Grenzen der Quantenmechanik

Eine wesentlicher Anteil der Beiträge für diesen Blog beschäftigt sich mit der Quantentheorie. Ich habe diese Theorie im Physikstudium kennen gelernt, bin dann aber aufgrund einer freien Entscheidung davon abgekommen, und bin in der Klimatologie gelandet. Dort musste ich feststellen, dass die zugrunde liegende Theorie vollständig auf der Newtonschen Physik aufbaut, die seit 100 Jahren, also seit dem Aufkommen der Quantentheorie veraltet ist. Nun, für die Wettervorhersage mag dies durchaus gerechtfertigt sein. Das Wetter spielt sich in einem Bereich ab, in dem Quantenphänomene (und die Phänomene, die nach der Relativitätstheorie bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit auftreten), nicht berücksichtigt zu werden brauchen, da sie keinen messbaren Einfluss auf die Vorhersageergebnisse haben. Da sich die Modelle, die für die Simulation des Klimas – also die langjährige Statistik über das Wettergeschehen – verwendet werden, sich nur sehr wenig von den Wettervorhersagemodellen unterscheiden, scheint die Annahme ebenfalls Gültigkeit zu haben. Trotzdem – mit diesen Modellen werden alle Aussagen über das Klima hier und anderswo stets der eingeschränkten Weltsicht der Newtonschen Physik unterworfen sein. Da helfen auch die größten, schnellsten und teuersten Computer der Welt nichts. Hier geht es nicht um Quantität (noch mehr Klimasimulationen, noch komplexere Klimamodelle, die immer mehr Komponenten des Klimasystems mit immer genaueren Parametrisierungen der einzelnen Prozesse simulieren können), sondern um Qualität: Den Übergang vom Newtonschen Paradigma zu dem Paradigma, das durch die Quantenphysik definiert wird. Eine genaue Beschreibung, was dieser Übergang bedeutet, ist z. B. in meinem Blog mit den Übersetzungen einiger Aufsätze von H. P. Stapp und meiner Rezension des Buches von Natalie Knapp nachzulesen.

Trotz meines Wechsels zur Klimawissenschaft ist mein Interesse an der Quantenphysik niemals abgeflaut. Die QT ist zwar aus mittlerweile fast allen Gebieten der Physik nicht mehr wegzudenken, aber trotzdem ist es vollkommen unverständlich, dass sie immer noch unverstanden ist – eigentlich ein untragbarer Zustand. Wir tappen immer noch im Dunkeln mit der Frage, wie der Übergang von des physikalisch beschreibbaren quantemnechanischen Zustandes – oft schlicht als “Wellenfunktion” bezeichnet – zu der Welt aussieht, die wir erleben. Beide Welten scheinen sich völlig zu widersprechen, was bereits Schrödinger durch seine berühmte Katze veranschaulichte: In der physikalisch beschreibbaren Welt der Quantenmechanik gibt es Superpositionen aus lebenden und toten Katzen. Dagegen gibt es in unsere Erfahrungswelt nur ein entweder-oder. Wie konnte eine solch absurde Theorie bis heute überleben, in der Form, in der sie in den 1920er Jahren entwickelt wurde? Ganz einfach: Man fügte der physikalischen Beschreibung, die durch die sog. Schrödingergleichung oder mathematisch äquivalente Formulierungen gegeben ist, noch eine weitere Rechenvorschrift hinzu: Eine einfache statistische Formel, die Wahrscheinlichkeit und den Wert von Messergebnissen (merke: Messergebnisse = Erfahrungen) exakt richtig wiedergibt. Diese Rechenvorschrift, die sog. “Bornsche Deutung”, beschreibt den nicht näher definierten “Kollaps” bzw. Die “Reduktion” des Quantenzustandes, und bis heute ist kein Experiment bekannt, in dem die Anwednung der beiden Komponenten der Quantenmechanik, also der Schrödingengleichung und der Reduktion der Wellenfunktion, falsche Erbenisse lieferten.

Auf der anderen Seite konnte bisher niemand eine zufrieden stellende Theorie liefern, die ohne Schrödingers-Katzen-Zustände auskommt. Versuche in diese Richtung gab es allerdings genügend. Die bekanntesten gehen wohl auf Einstein zurück: Er glaubte, dass die Formulierung der QM wiedersprüchlich ist, und dass es eine deterministische Theorie geben müsse, die vollständig ist, trotzdem aber die statistischen Aussagen der QM richtig wiedergibt. Einsteins Kontrahent Nils Bohr dagegen vertraute völlig in die mathematische Beschreibung der QM und versuchte vergeblich, Einstein von dessen Widerspruchsfreiheit zu überzeugen.

Trotzdem sind wir heute weiter als Einstein und Bohr damals. Beide erlebten die Veröffentlichung von John Bell im Jahr 1964 nicht mehr: Bell bewies, dass es, die von Einstein gesuchte Theorie gar nicht möglich ist, vorausgesetzt die Quantentheorie stimmt. Anders herum ausgedrückt, jede deterministische Theorie, in der weit voneinander entfernte Teilchen keinen direkten Einfluss aufeinander haben (so etwas wird heute üblicherweise als “lokal-deterministische” Theorie bezeichnet), Voraussagen macht, die unter gewissen Umständen der Quantentheorie widersprichen muss. Diese Umstände konnten in mittlerweise zahlreichen Experimenten hergestellt werden, und jedesmal wurden die Voraussagen der Quantentheorie bestätigt. Das heißt, es konnte experimentell bewiesen werden, dass die “Natur” (was auch immer das sein soll) – völlig entgegen unserer menschlichen Intuition – nicht lokal-deterministisch ist. Selbst wenn doch noch Experimente gefunden werden, in denen Abweichungen von der QT gefunden würden – die Eigenschaft der Nichtlokalität in der Natur ist bestätigt, und jede mögliche Nachfolgetheorie der QT muss sie beinhalten. Ich schrieb bereits in früheren Einträgen darüber, z.B. über die von Lucien Hardy konstruierte Situation. Man braucht eine Weile, um die weltbilderschütternden Konsequenzen dieser Erkenntnis zu verstehen – mir ging es jedenfalls so: Ich begann es erst halbwegs zu verstehen, seitdem ich nicht mehr hauptberuflich Physik betreibe…

Erstaunlich ist die Tatsache, dass Einstein, Bohr, und ihre Zeitgenossen den Bell’schen Lehrsatz nicht selbst entdeckten. Mathematisch gesehen ist dieser Beweis nämlich ziemlich simpel – jedenfalls im Vergleich zu dem Zeug, womit sich diese Herrn im Laufe ihres Lebens sonst so beschäftigten. Für die Experten: Das einfachst mögliche Quantensystem ist das sog. “Qbit”, das mathematisch durch eine 2×2-Matrix beschrieben wird. Für den Beweis des Satzes braucht man lediglich die Beschreibung zweier verschränkter Qbits, was durch einen 4×4-Matrix möglich ist. Der Bellsche Satz zeigt, dass die Quantenmechanik geeignet ist, zu beweisen, dass die Welt nicht lokal funktioniert. Warum das so ist, da haben wir immer noch keinen blassen Schimmer… Darauf scheint uns die Quantentheorie keine Antwort zu liefern.

Troztdem zeigte sich, fast 50 Jahr nach Bell, dass die Quantentheorie noch mehr Antworten über die Quantennatur geben kann: Erst im letzten Jahr 2012 enschien eine Arbeit in “Nature Physics”, in dem bewiesen wurde, dass ein quantenmechanischer Zustand mehr ist, als eine reine Wahrscheinlichkeitsaussage. Bisher wäre es denkbar gewesen, dass ein und derselbe physikalische Zustand von zwei verschiedenen Beobachtern durch zwei unterschiedliche Quantenzustände ausgedrückt werden könne, wenn sie über unterschiedlichen Informationen verfügen. Um das zu veranschaulichen, könnte man sich vorstellen, dass zwei Personen die folgenden unterschiedlichen Informationen über das Wetter von heute in Hamburg verfügen: Der eine hat vielleicht die Information “Tageshöchsttemperatur 25 °C, leichter Westwind”, der andere dagenen “leicht bewölkt, keine Niederschläge”. Beide haben eine korrekte, aber unterschiedliche Beschreibung ein und desselben physikalischen Zustands. Wäre möglich, dass es analog möglich ist, dass zwei verschiedene Quantenzustände ein und dasselbe Quantensystem korrekt beschreiben können? Wäre das so, wäre ein Quantenzustand eine rein “epistemische” Beschreibung der physikalischen Realität. Die Autoren des besagten Artikels, namentlich Pusey, Barrett und Rudolph, zeigten jedoch – ausschließlich mit Hilfe der Quantenmechanik – dass genau dies nicht möglich ist. Der Beweis ist nur unwesentlich komplizierter als derjenige des Bellschen Satzes. Kaum zu glauben, dass noch 80 Jahre nach der Entwicklung der Quantenmechanik noch derart fundamentale Aussagen auf mathematisch einfache Weise aus dieser Theorie heraus zu holen sind. Erst heute entdeckte ich eine neue Arbeit, die sich auf diesen Beweis bezieht und behauptet, noch stärkere Aussagen machen zu können (muss ich mir erst noch ansehen). Man darf gespannt sein, ob es noch mehrere unentdeckte, rein aus der Quantenmathematik beweisbare, starke Aussagen über die Natur der Quanten gibt.

Alle genannten Sätze haben jedoch die Gemeinsamkeit, Aussagen darüber zu machen, was die Quantennatur nicht ist (engl. no-go theorem): Nicht-lokal, nicht-epistemisch usw.. Wozu die Quantenmathematik anscheinend nicht geeignet ist, ist, uns positive Antworten zu geben, wie z.B. auf die Frage, warum wir in unserer Erfahrung niemals Schrödingers-Katzen-Zustände sehen können. Ich finde, es ist an der Zeit, eine geeignete Nachfolgetheorie der QM zu finden, die das kann. Das wir natürlich dadurch erschwert, dass manche Wissenschaften die Quantenmechanik immer noch ablehnen obwohl das inzwischen völlig irrational ist. Dazu gehören u.a. die Neurowissenschaften, die Medizinische Wissenschaft usw., obwohl diese sogar Methoden verwenden, die auf der Quantentheorie basieren, wie die Kernspintomographie usw..

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Du bist nicht dein Gehirn

Letztens habe ich mir ein paar youtube Videos über Quantenmechanik und Hirnforschung angesehen. Hier ist eine Vorlesungsseminar von Jeffrey Schwartz und Henry Stapp zum Thema „du bist nicht dein Gehirn“:

http://www.youtube.com/watch?v=uF-PVmJh2Ps (Teil 1)
http://www.youtube.com/watch?v=vHT4__YZjy4 (Teil 2)
http://www.youtube.com/watch?v=V21RvDJDDUk (Teil 3)
http://www.youtube.com/watch?v=dFFM9STfuaY (Teil 4)
http://www.youtube.com/watch?v=ja8POmU418k (Teil 5)

Habe leider keine deutsche Übersetzung. Besonders bezeichnend find ich die Empfehlung von Jeffrey Schwartz am Anfang der Serie an angehende Wissenschaftler: Wenn es euch um die Sache geht, gratuliere. Dann seid ihr hier genau richtig. Wenn es euch aber darum geht, Karriere zu machen, dann geht jetzt lieber raus und macht was anderes, denn seiner Erfahrung nach nutzt eine Beschäftigung mit diesem Thema der Karriere nicht. Das glaube ich ihm sofort! Siehe auch hier: Der Materialismus stimmt nicht:

Manchmal denke, diese Art von Wissenschaft ist die einzige, die noch übrig ist. Eigentlich sollte man sich als Wissenschaftler nur noch mit diesem Thema beschäftigen.

Ein wohlwollendes Universum?

Henry Stapp hat eine neue Arbeit zur Quantentheorie auf seine Homepage gestellt. Anscheinend handelt es sich um die Einleitung zu einem neuen Buch. Ich habe mir erlaubt, den Text (größtenteils) zu übersetzen. Das Original findet sich hier.

Ein wohlwollendes Universum?
von Henry P. Stapp

Kümmert sich die Natur darum, wie wir uns fühlen? Zeigen ihre Handlungen irgendeine Sorge für unsere Freuden und Sorgen? Die gegenwärtige grundlegende physikalische Theorie sagt nein, aber eine anwanchsende Menge empirischer Forschung legt nahe, dass die als zufällig angenommenen Entscheidungen der Natur von menschlichen Gefühlen beeinflusst ist.

Bevor sich die moderne Naturwissenschaft durchsetzte, gab es den weit verbreiteten Glauben, dass die Natur, in die wir eingebettet sind, trotz der oft stattfindenden und für die Menschen katastrophalen Ereignisse, gelegentlich positiv auf unseren Gefühlszustand antwortet. Dann, zu Beginn des 18. Jahrhunderts, erklärten die Wissenschaftler, aufbauend auf den Ideen Isaac Newtons, die Natur zu einem ausschließlich mechanischen Prozess, der unser Leben mit einer brutalen Rücksichtslosigkeit gegenüber menschlichen Gedanken, Ideen und Gefühlen bestimmt.

Dieses mechanische Konzept der Natur wuchs aus der früheren Auffassung von Rene Descartes, dass es bestimmte Eigenschaften der Natur gibt, die besonders gut für eine mathematische Analyse geeignet sind. Diese sind die sogenannten physikalischen Eigenschaften. Es sind die Aspekte der Natur, die durch Zuschreibung mathematischer Eigenschaften auf Punkte in Raum und Zeit beschrieben werden können. Descartes unterschied diese physikalischen Eigenschaften von der psychischen Realität, die von unseren Gedanken, Ideen und Gefühlen geformt wird. Eine typische physikalische Eigenschaft ist die Position eines Teilchens zu einem bestimmten Zeitpunkt im dreidimensionalen Raum; oder die Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Teilchens. Eine typische psychische Realität ist die Erfahrung von Schmerz, wenn eine Person eine heiße Herdplatte berührt; oder das Erleben der Röte beim betrachten eines Feuerwehrautos; oder das Gefühl der moralischen Abscheu beim Betrachten einer brutalen Tat.

Descartes akzeptierte die Idee, dass die psychologische Realität mit den physikalischen Prozessen im Gehirn der Person, in dessen Bewusstsein die geistige Realität stattfindet, in Beziehung steht. Aber er glaubte, dass diese psychologische Realität sich wesentlich von den physikalischen Eigenschaften unterscheidet. Dieser Unterschied ist die berühmte Cartesianische Trennung zwischen Geist und Materie.

Isaac Newton, der auf Descartes Ideen aufbaute, spezialisierte sich auf die physikalische Eigenschaften, und entdeckte die mathematischen Gesetze, die auf sehr detaillierte Weise die Bewegung der Planeten im Sonnensystem, den Orbit des Mondes um die Erde, die Gezeiten, und fallende Äpfel, sowie eine Reihe andere beobachteter Eigenschaften der physikalischen Welt beschreiben. Diese Newtonschen Gesetze würden, falls sie tatsächlich wahr wären, die gesamte Geschichte des physikalischen Universums determinieren, vorausgesetzt, es gäbe einen genau definierten Anfangszustand. Daher engen Newtons Gesetze ein effektives Eingreifen in das physikalische Universum auf die bloße Wahl der Anfangsbedingungen und der (als zeitlos angenommenen) physikalischen Gesetze der Bewegung ein. Diese beiden Vorgaben zusammen würden dann die Entwicklung des gesamten physikalischen Universums für alle Zeiten festlegen.

Zweihundert Jahre lang wurde den Philosophen dieses wissenschaftliche Dogma aufgezwungen, das uns, als kausale Agenten, zu bloßen Automaten reduziert, in dem unsere Vernunft und unsere moralischen Gefühle unmöglich unsere körperlichen Handlungen von dem Pfad abweichen lassen können, der durch die physikalischen Aspekte der Natur alleine vorgegeben ist. Die Macht der Natur wurde auf ähnliche Weise eingeschränkt: Außer am Anfangspunkt wurde kein effektives Eingreifen in das sich deterministisch entwickelnde physikalische Universum erlaubt.

Dann, während des ersten Viertels des 20. Jahrhunderts, wurden eine Reihe empirischer Beobachtungen gemacht, die mit der grundlegenden Auffassung der klassischen Physik nicht vereinbar waren. Diese frühere Theorie der Natur wurde auf der fundamentalen Ebene durch eine neue Theorie ersetzt, die auf radikal verschiedenen Grundlagen fußte.

Die neue Theorie namens Quantenmechanik wurde von ihren Begründern im Wesentlichen als eine Vorgehensweise präsentiert, um statistische Korrelationen zwischen „empirischen Ereignissen“ vorherzusagen, die man als einen Zuwachs an Wissen in unserem Bewusstsein betracheten kann. Auf diese Weise wurde „unser Wissen“, dass vorher als ein für die Physik nicht relevanter Nebeneffekt angesehen wurde, zu der eigentlichen Wirklichkeit, um die die gesamte Theorie herum aufgebaut wurde. Der mathematische beschriebene Zustand des physikalischen Universums wandelte sich von seiner früheren Rolle als die Repräsentation der Realität an sich, zu einem mathematischen Bewertungssystem, dass statistische Korrelationen zwischen experimentellen Ereignissen beschreibt.

Dieses pragmatische, oder praktische, Konzept der Quantenethorie wird die „Kopenhagener“ Interpretation genannt, weil es aus Diskussionen zwischen Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolgang Pauli und anderen hervorging, die Niels Bohr in seinem Institut in Kopenhagen um sich versammelte. Einige Jahre später wurde die ursprüngliche Version von dem berühmten Mathematiker und Logiker John von Neumann in eine mathematisch stringentere Form umformuliert.

Von Neumanns Formulierung, die sogenannte „orthodoxe“ Interpretation, kann als Beschreibung angesehen werden, die eine physikalische und eine geistige Welt beinhaltet, die miteinander wechselwirken. In dieser Version der Quantentheorie beschreibt der Quantenzustand nur den physikalischen Teil der Realität. Dieser beinhaltet Körper und Gehirne von „Agenten“. Diese Agenten sind sowohl innerhalb der physikalischen Welt Handelnde als auch bewusste Beobachter. Der Quantenzustand kann als eine Beschreibung gewichteter Wahrscheinlichkeiten, oder als „Möglichkeitsraum“, für das Auftreten psycho-physischer Ereignisse verstanden werden. Diese Ereignisse sind gleichzeitig sowohl ein „Anwachsen an Wissen“ im Bewusstseinsstrom der Agenten, als auch die damit verbundenen Veränderungen in deren Gehirn. Diese Geist-Gehirn Beziehung ist eine Realisation von Descartes Idee, dass der Geisteszustand im Bewusstsein einer Person mit den korrespondierenden physikalischen Ereignissen in dessen physikalischen Gehirn verknüpft ist.

Eine wichtge Eigenschaft der orthodoxen Quantentheorie ist die Wirksamkeit menschlicher geistiger Intentionen auf die Physik. Gewollte mentale Ereignisse treten in unserer bewussten Erfahrung auf, und sie spielen eine Schlüsselrolle in der Theorie. Dennoch legen die Gesetze der Quantentheorie nicht eindeutig fest, welche wahrgenommenen Ereignisse in einer gegebenen Situation tatsächlich auftreten werden. Deshalb gibt es eine kausale Lücke in der Theorie: Die gegenwärtig bekannten Gesetze bestimmen – unter vorgegebenen physikalischen Bedingungen – nicht, welches Ereignis tatsächlich eintreten wird. Folglich lässt die Theorie Raum für kausal wirksame geistige Einwirkungen auf das physikalische Universum.

Eine verwandte Eigenschaft der orthodoxen Quantentheorie ist, dass willentliche geistige Ereignisse, die im Bewusstsein einer Person auftreten, im Einklang mit den erwähnten orthodoxen Gesetzen, in der Lage sind, willentlich die wahrgenommenen körperlichen Handlungen dieser Person zu beeinflussen. Demnach muss innerhalb der orthodoxen Quantentheorie der „freie Wille“ nicht länger als die „Illusion“ betrachtet werden, als die die klassische Mechanik ihn erklärte.

Die Respektierung der Macht unserer eigenen willentlichen Handlungen innerhalb der physikalischen Welt ist selbstverständlich die rationale Basis unserer aktiven Involvierung in die physikalische Welt. Eine Leugnung dieser Macht verrät die Rationalität selbst: Wie kann man auf vernünftige Weise die Energie und die Anstrengung aufbringen, um für seine gefühlten Werte und bewusst erreichten Schlussfolgerungen gegen starke Widerstände zu handeln, während man gleichzeitig aufrichtig daran glaubt, dass alles, was geschieht, seit Beginn des Universums durch einen mechanischen Prozess determiniert ist, der alles geistige vollständig ignoriert?

Kausal wirksame Intentionen treten im quantenphysikalischen Prozess via einer damit verbundenen Auswahl an möglichen „Versuchshandlungen“ [Anmerkung Chris: Eine bessere Übersetzung von „probing actions“ ist mir nicht eingefallen. Gemeint ist eine Handlung, mit der etwas „ausprobiert“ wird] ein. Jede solche Handlung initiiert eine physikalische Fragestellung über bestimmte Eigenschaften der umgebenden physikalischen Welt. Es sind die phsycho-physischen Handlungen, und die Antwort der Natur auf sie, die nach den orthodoxen Regeln eine dynamische Verbindung herstellen zwischen der Erfahrung, die ein menschlicher Handelnder/Beobachtender macht, und den physikalischen Eigenschaften des Universums, in dem er lebt.

Jede Versuchshandlung initiiert einen Prozess, der eine positiv empfundene Antwort liefert, oder auch nicht. Solch eine positive Antwort ist das Auftreten eines wahrnehmbaren Ereignisses im Bewusstsein des Beobachters. (Damit die Versuchshandlung Information an den Handelnden zurückgeben kann, muss die erwartete positive Antwort eine Erfahrung sein, die der Handelnde wahrnehmen kann.) Ob diese erwartete Antwort gegeben wird oder nicht, muss natürlich, zumindest teilweise, davon abhängen, ob die spezifische Eigenschaft der umgebenden physikalischen Welt präsent ist oder nicht. Damit ist durch diesen zweiteiligen Prozess, der zum einen aus einer bestimmten Fragestellung und zum anderen aus dem Erhalt oder Nicht- Erhalt einer Antwort der Natur besteht, der Geist des Beobachtenden/Handelnden in der Lage, mit den Eigenschaften der umgebenden physikalischen Welt Kontakt aufzunehmen, und diese zu beeinflussen. Dieses Konzept der Natur liefert ein rationales Verständnis der Rolle des Universums und unseres Geistes, welches das klassische Konzept nicht liefert.

Ein eng verwandtes Thema, auf das dieses Buch konzentrieren wird, ist die „Quantenunsicherheit“. Selbst wenn der Quantenzustand des Universums vollständig festgelegt ist, ist die Antwort auf die Versuchshandlung einer Person normalerweise nicht vollständig festgelegt. Die Entscheidung darüber, ob eine positive Antwort auftritt, oder nicht, wurde von Paul Dirac, einem der Architekten der Quantenmechanik, als „Entscheidung seitens der Natur“ bezeichnet. Die Entscheidung der Natur darüber, was im Einzelfall tatsächlich geschehen wird, ist, ebenso wie die von einem Menschen gewählte Versuchshandlung, nicht durch die Gesetze der Quantenmechanik determiniert. Folglich sind in diesem spezifischen Sinne sowohl der Mensch als auch die Natur frei Handelnde.

In der Orthodoxen Quantentheorie werden diese „Entscheidungen seitens der Natur“ als vollständig zufällig postuliert. Das bedeutet, dass die Theorie den möglichen Antworten der Natur auf jede wohldefinierte Versuchshandlung statistische Gewichte (Wahrscheinlichkeiten) zuordnet. Jedoch wird für jeden individuellen Einzelfall angenommen, dass es für die Auswahl der Antwort keinerlei Ursache gibt: Es wird angenommen, dass eine bestimmte Antwort einfach „vom Himmel fällt“, ohne dass die Natur irgend einen Grund dafür hat, sich so zu entscheiden, wie sie sich entscheidet.

Diese Auffassung, dass die Entscheidungen der Natur wirklich zufällig sind, ist ziemlich seltsam. Wie kann etwas geschehen, ohne dass es irgendeinen Grund dafür gibt, dass es geschieht, anstelle von etwas anderem? Und wenn es für die Entscheidung über das, was geschieht, keinerlei Grund gibt, wie kann das dann zu berechenbaren statistischen Regelmäßigkeiten führen?

Es gibt eine sehr starke empirische Beweislage für die Gültigkeit der Vorhersagen der Quantenmechanik. Diese Vorhersagen beruhen direkt auf der Annahme, dass die Entscheidung seitens der Natur, ob eine positive Antwort gegeben wird, exakt das statistische Gewicht hat, das von den Quantenregeln vorgegeben wird. Dennoch gibt es regelmäßig Berichte über klare Verletzungen der quantenmechanischen Regeln.

Diese Phänomene wurden von herausragenden Wissenschaftlern mit Methoden untersucht, die gängigen wissenschaftlichen Standards genügen. Dennoch erfüllen die berichteten Phänomene nicht den Erwartungen, die aus einem klassisch mechanistischen Konzept des Universums gezogen werden würden. Wissenschaftliche Koriphäen wie William James und Sir William Crookes sind nur zwei von vielen herausragenden Wissenschaftlern, die ernsthaft Phänomene studiert haben, die jenseits des Spektums einer rein mechanistischen Weltanschauung liegen. Das exzellente Buch „Irreducible Mind“ von Edward und Emily Kelly und anderen, bietet einen nüchternen Überblick über solche wissenschaftliche Studien.

All diese Berichte auszuwerten, und sie von einer kritischen wissenschaftlichen Perspektive aus gesehen auf Glaubwürdigkeit und Signifikanz zu prüfen, ist eine enorme Arbeit. Ein solches Vorhaben liegt weit jenseits des Rahmens dieses Buches, das sich aber mit einigen prinzipiellen Fragen beschäftigen soll, auf die im Rahmen der Daten, die in einem einzigen kürzlich erschienenen wissenschaftlichen Artikel erschienen sind, sinnvoll eingegangen werden kann. Die angesprochene Arbeit berichtet von acht verschiedenen empirischen Befunden, die allesamt augenscheinlich die übliche Vorstellung von Kausalität verletzen, nämlich das Prinzip, dass kausal wirksame Information stets vorwärts in der Zeit fließt; und dass das, was „jetzt“ geschieht, nicht durch zukünftige, effektiv indeterministische Ereignisse beeinflusst werden kann. Ein Ereignis ist „effektiv indeterministisch“, wenn es auf zufällige Weise durch einen Prozess zustande kommt, der von einem Zufallszahlengenerator kontrolliert wird.

Ich behaupte nicht die logische Unmöglichkeit einer „I-Ching-Typ“ Dynamik. Damit meine ich eine Dynamik, in der scheinbar unabhängige Wahlen, die von scheinbar unverbundenen Zufallsereignissen getroffen wurden, dennoch auf eine Weise miteinander korreliert sind, die völlig jenseits aller normalen Vorstellungen von Kausalität liegt. Mein Ziel ist hier vielmehr, zu klären, wie die acht scheinbar retrokausalen Effekte, die in diesem einzen Artikel beschrieben sind, allesamt auf natürliche, sinnvolle, und vorwärts-kausale Weise erklärt werden können, indem man die meiner Ansicht nach unnatürliche Vorstellung aufgibt, dass die Entscheidungen der Natur rein zufällig in dem Sinne sind, dass das, was im Einzelfall geschieht, aus keinem sinnvollen Grund geschieht. Alle berichteten empirischen Beobachtungen, die im genannten Artikel beschrieben sind, können direkt im Sinne einer vorwärts in der Zeit verlaufenden Kausalität erklärt werden, indem man erlaubt, dass die Natur machmal leicht tendenziös gegen die orthodoxen Vorhersagen entscheidet, zugunsten positiver Erfahrungen, und zu ungunsten negativer Erfahrungen.

Der beschränkende Zugang, nur die Ergebnisse zu betrachten, die in einem einzigen Artikel erschienen sind, hat den Vorteil, die Menge der empirischen Daten, die erklärt werden müssen, zu begrenzen. Leser, die mit dem großen Umfang an Literatur über diese Phänomene nicht vertraut sind, können auf diesen einzelnen Artikel zurückgreifen, ohne vor der gewaltigen Aufgabe zu stehen, einen Berg an wissenschaftlichen Berichten auszuwerten.

Natürlich kann ein einzelner Artikel, der über diese Effekte berichtet, nicht ernst genommen werden, wenn er nur allein betrachtet wird. Aber die dort genannten Experimente wurden durch eine lange Reihe früherer Experimente motiviert, die über Anomalien dieser Art berichteten, und können als deren Weiterentwicklung betrachtet werden.

Der Artikel, um den es geht, liefert eine Sammlung an psychologischen Experimenten von offenbar hoher Qualität. Er passierte den Begutachtungsprozess einer anerkannten psychologischen Zeitschrift, und wurde von einem hoch angesehenen Phychologen, Daryl J. Bem an der Univertität Cornell geschrieben.

[Anmerkung Chris: Stapp bezieht sich im folgenden Teil, den ich hier weggelassen habe, auf psychologische Experimente, die von dem Psychologen Daryl J. Bem in einem wissenschaftlichen Artikel veröffentlicht wurden. Die statistisch signifikanten Ergebnisse dieser Studien deutet Bem als „retrokausale Effekte“, was soviel bedeutet wie, dass Ursache und Wirkung zeitlich vertauscht auftreten; dazu gehört z.B. die „Erinnerungen“ an Ereignisse, die noch nicht stattgefunden haben, weil sie erst nach der Befragung der Testperson durch einen Zufallsgenerator ausgelöst werden.

Stapp erkennt die Ergebnisse dieser Studie an, schlägt jedoch eine andere Interpretationsmöglichkeit vor: Antstatt von Retrokausalität zu sprechen, bevorzugt es die Vorstellung, dass die Natur auf die von den Versuchspersonen erwarteten Resultate positiv (im Sinne der Versuchsperson) antwortet:]

Der genannte Neigung der Natur, Entscheidungen zugunsten positiver Emotionen und zu ungunsten negativer Emotionen, ist lediglich ein 2% oder 3% Effekt — obwohl er bei Persönlichkeiten, die auf der Basis einer vor dem Experiment durchgeführten Befragung als „extrovertiert“ eingestuft wurdem, gut doppelt so groß war. Die geringe Größe dieses Effekts legt jedoch nahe, dass die Empfindlichkeit auf menschliche Emotionen stark von der beherrschenden „Gleichgültigkeit“ der Natur dominiert wird. Daher kann diese Neigung zugunsten positiver Emotionen als zu gering erachtet werden, um all die Widrigkeiten abzuwehren, die gelegentlich über uns kommen, kollektiv und individuell.

Eine Neigung der Natur, wie sie in Bems Experimenten zutage tritt, würde einen Bruch in unserem wissenschaftbasierten Verständnis der Natur und unsere Rolle in ihr bedeuten, der mit dem Sprung von der klassischen Mechanik zur Quantenmechanik vergleichbar ist.

Das wesentliche Anliegen dieses Buches ist folglich, zu klären, wie die berichteten Phänomene, die scheinbar der gesamten Struktur der vorwärts in der Zeit gerichteten Kausalität der orthodoxen Quantenmechanik widersprechen, auf natürliche Weise erklärt werden können, ohne die normale Vorstellung von Ursache und Wirkung zu verletzen, einfach indem die Forderung, dass die Entscheidungen der Natur rein zufällig sind, gelockert wird. Eine Lockerung dieser Forderung erlaubt der Natur, leicht zugunsten menschlicher Emotionen zu entscheiden. Es ist weder unnatürlich, noch irrational, noch unwissenschaftlich, entweder der Natur einen Grund für die Entscheidungen, die sie fällt, zuzubilligen, oder eine Beziehung zwischen diesen Entscheidungen und einer geistigen Realität für möglich zu halten. Letztere ist von einer quantenmechanischen Perspektive aus betrachtet ein wesentlicher dynamischer Bestandteil der Realität als Ganzes.

Um solche Abweichungen von den bisher bekannten Gesetzen messen zu können, gilt es natürlich, die Variablen zu identifizieren, in denen die Abweichungen auftreten. Es wird argumentiert werden, dass, solange solche Variablen nicht identifiziert werden können, die orthodoxen Vorhersagen ihre Gültigkeit behalten sollen.

Anmerkung Chris: Hier argumentierte ich, dass in der Theorie der Quantenmechanik die Faktoren Wille, Notwendikeit und Zufall mehr oder weniger gleichberechtigt nebeneinander vorkommen. Wenn man die Quantentheorie so weiterentwickeln könnte, dass man einen dieser Faktoren rausschmeißen könnte, für welchen würde man sich entscheiden? Die Willensfreiheit zu eleminieren wäre keine gute Lösung für und Menschen, wie Stapp dargelegt hat. Das ist eher das Metier neoliberaler Philosophen und Gehirnforscher. Würde man dagagen die Notwendigkeit eleminieren, würde man die Wissenschaftlichkeit der Quantentheorie aufgeben: Es wären dann keine mathematischen Vorhersagen über zukünftige Ereignisse mehr möglich, die man an Experimenten überprüfen könnte, nicht einmal statistische. Auch keine gute Lösung. Deshalb würde ich mit Stapp konform gehen und am ehesten den Zufall opfern. Der Zufall hat per definitionem keinerlei Ursache. Als Menschen möchten wir aber den Sinn für etwas wissen, was geschieht. Wenn der menschliche Geist fähig ist, scheinbar zufälligen Ereignissen einen Sinn zuzuschreiben, der sich dann tatsächlich in der physikalischen Welt manifestiert, würde es sich lohnen, eine physikalische Theorie zu haben, die diese Fähigkeit respektiert.

Unschärferelation der Quantenmechanik

In fast allen Darstellungen der Quantentheorie wird der Heisenbergschen Unschärferaltion eine sehr große Bedeutung beigemessen. Warum eigentlich? Dazu hatte ich den folgenden Briefwechsel mit Hans-Joachim Heyer. Vielen Dank dafür!

Chris: Du schreibst öfters, dass du die Heisenbergsche Unschärferelation für eine Fälschung hälst. Kannst du das begründen? Im Physikstudium wird die Unschärferelation aus den Grundgleichungen der Quantenmechanik hergeleitet, sie ist eher so etwas wie eine Fußnote zur Quantentheorie. Deshalb ist es eigentlich verwunderlich, dass ihr so viel Bedeutung zugemessen wird.

Ich habe darüber nachgedacht, und sehe das so: Im Prinzip ist an der Formulierung der Quantentheorie nichts Unscharfes. Das einzige ist, dass sie für ein materialistisches Denken nicht greifbar ist. Die Unschärfe entsteht nur dann, wenn man versucht, die Vorhersagen der QT von einem „konventionellen“ materialistischen Standpunkt ausgehend zu interpretieren. Wenn man also versucht, die „höherdimensionale“ QT auf die niederdimensionale materialistische Vorstellung abzubilden, in der ein Teilchen unabhängig von irgend einem Beobachter durch den Raum fliegt. Du sagst ja auch oft, dass das materialistische Modell niederdimensional ist.

Man könnte dazu folgende Analogie verwenden: Wenn man ein Photo von einem dreidimensionalen Gebäude macht, was ja einer Abbildung auf eine zweidimensionale Fläche entspricht, kann man entweder den vorderen Teil des Gebäudes scharf abbilden, dann ist aber der hintere Teil unscharf – oder umgekehrt. Eine andere Analogie wäre ein Photo von einem fahrenden Auto: Wenn man eine kurze Belichtungszeit verwendet, bekommt man ein scharfes Bild, auf dem sich aber wegen der kurzen Belichtung viele Details nicht erkennen lassen. Oder man verwendet eine lange Belichtungszeit, dann wird zwar der Bildhintergrund gut abgebildet, aber das fahrende Auto ist verschmiert. In diesem zweiten Beispiel hätten wir die Gesamtsituation um die Dimension der Zeit reduziert.

Trifft das in etwa das, was du meinst?

Hans-Joachim: Die Analogien, die du anführst, sind durchaus sehr brauchbar. Allein, was ich meine, ist noch etwas Anderes:

Es ist die menschliche Intention, die Absicht, der Wille, der entscheidet, wie sich Materie organisiert. Überall, wo man heute einen Zufall sieht, – wo es also angeblich mindestens 2 gleichwertige Fortsetzungen einer Entwicklung gibt – kann der Wille eines bewussten Wesens die Entscheidung herbeiführen. Die Fälschung, die Heisenberg im späteren Leben mitgetragen hatte, ist die, dass er den Einfluss des Willens aus der Theorie entfernt und durch die Unschärferelation ersetzt hat. Er hat die Quantentheorie für den Materialismus zurechtgemacht. Er tat nun so, als ob der Wille Teil des natürlichen (materialistischen) Prozesses sei, eine der Materie inhärente Eigenschaft. Er hat das gemacht, was du unten mit deinen Analogien beschreibst: als ob ein mechanischer Prozess wie zB beim Fotografieren mit unterschiedlichen Brennweiten usw. vorläge.

Was meinst du dazu?

Chris: Was die Unschärferelation angeht, bin ich mir nicht ganz sicher, ob ich dir zustimmen kann oder nicht. Ich wollte dir diese Frage stellen, weil ich letztens ein interessantes neues Buch mit dem Titel „Der Quantensprung des Denkens – was wir von der modernen Physik lernen können“ gelesen habe. Ich habe dazu auch etwas unter http://willensfreiheit.blog.de/2011/08/06/buchbesprechung-quantensprung-denkens-natalie-knapp-11618765/ darüber geschrieben. Die Autorin kritisiert darin den Materialismus und schreibt, dass die Erkenntnisse der Quantentheorie uns helfen könnten, dass materialistische Denken zu überwinden. Trotzdem misst sie der Unschärferelation einige Bedeutung zu, die auch ein wichtiger Bestandteil der Kopenhagener Deutung der Quantentheorie ist. Worauf das Buch leider nicht eingeht, ist das Problem der Willensfreiheit.

Ich sehe aber nicht ganz, dass die Unschärferelation die Natur ausschließlich in Notwendigkeit und Zufall auflöst. Die Willensfreiheit ist nach wie vor ein wichtiger Bestandteil: Die U. sagt nämlich aus, dass es von der Wahl des Beobachters abhängt, ob den Ort oder den Impuls eines Teilchens misst. Je nachdem welche Entscheidung er fällt, lernt er etwas z.B. über den Ort , während er keine klare Aussage über den Impuls machen kann, oder umgekehrt. Diese Unschärfe gibt es aber nur auf der Erscheinungsebene, nämlich wenn man sich das Teilchen als eine vollständig materielle kleine Kugel vorstellt, die sich zu jedem Zeitpunkt an einem klar definierten Ort im Raum befindet. In der QT ergibt diese Vorstellung jedoch keinen Sinn, sie ist vielmehr nur eine Hilfestellung für Wissenschaftler, die nur materialistisch denken gelernt haben. Unter diesem Gesichtspunkt könnte die Unschärferelation als Hilfestellung zu verstehen sein.

Man könnte die Unschärferelation aber auch dazu verwenden, um die QT für den Materialismus recht zu machen, wie du schreibst. Materialistische Hirnforscher schreiben z.B. gerne, dass die Quantenphysik im Prinzip für Gehirnprozesse keine Rolle spielt, sondern dass die Unschärferelation nur so etwas wie ein zufälliges Rauschen im deterministisch arbeiteden Gehirn erzeugen würde. Das wäre allerdings eine völlige Fehldarstellung der Quantentheorie.

Die besten Erklärungen zur Quantentheorie habe ich bei Henry Stapp gefunden (siehe z.B. http://willensfreiheit.blog.de/2011/03/10/serie-quantentheorie-teil-1-henry-stapp-10803281/ ), der auch nicht davor zurückschreckt, die Willensfreiheit zu verteidigen, und erklärt, dass die QT konsistent mit der Vorstellung eines freien Willens ist. Allerdings scheint die Unschärferelation bei Stapp keine besondere Bedeutung zuzukommen. Ich werde noch einmal darüber nachdenken müssen.

Hans-Joachim: Was ich meine, ist, dass die „moderneren“ Deutungen versuchen, ohne Geist auszukommen und sämtliche Prozesse in die Erscheinungsebene projizieren. Aber was kommt dabei heraus, wenn man die Willensfreiheit in die materielle Ebene projiziert? Was sind die Erscheinungen des Willens? – Es sind scheinbare Sachzwänge und Zufälle. Rückwirkend betrachtet, musste das Geschehene dann geschehen sein. Wenn in einem anderen beobachteten Fall trotz identischer Voraussetzung etwas anderes geschieht, schiebt man es dem Zufall in die Schuhe.

Chris: Danke für deine Erläuterungen. Ich glaube, auch manche Versionen der sog. „Vielweltendeutung“ haben die Absicht, den Geist aus der Physik zu eliminieren, indem sie versuchen, ohne den „Kollaps des Quantenzustandes“ auszukommen, der außerhalb der Physik stattfinden muss. Sie versuchen, ein vollständig geschlossenes Weltbild zu konstruieren, in dem es keine Willensfreiheit geben kann. Das ist aber bisher niemandem gelungen.

Hans-Joachim: Die Q.T. ist m.E. nahe dran an dem, was ich für die Wahrheit halte, aber es ist schon überraschend, wie strikt die Verwendung des Begriffes „Geist“ vermieden wird. Auch die Einflussnahme des Physikers auf das Experiment, die weit über die intendierte Einflussnahme hinausgeht, wird m.E. heruntergespielt oder nicht gesehen. Ich denke, unser Unterbewusstsein ist unmittelbar verschränkt mit der Quantenwelt.

Buchbesprechung: "Der Quantensprung des Denkens" von Natalie Knapp

Als ich letztens im Urlaub in einer ziemlich gewöhlichen Buchhandlung – ich glaube, es war ein „Hugendubel“ – etwas herumstöberte, fiel mein Blick irgendwo zwischen dem Bereich Naturwissenschaften und Wirtschaft auf ein Buch mit dem Titel „Der Quantensprung des Denkens – was wir von der modernen Physik lernen können“ (Rohwolt Taschenbuch Verlag, Mai 2011). Ein kurzer Blick auf den Klappentext und in das Buch machte mir klar, dass es in diesem Buch um genau das Thema ging, das ich inzwischen für das Hauptthema meines (zugegebenermaßen etwas vernachlässigten) Blogs halte: Nämlich die Quantenphysik als die (wahrscheinlich) einzige etablierte wissenschaftliche Disziplin, die den Rahmen des „konventionellen“ (auf die Newtonsche Physik zurückgehenden) Denkens des neuzeitlichen Europas sprengt, und uns helfen könnte, den immer notwendiger werdenden Schritt des Umdenkens meistern zu können. Auch andere Systeme könnten das, wie die großen spirituellen philosophischen Systeme dieser Welt, die aber leider sehr unter Beschuß geratend sind und mehr und mehr durch Lehranstalten, Medien, und berufliche Zwänge aus dem Leben der Menschen hinausgedrängt werden.

Spontan kaufte ich das Buch, für den günstigen Preis von 9,99 Euro, und las es in kurzer Zeit durch. Mein Eindruck ist sehr positiv. Die Autorin möchte der Allgemeinheit in einer einfachen Sprache die wesentlichen Erkenntnisse der Quantenphysik erklären. Das klappt auch recht gut, da – das ist zumindest auch mein Verständnis – diese Erkenntnisse vielmehr eine philosophische Bedeutung haben, als eine rein wissenschaftliche, und sie diese philosophischen Implikationen gut vermitteln kann, ohne auf physikalisches und/oder mathematisches Verständnis zurückgreifen zu müssen. Populärwissenschaftliche Bücher, die die naturwissenschaftliche Bedeutung der QT behandeln, gibt es ja mehr als genug. Die philosophische Bedeutung behandeln einige wenige. Aber ein Buch, dass daraus auch noch Schlussfolgerungen für unser Alltagsdenken und dessen direkten Einfluss auf unser praktisches Leben zieht – das ist nun wirklich etwas Neues!

Obwohl mir das meiste, was im Buch über die Quantentheorie erzählt wird, bereits bekannt war, gibt es auch einige Details, die mir doch neu waren. Zum Beispiel was den geschichtlichen Hintergrund der Entwicklung der QT betrifft. Es wird auch eine gut verständliche Einführung in verschiedene philosophische Systeme der Neuzeit gegeben, von der ich ebenfalls einiges lernen konnte. Das ist allerdings auch kein Wunder, denn Naturwissenschaftler haben bekanntlich üblicherweise ein mangelhaftes Wissen von Philosophie. Auch der Bereich Psychologie kommt nicht zu kurz, wie z.B. die Tatsache, dass das Newtonsche Weltbild seit ein paar Jahrhunderten derart fest in der Seele der Menschen der westlichen Welt verankert ist, dass die meisten das gar nicht mehr bemerken und dieses Weltbild für die objektive Realität halten.

Die drei bekanntesten Interpretationen der Quantentheorie werden besprochen: Die Kopenhagener Deutung, die sich am radikalsten von dem „konventionellen“ Newtonschen Denken und der Vorstellung von einer objektiven Welt verabschiedet, die Vielweltinterpretation, die selbst von den seltsamsten Vorstellungen nicht zurückschreckt, um eben dieses Weltbild zu retten, und die deterministische Bohmsche Quantenmechanik, die von einer objektiven gegebenen, aber holistischen „Hologramm-Welt“ inklusive überlichtschneller Informationsübertragung ausgeht. Ich finde es positiv, dass die Autorin sich dabei nicht für eine Interpretation und gegen die anderen ausspricht, sondern klar auf die unterschiedlichen Bedeutungen, Vorteile und Probleme der einzelnen Theorien eingeht. Früher war ich mal Anhänger der Kopenhagener Interpretation und ging davon aus, dass die anderen falsch sind. Heute denke ich, dass alle Interpretationen ihren wahren Kern haben, über den es sich nachzudenken lohnt. Obwohl ich z.B. immer noch denke, dass die Vielwelteninterpretation einige Fälschungen enthält, aber das nur nebenbei.

Was das Buch wirklich so empfehlenswert macht, sind die konkreten Übungen für das tägliche Leben. Der Leser wird ermutigt, zunächst sein Denken zu ändern, was sich dann auch früher oder später auf das Handeln das persönliche Leben auswirken wird. Wenn immer mehr Menschen diese Stufe erreicht haben, wird sich das auch auf die Politik und die Wirtschaftsweise auswirken. Sogar die Nachdenkseiten werden hinten im Buch empfohlen, als Beispiel für die Anwendung eines neuen Denkens auf die Politik.

Kritikpunkte und Erweiterungsvorschläge zum Thema des Buches habe ich auch ein paar, aber die lasse ich jetzt erst einmal weg und verschiebe sie evtl. auf den nächsten Eintarg. Sie ändern nichts daran, dass ich das Buch sehr empfehlen möchte, sowohl für Physik-interessierte mit oder ohne Hintergundwissen, als auch für alle anderen, die daran interessiert sind, ein offenes Denken zu erlernen / zu bewahren.

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…

Placebo

Vergangenes Wochenende las ich eine Arbeit des Physikers Henry Stapp (Quelle in englischer Sprache), in der er argumentiert, dass der Placeboeffekt viel besser zur Quantenphysik kompatibel ist, als zum Paradigma der klassischen Physik. Das Bild des Körpers als Maschine passt eher zu letzterem. Danach ist auch die Vorstellungswelt des Menschen nur ein Teil dieser Maschine, die vollständig nach physikalischen Gesetzen im Gehirn abläuft. Etwas nicht-materielles jenseits dieser geschlossenen physikalischen Welt kann es entweder nicht geben, oder selbst wenn es existierte, kann es nicht von außen in das physikalische Geschehen eingreifen. Dieses Paradigma ist immer noch das vorherrschende in der Medizin. Die Philosophen nennen es heute den Physikalismus. Demnach kann etwas nicht-materielles wie die Bedeutung des gesprochenen Wortes, die die Voraussetzung für die Funktionsweise des Placeboeffekts ist, keinen Einfluss auf das Schmerzempfinden des Patienten haben. Da die Wirkung von Placebo jedoch nachgewiesen ist, bringt dies die Vertreter dieses Paradigmas — meistens handelt es sich dabei um Lobbyisten der Pharmaindustrie — in Verlegenheit. Sie versuchen, den Effekt als Kausalkette physikalischer Prozesse darzustellen: Irgendwie geartete Prozesse im Gehirn des Arztes wirken auf dessen Sprachzentrum und führt zur Aussprache von Worten, die über Schallwellen an das Ohr des Patienten gelangen. Dort werden Prozesse im Gehirn der Patienten angeregt, die dann, wie oder warum auch immer, auf die Schmerzrezeptoren wirken, so dass der Schmerz nachlässt. Eine wirkliche Erklärung ist dadurch jedoch nicht möglich, da das Wesentliche dabei gar nicht auftritt, nämlich die Vorstellung im Gehirn des Arztes und des Patienten, dass es sich bei dem materiell eigentlich unwirksamen Placebo um ein Heilmittel handelt.

Das Quantenparadigma dagegen schließt nichtphysikalische Wirkungen auf die physikalische Welt nicht aus. Tatsächlich ist die Quantenmechanik in ihrer lehrbuchmäßigen Form nur dann konsistent, wenn man für den quantenmechanischen Messprozess dem Beobachter des Systems die Wahlfreiheit zugesteht, wie das Experiment durchgeführt wird. Die Messung ist nicht-physikalisch, sie ist selbst nicht Teil des Systems. Andererseits ist das Messergebnis durch den Akt der Messung determiniert. Das nicht-physikalische Bewusstsein des Beobachters wirkt auf die Physik. In diesem Kontext ist der Placebo-Effekt auf eine viel natürlichere Weise verständlich: Die Bedeutung der gesprochenen Worte hat einen Effekt auf den physischen Körper des Patienten. Eine vollständige Erklärung ist dies zwar ebenfalls nicht, aber es geht hier viel eher darum, inherhalb welchen physikalischen Paradigmas der empirisch nachgewiesene Placebo-Effekt überhaupt vorstellbar ist. Tatsächlich weist Stapp immer wieder darauf hin, dass die Physik schon lange Zeit weiß, dass die klassische Physik falsch ist. Trotzdem wird der Physikalismus aus politischen Gründen unter Ignorierung aller empirischer Fakten weiter am Leben gehalten.

Ich glaube auch, dass ein Verständnis der Placebo-Effekts der Schlüssel zum Verständnis der Wirkungsweise der Homöopathie sein könnte, obwohl viele Homöopathen es wohl nicht gerne hören, wenn man die Wirksamkeit der Homöopathie in Zusammenhang mit dem Placebo-Effekt bringt. Es ist durchaus möglich, dass es sich dabei um mehr handelt als nur um Placebo, aber gewisse Ähnlichkeiten in der Wirkweise kann man wohl annehmen. Und selbst wenn es sich nur um Placebo handelt, ist die Homöopathie damit trotzdem wirksam. Deshalb ist die derzeit wieder aufflammende Diskriminierung (im Gegensatz zu sicherlich berechtigter ehrlicher Skepsis) der Homöopathie von „Spiegel“ & Co ungerechtfertigt und der Verdacht drängt sich auf, dass dies nur wieder im Sinne der großen Pharmakonzerne ist.

Willensfreiheit

Jetzt komme ich einmal zu dem Thema, das ich mir für die Namensgebung meines Tagebuches herausgesucht habe. Aus dem Alltag kennen wir drei grundlegend verschiedene Ursachen für Ereignisse:
1. Die Notwendigkeit (Kausalität): Hier handelt es sich um eine mechanische Ursache. Die Ursache dafür, dass der Wecker um 7 Uhr klingelt, ist, dass das Uhrwerk so eingestellt wurde und nach vorausberechenbaren Gesetzmäßigkeiten abläuft. Die Ursache für eine Sonnenfinsternis ist, dass Mond, Erde und Sonne sich nach den Gravitationsgesetzen umeinander bewegen. Die Notwendigkeit als Erklärung von Phänomenen hat spätestens seit Newton der Naturwissenschaft zum Siegeszug verholfen.
2. Der Zufall: Wenn wir keine kausale Ursache für ein Ereignis kennen, sagen wir, es hat sich zufällig ereignet. Man muss allerdings zwischen einem „scheinbaren“ und einem „echten“ Zufall unterscheiden. Ein scheinbarer Zufall wäre ein Ereignis, das eigentlich eine kausale Ursache hat, die wir aber entweder nicht kennen, oder die zu komplex ist, um sie zu erfassen. Ein Beispiel für einen solchen scheinbaren Zufall wäre der Wurf eines Würfels: Wenn man alle auf den Würfel wirkenden Kräfte kennen würde, könnte man das Wurfergebnis vorausberechenen, aber das ist zu kompliziert, Darum erscheint das Wurfergebnis zufällig. Ein „echter“ Zufall dagegen, wäre ein Ereignis, für das im wirklichen Universum keine Ursache existiert. Echter Zufall ist meines Wissens nach nur in einer einzigen physikalischen Theorie möglich, nämlich in der Quantentheorie. Der Zufall als Erklärungsmodell hat sich in der Naturwissenschaft erst in der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts durchgesetzt: Einmal in der Physik, als Ludwig Boltzmann und James Clark Maxwell die Wärme als die zufällige Bewegung von Molekülen beschrieben, zum anderen in der Evolutionstheorie und dem guten alten Darwin, dessen Namen heut zu Tage wirklich keiner mehr hören kann.
3. Der Wille: Jeder, der noch halbwegs richtig tickt, geht beim Betrachten der Pyramiden von Gizeh davon aus, dass sie von jemadem genauso gewollt waren, wie sie da in der Wüste rumstehen. Die Pharaonen hatten offensichtlich den Plan dieser Pyramiden im Kopf, bevor diese dort standen. Wenn jemand den linken Arm hebt, kann man davon ausgehen, dass er genau dies wollte, solange er seinen Arm unter Kontrolle hat (was ja nicht in jedem Fall so sein muss). Im Falle, dass die Person gesund ist, würde kein vernünfiger Mensch auf die Idee kommen, die Ursache der Armbewegung auf Notwendigkeit und Zufall zu reduzieren, aber leider hat sich dieser Schwachsinn in der Hirnforschung, die sich als Naturwissenschaft verstehen, durchgesetzt. Dazu war sie gezwungen, da der Wille in der Naturwissenschaft als Erklärung unerwünscht ist. Einzige Ausnahme auch hier: Die Quantentheorie — zumindent in der gängigen Kopenhagener Interpretation und ihrer Abwandlungen. Der Wille ist die Fähigkeit eines geistigen Individuums, Ursache für Phänomene in der physikalischen Welt zu sein, ohne selbst physikalische Ursachen zu haben. Hier spielt der Dualismus Geist/Physik hinein.

In der Naturwissenschaft sind, wie bereits erwähnt, die Ursachen 1 und 2 Gang und Gäbe. Was Kausalität und Zufall betrifft, ist sie völlig rational. Was jedoch Nr. 3, den Willen betrifft, befindet sie sich auf Kindergarten-Niveau. Der Wille ist in einem Fall „pfui“, im anderen plötzlich Pflicht und darf nicht geleugnet werden. Pfui ist er, wie bereits erwähnt, in der Hirnforschung: Dort wird einfach vorausgesetzt, dass alle Phänomene des Bewusstseins auf physikalische Prozesse vom Typ 1 und 2 im materiellen Gehirn zurückgeführt werden können, und daraus wird trivialerweise gefolgert, dass es drei nicht geben kann. Big deal — das ist seit über 100 Jahren nichts wesentlich Neues — trotzdem wird so getan, als ob Spielereien wie das Libet Experiement so eine Sensation sei. Ein weiterer Zweig, in der der Wille Pfui ist, ist die Evolutionstheorie. Jeder der, in welcher Form auch immer, darüber ins Zweifeln kommt, ob das Entstehen von Leben und der Artenvielfalt auf der Erde andere Ursachen als 1 und 2 haben könnten, kriegt von Richard Dawkins‘ Rapper Truppe eins auf den Deckel.

Pflicht dagegen ist die Einbeziehung des Willens beispielsweise bei erwähnten Klimaforschung. Hier muss der Mensch als ursachenlose Ursache von Katastrophen aller Art angesehen werden. Ja was denn nun? Ich dachte, der Mensch ist auch nur das Ergebnis von zufälligen Mutationen + natürlicher Auslese? Bitte, sach ich ja: Kindergartenniveau eben.

Wie ich bereits erwähnte, gibt es unter den physikalischen Wissenschaften eine (möglicherweise sogar die einzige) löbliche Ausnahme, die mittlerweile auch schon das 100-jährige Jubiläum hinter sich hat: Die Quantentheorie. In ihrer gängigen Interpretation treten alle drei Ursachenarten 1, 2, und 3 in gleichberechtigter Weise auf. Der QT habe ich vor mittlerweise drei Jahren den Rücken gekehrt, und trauere ihr heute auch manchmal nach. In späteren Einträgen möchte ich aber noch einmal auf diese zurückkommen.

Eine andere wichtige Frage, die noch behandelt werden muss, ist auch, warum sich die etablierte Wissenschaft mit der Frage nach dem Willen so dämlich anstellt. In anderen Worten könnte man auch fragen, wer hat die Wissenschaft aufgekauft und ihr den Geist/Willen ausgetrieben?