Quantenphysik II – Das Messproblem

Die Quantenphysik funktioniert zwar hervorragend bei allen Elementarteilchen, Atomen und Molekülen. Sie hat aber auch ein ganz fundamentales Problem, das ist das Messproblem. Diese Seite soll das erläutern. Alle Merkwürdigkeiten der Quantenphysik kommen von den Superpositionszuständen. Stellen wir uns jetzt die Frage, ob sie sich eigentlich auch beobachten lassen. Die indirekte Beobachtung gelingt sehr wohl, zum Beispiel beim Doppelspalt-Experiment. Darum geht es hier aber nicht. Hier geht es um die direkte Beobachtung der Superpositionszustände.

Könnte man also mittels eines Messgeräts, das extrem sensibel auf Orte anspricht, sehen, dass sich das Elektron des Wasserstoffatoms an sehr vielen verschiedenen Orten gleichzeitig befindet? Nein, das funktioniert nicht. Denn sobald man das Wasserstoffatom an das Messgerät anschließt, findet man das Elektron an einem einzigen Ort. Und niemals in einem Superpositionszustand aus sehr vielen verschiedenen Orten. Das gilt ganz allgemein für alle Superpositionszustände. Bei einer Messung werden die Superpositionszustände stets zerstört 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 überzeugend gelöstes Problem dar, das sogenannte Messproblem. Es ist deshalb ein fundamentales Problem, weil es bedeutet, dass die Quantenphysik bei jeder Messung ungültig wird.

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. Tatsächlich hat diese „Lösung“ sogar einen Namen, sie nennt sich die „Kopenhagener Deutung“. Weil der dänische Physiker Niels Bohr, dessen Institut in Kopenhagen war, sich in den Anfangsjahren der Quantenphysik vehement darum bemüht hat, dass diese „Lösung“ zur Standardsicht wurde. Viele sehen das heute ziemlich kritisch. Denn es hat wohl die weitere Entwicklung der Quantenphysik behindert.

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.