Von den Dilemmas der Quantenmechanik bis zu Einsteins Theorie aller Dinge

Die empirische Wissenschaft gründet auf dem Materialismus, der besagt, dass Materie das Grundlegende ist. Viele Entdeckungen, insbesondere auf dem Gebiet der Quantenmechanik, lassen anderes vermuten: dass der Geist die Materie bestimmen kann.
Die Verschränkung von Teilchen in der Quantenmechanik bleibt bis heute ein Rätsel.
Quantenteilchen können nachweislich mit deutlich über 10.000-facher Lichtgeschwindigkeit interagieren. Wie das geht, ist bis heute ein Rätsel.Foto: Fabian Oliver Steinlechner/ÖAW/dpa
Von 13. März 2023

In der Quantenmechanik heißt es, dass die Beobachtung eines Quantenphänomens das gemessene Ergebnis eines Experiments verändern kann. Dieser sogenannte Beobachtereffekt hat den Materialismus lange herausgefordert. Man sieht dies sehr deutlich am Beispiel des Doppelspaltexperiments, das selbst große Wissenschaftler wie Albert Einstein verblüffte. Es gibt noch weitere Experimente, die bis heute ein Rätsel bleiben.

Der britische Wissenschaftler Thomas Young führte 1801 das erste Doppelspaltexperiment durch. Er schickte einen Lichtstrahl auf eine Platte mit zwei parallelen Schlitzen, hinter der sich ein Schirm befand. Die Lichtwelle, welche durch die Schlitze hindurchging, spaltete sich in zwei neue Wellen auf, die dann untereinander in Wechselwirkung traten.

Wenn der Wellenberg einer Lichtwelle auf den Wellenberg der anderen Lichtwelle traf, verstärkten sie einander und ergaben ein helleres Licht. Wenn der Wellenberg einer Welle auf das Wellental einer anderen Welle traf, löschten sie sich gegenseitig aus. Somit entstand ein interessantes Interferenzmuster. So konnte Young abwechselnd helle und dunkle Streifen auf dem Schirm sehen. Sir Isaac Newton war davon ausgegangen, dass Licht nur aus Teilchen besteht. Youngs Experiment zeigte jedoch, dass sich Licht eher wie eine Welle verhält.

Verwirrende Experimente begründen Welle-Teilchen-Dualismus

Bei späteren Experimenten dieser Art wurden anstelle von Licht atomare Teilchen wie Atome, Protonen, Elektronen, Photonen und andere auf einen Doppelspalt geschossen. Auch dabei wurden die abwechselnd hellen und dunklen Streifen beobachtet. Dieses Ergebnis verwirrte die Wissenschaftler, da die abgegebenen Objekte nach damaliger Ansicht alles Teilchen waren und keine abwechselnd hellen und dunklen Streifen wie bei Lichtwellen hätten erzeugen sollen.

Einige Wissenschaftler glaubten, dass auch klassische Teilchen wie Elektronen Wellencharakter besäßen, sodass sie – genau wie eine Lichtwelle – in den Experimenten gegenseitig in Wechselwirkung träten. 1905 veröffentlichte Einstein mehrere Arbeiten, um diesen Effekt zu diskutieren. Dafür erhielt er den Nobelpreis und legte den Grundstein für den Welle-Teilchen-Dualismus in der Quantenmechanik. Das heißt, die „klassischen Teilchen“ besitzen sowohl die Eigenschaften von Teilchen als auch die von Wellen.

Stellen wir uns dazu einmal vor, Elektronen (oder Photonen) würden nacheinander auf die Schlitze geschossen, sodass sie keine Chance hätten, sich gegenseitig zu stören. In dem Fall besteht die Frage, ob auf dem Schirm ein Bild wie bei klassischen Teilchen entsteht oder ob der Beobachter Interferenzstreifen sieht. Zahlreiche Experimente zeigten Letzteres – selbst ein einzelnes Elektron würde sich selbst stören und abwechselnd helle und dunkle Streifen erzeugen. Wie kann denn ein einzelnes Teilchen beide Spalten gleichzeitig durchqueren und auf der anderen Seite wieder zu einem verschmelzen?

Daraufhin wurde ein Detektor an den Schlitzen platziert, um das Teilchen zu verfolgen und herauszufinden, welchen Weg es nimmt. Allerdings verschwand das Interferenzmuster, es waren nur noch zwei Streifen sichtbar. So, als wüssten die Teilchen, dass sie beobachtet würden – und sich dafür entschieden, beim Durchqueren der Schlitze nicht „erwischt“ zu werden. Dieses Phänomen ist in der Wissenschaft unter dem Namen „Beobachtereffekt“ bekannt: Wenn ein Teilchen beobachtet wird, verändert sich sein Verhalten dramatisch.

Von Niels Bohr zu Schrödingers Katze

Durch das Doppelspaltexperiment nahm die Quantenphysik, welche das Verhalten von Materie und Licht auf atomarer Ebene untersucht, erst so richtig Fahrt auf, weil man den Beobachtereffekt verstehen wollte. Wissenschaftler wie der Däne Niels Bohr postulierten, dass die Quantenmechanik an sich indeterministisch sei, also unbestimmbar ist. Diese Ansicht ist als Kopenhagener Interpretation in die Lehrbücher eingegangen.

Der US-amerikanische Physiker Brian Greene schrieb später in seinem Buch „The Hidden Reality“: „Der Standardansatz in der Quantenmechanik, der von Bohr und seiner Gruppe entwickelt [wurde], sieht vor, dass immer dann, wenn man versucht, eine Wahrscheinlichkeitswelle zu sehen, dies vereitelt wird.“

Erwin Schrödinger definierte die Quantenwellenfunktion, um die Bewegung aller Materie in Form einer Reihe von Wahrscheinlichkeiten zu beschreiben. Mit anderen Worten, alle physikalischen Größen befinden sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in einem bestimmten Quantenzustand. Wir wissen jedoch nicht, in welchem Zustand sich die physikalischen Größen gerade befinden. Mit anderen Worten, die physikalische Realität kann nur durch einen Wahrscheinlichkeitsraum beschrieben werden, bis eine Beobachtung dann tatsächlich stattfindet und sich die physikalische Größe realisiert.

Um seine Überlegungen zu veranschaulichen, machte Schrödinger ein Gedankenexperiment, das auch als Schrödingers Katze bekannt ist. Eine hypothetische Katze wird in eine hypothetische Kiste gelegt und ihr Schicksal wird von einem kleinen Fläschchen mit tödlicher Blausäure bestimmt, welches vom Quantenzustand eines subatomaren Teilchens gesteuert wird. Wenn das subatomare Teilchen zerfällt, wird die Säure die Katze töten. Wenn es nicht zerfällt, bleibt die Säure im Fläschchen und die Katze wird überleben. Der Quantenmechanik zufolge ist die Katze, solange man nicht in die Kiste schaut, sowohl lebendig als auch tot. Dieses Gedankenexperiment deutet darauf hin, dass sich Objekte in der Quantenwelt in einem unsicheren Zustand befinden, bis ein Beobachter den Zustand fixiert.

„Gott würfelt nicht“

Aufgrund des Paradoxons von Schrödingers Katze führten Bohr und Einstein zahlreiche Streitgespräche zu diesem Thema. Diese erregten große Aufmerksamkeit, weil es sich um grundsätzliche Fragen unserer Existenz handelte.

Nachdem Max Planck das Quantum entdeckt hatte, proklamierte Einstein 1905, dass Licht aus Photonen bestehe. Bohr lehnte die Theorie ab, 1922 wurde sie jedoch bewiesen und wird heute von der wissenschaftlichen Gemeinschaft weithin akzeptiert. Als dann Heisenbergs Unschärferelation Einzug in die Quantenmechanik hielt, machte Einstein sich Sorgen, weil die Zufälligkeit die bis dato angenommene Kausalität – die grundlegende Ursache-Wirkung-Beziehung – verletzte. Auch wenn man nicht alle Informationen habe, wie etwas funktioniert, habe alles seinen Grund.

„Die Quantenmechanik kann einen sicherlich beeindrucken. Aber eine innere Stimme sagt mir, dass es noch nicht das Richtige ist“, schrieb Einstein 1926. „Ich bin jedenfalls überzeugt, dass Er [Gott] nicht würfelt.“ Bohr soll darauf geantwortet haben: „Einstein, schreiben sie Gott nicht vor, was er zu tun hat.“

Quantenverschränkung stellt Theorie erneut auf den Kopf

Viele Wissenschaftler akzeptierten die Kopenhagener Interpretation und die Debatten gingen weiter. 1935 veröffentlichten Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen eine Arbeit mit dem Titel „Kann die quantenmechanische Beschreibung der physikalischen Realität als vollständig angesehen werden?“ Sie kamen zu dem Schluss, dass die Beschreibung der physikalischen Realität mit quantenmechanischen Wahrscheinlichkeiten unvollständig ist.

Sie postulierten das Konzept der Lokalität, was bedeutet, dass physikalische Prozesse – oder Ereignisse –, die an einem Ort auftreten, nicht sofort ein anderes Ereignis an einem weit entfernten Ort beeinflussen sollten. Das Lokalitätskonzept scheint intuitiv richtig zu sein, aber gemäß der Quantenphysik beeinflussen sich zwei subatomare Teilchen sofort gegenseitig, selbst wenn sie Lichtjahre voneinander entfernt sind. Einstein hielt eine solche Interaktion für unvorstellbar und nannte sie „spukhafte Fernwirkung“.

Im Jahr 1949 zeigten Forscher der Columbia University jedoch, dass zwei Teilchen über eine große Entfernung interagieren können. 1998 führten der Physiker Nicolas Gisin und Kollegen an der Universität Genf in der Schweiz ein Experiment durch und zeigten, dass zwei Photonen in einem Abstand von 18 Kilometern Informationen mit einer Geschwindigkeit austauschen können, die mindestens 10.000-mal schneller ist als Lichtgeschwindigkeit. Sobald ein Photon seine Eigenschaft änderte, passte sich das andere Photon fast augenblicklich an, als ob ein imaginäres Wesen beiden ein Zeichen gegeben hätte, sich zu verändern. Wie die beiden Photonen miteinander interagieren, bleibt ein Rätsel.

Einsteins (un)vollendete Suche nach der Wahrheit

Einstein wollte der Wahrheit trotz der Erkenntnisse, die die Quantenverschränkung unterstützen, immer noch auf die Spur kommen. Mit seinem photoelektrischen Effekt (Photoemission) über die spezielle Relativitätstheorie bis hin zur allgemeinen Relativitätstheorie wollte er der Menschheit helfen, die Welt zu verstehen. Er zeigte, dass Zeit relativ ist und dass Schwerkraft durch die Krümmung von Zeit und Raum verursacht wird.

Angesichts der Schwachstellen der Quantenmechanik arbeitete er an einer Fragestellung, welche später als seine Theorie aller Dinge bekannt wurde, um die allgemeine Relativitätstheorie zu erweitern und die bekannten Kräfte im Universum zu vereinen. „Früher hat man geglaubt, wenn alle Dinge aus der Welt verschwinden, so bleiben noch Raum und Zeit übrig; nach der Relativitätstheorie verschwinden aber Zeit und Raum mit den Dingen“, sagte Einstein 1924 einem Reporter in New York.

Die BBC wies in „Einsteins unvollendete Symphonie“ später darauf hin, dass „Einsteins Arbeit von der Idee gestützt wurde, dass die Gesetze der Physik ein Ausdruck des Göttlichen sind“.

„Mit seiner Theorie aller Dinge, so hoffte Einstein, würde er die Physik vom Zufallsprinzip der Quantenmechanik befreien und zeigen, dass die Welt vorhersagbar ist – beschrieben durch schöne, elegante Mathematik. Er glaubte auch, dass Gott die Veränderungen im Universum erschaffen würde“, heißt es in dem Artikel. Einstein wollte damit zeigen, dass die quantenmechanische Interpretation der Welt einfach falsch war. Er konnte seine Arbeit nie beenden.

In jungen Jahren sagte Einstein einmal: „Ich interessiere mich nicht für dieses oder jenes Phänomen. Ich möchte Gottes Gedanken kennen – der Rest sind nur Details.“ Aber das blieb ein Wunsch. „Als er im Princeton Hospital im Sterben lag, muss er verstanden haben, dass Gott diese Geheimnisse für sich behalten wollte“, zitiert die BBC.

Quantenmechanik und Quantenbewusstsein

Im Mai 1955, einen Monat nach Einsteins Tod, veröffentlichte das „Life Magazine“ ein Interview mit ihm, das einige Monate zuvor geführt worden war. Darin äußerte Einstein: „Sie wissen, dass sie [Gottes Gedanken] wahr sind, aber Sie könnten ein ganzes Leben verbringen, ohne sie beweisen zu können. Der Verstand kann nur bis zu einem gewissen Grad an dem festhalten, was er weiß und beweisen kann. Es kommt der Moment, an dem der Verstand einen Sprung macht – nennen Sie es Intuition oder wie Sie wollen – und auf eine höhere Ebene der Erkenntnis gelangt. Aber niemals kann er beweisen, wie er darauf gekommen ist. Bei allen großen Entdeckungen fand ein solcher Sprung statt.“

Die Bemühungen der Wissenschaftler, die Menschheit und die Welt zu verstehen, setzten sich in anderen Bereichen der Quantenwissenschaft fort. Stuart Hameroff von der University of Arizona schrieb in einer 2012 erschienenen Publikation „Exploring Frontiers of the Mind-Brain Relationship“ (Die Grenzen der Beziehung zwischen Geist und Gehirn erforschen):

„Jüngste Beweise für eine signifikante Quantenkohärenz in warmen biologischen Systemen, skalenfreie Dynamik und Gehirnaktivität am Ende des Lebens unterstützen die Vorstellung eines quantenbasierten Bewusstseins, das möglicherweise unabhängig von der Biologie in verschiedenen Ebenen der Raumzeitgeometrie existieren könnte.“

Die Welt ist zu perfekt für den Zufall

Neben der Kopenhagener Interpretation kann das Doppelspaltexperiment auch mit dem Ansatz der vielen Welten erklärt werden. Robert Lanza von der Wake Forest University School of Medicine in North Carolina sagte, dass sich Teilchen in der Quantenphysik in einem nicht definierten Zustand befinden, weil sie gleichzeitig in verschiedenen Universen existieren.

Wenn wir sterben, wird unser Leben zu einer „immerwährenden Blume, die im Multiversum zum Blühen zurückkehrt. Die Welt scheint für das Leben geschaffen worden zu sein. Das zeigt sich nicht nur auf atomarer Ebene, sondern auch auf der Ebene des Universums. Wissenschaftler haben entdeckt, dass das Universum eine lange Liste von Eigenschaften hat und Bestandteile – von Atomen bis zu Sternen –, die wie maßgeschneidert für uns sind“.

So schrieb Lanza in seinem Buch „Biocentrism: How Life and Consciousness are the Keys to Understanding the True Nature of the Universe“ (Biozentrismus: Leben und Bewusstsein sind der Schlüssel zum Verständnis der wahren Natur des Universums): „Die Tatsache, dass im Kosmos alles genau ausgewogen ist und er wie für das Leben geschaffen zu sein scheint, ist eine unausweichliche wissenschaftliche Beobachtung – keine Erklärung dafür.“

Dieser Artikel erschien im Original auf minghui.org unter dem Titel: Geist und Materie: Von den Dilemmas der Quantenmechanik bis zu Einsteins Theorie aller Dinge (redaktionelle Bearbeitung ts)



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