Die Rolle des Beobachters in der Quantentheorie

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Philipp Wehrli, 2. Januar 2002

Abbildung 1. Streuung von Neutronen an einem Kristall.

Wenn der Physiker die Dinge beobachtet, verändert er sie.Wenn er beim Doppelspaltversuch beobachtet, durch welchen von zwei Spalten das Elektron geht, verschwindet das Interferenzmuster. Über diesen Effekt ist viel spekuliert worden. Ist es das menschliche Bewusstsein, welches das Interferenzmuster verschwinden lässt? Ein Experiment beweist, dass das Phänomen nichts mit dem menschlichen Bewusstsein zu tun hat.

Es ist ein wichtiges Phänomen in der Quantentheorie, dass die Dinge sich anders verhalten, wenn jemand zuschaut, als wenn niemand zuschaut. In der klassischen Physik geht man davon aus, dass man Dinge betrachten kann, ohne sie zu verändern. Der klassische Physiker sieht sich selber als aussenstehenden Beobachter, der eine von ihm unabhängige Welt beschreibt. Dagegen ist der Physiker nach der Quantentheorie immer Teil des Experimentes.

Tatsächlich braucht es aber keineswegs einen bewusst denkenden Beobachter, damit die Interferenz verschwindet. Sie verschwindet im Gegenteil sehr rasch, sobald die Teilchen auf ihren Wegen eine Spur hinterlassen. Als Beispiel dazu zeige ich ein modernes ‘Doppelspaltexperiment’, so wie es wirklich durchgeführt werden kann.

Neutronen werden an einem Kristall gestreut. Der Kristall ist ein Gitter aus Gitteratomen, welche die Neutronen reflektieren. Die Neutronen fliegen aus der Neutronenquelle auf den Kristall und werden an diesem gestreut. Danach wird mit verschieden Detektoren die Streuverteilung gemessen.

Abbildung 1 Streuung von Neutronen an einem Kristall.

Wie ein Doppelspaltexperiment mit Neutronen tatsächlich aussehen könnte. Statt zwei Wege durch zwei Spalte, stehen jedem Neutron N Wege über N Gitteratome in einem Kristall zur Verfügung. Jedes Neutron geht alle Wege und interferiert mit sich selber.

Es gibt ein Interferenzmuster. Weshalb? – Für jedes Neutron, das aus der Neutronenkanone kommt, gibt es verschiedene Wege, zu den Detektoren zu kommen. Es kann nämlich an allen Gitteratomen des Kristalls gestreut werden. Wie beim Doppelspaltexperiment wissen wir nicht, welchen Weg das Neutron tatsächlich geht. Deshalb überlagern sich die Wellen all dieser Wege und wir sehen ein Interferenzmuster.

Nun wollen wir beobachten, welchen Weg das Neutron geht. Wir nehmen einen anderen Kristall, bei dem die Kerne einen ‘Spin’ haben. Wir brauchen nicht genau zu wissen, was ein ‘Spin’ ist. Für uns ist er hier einfach eine quantenmechanische Grösse, und wir zeichnen diese Grösse als Pfeil, der entweder aufwärts oder abwärts zeigen kann. Zu Beginn des Experimentes richten wir alle Kerne des Kristalls so aus, dass ihr Spin, also ihr Pfeil, nach oben zeigt. Ausserdem haben auch die Neutronen aus der Kanone einen Spin und wir stellen die Neutronenkanone so ein, dass der Spin aller Neutronen nach unten zeigt.

Abbildung 2 Wenn die Neutronen eine Spur hinterlassen, gibt es kein Interferenzmuster.

In diesem Experiment gibt es kein Interferenzmuster in den Detektoren. Weshalb nicht? – Zu Beginn des Experiments zeigt der Spin aller Kristallkerne aufwärts. Das Neutron hat dagegen, bevor es auf den Kristall trifft, einen abwärts-Spin. Beim Stoss gegen den Kristall vertauscht das Neutron seinen abwärts-Spin mit dem aufwärts-Spin eines Kernes. Bei einem der Kerne zeigt also der Spin plötzlich nach unten. Damit ist aber eindeutig festgelegt, wo das Neutron durchgegangen ist. Das Neutron ist nämlich genau an dem Kern mit dem umgeklappten Spin gestreut worden. Sobald aber der Weg eindeutig festgelegt ist, verschwindet die Interferenz. Diese Regel gilt in der ganzen Quantentheorie und kann durch kein noch so raffiniertes Experiment umgangen werden. Wenn ein Teilchen irgendwo auch nur die kleinste Spur hinterlässt, ist es nur diesen Weg gegangen und es interferiert nicht mehr.

Es braucht dazu keinen bewusst denkenden Beobachter, der den Kristall in Atome zerlegt und diese analysiert. Die Interferenz ist und bleibt verschwunden, egal, ob irgend jemand sich den Kristall jemals wieder ansieht. Wenn manche Autoren zu diesem Beispiel schreiben, der Weg des Neutrons sei ‘beobachtet’ worden, dann meinen sie meist nichts anderes, als dass ein Kristallkern seinen Spin umgeklappt hat. Der ‘Beobachter’ ist also in diesem Beispiel kein Mensch, sondern ein Atom. Deshalb sollte anstelle von ‘beobachten’ besser der Ausdruck ‘registrieren’ verwendet werden. In neueren Texten wird deshalb die Betonung auch nicht mehr auf das Beobachten gelegt. Man spricht von Dekohärenz. Wenn ein Teilchen mit anderen im Kontakt steht, verschwinden die Interferenzphänomene sehr rasch.

Wenn die Interferenzphänomene verschwinden, bedeutet dies aber nicht notwendigerweise, dass auch die Wellen verschwunden sind. Nach der Viele-Welten-Interpretation gibt es auch im Experiment mit den Spins eine Überlagerung aller Möglichkeiten. Dies ist nur deshalb nicht sichtbar, weil die Wellen orthogonal zueinander stehen.

Weiterführende Artikel

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Der Doppelspaltversuch
Gibt es leere Quantenwellen?
Der Quanten-Zenon Effekt

 Was hat Quantenphysik mit Telepathie zu tun? Wehrli (Vorstandsmitglied) geht in seinem Vortrag an der Generalversammlung der Skeptiker Schweiz auf pseudowissenschaftliche Behauptungen von sogenannten “Telepathen” und ähnlichen Menschen ein.

Weiterführende Bücher:

Feynman / Leighton / Sands, ‘Feynman Vorlesungen über Physik, Band III: Quantenmechanik’, (1988), Ouldenbourg, München / Wien
Wer Physik studiert, kennt und schätzt Feynman. Sehr ausführlich, aber auch sehr originell und didaktisch geschickt erklärt der Nobelpreisträger die Quantenmechanik. Das Buch ist das Vorlesungsskript für die Grundvorlesung und setzt demgemäss ein wenig Mathematik voraus. Feynman zeigt, wie man mit Spins rechnet und rechnet das obige Beispiel vor.

Feynman, Richard P., ‘QED – Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie’, (1992), Serie Piper
Eine wunderbar einfache und anschauliche Erklärung der Quantenelektrodynamik (QED) von einem ihrer Begründer. Praktisch ohne Formeln, sondern alleine mit Pfeilen und Grafiken zeigt Feynmann, was bei der QED eigentlich gemacht wird. Ein Muss für alle, die sich für Quanten interessieren!

Paul Harry, ‘Photonen- Eine Einführung in die Quantenoptik’, (1999), Teubner Studienbücher, Leipzig
Etwas vom Besten, was zur Quantentheorie geschrieben wurde! Paul stellt die schönsten Experimente der Quantenoptik vor und analysiert scharfsinnig, weshalb die klassische Physik versagen muss. Die ideale Einführung für alle, die nicht nur rechnen, sondern die Natur auch verstehen wollen. Benützt nur sehr einfache Mathematik. Allerdings schreibt Paul nur über Photonen und nicht über Teilchen.

Philip Wehrli, ‘Das Universum, das Ich und der liebe Gott’, (2017), Nibe Verlag,

In diesem Buch präsentiere ich einen Gesamtüberblick über mein Weltbild: Wie ist das Universum entstanden? Wie ist das Leben auf der Erde entstanden? Was ist Bewusstsein und woher kommt es? Braucht es dazu einen Gott?
Viele Artikel dieses Blogs werden in diesem Buch in einen einheitlichen Rahmen gebracht, so dass sich ein (ziemlich) vollständiges Weltbild ergibt.

Leserunde bei Lovelybooks zum Buch ‘Das Universum, das Ich und der liebe Gott’, von Philipp Wehrli (abgeschlossen)

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