Josef Gredler

Das neue Weltbild der Quantenphysik

 

     Die nachstehende Beschreibung der Quantenphysik stützt sich auf Referate von Hans-Peter Dürr, Anton Zeilinger u. Martin Heisenberg „Werner Heisenberg und die Frage nach der Wirklichkeit“ (2014), C. F. von Weizsäcker „Die Quantentheorie verstehen“ (Universität Göttingen, 1994), Hans-Peter Dürr „Die Frage nach dem Zentrum“ (Planetarium Hamburg, 2006), Hans-Peter Dürr „Die Physik des Möglichen“ (St. Arbogast, 2005), „Wir erleben mehr als wir begreifen“ (Technische Universität Clausthal, 2002), „Das Geistige ist die treibende Kraft“ (Max-Planck-Institut München, 1997), Hans-Peter Dürr „Weil es um das Ganze geht“  (Wien, 2011), Anton Zeilinger „Quanten Information: Die nächste Hürde“ (Wien, 2012, Ulrich Warnke „Quantenphilosophie“ (bei copfm, 2015) und verwendet auch Begriffe und Wendungen aus diesen Referaten, um Quantenphysik verständlich zu machen.

     Als der Physikprofessor von Max Planck den späteren Nobelpreisträger für Physik Klavier spielen hörte, riet er ihm, besser Musik statt Physik zu studieren, denn in der Physik gäbe es nicht mehr viel zu entdecken, es lohne sich nicht mehr. Tatsächlich war die Physik damals der Meinung, eigentlich schon fast alles über die Welt zu wissen, da würden nur noch ein paar Kleinigkeiten fehlen. Das sollte sich als der größte Irrtum der ganzen Physikgeschichte erweisen. Max Planck machte nämlich 1900 ganz überraschend eine völlig undurchschaubare physikalische Entdeckung, die so paradox war, dass er sie selber nicht begreifen und vorerst auch nicht glauben konnte. Der junge Physiker Werner Heisenberg lieferte dann 1925 die mathematische Erklärung und Bestätigung für diese paradoxe Entdeckung nach. Jetzt konnte man nicht mehr daran zweifeln, ob man sie verstand oder nicht. Unverstellbares war zur Gewissheit geworden. Die Öffentlichkeit bekam das allerdings gar nicht mit, aber in der Physik war die Hölle los. Die Grundlagen der bisherigen Weltvorstellung waren aus den Angeln gehoben, die bis dahin alleingültige Newtonsche Physik war auf einmal eine alte Physik, eine ganz neue Physik revolutionierte das Weltbild. Die ganze Verlegenheit über die neue Erkenntnis widerspiegelnd, nannte man diese neue Physik in Ermangelung eines treffenderen Namens einfach Quantenphysik – nach den etwas mysteriösen sogenannten Quanten, um die sich in diesem neuen Weltbild alles dreht. Noch heute, hundert Jahre später, weiß die Öffentlichkeit kaum etwas darüber, haben diese quantenphysikalischen Erkenntnisse das gesellschaftliche Bewusstsein nicht erreicht, ist die Quantenphysik – mittlerweile hundert Jahre alt – kaum Thema in der Schule. Aus dem ganz einfachen Grund: Man kann sie nicht erklären. So ist dieses neue Weltbild in der Bevölkerung noch immer nicht angekommen – jede Straßenbefragung könnte das bestätigen. Und tatsächlich kann man nicht mit einem Satz, auch nicht mit zwei oder drei Sätzen erklären, was Quantenphysik ist bzw. was Quanten sind. Für diese neue Physik fehlt uns die Sprache, um sie zu erklären. Oft ist das nur in Bildern bzw. einer neuen Sprechweise möglich.

     Bisher hatte man die Welt, um sie physikalisch zu verstehen, analytisch betrachtet, in immer kleinere Teile geteilt und zerlegt, bis man schließlich zum Atom vorgedrungen war, das man dann weiter zerlegte und schließlich – weil nicht mehr teilbar, wie man meinte – den Atomkern entdeckte, um den die Elektronen wie Planeten um die Sonne kreisen – dachte man. In den kleinsten Teilchen, im Mikrokosmos, spiegelte sich quasi der Makrokosmos – so die bisherige physikalische Ansicht. Diese Erkenntnis wurde im klassischen Atommodel veranschaulicht. Und nachdem man das kleinste Teilchen gefunden hatte, glaubte man, jetzt endlich zu wissen, wie die Welt funktioniert. Durch Teilen und wieder Teilen, so lange, bis es nicht mehr geht, das war der bisherige analytische Weg zum Verstehen des Ganzen. So hatte man sich das im alten, mechanistisch-atomistischen Weltbild gedacht. Aber dieser Blick auf die Wirklichkeit war und ist falsch, denn im Kleinsten, in der Welt der Quanten, tickt die Welt ganz anders, da gibt es – bisher völlig undenkbar – das Gesetz von Ursache und Wirkung nicht. Die kleinsten Teilchen halten sich nämlich nicht an dieses Naturgesetz. Das Atom funktioniert also nicht wie bisher angenommen, das Atommodell stimmt so also gar nicht, die Elektronen sind nicht immer Teilchen, sondern oftmals nur Wellen bzw. Schwingungen, und das Atom ist mehr ein Schwingungsball und weniger Materie. Zwischen diesen kleinsten Teilchen ist das Wesentliche die Wechselwirkung, man könnte auch sagen der „Dialog“, und nicht die Materie. Eigentlich ist das alles unverständlich.

     Max Planck hatte also 1900 entdeckt, dass die kleinsten Bausteine der Materie sogenannte Energiepakete oder kleinste Energieeinheiten sind, die er dann einfach als Quanten bezeichnete. Die Frage, was denn diese Energiepakete, diese Quanten sind, lässt sich kaum erklären. Die Quantentheorie wird mehr durch die Mathematik bestätigt, als dass sie vom Verstand begriffen werden kann. Durch wechselwirkende Kräfte wissen alle Quantenteilchen eines Quantensystems voneinander. Sie befinden sich also in einer permanenten Wechselwirkung zueinander. Der Blick auf die einzelnen Teile erschließt uns also nicht die Wirklichkeit, denn alles hängt mit allem zusammen. Es gibt in der Natur nicht getrennte Dinge, alles korreliert miteinander. Eine Beziehungsstruktur hält alles zusammen. Die Welt ist ein zusammenhängendes Ganzes und kann nur vom Ganzen her begriffen werden. Das Universum ist ein aus einem Quantensystem aufgebautes Ganzes. Die Quantengesetze widersprechen völlig dem gesunden Menschenverstand. Auch zwischen zwei raumartig getrennten Ereignissen bzw. Prozessen besteht ein Zusammenhang, weil deren Quanten voneinander „wissen“. Die entscheidende Frage, um diese Beziehungsstruktur der Welt zu begreifen, ist nicht „Was ist?“, sondern „Wie ist es verbunden?“

     Wir haben von der dinglichen Wirklichkeit eine falsche Vorstellung. Was wir als Masse ansehen, ist fast zur Gänze materiefrei. Die Welt besteht also genaugenommen gar nicht aus Masse, sondern ist vielmehr ein Vakuum. Das Atom ist eigentlich ein Vakuum. Das allein war nicht ganz neu, das hatte schon Ernest Rutherford erkannt. Hätte der Atomkern die Größe eines Fußballes, dann wäre das nächste Elektron zehn Kilometer von ihm entfernt. Der Atomkern und die schwingenden Elektronen machen nur 0,000000001 % der Masse eines Atoms aus! Umgekehrt ist das, was wir als Masse ansehen, zu 99,999999999 %, ein Vakuum! Die reine Masse des Eiffelturms ist nicht größer als ein Stecknadelkopf. Aber dieser leere Raum ist gar nicht leer, sondern ist ein elektromagnetisches Feld bzw. Vakuum voll Energie und Information. Wenn man nur materiell denkt, dann gibt es den Äther gar nicht, aber dieses schwingende Vakuum schafft erst die Möglichkeit, dass wir mit unserem Handy von einem Ende der Welt zum anderen telefonieren können.

     Was wir Wirklichkeit nennen ist ein Meer von Möglichkeiten bzw. Potentialität. Wenn wir uns das Meer von Möglichkeiten wie ein Meer von 26 verschiedenen Buchstaben denken, dann schafft Geistiges aus der Fülle dieser Buchstaben ein Gedicht. Die Buchstaben fügen sich ja nicht von selber zu Worten und dann zu einem Gedicht. Die Potentialität, die Fülle von Möglichkeiten, ermöglicht Evolution. Leben ist im unvorstellbar weiten Universum dort entstanden, wo alle Möglichkeiten für Leben zusammengetroffen sind. Ein Pendel schlägt nach links oder rechts aus, je nach seiner Position. Wenn man dieses Pendel aber genau oben ist, quasi auf dem Kopf steht, sodass keine Links- oder Rechtspräferenz mehr möglich ist, bleibt es dennoch nicht oben, sondern tastet den ganze Quantenhintergrund, die ganze Hintergrundwelt ab und der entfernte Flügelschlag eines Schmetterlings zur Linken oder zur Rechten würde kausal ausreichen, dass dieses Pendel nach links oder rechts fällt. Der höchste Punkt des Pendels ist der Punkt höchster Sensibilität, an dem es alle Kräfte spürt, die es gibt, und wenn es nur der Flügelschlag eines Schmetterlings ist.

     In der Welt der kleinsten Teilchen, der Quanten, gibt es Phänomene, die dem gesunden Menschenverstand völlig widersprechen. Wenn wir vor einer Weggabelung stehen, können wir entweder den rechten Weg nehmen oder den linken. Ein Quantenteilchen kann den linken und den rechten Weg gleichzeitig nehmen, wie sich im berühmten sogenannten Doppelspaltversuch gezeigt hat. Die Kaffeetasse kann nur entweder auf dem Tisch stehen oder sich im Geschirrspüler befinden. Ein Quantenteilchen kann beides gleichzeitig. Ein Quantenteilchen kann zwei verschiedene Zustände gleichzeitig einnehmen, es kann ein Teilchen sein und gleichzeitig kein Teilchen, sondern eine Welle sein. Ein Atom kann zerfallen und nicht zerfallen sein. Da ist unser gesunder Menschenverstand am Ende, das klingt verrückt. Das absurd Anmutende ist: Wenn man diesen kleinsten Teilchen bei Messvorgängen quasi „zuschaut“, dann verhalten sie sich anders, als wenn sie „unbeobachtet“ sind = nicht gemessen werden. Wenn wir messen, stören wir das System, nach dem diese kleinsten Teilchen agieren und reagieren. Solange sie nicht (durch Messen) gestört werden, existieren diese in einer Art Schwebezustand, in dem Position und Zustand nicht festgelegt sind. So gibt es eigentlich gar keine Elektronen, die um den Atomkern sausen wie Planeten. Die Bahnen der Elektronen entstehen erst durch Beobachtung bzw. Messung, erst die Beobachtung legt fest, wo die Elektronen sind. Auch der große Albert Einstein wollte das lange nicht glauben, philosophisch nicht akzeptieren und fragte ironisch, ob der Mond etwa nicht mehr da sei, wenn wir nicht hinschauen. In der Welt der Quanten ist die Wirklichkeit nicht aus Dingen aufgebaut. Im Bereich der kleinsten Teilchen verändert ein Messvorgang die Realität, das ist Fakt. Warum das aber so ist, das wissen wir nicht. Die Quantenphysik nennt dieses Phänomen Überlagerung. Quanten, die sich im Zustand einer solchen Überlagerung befinden, sind quantenphysikalisch in einer sogenannten „Superposition“. Das lässt sich vernünftig, physikalisch nicht erklären. Dass es physikalisch nicht erklärbare Phänomene gibt, ist eine der wichtigsten Entdeckungen der Quantenphysik.

     Eine andere Quantenverrücktheit ist die: Wenn man mit zwei Würfeln spielt, dann ist die Augenzahl der beiden völlig vom Zufall bestimmt und nach der Wahrscheinlichkeit ist die Chance, dass der zweite Würfel dieselbe Augenzahl wie der erste hat, 1: 6. Das heißt, wenn man sechsmal würfelt, ist es wahrscheinlich, dass beide Würfel einmal dieselbe Zahl aufweisen. Und dass das beim nächsten Mal wieder der Fall ist, diese Chance ist entsprechend kleiner. Und bei fortlaufender Wiederholung geht diese Wahrscheinlichkeit schließlich gegen null. In der Welt der Quanten ist das jedoch völlig anders, da hat der zweite Würfel dieses Würfelpaares immer dieselbe Augenzahl wie der erste, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Und man kann würfeln, so oft man will, der zweite Würfel tut immer dasselbe wie der erste. Zwei räumlich voneinander getrennte Quantenteilchen können auf unbegreifbare Weise miteinander Informationen über ihre Eigenschaft austauschen und so aufeinander reagieren, unabhängig von ihrer Entfernung und sei von einem Ende des Universums zum anderen. Dafür gibt es nach klassischer Physik nur zwei mögliche Erklärungen: Zwischen den beiden Würfeln gibt es entweder eine wechselseitige physikalische Verständigung oder beide Würfel haben einen verborgenen Mechanismus für eine festgelegte Reihenfolge der jeweiligen Augenzahl. Aber beide möglichen Erklärungen lassen sich – durch Experimente nachgewiesen – mit völliger Sicherheit ausschließen. Dass zwei Prozesse, von denen jeder zufällig ist, immer übereinstimmen, dass sozusagen der zweite Zufall immer dasselbe „tut“ wie der erste, das ist so unerklärlich und so verrückt, dass wir uns von unserem bisherigen Weltbild verabschieden müssen, weil entweder unsere Vorstellung von Raum und Zeit oder unsere Vorstellung von der Wirklichkeit nicht stimmen kann. Vielleicht sind zwei getrennte Orte nicht wirklich getrennt und vielleicht sind zwei verschiedene Zeiten gar keine verschiedenen Zeiten. In der Quantenphysik nennt man dieses unerklärliche Phänomen Verschränkung. Es gibt in der Welt der Quanten Phänomene, für die es keine kausale Erklärung gibt. Einstein bezeichnete diese Tatsache als Spuk, so etwas dürfte es seiner Meinung nach gar nicht geben, sie widersprach völlig seinem Weltbild. Diese Tatsache macht Quantenphysikern heute noch emotional zu schaffen. Die Quantenphysik bringt also auch unseren bisherigen Begriff von Raum und Zeit ins Wanken und stellt unsere Vorstellung von Wirklichkeit in Frage.

     Die Entdeckung der Überlagerung und Verschränkung sind Wegbereiter geworden für völlig neue Möglichkeiten der Informationsverarbeitung und Informationsübertragung. Die Erkenntnisse der Quantenmechanik ermöglichen die Läsertechnik und alle ihre Anwendungen. In der Medizin werden sich völlig neue, bisher unvorstellbare Möglichkeiten auftun. Diese Möglichkeit der Überlagerung bzw. Verschränkung von Quantenteilchen ermöglicht einem Quantencomputer eine für uns unvorstellbare Rechengeschwindigkeit, weil er nicht mehr nur binär mit 1 oder 0 bzw. mit ja oder nein rechnen kann, sondern 1 oder 0, ja oder nein beliebig überlagern kann, sodass er viele verschiedene Rechenvorgänge gleichzeitig durchführen kann, die ein normaler Computer nacheinander erledigen muss.

 

          Unser Blick in die Vergangenheit, an den sogenannten Beginn der Welt, muss korrigiert werden. Dass vor 15 Milliarden Jahren ein Urknall von einer Milliardstel Sekunde stattgefunden hat, in dem schon alles anfanghaft festgelegt war, was nur noch entfaltet werden musste, ist so nicht mehr haltbar. Bisher war man sich völlig sicher: Am Anfang war die Materie, aus der sich im Laufe der Evolution der Geist entwickelte. Die Quantentheorie sagt aber, dass es nicht so war. Am Anfang war nicht Materie, sondern Information, Geistiges. Das ist das Gegenteil von dem, wie bisher die Evolution gedacht wurde. Geist ist also der Ursprung, die Materie hingegen ist geronnener, sklerotisierter Geist. Wer nur die materielle Kruste betrachtet, versteht die Welt, das Ganze, nicht. Das Treibende der Welt ist seit Anbeginn das Geistige. Geist kann zu Materie gerinnen, umgekehrt kann aber Materie niemals zu Geist werden. Und dieses Geistige ist nicht teilbar, sondern bildet ein universales Ganzes. Aber nicht nur unser Blick zurück stimmt nicht, auch unser Blick voraus in die Zukunft muss ins Gegenteil korrigiert werden. Die Welt ist nicht eingespannt in eine Gesetzlichkeit, die alles Künftige schon festgelegt hat. Die Väter und Protagonisten der Quantenphysik sind übereinstimmend der Meinung, dass die Zukunft nicht determiniert, sondern offen ist.

     Die Entdeckungen der Quantenphysik überschreiten die menschliche Vorstellungskraft und sind rational nicht mehr fassbar. Deshalb werfen sie eine Reihe von ganz elementaren philosophischen Fragen auf. Und es ist wohl kein Zufall, dass die Väter bzw. Protagonisten der Quantenphysik wie Max Planck, Albert Einstein (Relativitätstheorie), Werner Heisenberg, Carl Friedrich von Weizsäcker, Hans-Peter Dürr, Anton Zeilinger als Physiker gleichzeitig philosophische, grenzüberschreitende Denker waren bzw. sind und auch religiös orientierte Persönlichkeiten, wenn auch nicht im kirchlich konfessionellen Sinn. Was die Welt im Innersten zusammenhält, das ist eine physikalische und zugleich zutiefst philosophische Frage. Die Quantenphysik postuliert ein komplementäres Zusammenrücken von Naturwissenschaft und Geisteswissenschaft, weil diese physikalischen Fragen und Erkenntnisse eine zutiefst philosophische, weltbildverändernde Dimension haben. Die Protagonisten dieser neuen Physik überwinden die Distanziertheit der Naturwissenschaften zu den Geisteswissenschaften, wie das seit der Aufklärung der Fall war. Die bislang geltende physikalische Denkweise der Newtonschen Physik, nach der nur das Messbare Anspruch auf Realität und Wirklichkeit habe, geht mit der Quantenphysik zu Ende. Ihre wesentlichen Erkenntnisse sind physikalisch nicht mehr begründbar. Man kann sie nur feststellen, sie mathematisch bestätigen, aber man findet dafür keine wissenschaftliche Erklärung. Diese sogenannte neue, mittlerweile schon gut hundert Jahre alte Physik verlangt wegen ihrer physikalisch-philosophischen Komplexität ein Zusammenwirken von Natur- und Geisteswissenschaft, von Physik und Philosophie und auch Religion. Philosophie und Religion sind in ihrem Wahrheitsanspruch auf die Ebene der Physik und Naturwissenschaft gehoben worden. Heisenberg sah in der Natur so etwas wie eine höhere, „göttliche“ Ordnung, die sich in den Gesetzen der Physik widerspiegelt. Die physikalischen Gesetze werden zum Spiegel einer Transzendenz. Er hielt die philosophischen Konsequenzen der neuen Physik für das Entscheidende und forderte die Notwendigkeit eines philosophischen Ansatzes der neuen Physik. Weizsäcker bedauerte, dass Religion und Aufklärung in ihrer geschichtlichen Konfrontation steckengeblieben seien. Wissenschaft und Religion müssten nicht nur nebeneinander bestehen können, es gäbe zwischen ihnen einen notwendigen inneren Zusammenhang, sodass Naturwissenschaft und Religion sich wechselseitig öffnen müssen, um gemeinsam Antworten auf die großen Fragen des Lebens und der kosmischen Wirklichkeit zu finden. Die moderne Physik ist Platon näher als es die klassische Newtonsche Physik war. Es gab und gibt in der neuen Physik eine höhere Sensibilität für das Geistige und Religiöse. Der nicht messbare Gedanke hat ein neues Zertifikat bekommen. Wenn die klassische Physik noch der Meinung war, alles erklären können zu müssen, dann ist sich die Quantenphysik bewusst, dass es Phänomene gibt, die sich nicht erklären lassen, für die es keine Ursache gibt. Das ist eine der wichtigsten Entdeckungen der Quantenphysik.

     Die Quantenphysik hat die Welt schon verändert und dieser Prozess ist noch im Gange und das Endergebnis ist noch nicht absehbar

 

© Josef Gredler