Nächstes Jahr jährt sich der Sommer zum 1905. Mal, in dem der deutsche theoretische Physiker Werner Heisenberg auf der Nordseeinsel Helgoland vor Heuschnupfen Zuflucht suchte. Dort fand er heraus, wie man die verwirrenden spektroskopischen Beobachtungen von Atomen – bei denen sie Licht mit genau definierten, charakteristischen Frequenzen absorbierten und emittierten – in mathematischer Form ausdrücken konnte. Heisenbergs Mentor, der dänische Physiker Niels Bohr, hatte vorgeschlagen, dass die Spektren unter der Annahme verstanden werden könnten, dass die Elektronen eines Atoms möglicherweise nur bestimmte Energien besitzen und von einem Energieniveau zum anderen wechseln, indem sie ein einzelnes „Lichtquant“ mit einer bestimmten Energie emittieren oder absorbieren proportional zu seiner Frequenz. Diese Quantenhypothese für Licht war XNUMX von Albert Einstein aufgestellt worden, und Bohr hatte sie zu einer neuen Theorie des Atoms weiterentwickelt – wenn auch zu einer, die in klassischen Begriffen keinen Sinn ergab.
Indem Heisenberg die zulässigen Energien dieser „Quantensprünge“ als Matrix experimentell beobachteter Werte ausdrückte, transformierte er die ad hoc, entstehende Quantentheorie in eine echte Quantenmechanik. Seine Matrixalgebra implizierte, dass es nicht möglich war, gleichzeitig die Position und den Impuls eines Teilchens mit beliebiger Genauigkeit zu kennen. Dieses „Unsicherheitsprinzip“ legt nahe, dass die Quantenphysik dem Wissen, das wir über die Atomwelt haben können, Grenzen setzt.
Bohr, Heisenberg und ihre Mitarbeiter in Kopenhagen argumentierten weiter, dass diese Einschränkung grundlegend sei. Es ist nicht so, dass wir dazu verdammt sind, unwissend darüber zu bleiben, wie die Dinge genau sind, sondern vielmehr, dass es kein aussagekräftiges „Wie die Dinge sind“ gibt, bis sie gemessen werden. Der Vorschlag löste einen gutmütigen, aber scharfen Streit zwischen Bohr und Einstein aus, der einen Großteil ihres gemeinsamen Lebens andauerte. „Einstein konnte das Zugeständnis nicht machen. Es würde separate, individuelle Objekte, wesentliche Merkmale eines akzeptablen Weltbildes, ausradieren“, schreiben John Heilbron und Jim Baggott in ihrem neuen Buch Quantendrama: Von der Bohr-Einstein-Debatte zum Rätsel der Verschränkung. Baggott, ein Physiker und Wissenschaftsjournalist, und Heilbron, ein 2023 verstorbener Wissenschaftshistoriker, erzählen die Geschichte der Quantenmechanik von ihren Anfängen bis zum heutigen Stand der Quanteninformationstechnologie.
Einstein wurde nicht müde, neue Einwände gegen die „Kopenhagener“ Sichtweise zu erfinden. Auf der Solvay-Konferenz 1930 in Belgien, auf der die führenden Physiker der damaligen Zeit zusammenkamen, konfrontierte er Bohr mit einem paradoxen Gedankenexperiment, bei dem es um einen schweren Kasten ging, der an einer Feder hing und ein Photon (das entweicht) und eine feste Uhr enthielt. Bohr lieferte eine Antwort auf das Rätsel, die viele Zweifel zerstreute, Bohr selbst jedoch offenbar nicht zufriedenstellte. „Er hat sich für den Rest seines Lebens darüber geärgert“, sagen Heilbron und Baggott. „Am Tag seines Todes befand sich eine grobe Skizze des Geräts an seiner Tafel.“
Einsteins Widerstand enthüllte die zutiefst kontraintuitive Natur der Quantenmechanik – am bekanntesten in einem Gedankenexperiment, das er 1935 mit seinen jüngeren Kollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen entwickelte. Dieses „EPR-Experiment [Einstein-Podolsky-Rosen]“ zeigte, dass die Quantenmechanik offenbar darauf zu bestehen scheint, dass ihre Eigenschaften danach voneinander abhängig bleiben, sobald zwei Teilchen interagiert haben, sodass eine Messung eine unmögliche sofortige Signalübertragung zwischen den beiden hervorruft. Erwin Schrödinger, der Einsteins Abneigung gegen die Kopenhagener Sichtweise teilte, nannte diesen Effekt „Verschränkung“.
Für Einstein konnte das EPR-Paradoxon nur gelöst werden, indem man annahm, dass die verschränkten Teilchen von Anfang an feste Eigenschaften hatten, wenn auch solche, die nicht beobachtbar waren und daher durch „verborgene Variablen“ gekennzeichnet waren. Das Problem bestand darin, dass sowohl Bohrs als auch Einsteins Interpretationen identische experimentelle Vorhersagen lieferten. Da es keinen offensichtlichen Weg gab, die Frage zu lösen, wurde sie beiseite gelegt, und viele Forscher in den 1940er und 1950er Jahren hielten solche „grundlegenden“ Fragen für sinnlos oder sogar unpassend. Wen kümmerte das, wenn die Quantenmechanik in der Praxis so gut funktionierte? Dies war die Haltung, die der amerikanische Physiker David Mermin als „Halt die Klappe und Berechnung“ charakterisierte und die vor allem in den pragmatischen USA vorherrschte. Sich für solche Themen zu interessieren, könnte einem beruflichen Selbstmord gleichkommen. „Man wird nie promovieren, wenn man sich von solchen Frivolitäten ablenken lässt“, wurde Mermin laut dem Buch in Harvard gesagt. Er bemerkt, dass „es eine sehr unphilosophische Zeit war“.
Der Nobelpreisträger Murray Gell-Mann beschuldigte Bohr, eine Generation von Physikern einer Gehirnwäsche unterzogen zu haben und zu glauben, dass die Rätsel der Quantenmechanik längst gelöst seien
In ihrem 1999-Buch Quantendialog, Wissenschaftshistorikerin Mara Beller warf Bohr und seinen Kollegen vor, ihre Kopenhagener Orthodoxie durchzusetzen und alternative Interpretationen wie David Bohms „Pilotwellen“ und Hugh Everetts „universelle Wellenfunktion“, auch bekannt als „Viele-Welten“-Interpretation der Quantenmechanik, zu marginalisieren oder lächerlich zu machen. Nobelpreisträger Murray Gell-Mann Bohr beschuldigte Bohr, eine Generation von Physikern einer Gehirnwäsche unterzogen zu haben und zu glauben, dass die Rätsel der Quantenmechanik längst gelöst seien. Aber Heilbron und Baggott zeigen, dass es gerechter ist, die Schuld auf die Apathie der Gemeinschaft insgesamt zu schieben. Wie Paul Dirac über die metaphysischen Rätsel der Theorie sagte: „Viele Menschen leben ein langes und fruchtbares Leben, ohne sich jemals Sorgen um [sie] zu machen.“
Dreißig Jahre „gegen die Messung“
Diese Einstellung begann sich jedoch 1964 zu ändern, als die Der nordirische Physiker John Bell hat einen Weg gefunden, die sogenannten Hidden-Variablen-Modelle von der einfachen Quantenmechanik zu unterscheiden. Dazu brauchte es nur einen ernsthaften Gedanken: „Es gab nichts in der Bellschen Ungleichung, das den Quantenbegründern nicht bekannt war“, sagen die Autoren.
Ironischerweise entwickelte Bell seinen berühmten Test, weil er einen Fehler in der Bohrschen Quantenmechanik finden wollte. So auch der erste, der den Test experimentell durchführte, John Clauser, der mit Stuart Freedman an der University of California in Berkeley zusammenarbeitete. Doch dieses Experiment und die vielen anderen, die später durchgeführt wurden, haben zweifelsohne allein die Quantenmechanik bestätigt und alle versteckten Variablen ausgeschlossen – zumindest diejenigen, die zutreffen örtlich jedem Partikel vor der Messung feste Eigenschaften an einer bestimmten Position zuzuweisen. (Das bedeutet nicht, dass Bohr Recht hat, obwohl es nahezu unmöglich erscheint, Einsteins Position zu retten.) Das Buch gibt einen hervorragenden Bericht über das Wiederaufleben des Interesses an Quantengrundlagen, das aus der Arbeit von Bell und Clauser folgte und insbesondere Clausers Kollegen 2022 betraf Nobelpreisträger Anton Zeilinger und Alain Aspect. Weit davon entfernt, leeres Philosophieren zu sein, sind solche Studien heute die Grundlage für Technologien wie Quantencomputer und Quantenkryptographie.
Quantendrama erzählt eine komplexe Geschichte mit einer großen Besetzung. Auch wenn die Autoren manchmal viel von ihren Lesern verlangen, habe ich noch nie einen besseren Bericht gelesen: ausgewogen, verbindlich und gewürzt mit elegantem Witz. Heilbron und Baggott beschreiben eine Reise nach Japan, die mehrere der frühen Quantenpioniere unternommen hatten, und beschreiben, wie Heisenberg bei einem Spaziergang an einer Pagode spontan auf diese kletterte und, auf einem Fuß auf der Spitze (Breite ∆q) stehend, in einem heulenden Wind, hielt glücklicherweise eine Unsicherheit ∆p aufrecht, die zu klein war, um ihn umzuwerfen.“
Dieses Buch wird nicht jedermanns Sache sein. Wie bei Heilbrons früherem Buch Niels Bohr: Eine sehr kurze Einführung, seine Beschreibung des Bohr-Atoms ist so technisch, dass sie für alle außer Spezialisten nahezu undurchschaubar ist, was bereits zu Beginn des Buches eine gewaltige Hürde darstellt. Und es gibt andere Gelegenheiten, etwa in den Beschreibungen von Bell-Tests, bei denen man sich nach einer prägnanten Zusammenfassung der qualitativen Bedeutung der Details sehnt. Manchmal wird der Leser mit einer Reihe von Kommentaren von Experten konfrontiert, ohne dass er viele Hinweise darauf gibt, wie er mit ihren Widersprüchen umgehen soll.
Aber auch wenn das Buch dadurch für den allgemeinen Leser gelegentlich eine Herausforderung darstellt, ist der Lohn für die Beharrlichkeit beträchtlich. Als Autor eines populärwissenschaftlichen Berichts über die Quantenmechanik zögere ich, solche Bemühungen zugunsten dieses umfangreicheren Bandes aufzugeben – aber ich würde auf jeden Fall empfehlen, alle derartigen Berichte mit Vorsicht zu behandeln, bis Sie diesen gelesen haben.
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