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Quantenphysik Die Quantenphysik gilt als besonders geheimnisvolle Wissenschaft. Dabei reichen ihre Erklärungsmodelle und Begriffe weit in unseren Alltag hinein

Unter allen physikalischen Theorien traten in der Quantenphysik mit besonderer Schärfe Probleme in Erscheinung, die ein naives, vom so genannten gesunden Menschenverstand geleitetes Verständnis von Wirklichkeit radikal hinterfragten. In der Quantenphysik zeigt sich bis heute immer wieder, wie „anschauliches bildhaftes Denken“ in die Irre führen und somit einen blockierenden statt förderlichen Faktor bei Erkenntnisprozessen darstellen kann. So betonte Niels Bohr, einer der Schöpfer der Quantentheorie, immer wieder das „Versagen der Anschauungsformen, die an unsere gewöhnlichen Sinneseindrücke angepasst sind“.

Ich behaupte: Die begrifflichen Grundzüge der Quantenphysik kann man, entgegen anderslautender Behauptungen, nicht nur mit subtilen Kenntnissen höherer Mathematik verstehen. Dazu müssen wir jedoch, von eingefahrenen Denkgewohnheiten Abschied nehmen. Wenn das gelingt, dann kann der „gesunde Menschenverstand“, wenn er wirklich gesund ist, zu beachtlichen Einsichten führen.

Beobachten heißt Eingreifen

Im Vergleich zu anderen Gebieten der Physik, wie etwa der klassischen Mechanik, Elektrodynamik und Thermodynamik, hat sich gerade die Quantenphysik als notorisch „philosophieträchtig“ erwiesen. Ein zentraler Punkt, der seit den Anfängen der Quantenphysik in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts diskutiert wurde, liegt in der Rolle der Beobachtung beziehungsweise dem physikalischen Messprozess.

In der Physik ist man bis zum Ende des 19. Jahrhunderts davon ausgegangen, dass das Resultat einer Messung etwas über denjenigen Zustand eines Systems aussagt, in dem es sich vor der Messung befunden hat. Diese Annahme bedeutet, dass zwischen dem Zustand vor der Messung und dem gemessenen Zustand, abgesehen von Messungenauigkeiten, kein wesentlicher Unterschied besteht. Im Gegensatz dazu sind der Zustand eines Quantensystems vor der Messung und sein Zustand nach der Messung im allgemeinen nicht identisch; die Messung verändert den Zustand.

Dies liegt nicht etwa daran, dass Quantensysteme wegen ihrer mikroskopischen Dimensionen besonders störanfällig sind; es gibt Experimente mit makroskopischen Quantensystemen, deren räumliche Ausmasse Kilometer erreichen! Die Ursache liegt vielmehr darin, dass typische Eigenschaften von Quantensystemen in einer speziellen Beziehung zueinander stehen, die man Nichtvertauschbarkeit oder „Nichtkommutativität“ nennt.

Ein bekanntes Beispiel sind Ort und Impuls eines Teilchens, zwischen denen als Folge der Nichtvertauschbarkeit eine sogenannte Unschärferelation besteht. Das heißt, die Resultate einer Orts- und Impulsmessung sind davon abhängen, in welcher Reihenfolge sie durchgeführt werden. Etwas allgemeiner formuliert, steht der Vorgang der Messung zwischen dem „So-Sein“ eines Systems an sich und der Art und Weise, wie sich dieses System durch eine Messung präsentiert.

Die kontroversen Diskussionen hierzu, die Einstein und Bohr in den 1920er und 1930er Jahren führten, beruhten auf unterschiedlichen erkenntnistheoretischen Standpunkten. Während Einstein die Position vertrat, dass es auch ohne Beobachtung eine Wirklichkeit gebe, die objektiven Bestand hat – Motto: „der Mond ist auch dann da, wenn niemand hinschaut“ –, stellte Bohr die Bedeutung des empirischen Zuganges in den Vordergrund: „Phänomene sind nur dann Phänomene, wenn sie beobachtete Phänomene sind“.

Aus heutiger Sicht kann man sagen, dass die Bohr-Einstein-Diskussionen wesentlich darunter gelitten haben, dass keiner von beiden seinen philosophischen Ausgangspunkt hinreichend deutlich gemacht hat. Das hätte eine ganze Reihe von Missverständnissen vermeiden lassen und die sogenannten Paradoxa der Quantentheorie in einem Licht dargestellt, das mit tatsächlichen Widersprüchen wenig zu tun hat. Tatsächlich lassen sich beide Positionen zu einem umfassenderen Gesamtbild weiterentwickeln.

Ein Ganzes, das keine Teile hat

Ausgangspunkt hierfür ist der von Werner Heisenberg geprägte Begriff eines konzeptuellen „Schnittes“, der in einem Gesamtsystem das Objekt der Beobachtung von dessen Umgebung, zu der insbesondere auch der Beobachter gehört, trennt. Diese Zerlegung ist nicht ein für alle Mal vorgegeben, sondern hängt von Kontexten ab, die sich beispielsweise in der Wahl der jeweiligen experimentellen Anordnung widerspiegeln.

Verschiedene Zerlegungen schließen sich zwar gegenseitig aus; ein umfassendes Gesamtbild des unzerlegten Systems entsteht jedoch nur durch ihre gemeinsame Berücksichtigung. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass die Beschreibung des Gesamtsystems – anders als in der klassischen Physik – nicht von vornherein mit der Beschreibung der zerlegten Teilsysteme identisch ist. Salopp gesagt handelt es sich um ein Ganzes, das nicht aus Teilen besteht. Somit liegt in der Quantentheorie ein Konzept von Ganzheit vor, das weitaus radikaler ist als in anderen Bereichen der Wissenschaft.

Zwei Schlüsselbegriffe, die von ausschlaggebender Bedeutung für das Verständnis der Quantenphysik sind, heißen Komplementarität und Verschränkung. Niels Bohr war stets davon überzeugt, dass diesen beiden Begriffen eine weltanschauliche Relevanz zukommt, die den Bereich der Physik weit überschreitet. Bohr selbst hat allerdings diese Idee nie im Detail oder konkret ausgeführt, und nach seinem Tod ist seine Idee, dass durch die Begriffe Komplementarität und Verschränkung eine Verbindung zwischen Physik und Alltagserfahrung erreicht werden kann, unberechtigterweise aus der Mode gekommen.

Wie kam Bohr auf diese Idee? Im Fall der Komplementarität lag der Ursprung in der Beschäftigung mit dem Psychologen Arthur Rubin sowie, indirekter, William James. Rubin bezeichnete die unterschiedlichen Optionen, Kippfiguren wahrzunehmen, als komplementäre Betrachtungsweisen, und Bohr übertrug dies zunächst auf den Dualismus von Welle und Teilchen im mathematischen Formalismus der Quantentheorie. Zwei Darstellungen sind nach Bohrs Definition genau dann komplementär, wenn einerseits für eine vollständige Beschreibung des Systems beide erforderlich und unverzichtbar sind, andererseits jedoch beide miteinander inkompatibel sind, das heißt: sich widersprechen.

Durch den Einfluss der Philosophen Höffding und, indirekter, Kierkegaard, spekulierte Bohr bald über Beispiele für Komplementarität, die eigentlich aus der Philosophie entstammen. So sprach er etwa über eine Komplementarität zwischen Wissen und Lernen, zwischen der Definition und der Verwendung eines Begriffs, zwischen Klarheit und Wahrheit, oder zwischen Güte und Gerechtigkeit. Ein erhellendes Beispiel, das von James stammt, ist die Komplementarität von Glaube und Zweifel. Die logische Negation von Glaube wäre Unglaube, aber das trifft eben nicht die Idee der Komplementarität.

Wenn wir nicht-physikalischen Beispiele für „Komplementarität“ finden wollen, die mehr sein sollen als bloße Metaphern, müssen wir sie analog zum Formalismus der Quantentheorie diskutieren. Im quantentheoretischen Formalismus ist für die Komplementarität insbesondere die „Nicht-Vertauschbarkeit“ von mathematischen Operationen – nennen wir sie A und B – verantwortlich: AB ist dort nicht gleich BA. Und hier lassen sich hierzu überraschende Beispiele außerhalb der Physik finden!

Tatsächlich sieht man leicht, dass Nicht-Vertauschbarkeit kein geheimnisvoller Sonderfall, sondern geradezu die Regel ist. Nur weil wir im Grundschulunterricht die Grundrechenarten gelernt haben, die zufällig alle vertauschbar sind, kann man das leicht übersehen. Für Addition und Multiplikation gilt natürlich die Vertauschbarkeit 2+3 = 3+2, beziehungsweise 2x3 = 3x2.

Aber hier ein Alltagsbeispiel für Nicht-Vertauschbarkeit, das in seiner Trivialität fast unschlagbar ist: Jeder, der schon einmal versucht hat, durch eine Tür zu gehen, bevor er sie geöffnet hat, weiß, dass die Reihenfolge einen Unterschied macht. Beispiele dieses Typs sind so elementar und alltäglich, dass auch ohne große Phantasie sofort jedem eins einfällt.

Etwas weniger trivial sind Komplementaritäten, die auf der Nicht-Vertauschbarkeit von mentalen Operationen beruhen. Beispiele, die in diese Klasse fallen, haben damit zu tun, was man oft einen Reihenfolgeeffekt nennt: das Resultat aufeinanderfolgender Operationen hängt von der Reihenfolge ihrer Durchführung ab. Ein wohlbekanntes Beispiel sind solche Effekte bei Lernprozessen. So gehört es zu den menschlichen Grunderfahrungen, dass Lernen und Wissen nicht vertauschbar sind. Viele Dinge weiß man nur dann, wenn man sie vorher gelernt hat – die umgekehrte Reihenfolge ist zwar nicht grundsätzlich verboten, aber sie darf wohl in der Regel als unfruchtbar gelten.

Mit numerischen Studien von Lernprozessen mit artifiziellen Netzwerken kann man solche Reihenfolgeeffekte analytisch untersuchen. Zum Beispiel lassen sich solche Netzwerke so „trainieren“, dass sie Muster lernen und wiedererkennen können. Dabei zeigt sich, dass sie in der Tat nicht bloß die Muster als solche lernen, sondern zugleich auch die Reihenfolge, in der sie sie lernen. Das führt dazu, dass eine Serie von Mustern dann besonders gut wiedererkannt wird, wenn sie in der Reihenfolge des Lernens präsentiert werden. Andernfalls kommt der Prozess des Wiedererkennens typischerweise nicht zum Ziel. Ähnliche Reihenfolgeeffekte gibt es bei allen Arten von Befragungen in der Psychologie, was zum Beispiel beim Design von Fragebogen berücksichtigt werden muss.

Wider die Mystik!

Eine zweite kognitionswissenschaftliche Anwendung ist die Wahrnehmung von Kippfiguren ­– das Thema, das Bohr seinerzeit zur Einführung der Komplementaritätsidee in die Quantenmechanik inspirierte. Die Vorgänge, die dabei eine Rolle ­spielen, kann man ebenfalls mit nicht-vertauschbaren Operationen modellieren. Hier sind es zwei Typen von Dynamik, die nicht vertauschen: die Dynamik des Kippvorgangs und die Dynamik der Beobachtung des jeweiligen Stimulus.

Diese Beispiele illustrieren deutlich, wie Grundkonzepte der Quantentheorie in der Tat bei Situationen des gewöhnlichen Alltags zum Zuge kommen. Damit soll aber nicht der Alltag so mystifiziert werden, wie manche Physiker die Quantenphysik zu mystifizieren versucht haben. Vielmehr geht es darum, dass das, was sich in der Quantenphysik als das begrifflich Entscheidende herausgestellt hat, erstens keineswegs unverständlich ist und zweitens nicht für sie allein zutrifft.

Ein durch die Quantentheorie inspiriertes, aber über sie hinausgehendes Verständnis von Wirklichkeit erzwingt es, eingefahrene Denkweisen zu revidieren und einem übertriebenen Hang zu anschaulichen Weltbildern zu widerstehen. Das logische „entweder-oder“ und das Kommutativgesetz bei dem Grundrechenarten sind Spezialfälle, die selbstverständlich ihre eigene Bedeutung haben. Es wäre jedoch falsch zu glauben, dass das, was die allgemeinen Grundlagen der Quantentheorie ausmacht, nur für exotische Teilchen und Felder gilt und mit dem normalen Leben nichts zu tun hat. Das Gegenteil ist der Fall.

Harald Atmanspacher ist Physiker und leitet die Abteilung Theorie und Datenanalyse des Freiburger Instituts für Grenzgebiete der Psychologie und Psychohygiene e.V.

05:00 06.08.2009

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