Zuerst werden die Argumente rekonstruiert, die dafür sprechen, Einsteins Wort, dass Gott nicht würfelt, als Ausdruck eines überholten deterministischen Weltbildes anzusehen. Anschließend werden Forschungsergebnisse der letzten Jahrzehnte benannt, die für eine Neubewertung seiner Position zur dominanten Interpretation der Quantenmechanik sprechen. Den Abschluß bildet die Diskussion der Möglichkeiten einer Reinterpretation seines Satzes vom nicht würfelnden Gott.
Zuerst werden die Argumente rekonstruiert, die dafür sprechen, Einsteins Wort, dass Gott nicht würfelt, als Ausdruck eines überholten deterministischen Weltbildes anzusehen. Anschließend werden Forschungsergebnisse der letzten Jahrzehnte benannt, die für eine Neubewertung seiner Position zur dominanten Interpretation der Quantenmechanik sprechen. Den Abschluß bildet die Diskussion der Möglichkeiten einer Reinterpretation seines Satzes vom nicht würfelnden Gott.
Kaum eine Äußerung Einsteins ist so bekannt wie sein Wort, dass Gott nicht würfelt. In ähnlicher Weise, wie Einstein dies unerläutert gelassen hat, ist seine gesamte Position zur Quantenmechanik, auf die es sich bezieht, von Uneindeutigkeiten nicht frei geblieben. Für seine Würfelmetapher ergibt sich ein Spielraum von gegensätzlichen Sichtweisen. Sie lässt sich zum einen mit jüngeren Forschungsresultaten verbinden und weist zum anderen auf rückschrittliche Elemente in Einsteins Denken hin. Ich wende mich zuerst diesen Elementen zu und betrachte dann eine dazu entgegengerichtete Interpretationsvariante, die an den neueren Resultaten anknüpft.
Das weltweite Interesse an der Quantenmechanik, wie man die in der Matrizen- und Wellenmechanik formulierte Atomtheorie meist übergreifend nannte, war mehr als nur eine flüchtige Begeisterung für eine wissenschaftliche Modeerscheinung. Die Quantenmechanik markierte einen Wendepunkt in der Geschichte der Physik. Die in der «Kopenhagener Deutung» propagierte Interpretation der atomaren Vorgänge rührte an den Grundfesten des Denkens. Das Naturgeschehen erschien in letzter Konsequenz akausal und von einer grundsätzlichen Unbestimmtheit geprägt, die dem Betrachter immer nur Teilaspekte der Wahrheit offenbarte. Die Atomphysik rückte ins Zentrum naturphilosophischer Debatten: Einsteins «Gott würfelt nicht» und die Bohrsche «Komplementaritäts-philosophie» markierten die beiden Extreme eines neuen Grundlagenstreits unter den Physikern, der gegen Ende der 1920er Jahre begann und bis heute keine befriedigende Lösung gefunden hat.1 Seit diesen Auseinandersetzungen um die Interpretation der Quantenmechanik gehört zum Flair der modernen Physiker auch der Hauch des Philosophischen.
Einstein hatte sich zunächst durch Bohrs Nachweis geschlagen geben müssen, daß ein kontinuierliches, mechanisches Bild der physikalischen Wirklichkeit aufgrund von Heisenbergs Unschärferela-tion unmöglich war. Nach diesem Prinzip ließen sich Lage und Impuls eines bewegten Objekts im Universum niemals zugleich präzis bestimmen. Dennoch gab Einstein nie endgültig auf. Während der Jahre nach Bohrs Formulierung des Komplementaritätsprinzips, das besagte, daß sich unsere Vorstellung vom Universum aus komplementären und widersprüchlichen Bildern der Wirklichkeit zusammensetzen muß, versuchte Einstein den Beweis dafür zu erbringen, daß die Sätze der Quantenmechanik in dieser Sache nicht das letzte Wort hatten.
AuszugStephen Hawking äußerte einmal die Hoffnung, dass die Prinzipien der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie „früher oder später im Prinzip von jedem verstanden werden sollten, nicht nur von einigen Wissenschaftlern. Dann werden wir alle, Philosophen, Wissenschaftler und gewöhnliche Menschen, in der Lage sein, uns an der Diskussion der Frage zu beteiligen, warum wir und das Universum existieren. Wenn wir die Antwort darauf finden, wäre das der endgültige Triumph der menschlichen Vernunft, denn dann würden wir den Plan Gottes kennen.“
Es ist bemerkenswert, daß die Grundpfeiler sowohl der Quantenmechanik als auch der speziellen Relativitätstheorie in den ersten fünf Jahren dieses Jahrhunderts gelegt wurden, und interessant die Entwicklung der beiden zu vergleichen. Während die spezielle Relativitätstheorie als Ganzes (1905) ein Geniestreich Einsteins war, entwickelte sich die Quantenmechanik in einer Reihe von kleinen Schritten während eines Vierteljahrhunderts (1900–1925). Eine Erklärung dafür ist, daß es, während in der speziellen Relativitätstheorie das Verhalten von Raum und Zeit einzig und allein aus zwei Prinzipien folgt, in der Quantentheorie keine solch einfachen Prinzipien gab, von denen ausgehend alle Quantenphänomene abgeleitet werden konnten. Vielmehr war jeder Schritt eine weitere Hypothese, die entweder auf einem neuen experimentellen Ergebnis beruhte oder ein solches vorhersagte, was nicht unbedingt in einer logischen Reihenfolge geschah und schon gar nicht in Folge eines oder zweier Prinzipen. Die Quantenmechanik entstand also abwechselnd aus Hypothesen und Experimenten, in etwa fünfundzwanzig Jahren. Wie die Überschriften der folgenden Abschnitte zeigen, können die meisten Schritte auf diesem Weg eng mit einer Person in Verbindung gebracht werden; die Beschäftigung mit ihnen wird uns hier als Einführung in die Quantenmechanik dienen.
Die Quantenmechanik ist eine der wichtigsten Theorien der modernen Physik.Mit ihr lassen sich nicht nur grundlegende Phänomene wie z.B. das Emissionsspektrum von Atomen oder die Stabilität von Materie erklären, sondern sie steckt auch in vielen technischen Anwendungen vom MP3-Player bis zum Tunnelmikroskop, und in Zukunft werden wir vermutlich Technologien wie Quantenkryptographie oder Quantencomputer mit großer Selbstverständlichkeit einsetzen.Die Kenntnis der Quantenmechanik ist daher nicht nur ein Schlüssel für das Verständnis unserer Welt, sondern unabdingbar für die Entwicklung moderner Technologien.Folgerichtig wird die Quantenmechanik heute oft schon in der Schule gelehrt; in jedem Fall jedoch an Universitäten, wo sie in den meisten Naturwissenschaften und auch in vielen Ingenieurwissenschaften zum Curriculum gehört.Eine große Hürde bei der Vermittlung und damit auch auf dem Weg zum Verständnis der Quantenmechanik ist nun nicht, wie man etwa vermuten könnte, die Mathematik, auch wenn diese an der einen oder anderen Stelle sicherlich einige Herausforderungen beinhaltet, sondern die Sprache.Der Grund dafür liegt darin, dass Sprache kein gegebenes Konstrukt ist, welches unabhängig vom Menschen und dessen Wissen über die Welt existiert, sondern sich vielmehr im Laufe der Menschheitsgeschichte durch die Auseinandersetzung des Menschen mit seiner Umwelt entwickelt hat.Sprache ist damit auch immer ein Abbild der Welt, so wie sie der Mensch wahrnimmt.Und dass diese Wahrnehmung gelegentlich trügt, wissen wir spätestens seit Einstein, der uns gezeigt hat, dass unsere Vorstellung von Raum und Zeit nicht der physikalischen Wirklichkeit entspricht.Die Quantenmechanik führt uns nun, mehr noch als die Relativitätstheorie, weg von den uns vertrauten Vorstellungen von der physikalischen Wirklichkeit.Damit verliert aber auch die Sprache ihre Legitimation als ein Werkzeug zur Beschreibung der Quantenmechanik.Streng genommen verbleibt als einzig legitimer Zugang zur Quantenmechanik daher die Mathematik.Mit ihr lassen sich, aufbauend auf einer Handvoll Axiome, alle Gesetze der Quantenmechanik ableiten und damit alle physikalischen Beobachtungen korrekt und widerspruchsfrei beschreiben.Allerdings sind diese Axiome, im Gegensatz zu z.B. denen der Newton'schen Mechanik, alles andere als unmittelbar einsichtig.Um daher auch solchen Leserinnen und Lesern den Zugang zur Quantenmechanik zu ermöglichen, welche die Quantenmechanik nicht als Teildisziplin der Mathematik oder der theoretischen Physik betreiben wollen, werden wir in diesem Buch trotz aller Gefahren den Weg der Sprache und der Bilder beschreiten.Dabei gehen wir von wenigen einfachen Schlüsselexperimenten aus, mit denen sich die Grundgleichungen der Quantenmechanik anschaulich begründen lassen.Im Gegensatz zu vielen anderen Lehrbüchern greifen wir jedoch nicht auf das berühmte Doppelspaltexperiment mit Elektronen oder das Experiment von Stern-Gerlach zurück, sondern wir arbeiten in den ersten Kapiteln ausschließlich mit einem Interferometer und Polarisationsfiltern