Lange Zeit betrachtete man die Quantenwelt als Welt der winzigen Teilchen in welcher eigene Gesetze galten, die mit der "Realität" der makroskopischen Welt nichts gemein hatten. Doch die Existenz einer magischen Obergrenze jenseits derer die Gleichungen der Quantenphysik nicht gelten erscheint aus heutiger Sicht höchst zweifelhaft.

Wenn es jedoch keine solche Grenze gibt, was sind dann die Konsequenzen für unsere gequantelte Auffassung der Welt, die uns umgibt?

Die Kopenhagener Deutung

Erwin Schrödingers (1887-1961) Wellengleichung aus dem Jahre 1926 zur Beschreibung von Quantensystemen und ihren energetischen Zuständen, sowie Werner Heisenbergs (1901-1976) Unschärferelation über die Unmöglichkeit einer gleichzeitigen genauen Messung komplementärer Eigenschaften von Teilchen, warfen unzählige neue Fragen zu deren Interpretation auf und öffneten einen regen und dynamischen, bis heute noch anhaltenden Diskurs unter den Wissenschaftlern aus.

1927 entstand eine Deutung aus der Kooperation zwischen Niels Bohr (1885-1962) und Heisenberg, derzufolge die Wellenfunktion Schrödingers als Wahrscheinlichkeitsverteilung möglicher Quantenzustände verstanden wird. Einzelne Werte dieser Funktion ergeben beispielsweise die Wahrscheinlichkeit des Aufenthalts eines Teilchens an einer gegebenen Stelle des mathematischen Konfigurationsraumes an. Allein die Feststellung, dass physikalische Ereignisse aufgrund von Wahrscheinlichkeiten rein zufällig auftreten, verleiht der physikalischen Realität eine zu dieser Zeit von vielen Physikern - besonders von Albert Einstein (1879-1955) - eher ungern gesehene Komponente der Willkür und verleitete ihn zum populär gewordenen Ausspruch "Gott würfelt nicht".

Die Kopenhagener Deutung würde sich mit der Zeit allerdings selbst als die "konservativere" Interpretation der Wellenfunktion herauskristallisieren, da sie trotz Zufallskomponente mit der angenommenen Einschränkung verbunden ist, dass nur ein einziges Ereignis nach dem Zufallsprinzip beobachtet werden kann, und nicht etwa zwei Ereignisse zugleich. Somit werden klassische Begriffe für das Meßsystem verwendet, obwohl die Wellengleichung ebenfalls sogenannte "kohärente Superpositionen" zulässt.

Schrödingers lebendige/ tote Katze

Kohärente Superposition liegt dem bekannten Gedankenexperiment Schrödingers zugrunde. Die Katze, die sich Schrödinger vorstellt, erlebt im gedanklichen Apparat, das zu ihrer Tötung eingesetzt wird, sobald der radioaktive Zerfall eines Atomns eintritt, genau dies. Das Atom durchläuft eine Überlappung zwischen Zerfall und Nicht-Zerfall, wodurch die Katze sowohl durch die Apparatur getötet und nicht-getötet wird. Eine Überlagerung von Leben und Tod.

Dieses unserer Intuition recht widersprechende Gedankenspiel führt vielleicht zu dem Trugschluß die Gesetze der Quantenwelt und ihre paradox anmutende Beschaffenheit würden sich nicht auch auf die makroskopische Welt erstrecken. Doch wäre es nicht seltsam wenn eine derart fundamentale Wissenschaft nur einen kleinen Bruchteil aus dem breitgefächerten Spektrum aller im Universum vorhandenen Materie betreffen würde? Und veranlaßt diese Fragestellung nicht, sich weiter zu fragen weshalb es einen Strich geben sollte, der die Quantenwelt von "unserer Welt" trennt? Wie sollte dieser verlaufen und warum genau dort?

Gedanklich diesen Strich an einer nicht näher definierten Stelle zu ziehen, bewirkte in der Kopenhagener Deutung die Annahme eines "Kollaps der Wellenfunktion".

Doch bereits um 1970 ließ sich mit der Arbeit von Dieter Zeh, die sich mit dem Phänomen der "Dekohärenz" auseinandersetzt, dieser gedankliche Strich ausradieren. Die Wissenschaft gelang zu einem neuen Verständnis der Wellengleichung. Vor allem dachte man nun erklären zu können warum Schrödingers Katze in der Praxis eben nicht lebendig/tot sein könne...

Die Theorie der Dekohärenz

Dekohärenz beschreibt den Umstand, dass sich makroskopische Objekte quasi-klassisch verhalten und keine Superpositionen aufweisen. Die Dichtematrix, welche mathematisch quantenphysikalische und somit kohärente Systeme abbildet, bietet neben dem Eintreten eindeutiger klassischer Ereignisse wie z.B. "Das Brot befindet sich links im Teller" oder "das Brot befindet sich rechts im Teller", auch alternative Optionen an. Die zwei eben genannten Möglichkeiten könnten ebenso mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit miteinander interferieren und so z.B. bewirken, dass das Brot sich sowohl links als auch rechts im Teller befindet.

Es ist aber nun so, dass sich solche Phänomene in unserem Alltag nicht auffinden lassen. Der Dekohärenz-Theorie nach, ist dem so, weil bei nicht komplett isolierten Systemen, das zu meßende System anfängt mit der Umgebung zu interagieren. Im Zuge dieser Wechselwirkungen kommt es zu einem Wirrwar von sogenannten "Verschränkungen" - hierzu genügt ein Luftteilchen allein, das am zu meßenden Teilchen abprallt. Werfen wir eine Münze, wird sie darum nur entweder "Kopf" oder "Zahl" anzeigen - und nie beides zugleich - weil die Unmengen an Verschränkungen mit Luft-, Licht-, Staubteilchen, usw. diese quasi-klassischen Zustände hervorrufen.

Wichtig ist hier anzumerken, dass es bei der Dekohärenz-Theorie im Gegensatz zur Kopenhagener Deutung nicht zu einem Kollaps der Wellenfunktion an sich kommt. Es kommt vielmehr zu einer der Materie inherenten Zensur durch Wechselwirkung mit sich selbst. Sobald es zu Wechselwirkungen mit der Umgebung kommt, setzen Verschränkungen ein.

Dekohärenzprozesse wurden bereits experimentell (als Erster unternahm dies der Physiker Serge Haroche aus Paris) nachgewiesen. Doch sollte man nicht radikal die Konsequenzen der Quantenmechanik ziehen und noch ein Schritt weiter gehen?

Sein oder/ UND Nichtsein?

Hugh Everetts (1930-1982) Deutung schließt ein Kollabieren der Wellenfunktion aus und nimmt die uneingeschränkte Gültigkeit der Schrödinger-Gleichung an. Als Konsequenz ergibt sich Folgendes: Es entstehen tatsächlich Superpositionen, bloß verzweigt sich das Experiment z.B. eines Münzwurfes auf zahlreiche andere zueinander parallele und darum zueinander unzugängliche Welten, auf denen sich dann die verschiedenen Werte der Wellenfunktion abbilden. Erst als Ensemble betrachtet ergibt dann die Gesamtbetrachtung all dieser Parallelwelten letztlich die Wahrscheinlichkeitsverteilung nach der Schrödinger Gleichung. Diese Deutung hat den Vorteil sehr universell anmutend zu sein. Die unitäre universelle Dynamik ist in ihr theoretisch vollkommen erfüllt. Ein möglicher Nachteil wäre z.B. die Schwierigkeit diese Theorie experimentell zu widerlegen oder zu bestätigen, da es sich scheinbar um nahezu unendlich viele sich dauernd vermehrenden zueinander parallelen Welten handelt.

Da aber die Dekohärenztheorie- mit dem Auftreten einer nun nachträglich berechtigten Vorstellung eines "Quasi-Kollaps" statt eines vorher für vollständig gehaltenen Kollaps der Wellenfunktion -Ähnlichkeiten mit den Zügen einer Ad-hoc-Hypothese aufweist, kann es ebenso sein, dass die Quantenwelt doch etwas tiefgehend radikaler oder anders begriffen werden muss. Vielleicht ist der neue Zweig der Quantenkosmologie ein Indiz auf diesem Weg und die Vielwelten-Deutung ein Schlüssel hierfür - es sei denn alle möglichen Deutungen würden zutreffen und es zugleich nicht tun. Dann wären wir und wären nicht irgendwo und nirgendwo... im Multiversum.

Quellen:

Frans Embacher, "Grundidee der Dekohärenz" (Uni Wien)

H. Dieter Zeh, Beitrag zum Didaktik-Workshop Physik an der TU-Karlsruhe

Spektrum der Wissenschaft, Highlights 1/12