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03 2021

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Michael Drieschner:
Quantenmechanik verstehen

aus: Heft 3/2021, S. 78-92

 
Wie ist die Quantenmechanik zu verstehen?
 
1926 veröffentlichte Erwin Schrödinger (1) seine Quantentheorie, wenige Monate nachdem Werner Heisenberg (2) die Seine veröffentlicht hatte. Sehr bald bewies Schrödinger, dass die beiden anscheinend so verschiedenen Formalismen physikalisch äquivalent sind. Seit fast 100 Jahren scheint also der Formalismus der Quantentheorie klar zu sein. Seitdem gibt es aber auch einen Disput über die Interpretation dieses Formalismus, der auch nach 100 Jahren noch nicht beigelegt ist. Wie ist das möglich, nach 100 Jahren extrem erfolgreicher Anwendung der Quantentheorie in der Physik ebenso wie in der Technik?
 
Warum braucht ein physikalischer Formalismus überhaupt eine Interpretation? In der klassischen Mechanik scheint es völlig klar zu sein, wie die Ergebnisse des Formalismus mit empirischen Feststellungen verbunden werden müssen. Niemand fragte nach einer besonderen „Interpretation“ der klassischen Mechanik. Bei der Quantentheorie (oder ‚Quantenmechanik‘) ist das anders: Das Ergebnis einer quantenmechanischen Berechnung ist gewöhnlich nicht der Wert einer Observablen, sondern im Allgemeinen eine Wahrscheinlichkeit bzw. eine Wahrscheinlichkeitsdichte. Es erhebt sich daher die Frage, was das physikalisch bedeutet – es braucht eine Interpretation. Wie also ist die Quantentheorie zu verstehen?
 
Quantentheorie und „klassische“ Ontologie
 
Die klassische Ontologie setzt voraus, dass es eine Natur „da draußen“ gibt, die wir beobachten und beschreiben können wie z. B. ein Uhrwerk. Diese Sicht beschreibt klassisch P.S. (de) Laplace (3):
 
„Eine Intelligenz, die für einen gegebenen Augenblick alle Kräfte kennte, von denen die Natur beseelt ist, und die gegenseitige Lage der Wesen, die sie ausmachen, wenn sie überdies genügend weit reichte, um diese Gegebenheiten der Analyse zu unterziehen, umfasste sie in derselben Formel die Bewegungen der größten Körper des Universums und die des leichtesten Atoms: nichts wäre für sie unsicher, und die Zukunft wie die Vergangenheit wäre vor ihren Augen gegenwärtig.“
(Übersetzung Michael Drieschner)
 
Die Quantentheorie passt nicht in dieses Bild. Was man von der Quantentheorie bekommt, ist nicht eine Beschreibung der Wirklichkeit, sondern ein System von Voraussagen für mögliche Messungen. Diese Voraussagen geben keine Gewissheit für ein bestimmtes Ergebnis, sondern sie lassen verschiedene Ergebnisse zu mit den jeweiligen Wahrscheinlichkeiten. Wahrscheinlichkeiten kommen zwar auch in der klassischen Physik vor, aber dort kann man sich immer mit dem Gedanken trösten, dass „in Wirklichkeit“ ein Ergebnis sicher war, dass nur die Information des Beobachters nicht ausreichte, um das „wirkliche“ Ergebnis festzustellen. In der Quantentheorie ist dieser Ausweg versperrt. Kein Quantenzustand, der ein System beschreibt, gibt allen Observablen feste Werte. Vielmehr sagt er für die meisten Observablen verschiedene Messergebnisse als möglich voraus und – im besten Fall – für jedes mögliche Resultat eine Wahrscheinlichkeit für sein Eintreten. Darin ist die Quantentheorie eine fundamental indeterministische Theorie. Diese Einsicht zwingt uns, das „klassische“ Bild einer Welt „da draußen“, die wie ein Uhrwerk funktioniert, aufzugeben.
 
Ist das ein Nachteil gegenüber der „klassischen“ Ontologie? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir erwägen, was wir wirklich von der Naturwissenschaft erwarten: Die Naturwissenschaft soll uns Voraussagen ermöglichen mithilfe empirischer Daten über den augenblicklichen Zustand und theoretische Berechnungen aufgrund einer richtigen Theorie. In der klassischen Physik hatten wir die besondere Situation, dass wir z. B. den Ort eines Planeten – jedenfalls prinzipiell – mit Sicherheit voraussagen konnten. Das war allerdings sehr prinzipiell; es bezog sich vor allem auf den Standardfall der Planetenbewegung. Aber auch da ist es im allgemeinen unmöglich, den gegenwärtigen Zustand und alle Einflüsse darauf genügend genau zu kennen, um genaue Voraussagen mit Sicherheit zu treffen. So kommen im „klassischen“ Fall ebenso Wahrscheinlichkeiten vor, nicht anders als in der Quantentheorie. Allerdings bleibt in den Grundlagen der entscheidende Unterschied zwischen einer deterministischen und einer indeterministischen Theorie: In einer deterministischen, „klassischen“ Theorie können wir immer unterstellen, dass an sich jede Observable einen genauen Wert hat.
 
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