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Viele-Welten-Interpretation : So wird die Erzeugung von Welten zum Kinderspiel

Makroskopische Quanten: Bragg-Streuung organischer Moleküle an einem Gitter Bild: Universität Wien

Was beschreibt die Schrödinger-Gleichung? Der Physiker Sean Carroll trommelt für eine bestimmte Deutung der Quantenmechanik – und hält das für eine Theorie.

          6 Min.

          Im Dezember 2014 erfuhren die Leser des Wissenschaftsmagazins „Nature“ von einem veritablen Zwist. Zwei angesehene Theoretische Physiker – Joseph Silk und George Ellis – veröffentlichten einen Kommentar, in welchem sie Kollegen vorwarfen, die Standards dafür aufweichen zu wollen, was als Wissenschaft gelten kann. Diese würden nämlich Erklärungen der physikalischen Welt auch dann als wissenschaftlicher Errungenschaft ansehen, wenn keine empirische Evidenz dafür beizubringen sei. Eine bloße Vereinbarkeit mit den vorhandenen Beobachtungsdaten solle reichen, sofern es keine Alternative zur betreffenden Idee gäbe, wie man das Universum verstehen solle, und sie „etwas Klares und Eindeutiges darüber sagt, wie die Realität funktioniert“.

          Ulf von Rauchhaupt
          Verantwortlich für das Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.

          Hier zitierten die Kommentatoren Sean Carroll vom California Institute of Technology. Er ist der zurzeit sichtbarste Verfechter einer bestimmten Weise, sich einen Reim auf die Quantentheorie zu machen, der „Viele-Welten-Interpretation“. Sie ist nicht zu verwechseln mit dem Postulat, unser Kosmos sei eine von vielen Parallelwelten in einem „Multiversum“. Beide Vorstellungen haben kaum mehr gemein, als Gegenstand der Kritik von Silk und Ellis zu sein. Die beiden ärgerten sich in ihrem „Nature“-Kommentar darüber, wie ungeniert die eine wie die andere Idee der Öffentlichkeit zuweilen als wissenschaftliches Fakt verkauft wird.

          Quantenmechanik verstehen

          Was es mit den Vielen Welten genauer auf sich hat, kann man einem kurzweiligen Buch Carrolls entnehmen, das nun auch auf Deutsch vorliegt. Es ist nicht die erste allgemeinverständliche Darstellung der Idee. Eine solche fand man zuletzt etwa in Lee Smolins „Quantenwelt“ von 2019 oder, noch empfehlenswerter, in dem voriges Jahr erschienenen Band „Quantum Reality“ von Jim Baggott. Allerdings sehen diese Autoren die Idee kritisch, Carroll aber ist ihr glühender Anhänger. Er möchte seine Leser „wenigstens davon überzeugen, dass die Viele-Welten-Interpretation die einfachste Art und Weise ist, die Quantenmechanik zu verstehen“.

          Dazu muss man zunächst verstehen, inwiefern diese Theorie unverstanden ist. Darüber berichtet Carroll routiniert, mit didaktischem Geschick und ohne Scheu, aus einigen liebgewonnenen Phrasen des Quantenjournalismus die Luft herauszulassen. Vor allem in seinen Skizzen zur Quantenfeldtheorie läuft er mitunter zu großer Form auf. Die kommt in populären Darstellungen oft zu kurz, mutet doch bereits die Quantenteilchentheorie mit ihren verschränkten Photonen oder dem Treiben von Elektronen am Doppelspalt dem interessierten Laien einiges zu.

          Das verflixte Messproblem

          Aber auch professionelle Physiker denken lieber nicht allzu genau darüber nach, was ihre Teilchen nun „wirklich“ machen, sondern wenden ein bewährtes Verfahren an: Sie lösen eine nach Erwin Schrödinger benannte Gleichung. Das Problem ist nun, das diese Gleichung selbst noch nichts bestimmt, was sich messen oder sonst wie mit menschlicher Empirie in unmittelbare Verbindung bringen ließe – ganz anders also als etwa Newtons Gesetze für die Geschwindigkeiten und Positionen von Billardkugeln oder Planeten. Gegenstand der Schrödinger-Gleichung ist vielmehr ein mathematisches Objekt namens Wellenfunktion, aus dem dann erst in einem zweiten Schritt berechnet werden kann, mit welcher Wahrscheinlichkeit bestimmte Messergebnisse vorliegen werden. Das ist in zweierlei Hinsicht ein Bruch mit allem, was man zuvor aus der Physik kannte: Erstens ist das Messergebnis selbst nicht naturgesetzlich determiniert (sondern nur die Wahrscheinlichkeit, mit der es auftritt), und zweitens realisiert es sich erst im Moment der Messung. Solange niemand misst, hat ein Teilchen oder Feld keine seiner messbarem Eigenschaften, und so lange gibt es, wenn überhaupt etwas, nur diese ominöse, sich direkter Empirie entziehende Wellenfunktion. Aus Sicht der klassischen neuzeitlichen Naturwissenschaft ist das ein Problem: das Messproblem.

          Nun muss man sich nicht dazu verhalten. Die kompliziertesten Prozesse in Atomen oder Festkörpern lassen sich beschreiben, in ihrem Verhalten vorhersagen und in diesem Sinne verstehen, wenn man das Messproblem ignoriert und einfach „die Klappe hält und rechnet“, wie es der Physiker David Mermin einmal formulierte. Ignoriert man es nicht, gibt es zwei Möglichkeiten, damit umzugehen. Entweder man verabschiedet sich von der Idee, Physik handele von der Welt selbst anstatt davon, was man über sie naturwissenschaftlich in Erfahrung bringen kann. Die Wellenfunktion ist dann nur ein mathematisches Mittel ohne physikalische Realität. Dies war die Position Niels Bohrs und seiner „Kopenhagener Deutung“, die heute in verschiedenen ausgefeilteren Formen von vielen Physikern vertreten wird. Allerdings weniger von Physikphilosophen, bedeutet diese Deutung doch einen Verzicht auf die Vorstellung, Physik oder überhaupt Naturwissenschaft könnte letzte Auskunft darüber geben, was in Wirklichkeit ist.

          Die Realität der Pfade, die sich verzweigen

          Will man daran aber festhalten, gibt es wieder zwei Möglichkeiten: Entweder man erfindet eine neue Theorie, in der kein Messproblem auftritt; Vorschläge dazu gibt es, allerdings bislang keinerlei experimentelle Hinweise darauf, dass an ihnen etwas dran sein könnte. Oder man glaubt schon im gegenwärtigen Formalismus der Quantentheorie an die Realität der Wellenfunktion. Da es sich dort aber um einen Katalog von Möglichkeiten handelt, von denen nur eine bei der Messung realisiert wird, fragt sich, was dann aus den anderen Einträgen im Katalog wird, wenn der als real vorausgesetzt wird. Sie müssen dann ebenfalls realisiert werden – nur eben in anderen Zweigen der Wirklichkeit, anderen Welten, in die sich die Realität bei jeder Messung, ja jeder Interaktion eines Quantenobjektes mit seiner jeweiligen Umgebung, aufspaltet. Das ist die „Viele-Welten-Interpretation“, die auf die Doktorarbeit des Amerikaners Hugh Everett aus dem Jahre 1956 zurückgeht, aber erst nach theoretischen Entwicklungen seit den frühen siebziger Jahren konkreter zu formulieren war.

          Sean Carroll kann seine Leser durchaus davon überzeugen, dass einem kaum etwas anderes übrig bleibt als die Vielen Welten, wenn man die Quantenmechanik in dem Sinn „ernst nimmt“, in der Wellenfunktion eine wirkliche Entität, nicht bloß ein mathematisches Instrument zu sehen. Und Carroll vermag auch viele der Einwände auszuräumen, die einem zunächst einfallen würden: Nein, der Satz von der Erhaltung der Energie wird nicht verletzt, wenn sich die Welt aufspaltet, und nein, es gibt keinen durch den bewussten Beobachter ausgezeichneten Pfad durch die sich unablässig verzweigende Realität, vielmehr spaltet sich der Beobachter samt seinem Bewusstsein auf und existiert fürderhin in allen Welten, die vor der Beobachtung möglich waren – und das könnten unter Umständen unendlich viele sein.

          Von wegen „Theorie“

          Da die einmal verzweigten Stränge der Wirklichkeit nicht mehr miteinander in Kontakt treten können, ergeben sich auch keine ethischen oder sonstigen anthropologischen Probleme – allerdings auch keine neuen Potentiale für Science-Fiction-Autoren. Die Vorstellung, jeder Mensch existiere in möglicherweise unendlich vielen Kopien, die zusammengenommen alles erleben, was einem von Geburt an überhaupt möglich war, ist sicherlich gewöhnungsbedürftig. Aber ein logisches Argument gegen die Vielen Welten ist das nicht. Wenn nun etliche Experten für Quantentheorie nicht an die Vielen Welten glauben, dann aber nicht nur aus philosophischen Gründen, sondern weil sie nicht überzeugt sind, dass dadurch das Messproblem ausgeräumt ist. Leider geht Carroll auf solche Einwände nicht ein.

          Stattdessen spricht er hartnäckig von der „Vielen-Welten-Theorie“ statt, wie andere, lediglich von einer Viele-Welten-Interpretation der Quantentheorie. Zwar kann das Wort „Theorie“ auch rein mathematische Zusammenhänge bezeichnen. In der Physik aber suggeriert der Wortgebrauch, etwa in Ausdrücken wie „Relativitätstheorie“ oder selbst „Stringtheorie“, stets die zumindest prinzipielle Möglichkeit empirischer Belege dafür, dass eine Erklärung dem Erklärten angemessener ist als ihre Alternativen.

          Doch Experimente oder Beobachtungen, die mit Vielen Welten, nicht aber einer konkurrierenden Sicht auf die Quantenmechanik vereinbar sein könnten, sind per Konstruktion der ganzen Idee unmöglich: Die parallelen Welten haben nach der Aufspaltung ja keine Möglichkeit mehr, miteinander in Kontakt zu treten. Die Behauptung ihrer Existenz ist daher kein naturwissenschaftliches Vorgehen, sondern der Versuch, einen empirisch enorm erfolgreichen Formalismus mit einer bestimmten Weltanschauung in Einklang zu bringen.

          Aber auch an anderer Stelle erliegt Carroll der Versuchung, in den Vielen Welten weit mehr zu sehen, als rechtfertigbar ist. Im letzten Teil des Buches etwa referiert er eigene Ideen, um Quantentheorie und Schwerkraft zusammenzubringen und so eines der größten ungelösten Probleme der Physik anzugehen. Sein Ansatz ist hochspekulativ, aber elegant und originell, nur versteigt Carroll sich dort zu Sätzen wie: „Übrigens machen viele Physiker, die an der Lösung dieses Problems arbeiten, von der Viele-Welten-Theorie Gebrauch, ohne es zu wissen.“ Die Kollegen werden sich für diese Vereinnahmung bedanken – sie wenden schlicht den Formalismus der Quantenmechanik an.

          Offenbar ist Sean Carroll tatsächlich der Ansicht, die Viele-Welten-Idee sei einfach deswegen, weil sie „etwas Klares und Eindeutiges“ über das Funktionieren der Realität zu sagen beansprucht, schon eine physikalische Theorie und verdiene entsprechenden Respekt. Tatsächlich handelt es sich aber um eine naturphilosophische Position. Sie mag sich denen aufdrängen, welche die existierende Quantenphysik akzeptieren, aber die Kopenhagener Deutung ablehnen. Vielleicht weil diese in ihren Augen einem philosophischen Idealismus (was immer sie genauer darunter verstehen) Vorschub leistet, den sie ablehnen. Alle anderen aber brauchen die Vielen Welten nicht.

          Sean Carroll: „Was ist die Welt und wenn ja, wie viele“. Wie die Quantenmechanik unser Weltbild verändert. Aus dem Englischen von Jens Hagestedt. Klett-Cotta Verlag, Stuttgart 2021. 400 S., Abb., geb., 25,– €.

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