Das Messproblem

Die Quantenphysik funktioniert zwar hervorragend bei allen Atomen und Molekülen. Neben der fehlenden Erklärung des Phänomens der Verschränkung hat sie aber noch ein weiteres ganz fundamentales Problem. Das ist das Messproblem. Diese Seite soll das erläutern.

Alle Merkwürdigkeiten der Quantenphysik kommen von den Superpositionszuständen. Wie ich schon auf der Seite „Die beiden zentralen Merkmale der Quantenphysik“ erläutert habe, kann man sie allerdings nie direkt beobachten. Jede Beobachtung, also jede Messung, bewirkt den Kollaps des entsprechenden Superpositionszustands. Aber etwas sehr Wichtiges habe ich noch nicht gesagt: Gemäß der Quantenphysik dürfte es den 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 ist die Viele-Welten-Interpretation des amerikanischen Physikers Hugh Everett, die er in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt hat. Gemäß der Viele-Welten-Interpretation 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. Und auch von demjenigen, der die Katze betrachtet, also dem Beobachter, gibt es zwei Versionen. Einer sieht die tote Katze, der andere sieht die lebendige Katze. 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. Allerdings ist es natürlich völlig absurd, von einer Aufspaltung in mehrere Universen auszugehen. Was aber bringt alle Universen bis auf eines zum Verschwinden? Warum also gibt es im Fall von Schrödingers Katze immer nur einen einzigen Beobachter, der entweder die tote oder die lebendige Katze sieht? Das konnte Hugh Everett nicht beantworten.

Manchmal wird gesagt, dass der in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts entdeckte Effekt der Dekohärenz die Frage nach dem einzigen Universum und damit dem einzigen Beobachter beantwortet. Was dann auch die Lösung für das Messproblem bedeuten würde. Aber das ist ziemlich umstritten. Was ist Dekohärenz? Betrachten wir hierzu nochmals das Doppelspalt-Experiment mit den Elektronen. Man beobachtet auf der zweiten Wand abwechselnd helle und dunkle Streifen. Die kommen von der Interferenz der Wellenfunktion mit sich selbst und diese Interferenz gibt es aus zwei Gründen. Der eine ist, dass jedes Elektron durch beide Spalten gleichzeitig fliegt. Oder besser ausgedrückt sich in einem Superpositionszustand aus zwei Zuständen befindet. Der eine ist „Das Elektron fliegt durch den linken Spalt“. Der andere ist „Das Elektron fliegt durch den rechten Spalt“. Aber das alleine genügt noch nicht für die Interferenz. Die beiden Zustände müssen auch noch geordnet zusammenhängen. Das tun sie aber nur dann, wenn die Elektronen extrem gut abgeschirmt sind. Ist das nicht der Fall, dann führt die Wechselwirkung mit der Umgebung dazu, dass die beiden Zustände nicht mehr geordnet zusammenhängen. Das zerstört die Interferenz und die abwechselnd hellen und dunklen Streifen verschwinden. Diesen Effekt nennt man Dekohärenz.

Aber ganz wichtig: Die Zahl der Zustände wird durch die Dekohärenz nicht reduziert. Im Falle der toten und lebendigen Katze bedeutet das, dass die Dekohärenz zwar dazu führt, dass die beiden Beobachter (einer sieht die tote, der andere sieht die lebendige Katze) nichts mehr voneinander wissen. Aber es sollte sie beide noch geben. Ganz entgegen der Realität. Um einen der beiden Beobachter zum Verschwinden zu bringen, sind daher Zusatzannahmen nötig und die sind umstritten. Eine wirklich überzeugende Lösung des Messproblems ist das also nicht.