Grenzen der Quantenmechanik

  • 19. September 2018

Gedankenexperiment führt zu unerwarteten Widersprüchen.

Kaum eine wissen­schaftliche Theorie ist derart gut abgestützt wie die Quanten­mechanik. Seit fast hundert Jahren wird sie immer und immer wieder mit hoher Präzision experimentell bestätigt. Und doch sind die Physiker nicht restlos glücklich. Denn die Quanten­mechanik beschreibt zwar sehr genau das Geschehen auf der mikro­skopischen Ebene. Doch bei größeren Objekten stößt sie an ihre Grenzen – insbesondere wenn es sich um Objekte handelt, bei denen die Gravitationskraft eine Rolle spielt. So lässt sich etwa das Verhalten von Planeten mit der Quanten­mechanik nicht beschreiben. Das ist nach wie vor die Domäne der allgemeinen Relat­ivitäts­theorie, die wiederum die Vorgänge im Kleinen nicht richtig zu beschreiben vermag. Viele Physiker träumen denn auch davon, die Quanten­mechanik mit der Relativitäts­theorie zu einem schlüssigen Bild unserer Welt zu verknüpfen.

Abb.: Was sieht ein Physiker, der ein Quantenobjekt untersucht? Das Gleiche wie der Beobachter des Physikers – oder gerade das Gegenteil? (Bild: P. Bürli, Visualeyes International)

Abb.: Gedankenexperiment: Was sieht ein Physiker, der ein Quantenobjekt untersucht? Das Gleiche wie der Beobachter des Physikers – oder gerade das Gegenteil? (Bild: P. Bürli, Visualeyes International)

Doch wie lassen sich zwei Theorien mit­einander verbinden, die zwar beide in ihren Domänen die physi­kalischen Vorgänge sehr treffend beschreiben, aber eben doch sehr unter­schiedlich sind? Ein möglicher Weg ist, quantenphysikalische Experimente mit immer größeren Objekten durch­zuführen. Die Hoffnung dabei: Irgendwann tauchen Unstimmig­keiten auf, die mögliche Lösungs­wege aufzeigen. Doch den Physikern sind dabei enge Grenzen gesetzt. Das berühmte Doppelspalt­experiment etwa, mit dem gezeigt werden kann, dass feste Partikel sich gleichzeitig wie Wellen verhalten, lässt sich mit Alltags­gegenständen nicht durchführen.

Mit Gedanken­experimenten hingegen lassen sich die Grenzen zur makro­skopischen Welt überwinden. Genau das haben Renato Renner, Professor für theo­retische Physik, und seine ehemalige Dok­torandin Daniela Frauchiger nun gemacht. Salopp gesagt betrachten die beiden in ihrem Gedanken­experiment einen hypo­thetischen Physiker, der ein quanten­mechanisches Objekt untersucht, und berechnen dann mit Hilfe der Quanten­mechanik, was der Physiker feststellen wird. Gemäß unserem heute gültigen Weltbild sollte diese indirekte Betrachtung zum gleichen Resultat führen wie die direkte Beobachtung. Doch die Berechn­ungen der beiden zeigen, dass dies gerade nicht der Fall ist: Die Voraussage, was der Physiker beobachten wird, ist gerade das Gegenteil dessen, was man direkt messen würde – eine paradoxe Situation.

Obwohl das Gedanken­experiment erst jetzt offiziell publiziert wird, hat es in der Fachwelt bereits für Gesprächs­stoff gesorgt. Da sich der Publikations­prozess immer wieder verzögerte, gibt es inzwischen bereits verschiedene andere Publi­kationen, die sich mit den Befunden befassen – auch das eine paradoxe Situation, wie Renner schmunzelnd anmerkt. Die übliche erste Reaktion seiner Fachkollegen sei meistens, die Berech­nungen anzu­zweifeln, berichtet Renner. Doch bisher ist es niemandem gelungen, die Kalku­lationen zu falsi­fizieren. Ein Gutachter räumte ein, er hätte inzwischen fünf Mal erfolglos versucht, einen Fehler in den Berech­nungen zu finden. Andere Kollegen wiederum präsen­tierten konkrete Erklä­rungen, wie das Paradox gelöst werden kann. Doch bei näherem Hinsehen zeigte sich stets, dass es sich um Ad-hoc-Lösungen handelt, mit denen sich das Problem nicht aus der Welt schaffen lässt.

Bemerkens­wert findet Renner, dass das Thema offenbar polarisiert. Einige Kollegen hätten auf seine Ergebnisse sehr emotional reagiert, stellt er erstaunt fest. Das liegt wohl daran, dass die zwei nahe­liegenden Schluss­folgerungen aus Renners und Frauchigers Befunden gleicher­maßen irri­tierend sind. Die eine Erklärung ist, dass die Quantenmechanik offen­sichtlich nicht wie bisher angenommen uni­versell anwendbar ist und demnach nicht auf größere Objekte angewendet werden kann. Doch wie kann es sein, dass eine Theorie, die experimentell immer wieder so deutlich bestätigt wurde, inkon­sistent ist? Die andere Erklärung lautet, dass es offenbar nicht nur in der Politik, sondern auch in der Physik keine klaren Fakten gibt und dass es neben dem, was wir für wahr halten, auch noch andere Möglich­keiten gibt.

Mit beiden Inter­pretationen tut sich Renner schwer. Er ist vielmehr überzeugt, dass sich das Paradox auf andere Weise lösen wird: „Wenn man in der Geschichte zurückblickt, dann kam die Lösung in solchen Momenten oft von uner­warteter Seite“, erklärt er. So basiert beispiels­weise die allgemeine Relativitäts­theorie, mit der Wider­sprüche in der Newtonschen Physik aufgelöst werden konnten, auf der Einsicht, dass das damals noch gängige Konzept der Zeit falsch war. „Unsere Aufgabe besteht nun darin zu prüfen, ob wir bei unserem Gedanken­experiment nicht Annahmen getroffen haben, die wir in dieser Form nicht hätten treffen dürfen“, erklärt Renner. „Wer weiss, vielleicht müssen wir sogar unsere Vorstellung von Raum und Zeit nochmals revid­ieren.“ Für Renner wäre das durchaus eine reizvolle Option: „Nur wenn wir bisherige Theorien funda­mental überdenken, gelangen wir zu tieferen Einsichten, wie die Natur wirklich funk­tioniert.“

ETHZ / JOL

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