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Kosmische Würfelspiele

Unter der oben genannten Überschrift ist in der Novemberausgabe 2015 von „Spektrum der Wissenschaften“ ein Artikel erschienen, der sich mit dem Verhältnis von Einstein zur Quantentheorie beschäftigt. Den meisten dürfte (in verkürzter Form) das folgende Zitat bekannt sein, mit dem der Beitrag in SdW beginnt:

„Die Quantenmechanik ist sehr achtunggebietend. Aber eine innere Stimme sagt mir, dass das noch nicht der wahre Jakob ist. Die Theorie liefert viel, aber dem Geheimnis des Alten bringt sie uns kaum näher. Jedenfalls bin ich davon überzeugt, dass der nicht würfelt.“

Aus dem Zusammenhang gerissen, scheint dieses Zitat zweierlei zu belegen: Erstens, dass Einstein religiös war. Zweitens, dass er der Quantentheorie skeptisch gegenüberstand. Der Diskussion des Letzteren ist der SdW-Artikel gewidmet. Der Autor George Musser zeigt, dass diese verbreitete Vorstellung nicht richtig sein kann, war Einstein doch gemeinsam mit Planck der Begründer der Quantentheorie.

Einstein, so die geläufige Annahme, weigerte sich anzuerkennen, dass manche Vorgänge nicht deterministisch sind und einfach geschehen – ohne die Möglichkeit herauszufinden, wann oder warum. Nahezu isoliert im Kreis seiner Fachkollegen klammerte er sich an das mechanistisch tickende Uhrwerkuniversum der klassischen Physik, in dem jeder Moment den nächsten bestimmt.

Doch im Lauf der Zeit haben viele Historiker, Philosophen und Physiker Zweifel an dieser Darstellung angemeldet. Setzt man sich nämlich damit auseinander, was Einstein tatsächlich gesagt und geschrieben hat, so zeigt sich seiner sehr viel nuanciertere Denkweise über den Indeterminismus der Quantenmechanik.

Howard und andere Geschichtswissenschaftler haben gezeigt, dass Einstein den unbestimmten Charakter der Quantenphysik akzeptierte – wenig überraschend, denn er selbst hatte ihn bei seinen Arbeiten schließlich mit entdeckt. Dagegen nahm er nicht hin, dass dieser Indeterminismus eine fundamentale Eigenschaft der Natur sein sollte. Er sah vielmehr Hinweise darauf, dass dieses Verhalten seine Ursache in einer tieferen Ebene der Realität hat, welche die bestehenden Theorien nicht erfassten. Seine Kritik war also keineswegs mystischer Natur, sondern sie war auf wissenschaftliche Probleme fokussiert, die bis heute ungelöst sind.

Der Indeterminismus der Quantenphysik ist auch Physikern nicht geheuer. Wenn etwas zufällig geschieht, keine Ursachen hat, dann ist hier die Grenze der rationalen Untersuchung der Natur erreicht. Stimmt das? Aber auch die entgegengesetzte Betrachtung, dass jeder Vorgang eine Ursache hat, wirft unangenehme Fragen auf. Was ist dann mit der Willensfreiheit, wenn alles gewissermaßen zahnradmäßig seit dem Urknall abläuft? Und, apropos Urknall, wie erklärt man denn diesen Vorgang, bei dem das Zahnradmäßige in Gang gesetzt worden ist? Über diese Widersprüche schreibt der Autor:

wenn wir über Widersprüche reden, gehen wir üblicherweise davon aus. dass sie ein Indiz für einen Fehler sind. Doch viele Philosophen halten es für bedeutungslos, unser Universum als entweder deterministisch oder von Zufall durchsetzt anzusehen. Es kann, so argumentieren sie, beides richtig sein, abhängig davon, auf welcher Skala man die Natur untersucht. Geht es um Elementarteilchen, Moleküle, Zellen, Organismen oder Bewusstsein? »Die Unterscheidung hängt von der Ebene der Natur ab, die wir betrachten, erläutert der Philosoph Christian List von der London School of Economics and Political Science. »Wenn eine bestimmte deterministisch ist, können sowohl die darüber als auch jene darunter durchaus zufällig sein.« Die Atome in unseren Gehirnen könnten sich komplett berechenbar verhalten und würden trotzdem zu einem freien Willen führen, weil sie und unsere Persönlichkeit auf verschiedenen Stufen operieren. Einstein war entsprechend auf der Suche nach einer Subquantenebene mit Ursache und Wirkung, ohne deshalb abzustreiten, dass die Quantenstruktur probabilistisch ist.

Hier würde ich noch folgende Aspekte ergänzen:

  • Ein einzelner Vorgang, der in der Quantenphysik beobachtet werden kann, ist zufällig. Aber die Menge der möglichen Versuchsausgänge ist es nicht. Man kann eine Verteilungsfunktion angeben, welche Ergebnisse wie wahrscheinlich sind. Wird der Vorgang genügend häufig wiederholt, nähert sich die Verteilung der Ergebnisse dieser theoretisch vorhergesagten Verteilung. (Diesen Gesichtspunkt findet man so auch im Artikel.)

  • Die Gesetze der klassischen Physik sind zwar in der Theorie streng deterministisch. Theoretisch ist es also mit einer Messung verschiedener Größen zu einem bestimmten Zeitpunkt möglich, den Systemzustand zu einem beliebigen Zeitpunkt in der Vergangenheit oder Zukunft zu berechnen. Praktisch sind aber Messungen immer nur mit einer endlichen Genauigkeit möglich, wodurch die berechneten Vorhersagen immer stärker von den tatsächlichen Gegebenheiten abweichen, je weiter man in Vergangenheit und Zukunft extrapoliert. Zudem wird das in der Theorie von seiner Umgebung separierte System von seiner Umgebung beeinflusst, was von der Theorie ebenfalls nicht berücksichtigt wird.

  • Der Widerspruch zwischen der Quantenmechanik als Beispiel einer probabilistischen Weltbeschreibung und der klassischen Physik als Beispiel einer deterministischen ist also nur ein scheinbarer. Man überinterpretiert bestimmte Teile der Theorie und verwechselt diese dann mit der Realität.

Im Artikel wird dann auch darauf eingegangen, warum verschiedene Beschreibungsebenen so problemlos nebeneinander existieren können:

Eine weitere Lehre aus diesem Zweig der Physik ist, dass beobachtbare Größen auf einer tieferen Ebene oft keinen Sinn mehr ergeben. Ein Gas besitzt beispielsweise eine Temperatur, aber ein einzelnes Gasmolekül nicht.

Das Ganze gilt natürlich genauso in der entgegengesetzten Richtung: Beobachtbare Größen niederer Beschreibungsebenen können auf höheren irrelevant sein. Wenn man von einer einzigen zusammenhängenden Realität ausgeht, dann muss nur eine einzige Forderung erfüllt sein: Etwas, das auf einer Ebene sicher ausgeschlossen werden kann, darf auf einer anderen keine Voraussetzung für etwas sein. Wenn z.B. aufgrund quantenphysikalischer Gesetzmäßigkeiten bestimmte Atome keine Verbindungen eingehen können, dann kann man keine Lebewesen beobachten, in denen solche Moleküle eine entscheidende Rolle spielen. Oder wenn die Physik aus den mechanischen Eigenschaften unserer Knochen ableitet, dass ein Mensch aus dem Stand keine 20 Meter hochspringen kann, dann dürfen wir entsprechende Zeitungsberichte einfach als Hoax abtun.

Im Artikel kommt der Autor dann zu denselben Schlussfolgerungen wie schon viele vor ihm: Die weitgehende Unabhängigkeit der Beschreibungsebenen – Indeterminiertheit der Quantenphysik, Determiniertheit der klassischen Physik, freier Wille – ist problemlos möglich, weil sich unsere naturwissenschaftlichen Beschreibungen der entsprechenden Ebenen nicht ineinander überführen lassen.

Die Frage, mit der sich Einstein seinerzeit beschäftigt hat, ist noch immer unbeantwortet: Gibt es eine tiefere Ebene der Naturbeschreibung, die die Gesetzmäßigkeiten der Quantenmechanik auf ein noch grundlegenderes Prinzip zurückführt? Für beide Antwortmöglichkeiten gibt es Argumente. Zum einen gibt es mathematische Zusammenhänge zwischen Teilchen und Kräften in der Quantenmechanik, für die es dort keine Erklärungen gibt. Das spricht für ein „ja“. Zum anderen gibt es aber den philosophischen Einwand mit der Letztbegründung: Man kann nicht für jeden Vorgang eine Ursache angegeben, weil sich ja dann für diese das Spiel wiederholt: Welches ist die Ursache dafür?

Interessanterweise gilt dieser Einwand für jedes beliebige Wissensgebiet: An seinen Grenzen können die Einflüsse von außen nur noch probabilistisch beschrieben werden. Es spricht für einen gewissen Reifegrad dieser Wissenschaft, wenn sie das erkannt hat. Vielleicht ist die Physik ja mit der Quantenphysik an dieser ihrer Grenze angekommen, hinter der es (für sie) kein Weiterkommen mehr gibt?

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