Quantenphysik –

Was vorher galt auf
den Kopf gestellt

Von Gisbert Niederführ

Ist der Mond auch da, wenn wir nicht hinschauen?
Die Frage haben wir schon im Beitrag über Wirklichkeit und Realität gestellt und sie im Namen der Quantenphysiker mit Nein beantwortet.
Aber wie kommen die Quantenphysiker zu dieser scheinbar unsinnigen Antwort?

Max Planck, Werner Heisenberg, Paul Dirac, Niels Bohr, Erwin Schrödinger  und andere Physiker entwickelten zu Beginn des 20. Jahrhunderts die Quantentheorie: die Physik der Mikrowelt, der Welt der Elementarteilchen. Sie entdeckten Unglaubliches, mussten es aber anerkennen, weil es in allen Versuchen bestätigt und weiterentwickelt wurde, auch wenn es den Entdeckern, wie es Albert Einstein einmal ausdrückte, drohte, den Boden unter den Füßen wegzuziehen. Niels Bohr sagte einmal: „Wer über die Quantentheorie nicht entsetzt ist, der hat sie möglicherweise nicht verstanden.“
Zumindest hat sie wenig mit dem zu tun, was wir alle in der Schule über Atome, deren Aufbau und deren Elementarteilchen lernen.

Was hat  die Quantenphysik festgestellt?

Zunächst, dass Licht, beispielsweise von einem Feuer, nicht kontinuierlich abgegeben wird, sondern in kleinen Paketen, den Quanten. Das kann man sich wie bei einem Zigarettenautomaten vorstellen. Die Zigaretten fallen nicht in einem gleichmäßigen Fluss aus dem Automaten, sondern in Päckchen. Solche Päckchen nennt die Physik Quanten: die kleinste Form oder Einheit von Energie oder anderen physikalischen Größen, die überhaupt im Austausch sein kann.

Die Definition stammt aus Amit Goswamis Buch: Das bewusste Universum (Lüchow Verlag, Freiburg 1995), aus dem wir stellvertretend auch die weiteren Ergebnisse beziehungsweise Entwicklungen der Quantenphysik übernommen haben. Goswami schreibt:

„In der Quantenphysik – der modernen Physik – haben wir einen theoretischen Rahmen gefunden, worin sehr vieles aufgeht; unzählige Laborexperimente werden damit erklärt. Ungemein nützliche Technologien wie Transistoren, Laser, Supraleiter etc. gäbe es nicht ohne die Quantenphysik.“ Und dennoch erscheinen alle Ergebnisse der Quantenphysik  „als paradox, wenn nicht sogar als unmöglich“.

Dazu muss man sich nur die Eigenschaften von Quanten anschauen. „Quantenobjekte (z. Bsp. Elektronen) haben die Eigenschaft, dass sie gleichzeitig an zwei und mehr Orten sein können“. Sie sind mal Teilchen (so  wie wir’s in der Schule lernen), mal Welle (und Wellen breiten sich aus, sind nicht nur an einem Punkt). Als Teilchen aber erscheinen sie nur, wenn man sie anschaut oder misst. „Sie manifestieren sich sozusagen erst dann in der Raumzeit, wenn wir sie als Teilchen beobachten“, wenn die Welle zusammenbricht („Wellenkollaps“).“ Ansonsten existiert nur die Welle.

Teilchen oder Welle? Daraus resultiert auch die Unschärferelation von Werner Heisenberg. Man kann entweder die Position oder den Impuls (oder die Geschwindigkeit, mit der das Elektron auf seiner Bahn um den Atomkern saust) eines Elektrons genau bestimmen, nie beides gleichzeitig. „Zu einer bestimmten Anfangszeit könnten wir ein Elektron möglicherweise auf einen winzigen örtlichen Punkt beschränken, aber schon innerhalb weniger Sekunden würde sich das Wellenpaket des Elektrons überallhin ausbreiten.“  (Goswami)

Im Versuch lässt sich natürlich der Weg eines Elektrons verfolgen. „Heisenberg sagte, dass der Weg des Elektrons (jedoch) nur existent wird, wenn wir es beobachten. Wenn wir das Elektron messen, finden wir es immer als ein Teilchen an einem festen Ort vor. Man könnte sagen, dass durch unsere Messung die Elektronenwelle auf den Zustand eines Teilchens reduziert wird ...

Elektronen zu beobachten, sagte der Physiker und Philosoph Henry Margenau, sei so, als sähe man Glühwürmchen an einem Sommerabend zu. “Man sieht ein Aufleuchten hier und ein Aufblitzen dort, aber wo sich das Glühwürmchen zwischen den einzelnen Beobachtungen befindet, weiß man nicht. Es ist unmöglich, eine zuverlässige Bahn für das Tierchen festzulegen.“

Genauso ist es mit Quantenobjekten. Wird das Quantenobjekt gemessen, erscheint es als Teilchen und die Wahrscheinlichkeitsverteilung (nach der Heisenbergschen Unschärferelation) gibt den Ort oder die Orte an, „wo das Quantenobjekt wahrscheinlich anzutreffen ist. Wenn wir es nicht messen, breitet es sich aus und ist gleichzeitig an mehr als einem Ort vorhanden, genauso wie eine Welle oder Wolke.“

Quantenobjekte haben weiter „die Eigenschaft, dass sie an dem einen Ort zu existieren aufhören und gleichzeitig an einem anderen in Erscheinung treten. Wir können nicht sagen, dass sie den dazwischenliegenden Raum auf normalem Weg durchquerten.“ Beim Quantensprung (ein Elektron springt, durch Energie von außen angeregt, auf die nächst höhere Bahn innerhalb der Atomhülle oder, indem es die Energie, das Photon, abgibt, zurück) ist das Elektron entweder auf der einen oder anderen Bahn, nie auf einem Weg dazwischen. „Das Elektron macht den Sprung, ohne je den Raum zwischen den Sprossen zu passieren. Statt dessen scheint es sich an der einen Sprosse in Nichts aufzulösen und an der anderen wieder aufzutauchen.“

Es kommt noch schlimmer: Nichtlokalität

Elektronen sind nicht nur gleichzeitig an verschiedenen Orten, sie stehen auch ohne erkennbare Kommunikation in Verbindung. Eine â€ždurch unsere Beobachtung zustande gekommene Manifestation eines  Quantenobjekts (beeinflusst) sein gebundenes Zwillingsobjekt – ungeachtet der Entfernung voneinander.“ In einem Gedankenexperiment von Albert Einstein und seinen Kollegen Nathan Rosen und Boris Podolsky kamen die drei zu dem Ergebnis, dass zwei voneinander getrennte Elektronen mit entgegengesetztem Spin (Drehung) sich immer gleichzeitig  verändern, egal wie groß die Entfernung ist. Die drei bestätigten damit die Quantenphysik, obwohl sie die neue Physik mit dem Gedankenexperiment eigentlich ad absurdum führen wollten.

Nun mögen Kritiker einwenden, in Gedanken ist viel möglich. Aber lässt sich das in der Praxis nachvollziehen?

1982 gelang genau das einem Team von Wissenschaftlern unter Leitung von Alain Aspect. Damit, so Goswami, gelang „der endgültige Nachweis für das Quantenphänomen der Nichtlokalität.“ Nichtlokalität bedeutet „eine Beeinflussung oder Kommunikation ohne Austausch von Signalen  in der Raumzeit, die infolgedessen ohne zeitliche Verzögerung eintritt“.

Auszug aus Goswami, Das bewusste Universum, Seite 89:

„Das Experiment von Alain Aspect und seinen Mitarbeitern zeigt unmittelbar, dass bei zwei miteinander in Wechselwirkung stehenden Quantenobjekten, von denen wir eines messen (und infolgedessen seine Wellenfunktion zum Kollabieren bringen), im selben Augenblick auch die Wellenfunktion des anderen zusammenbricht – sogar bei makroskopischen Distanzen, selbst wenn es kein Signal in der Raumzeit gibt, das ihnen ihre gegenseitige Verbindung hätte mitteilen können. Einstein hatte jedoch bewiesen, dass alle in der materiellen Welt sich abspielenden Verbindungen und Wechselwirkungen durch Signale übertragen werden, die sich durch den Raum bewegen und insofern durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt sein müssen (so will es das Lokalitätsprinzip). Wie aber ist dann diese momentane, unmittelbare und zeitlose Verbindung zwischen solchen korrelierten Quantenobjekten möglich? Und wo soll die signallose Fernwirkung stattfinden? Die Antwort ist kurz und bündig, nämlich: im transzendenten Bereich der Realität, in der ,Überwirklichkeit’.

Im Fachjargon nennt man diese signallose, ohne jegliche Verzögerung eintretende Fernwirkung Nichtlokalität. Die von Alain Aspect experimentell beobachtete Wechselbeziehung von Quantenobjekten ist eine nichtlokale Korrelation. Sobald  wir akzeptieren, dass die Nichtlokalität ein fester physikalischer Aspekt der Welt ist, in der wir leben, tun wir uns innerhalb der Wissenschaft mit der gedanklichen Vorstellung eines transzendenten Bereichs außerhalb des manifesten physikalischen Gefüges von Raum und Zeit leichter. Im Grunde sagt uns das Quantenphänomen Nichtlokalität, wie der Physiker Henry Stapp meint, dass ,der fundamentale Prozess der Natur außerhalb der Raumzeit angesiedelt ist, jedoch Ereignisse hervorbringt, die innerhalb der Raumzeit lokalisierbar sind.’“

Ein Beispiel

Die moderne Technik ermöglicht zum Beispiel Versuchsaufbauten, die Photonen als Teilchen einzeln losschicken und am Ziel entweder als Teilchen oder als Welle messen. Das Photon erscheint am Ziel immer dort, wo die entsprechende Messvorrichtung  entweder Teilchen oder Welle misst. Möglich ist mittlerweile im Labor auch, dem Photon erst unterwegs  die Richtung zu einer der beiden Messvorrichtungen zu diktieren oder auch die Anfangsrichtung noch zu wechseln. Das Ganze geschieht so schnell (innerhalb einer billionstel Sekunde), dass dem Photon vom Ziel aus auch kein Signal in Lichtgeschwindigkeit, der höchst möglichen Geschwindigkeit in der Raumzeit, hinterhergeschickt werden kann, das es noch vor dem  Eintreffen an der Messstation erreichen könnte. Dennoch trifft das Photon immer entsprechend der angesteuerten Messeinheit ein: als Teilchen oder als Welle. Es kann kein Signal in der Raumzeit empfangen haben, das ihm den Wechsel gemeldet hätte. Folglich muss eine nichtlokale Verbindung bestehen.

Wie aber kann das Photon wissen, was von ihm im Ziel erwartet wird? Teilchen oder Welle? Goswami zitiert dazu den Physiker John Wheeler, der diese Versuche durchgeführt hat: „Die Natur arbeitet auf der Quantenebene nicht wie eine Maschine unaufhaltsam auf etwas Bestimmtes hin. Welche Antwort wir erhalten, hängt immer davon ab, welche Frage wir stellen und wie wir das Experiment arrangieren, womit wir die Messwerte aufzeichnen.“ Das bedeutet: Der Mensch, der Experimentator, nimmt immer auch Einfluss auf das Ergebnis.  Die Prämisse der Schulwissenschaft, alle Ergebnisse müssten 100prozentig objektiv, unbeeinflusst sein, ist also in keinem Falle einzuhalten. Es gibt immer einen Einfluss.

Die halbtote Katze

Der Quantenphysik haben wir auch so unglaubliche Phänomene wie Schrödingers Katze zu verdanken. Das ist ein Paradoxon, das sich der Österreicher Erwin Schrödinger ausgedacht hat.

Eine Katze wird in eine Kammer eingesperrt, in der sich außerdem ein radioaktives Atom und ein Geigerzähler befinden. Das radioaktive Atom wird entsprechend wahrscheinlichkeitstheoretischer Statistik zerfallen und der Geigerzähler darauf reagieren. Das Ticken des Geigerzählers löst einen Hammerschlag auf ein Giftfläschchen aus. Das Gift tritt aus und tötet die Katze. Die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Ereignis innerhalb einer Stunde eintritt, beträgt 50 Prozent.

Für uns stehen nun die Chancen, dass die Katze innerhalb einer Stunde stirbt, bei 50:50. Nicht so für die Mathematik der Quantenphysik. Für sie ist der Zustand der Katze am Ende der Stunde halb am Leben/halb tot. Beide Zustände überlagern sich (wie Welle und Teilchen). Erst wenn wir die Spannung nicht mehr aushalten, die Kammer öffnen und nach der Katze schauen, fällt die Entscheidung: tot oder lebendig. Die Welle bricht zusammen (Wellenkollaps) in eine der beiden Richtungen und wird zu einem Teilchen, also zu etwas, das wir als Materie sehen können. Hans-Peter Dürr, alternativer Nobelpreisträger und ehemaliger Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik in München, nennt das „geronnene Potentialität“, die zu Materie gewordene Möglichkeit vieler unterschiedlicher Wellen und damit Möglichkeiten. Zuvor bestehen beide Möglichkeiten gleichberechtigt nebeneinander (man nennt das köhärente Superpositionen). So entscheiden letztlich wir durch unseren Blick in die Kammer, ob die Katze lebt oder stirbt.

„So bizarr diese Konsequenzen auch sein mögen“, schreibt Goswami, „ernst nehmen müssen wir diese Mathematik allemal, denn ohne sie hätten wir keine Transistoren und keine Laser.“

Bizarr erscheint uns vor allem auch, dass diese so irreal anmutenden Ergebnisse letztlich nicht nur auf Elementarteilchen (Elektronen etc) zutreffen, sondern auf jede Materie, die schließlich aus Atomen,  aus Elementarteilchen zusammengesetzt ist. Uns fällt es schwer, das zu akzeptieren, weil wir gelernt haben, in den Kategorien der klassischen Physik zu denken. Das bekommen wir beigebracht, das erleben wir in unserer Umwelt jeden Tag. Deshalb verstehen wir die Ereignisse der Quantenphysik nicht: „Was wir (aber) sehen, hängt von den Theorien ab, die wir zur Deutung unserer Beobachtung heranziehen“, hat Albert Einstein einmal zu Heisenberg gesagt. Und wir alle benutzen eben die Theorie der klassischen Physik Newtons, die uns in der Schule beigebracht wurde. Die trifft für die makroskopische Welt auch zu und ist „als Sonderfall der Quantenmechanik auch nach wie vor für die meisten makroskopischen Objekte annähernd gültig“. (Goswami)

Wenn aber jede Materie auch den Regeln der Quantenmechanik unterliegt, warum bemerken wir das dann in unserer Umwelt nicht?

Wir sind wieder beim Mond angelangt, der – so die Quantenphysiker – nicht da ist, wenn wir nicht hinschauen. Warum? Weil auch er letztlich aus Wellen besteht (Materiewellen) und Wellen nicht an einem Punkt verharren, sondern sich ausbreiten. Erst wenn wir die Wellen beobachten, materialisieren sie zu Teilchen, also Materie. Dann können wir den Mond sehen.

Mit dem Mond und allen anderen makroskopischen Quantenobjekten – also Tischen, Stühlen, Autos, Häusern, Tieren, Menschen – hat es allerdings etwas auf sich, das sie uns nicht als Quantenobjekte erscheinen lässt. Durch ihre – im Verhältnis zu Elementarteilchen – immense Masse, breiten sich die Wellen sehr behäbig aus.

Zudem haben sie eine unglaublich kleine Wellenlänge, die wir mit unseren Augen nie beobachten können, ja selbst mit modernsten Geräten nicht einmal messen können. Die Länge einer Welle errechnet sich aus dem Impuls der Materie und der Planckschen Konstante (von Max Planck entdeckt, sie definiert die Größe des Quantenbereichs). Und weil die Konstante mit 6,6262 mal 10 ^–34 so klein ist, sind die Quantenphänomene in der Regel auf die submikroskopische Welt begrenzt.

Die Wellenlänge für den Mond zum Beispiel können Sie selbst berechnen.
0, 00000000000000000000000000000000066262 durch eine Milliarde Tonnen. Lassen Sie sich Zeit dabei, vielleicht in einer lauen Vollmondnacht.

Und was hat das mit Mohamed Khalifa und seiner Arbeit zu tun?

Ihre Grundlage ist die Quantenphysik, nicht die klassische Physik Newtons, auf die auch heute noch die Schulmedizin zurückgreift. Und deshalb sind seine Ergebnisse auch für uns, die wir der Physik Newtons verhaftet sind, so unglaublich.