KAPITEL 3. Quantenphysik und der Tod des materiellen Realismus
Vor fast einem Jahrhundert wurden in der Physik eine Reihe experimenteller Entdeckungen gemacht, die eine Änderung unserer Weltanschauung erforderten. Was diese Experimente enthüllten, waren, um es mit den Worten des Philosophen Thomas Kuhn zu sagen, Anomalien, die die klassische Physik nicht erklären konnte. Diese Anomalien ebneten den Weg für eine Revolution im wissenschaftlichen Denken.
Stellen Sie sich vor, Sie wären ein Physiker an der Schwelle eines neuen Jahrhunderts. Eine der Anomalien, die Sie und Ihre Kollegen verstehen möchten, betrifft die Art und Weise, wie erhitzte Körper Strahlung abgeben. Als Newtonscher Physiker glauben Sie, dass das Universum eine klassische Maschine ist, die aus Teilen besteht, die sich nach den Gesetzen der Newtonschen Mechanik verhalten, die fast alle vollständig bekannt sind. Sie glauben, dass Sie mit all den Informationen über die Teile und den wenigen verbleibenden Schwierigkeiten bezüglich der Gesetze die Zukunft des Universums für immer vorhersagen können. Diese wenigen verbleibenden Schwierigkeiten sind jedoch unangenehm. Sie sind nicht bereit, Fragen zu beantworten, die beispielsweise das Strahlungsgesetz erhitzter Körper betreffen.
Stellen Sie sich vor, während Sie sich über diese Frage den Kopf zerbrechen, sitzt Ihre Frau bequem neben Ihnen vor einem brennenden Kamin.
Sie (murmeln): Ich kann es einfach nicht verstehen.
Sie : Gib mir die Nüsse.
Sie (verrückt ): Ich kann einfach nicht verstehen, warum wir jetzt nicht ein Sonnenbad nehmen.
Sie (lacht): Na ja, das wäre schön. Vielleicht haben wir sogar einen Grund, im Sommer den Kamin zu benutzen.
Sie: Sehen Sie, die Theorie besagt, dass die Strahlung des Kamins genauso reich an ultraviolettem Licht sein sollte wie Sonnenlicht. Aber was macht das Sonnenlicht und nicht das Kaminlicht reich an diesen hohen Frequenzen? Warum bräunen wir uns jetzt nicht mit einem UV-Bad?
Sie: Warten Sie bitte. Damit ich mir das ernsthaft anhören kann, müssen Sie etwas langsamer werden und es erklären. Was ist Frequenz? Was ist Ultraviolett?
Sie: Entschuldigung. Die Frequenz ist die Anzahl der Zyklen pro Sekunde. Dies ist ein Maß dafür, wie schnell eine Welle schwingt. Für Licht bedeutet das Farbe. Weißes Licht besteht aus Licht unterschiedlicher Frequenz oder Farbe. Rot ist niederfrequentes Licht und violett ist hochfrequentes Licht. Ist die Frequenz noch höher, handelt es sich um eine unsichtbare schwarze Farbe, die wir Ultraviolett nennen.
Sie: Okay, also müssen sowohl das Licht von brennendem Holz als auch das Licht der Sonne viel ultraviolette Strahlung enthalten. Leider gehorcht die Sonne Ihrer Theorie, das Verbrennen von Holz jedoch nicht. Vielleicht ist das Verbrennen von Holz etwas Besonderes …
Sie: Eigentlich ist es sogar noch schlimmer. Alle Lichtquellen, nicht nur die Sonne oder brennendes Holz, sollten große Mengen ultravioletter Strahlung erzeugen.
Sie: Ah, das wird langsam interessant. Ultraviolette Inflation ist allgegenwärtig. Aber folgt nicht auf jede Inflation eine Rezession? Sagt das Lied nicht, dass alles, was steigt, fallen muss? ( Sie beginnt wortlos zu summen.)
Du (genervt ): Aber wie?
Sie ( hält eine Schüssel mit Nüssen hin): Willst du ein paar Nüsse, Liebes?
(Das Gespräch endet.)
Planck macht seinen ersten Quantensprung
Ende des 19. Jahrhunderts. Viele Physiker waren enttäuscht, bis einer von ihnen den allgemeinen Trend durchbrach – es war Max Planck aus Deutschland. Im Jahr 1900 gelang Planck ein mutiger konzeptioneller Durchbruch, als er erklärte, dass die alte Theorie einen Quantensprung benötige (er entlehnte das Wort
Quantum, was „Quantität“ aus dem Lateinischen bedeutet). Die Emission von Licht von heißen Objekten – wie brennendem Holz oder der Sonne – wird durch Elektronen, winzige oszillierende elektrische Ladungen, verursacht. Diese Elektronen absorbieren Energie aus einer beheizten Umgebung, beispielsweise einem Kamin, und geben sie dann als Strahlung wieder ab. Dieser Teil der alten Physik war richtig, aber dann sagte die klassische Physik voraus, dass die emittierte Strahlung reich an Ultraviolett sein sollte, was unseren Beobachtungen widersprach. Planck verkündete (sehr mutig), dass das Problem der Emission unterschiedlicher Mengen ultravioletten Lichts durch die Annahme gelöst werden könne, dass Elektronen nur in bestimmten diskreten Anteilen Energie emittieren oder absorbieren, die er „Energiequanten“ nannte.
Um die Bedeutung eines Energiequants zu verstehen, betrachten Sie diese Analogie. Vergleichen Sie den Fall eines Balls, der eine Treppe hinunterrollt, mit dem Fall eines Balls, der eine schiefe Ebene hinunterrollt (Abb. 1), der jede Position auf der schiefen Ebene einnehmen und seine Position um jeden Betrag ändern kann. Das ist also ein Kontinuitätsmodell, das die Art und Weise darstellt, wie wir in der klassischen Physik denken. Im Gegensatz dazu kann sich ein Ball auf einer Treppe nur auf der einen oder anderen Stufe befinden; seine Position (und seine mit der Position verbundene Energie) wird „quantisiert“.
Zeichnung 1.
Quantensprung. Auf einer schiefen Ebene ist die klassische Bewegung einer Kugel kontinuierlich; Auf der Quantenleiter erfolgt Bewegung in Form diskreter Stufen (Quantensprünge).
Sie mögen einwenden: Was passiert, wenn der Ball von einer Stufe zur nächsten fällt? Nimmt er während seines Abstiegs nicht Zwischenpositionen ein? Hier kommt die Ungewöhnlichkeit der Quantentheorie ins Spiel. Für eine Kugel auf einer Leiter muss die Antwort natürlich positiv sein, für eine Quantenkugel (Atom oder Elektron) liefert Plancks Theorie jedoch eine negative Antwort. Eine Quantenkugel kann niemals in einer Zwischenposition zwischen zwei Schritten gefunden werden; er ist entweder auf dem einen oder dem anderen. Das ist Quantendiskontinuität.
Warum kann man sich an einem Holzkamin nicht bräunen lassen? Stellen Sie sich ein Pendel im Wind vor. Normalerweise schwingt das Pendel in einer solchen Situation, auch wenn der Wind nicht sehr stark ist. Nehmen wir jedoch an, dass das Pendel Energie nur in diskreten Anteilen großer Größe absorbieren kann. Mit anderen Worten, es ist ein Quantenpendel. Was dann? Es ist klar, dass sich das Pendel nicht bewegen wird, wenn der Wind nicht in der Lage ist, die erforderliche hohe Energiesteigerung in einem Schritt zu erzeugen. Durch die Aufnahme geringer Energiemengen kann nicht genügend Energie angesammelt werden, um die Schwelle zu überwinden. So ist es auch mit oszillierenden Elektronen in einem Kamin. Kleine Quantensprünge erzeugen niederfrequente Strahlung, hochfrequente Strahlung erfordert jedoch große Quantensprünge. Ein großer Quantensprung muss durch eine große Energiemenge in der Umgebung des Elektrons verursacht werden; Die Energie der Holzverbrennung in einem Kamin ist einfach nicht stark genug, um die Bedingungen für die Erzeugung großer Mengen blauen Lichts zu schaffen, geschweige denn ultraviolettes Licht. Aus diesem Grund kann man sich am Kamin nicht bräunen.
Soweit wir wissen, war Planck ein ziemlich traditioneller Wissenschaftler und zögerte, seine Ideen über Energiequanten öffentlich zu machen. Er erledigte seine Mathematik sogar im Stehen, wie es damals in Deutschland üblich war. Die Konsequenzen seiner innovativen Idee gefielen ihm nicht besonders; Den Wissenschaftlern, die die Revolution noch viel weiter vorantreiben sollten, wurde jedoch klar, dass sie auf eine völlig neue Art des Verständnisses unserer physischen Realität hinwiesen.
Einsteins Photonen und Bohrs Atom
Einer dieser Revolutionäre war Albert Einstein. Als er seine erste Forschungsarbeit zur Quantentheorie veröffentlichte, arbeitete er als Angestellter im Patentamt in Zürich (1900). Einstein stellte die damals populäre Idee der Wellennatur des Lichts in Frage und stellte die Hypothese auf, dass Licht in der Idee eines Quants – eines diskreten Energiebündels – existiert, das wir heute Photon nennen. Je höher die Lichtfrequenz, desto mehr Energie hat jeder Strahl.
Ein noch größerer Revolutionär war der dänische Physiker Niels Bohr, der 1913 die Idee des Lichtquantums nutzte, um die Hypothese zu formulieren, dass die gesamte Atomwelt voller Quantensprünge sei. Uns allen wurde beigebracht, dass das Atom wie ein Miniatur-Sonnensystem ist, dass Elektronen den Kern umkreisen, ähnlich wie die Planeten die Sonne. Es könnte Sie interessieren, dass dieses vom englischen Physiker Ernest Rutherford vorgeschlagene Modell einen entscheidenden Fehler aufwies, den Bohrs Arbeit korrigierte.
Stellen Sie sich einen Schwarm umlaufender Satelliten vor, die regelmäßig mit Weltraumraketen von der Erde aus gestartet werden. Diese Satelliten existieren nicht für immer. Durch die Kollision mit der Erdatmosphäre verlieren sie Energie und verlangsamen ihre Bewegung. Ihre Umlaufbahnen verengen sich und sie fallen schließlich auf die Erde (Abb. 2).
Zeichnung 2.
Die Umlaufbahnen von Satelliten, die die Erde umkreisen, sind instabil. Die Bahnen der Elektronen verhalten sich im Rutherford-Modell des Atoms auf die gleiche Weise.
Nach der klassischen Physik würden auch die den Atomkern umgebenden Elektronen durch die kontinuierliche Emission von Licht Energie verlieren und schließlich in den Atomkern fallen. Daher ist das Planetenmodell des Atoms instabil. Allerdings schuf Bohr (der angeblich das Planetensystem des Atoms in einem Traum sah) mithilfe der Idee eines Quantensprungs ein stabiles Modell des Atoms.
Nehmen wir an, sagte Bohr, dass die Bahnen der Elektronen diskret sind, wie Plancks Energiequanten. Man kann sich die Bahnen dann als eine Energieleiter vorstellen (Abb. 3). Sie sind stationär – die Menge ihrer Energie bleibt unverändert. Während sie sich in diesen quantisierten Umlaufbahnen befinden, emittieren Elektronen kein Licht. Ein Elektron emittiert nur dann ein Lichtquant, wenn es von einer Bahn mit höherer Energie auf eine Bahn mit niedrigerer Energie springt (von einer Sprosse der Leiter mit höherer Energie auf eine Stufe mit niedrigerer Energie). Wenn sich ein Elektron also auf der Umlaufbahn mit der niedrigsten Energie befindet, gibt es kein niedrigeres Niveau, zu dem es springen kann. Diese Grundkonfiguration ist stabil und das Elektron hat keine Chance, in den Kern zu fallen. Alle Physiker begrüßten Bohrs Atommodell mit einem Seufzer der Erleichterung.
Zeichnung 3.
Bohrs Umlaufbahn und Quantensprung: a – quantisierte Bohr-Umlaufbahnen. Atome emittieren Licht, wenn Elektronen von einer Umlaufbahn zur anderen springen. b – Für Quantensprünge entlang der Energieleiter ist es nicht erforderlich, den Zwischenraum zwischen den Stufen zu durchlaufen
Bohr schnitt der Hydra der Instabilität den Kopf ab, aber an seiner Stelle wuchs ein anderer. Nach Bohr kann ein Elektron niemals irgendeine Position zwischen den Bahnen einnehmen; Wenn es also einen Sprung macht, muss es irgendwie direkt in eine andere Umlaufbahn wechseln. Dabei handelt es sich nicht um einen Orbitalsprung durch den Weltraum, sondern um etwas radikal Neues. Obwohl es verlockend sein könnte, sich den Sprung eines Elektrons als einen Sprung von einer Sprosse einer Leiter zur anderen vorzustellen, vollzieht das Elektron den Sprung, ohne den Raum zwischen den Sprossen zu überqueren. Stattdessen scheint es auf einer Stufe zu verschwinden und auf einer anderen wieder aufzutauchen – ohne kontinuierlichen Übergang. Darüber hinaus ist es unmöglich zu sagen, wohin er springen wird, wenn es mehr als eine niedrigere Stufe gibt, zwischen der er wählen kann. Es können nur probabilistische Vorhersagen getroffen werden.
Welle-Teilchen-Dualität
Möglicherweise ist Ihnen etwas Seltsames am Quantenkonzept des Lichts aufgefallen. Zu sagen, dass Licht in Form von Quanten, Photonen, existiert, bedeutet zu sagen, dass Licht aus Teilchen wie Sandkörnern besteht. Allerdings widerspricht eine solche Aussage weitgehend den Alltagserfahrungen, die wir im Umgang mit Licht machen.
Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Sie blicken durch den Stoff eines Stoffschirms auf eine entfernte Straßenlaterne. Sie werden keinen kontinuierlichen Lichtstrom sehen, der durch das Licht hindurchdringt, wie man es erwarten würde, wenn das Licht aus winzigen Partikeln bestünde (geben Sie Sand in ein Sieb und Sie werden sehen, was ich meine). Stattdessen sehen Sie ein Muster aus abwechselnd dunklen und hellen Rändern, das technisch als Interferenzmuster bezeichnet wird. Licht beugt sich in und um die Stofffäden und erzeugt ein Muster, das nur Wellen erzeugen können. So zeigt bereits unsere Alltagserfahrung, dass sich Licht wie eine Welle verhält.
Allerdings besteht die Quantentheorie darauf, dass sich Licht auch wie ein Strahl aus Teilchen oder Photonen verhält. Unsere Augen sind ein so wunderbares Instrument, dass wir die Quanten- und Körnigkeitsnatur des Lichts selbst beobachten können. Wenn Sie sich das nächste Mal in der Abenddämmerung von einem geliebten Menschen trennen, achten Sie darauf, wie Sie eine sich zurückziehende Gestalt sehen. Beachten Sie, dass der Umriss des sich entfernenden Objekts fragmentiert erscheint. Wenn die Lichtenergie, die von diesem Objekt reflektiert wird und auf die optischen Rezeptoren auf Ihrer Netzhaut trifft, eine wellenartige Kontinuität aufweist, dann sollte immer zumindest etwas Licht von jedem Teil des Objekts Ihre optischen Rezeptoren erregen. Sie würden immer das vollständige Bild sehen. (Zugegebenermaßen wäre der Kontrast zwischen Dunkel und Hell bei schlechten Lichtverhältnissen nicht sehr deutlich, aber die Klarheit der Umrisse würde dadurch nicht beeinträchtigt.) Stattdessen sehen Sie jedoch überhaupt keine klaren Umrisse, da die Rezeptoren in Ihren Augen reagieren auf einzelne Photonen. Schwaches Licht hat weniger Photonen als helles Licht; In dieser hypothetischen Dämmerungssituation werden also jeweils nur wenige Ihrer Rezeptoren stimuliert – zu wenige, um die Umrisse einer schwach beleuchteten Figur zu erkennen. Daher ist das angezeigte Bild fragmentiert.
Eine weitere Frage, die Sie sich vielleicht stellen, ist: Warum können Rezeptoren Daten nicht unbegrenzt speichern, bis das Gehirn genügend Informationen gesammelt hat, um alle fragmentierten Bilder zusammenzusetzen? Zum Glück für Quantenphysiker, die immer verzweifelt nach alltäglichen Beispielen für Quantenphänomene suchen, können optische Rezeptoren Informationen nur für Bruchteile einer Sekunde speichern. Bei schwachem Licht werden zu jedem Zeitpunkt nicht genügend Rezeptoren in Ihren Augen stimuliert, um ein vollständiges Bild zu erzeugen. Wenn Sie sich das nächste Mal von der schattenhaften, sich zurückziehenden Gestalt eines geliebten Menschen in der Abenddämmerung verabschieden, denken Sie daran, über die Quantennatur des Lichts nachzudenken. Dies wird sicherlich den Schmerz Ihrer Trennung lindern.
Wenn Licht als Welle betrachtet wird, kann es sich gleichzeitig an zwei (oder mehr Orten) befinden – wie es der Fall ist, wenn es durch die Löcher im Stoff eines Regenschirms geht und ein Beugungsmuster bildet; Wenn wir es jedoch auf einem fotografischen Film festhalten, erscheint es diskret, in einzelnen Flecken, wie ein Partikelstrom. Licht muss also sowohl eine Welle als auch ein Teilchen sein. Paradox, nicht wahr? Der Fall betrifft eine der Bastionen der alten Physik: die eindeutige Beschreibung in natürlicher Sprache. Darüber hinaus steht die eigentliche Idee der Objektivität auf dem Spiel: Hängt die Natur des Lichts – was Licht ist – davon ab, wie wir es beobachten?
Und als ob die Paradoxien rund um das Licht nicht schon herausfordernd genug wären, stellt sich unweigerlich eine weitere Frage: Kann ein materielles Objekt wie ein Elektron sowohl eine Welle als auch ein Teilchen sein? Kann er eine Dualität wie die Dualität des Lichts haben? Der Physiker, der diese Frage als Erster stellte und beharrlich positiv darauf antwortete, was alle seine Kollegen schockierte, war der französische Aristokrat Louis Victor de Broglie.
Materiewellen
Als de Broglie um 1924 seine Doktorarbeit schrieb, zog er eine Parallele zwischen der Diskretion der stationären Umlaufbahnen des Bohr-Atoms und der Diskretion der von einer Gitarre erzeugten Schallwellen. Die Parallele erwies sich als fruchtbar.
Stellen Sie sich die Bewegung einer Schallwelle in einem Medium vor (Abb. 4). Die vertikale Verschiebung der Partikel des Mediums ändert sich mit zunehmender Entfernung von Null zu einem Maximum (Grat), zurück zu Null, zu einem negativen Maximum (Tal), wieder zu Null und so weiter. Die maximale vertikale Verschiebung in eine Richtung (von Null zu einem Berg oder Tal) wird als Amplitude bezeichnet. Einzelne Partikel des Mediums bewegen sich relativ zu ihrer Ruheposition hin und her. Allerdings breitet sich eine Welle, die ein Medium durchläuft, aus. Eine Welle ist eine sich ausbreitende Störung. Die Anzahl der Kämme, die pro Sekunde einen bestimmten Punkt durchlaufen, wird Wellenfrequenz genannt, und der Abstand von Kamm zu Kamm wird Wellenlänge genannt.
Zeichnung 4.
Grafische Darstellung der Welle
Durch das Zupfen einer Gitarrensaite wird diese in Bewegung versetzt, die dabei entstehenden Schwingungen werden jedoch als stationäre (stehende Wellen) bezeichnet, da sie sich nicht über die Saite hinaus ausbreiten. An jedem beliebigen Ort der Saite ändert sich die Verschiebung der Saitenpartikel mit der Zeit: Es entsteht Welligkeit, die Wellen breiten sich jedoch nicht im Raum aus (Abb. 5). Die sich ausbreitenden Wellen, die wir hören, werden von stehenden Wellen vibrierender Saiten angetrieben.
Zeichnung 5.
Die ersten Harmonischen einer stationären oder stehenden Welle in einer Gitarrensaite
Eine Musiknote auf einer Gitarre besteht aus einer Reihe von Klängen – einem Spektrum von Frequenzen. De Broglie interessierte sich für die Tatsache, dass die stehenden Wellen einer Gitarrensaite ein diskretes Spektrum von Frequenzen erzeugen, die als Harmonische bezeichnet werden. Der Ton mit der niedrigsten Frequenz wird als erste Harmonische bezeichnet und bestimmt den Ton, den wir hören. Höhere Harmonische – die musikalischen Klänge, die einer Note ihre charakteristische Qualität verleihen – haben Frequenzen, die ein Vielfaches der ersten Harmonischen sind.
Stationarität ist eine Eigenschaft von Wellen in einem begrenzten Raum. Solche Wellen lassen sich leicht in einer Tasse Tee erzeugen. De Broglie fragte, ob die Elektronen eines Atoms lokalisierte (begrenzte) Wellen seien? Wenn ja, bilden sie diskrete stationäre Wellenmuster? Beispielsweise ist die niedrigste Atomumlaufbahn möglicherweise diejenige, bei der ein einzelnes Elektron eine stationäre Welle der niedrigsten Frequenz – die erste Harmonische – erzeugt, und höhere Umlaufbahnen entsprechen stationären Elektronenwellen höherer Harmonischer (Abbildung 6).
Zeichnung 6.
De Broglies Idee: Könnten Elektronen im begrenzten Raum eines Atoms nicht stationäre Wellen sein?
Natürlich stützte de Broglie wesentlich komplexere Argumente, um seine Idee zu untermauern, aber er hatte immer noch Schwierigkeiten, seine Dissertation zu genehmigen. Schließlich wurde es zur Überprüfung an Einstein geschickt. Einstein, der als erster die duale Natur des Lichts erkannte, hatte keine Schwierigkeiten zu erkennen, dass de Broglie durchaus Recht haben könnte: Materie könnte durchaus ebenso dual sein wie Licht. De Broglie erhielt seinen Abschluss, als Einstein seine Dissertation kommentierte: „Es mag verrückt aussehen, aber es ist tatsächlich logisch.“
In der Wissenschaft entscheidet immer das Experiment. Die Richtigkeit von de Broglies Vorstellung über die Wellennatur des Elektrons wurde durch ein Experiment hervorragend demonstriert, bei dem ein Elektronenstrahl durch einen Kristall (einen dreidimensionalen „Schirm“, der zur Elektronenbeugung geeignet ist) geleitet und fotografiert wurde. Das Ergebnis war ein Beugungsmuster (Abb. 7).
Zeichnung 7.
Konzentrische Beugungsringe zeigen die Wellennatur von Elektronen
„Wenn Materie eine Welle ist“, witzelte ein Physiker am Ende eines Seminars über de Broglie-Wellen im Jahr 1926 zu einem anderen, dann muss es eine Wellengleichung geben, die die Welle der Materie beschreibt. Der Physiker, der diese Bemerkung machte, vergaß sie sofort, aber derjenige, der sie hörte, Erwin Schrödinger, entdeckte später die Wellengleichung für Materie, die heute als Schrödinger-Gleichung bekannt ist. Es ist der Grundstein, der die Newtonschen Gesetze in der neuen Physik ersetzte. Die Schrödinger-Gleichung wird verwendet, um alle erstaunlichen Eigenschaften submikroskopischer Objekte vorherzusagen, die in unseren Laborexperimenten gefunden wurden. Werner Heisenberg entdeckte dieselbe Gleichung sogar schon früher, allerdings in einer weniger klaren mathematischen Form. Der mathematische Formalismus, der aus der Arbeit von Schrödinger und Heisenberg hervorgegangen ist, wird Quantenmechanik genannt.
Die von de Broglie und Schrödinger vorgeschlagene Idee der Materiewellen führt zu einem erstaunlichen Bild des Atoms. Es erklärt in einfachen Worten die drei wichtigsten Eigenschaften von Atomen: ihre Stabilität, ihre Identität untereinander und ihre Fähigkeit zur Regeneration. Ich habe bereits erklärt, wie Stabilität entsteht – das war Bohrs großer Beitrag. Die Identität von Atomen einer bestimmten Art ist einfach eine Folge der Identität von Wellenmustern in einem begrenzten Raum; Die Struktur stationärer Muster wird durch die Art und Weise bestimmt, wie die Bewegung der Elektronen begrenzt wird, und nicht durch ihre Umgebung. Die Musik des Atoms, sein Wellenmuster, bleibt gleich, egal wo es sich befindet – auf der Erde oder im Andromeda-Nebel. Darüber hinaus hat ein stationäres Muster, das nur von den Bedingungen seiner Begrenzung abhängt, keine Spur vergangener Geschichte, keine Erinnerung; es wird immer wieder in der gleichen Form wiederhergestellt.
Wellen der Wahrscheinlichkeit
Elektronenwellen sind nicht wie gewöhnliche Wellen. Selbst in einem Beugungsexperiment erscheinen einzelne Elektronen auf einer Fotoplatte als lokalisierte Einzelereignisse; Erst wenn wir das vom gesamten Elektronenstrahl erzeugte Muster beobachten, entdecken wir Hinweise auf ihre Wellennatur – das Beugungsmuster. Elektronenwellen seien Wahrscheinlichkeitswellen, sagte der Physiker Max Born. Sie geben uns Wahrscheinlichkeiten: Beispielsweise ist es sehr wahrscheinlich, dass wir ein Teilchen finden, bei dem die Wellenstörungen (oder Amplituden) groß sind. Wenn die Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen zu finden, gering ist, ist die Amplitude der Welle schwach. Stellen Sie sich vor, Sie beobachten den Verkehr von einem Hubschrauber aus, der über den Straßen von Los Angeles schwebt. Wenn Autos durch die Schrödinger-Gleichung beschrieben würden, würden wir sagen, dass die Welle in Bereichen mit Staus stark und zwischen Staus schwach ist.
Darüber hinaus werden Elektronenwellen meist als
Wellenpakete dargestellt . Mithilfe des Paketkonzepts können wir die Wellenamplitude in bestimmten Raumregionen groß und an allen anderen Orten klein machen (Abb. 8). Dies ist wichtig, da die Welle ein lokalisiertes Teilchen darstellen muss. Ein Wellenpaket ist ein Wahrscheinlichkeitspaket, und Born argumentierte, dass bei Elektronenwellen das Quadrat der Wellenamplitude – technisch gesehen Wellenfunktion – an einem Punkt im Raum die Wahrscheinlichkeit angibt, an diesem Punkt ein Elektron zu finden. Diese Wahrscheinlichkeit kann durch eine glockenförmige Kurve dargestellt werden (Abb. 9).
Zeichnung 8.
Die Überlagerung vieler einfacher Wellen bildet ein typisches lokales Wellenpaket (Aus P. W. Atkins’ Buch Quanta: A Handbook of Concepts, Oxford: Clairdon Press, 1974)
Zeichnung 9.
Typische Wahrscheinlichkeitsverteilung
Heisenberg-Unsicherheitsprinzip
Wahrscheinlichkeit erzeugt Unsicherheit. Für ein Elektron oder ein anderes Quantenobjekt können wir nur über die Wahrscheinlichkeit sprechen, dass es sich an diesem und jenem Ort befindet oder dass sein Impuls (Masse mal Geschwindigkeit) diesem und jenem entspricht, aber diese Wahrscheinlichkeiten bilden eine Verteilung, die durch beschrieben wird eine glockenförmige Kurve. Die Wahrscheinlichkeit wird für einen bestimmten Positionswert am höchsten sein, und dies wird der wahrscheinlichste Ort des Elektrons sein. Es wird jedoch eine ganze Reihe von Positionen geben, an denen eine erhebliche Chance besteht, ein Elektron zu finden. Die Breite dieses Bereichs entspricht der Unsicherheit der Elektronenposition. Die gleichen Argumente erlauben es uns, über die Unsicherheit des Elektronenimpulses zu sprechen.
Basierend auf ähnlichen Überlegungen bewies Heisenberg mathematisch, dass das Produkt der Unsicherheiten der Position und des Impulses des Elektrons größer oder gleich einer bestimmten kleinen Zahl ist, die Plancksche Konstante genannt wird. Diese ursprünglich von Planck entdeckte Zahl legt den quantitativen Maßstab fest, ab dem Quanteneffekte nutzbar groß werden. Wenn das Plancksche Wirkungsquantum nicht so klein wäre, würden die Auswirkungen der Quantenunsicherheit sogar in unsere alltägliche makroskopische Realität eindringen.
In der klassischen Physik wird jede Bewegung durch die Kräfte bestimmt, die sie steuern. Sobald wir die Anfangsbedingungen kennen (die Position und den Impuls eines Objekts zu einem bestimmten Anfangszeitpunkt), können wir seine genaue Flugbahn mithilfe der Newtonschen Bewegungsgleichungen berechnen. Daher führt die klassische Physik zur Philosophie des Determinismus – der Idee der Möglichkeit, die Bewegung aller materiellen Objekte vollständig vorherzusagen.
Das Prinzip der Unsicherheit untergräbt die Philosophie des Determinismus. Gemäß dem Unschärfeprinzip können wir die Position und Geschwindigkeit (oder den Impuls) eines Elektrons nicht gleichzeitig genau bestimmen; Jeder Versuch, das eine genau zu messen, macht die Kenntnis des anderen unsicher. Daher können die Anfangsbedingungen für die Berechnung der Flugbahn eines Teilchens nie genau bestimmt werden, und das Konzept einer wohldefinierten Teilchenflugbahn wird unbrauchbar.
Aus dem gleichen Grund bieten Bohrs Umlaufbahnen keine genaue Beschreibung der Position des Elektrons: Die Position der tatsächlichen Umlaufbahnen ist ungewiss. Wir können wirklich nicht sagen, dass sich ein Elektron, das sich auf dem einen oder anderen Energieniveau befindet, in der einen oder anderen Entfernung vom Kern befindet.
Zweifelhafte Fantasien
Betrachten wir einige fantastische Szenarien, deren Autoren die Bedeutung des Unsicherheitsprinzips nicht erkannt oder vergessen haben.
Im Science-Fiction-Buch Fantastic Voyage und dem darauf basierenden Film wurden Objekte durch Verdichtung in Miniaturformate umgewandelt. Haben Sie sich jemals gefragt, ob es möglich ist, Atome zu komprimieren? Schließlich bestehen sie größtenteils aus leerem Raum. Ist das möglich? Entscheiden Sie selbst nach dem Unschärfeprinzip. Die Größe eines Atoms gibt eine ungefähre Vorstellung davon, wie unsicher die Position seiner Elektronen ist. Durch die Verdichtung eines Atoms werden seine Elektronen in einem kleineren Raumvolumen platziert, wodurch die Unsicherheit ihrer Position verringert wird. aber die Unsicherheit ihrer Dynamik muss zunehmen. Eine Erhöhung der Unsicherheit des Impulses des Elektrons bedeutet eine Erhöhung seiner Geschwindigkeit. Durch die Verdichtung erhöht sich also die Geschwindigkeit der Elektronen und sie können das Atom leichter verlassen.
In einem weiteren Science-Fiction-Beispiel gibt Captain Kirk (aus der klassischen Fernsehserie Star Trek) den Befehl: Starten! Auf dem Armaturenbrett wird ein Knopf gedrückt und schwupps, die Leute auf dem Bahnsteig verschwinden und tauchen an einem Ziel auf, das angeblich ein unerforschter Planet ist, aber einer Hollywood-Kulisse sehr ähnelt. In einem seiner auf der Star-Trek-Reihe basierenden Romane versuchte James Blish, diesen Prozess als Quantensprung zu charakterisieren. So wie ein Elektron von einer Atomumlaufbahn zur nächsten springt, ohne den Raum dazwischen zu durchqueren, so würde es auch die Besatzung des Raumschiffs Enterprise tun. Hier können Sie sehen, wo das Problem liegt. Wann und wo das Elektron den Sprung macht, unterliegt nicht dem Kausalitätsgesetz und ist aufgrund der Wahrscheinlichkeits- und Unsicherheitsgesetze des Quantensprungs nicht vorhersehbar. Ein solcher Quantentransport würde die Helden der Enterprise zumindest manchmal dazu zwingen, sehr lange zu warten, um irgendwohin zu gelangen.
Quantenphantasien mögen Spaß machen, aber das ultimative Ziel der neuen Physik und dieses Buches ist ernst. Es soll uns helfen, mit unserer täglichen Realität umzugehen.
Welle-Teilchen-Dualität und Quantenmessung
Die vorstehenden Hintergrundinformationen helfen bei der Klärung einiger rätselhafter Fragen. Bedeutet das Quantenbild eines Elektrons, das sich in Wellen um einen Kern bewegt, dass Ladung und Masse des Elektrons über das ganze Atom verteilt sind? Und bedeutet die Tatsache, dass sich ein freies Elektron als Welle ausbreitet, nach Schrödingers Theorie, dass seine Ladung nun über den Raum verteilt ist? Mit anderen Worten: Wie lässt sich das Wellenmuster eines Elektrons mit der Tatsache vereinbaren, dass es die Eigenschaften eines lokalisierten Teilchens hat? Die Antworten auf diese Fragen sind recht komplex.
Es scheint, dass es zumindest Wellenpakete ermöglichen, ein Elektron auf einen kleinen Raum zu beschränken. Leider ist nicht alles so einfach. Ein Wellenpaket, das zu einem bestimmten Zeitpunkt die Schrödinger-Gleichung erfüllt, muss sich über die Zeit ausbreiten.
In einem anfänglichen Moment können wir das Elektron an einem winzigen Punkt lokalisieren, aber innerhalb von Sekunden breitet sich das Wellenpaket des Elektrons über die gesamte Stadt aus. Obwohl die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron an einem winzigen Ort zu finden, zunächst überwältigend hoch ist, wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron irgendwo in der Stadt auftaucht, bereits nach wenigen Sekunden erheblich. Und wenn wir lange genug warten, könnte das Elektron überall im ganzen Land oder sogar im gesamten Universum auftauchen.
Es ist diese Ausbreitung des Wellenpakets, die zu den anhaltenden Witzen über die Quantenprädestination unter Kennern beiträgt. Nehmen Sie zum Beispiel diese quantenmechanische Methode zur Materialisierung eines Weihnachtstruthahns: Bereiten Sie den Ofen vor und warten Sie – die Wahrscheinlichkeit, dass ein Truthahn aus einem nahe gelegenen Geschäft in Ihrem Ofen materialisiert, ist ungleich Null.
Unglücklicherweise für den Truthahnliebhaber ist die Ausbreitung bei so massiven Objekten wie dem Truthahn extrem langsam. Um auch nur ein kleines Stück Truthahn auf diese Weise zu materialisieren, müsste möglicherweise die gesamte Existenz des Universums warten.
Was ist mit dem Elektron? Wie lässt sich die Ausbreitung eines Elektronenwellenpakets in der Stadt mit dem Bild eines lokalisierten Teilchens in Einklang bringen? Die Antwort ist, dass wir den Akt der Beobachtung in unseren Berechnungen berücksichtigen müssen.
Wenn wir die Ladung eines Elektrons messen wollen, müssen wir es in einer Art Dampfwolke in einer Kondensationskammer einfangen. Aufgrund dieser Messung müssen wir davon ausgehen, dass die Elektronenwelle zusammenbricht, so dass wir nun den Weg des Elektrons durch die Dampfwolke erkennen können (Abb. 10). Laut Heisenberg „entsteht der Weg eines Elektrons erst, wenn wir ihn beobachten.“ Wenn wir eine Messung durchführen, finden wir immer ein Elektron lokalisiert als Teilchen. Wir können sagen, dass unsere Messung die Elektronenwelle auf den Teilchenzustand reduziert.
Zeichnung 10.
Elektronenspur in einer Dampfwolke
Als Schrödinger seine Wellengleichung vorschlug, dachten er und andere, dass sie die Physik möglicherweise von Quantensprüngen – von der Diskontinuität – befreit hätten, da die Wellenbewegung kontinuierlich sei. Allerdings musste die Korpuskularnatur von Quantenobjekten mit ihrer Wellennatur in Einklang gebracht werden. Daher wurden Wellenpakete vorgeschlagen. Mit der Erkenntnis der Ausbreitung des Wellenpakets und der Erkenntnis, dass es die Messung ist, die den sofortigen Zusammenbruch der Paketdimensionen verursachen muss, sehen wir schließlich, dass der Zusammenbruch intermittierend sein muss (ein kontinuierlicher Zusammenbruch würde Zeit brauchen).
Es scheint, als gäbe es keine Quantenmechanik ohne Quantensprünge. Schrödinger besuchte Bohr einmal in Kopenhagen, wo er tagelang gegen Quantensprünge protestierte. Es heißt, er habe schließlich aufgegeben und genervt ausgerufen: „Wenn ich gewusst hätte, dass es notwendig ist, diesen verdammten Quantensprung zu erkennen, hätte ich mich nie mit der Quantenmechanik beschäftigt.“
Kehren wir zum Atom zurück: Wenn wir die Position eines Elektrons in einem atomaren stationären Zustand messen, kollabieren seine Wahrscheinlichkeitswolke wieder und finden es an einer bestimmten Position und nicht überall verschmiert. Indem wir auf der Suche nach einem Elektron eine große Anzahl von Messungen durchführen, werden wir es gemäß der Vorhersage der Schrödinger-Gleichung häufiger an Orten finden, an denen die Wahrscheinlichkeit, es zu finden, hoch ist. Wenn wir nach einer großen Anzahl von Messungen die gemessenen Positionen grafisch darstellen, sieht es tatsächlich genauso aus wie die unscharfe Orbitalverteilung, die die Lösung der Schrödinger-Gleichung ergibt (Abb. 11).
Zeichnung 11.
Ergebnisse mehrerer Messungen der Position des Elektrons im Wasserstoffatom in der niedrigsten Umlaufbahn. Es ist offensichtlich, dass die Elektronenwelle normalerweise dort zusammenbricht, wo die vorhergesagte Wahrscheinlichkeit, sie zu finden, hoch ist, was zu einer unscharfen Umlaufbahn führt
Wie sieht aus dieser Sicht ein fliegendes Elektron aus? Wenn wir zum ersten Mal ein sich ausbreitendes submikroskopisches Objekt beobachten, stellen wir fest, dass es als Teilchen in einem winzigen Wellenpaket lokalisiert ist. Nach der Beobachtung löst sich das Paket jedoch auf und die Streuung des Pakets stellt die Wolke unserer Unsicherheit über das Paket dar. Wenn wir erneut beobachten, wird das Paket wieder lokalisiert, aber zwischen unseren Beobachtungen löst es sich immer auf.
Laut dem Physiker und Philosophen Henry Margenau ist der Anblick von Elektronen wie der Anblick von Glühwürmchen an einem Sommerabend. Möglicherweise sehen Sie hier einen Blitz und dort ein Lichtflackern, haben aber zwischen Ihren Sichtungen keine Ahnung, wo sich das Glühwürmchen befindet. Sie können seine Flugbahn nicht mit Sicherheit bestimmen. Selbst für ein so makroskopisches Objekt wie den Mond sagt die Quantenmechanik im Wesentlichen das gleiche Bild voraus – der einzige Unterschied besteht darin, dass die Streuung des Wellenpakets unermesslich gering ist (aber zwischen den Beobachtungen ungleich Null).
Jetzt kommen wir zum Kern der Sache. Immer wenn wir ein Quantenobjekt messen, erscheint es an einer Stelle als Teilchen. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung identifiziert einfach den Ort (oder die Orte), an dem sie sich wahrscheinlich befindet, wenn wir sie messen – mehr nicht. Wenn wir es nicht messen, streut ein Quantenobjekt und existiert gleichzeitig an mehr als einem Ort, genau wie eine Welle oder eine Wolke – nicht weniger.
Die Quantenphysik bietet eine neue und aufregende Weltanschauung, die alte Konzepte wie deterministische Flugbahnen und kausale Kontinuität in Frage stellt. Wenn die Anfangsbedingungen nicht für immer die Bewegung eines Objekts bestimmen, wenn jeder Moment, den wir beobachten, zu einem Neuanfang wird, dann ist die Welt auf einer fundamentalen Ebene kreativ.
Es gab einen Kosaken, der sah, wie fast jeden Tag ungefähr zur gleichen Zeit ein Rabbiner den Stadtplatz überquerte. Eines Tages fragte er aus Neugier: „Wohin gehst du, Rabbi?“
Der Rabbi antwortete: „Ich weiß es nicht genau.“
„Um diese Zeit passiert man diese Straße jeden Tag. Natürlich weißt du, wohin du gehst.
Als der Rabbi darauf beharrte, dass er das nicht wisse, wurde der Kosak wütend, dann misstrauisch und brachte den Rabbi schließlich ins Gefängnis. Gerade als er die Zellentür abschloss, sah ihn der Rabbi an und sagte leise: „Sehen Sie, ich wusste es nicht.“
Bevor der Kosak ihn aufhielt, wusste der Rabbi, wohin er ging, aber danach wusste er es nicht mehr. Das Anhalten (man könnte es auch Messen nennen) eröffnete neue Möglichkeiten. Das ist die Bedeutung der Quantenmechanik. Die Welt wird nicht ein für alle Mal durch Anfangsbedingungen bestimmt. Jede Messveranstaltung ist potenziell kreativ und kann neue Möglichkeiten eröffnen.
Das Prinzip der Komplementarität
Eine neue Art, das Paradoxon des Welle-Teilchen-Dualismus zu verstehen, wurde von Bohr vorgeschlagen. Ihm zufolge sind die Wellen- und Teilchennatur des Elektrons keine dualen, sondern lediglich polar entgegengesetzte Eigenschaften. Dies sind komplementäre Eigenschaften, die uns in Komplementärexperimenten offenbart werden. Wenn wir das Beugungsmuster eines Elektrons aufnehmen, entdecken wir seine Wellennatur; Wenn wir es in einer Dampfwolke verfolgen, erkennen wir seine korpuskuläre Natur. Elektronen sind weder Wellen noch Teilchen. Sie können als „Wellenteilchen“ bezeichnet werden, weil ihre wahre Natur über beide Beschreibungen hinausgeht. Dies ist das Prinzip der Komplementarität.
Seit man bedenkt, dass ein und dasselbe Quantenobjekt scheinbar widersprüchliche Eigenschaften wie Welle und Teilchen für die menschliche Psyche gefährlich sein kann, hat die Natur einen Stoßdämpfer bereitgestellt. Bohrs Komplementaritätsprinzip versichert uns, dass wir, obwohl Quantenobjekte sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften haben, in jeder experimentellen Umgebung immer nur einen Aspekt eines Wellenteilchens messen können. Wir entscheiden, welchen Aspekt des Wellenteilchens wir sehen möchten, indem wir die entsprechende experimentelle Einstellung wählen.
Prinzip der Korrespondenz
Nachdem man die revolutionären Ideen der neuen Physik verstanden hat, wäre es völlig falsch zu glauben, dass Newtons Physik völlig falsch sei. Die alte Physik lebt im Bereich der meisten (aber nicht aller) grobstofflichen Materie als Sonderfall der neuen Physik weiter. Ein wichtiges Merkmal der Wissenschaft besteht darin, dass eine neue Ordnung, die eine alte ersetzt, in der Regel ihren Anwendungsbereich erweitert. Im alten Bereich bleiben die mathematischen Gleichungen der alten Physik gültig (bestätigt durch experimentelle Daten). Daher entsprechen im Bereich der klassischen Physik die Schlussfolgerungen der Quantenphysik über die Bewegung von Objekten eindeutig denen, die mit der Newtonschen Mathematik unter der Annahme getroffen wurden, dass die Körper, mit denen wir es zu tun haben, klassisch sind. Bohr formulierte dieses Korrespondenzprinzip. Die Beziehung zwischen klassischer und Quantenphysik ähnelt in gewisser Weise einer visuellen Illusion. „Meine Frau und meine Schwiegermutter“ (Abb. 12). Was sehen Sie auf diesem Bild? Zuerst sieht man entweder die Ehefrau oder die Schwiegermutter. Ich sehe immer zuerst meine Frau. Tatsächlich kann es eine Weile dauern, bis Sie das zweite Bild in der Zeichnung erkennen. Schaut man genau hin, erscheint plötzlich ein zweites Bild. Das Kinn der Frau wird zur Nase der Schwiegermutter, ihr Hals zum Kinn einer älteren Frau und so weiter. Sie fragen sich vielleicht: Was ist los? Die Linien der Zeichnung bleiben die gleichen, aber plötzlich wird Ihnen eine neue Art, das Gemälde wahrzunehmen, möglich. Schon bald stellen Sie fest, dass Sie problemlos vom alten Bild zum neuen und wieder zurück wechseln können. In jedem Moment siehst du immer noch nur eines der beiden Bilder, aber dein Bewusstsein hat sich erweitert, sodass du dir ihrer Dualität bewusst bist. In diesem erweiterten Bewusstseinszustand beginnt die Fremdartigkeit der Quantenphysik deutlich zu werden. Es wird sogar spannend. Um Hamlets an Horatio gerichtete Worte zu paraphrasieren, können wir sagen, dass es im Himmel und auf der Erde viele Dinge gibt, von denen die klassische Physik nie geträumt hätte.
Zeichnung 12.
Meine Frau und meine Schwiegermutter
Die Quantenmechanik gibt uns eine breitere Perspektive, einen neuen Kontext, der unsere Wahrnehmung in einen neuen Bereich erweitert. Wir können die Natur als separate Formen betrachten – Wellen oder Teilchen – oder wir können Komplementarität erkennen: die Vorstellung, dass dasselbe Ding sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften hat.
Kopenhagener Interpretation
Nach der sogenannten Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik, entwickelt von Bohr, Heisenberg und Born, berechnen wir Quantenobjekte als Wellen und interpretieren die Wellen auf probabilistische Weise. Wir definieren ihre Attribute wie Position und Impuls etwas vage und verstehen sie im Sinne des Komplementaritätsprinzips. Darüber hinaus gelten mangelnde Kontinuität und Quantensprünge – beispielsweise der Zusammenbruch eines sich ausdehnenden Wellenpakets bei der Beobachtung – als grundlegende Aspekte des Verhaltens eines Quantenobjekts. Ein weiterer Aspekt der Quantenmechanik ist die Untrennbarkeit. Über ein Quantenobjekt zu sprechen, ohne darüber zu sprechen, wie wir es beobachten, macht keinen Sinn, da das eine vom anderen untrennbar ist. Für massive Makroobjekte schließlich stimmen die Vorhersagen der Quantenmechanik mit den Vorhersagen der klassischen Physik überein. Dies verbietet die Manifestation solcher Quanteneffekte wie Wahrscheinlichkeit und Diskontinuität im makroskopischen Bereich der Natur, die wir direkt mit Hilfe unserer Sinne beobachten. Die klassische Korrespondenz verschleiert die Quantenrealität.
Überwindung des materiellen Realismus
Die Prinzipien der Quantentheorie ermöglichen es, die unbegründeten Annahmen des materiellen Realismus aufzugeben.
Annahme 1: Strikte Objektivität . Die Grundannahme des Materialismus ist, dass es ein von uns unabhängiges materielles Universum gibt. Diese Annahme hat offensichtlich eine praktische Gültigkeit und wird oft als notwendig für die sinnvolle Ausübung der Wissenschaft angesehen. Ist diese Annahme wirklich berechtigt? Die Quantenphysik zeigt, dass wir entscheiden, welchen Aspekt – Welle oder Teilchen – ein Quantenobjekt in einer bestimmten Situation zeigen soll. Darüber hinaus kollabiert unsere Beobachtung das Quantenwellenpaket zu einem lokalisierten Teilchen. Subjekte und Objekte sind untrennbar miteinander verbunden. Wenn dem so ist, wie kann man dann an der Annahme strenger Objektivität festhalten?
Annahme 2: Kausaler Determinismus. Eine weitere Annahme der klassischen Wissenschaft, die dem materiellen Realismus zugrunde liegt, ist, dass die Welt grundsätzlich deterministisch ist: Wir müssen nur die auf jedes Objekt wirkenden Kräfte und die Anfangsbedingungen (die Anfangsgeschwindigkeit und Position des Objekts) kennen. Das Prinzip der Quantenunsicherheit besagt jedoch, dass wir niemals gleichzeitig die Geschwindigkeit und die Position eines Objekts mit absoluter Genauigkeit bestimmen können. Unser Wissen über die Anfangsbedingungen wird immer Fehler enthalten und ein strikter Determinismus ist inakzeptabel. Die bloße Idee der Kausalität ist ebenso verdächtig. Da das Verhalten von Quantenobjekten probabilistisch ist, ist eine strenge Ursache-Wirkungs-Beschreibung des Verhaltens eines einzelnen Objekts unmöglich. Wenn wir stattdessen über große Partikelgruppen sprechen, haben wir eine statistische Ursache und eine statistische Wirkung.
Annahme 3: Lokalität. Die Annahme der Lokalität – dass alle Wechselwirkungen zwischen materiellen Objekten durch lokale Signale vermittelt werden – ist von entscheidender Bedeutung für die materialistische Sichtweise, dass Objekte im Wesentlichen getrennt und unabhängig voneinander existieren. Wenn die Wellen jedoch weite Strecken zurücklegen und dann bei einer Messung plötzlich zusammenbrechen, wird der Einfluss unserer Messung nicht lokal übertragen. Somit ist die Lokalität ausgeschlossen. Dies ist ein weiterer Todesstoß für den materiellen Realismus.
Annahmen 4 und 5. Materialismus und Epiphänomenalismus. Der Materialismus behauptet, dass subjektive mentale Phänomene lediglich Epiphänomene der Materie sind und vollständig auf das materielle Gehirn reduziert werden können. Um das Verhalten von Quantenobjekten zu verstehen, müssen wir jedoch nach dem Prinzip der Komplementarität und der Idee der Subjekt-Objekt-Verwirrung offenbar das Bewusstsein berücksichtigen – unsere Fähigkeit, Entscheidungen zu treffen. Darüber hinaus erscheint es absurd, dass ein Epiphänomen der Materie die Materie beeinflussen kann: Wenn Bewusstsein ein Epiphänomen ist, wie kann es dann bei der Durchführung einer Quantenmessung eine zerstreute Welle eines Quantenobjekts in ein lokalisiertes Teilchen „kollabieren“?
Trotz des Korrespondenzprinzips widerspricht das neue Paradigma der Physik – die Quantenphysik – den Daten des materiellen Realismus. An dieser Schlussfolgerung führt kein Weg vorbei. Unter Berufung auf das Korrespondenzprinzip können wir nicht sagen, dass die klassische Physik für Makroobjekte für alle praktischen Zwecke gültig ist, und dass wir, da wir in der Makrowelt leben, davon ausgehen werden, dass die Quantenfremdheit auf den submikroskopischen Bereich der Natur beschränkt ist. Im Gegenteil, die Fremdheit verfolgt uns auf der Makroebene. Wenn wir die Welt in die Bereiche der klassischen Physik und der Quantenphysik einteilen, entstehen unlösbare Quantenparadoxien.
In Indien haben sich Menschen eine clevere Methode ausgedacht, Affen mithilfe eines Behälters voller Nüsse zu fangen. Der Affe greift in den Behälter und schnappt sich eine Handvoll Nüsse. Leider kann sie, nachdem sie das Essen in der Faust geballt hat, ihre Hand nicht mehr herausziehen – der Hals des Gefäßes ist zu eng. Die Falle funktioniert, weil die Gier des Affen ihn daran hindert, die Nüsse freizugeben. Die Axiome des materiellen Realismus sind Materialismus, Determinismus, Lokalität usw. – haben uns in der Vergangenheit gute Dienste geleistet, als unser Wissen begrenzter war als heute, aber jetzt sind sie für uns zu einer Falle geworden. Möglicherweise müssen wir die Nüsse der Gewissheit aufgeben, um die Freiheit anzunehmen, die jenseits des materiellen Bereichs liegt.
Wenn der materielle Realismus keine adäquate Philosophie für die Physik sein kann, welche Philosophie kann dann mit all der Seltsamkeit des Quantenverhaltens umgehen? Dies ist die Philosophie des monistischen Idealismus, die allen Religionen der Welt zugrunde liegt.
Traditionell erkennen nur Religionen und Geisteswissenschaften den Wert des menschlichen Lebens an, der über das physische Überleben hinausgeht – ein Wert, der sich aus unserer Liebe zur Schönheit ergibt; unsere kreativen Fähigkeiten in Kunst, Musik und Denken; und unsere Spiritualität in der Intuition der Einheit. Die Naturwissenschaften, eingesperrt im Rahmen der klassischen Physik und ihrem philosophischen Gepäck des materiellen Realismus, waren ein Verführer des Skeptizismus. Jetzt braucht die neue Physik dringend eine neue, befreiende Philosophie, die unserem aktuellen Wissensstand entspricht. Wenn der monistische Idealismus der richtige Weg ist, dann werden die Natur- und Geisteswissenschaften zusammen mit den Religionen zum ersten Mal seit Descartes Hand in Hand bei der Suche nach der gesamten menschlichen Wahrheit gehen können.
Das Buch „The Self-Aware Universe. Wie Bewusstsein die materielle Welt erschafft.“ Amit Goswami
Inhalt
VORWORT
TEIL I. Die Vereinigung von Wissenschaft und Spiritualität
KAPITEL 1. DAS KAPITEL UND DIE BRÜCKE
KAPITEL 2. ALTE PHYSIK UND IHR PHILOSOPHISCHES ERBE
KAPITEL 3. QUANTENPHYSIK UND DER TOD DES MATERIALISCHEN REALISMUS
KAPITEL 4. DIE PHILOSOPHIE DES MONISTISCHEN IDEALISMUS
TEIL II. IDEALISMUS UND DIE AUFLÖSUNG VON QUANTUMPARADOXEN
KAPITEL 5. OBJEKTE AN ZWEI ORTEN GLEICHZEITIG UND WIRKUNGEN, DIE IHREN URSACHEN VORHERGEHEN
KAPITEL 6. DIE NEUN LEBEN VON SCHRÖDINGERS KATZE
KAPITEL 7. ICH WÄHLE DAHER, ICH BIN
KAPITEL 8. DER EINSTEIN-PODOLSKY -ROSEN PARADOX
KAPITEL 9. VERSÖNUNG VON REALISMUS UND IDEALISMUS
TEIL III. SELBSTREFERENZ: WIE MAN VIELE WIRD
KAPITEL 10. ERKUNDUNG DES GEIST-KÖRPER-PROBLEMS
KAPITEL 11. AUF DER SUCHE NACH DEM QUANTENGEIST
KAPITEL 12. PARADOXE UND KOMPLEXE HIERARCHIEN
KAPITEL 13. „ICH“ DES BEWUSSTSEINS
KAPITEL 14. VEREINIGUNG DER PSYCHOLOGIEN
TEIL IV . RÜCKKEHR DES CHARMES
KAPITEL 15. KRIEG UND FRIEDEN
KAPITEL 16. EXTERNE UND INNERE KREATIVITÄT
KAPITEL 17. DAS ERWACHEN BUDDHAS
KAPITEL 18. IDEALISMALE THEORIE DER ETHIK
KAPITEL 19. SPIRITUELLE FREUDE
GLOBAR DER BEGRIFFE