Angriff auf Kopenhagen?

Die Bohr-Einstein-Kontroverse über die Deutung der Quantenmechanik bleibt aktuell

Mit einer Variante des klassischen Doppelspaltversuchs möchte ein US-Physiker die Kopenhagener Deutung der Quantenphysik widerlegen und so den fast achtzig Jahre alten Streit zwischen Albert Einstein und Niels Bohr über die Komplementarität entscheiden.

Die Quantenmechanik ist gewiss die umfassendste und erfolgreichste physikalische Theorie. Sie beschreibt nicht nur das Verhalten von Elementarteilchen, sondern bildet auch das Fundament für die Chemie, die Festkörperphysik, die Optik ihre technischen Anwendungen umgeben uns überall und funktionieren mit großer Selbstverständlichkeit. Ihre begrifflichen und letztlich philosophischen Konsequenzen sind jedoch schwer zu schlucken.

Schon bei der ersten Formulierung durch Werner Heisenberg 1926 (und Erwin Schrödinger im gleichen Jahr) fand sich ein Stolperstein: Heisenberg erkannte, dass bestimmte Eigenschaften eines quantenmechanischen Objektes, sagen wir, seine Lage und seine Geschwindigkeit, nicht gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit gemessen werden können. Höhere Genauigkeit bei der Messung der einen Eigenschaft hat zwingend eine größere Unsicherheit bei der Messung der anderen Eigenschaft zur Folge man nennt solche Paare von Messgrößen (Observablen) komplementär.

Was bedeutet das nun für die verwendeten Begriffe selbst? Entscheidet der Aufbau eines Experimentes darüber, welche Messgröße einen realen Inhalt hat und welche nicht? Oder ist die Unschärferelation nur eine äußerliche Beschränkung, und es gibt in Wirklichkeit sehr wohl einen genauen Wert für Lage und Geschwindigkeit, der uns nur nicht zugänglich ist?

Der dänische Physiker Niels Bohr stellte auf der Solvay-Konferenz 1927 einen radikalen Ansatz vor, die später so genannte Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik. Nach Bohr ist die Komplementarität der Messgrößen kein bloßer Schein, sondern fundamentale Eigenschaft aller Quantenobjekte (wichtigster Spezialfall: Welle-Teilchen-Dualismus). Die Begriffe der klassischen Physik haben zwar ihre Pendants in den quantenmechanischen Observablen (Korrespondenzprinzip), die Observablen können jedoch nicht unabhängig von einem Weg zu ihrer Messung definiert werden, insbesondere gilt dies für die Paare von komplementären Observablen. Dazu traten Max Borns statistische Interpretation der Wellenfunktion (die Quantenphysik macht Wahrscheinlichkeitsaussagen) und der Indeterminismus (der Ausgang einer einzelnen Messung ist völlig unbestimmt).

Dieser Widerspruch zu unserer täglichen Erfahrung (die wir mit "klassischen" Objekten gewinnen) hat viele Versuche zur Widerlegung oder Überwindung der Kopenhagener Deutung herausgefordert, wofür auch die spätere Übersteigerung von Bohrs Ansatz verantwortlich ist, bei der die Anwesenheit eines menschlichen Experimentators eine wesentliche Rolle für die Realität von Ereignissen spielen sollte (Stichworte: Schrödingers Katze, Messproblem).

Albert Einstein behielt lebenslang seine fundamentalen Zweifel an der Kopenhagener Deutung ("Gott würfelt nicht"). Er versuchte 1927 sofort, einen Einwand zu liefern; es ging dabei um den sogenannten Doppelspaltversuch: Ein Laserstrahl von sehr geringer Intensität fällt auf eine Blende mit zwei engen Spalten. Hinter die Blende platziert man die Messapparatur: Stellt man zwei Detektoren hinter die beiden Spalte, so wird immer nur einer von ihnen ansprechen, in zufälliger Folge, die registrierte Energiemenge wird immer dieselbe sein darum sprechen wir von einem Photon, das aufgefangen wurde, seine Energie ist durch die Strahlungsfrequenz festgelegt. Stellt man dagegen einen lichtempfindlichen Schirm hinter die Blende, so zeichnet sich dort ein Interferenzmuster ab. Die Lichtwege durch beide Spalte überlagern sich, mal verstärkend, mal auslöschend, und auf dem Schirm entsteht nach längerer Belichtungszeit ein Muster aus dunklen und hellen Streifen. Offensichtlich haben wir es mit Lichtwellen zu tun, obwohl die Photonen einzeln eintreffen...

Schema des Doppelspaltversuchs

Bohr zufolge zeigt sich die Komplementarität darin, dass man kein Interferenzmuster beobachten kann, wenn man Information über den Weg des Lichtes hat. Einstein führte jedoch ein Gedankenexperiment an, mit dem man auf den Lichtweg schließen konnte, ohne die Interferenz zu stören. Er setzte eine weitere Blende mit nur einem Spalt vor den übrigen Aufbau. Im Prinzip könnte man nun den Rückstoß zu messen, den das Licht auf diese Blende überträgt, wenn es an ihrem Spalt gebeugt wird. Aus dem Rückstoß schließt man auf die Richtung, in der das Licht weiterläuft, und weiß damit, durch welchen der beiden Spalte des Doppelspalt-Experiments es geht. Bohr konnte jedoch aus der Falle schlüpfen: Die Impuls- d. h. Geschwindigkeitsmessung müsste so genau sein, dass wegen der Unschärferelation eine Unsicherheit über die Lage des ersten Spaltes auftritt, und die würde die Interferenz verwischen. An der Unschärferelation war nicht zu rütteln, und Bohr hatte seine Ansicht gerettet. Die Auseinandersetzung zwischen ihnen dauerte jedoch an (z. B.1935 Einstein-Podolski-Rosen-Paradoxon) und führte zu wichtigen Einsichten, insbesondere über die Nichtlokalität der Quantenwelt.

Wie die Zeitschrift New Scientist am 24. Juli 04 berichtete, erhält Einstein nun späte Unterstützung. Am privatfinanzierten Institute of Radiation-Induced Mass Studies, Boston, hat der Physiker Shahriar S. Afshar ein Experiment durchgeführt (und inzwischen an einem Labor der Harvard University wiederholt), bei dem, wie er behauptet, der Photonenweg bestimmt und zugleich Interferenz nachgewiesen wird allerdings beides nur indirekt.

Afshar erweitert den Standard-Doppelspaltversuch zunächst um eine Sammellinse, die in einem gewissen Abstand hinter die Blende gestellt wird. Wo sich die von dieser Linse erzeugten Abbilder der Spalte befinden, stehen nun die beiden Detektoren Detektor A, dort wo das Bild von Spalt 1 entsteht, Detektor B am Bild von Spalt 2. Ist nur Spalt 1 auf, spricht immer nur Detektor A an, ist nur Spalt 2 auf, immer nur Detektor B, sind beide offen, dann sprechen die Detektoren A und B in zufälliger Folge an.

Nun kommt der entscheidende Trick: Zwischen die Blende mit den Spalten und die Sammellinse wird ein feines Gitter in den Strahlengang gestellt und zwar so, dass sich die "Stäbe" genau dort befinden, wo sich Licht von beiden Spalten auslöschend überlagert, also in den dunklen Bereichen des Interferenzmusters. Hält man nun Spalt 1 auf, Spalt 2 zu, so spricht wieder Detektor A an, aber mit leicht verminderter Häufigkeit, denn das Gitter fängt einige Photonen ab. Hält man umgekehrt Spalt 1 zu, Spalt 2 auf, geschieht das Gleiche bei Detektor B. Sind aber beide Spalte offen, so sprechen die Dektektoren A und B in unverminderter Häufigkeit an das ist auch ok, denn jetzt haben wir ja die Interferenz, und die Stäbe blockieren nur Dunkelheit! Afshar sagt nun, dass er (wegen der Abbildung durch die Linse) weiß, dass ein Photon, das in Detektor A landet, durch Spalt 1 gegangen sein muss und umgekehrt. Weil er keine Abschwächung des Lichtes durch das Gitter feststellt, ist aber auch klar, dass das Licht als Welle durch beide Spalte getreten sein muss und interferiert hat. Dazu Afshar:

Dr. Eduardo Flores von der Rowan University in Glassboro, New Jersey arbeitet derzeit zusammen mit Afshar an einer weiteren Bestätigung der Ergebnisse, seiner Ansicht nach

Müssen die Physikbücher umgeschrieben werden? Wohl nicht. Fragen wir Richard P. Feynman (in: QED, The Strange Theory of Light and Matter), und er wird uns sagen, dass die Dinge weniger einfach liegen. Tatsächlich verhält es sich so: Um die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses vorherzusagen (Detektor A registriert ein Photon) müssen alle denkbaren (und undenkbaren) Wege berücksichtigt werden, also auch z. B. von Spalt 2 zu Detektor A.

Ohne Gitter summieren sich die Beiträge, die die Wege "Spalt 2 Detektor A" liefern, allerdings zu Null wie nach den Gesetzen der Optik zu erwarten. Mit dem Gitter im Strahlengang werden nun manche Wege von Spalt 2 zu Detektor A blockiert, das heißt die Summe aller Beiträge (zur Wahrscheinlichkeit, dass A anspricht) ist nicht mehr Null. Da das Gitter so positioniert ist, dass die Stäbe an den Stellen destruktiver Interferenz stehen, wird das von Spalt 1 Fehlende durch Spalt 2 exakt ausgeglichen.

Ergebnis: der Rückschluss, den Afshar anwendet, um die Weginformation zu bekommen, ist nicht mehr vollständig gerechtfertigt. Wenn beide Spalte offen sind und Detektor A anspricht, kann das Photon nun von jedem der beiden Spalte gekommen sein (allerdings mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit). Die Information, die mittels Gitter im Strahlengang über die Interferenz gewonnen wurde, hat die Weginformation verringert.

Die derzeitige Spitzenforschung befasst sich jedoch mit einer ganz anderen Frage: Denn wo die quantenmechanische Beschreibung eines Objektes aufhören und die klassische beginnen müsse, blieb ja durchaus ungelöst, sowohl von Bohr selbst als auch von den späteren Weiterdenkern seines Konzeptes. Den Übergang zwischen quantenmechanischer und klassischer Welt versucht zurzeit die Dekohärenztheorie zu beschreiben.

Im Februar 2004 veröffentlichten Anton Zeilinger et al. von der Universität Wien den Bericht über ein wegweisendes Experiment. Für die Weiterentwicklung der Quantenphysik ohne philosophische Kopfschmerzen besteht also Hoffnung und die herausfordernde, sperrige Faszination, etwas zu verstehen, wovon Feynman sagt:

http://www.heise.de/tp/artikel/18/18023/1.html