Vier Regeln für Physiker

Das aktuellen Paradigma in der Wissenschaft stellt eine Reihe von Anforderungen an eine physikalische Theorie. Mir fallen vier traditionelle Kriterien oder Regeln ein, die eine Theorie erfüllen muss, um mit diesem Paradigma konform zu gehen:

1.) Konsistenz: Die Theorie darf keine Widersprüche aufweisen.
2.) Nachprüfbarkeit in Experimenten; nach Karl Popper reicht sogar die Falsifizierbarkeit aus: Man muss mindestens ein mögliches Experiment angeben können mit mindestens einem möglichen Versuchsausgang, bei dem man die Theorie als falsch verwerfen würde.
3.) Kausalität: Eine Ursache muss ihrer Wirkung stets vorangehen. Informationsübertragung bzw. Zeitreisen in die Vergangenheit müssen ausgeschlossen sein.
4.) Physikalismus: Die Theorie muss unabhängig davon gelten, ob das physikalische System beobachtet wird oder nicht. Ein beobachtendes Bewusstsein kann als Vorstellungsstütze herangezogen werden, muss aber aus der Theorie letztendlich entfernt werden. Die Theorie muss physikalisch völlig geschlossen sein.

Eine Theorie, die sich mustergütig in dieses Schema einfügt, ist die spezielle Relativitätstheorie (SRT) Einsteins. Zum einen ist sie mathematisch und physikalisch völlig konsistent. Ein Wechsel von einem Inertialsystem ( = mit gleichförmiger Geschwindigkeit bewegtes System) ins nächste wird durch eine mathematisch wohldefinierte Vorschrift, eine sogenannte Lorentztransformation, beschrieben. Dabei verändert sich sowohl die Zeit- als auch die Raummessung, und zwar umso stärker, je schneller die beiden Systeme sich voneinander wegbewegen. Wenn sich die Geschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit nähert, wird dieser Effekt am stärksten. Zum zweiten gibt es inzwischen eine ganze Reihe von Experimenten, die die SRT mit hoher Genauigkeit bestätigen konnten. Moderne Atomuhren können die winzigen Zeitunterschiede messen, wenn sie relativ zu einer „ruhenden“ Uhr bewegt werden, selbst wenn die Geschwindigkeiten sehr klein im Verglich zur Lichtgeschwindigkeit sind. Aber auch Messungen an Elementarteilchen, die sich mit nahe Lichtgeschwindikeit bewegen, stimmen mit den Vorhersagen der SRT überein.

Im Prinzip sind auch Geschwindigkeiten größer als die Lichtgeschwindigkeit mit der SRT konsistent. Hypothetische Teilchen, die sich mit Überlichtgeschwindikeit bewegen, sog. Tachyonen, sind postuliert worden, aber bisher existieren keine experimentellen Hinweise, ob sie existieren oder nicht. Was aber viel gravierender ist, ist, dass man mit der Überlichtgeschwindigkeit ein Problem mit Regel Nr. 3, der Kausalität bekommen würde: Mit Tachyonen wäre nach der SRT tatsächlich eine Signalübertragung in die Vergangenheit möglich! Um diesen Konflikt zu vermeiden, wurde in die SRT das Verbot der Überlichtgeschwindigkeit postuliert.

Damit erfüllt die SRT die Kriterien 1, 2 und 3. Wie steht es mit Regel Nr. 4? Einstein sprach zwar viel von Beobachtern, für die die Welt je nach Intertialsystem, in dem sie sich befinden, subjektiv unterschiedlich aussieht. Aber im Prinzip könnte man diese Beobachter auch durch bewusstseinslose Uhren und Messgeräte ersetzen. Sie würden auch dann weiterticken, wenn kein Beobachter anwesend ist. Tatsächlich behauptete Einstein, er glaube, dass etwas auch dann da ist, wenn niemand es beobachtet. Ob er das auch wirklich glaubte, oder ob er log, sei dahingestellt. Auf jeden Fall kann man davon ausgehen, dass er ein Physikalist war, und deshalb konnte er auch recht zufrieden mit seiner Theorie sein. Probleme bekam er erst mit der Quantentheorie aus einem Grund, auf den wir später noch zurückkommen werden.

Schwieriger wird es bereits mit der Theorie, die die SRT um die Gravitation erweitert, der allgemeinen Relativitätstheorie (ART). Diese hat erst bei sehr großen Gravitationsfeldern eine Wirkung, die man auf der Erde nicht mehr beobachten kann. Zwar ist die erste Näherung der ART bereits im Gravitationsfeld der Erde messbar (das GPS-System basiert darauf), aber die volle Theorie lässt sich nur anhand von astronomischen Beobachtungen der Gravitationsfelder sehr massenreicher Sterne und Galaxien überprüfen. Das ist bereits eine deutlich schwächere Form der experimentellen Überprüfbarkeit. Bei „echten“ Experimenten hier auf der Erde kann man durch Versuchsaufbauten gezielt Fragen stellen, was man bei reinen Beobachtungen nicht kann. Außerdem treten bei der ART bereits schon die ersten Problem mit Regel Nr. 1, der Konsistenz auf. Sie führt nämlich in „schwarzen Löchern“ zwangsläufig zu sog. Singularitäten, an denen physikalische Größen gegen unendlich gehen, wie Roger Penrose und Stephen Hawking herausfanden. Noch schwieriger wird es bei der Urknalltheorie, die man ebenfalls aus der ART konstruiert hat. Hier sind nicht einmal mehr direkt Beobachtungen zur Überprüfung möglich, sondern nur Rück-Extrapolationen von Beobachtungen auf einen hypothetischen Anfangszeitpunkt.

Nun möchte ich zur Quantentheorie kommen. Sie hat ja mittlerweile auch schon 100 Jahre auf dem Buckel und hat sich in ihren grundlegenden Prinzpien seit den 1920er Jahren nicht mehr verändert. Zwar wurde sie seitdem ständig ausgebaut und auf viele weitere Gebiete der Physik angewendet, aber die Prinzipien sind dieselben geblieben. Und zwar deshalb, weil sie die eingangs genannten Kriterien 1, 2 und 3 erfüllt, und zwar vermutlich besser, als sämtliche anderen Theorien in der Physik. Was die experimentelle Überprüfbarkeit betrifft, so ist es tatsächlich möglich, Experimente so konstruieren, dass sie gezielt formulierte Fragen an das quantenmechanische System stellen. In der Tat ist die Freiheit, die Fragen festzulegen, bereits im Gedankengebäude der Quantentheorie enthalten! Erst in der November-Ausgabe des „Physik-Journal“ der Deutschen Physikalischen Gesellschaft las ich, dass die Quantentheorie in einem neuen Experiment („Interferenz am Dreifachspalt“) wieder mit sehr hoher Genauigkeit bestätigt wurde. Auch sind keine Fälle bekannt, in denen die Quantentheorie in Konflikt mit der Konsistenz oder der Kausalität geriet.

Der Punkt ist aber, dass es trotz etlicher Versuche niemals gelungen ist, die Quantentherie mit Regel Nr. 4, dem physikalistischen Standpunkt, zu vereinbaren. Was auch der Grund für Einsteins Bauchschmerzen mit dieser Theorie war. Nach der Quantenetheorie ist ein physikalisches System vollständig durch seinen Quantenzustand beschrieben. Trotzdem deuten alle Quantenphänomene, wie Verschränkung, Nichtlokalität, Dekohärenz, die Quantenteleportation und das Verbot des Kopierens eines Quantenzustandes, darauf hin, dass der Quantenzustand eindeutig mehr ist, als nur der physikalische Zustand des Systems. Der Quantenzustand beschreibt sowohl den physikalischen Zustand, als auch das Wissen, das wir von ihm haben. Man könnte das so interpretieren, dass der Quantenzustand einen materiellen und einen geistigen Aspekt hat, die untrennbar miteinander verbunden sind, was natürlich ein krasser Bruch mit dem Physikalismus ist. Versucht man, den Quantenzustand auf konsistente Weise rein physikalisch zu interpretieren, bekommt man entweder Probleme mit der Kausalität (Regel Nr. 3) oder der experimentellen Überprüfbarkeit (Regel Nr. 2). Die sog. Bohmsche Deutung der QT nimmt an, dass die Quantentheorie eine statistische Näherung einer vollständog deterministischen Theorie ist. Das bedeutet aber, dass mit Hilfe weit voneinander entfernter verschränkter Teilchen Signalübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit möglich wäre was nach der SRT wie bereits erwähnt mit der Kausalität bricht. Die andere Möglichkeit, den Physikalismus zu wahren, die sog. Vielwelten-Interpretation, nimmt an, dass nach der Quantendekohärenz eines Quantenzustandes nach einem Messvorgang alle Möglichkeiten in „Paralleluniversen“ nebeneinander realisiert sind, was jedoch unmöglich durch Experimente oder Beobachtungen „in der realen Welt“ nachprüfbar ist.

Mein Standpunkt ist der, dass man heute nur dann noch wirklich in der Naturwissenschaft fortschreiten könnte, wenn man den Physikalismus, Regel Nr. 4 für physikalische Theorien, endlich verwirft. Das würde möglicherweise endlich den Weg zur Lösung des berühmten Messproblems der Quantentheorie ebnen. Die anderen 3 Regeln sollte man meiner Ansicht nach aufrechterhalten. Da jedoch aus politischen (nicht aus wissenschaftlichen!) Gründen immer noch versucht wird, diese Regel aufrecht zu erhalten, sind viele Wissenschaftler bereit, lieber die experimentelle Überprüfbarkeit, und vielleicht letzten Endes sogar die Konsistenz zu opfern, um Forschungsgelder zu bekommen. Und das gilt nicht nur für die Physik…

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