Die vorliegende Arbeit präsentiert einen Bündelbegriff 'wissenschaftlichen Verstehens' mit dem sich die empirisch äquivalenten Interpretationen der Quantenmechanik bezüglich des durch sie ermöglichten Verstehens bewerten lassen. Der Verstehensbegriff beruht auf einem hinreichenden und notwendigen Kriterium, sowie einem Bündel von Bedingungen - wobei gilt, dass eine Theorie als umso verständlicher gilt, je mehr dieser Bedingungen durch die Theorie erfüllt werden. Somit basiert der Verstehensbegriff einerseits auf der objektiven Anzahl erfüllter Bedingungen, die andererseits durch Individuen gewichtet werden. Bei Anwendung des vorgeschlagenen Verstehensbegriffes auf drei Interpretationen der Quantenmechanik, stellt sich die Interpretation von David Bohm als objektiv verstehbarste Deutung der Quantenmechanik heraus, gefolgt von der Deutung von Tim Maudlin und schließlich der so genannten Kopenhagener Deutung. Die drei genannten Deutungen der Quantenphysik werden im Rahmen meiner Arbeit umfassend diskutiert.
Die vorliegende Arbeit präsentiert einen Bündelbegriff 'wissenschaftlichen Verstehens' mit dem sich die empirisch äquivalenten Interpretationen der Quantenmechanik bezüglich des durch sie ermöglichten Verstehens bewerten lassen. Der Verstehensbegriff beruht auf einem hinreichenden und notwendigen Kriterium, sowie einem Bündel von Bedingungen - wobei gilt, dass eine Theorie als umso verständlicher gilt, je mehr dieser Bedingungen durch die Theorie erfüllt werden. Somit basiert der Verstehensbegriff einerseits auf der objektiven Anzahl erfüllter Bedingungen, die andererseits durch Individuen gewichtet werden. Bei Anwendung des vorgeschlagenen Verstehensbegriffes auf drei Interpretationen der Quantenmechanik, stellt sich die Interpretation von David Bohm als objektiv verstehbarste Deutung der Quantenmechanik heraus, gefolgt von der Deutung von Tim Maudlin und schließlich der so genannten Kopenhagener Deutung. Die drei genannten Deutungen der Quantenphysik werden im Rahmen meiner Arbeit umfassend diskutiert.
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.
Mit Hilfe der Semiotik wird untersucht, wie es der Quantenphysik gelingt, Formeln plausibel zumachen, deren zugrunde liegender physikalischer Sachverhalt nicht einem Alltagsverständnis bzw. einem Verständnis im Sinne der klassischen Physik zugänglich ist. Dabei geht es um eine allgemein anerkannte Art des Verständlichmachens bestimmter physikalischer Formeln jenseits der individuellen Ausprägung von Fähigkeiten des Erklärens und Verstehens, sozialer Phänomene und geschichtlicher Entwicklungen, indem man diesen Formeln jeweils ein bestimmtes Experiment zur Seite stellt. Das Experiment ist dabei so gewählt, dass das physikalische Phänomen, das in der Formel beschrieben wird, im Experiment untersucht wird, so dass sich die Formel dann als Auswertung des Experimentes ergibt. Um den schillernden Begriff des Verständnisses auf das für die Untersuchung Notwendige zu beschränken, wird der Begriff Plausibilisierung eingeführt. In einer hermeneutischen Herangehensweise wird ein geeignetes semiotisches Modell dieser wesentlichen argumentativen Figur der Physik anhand von drei Beispielen physikalischer Phänomene entwickelt: die geradlinige Bewegung eines Körpers mit konstanter Geschwindigkeit für die klassische Physik, das Spektrum des energetisch angeregten Wasserstoffs für die ältere Quantenphysik und die Streuung von Elektronen am Doppelspalt für die moderne Quantenphysik. Für jedes der drei Beispiele lassen sich die betreffende Formel und das zugehörige Experiment jeweils als Zeichen auffassen. Lässt sich die Situation der klassischen Physik gut mit dreistelligen Zeichen erfassen, erweist sich der zweistellige Zeichenbegriff für die Situation der Quantenphysik als adäquater. Die Plausibilisierung als Gefüge dieser beiden Zeichen zwingt nicht zu der Annahme, dass einer Formel als Kompositionen von Elementen der Ausdrucksseite eines gewöhnlichen Textes ein Element auf der Inhaltsseite entspricht. Vielmehr dient die zu plausibilisierende Formel dazu, Elemente der Wirklichkeit auf der Ausdrucks- und Inhaltsseite aufeinander zu beziehen. Die Wirkungsweise des Zeichens in der Plausibilisierung der Quantenphysik ist damit nicht negiert, sondern adäquater als beim gewöhnlichen Text in der Physik. Die Plausibilisierung erlaubt, die semantische Interpretation von Formeln zu relativieren, ohne auf ein Verständnis ihrer zeichenbezogenen Funktionsweise verzichten zu müssen.
ZusammenfassungWenn ich den Sinn der mir am heutigen Tage obliegenden Verpflichtung, einen auf meine Schriften bezugnehmenden öffentlichen Vortrag zu halten, richtig verstehe, so glaube ich dieser Aufgabe, deren Bedeutung mir durch die Dankesschuld gegen den hochherzigen Gründer unserer Stiftung tief eingeprägt wird, nicht besser entsprechen zu können, als indem ich den Versuch mache, Ihnen die Geschichte der Entstehung der Quantentheorie in großen Zügen zu schildern und daran anknüpfend in knappem Rahmen ein Bild von der bisherigen Entwicklung dieser Theorie und ihrer gegenwärtigen Bedeutung für die Physik zu entwerfen.
In dieser Arbeit wird ein Klassifikations-Schema prasentiert, anhand dessen die Eigenheiten der verschiedenen Interpretationen der Quantenmechanik bezuglich des Formalismus, der Deutung, der verwendeten Konzepte und der Ontologie verglichen werden konnen. Mithilfe des Schemas wird die Einsteinsche Konzeption von Realitat im Kontext mit dem EPR Paradoxon untersucht. Dabei wird der Begriff der
Vollstandigkeit, der bei dem EPR-Argument von zentraler Bedeutung ist, analysiert und in seiner vielfaltigen Verwendung definiert. Begleitet wird die Darstellung von einem Uberblick zu den Schematas verwandter Konzeptionen zu der Strukturen von wissenschaftlichen Theorien. Diese entwickelten sich mit dem Aufkommen des logischen Empirismus und erfuhren eine wesentliche Entwicklung und Wandlung im Hinblick auf die Realismus-Debatte.
Die Anwendbarkeit von Ockham's razor in den Interpretationen der Quantenmechanik wird anhand einer historischen Analyse der Ursprunge dieser Heuristik untersucht und hinterfragt. Die Anwendung in ontologischen Aussagen und Argumenten von verschiedenen Interpretationen wird einer kritischen Analyse unterzogen.
Die verschiedenen Konzepte von Realitat die in der klassischen Physik, im EPRArgument, den Bell-Ungleichungen, und dem Kochen-Specker-Theorem verwendet werden, werden definiert und gebrauchlichen Realitatskonzepten in der Wissenschaftstheorie gegenubergestellt. Dabei zeigt sich der strukturelle Realismus als vielversprechender Ansatz um die weltanschaulichen Probleme der Quantenmechanik zu bewaltigen, indem auf die primare Rolle von Objekten verzichtet wird.
Anhand des Klassifikationsschemas wird der ontologische Gehalt der verschiedenen Interpretationen untersucht und gegenubergestellt. Dabei wird die jeweilige Konzeption von Realitat prasentiert.
Wenn heutzutage eine Gesellschaft von Physikern zusammenkommt, um Fragen der theoretischen Physik zu diskutieren, so wird das Gespräch früher oder später eine ganz bestimmte Wendung nehmen. Vielleicht haben Sie die Gesellschaft verlassen, als gerade die eigenen Spezialfragen oder die neuesten physikalischen Entdeckungen besprochen wurden; aber wenn Sie nach einer Stunde zurückkommen, können Sie jede Wette eingehen, daß man inzwischen bei einem alles überwuchernden Gesprächsthema angelangt sein wird: bei dem verzweifelten Stand der eigenen Unwissenheit. Und das ist keine Phrase. Es ist nicht einmal wissenschaftliche Bescheidenheit. Im Gegenteil, häufig ist die Einstellung eher ein naives Erstaunen darüber, daß die Natur ihr letztes Geheimnis so erfolgreich vor dem scharfsinnigen menschlichen Intellekt hat verbergen können. Die Sache liegt einfach so, daß wir auf dem Wege des Fortschritts urn eine Ecke gelangt sind, und nun steht plötzlich unsere Unwissenheit unverhüllt vor uns, erschreckend und unabweisbar.
Im Kern vertrete ich mit dieser Dissertation die These, dass es von grosser Bedeutung für verschiedene wissenschaftliche Disziplinen sein könnte, die in der Quantenphysik gewonnenen Erkenntnisse gründlich zur Kenntnis zu nehmen und dass, darüber hinaus, einige Prinzipien der Quantentheorie einigermassen direkt und erkenntnisbringend auf andere Gegenstandsbereiche übertragen werden können. Die Ergebnisse meiner Arbeit legen meines Erachtens nahe, dass im Falle einer solchen Rezeption der Quantenphysik nicht nur mit Wissenszuwachs und erweitertem Verständnis zu rechnen ist, sondern auch mit Veränderungen der Wissenschaftskultur, sowie der Kultur im Allgemeinen. Neben einer kurzen Behandlung des Observablen- und des Wahrscheinlichkeitsbegriffs fokussieren sich meine Untersuchungen vorrangig auf die Konzepte Komplementarität und Verschränkung. Hierbei ergeben sich u. a. die folgenden spezifischen Thesen: Im Bezug auf Observablen: - Der Observablenbegriff, der besagt, dass jedwede Aussage über den Zustand eines Quants nicht unabhängig von einer den Zustand probabilistisch verändernden Interaktion mit diesem Quant getroffen werden kann, gilt strengenommen auch für makroskopische Elements des Universums Im Bezug auf Wahrscheinlichkeit: - Die in der Quantenphysik vorgefundene und damit für die gesamte physikalische Realität in gewissem Mass gültige probabilistische Unvorhersagbarkeit von Ereignissen kann sowohl als Resultat eines absoluten Indeterminismus wie auch eines absoluten Determinismus interpretiert werden. - Die heute vorherrschende einseitige Deutung im Sinne eines absoluten Indeterminismus ist daher logisch nicht zu rechtfertigen und vermutlich eher kulturell bedingt. Im Bezug auf Komplementarität: - Das Verhältnis von subjektivem Bewusstsein und materiellem Körper als Beschreibungen eines Individuums ist strukturell isomorph zu dem Verhältnis von Welle und Teilchen als Beschreibungen eines Quants. - Ein Aspekt dieser Isomorphie ist, dass sich in beiden Fällen die jeweiligen Beschreibungen gegenseitig ausschliessen und sich weder aufeinander reduzieren noch in einer logisch kohärenten und rational fassbaren „Metabeschreibung“ verbinden lassen. - Stattdessen eignen sich für eine solche Metabeschreibung, z.B. der Konzeptualisierung einer den beiden Beschreibungen zugrunde liegenden und sie dadurch verbindenden „Realität“, nur rational nicht fassbare Beschreibungen, wie z.B. „Nichts“. - Dies impliziert eine unüberwindbare Beschränkung für jeden Versuch, mittels des Verstandes alleine, endgültige und eindeutige Erkenntnis über die Realität jenseits der Gegensätze zu gewinnen. - Dies wiederum dient als Hinweis auf die potentielle Unverzichtbarkeit von transrationalen (sog. akategorialen oder nichtdualen) Bewusstseinszuständen für einen umfassenden Bezug zur Realität und eine dementsprechend adäquate Interaktion mit ihr. - Die bewusste Auseinandersetzung mit o. g. Beschränkung des Verstandes und die Erkundung von möglichen ergänzenden Erkenntniswegen erscheint mir, vor allem in Anbetracht unserer gegenwärtig eher einseitig verstandesbetonten (Wissenschafts-) Kultur, von erheblicher Bedeutung zu sein. Im Bezug auf Verschränkung: - Die Phänomenologie bestimmter, bisher wissenschaftlich nicht abschliessend erklärbarer Gegebenheiten (wie z.B. telepathischer, präkognitiver und psychokinetischer Erfahrungen oder die berichtete Wirksamkeit verschiedener alternativmedizinischer Verfahren) deckt sich mit der Hypothese, dass es sich dabei um makroskopische Verschränkungseffekte analog zu denen in der Quantenphysik handelt. - Dies gilt insbesondere auch für die Nichtreproduzierbarkeit der genannten Phänomene unter experimentellen Bedingungen, da eine zuverlässige Reproduzierbarkeit einer Verletzung des für Verschränkungskorrelationen geltenden Signalübertragungsverbots entspräche. - Damit stellt sich u. a. die Frage, wie beweis- bzw. falsifikationsorientierte Wissenschaftskulturen mit der Tatsache verfahren sollen, dass potentiell reale und durchaus auch plausible Phänomene prinzipiell nicht experimentell reproduzierbar sein könnten. - Grundsätzlich ist es aufgrund der angestellten Überlegungen jedenfalls notwendig, die Möglichkeit der Faktizität der fraglichen Phänomene auch in Abwesenheit von wiederholbaren experimentellen Bestätigungen anzuerkennen. - Dies beinhaltet die Möglichkeit, dass Kategorien wie Bewusstsein, Bedeutung, Intention und Sinn via nicht-kausaler Korrelationen als strukturierende Kräfte in der physischen Realität wirken, zusätzlich zu den bisher bekannten kausalen Kräften. - Des Weiteren deutet es auf die Möglichkeit hin, dass das subjektive Erleben als eine unverzichtbare Instanz der Wahrheitsfindung neben der objektiven, oder zumindest intersubjektiv abstrahierten, Erkenntnis anerkannt werden muss. - Die Wahrnehmung und theoretische Aufarbeitung dieser Möglichkeiten ist, meiner Ansicht nach, von grosser Bedeutung für unsere gegenwärtige (Wissenschafts-)Kultur, insbesondere in kausalistisch ausgerichteten oder beweis- bzw. falsifikationsorientierten Forschungsgebieten. Neben der Herausarbeitung dieser und anderer Thesen soll meine Arbeit auch einen leicht zugänglichen und dennoch faktisch korrekten Überblick über die relevanten experimentellen Beobachtungen der Quantenphysik zur Verfügung stellen, um deren Rezeption in physikfernen Disziplinen zu erleichtern.