Quantenphysik III – Das Messproblem

Lassen sich die seltsamen Superpositionszustände eigentlich auch beobachten? Könnte man also mittels eines Messgeräts sehen, dass sich das Elektron des Wasserstoffatoms an unendlich vielen verschiedenen Orten gleichzeitig befindet? Nein, das klappt nicht. Immer wenn man das Elektron beobachtet, befindet es sich an einem einzigen Ort, niemals in einem Superpositionszustand aus unendlich vielen verschiedenen Orten. Das gilt nicht nur für den Superpositionszustand des Elektrons im Wasserstoffatom, sondern ganz allgemein für alle Superpositionszustände. Bei einer Beobachtung verschwinden stets die Superpositionszustände und ein einziger Zustand bleibt übrig. Das nennt man griffig den Kollaps der Superpositionszustände. Aber gemäß der Quantenphysik dürfte es diesen Kollaps gar nicht geben. Vielmehr sollte sich das Messgerät dann auch in einem Superpositionszustand befinden und alle Zustände des Superpositionszustands des Messobjekts gleichzeitig anzeigen. Was aber ganz und gar nicht der Fall ist. Das stellt ein fundamentales und bislang nicht gelöstes Problem dar, das sogenannte Messproblem. Es ist deshalb ein fundamentales Problem, weil es bedeutet, dass die Quantenphysik bei jeder Messung ungültig wird.

Noch eine Anmerkung: Was sehr wohl klappt, ist die indirekte Beobachtung der Superpositionszustände, das ist das berühmte Doppelspalt-Experiment, auf das ich hier aber nicht eingehe.

Das Messproblem wurde auch schon von Erwin Schrödinger erkannt. Er illustrierte es anhand einer Katze, die heute typischerweise als „Schrödingers Katze“ bezeichnet wird. In seinem Gedankenmodell – in der Realität wäre es natürlich Tierquälerei – sind ein radioaktives Atom, ein Geigerzähler, ein Behälter mit giftigem Gas und eine Katze gemeinsam in einer Kiste. Zerfällt das radioaktive Atom, so registriert das der Geigerzähler. Der wiederum setzt dann das giftige Gas frei und die Katze stirbt. Es ist allerdings unbekannt, wann das radioaktive Atom zerfällt. Es befindet sich daher in einem Superpositionszustand aus „nicht zerfallen“ und „zerfallen“. Entsprechend befindet sich der Geigerzähler in einem Superpositionszustand aus „nicht registriert“ und „registriert“. So geht es weiter. Das giftige Gas ist gleichzeitig „nicht freigesetzt“ und „freigesetzt“ und die Katze gleichzeitig lebendig und tot. Ich betone es nochmals: So sollte es gemäß der Quantenphysik tatsächlich sein. Was offensichtlich unsinnig ist. Sie erkennen, dass die Katze ein „Messgerät“ darstellt.

Welche Lösungsvorschläge gab es bislang für das Messproblem? Eine Lösung besteht darin, dass man sich zurücklehnt und sagt, dass die Quantenphysik eben bei allen großen Objekten ungültig wird. Das bedeutet, dass die Welt in eine Quantenwelt und in eine klassische Welt zerfällt. Die Quantenwelt ist die Welt der Atome und Moleküle, in der die Quantenphysik regiert. Die klassische Welt ist die Welt aller großen Objekte, also aller Objekte, die Sie um sich herum wahrnehmen. Inklusive aller Messgeräte. In der klassischen Welt ist die Quantenphysik ungültig. Der Kollaps der Superpositionszustände findet immer dann statt, wenn beide Welten zusammentreffen. Wie es bei jeder Messung der Fall ist. Natürlich ist das keine Lösung im Sinne einer Erklärung, sondern nur die Beschreibung der tatsächlichen Situation.

Pfiffiger, aber meiner Meinung nach völlig unglaubwürdig, ist die Viele-Welten-Hypothese des amerikanischen Physikers Hugh Everett, die er in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt hat. Sie genießt unter den Physikern erstaunlich hohes Ansehen. Gemäß der Viele-Welten-Hypothese gibt es bei einer Messung gar keinen Kollaps des Superpositionszustands. Stattdessen teilt sich das Universum im Augenblick der Messung in sehr viele Universen auf. In jedem dieser Universen bleibt ein einziger Zustand übrig, es ist aber jeweils ein anderer Zustand. Im Falle von Schrödingers Katze würde sich also das Universum in zwei Universen aufteilen. In dem einen Universum ist die Katze tot, in dem anderen ist sie lebendig. Das rettet rein formal die Quantenphysik, denn es geht kein Zustand des Superpositionszustands bei einer Messung verloren. Alle Zustände sind noch vorhanden, wenn auch in jeweils unterschiedlichen Universen. Ich denke aber, Sie werden mir zustimmen, dass das ziemlich unglaubwürdig ist.

Manchmal wird der Effekt der Dekohärenz als Lösung für das Messproblem genannt. Aber das stimmt nicht. Zwar weist die Dekohärenz in die richtige Richtung, stellt aber gewissermaßen erst den halben Weg dar. Jeder Superpositionszustand hat zwei Aspekte. Der eine sind die verschiedenen Zustände an sich. Der andere ist, dass die Zustände zusammenhängen. Der zweite Aspekt wird durch die Wechselwirkung mit der Umgebung zerstört. Das nennt man Dekohärenz. Aber ganz wichtig: Die Zahl der Zustände wird durch die Dekohärenz nicht reduziert. Daher kann die Dekohärenz alleine nicht erklären, warum bei einer Messung nur ein einziger Zustand beobachtet wird. Man muss zur Lösung des Messproblems die Dekohärenz mit anderen Konzepten, wie zum Beispiel mit der Viele-Welten-Hypothese, kombinieren. Oder anders ausgedrückt: Es gibt nach wie vor keine plausible Lösung des Messproblems.