Beobachtereffekte in der Quantenphysik (i): Subatomare Mysterienspiele

Quantenphysik ist nicht nur für unser Verständnis der Welt von größter Bedeutung - immer öfter werden auf Quantenebene nachgewiesene Phänomene auch zur vermeintlichen Erklärung esoterischer Theorien missbraucht. Da geht es mal um Telepathie, mal um Theologie; die Folgen sind absurde Webseiten und aufwendig produzierte Verdummungsfilmchen wie The Secret. Ob man nun nur seine eigenen kleinen Dummheiten mit der Berufung auf die Quantenphysik retten will oder richtig Geld verdienen — die augenscheinlich so wissenschaftlich daher kommenden Theorien beruhen vor allem auf Missverständnissen.

Als die Physik Anfang des 20. Jahrhunderts zur Charakterisierung des Aufbaus von Atomen kam und sich dadurch mit immer kleineren Teilchen zu beschäftigen hatte, trat ein neues Problem auf, das die Wissenschaft bisher erfolgreich zu umgehen verstanden hatte: die Beobachtung der Natur per Experiment nahm selbst Einfluss auf das, was eigentlich ungestört hätte beobachtet werden sollte. Das folgt schon aus den Größenverhältnissen. Selbst mikroskopischen Objekten ist es weitgehend egal, ob man sie unter einem lichtbeschienenen Mikroskop betrachtet. Im Grunde liegt es sogar in der Definition solcher Materie, dass ihr das nichts ausmacht — wäre sie unter Lichteinstrahlung nicht stabil, würden wir sie im Alltag gar nicht als Materie wahrnehmen können. Das ist anders, wenn man einzelne Elementarteilchen betrachtet, deren Energie sich in denselben Größenordnung wie die des Lichts befindet. Beleuchtet man diese, so verändert das einfallende Licht den Zustand dieser Partikel. Der Effekt ist soweit nicht besonders dramatisch, aber er sollte gerade in der Frühphase der Quantenphysik immer für Verwirrung sorgen: welche Effekte waren echt, welche nur durch den Akt der Beobachtung selbst induziert?

Erschwerend kam hinzu, dass auf den damals zum ersten Mal untersuchten Skalen Effekte auftraten, die mit den Erfahrungen unserer Alltagswelt (die ja auch die Welt klassischer physikalischer Theorien ist) kaum zu verstehen waren. Nachdem man sich nach ewigem Streit endlich darauf geeinigt hatte, dass Licht sich als Welle fortbewegt, zeigte Einstein 1905, dass Licht dennoch Teilchencharakter hat: dort, wo die Lichtwelle auf einen Gegenstand trifft, wirkt das Licht wie ein Teilchen mit definierter Energie, nicht mehr wie eine kontinuierliche Welle. 1924 postulierte de Broglie, dass dieser nun so benannte Welle-Teilchen-Dualismus eine grundsätzliche Eigenschaft von Materie sei, was 1927 nachgewiesen werden konnte: Elektronen, die durch einen entsprechend gewählten Spalt fielen, zeigten dahinter ein Beugungsmuster, wie man es nur durch Welleneigenschaften erklären konnte, ganz analog zu Licht.

Dieser Dualismus konnte überall in der subatomaren Welt nachgewiesen werden. Das erweiterte Bohrsche Atommodell nimmt zum Beispiel die Bahn der Elektronen um den Kern nicht mehr als tatsächliche Bewegung einzelner Partikel an, sondern als wellenmechanisch beschriebene Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons in Abhängigkeit seiner Energie. Das ist alles andere als Willkür. Schon sehr früh hatte man festgestellt, dass Elektronen in Atomen nur bestimmte Energieniveaus innehaben können, was klassisch nicht erklärbar ist. Nimmt man die Elektronenbahn hingegen als Wahrscheinlichkeitswelle an, die sich um den Kern herum selbst überlagern kann, wird klar, dass nur bestimmte Vielfache der Wellenlänge vorkommen können, weil nur diese eine stabile Wellenfunktion liefern. Energetisch dazwischenliegende Wellen würden destruktiv interferieren, sich also selbst auslöschen. Das Erstaunliche ist, wie genau und wie einfach die Wellenmechanik die schon zuvor gemessenen Energieniveaus beschreiben kann.

So wir uns nun das ungestörte Elektron um einen Atomkern als Wahrscheinlichkeitswelle vorstellen, stellt sich die Frage, was das Partikel Elektron in der Zeit macht. Sobald wir eine Messung unternehmen, um die Position des Elektrons zu finden, werden wir ein einzelnes Partikel an einer bestimmten Position feststellen können. Ist das Elektron im ungestörten Atom nun auch ein Teilchen, oder nimmt es erst Teilchencharakter an, indem wir eine Messung machen, in der wir den Teilchencharakter voraussetzen?

Erstaunlicherweise deutet heute alles darauf hin, dass es keinen Sinn hat, von ungestörten Elektronen als Teilchen zu reden — es scheint fast nur aus Welleneigenschaften zu bestehen. Das Teilchen Elektron tritt nur unter speziellen Bedingungen auf, wenn es zum Beispiel mit anderer Materie interagiert. Und nichts anderes ist ja auch unsere Messung: wir lassen das Elektron eine Wechselwirkung vollführen, um über die Analyse dieser Interaktion auf Position oder Zustand des Elektrons zu schließen. In gewissem Sinne bestimmt also „der Beobachter”, wie sich die Realität verhält.

Das war lange Gegenstand von Diskussionen, und die aus der Unklarheit resultierenden physikalischen wie philosophischen Diskussionen haben leider wenig getan, Missverständnisse zu beseitigen. Insbesondere die in der philosophischen Tradition des 19. Jahrhunderts erzogenen Wissenschaftler waren bedauerlicherweise schnell bei der Hand, weitreichende Spekulationen über das Wesen der Natur in den Raum zu werfen. Zum Teil lässt sich das erklären aus der Verunsicherung, die entstand, nachdem man sich selbst als Störfaktor in der eigenen Messung wahrnehmen musste; zum Teil auch aus der Sehnsucht, wissenschaftlich endlich etwas vermeintlich philosophisch relevantes gefunden zu haben: unglückliche Spätfolgen der hochgelobten humanistischen Bildung. In der Rezeption dieser Meinungsäußerungen wurde dabei zu oft übersehen, dass diese Spekulationen nicht mehr Teil der wissenschaftlichen Naturbeschreibung waren, sondern philosophisch-kulturelle Deutungsversuche einzelner.

Dass an der beschriebenen Effekten derweil einiges rätselhaft erscheint, aber die philosophischen Deutungsversuche, die in noch banalerer Form dann zur Rechtfertigung esoterischer Weltbilder missbraucht werden, zuviel Mysterien da hineinlegen, wird Thema der Fortsetzung.

 

Hinweis: Der Titel ist nur bedingt korrekt. Die beschriebenen quantenphysikalischen Effekte treten hauptsächlich, aber nicht ausschließlich im subatomaren Bereich auf. Tatsächlich konnten sie, unter sehr genau gewählten Bedingungen, auch bei Molekülen nachgewiesen werden. Warum sie dennoch nicht bei makroskopischen Objekten auftreten, wird im Späteren Thema sein.

Fortsetzung hier