Beobachter in der Quantenmechanik

Esse est percipi, „Sein ist wahrgenommen werden“. Wenn ich populäre Darstellungen zur Quantenmechanik lese, könnte ich manchmal die Idee bekommen, dieser Satz müsse von den Pionieren der Quantenphysik, vielleicht von Niels Bohr oder Werner Heisenberg, geprägt worden sein. Tatsächlich ist er aber viel älter und von George Berkeley. Dass wir ohne Beobachtung nichts über die Welt wissen können, ja, dass es sogar fraglich ist, wie viel wir überhaupt – selbst mit Beobachtung – über die Welt wissen können, wussten die Philosophen* schon vor Entwicklung der Quantenmechanik.

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In der Quantenmechanik spielt die Frage, ob etwas beobachtet wird, keine größere Rolle, als in der klassischen Physik. Es kommt stets auf den Messvorgang an.

Der Unterschied zwischen Quantenwelt und klassischer Physik liegt nicht in der Tatsache, dass wir nur wissen können, was wir beobachten. Die quantenmechanische Verschränkung wird oft mit einem klassischen Analogen beschrieben, bei dem sich in zwei Schachteln je eine Kugel befindet: In einer eine rote und in der anderen eine blaue. Wenn wir beim Schließen der Schachteln nicht dabei waren oder nicht genau aufgepasst haben, können wir erst sicher sein, in welcher Schachtel eine rote oder blaue Kugel ist, wenn wir mindestens eine Schachtel geöffnet haben. Das ist klassisch nicht anders als quantenmechanisch. Die Beobachtung macht keinen Unterschied; klassisch wie quantenmechanisch überführen Beobachtungen einen ungewissen Zustand in einen gewissen.

Der Unterschied zwischen klassischer und quantenmechanischer Beschreibung dieses Vorgangs liegt nicht in der Rolle des Beobachters, sondern darin, was die Theorie über den Zustand der Kugeln vor dem Öffnen der Schachteln aussagt. In der klassischen Physik gehen wir davon aus, dass die Kugeln bereits vor dem öffnen der Schachteln je eine Farbe haben. Wir kennen sie nur nicht. Im quantenmechanischen Analogon haben die Kugel vor dem Öffnen der Schachteln noch gar keine einzelnen Farben. Sie haben nur die gemeinsame Eigenschaft, dass eine blau und eine rot ist. Welche Kugel welche Farbe hat, ist nicht nur unbekannt, sondern unbestimmt.

Natürlich sind die farbigen Kugeln nur eine Metapher. Quantenmechanisch geht es um weniger anschaulichen Eigenschaften weniger anschaulicher Objekte. Zum Beispiel um die Polarisation von Photonen oder um die Rotationsausrichtung (Spin) von Elektronen. Und auf dieser grundlegenden Ebene gibt es offenbar tatsächlich Eigenschaften, die zwei oder mehrere Objekte gemeinsam haben. Man kann heute mit großer Sicherheit nachweisen, dass die quantenmechanische Besonderheit tatsächlich Realität ist, dass die konkrete Polarisation eines Photons vor der Messung noch gar nicht existiert. Das geht, weil Polarisation nicht nur zwei Zustände (rot,grün) sondern eine kontinuierliche Einstellmöglichkeit von waagerecht bis senkrecht hat. Wie man diesen Nachweis führt, habe ich in einem Beitrag zum EPR-Paradoxon beschrieben.

Quantenmechanik unterscheidet sich in wesentlichen Punkten von klassischer Mechanik. Aber nicht in der Rolle des Beobachters. Es ist die Messung, die gegebenenfalls zum Zerfall der Wellenfunktion – oder allgemeiner eines Zustands – führt. (Ob wir dabei eher der Kopenhagener Deutung oder der Viele-Welten-Theorie anhängen, ist physikalisch unerheblich.) Es gibt in der modernen Laser- und Atomphysik viele Möglichkeiten, Quantensysteme zu manipulieren. Für Serge Haroche und Dave Wineland gab es dafür dieses Jahr einen Nobelpreis. Mir ist aber kein Experiment bekannt, bei dem der Ausgang nachweislich von der bewussten Wahrnehmung des Beobachters abhing.

Ähnlich wie in meinem vorgehenden Artikel zum Beobachter in der Relativitätstheorie, möchte ich auch hier mit der Anregung schließen, in populärwissenschaftlichen Darstellungen der Quantenmechanik den Beobachter aus dem Spiel zu lassen. Lasst uns besser die tatsächlich durchführbaren Experimente vorstellen. Die machen die Quantenmechanik erstaunlich genug ohne den falschen Eindruck zu erwecken, die Quantenmechanik sage irgendetwas zu einer Wechselwirkung zwischen menschlichem Bewusstsein und Außenwelt aus.

Anmerkung:

*Das ist leider kein generisches Maskulinum, Philosophie war damals tatsächlich noch eine Männerdomäne.

Joachim Schulz

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

22 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Weibliche Philosophen

    Dass es gar keine weiblichen Philosophen gab, ist wohl falsch. Spontan fallen mir ein paar ein, die im Bereich Naturwissenschaft, Naturphilosophie gewirkt haben, wie Émilie du Châtelet, Laura Bassi oder Susan Stebbing. Fasst man die Unterschiede zwischen Philosophie und Naturwissenschaft/Mathematik nicht zu scharf, dann gibt es auch sicher noch ein paar mehr.

  2. Philosophinnen

    Ich will hoffen, dass das falsch ist. Vielen Dank für die Namen, mir ist beim besten Willen keine Philosophin eingefallen, die vor 1920 in der Wissenschafts- oder Erkenntnistheorie aktiv gewesen ist. Ich werde diese Bildungslücke zu schließen versuchen.

  3. Österreichs Meinung

    Wo müßte/könnte man zwischen Kopenhagen und Großer-Welt die „Österreichische Schule“ einordnen.
    Man will zB das Photon als Punktteilchen im Wortsinne verstanden wissen, weil ohne innere Struktur.
    Für solche Fälle vermisse ich im obigen Beitrag einen Hinweis auf den Dualismus und seine späten Mißverständnisse.
    Steht zwischen den Zeilen des letzten Satzes, daß Quanten doch keinen Geist haben 🙂 obwohl geisterhaftes Benehmen?

  4. Beobachterstatus

    @Helmut:
    Wer die Messapparatur abliest, hat keinen Einfluss mehr auf den Messprozess. Die Messung ist in dem Moment schon gelaufen. Das Ablesen der Apparatur und der Aufbau sind Prozesse, die mit klassischer Physik ausreichend genau beschrieben werden. Typische Quantenprozesse treten da nicht mehr oder noch nicht auf.

  5. @Herr Senf: geistlos

    Ich habe nie verstanden, was (außer Bücher verkaufen) man mit der Aussage, Quanten hätten Geist, anfangen können soll. Das ist keine physikalische Aussage, sondern eine Worthülse. Die Frage wäre: Wie soll sich der Geist in Quanten bemerkbar machen und wie weist man das nach?

  6. Ja – Der Beobachter —

    Bezug auf den letzten Abschnitt.
    In einem anderem Wissenschaftsblog gab es einmal eine extreme Discussion nach dem Satz „Der Mond existiert nicht, solange ich nicht hinschaue.“
    Kollabiert jetzt die Wellenfunktion durch die Messung? – Wird jedes Quatum durch die Wechselwirkung eines andern Quantum (Teilchen) bereits „gemessen“? – Scheint ja wohl so zu sein.
    Ansonsten kann ich mir unsere makroskopische, stabile Welt nicht erklären.
    Äh -ja – also in Bezug auf die nicht vorstellbare Quantenwelt.
    Also meine Modellvorstellung der Quantenwelt kollidierden genau mit meinem Realitätsbegriff. Ich kann die QM nur akzeptieren und mich daran gewöhnen.

    ja gut – Dér Beitrag ist ein Testballon um zu sehen ob der Beitrag ankommt. Der Inhalt ist aber Ernst gemeint.

    Grüsse an alle 🙂

  7. @Joachim

    Ich habe nie verstanden, was (außer Bücher verkaufen) man mit der Aussage, Quanten hätten Geist, anfangen können soll.

    Sich dazu zu erbloggen.

    Das ist keine physikalische Aussage, sondern eine Worthülse. Die Frage wäre: Wie soll sich der Geist in Quanten bemerkbar machen und wie weist man das nach?

    »Daher hat ein Atom vielleicht nur eine simple binäre Wahrnehmung der Wirklichkeit, indem es Ja-Nein-Informationen verarbeitet, die 1 Bit entsprechen. Die graduelle Steigerung des Geistigen korrespondiert
    mit der jeweiligen materiellen Beschaffenheit eines Dings: So findet sich im Tierreich eine gestufte Anordnung geistiger Fähigkeiten, die beim Menschen schließlich ihren (vorläufigen) Höhepunkt
    findet.“« (P. Spät „Antworten“ 04.12.2012, 00:33)

  8. Tschuldigung

    Ich wollte den Fred nicht off-topic machen. Kommen wir auf den Beobachter im Physikalismus zurück, obwohl alles „Mus“ ist abwertend unschmackhaft.

  9. @Ano Nym

    Ja, genau dieses Zitat ist keine physikalische Aussage. Was genau soll eine binäre Wahrnehmung sein und wie wirkt sie sich aus? Das schöne an der Quantenphysik ist ja, dass sie sich sehr exakt berechnen lässt. Wir können uns also die Formeln anschauen und überlegen, wo genau dort die „binäre Wahrnehmung der Wirklichkeit“ eingeht. Dann wäre es zumindest Metaphysik. So sehe ich keinen Zusammenhang zur physikalischen Welt.

    Was ich auch nicht verstehe ist, warum ausgerechnet die „Wahrnehmung“ der Quanten binär, also eine reine Ja-Nein-Information sein soll. Gerade die Quantenmechanik zeichnet sich dadurch aus, dass die Quanten in beliebigen Überlagerungen ihrer Grundzustände auftreten können.

  10. @Herrn Senf: Keine Ursache

    Naja, das Thema gehört ja irgendwie hierher. Ich versuche ja gerade, die Diskussion etwas zu „entmusen“, indem ich hier nach den physikalischen Implikationen frage.

  11. Eigenschaften von Eigenschaften?

    „Die quantenmechanische Verschränkung wird oft mit einem klassischen Analogen beschrieben, bei dem sich in zwei Schachteln je eine Kugel befindet: In einer eine rote und in der anderen eine blaue.“

    Können alle physikalischen Eigenschaften einer quantenmechanischen Verschränkung unterliegen?

    „Es kommt stets auf den Messvorgang an.“ (Bildunterschrift)

    Was macht einen physikalischen Vorgang zu einem Messvorgang?

  12. @Joachim

    Wer die Messapparatur abliest, hat keinen Einfluss mehr auf den Messprozess. Die Messung ist in dem Moment schon gelaufen. Das Ablesen der Apparatur und der Aufbau sind Prozesse, die mit klassischer Physik ausreichend genau beschrieben werden. Typische Quantenprozesse treten da nicht mehr oder noch nicht auf.

    Ist es nicht so, dass der Messvorgang als eine Wechselwirkung beschrieben werden kann, durch den zwei Teilsysteme (z.B. der Vorgang und die Apparatur) zu einem gemeinsamen System verschmelzen? Von einem Beobachter außerhalb dieses Systems erscheint dieses als verschränkt. Zu einem späteren Zeitpunkt, dem Zeitpunkt des Ablesens, verschmelzen dann wieder zwei Teilsysteme zu einem, Teilchen-Apparatur und menschlicher Beobachter. Ich habe mir die Tatsache, dass bei größeren Systemen keine Quantenphänomene mehr beobachtet werden können, immer mit DeBroglie erklärt: Das „Teilchen“ (das System, die Messapparatur) ist so schwer, dass seine Welleneigenschaften unmessbar klein sind – wir können es mit ausreichender Näherung klassisch beschreiben.

  13. @Joker @Köppnick

    Ich bin auch am Überlegen, ob es eine universelle Definition eines Messvorgangs gibt. Aber im Allgemeinen koppelt ein Messvorgang eine Quantenmechanische Eigenschaft an ein makroskopisches und damit klassisch beschreibbares Objekt, das sich zur Anzeige eignet.

    Dabei tritt fast immer ein nicht reversibler Prozess auf. Einfach weil das makroskopische Objekt über so viele Freiheitsgrade verfügt. Das Makroskopische Objekt kann, wenn Photonen detektiert werden, ein Leuchtschirm sein, oder ein Pixel auf einer Kamera oder sogar eine Rezeptorzelle im Auge des Beobachters.

    Mein Appell ist, in populärwissenschaftlichen Darstellungen nicht zu grob zu vereinfachen. Also nicht einfach zu schreiben, „die Forscherinnen beobachteten..“, sondern den Messprozess als solchen sichtbar zu machen. Denn auf den kommt es fast immer an.

  14. @ Joachim: Meßvorgang

    Die Frage ist ja, wie „quetscht“ man aus dem Mathe-Formalismus der Quantenphysik einen experimentellen Aufbau heraus? Meine Studentenüberbleibsel sind für mich selbst „inzwischen“ undeutbar, nur Formeln und kaum Text – worum ging’s?
    Ich kopiere hier mal aus dem Konzept von Embacher Pkt 17 rein, gut (?) passend zu Deinen Ausführungen:
    „Von Messung (oder Beobachtung) wird immer dann gesprochen, wenn ein Strahlengang einfach unterbrochen wird. Diese Unterbrechungen finden innerhalb der Detektoren … statt. Sie stellen in gewisser Weise Vorrichtungen dar, die Photonen (oder auch andere Teilchen) zwingen, „laute“, also makroskopische und klassische Antworten zu geben. … Dieser Vorgang heißt in der Kopenhagender Interpretation der Quantentheorie (Niels Bohr) der Kollaps des Wellenfunktion. Dabei wird aber auf eine etwas künstlich Art eine Trennung zwischen Quantenobjekten einerseits und klassischen Objekten (Meßgeräten, Bomben) andererseits eingeführt. Wodurch letztere in der Lage sein sollen, aus Quantensystemen klassische Antworten herauszupressen, bleibt unklar. Damit werden die Begriffe Beobachter und Messung äußerst problematisch.“
    Und er schlußfolgert daraus kühn:
    „Was eine Messung ist, muß also nicht eigens postuliert werden. Es ist eigentlich schon im Konzept der Wellenfunktion enthalten, …“
    Irgendwie würde ich Deinen „Beobachter“ noch etwas aufgehübscht sehen wollen, zB eine Ergänzung zur Mach-Zehnder-Messung, dort wird „kollabiert“.

  15. @Herrn Senf

    Ich bin ja ein großer Fan davon, Wissenslücken zuzugeben. Und zu denen gehört, wie genau der Übergang von einem Quantensystem zu einem makroskopischen System zu verstehen ist. Gerade deshalb finde ich es so wichtig, tatsächliche Experimente zu erklären und wie ihre Ergebnisse berechnet werden. Das ist sehr viel spannender, als wage von Beobachtern zu schreiben, die nur durch Beobachtung ein Quantensystem manipulieren. Tun sie nämlich gar nicht, sie manipulieren das Quantensystem über den Messaufbau.

  16. @Josef Gnadl: One-mind-interpretation

    Der Punkt ist, dass diese One-mind-interpretation keine über die Viele-Welten-Interpretation hinausgehende Erkenntnis oder Einsicht vermittelt. Insbesondere macht sie keinerlei physikalische Aussagen, die irgendwie überprüfbar wären. Sie entzieht sich damit einer wissenschaftlichen Überprüfung und ist reine Spekulation.

  17. Viele Beobachter

    Die Freiheit eines Individuum einen Quanten Zustand zu determinieren steht diesem doch nur im Mikrokosmos zu. Auf der Ebene des Makrokosmos führt die Beobachtung vieler zu der uns aus der klassischen Physik bekannten „Stabilität“, besser noch der allgemeine Konsens.

  18. Durch die „Webifizierung“ ist es möglich, an Artikel anzuknüpfen, die schon eingemottet scheinen. Ich hoffe trotzdem, dass noch ein Feedback möglich ist. 😉

    Ich bin gerade auf diesen Blogartikel gestoßen, als ich dem Wesen der Beobachterrolle per Google auf der Spur war. Ich kann mir, vielleicht auf Grund meiner Nicht-Relegion, nicht vorstellen, dass es den Bewußtseins-Beobachter bedarf, um im Quanten-Sinne zwischen beobachten und nicht-beobachten zu unterscheiden. – Nun wird gerade am berühmten Zweispaltexperiment gern begründet, wann ein Wellenmuster und wann nicht erscheint. Entscheidend soll angeblich ein Beobachter, oder materialistischer ausgedrückt: ein Messung sein. Diese Messung wird wiederum beschrieben als etwas, wo sich das Quanten-Objekt „entscheiden“ muss. Und danach ist die Wellenfunktion kollabiert oder eben nicht. Doch was bedeutet, das etwas „entschieden“ ist? Schließlich ist es auch denkbar, dass die Information, die zu einer „Entscheidung“ führt auch wieder nach gewisser Zeit verschwindet und somit keine Information mehr existiert. Hierzu ein Gedankenexperiment:

    Klassisches Zweischlitzexperiment mit Elektronen. Als Mess-Aufnehmer werden beide Schlitze so präpariert, dass zum „hindurchfliegenden Elektron“ sich eine Spiegelladung (Ladungsverschiebung) am Schlitz ausbildet. In erster Stufe ist das automatisch gegeben, wenn metallische Schlitze verwendet werden, in der die Spiegelladung mit nahezu Lichtgeschwindigkeit reagieren kann. In zweiter Stufe wird nun ein Material verwendet, bei der das Trifftverhalten der Spiegelladung nichtlinear ist (Halbleiter): Beim Hindurchfliegen des Elektrons, erfolgt eine geometrische Ladungstrennung am Spaltmaterial unmittelbar. Ist das Elektron aber außer Reichweite, dass es die Ladungen beeinflussen kann, wirkt sich das nichtlineare Leitungsverhalten derart aus, dass die Spiegelladung sich nur langsam wieder ausgleichen kann. Und zwar so langsam, dass die Wechselwirkung des Elektrons mit dem bildgebenden Molekülen/Atomen auf dem Schirm schon längst abgeschlossen sein muss. Nach einer gewissen Zeit gleicht sich nun aber die Spiegelladung am Spalt durch Ladungsverschiebung wieder aus, sodass hier dauerhaft keine Information mehr abgreifbar ist. In makroskopischer Zeitenteilung hat also keine Informationserfassung am Spalt stattgefunden. Theoretisch wäre sie aber möglich gewesen, wenn man das elektrische Feld am Spalt aufgezeichnet hätte oder den „Abbau“ der Spiegelladung mittels Antenne direkt oder indirekt in ein informationsspeicherndes System geleitet hätte.

    Worauf meine Frage abziehlt: Entscheide ich nun durch makroskopischen Einfluss, dass ich messen will (oder nicht) durch nachträgliches Heranbringen einer Antenne, die den Ladungsausgleich der Ladungen, die durch das hindurchfliegende Elektron getrennt wurden, misst zu einem Zeitpunkt, wo das hindurchgeflogene Elektron schon längst mit dem Schirm zur Bilderzeugung wechselgewirkt haben muss, ob (nachträglich) eine Wechselwirkung mit dem Schirm wirklich stattfindet?

    Also: Entscheide ich mich, die Spiegelladung nicht zu messen, müsste sich ein Interferenzmuster abbilden. Entscheide ich mich zu einem Zeitpunkt, wo das Elektron im Schirm längst wechselgewirkt hat, doch, die Spiegelladung zu messen, die Information also auf Dauer zu manifestieren, müsste sich das Wechselwirkungsverhalten des Elektrons auf den Schirm nun zeitlich rückwirkend auswirken!

    Sprich: Wenn ich die Entscheidung, ob ich etwas als Messung (dauerhafte Informationserfassung) ausführe zeitlich makroskopisch verschiebe, müsste sich das System, dass ich untersuche (oder nicht) auch makroskopisch „später“ entscheiden, obwohl die mit Lichtgeschwindigkeit ablaufenden Prozesse wirklich so abgelaufen sind oder anders.

    Ich gehe im Moment davon aus, dass mit vergleichbaren Methoden tatsächlich die (auch zeitlich) mikroskopische quantenphysikalische Wechselwirkung in makroskopischen Maßstab überführt werden kann. Dass heißt, messe ich „spät“ eine mikroskopische Quanteneigenschaft, die thoretisch zu einem früheren Zeitpunkt bestanden hat, lege ich nun nicht mehr nur die mikroskopischen Eigenschaften des Messobjektes zu diesem Zeitpunkt fest, sondern auch sämtliche Wechselwirkungen mit seiner Umwelt, die bezogen auf die Licht(ausbreitungs)geschwindigkeit inzwischen stattgefunden haben müssten.

    Insofer kann ich mir hier auch die Relativität der Zeit erklären. Allerdings: Sie müsste nicht nur vom Schwerefeld abhängen, sondern auch von der unter Umständen makroskopisch staffindenden Informationsübertragung. Das heißt, zwischen Systemen, die untereinander nicht quantenphysikalisch wechselwirken, gibt es auch absolut keinen identischen Zeitbegriff. Sie existieren nicht im gleichen 4-dimensionalen Raum-Zeit-System.

    Ich bin mir nicht sicher, ob ich eine Rückinfo per Mail bekomme, wenn auf meinen Kommentar geantwortet wird. Bitte gern an herbrand@gmx.de eine Info. 🙂

    Beste Grüße
    Frank

    PS: Auch auf den klassischen menschlichen Beobachter bezogen: Hat er seine Beobachtung nie jemandem mitgeteilt und verstirbt, dann gibt es die Beobachtungsinformation nicht mehr. Oder hat er sie vorher aufgeschrieben: Nimmt davon niemand Notiz, müsste sich ein System für alle immer noch so darstellen, als sei es nicht beobachtet worden. Damit behaupte ich mal, dass man mit diesem Denkansatz das Viele-Welten-Modell sogar beweisen kann: Erst mit Informationsabgleich stoßen zwei oder mehr der vielen Welten wieder aufeinander!

  19. Der Beobachter…
    Quantenzustände gehen immer durch Wechselwirkung in klassische über.
    Egal ob jetzt durch eine Messaperatur oder durch irgendwelche Teilchen in der „freien Wildbahn“ ohne Mensch.
    Je größer das Objekt desto geringer die Wahrscheinlichkeit für einen Quantenzustand desselbigen weil es mehr mit seiner Umgebung wechselwirkt.
    Das Doppelspaltexperiment führte man auch mit Fullerene durch. Aber das Interferenzmuster tauchte nur in einer Vakuumkammer auf.

    http://www.pro-physik.de/details/news/4223801/Staerkere_Superposition_bei_genauerem_Hinsehen.html

    http://www.pro-physik.de/details/news/8764921/Ein_bisschen_Teilchen_ein_bisschen_Welle.html

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