Unter einem ahnlichen Titel (nur steht ,,Mechanik" statt ,,Physik") veriiffentlicht Max Born an dieser Stelle eine Betrachtung, welche die Frage verneint.')Er fadt eine besonders einfache Bewegung ins Auge, namlich die fortgesetzte Spiegelung eines Massenpunktes an zwei parallelen, ebenen, vollkommen elastischen Wanden, auf welche er senkrecht aufprallt.Wahrend die unvermeidliche Ungenauigkeit der Ortsbestimmung zum Beginn der Bewegung fur alle Folgezeit der GrijRe nach erhalten bleibt, hat die Ungenauigkeit bei der Anfangsgeschwindigkeit eine stets wachsende Un-gewiRheit uber die Lage zu spaterer Zeit zur Folge; diese geht schlieRlich so weit, daR man uberhaupt nicht mehr voraussagen kann, wo sich der Massenpunkt zwischen den Wanden befinden wird.
Unter einem ahnlichen Titel (nur steht ,,Mechanik" statt ,,Physik") veriiffentlicht Max Born an dieser Stelle eine Betrachtung, welche die Frage verneint.')Er fadt eine besonders einfache Bewegung ins Auge, namlich die fortgesetzte Spiegelung eines Massenpunktes an zwei parallelen, ebenen, vollkommen elastischen Wanden, auf welche er senkrecht aufprallt.Wahrend die unvermeidliche Ungenauigkeit der Ortsbestimmung zum Beginn der Bewegung fur alle Folgezeit der GrijRe nach erhalten bleibt, hat die Ungenauigkeit bei der Anfangsgeschwindigkeit eine stets wachsende Un-gewiRheit uber die Lage zu spaterer Zeit zur Folge; diese geht schlieRlich so weit, daR man uberhaupt nicht mehr voraussagen kann, wo sich der Massenpunkt zwischen den Wanden befinden wird.
Was ich hier vortragen mochte, hat mit der heutigen aktuellen Physik wenig zu tun.Ahnliche uberlegungen hatten ebenso gut vor 100 Jahren angestellt werden konnen.Ich habe eine kleine Arbeit daruber veroffentlichtl) und hatte gezogert, diese Dinge hier nochmals vorzubringen, waren mir nicht Zuschriften aus aller Welt zugegangen, die mir zeigten, dan die Frage nicht ohne Interesse ist.Um meine Behauptung gleich vorweg zu nehmen: Die klassische Mechanik wird gewohnlich als Muster einer deterministischen Theorie angesehen.Ich behaupte, dan dies sich bei naherer Betrachtung als unrichtig herausstellt.Warum aber erscheint mir diese Frage der Muhe einer eingehenden Untersuchung wert?Kann doch die klassische Mechanik gar nicht mehr das Ruckgrat der Physik genannt werden, da sie durch die Quantenmechanik abgelost und diese ja zugegebener Manen indeterministisch ist.Nun, es gibt eben immer noch laute und heftige Gegner der gelaufigen statistischen lnkrpretation der Quantenmechanik, die eine Ruckkehr zur klassischen, angeblich deterministischen Auffassung fordern.Zu diesen Gegnern gehoren vor allen die strengen Marxisten, die an den dialektischen Materialismus glauben.Naturlich akzeptieren die forschenden Physiker auch in RuBland dieselben Prinzipien wie wir; aber selbst sie sind gezwungen, vor der offiziellen Auffassung ihre Verbeugung zu machen.Ich bin daruber recht genau orientiert durch Briefwechsel mit meinem friiheren Mitarbeiter Fock und mit einem russischen Philosophen Suworow, der einen Vortrag von mire) ins Russische ubersetzt und kommentiert hat.Die DDR-Zeitschrift ,,Das Hochschulwesen" (Chefredakteur Dr. Mehnert) hat Ausziige aus meinem Vortrag und tfbersetzungen von Teilen der Antwort Suworows unter dem Titel ,,Um das Weltbild des modernen Naturwissenschaftlers" (1959) veroffentlicht.Der Bearbeiter, Prof. H. Vogel (Tnstitut fur Gesellschaftswissenschaft. Rostock), hat die Auswahl so getroffen und sein Kommentar so formuliert,daR man den Eindruck gewinnt,ich eei dem dialektischen Materialismus naher geruckt, wenn auch noch fern von der allein seligmachenden Wahrheit.Dies ist nicht der einzige Versuch, Gelehrte des Westens als Vorlaufer, Wegbereiter und halbe Anhanger des Materialismus darzustellen.Derselbe Prof. Vogel hat einen Aufsatz uber Einstein mit solcher Tendenz geschrieben und Dr. F. Herneck in ahnlicher Weise uber Planck.Nun, Einstein und Planck konnen sich nicht mehr zur Wehr setzen.Ich bin aber noch lebendig und willin aller Freundschaftdarlegen, warum ich die orthodoxe Lehre des Marxismus fur die Physik fur untauglich halte.*) Vortrag bei der Fruhjahrstagung der Nordwestdeutschen Physikalischen Gesellschaft in Bad Pyrmont, 16.
I. Einleitung Seit 25 Jahren hat die Quantenphysik und insbesondere ihre charakteristischste Form, die Wellenmechanik, von Seiten der groBen Mehrzahl der Physiker eine rein statistische Auslegung erhalten, die in der Welt der atomaren Bereiche klare und prazise Bilder im Rahmen von Raum und Zeit ausschloD, wie sie bis dahin, zusammen mit dem durch sie bedingten Determinismus, in der Wissenschaft iiblich gewesen waren.Diese rein statistische Auslegung, verknupft mit den Namen von B o r n, B o h r und H e i s e n b e r g, ist sehr eigenartig und fuhrt ganzlich neuartige Auffassungen uber Kausalitat, Unbestimmtheit, Ununterscheidbarkeit von Partikeln, Natur der Wahrscheinlicbkeitsgesetze usw. in die Physik ein.Der Verf.ist seit 1928 uneingeschrankter Anhanger der statistischen Auslegung der Wellenmechanik gewesen und hat sie oftmals nach besten Kraften in seinen Vorlesungen und Buchern dargelegt.Diese Auslegung entsprach indessen nicht seinen anfanglichen Vorstellungen.Vielmehr hatte erin den Jahren 1924 bis 1927, die unmittelbar auf die Entdeckung der Wellenmechanik folgteneine andere Deutung vorgeschlagen, die mehr den herkommlichen Ideen der Theoretischen Physik entsprach.Aber entmutigt durch die Schwierigkeiten, welche die Entwicklung dieser Auffassung rnit sich brachte, und durch den geringen Anklang, welchen sie von Seiten der anderen Theoretiker fand, hat er sie aufgegeben.Neuere Arbeiten verschiedener Theoretiker gehen in der Richtung,' Gedankengange aufzunehmen, welche den vom Verfasser vor 25 Jahren ge-auDerten ahnlich sind und diese in mehrfacher Hinsicht vertiefen.Sie haben in manchen Kreisen sehr starkes Interesse gefunden, besonders unter den Wissenschaftlern Frankreichs rnit seiner Vorliebe fur die Pflege kartesischer Klarheit.In erneuten Betrachtungen der Frage und in Zusammenarbeit mit einem der jungen Theoretiker vom Institut Henri Poincar6, J. P. V i g i e r, dessen Arbeiten neue und originelle Gesichtspunkte geliefert haben, hat der Verf.seit einiger Zeit eine erneute Priifung seiner Konzeptionen von 1927 aufgenommen.Obwohl noch schwerere Einwande und Schwierigkeiten zu iiberwinden bleiben und es auch noch nicht moglich ist, diesen Versuchen endgiiltigen Erfolg vorherzusagen, so hat doch diese neuerliche Priifung einige ermutigende Ergebnisse gebracht und verdient es sicherlich, fortgesetzt zu werden . . .Die Neuauslegung der Wellenmechanik im angedeuteten Sinne wird, auch wenn schlieBlich erfolgreich, fortgesetzter Anstrengungen bedurfen, welche der folgende Bericht nur schwach andeuten kann.Sie diirfte auI3erdem noch wahrend einer langen Zeit auf die Gegnerschaft zahlreicher und *) Professor d e B r o g l i e hat unter dem obigen Titel eine Zusammenstellung seiner Llteren und neueren Arbeiten zum Thema der Deutung der Quantenphysik veraffentlicht (Gauthier-Villars, Paris 1953).Aus dem Vorwort und dem einleitenden Bericht dieses Werkes bringen wir mit der freundlichen Erlaubnis des Verfassers und der Verleger den vorliegenden von Prof. M. R e n n i n g e r (Mazburg) Clbersetzten Auszug.Der tTbersetzer Verweist gleichzeitig auf einen von W m Im Erscheinen begriffenen Aufsatz zu demse1,ben Thema.(Z.
In dieser Arbeit wird eine spezielle Klasse verallgemeinerter Messungen in der Quantenmechanik untersucht. Es handelt sich um sogenannte unscharfe Messungen. Mathematisch sind sie durch vertauschende Effekte und reine Operationen (d.h. reine Zustände werden durch den Messprozess auf reine Zustände abgebildet) gekennzeichnet. Physikalisch bedeutet das, man kann sie als Messungen herkömmlicher Messgrößen wie z.B. Energie, Ort oder Spin auffassen, und sie produzieren kein klassisches Rauschen. In der Praxis treten sie u.a. auf, wenn die Kopplung zwischen Messgerät und zu vermessendem System sehr schwach ist. Daher sind sie verwandt mit den schwachen Messungen von Aharonov und Vaidman, die über eine solche schwache Kopplung definiert sind. Die Streuung der Messwerte einer unscharfen Messung ist größer als die einer vergleichbaren Projektionsmessung, daher die Bezeichnung "unscharf". Damit verbunden ist aber häufig auch eine geringere Störung des zu vermessenden Systems. Falls die Störung gering ist, wird die Messung auch "schwach" genannt. Das Verhältnis zwischen Informationsgewinn und Störung (Zustandsänderung) durch die Messung nimmt für minimale, unscharfe Messungen eine einfache Form an: die Zustandsänderung entspricht der Änderung der Wahrscheinlichkeitverteilung der Messergebnisse. Da letztere wiederum dem Informationsgewinn durch die Messung entspricht (der Informationsgewinn kann durch die negative Änderung der Shannon-Entropie gemessen werden), sind Informationsgewinn und Störung äquivalent. Die Messung von Dynamik an einem einzelnen Quantensystem in Echtzeit ist ein Anwendungsgebiet für unscharfe Messungen. Ein Folge von unscharfen Messungen wird in dieser Arbeit vorgestellt, die die Rabioszillationen eines einzelnen Zwei-Niveau-Systems in Echtzeit gewährleisten soll. Als Maß für die Auflösung einer kurzen Sequenz von Messungen (N-Serie) wurde die sogenannte Niveau-Auflösungszeit aus der Streuung der Messresultate einer N-Serie gewonnen. Es stellte sich heraus, dass diese proportional zur Dekohärenzzeit ist, die ein Maß für die Störung des Zwei-Niveau-Systems darstellt. Monte-Carlo-Simulationen der sequentiellen Messung zeigen, dass eine Visualisierung der Rabioszillationen möglich ist. Bedingung dafür ist, dass die Niveau-Auflösungszeit ungefähr gleich der Rabi-Periode ist. Eine Realisierung einer Folge von unscharfen Messungen wird anhand eines quantenoptischen Systems aus der Hohlraumresonator-QED beschrieben. Schliesslich wird die Entwicklung eines Qubits mit Hamiltonischer Dynamik unter dem Einfluss einer Folge von unscharfen Messungen beschrieben. Differenzengleichungen werden hergeleitet um die zeitliche Entwicklung des Zwei-Niveau-Systems darzustellen. Verschiedene Effekte treten auf: u.a. eine zusätzliche unitäre Dynamik, verursacht durch den unitären Anteil der Back-action'' des Messapparates und Dekohärenz aufgrund dieses unitären Anteils sowie aufgrund des Informationsgewinnes. Es kommt auch zu einer Art Reibung (Dissipation). Im Grenzwert kontinuierlicher Messungen verschwinden die meisten dieser Effekte. Für diesen Grenzwert wird eine Mastergleichung angegeben, die die Zustandsdynamik bei einer sequentiellen Messung näherungsweise beschreibt. Das erste Kapitel dieser Arbeit enthält eine Diskussion der Auswirkungen der Stochastik auf die Struktur der Quantenmechanik. Ausgehend von der Zufälligkeit des Ausganges von Quantenmessungen und der nicht-eindeutigen Zerlegbarkeit von gemischten Zuständen in reine Zustände ergibt sich eine Motivation für drei der vier Axiome der Quantenmechanik.
Die letzten Ausführungen haben bereits einen Ausblick auf den Wandel in der Fassung des Naturgesetzes gewährt: es hat sich ja aus unserer ganzen Darstellung ergeben, daß das strenge, kausale, in Raum und Zeit gegebene, in Differentialgleichungen ausdrückbare Naturgesetz der älteren Physik mit dem der heutigen Physik, daß im Quantenpostulat eine Unstetigkeit des Geschehens einführt und mit ihr eine statistische Auffassung der Naturvorgänge, nicht übereinstimmt. Wenn wir uns in diesem abschließenden Teil noch besonders der Problematik des Naturgesetzes zuwenden, so könnte das den Anschein erwecken, als ob wir das bereits Gesagte wiederholen müßten. Denn die wesentlichsten Gesichtspunkte der neuen Auffassung vom Naturgesetz sind ja in der Tat durch die Begriffe Statistik und Komplementarität gekennzeichnet. Aber es bleibt doch noch ein besonderer Aspekt, unter dem man das Problem des Naturgesetzes betrachten kann, der zwar hier und da in den vorausgehenden Betrachtungen bereits zum Ausdruck gelangte, dessen Wichtigkeit aber doch eine gesonderte Behandlung verlangt: Das ist die Frage des Verhältnisses zwischen Naturgesetz und Objektivierbarkeit überhaupt, denn je nach der Entscheidung in diesen Fragen wird man von einem Begriffswandel in der Auffassung des Naturgesetzes sprechen müssen.
In den vorangegangenen Kapiteln haben wir fast alle wesentlichen Erscheinungen, die bei Atomen auftreten, bereits besprochen, aber nur für ein einziges Elektron. Es wird sich herausstellen, daß vieles bei Mehrelektronen-Atomen ganz ähnlich ist. Um ein System mit mehreren Elektronen behandeln zu können, müssen wir uns jedoch zuerst mit den eigentümlichen Konsequenzen befassen, die aus den quantenmechanischen Regeln für ein System von gleichen Teilchen folgen. Es ist ja nicht möglich, ein einzelnes Elektron oder ein anderes Teilchen in irgendeiner Weise zu markieren, so daß seine Identität zu einem späteren Zeitpunkt oder an einem anderen Ort festgestellt werden kann. Bei zwei Elektronen, die durch wohldefmierte Wellenpakete beschrieben werden und die weit voneinander entfernt sind, braucht man keine Verwechslung zu befürchten. Innerhalb der Ausdehnung des Wellenpakets, d. h. innerhalb eines Bereiches, in dem die Unschärferelation gilt, ist es jedoch prinzipiell nicht möglich, die Koordinaten eines Teilchens zu verfolgen. Sobald sich daher die beiden Elektronen gleichzeitig in ein Gebiet des Orts-und Impulsraums bewegen, das durch die Unschärferelation umrissen ist, gibt es prinzipiell keine Möglichkeit mehr, die Koordinaten der Teilchen auseinanderzuhalten. Bei allen quantenmechanischen Aussagen müssen wir dem Rechnung tragen. Nach der Grundregel (2.4) sollten wir erwarten, daß die Wahrscheinlichkeitsamplituden für die beiden Teilchen in irgendeiner Weise kohärent addiert werden müssen. Das hat äußerst fundamentale Konsequenzen und führt zu Gesetzmäßigkeiten, die den gesamten Aufbau der Materie beherrschen. Das wird in diesem Kapitel behandelt.
In den vorangegangenen Kapiteln haben wir fast alle wesentlichen Erscheinungen, die bei Atomen auftreten, bereits besprochen, aber nur für ein einziges Elektron. Es wird sich herausstellen, daß vieles bei Mehrelektronen-Atomen ganz ähnlich ist. Um ein System mit mehreren Elektronen behandeln zu können, müssen wir uns jedoch zuerst mit den eigentümlichen Konsequenzen befassen, die aus den quantenmechanischen Regeln für ein System von gleichen Teilchen folgen. Es ist ja nicht möglich, ein einzelnes Elektron oder ein anderes Teilchen in irgendeiner Weise zu markieren, so daß seine Identität zu einem späteren Zeitpunkt oder an einem anderen Ort festgestellt werden kann. Bei zwei Elektronen, die durch wohldefinierte Wellenpakete beschrieben werden und die weit voneinander entfernt sind, braucht man keine Verwechslung zu befürchten. Innerhalb der Ausdehnung des Wellenpakets, d. h. innerhalb eines Bereiches, in dem die Unschärfe-relation gilt, ist es jedoch prinzipiell nicht möglich, die Koordinaten eines Teilchens zu verfolgen. Sobald sich daher die beiden Elektronen gleichzeitig in ein Gebiet des Orts- und Impulsraums bewegen, das durch die Unschärferelation umrissen ist, gibt es prinzipiell keine Möglichkeit mehr, die Koordinaten der Teilchen auseinanderzuhalten. Bei allen quantenmechanischen Aussagen müssen wir dem Rechnung tragen. Nach der Grundregel (2.4) sollten wir erwarten, daß die Wahrscheinlichkeitsamplituden für die beiden Teilchen in irgendeiner Weise kohärent addiert werden müssen. Das hat äußerst fundamentale Konsequenzen und fuhrt zu Gesetzmäßigkeiten, die den gesamten Aufbau der Materie beherrschen. Das wird in diesem Kapitel behandelt.