Beobachtereffekte in der Quantenphysik (ii): das Doppelspalt-Experiment

Der Ablauf des Experiments wird durch die Messung gestört. Der esoterisch Verwirrte sagt in seinem Herzen: Das Bewusstsein begründet erst die Wirklichkeit. Und meint damit, dass die Physik sein Wunschdenken von der menschlichen Sonderrolle im Universum bestätigt hat. Dabei verwechselt er nicht nur den unglücklich gewählten Begriff der Beobachtung mit einem falschen der Bewusstmachung. Keiner von beiden beschreibt das Wesentliche.

Betrachten wir eines der berühmtesten Experimente der Physik, von dem Feynman mal gesagt hat, dass man, wenn man es nur ordentlich betrachte, damit die gesamte Quantenphysik verstehen könnte. So weit wollen wir hier nicht gehen; der wichtige Aspekt in diesem Zusammenhang ist, dass die auf den ersten Blick verwirrenden Abläufe immer wieder zitiert werden, um mit vorgeblich wissenschaftlicher Rechtfertigung dümmliche Esoterik zu rechtfertigen. Es geht um das Doppelspalt-Experiment (wikipedia: englisch/deutsch).

Das Verhalten von Licht, das einen Doppelspalt (oder ein Gitter, was nicht mehr ist als eine Aneinanderreihung von Spalten) durchläuft, ist nicht besonders schwer zu verstehen und sollte eigentlich in jedem Physik-Grundkurs besprochen werden. [1] Das Licht bewegt sich als Welle fort. Aus der Huygenschen Wellenbeschreibung folgt, dass von jedem Punkt der Welle ausgehend Elementarwellen gedacht werden können, aus deren Überlagerung die eigentliche Welle besteht. Insbesondere von den zwei Spalten gehen damit wieder Elementarwellen aus. Stellt man hinter den Doppelspalt einen Schirm, kann man das Lichtmuster, das sich auf diesem ergibt, so einfach berechnen: an welcher Stelle addieren sich die Interferenzen der nun von zwei verschiedenen Punkten ausgehenden Welle, an welcher löschen sie sich gegenseitig aus. Abhängig ist die Verteilung der Lichtmaxima und -minima nur von der Wellenlänge des einfallenden Lichts.

Nach de Broglie verhalten sich Elektronen ganz genau wie auch Licht. Lassen wir also einen breiten Elektronenstrahl durch die zwei Spalte fallen. Es ergibt sich, auch als zusätzlichen Bestätigung von de Broglies These, das erwartete Muster, das man ganz analog zum Lichtfall berechnen kann; man muss nur die nach Einstein sich ergebende Wellenlänge der Elektronen in die entsprechende Gleichung einsetzen. So weit, so gut, und nicht neues: Licht und Materie verhalten sich identisch; sie bewegen sich als Welle fort und Treffen als Teilchen auf den Schirm.

Jetzt erlaubt uns der Aufbau weitere Manipulationen, um das, was da vor sich geht, weiter zu verstehen. Zum Beispiel war lange nicht klar, was da eigentlich interferiert: rein anschaulich möchte man vielleicht glauben, dass viele Lichtteilchen gleichzeitig durch den Doppelspalt fallen und dabei miteinander interferieren - dass wir es also mit einer Wechselwirkung verschiedener Lichtteilchen untereinander zu tun haben, die wir möglicherweise nicht so ganz verstehen, aber mit Wellenmechanik trotzdem beschreiben können.

Das kann man überprüfen, indem man jeweils nur ein Elektron (oder, schwieriger experimentell zu realisieren, inzwischen aber auch durchgeführt: ein einzelnes Photon) auf den Doppelspalt schießt. Das Elektron hat also nichts, womit es interferieren könnte. Am Schirm hinter dem Doppelspalt kann man den Auftreffpunkt des einzelnen Teilchens messen. Und wenn man das eine genügend lange Zeit getan hat, stellt man fest: die Summe der einzelnen Auftreffpunkte ergibt das schon bekannte Interferenzmuster. An der mathematischen Beschreibung ändert das gar nichts, aber wir wissen jetzt, dass die Bewegung nicht einfach nur den Anschein einer Wellenbewegung vorstellt. Zwischen Startpunkt und Auftreffen auf dem Schirm breitet sich das einzelne Elektron wellenförmig aus; die Welle interferiert mit sich selbst, und damit hat man auch für ein einzelnes Elektron Wellenverhalten nachgewiesen.

Wie hängen Welle und Teilchen zusammen? Die Welle beschreibt die Bewegung des Teilchens, genauer: sie gibt die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Teilchens an, wenn wir schauen wollten, wo es ist. Auch hier muss das überprüft werden: vielleicht ist nur irgendwas mit dem Teilchen, das wir nicht verstehen, und am Ende steht nur der Anschein einer wellenförmigen Bewegung. Ist das Teilchen also real? Oder auf den Doppelspalt bezogen: Können wir bestimmen, ob das einzelne Teilchen wirklich durch beide Spalte gleichzeitig fliegt, wie es die Wellenbeschreibung vorsieht? Was wir also brauchen ist eine Messung an einem Spalt (oder an beiden); die darf die Bahn des Elektrons nicht wesentlich verändern, soll uns aber sagen: durch diesen Spalt fliegt ein Elektron.

Wenn man das experimentell durchführt, findet man etwas auf den ersten Blick erstaunliches: das Interferenzmuster verschwindet. Das Muster am Schirm ist nur noch die Überlagerung der Muster zweier einzelner Spalte. In diesem Fall ist das Elektron (oder Lichtteilchen, wie gesagt, das läuft analog) also definitiv nur durch einen Spalt geflogen, obwohl wir sichergestellt hatten, dass wir die Bahn nicht durch unseren Detektor verändern. Oder genauer: nicht nur ist das Teilchen durch einen (und nur einen) Spalt geflogen, es verschwindet auch jeder Anschein, dass es vormals durch beide gleichzeitig geflogen sein könnte.

 

Die esoterische oder zumindest mystifizierende Interpretation beginnt nun so: woher kann das Elektron wissen, dass wir bestimmen, durch welchen Spalt es fliegt? Die Tatsache, dass wir eine Information sammeln über den Weg des Teilchens, lässt die Physik selbst sich verändern. Wenn wir nicht schauen, scheint es überhaupt kein Teilchen zu geben, nur immer weiter Wellen - Materie entsteht erst daraus, dass wir die bewusst wahrnehmen.

Betrachtet man das Ganze dagegen nüchtern, findet man nichts, was diese Interpretation stützt. Ja, es gibt eine Wahrscheinlichkeitswelle, die sich zeitlich fortbewegt und die Position des Teilchens beschreibt. Ungestört scheint es wenig Sinn zu machen, von einer tatsächlich gegebenen Position des Teilchens auszugehen — die Annahme ist zumindest (derzeit) per Experiment nicht unterscheidbar und damit eher ein über die Wissenschaft hinausweisendes Deutungsproblem: Vielleicht gibt es das Teilchen ständig, wie es ähnlich die Viele-Welten-Theorie annimmt; vielleicht sind die lokal bestimmten Manifestation des Teilchens am Detektor oder Schirm aber auch die einzigen Moment, in denen man wirklich von Teilchen reden kann, was in etwa der Kopenhagener Deutung entspricht.

Diese Manifestationen haben aber nichts mit der Beobachtung zu tun und noch weniger mit beobachtendem Bewusstsein. Was passiert, wenn wir einen Detektor aufbauen, der uns die Teilchenbahn aufzeichnet? Wir lassen das Elektron eine Wechselwirkung eingehen, die seinen Teilchencharakter voraussetzt. Wir machen im Grunde nichts anderes, als die Wahrscheinlichkeitswelle daraufhin zu überprüfen, ob in einem Moment das Teilchen sich an einem bestimmten Ort befindet. Die Wechselwirkung selbst unterbricht die Ausbreitung der Wahrscheinlichkeitswelle an dem Punkt: in dem Moment haben wir wieder ein Teilchen, von dem eine neue Wahrscheinlichkeitswelle ausgeht: die fällt durch nur noch einen Spalt, darum finden wir nur noch das Muster eines einzelnen Spalts auf dem Schirm. Das Auftreffen auf dem Schirm zwingt das Elektron im Übrigen zu einer weiteren Wechselwirkung, darum messen wir das Auftreffen eben auch da als Teilchen.

Es ist also nicht eine mystisch konnotierte Beobachtung, welche die Physik verändert, sondern die physikalische Wechselwirkung, die wir als Messung benutzen. Es ist schon gar nicht irgendein Bewusstsein.

Auf den ersten Blick sieht es so aus, als könnten wir auch das nicht experimentell unterscheiden, als wäre es also wieder eine philosophische Frage. Aber das ist nicht richtig. Ist zum Beispiel die Beobachtung im Sinne einer Bewusstmachung entscheidend, bedeutet dies, dass das Interferenzmuster auf dem Schirm nur verschwände, wenn wirklich jemand dabei steht und den Teilchendetektor ausliest, und zwar bevor das Teilchen am Schirm auftrifft. Wenn also der unterbezahlte Doktorand vor dem Detektor während der Nachtmessung einschläft, müsste das Elektron, unwahrgenommen wie es ist, doch wieder mit sich selbst interferieren. Das tut es natürlich nicht. Es macht keinen Unterschied, ob wir die Detektordaten auf einem Bildschirm darstellen lassen oder überhaupt auslesen lassen. Das Entscheidende ist eben nicht die Existenz eines Beobachters, gar noch eines Bewusstseins, sondern die abfragende Wechselwirkung, die leider damals, um Physikstudenten wie Philosophen zu verwirren, unter dem Begriff Beobachtung zusammengefasst wurde. [2]

 

Es folgt noch ein weiterer Beitrag zu den physikalischen Grundlagen, bevor ich ein wenig über besonders absurde Beispiele ideologisch oder esoterisch motivierter Begriffsverwirrung zu sprechen komme. Aber die Grundlagen muss man nun mal verstehen, sonst überlässt man denen das Feld, die an Erklärungen nicht interessiert sind und einem nur ihr eigenes, falsches Weltbild verkaufen wollen. Wenn das etwas trocken erscheint, kann ich nur einen alten Professor von mir zitieren: guter Rotwein ist auch trocken.

Der nächste Beitrag beschäftigt sich darum immerhin schon mal mit Begriffsverwirrung um den bekanntesten Witz in der Geschichte der Physik, der leider auch eher selten als solcher aufgefasst wird: Schrödingers Katze. Und wie man sie in der öffentlichen Debatte zu Tode interpretiert.

 

Allgemein: Ich werde hier nicht behaupten, dass Quantenmechanik in allen Einzelheiten vollständig verstanden oder eigentlich unkompliziert ist. Es gibt noch eine Menge nicht vollständig aufgeklärter Zusammenhänge, etwa Bellsche Nicht-Lokalität, die sich in Verschränkungen äußert, oder die Kontextabhängigkeit von Quantenmessungen, wie sie im Kochen-Specker-Theorem beschrieben wird. Die Annahme einer Wahrscheinlichkeitswelle ist in sich auch schon exotisch genug. Es ist gut möglich, dass wir einfach noch nicht zu der richtigen Beschreibung von Materie gekommen sind, die Quanteneffekte uns also von daher noch rätselhaft vorkommen. Und da ich kein Quantenphysiker bin und auch nicht behaupte, den vollen Überblick über alles zu haben, stelle ich das hier sowieso unter Vorbehalt, dass das vorläufige Erkenntnisse sind, die sich im Licht neuer Informationen ändern können.

[1] Es ist ein Gerücht, dass ich schon Disputationen erlebt habe, in denen inzwischen promovierte Physiker sich plötzlich an gar nichts mehr davon erinnern konnten, nicht mal, dass es überhaupt ein Interferenzmuster gibt.

[2] Ein Beispiel für einen analogen Versuch, der das Verschwinden der Wellenfunktion durch eine gleichsam nicht „beobachtete” Wechselwirkung stattfinden lässt, findet sich bei Philipp Wehrli.