Teleportation, Quantencomputer und allerhand weitere fantastische Dinge, deren Bedeutung sich gemeinhin nur dem Physiker erschließen: Obwohl die Quantenphysik mittlerweile über hundert Jahre alt ist, sind ihre Aussagen immer noch weithin unbekannt oder gelten als besondere Provokation des gesunden Menschenverstands. Was aber, wenn der interessierte Laie wissen will, was die Welt im Innersten zusammenhält? Für diesen Fall bietet der international renommierte Experimentalphysiker Anton Zeilinger eine fesselnde, allgemeinverständliche Einführung in die Quantenphysik.
Anton Zeilinger erklärt das Weltbild der Quantenphysik
„Das Gegenteil einer jeden Wahrheit ist falsch, jedoch ist das Gegenteil einer tiefen Wahrheit wieder eine tiefe Wahrheit.” Niels Bohr hatte für jeden Versuch, den abstrakten Formeln der Quantenmechanik ihre tiefe philosophische Wahrheit zu entreißen, das passende Bonmot. Die meisten haben es längst aufgegeben, Quantenphysik verstehen zu wollen, zumal es für alle praktischen Belange völlig genügt zu wissen, dass mit der Quantenphysik die Menschheit das mächtigste Instrument entdeckt hat, um die Phänomene der Natur mit höchster Genauigkeit vorherzusagen. Für diejenigen, die nicht aufgeben wollen, hat Anton Zeilinger, der bekannteste österreichische Quantenphysiker seit Schrödinger, einen neuen Versuch unternommen, die absurde Logik der Quanten allgemeinverständlich zu machen.
Diese Revolution des menschlichen Denkens, von der Zeilinger berichtet, dauert nun schon gut 70 Jahre an und dass niemand sie herbeigewünscht hatte, scheint klar zu sein. Jahrzehntelang hatten sich die inneren Widersprüche zwischen den beobachteten Tatsachen und der alten Physik aufgestaut, die man mit immer abenteuerlicheren Hypothesen zu kitten versuchte. Aber gleich mit dem großen Knall von 1925 – Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger entwerfen auf den Trümmern der Newtonschen Physik eine neue Mathematik der Naturbeschreibung – begannen die Kaderkämpfe um die richtige Interpretation, ob die Revolution nur ein Übergangsstadium zu einer gänzlich anderen Physik sei, wie Einstein meinte, oder schon das Endziel und nur der Mensch sich noch daran gewöhnen müsse, was Bohr glaubte.
Bohr scheint sich durchgesetzt zu haben. Jedenfalls entwarf 1932 der junge John von Neumann die erste Verfassung der neuen quantenmechanischen Weltordnung. Jahrzehnte der Schreckensherrschaft schlossen sich an: Nacheinander fielen ihr sämtliche Grundüberzeugungen über Realität und Kausalität, die sich Philosophen und Laien bisher zurechtgelegt hatten, zum Opfer – widerlegt im strengen mathematischen Beweis als unvereinbar mit den Gesetzen der Quantenphysik. Als Ende der sechziger Jahre John Bell auch noch die Existenz von spukhaften Fernwirkungen im Universum aus dem quantenmechanischen Kalkül abgeleitet hatte, brach Anarchie aus. Alles schien nun erlaubt und Sektierertum mit fernöstlichen Formen der Esoterik nicht nur legitimiert, sondern geradezu naturwissenschaftlich erzwungen.
Neu ist an der „Neuen Welt der Quantenphysik”, die Zeilinger im Untertitel verspricht, vielleicht dieses: Seit einigen Jahrzehnten sind die Philosophen, die bisher immer nur versucht haben, die Quantenwelt zu interpretieren, auch dabei sie zu verändern. Was vorher ein Gedankenexperiment war, um die Paradoxien der Quantenwelt zu erklären, kann heute im Labor real ausgeführt werden, und siehe da: Die philosophischen Spielereien von früher entwickeln plötzlich einen handfesten Nutzen bei der Entwicklung neuer technischer Möglichkeiten. Quantenkryptographie und Quantencomputer sind die Stichworte, wobei ersteres das einzige probate Mittel gegen die Konsequenzen von letzterem ist: Die seltsamen Gesetze der Quanten lassen sowohl die Entwicklung von Computerschaltkreisen zu, die die heute verwendeten Verschlüsselungsverfahren zu knacken vermögen, als auch eines abhörsicheren Verfahrens der Datenübertragung.
Einige der spektakulärsten Experimente dieser Art hat der Experimentalphysiker Zeilinger selbst ersonnen und mit seiner Wiener Arbeitsgruppe durchgeführt. Wer vielleicht gehofft hatte, die Quantenphysik ließe sich mit ihren absurden Konsequenzen im Experiment widerlegen, wurde enttäuscht. Andererseits aber eröffnen Zeilingers Experimente einen wunderbar anschaulichen Weg, die Quantenphysik zu erklären. Ein aufgeklärter Laie wird keinem Fachmann etwas glauben, was er nicht mit eigenen Augen überprüfen kann. Also beschreibt Zeilinger einfach und lebendig alles, was er in seinem Labor gesehen hat, wie sich auch größere Materieklumpen wie Wellen verhalten können und Interferenzmuster bilden, wie eine Veränderung an einem Ende des Labors offenbar instantan und mit Überlichtgeschwindigkeit ein Messergebnis an einem anderen Ende beeinflusst.
Im letzten Kapitel probiert sich Zeilinger an einer Deutung der Messeergebnis; welche Konsequenzen unser Wissen über die Quanten für das Weltbild haben müssen. Er favorisiert dabei die Idee von Carl Friedrich von Weizsäcker, dass unser Universum in Wirklichkeit nur aus „Information” besteht, aus elementaren Objekten, die nur den Zustand 1 oder 0, wahr oder falsch, tragen können. Die Welt unserer Alltagserfahrung sei hieraus projiziert, aber weil mit den Begriffen von Raum, Zeit und Materie mehr festgelegt werden muss als in den Einsen und Nullen enthalten ist, entstünden so die quantenmechanischen Unschärfen und Paradoxien. Plausibel ist das nicht, sollte es aber falsch sein, bliebe es doch eine tiefe Wahrheit.
ULRICH KÜHNE
ANTON ZEILINGER: Einsteins Schleier. Die neue Welt der Quantenphysik. C. H.Beck Verlag, München 2003. 237 Seiten, 19,90 Euro.
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Anton Zeilinger weiß, nach welchen Regeln der Zufall würfelt
Man stelle sich einen Eingeborenen in der Südsee vor, der noch nie Kontakt mit unserer technischen Zivilisation hatte. Dieser Eingeborene kommt in den Besitz der mechanischen Taschenuhr eines verstorbenen Missionars - Einzelheiten verschweigen wir besser - und nimmt sie auseinander. Was er da entdeckt, ist etwas völlig Unvorhergesehenes, ja Unvorhersehbares. In Fieberträumen hat er vielleicht schon blaue Kokosnüsse mit rosa Hörnern gesehen. Das war eine kühne Extrapolation seiner konkreten Erfahrungen, so etwas kann man sich vorstellen. Doch das filigrane Räderwerk der Uhr ist für ihn etwas völlig Unerwartetes, selbst wenn er im nachhinein durchaus seine Logik begreift.
Genauso war es auch mit der Entdeckung der Quantenmechanik Anfang des vergangenen Jahrhunderts. Die Quantenmechanik ist ein ähnlich absurdes System wie die Astrologie oder die Bundesanstalt für Arbeit. Was sie von den beiden anderen Systemen unterscheidet, ist nur, daß sie unbegreiflicherweise gute und verifizierbare Ergebnisse liefert.
Die Quantenmechanik ist - grob gesagt - zuständig für die mikroskopische Struktur des Universums, für Elementarteilchen und nicht für Katzen. Katzen bestehen natürlich aus Elementarteilchen, aber die Frage, wie viele Krallen eine Katze hat, kann man nicht mit Quantentheorie beantworten. Das liegt auf einer anderen Ebene. Leider ist der technische Apparat der Quantenmechanik ein wenig aufwendig. In der Speziellen Relativitätstheorie kommt man mit Oberstufenwissen schon recht weit, die Quantenmechanik erschließt sich nur einem Physiker, vielleicht gerade noch einem Mathematiker, und das erst nach dem Vordiplom. Was ist aber, wenn eine Richterin, ein Elektrikermeister oder ein Landarzt wissen will, was die Welt im Innersten zusammenhält? In diesem Fall können wir das Buch "Einsteins Schleier" von Anton Zeilinger empfehlen. Zeilinger ist ein bedeutender Experimentalphysiker mit einer selbst für einen Österreicher großen Anzahl von Ehrentiteln. Sein Buch ist erstaunlich allgemeinverständlich. Er beherrscht die Kunst des Weglassens und beschränkt sich auf das, was ohne viel Grundlagenwissen funktioniert. Mit vier wichtigen Prinzipien erläutert er uns die Quantenphysik.
Erstens ist der Zufall ein wesentlicher Bestandteil der Theorie. Der liebe Gott würfelt, auch wenn Albert Einstein das nie glauben wollte. Zweitens gibt es die sogenannte Komplementarität. Manche Größen kann man nicht gemeinsam messen. Dazu gehört das Paar von Ort und Impuls (gleich Masse mal Geschwindigkeit) eines Teilchens. Ich kann nur wissen, wo das Teilchen war oder wie schnell es sich bewegt hat. Beides zusammen geht nicht, ja es hat noch nicht einmal Sinn, es sich überhaupt vorzustellen. Kein Strafmandat also für 85 km/h in der Heisenbergallee. Entweder 85 km/h oder Heisenbergallee. Man muß sich entscheiden. Drittens kann ein quantenmechanisches System manchmal durch eine Überlagerung von zwei widersprüchlichen Zuständen beschrieben werden. Ein einziges Photon kann sich gleichzeitig sowohl links herum als auch rechts herum durch einen schwarzen Kasten bewegt haben oder, gleichnishaft ausgedrückt, Schrödingers Katze kann sowohl tot als auch lebendig sein. Und viertens können zwei weit voneinander entfernte Teilchen "verschränkt" sein, ergo: Wenn ich jeweils eine bestimmte Messung durchführe, so ist das Ergebnis völlig unvorhersagbar, aber es ist bei beiden Teilchen dasselbe.
Genug ist genug! Das klingt alles sehr paradox, aber das ist es nicht. Zeilinger schildert ausführlich eine ungewohnte Welt mit verblüffenden Phänomenen, an die man sich gewöhnen muß. Wenn man den ersten Schock einmal überwunden hat, dann hat man doch einiges begriffen. Die Quantenmechanik ist eine normale physikalische Theorie. Sie macht Vorhersagen, die sich experimentell verifizieren lassen, und enthält keine Widersprüche, die man nicht wegdiskutieren könnte. Sie hat eine wunderbare innere Logik. Wie immer, wenn Menschen ins Philosophieren kommen, kann man die gleichen Tatsachen aber auf unterschiedlichste Arten interpretieren. Zeilinger ist wohl am ehesten ein Anhänger der "Kopenhagener" Interpretation der Quantenmechanik, doch er beschreibt auch gründlich die Alternativen.
Das Buch ist sehr solide. Hier spricht der Hochschullehrer und nicht der Entertainer. Die Illustrationen sind so, wie man sie mit Kreide an die Wandtafel zeichnet: klar verständlich und ohne überflüssigen Schnickschnack. Der Titel spielt übrigens auf einen Kommentar Einsteins über die Dissertation von Luis de Broglie an: "Er hat einen Zipfel des großen Schleiers gelüftet." Und das hat Zeilinger durchaus auch geschafft.
Vielleicht kommen in den nächsten Jahrzehnten ja völlig neue Technologien auf uns zu. Der Quantencomputer ist was ganz Modernes. Mit der Quantenkryptographie kann man wichtige Botschaften so verschlüsseln, daß niemand sie lesen kann. Und an der Quantenteleportation, vulgo Beamen, arbeiten sie in Wien auch schon.
ERNST HORST
Anton Zeilinger: "Einsteins Schleier". Die neue Welt der Quantenphysik. C. H. Beck Verlag, München 2003. 237 S., geb., 22 Abb., 19,90 [Euro].
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"Ein aufschlussreiches Lesevergnügen."
(Spektrum der Wissenschaft)
Zeilinger "hat keine Scheu vor einfachen, allgemeinverständlichen Antworten."
(Die Zeit)
"Die Welt ist mehr als das, was der Fall ist. Sie ist auch alles, was der Fall sein kann."
(Anton Zeilinger)
(Spektrum der Wissenschaft)
Zeilinger "hat keine Scheu vor einfachen, allgemeinverständlichen Antworten."
(Die Zeit)
"Die Welt ist mehr als das, was der Fall ist. Sie ist auch alles, was der Fall sein kann."
(Anton Zeilinger)
Zeilinger "hat keine Scheu vor einfachen, allgemeinverständlichen Antworten." Die Zeit