3. Die Kopenhagener Deutung

Etwa bei Heisenberg (1958).

Siehe d’Espagnat (1995), S. 225.

Zitiert nach Röseberg (1987), S. 151f.

Ebenda.

Niels Bohr war berühmt-berüchtigt für seine Hartnäckigkeit in Diskussionen, wenn es um die Quantenphysik ging. So verfolgte er den erschöpften Erwin Schrödinger während dessen Aufenthalts in Kopenhagen bis ans Krankenbett. Und Paul Ehrenfest berichtet vom fünften Solvay-Kongress: „Jede Nacht um ein Uhr kam Bohr zu mir noch aufs Zimmer, um bis Drei mir nur noch Ein einziges Wort zu sagen.“

Wie der Wissenschaftshistoriker John Heilbron ausführt, hat Niels Bohr das Konzept partieller, komplementärer Wahrheiten wohl zumindest in Teilen den Schriften seines Philosophieprofessors und Freundes Harald Høffding entnommen, siehe Heilbron (2013).

Hierzu gehörten auch viele der Wegbereiter und Vollender der Quantenmechanik, insbesondere Albert Einstein, Erwin Schrödinger, Louis-Victor de Broglie und noch einige mehr; wir werden diese Besonderheit in Kap. 19.​5 nochmals aufgreifen, um sie dann im Licht des neu formulierten Weltbildes zu thematisieren.

Zitiert nach Heisenberg (1956), S. 291.

Von Weizsäcker (1985), S. 417. Diese tiefe Einsicht in die Begrenztheit unseres Denk- und Sprechvermögens werden wir unter evolutionärer Perspektive erneut aufzugreifen haben. Dies ist auch ein Hinweis auf die besondere Rolle der Mathematik bei der Erschließung von Wirklichkeit.

Jammer (1974).

Paulis Ansichten waren durch den Positivismus seines Taufpaten Ernst Mach geprägt, was ihn auch zu einer völligen Ablehnung anschaulicher Modelle in der Atomphysik führte. In seiner antirealistischen Konsequenz übertraf er sogar Bohr, was ihn abgesehen von seinem immensen mathematischen Talent natürlich zu einem wichtigen Gesprächspartner für die konzeptionelle Entwicklung der Kopenhagener Deutung machte. Für ihn bezog sich das Geschäft der Naturwissenschaften nicht auf die Erkundung von etwas unabhängig Seiendem, sondern auf die Ordnung von Erfahrungen. Auch sonst war Pauli ein Intellektueller mit breit gestreuten Interessen und großer geistiger Offenheit, dem das Korsett des rein wissenschaftlichen Rationalismus zu eng war: In seinen philosophisch-weltanschaulichen Ansichten zeigte er unter anderem Aufgeschlossenheit für mystische Erfahrungen, Psychoanalyse und Carl Gustav Jungs Theorie psychologischer Archetypen – jedoch stets gepaart mit der ihm eigenen intellektuellen Redlichkeit, scharfer Skepsis, kritischer Distanz und wohlbedachter Zurückhaltung gegenüber falschen Verallgemeinerungen. Zur Literatur siehe Pauli (1984, 1994); Atmanspacher et al. (1995) sowie Fischer (2000).

Pauli (1990), S. 31. Pauli überlegte sich sehr früh, wie man diese Begriffe auch für psychologische Fragestellungen fruchtbar machen kann, etwa bei der Untersuchung bewusster und unbewusster mentaler Zustände, siehe Pauli (1950).

Zitiert nach Herbert (1987), S. 33.

Dazu gehören unter anderem die spektralen Übergänge, auf den Begriff der Elektronenbahn um den Atomkern verzichtete er. Zwei Jahre später stellte sich mit der Aufstellung der Unschärferelation heraus, dass der Bahnbegriff in der Quantenmechanik gar nicht klar definierbar ist.

Heisenberg (1969), S. 92. Diese Einsicht war auch für Einsteins Arbeit an der Relativitätstheorie bedeutend. Der bloße sinnliche Eindruck reicht nicht aus, um den Ablauf und Ausgang eines Experiments deuten zu können. Gerade bei Prozessen jenseits unserer natürlichen Wahrnehmung können wir erst mit Hilfe von zumindest teilweise als gültig anerkannten Naturgesetzen auf die natürlichen Prozesse schließen. Dies ist auch zentral für das wissenschaftstheoretische Verständnis der Entwicklungen der modernen Physik. Einstein widerspricht hier sehr scharf damals populären Ansichten des Logischen Empirismus, denen zufolge „reine“, neutrale Beobachtungen die Basis aller Wissenschaft liefern sollten. Erst sehr viel später haben der Physiker und Wissenschaftstheoretiker Pierre Duhem und der Philosoph Willard Van Orman Quine diese Kritik solide theoretisch fundiert. Nach der Duhem-Quine-These ist bereits der Begriff der Beobachtung nicht frei von Theorie. Vielmehr entscheidet unser Vorwissen darüber, was wir unter einer gültigen Beobachtung verstehen und wie wir sie einordnen; erst mit Hilfe von Naturgesetzen können wir auf der Basis sinnlicher Eindrücke die ihnen zugrundeliegenden Prozesse begreifen, siehe Quine (1951). Die Vorstellung einer theoriefreien, neutralen Beobachtung ist folglich irrig; vielmehr ruhen unsere Beobachtungen ebenso wie unsere Theorien in einem Netz aus sich wechselseitig stützenden Ansichten. Thomas Kuhn geht in seinen Thesen über wissenschaftliche Revolutionen noch weiter und behauptet, dass sich mit wissenschaftlichen Neuerungen auch unser Weltbild grundlegend ändern kann und damit ebenso unser Paradigma von Wissenschaftlichkeit, vergleiche Kuhn (1962). Diesen Überlegungen hatte Heisenberg bereits Jahre zuvor mit seinem Konzept „abgeschlossener Theorien“ vorgegriffen.

Heisenberg (1959), S. 171. Sogar Percy Williams Bridgman, der eine operationalistische Sichtweise vertrat und gewissen Einfluss auf die Rezeption der Quantenmechanik in den Vereinigten Staaten besaß, betrachtete Heisenbergs positivistische und operationalistische Behauptungen eher als „philosophische Rechtfertigung“ für den Erfolg der Quantenmechanik und nicht als unentbehrlichen Teil der Formulierung der neuen Theorie, siehe Bridgman (1936), S. 65.

Auf dieser Konferenz lieferten sich, wie erwähnt, Einstein und Bohr über Tage und Nächte ein heißes Gefecht um diese für Einstein inakzeptable Interpretation. Es endete zugunsten Bohrs, und Einstein musste einsehen, dass die Kopenhagener Deutung sowohl in sich selbst logisch konsistent und geschlossen ist als auch allen Messergebnissen in vorbildlicher Weise Rechnung trägt. Von nun an begründete er seine Angriffe gegen die Quantenmechanik auf einem neuartigen Vorwurf, nämlich dem der Unvollständigkeit, den wir im Kap. 4.​3 zum EPR-Paradoxon ausführlich diskutieren werden. In diesem Zusammenhang wird das recht trivial klingende Axiom I eine entscheidende Rolle spielen.

Als wissenschaftlichen Realismus bezeichnet man meist eine Auffassung der Wirklichkeit, die den von der wissenschaftlichen Theorie beschriebenen Entitäten, wie etwa Atomen, eine direkte Entsprechung in der Welt zuschreibt. Dabei sollen die Eigenschaften dieser Entitäten unabhängig von der menschlichen Beschreibungs- oder Wahrnehmungsweise diesen Entitäten selbst zukommen, so dass etwa die klassische Sicht der Zuweisung von Wahrheitswerten seitens der Theorie an die eigenständigen Objekte möglich ist.

So etwa bei Murdoch (1987). Man könnte diese Haltung aber auch „Gegenstandsrealismus“ oder „Alltagsrealismus“ nennen.

In der Tat ist diese These auch heute noch unter manchen Forschern populär; einige erhoffen sich sogar eine Lösung der Rätsel des Bewusstseins von einer neuen umfassenden Theorie, die auch die bereits erwähnte Vereinheitlichung der physikalischen Theorien bewerkstelligen sollte.

Auf dieser Art von Illustration durch Vergrößerung des Mikroskopischen beruht auch das Paradoxon von Schrödingers Katze , wie in Kap. 4.​1 behandelt. Es gibt aber neuere Ansätze, die absolut zwangsläufige Wechselwirkung aller makroskopischen Körper mit ihrer Umwelt und die damit einhergehende Auflösung der Verschränkung mit den Mikrozuständen anhand komplexerer Gleichungen zu berücksichtigen. Dies ist als Dekohärenz bekannt und aufgrund ihrer Bedeutung ist ihr ein eigenes Kap. 4.​1.​1 gewidmet. Dank ihr ist es wohl möglich, einige, obgleich nicht alle, Schwierigkeiten beim Messprozess aufzuklären. Dies sollte man auch beim nachfolgenden Zitat von Heisenberg im Hinterkopf behalten.

Heisenberg (1956), S. 298f.

Murray Gell-Mann und James Hartle haben diesen Begriff geprägt in Gell-Mann und Hartle (1990) sowie Gell-Mann und Hartle (1993).

Bohr (1959), S. 171f.

Heisenberg (1929), S. 494.

Von Weizsäcker (1992), S. 266. Weizsäcker bezieht sich hier u. a. auf das Zitat von Heisenberg in Kap. 2.​8

Bohr versuchte unter anderem, das Konzept der Komplementarität auf Bereiche jenseits der Physik auszuweiten; siehe Favrholdt (2008). Auch Heisenberg entwickelte in seinem posthum veröffentlichten Text Ordnung der Wirklichkeit eine Art Schichtenmodell der Wirklichkeit; wobei er die Ordnungsbegriffe bei Goethe entnahm, dessen Werk ihm stets eine wichtige Inspiration war. Dieses in den ersten Kriegsjahren geschriebene Manuskript ist wahrscheinlich Heisenbergs persönlichster Text, siehe Heisenberg (1989). Er hat ihn nie veröffentlicht, sondern nur im privaten Umfeld zirkulieren lassen. Wahrscheinlich enthielt er ihm wohl zu viele persönliche, spekulative und zur damaligen Zeit auch gefährliche politische Ansichten; insbesondere, da er aufgrund seines Eintretens für die moderne Physik von nationalsozialistischen Kreisen als „weißer Jude“ verunglimpft worden war und sich nur durch familiäre Intervention – es bestand eine entfernte Bekanntschaft zur Familie Himmler – aus der Schusslinie bringen konnte.

Es gibt auch quantentheoretische Gründe, die gegen eine vollständige Reduktion des makroskopischen Verhaltens von Körpern auf mikroskopische Eigenschaften sprechen. So scheinen sich etwa bestimmte Eigenschaften von Festkörpern quantentheoretisch nicht eindeutig ableiten zu lassen, siehe Cubitt et al. (2015).

Bohr (1959), S. 173.

Aus Fock (1952), zitiert nach Baumann und Sexl (1984), S. 135.

Mit „Möglichem“ bezeichnet Heisenberg die durch die Wellenfunktion mit Wahrscheinlichkeiten belegten möglichen Messergebnisse. Das „Faktische“ ist das erzielte Messergebnis, das sich in der Wellenfunktion durch die Reduktion auf die durch das gemessene Ergebnis bestimmte Eigenfunktion widerspiegelt.

Heisenberg (1973), S. 37 f.

Die Hypothese von der Konstanz und Universalität von Naturgesetzen hat sich auch im kosmischen Maßstab glänzend bewährt. Sie beinhaltet – von ein paar Spekulationen über die Frühzeit des Universums einmal abgesehen – auch die Konstanz und Universalität der Naturkonstanten, wie etwa der Lichtgeschwindigkeit und der Masse und Ladung von Elementarteilchen. Wir müssen sogar feststellen, dass ebendiese Naturkonstanten bei einer nur unglaublich geringfügigen Abweichung ihrer heute bekannten Werte kein Leben auf unserem Planeten, bzw. nicht einmal die Bildung von Planeten oder langlebigen, stabilen Sonnen etc. zugelassen hätten. Wir sind also nur hier, weil unsere Existenz durch einen schier unglaublich scheinenden Zufall möglich ist (schwaches anthropisches Prinzip ) oder weil das Universum so ist, wie es ist, damit wir existieren können (starkes anthropisches Prinzip). Letzteres läuft natürlich auf eine planvolle Gestaltung oder Schöpfung unseres Universums hinaus. Dem religiös indifferenten Menschen, der dem Universum als Ganzem keine Zwecke oder Ziele unterstellen will, stellt sich allerdings angesichts der schier übermächtigen Unwahrscheinlichkeit unseres Universums – zumindest nach heutigem Stand der Naturwissenschaft – die Frage, ob es nicht eine Vielzahl von Universen geben sollte mit unterschiedlichen Naturkonstanten oder sogar Naturgesetzen, von denen dann einige Lebensformen beinhalten könnten. Aber woher dann die Vielzahl? Spätestens hier steht auch manch agnostisch eingestellter Mensch vor der Frage, ob er sich nicht doch besser irgendeiner Religionsgemeinschaft anschließen sollte – oder er hofft darauf, dass es der Wissenschaft eines Tages gelingen wird, einiges von dem, was uns heute als unerklärlicher Zufall erscheint, als Notwendigkeit aus tieferen Prinzipien ableiten zu können. Aber warum gelten dann jene Prinzipien?

Zur Natur physikalischer Gesetze siehe auch die als Buch erschienenen Vorlesungen von Richard P. Feynman zum Thema, Feynman (1965).

Planck (1910), S. 6.

„Form“ ist hier zu verstehen in einem tieferen mathematischen Sinne – nicht die explizite Form der Darstellung oder die gewählte Notation, sondern die mathematische Äquivalenz ist hiermit gemeint.

Hierzu gehören der newtonsche, der Lagrange- und der Hamilton-Formalismus und andere Darstellungen, die je nach Anwendung und Problemstellung ihre Vor- und Nachteile bei der Berechnung und Lösung von Problemen haben.

Am bekanntesten ist die nach Erwin Schrödinger benannte Wellengleichung. Aber auch die heisenbergsche Matrizenmechanik, die diracsche Mischform zwischen diesen beiden und die feynmansche Pfadintegralversion sind, obwohl auf den ersten Blick äußerst unterschiedlich aussehend, mathematisch vollkommen äquivalent, d. h. sie erlauben theoretisch alle dieselben Berechnungen mit denselben Ergebnissen.

Wäre Einstein Geigenspieler geworden, wäre die Allgemeine Relativitätstheorie wahrscheinlich nach einigen Geburtswehen, vielen Kongressen und zahllosen Streitereien dann doch etliche Jahre später in der heute bekannten oder einer hierzu äquivalenten Form entstanden. Dem Genie des Naturwissenschaftlers tut dies keinen Abbruch, doch ist es von anderem Charakter als das des Künstlers, welches auch in seiner Allgemeingültigkeit entschieden subjektiv ist.

Im Rahmen der Quantenmechanik ist hier vor allem die bekannte und kontrovers diskutierte Arbeit von Paul Forman zu erwähnen, siehe Forman (1971); eine deutsche Übersetzung findet sich im Band von Meyenn (1983). So führt Forman eingehend aus, warum die Physiker in den 1920er Jahren bereit waren, das deterministische Weltbild aufzugeben und Wahrscheinlichkeitsbeziehungen zu akzeptieren.

Fock (1959), S. 177.

Galileis berühmte Reaktion auf seinen erzwungenen Widerruf („Eppur si muove!“ – „Und sie bewegt sich doch!“) ist nicht sicher dokumentiert. Der Vatikan hat Galilei übrigens mittlerweile rehabilitiert. Auch in der Quantenphysik hat es vor allem in der Sowjetunion Versuche gegeben, eine dialektisch-materialistische Interpretation zu entwickeln. Wir werden die Ansätze hierzu in Kap. 5.​6 diskutieren.

Dies hat etwa bereits Wladimir Fock dargelegt in Fock (1952).

Dazu gehören sowohl die Elementarteilchen wie die aus ihnen zusammengesetzten komplexeren Objekte, wie z. B. Atome, Moleküle oder etwa auch Mesonen.

Die theoretisch begründete Annahme der Ununterscheidbarkeit ist die einzige Möglichkeit, das tatsächlich beobachtbare Verhalten eines quantenmechanischen Vielteilchensystems beschreiben zu können. Es handelt sich hierbei also um eine prinzipielle Ununterscheidbarkeit und nicht um eine pragmatische.

So beschreibt Max Jammer die spätere Entwicklung der Kopenhagener Interpretation in folgenden Worten: „Also, if we disgress to a later stage of the Copenhagen Interpretation and regard, in conformance with its most extreme version, a quantum phenomenon as merely a non classically describable functioning of classically describable experimental arrangements, measurements in quantum mechanics are no more or less problematic than in classical physics, for the Hilbert space vector is only a purely formal device for relating the statistics associated with these arrangements to the physics of observations in classical physics.“ Jammer (1974), S. 473.

Diese Unterscheidung wird sich noch als brauchbar erweisen, wenn wir nach einer Diskussion über die Bedeutung der evolutionären Entstandenheit des menschlichen Erkenntnisvermögens auf die Frage nach einem modernen Realitätsverständnis zurückkommen.

Dies lässt sich daraus begründen, dass gemäß de Broglies Formel aus Kap. 2.​2 Teilchen mit hohem Impuls eine niedrige Wellenlänge zuzuweisen ist. Der Wellencharakter dieser Teilchen erstreckt sich folglich nur über einen äußerst geringen Raumbereich und lässt sie „teilchenartiger“ aussehen.

Peres (1995), S. 373.

Dies entspräche dem atomistisch-mechanistischen Weltbild der klassischen Physik, das wir an anderer Stelle als Prinzip des divide et impera charakterisiert haben. Man kann dieses Separabilitätsprinzip auch als Prinzip der gedanklichen Teilbarkeit bezeichnen. Genauer gesagt bedeutet dies, dass die Naturbeschreibung von elementaren Einzeldingen ausgeht, deren gesetzesmäßige Wechselwirkung bekannt ist, und aus der das zukünftige Verhalten erklärt und berechnet werden kann. Damit wäre die vollständige Kenntnis des Gesamtsystems durch die Kenntnis all seiner Teile gegeben.

Dies wird noch an einem Beispiel zum EPR-Paradoxon in Kap. 4.​3 illustriert werden.

Schrödinger (1935).

Einige Autoren sprechen dem Begriff der Information aus diesem Grund sogar eine eigenständige Rolle für die Konsistenz unseres Universums zu. So bezeichnet Anton Zeilinger, angelehnt an Ideen Carl Friedrich von Weizsäckers, Information als „Urstoff“ des Universums und behauptet, dass wir die Trennung zwischen Information und Wirklichkeit aufheben müssen. Man kann diese Haltung, die sich gegen viele herkömmliche philosophische Ansichten dieser Begriffe richtet, als Spezialfall der Kopenhagener Deutung ansehen. Gemeint ist sie aber auch als fundamentales Prinzip bei der Aufstellung von Naturgesetzen, dessen Nützlichkeit sich noch erweisen muss; vergleiche Zeilinger (1999) sowie Zeilinger (2003). Wir werden die zeilingersche Variante der Kopenhagener Deutung noch dezidiert in Kap. 5.​8 diskutieren. Zum Begriff der Information in der Quantenphysik siehe auch Pusey et al. (2012). Die Bedeutung der Wellenfunktion als Darstellung des Wissbaren und Messbaren werden wir in Kap. 4.​3.​6 noch genauer erörtern.