinzipielle Unterscheidung zwischen den Meßgeräten und den zu untersuchenden Objekten zu machen. Im besonderen wird hervorgehoben, daß der Begriff Komplementarität die logische Situation innerhalb dieses Forschungsgebietes unmittelbar ausdrückt und als eine Verallgemeinerung des Kausalitätsprinzips aufzufassen ist. Zum Schluß wird angedeutet, daß die Ganzheitszüge in der Biologie, der Psychologie und der Soziologie auch eine komplementäre Beschreibungsweise verlangen.
Die theoretische Deutung der Ouantenstruktur der Materie hat unsere Vor stelluhg von der Wirklichkeit tiefgreifend veriindert. Der entscheidende Schritt dazu wurde von Werner Heisenberg vor fast einem halben Jahrhundert getan. Die neue Ouantenphysik hat in vielen physikalischen und philosophischen Arbeiten ihren Nieder schlag gefunden; sie hat ganz neue Gebiete erschlossen, wie insbesondere die Atomkem physik und die Physik der Elementarteilchen. Wemer Heisenberg hatte und hat noch an der Erforschung dieser neuen Gebiete wesentlichen Anteil. Sein Hauptinteresse in den letzten Jahren galt dabei der Entwicklung einer einheitlichen fundamentalen Feldtheorie der Materie. Das Lebenswerk Heisenbergs ist in so hohem MaRe Teil der heutigen physika lischen Literatur geworden, daB - damit verglichen - der Versuch einer gesonderten Darstellung in einem Festband immer als unzureichend oder uberflUssig erscheinen muB. Die in diesem Band gesammelten Arbeiten versuchen deshalb nicht, einen Oberblick uber sein Lebenswerk zu geben, sondem sind im wesentlichen Arbeiten aus dem augenblick lichen Interessengebiet der Autoren, thematisch allerdings 5.0 ausgewiihlt, daB sie mittel bar oder unmittelbar mit Arbeiten Heisenbergs in Verbindung stehen. AuBerdem wurde durch die Art der Darstellung angestrebt, uber den Fachmann hinaus einen groReren Leserkreis anzusprechen. Die meisten Beitriige haben deshalb mehr allgemeine und grund siitzliche Erorterungen zum Inhalt.