Gegenwärtig gibt es die Anschauung, dass die moderne Wissenschaft weiter unendlich voranschreiten wird und schließlich eine umfassende und konsistente Theorie des Universums entdecken wird. Jedoch, genauso wie die moderne Wissenschaft große Fortschritte gemacht hat, hat sie auch ihre Begrenzungen entdeckt. Wie andere auch erkannt haben, sind einige der größten Entdeckungen der modernen Wissenschaft die Entdeckungen ihrer eigenen Beschränkungen.
Dieser Artikel wird fundamentale Beschränkungen aus drei Bereichen vorstellen, welche die Entwicklung der modernen Wissenschaft beeinflusst haben. Danach werden wir sehen, was diese Begrenzungen gemeinsam haben und einen Weg vorstellen, sie zu verstehen.
Eine Beschränkung innerhalb der modernen Physik
Wenn ein Stück Materie erhitzt wird, beginnt es zu glühen, wird heißrot und bei höheren Temperaturen weiß. Für eine lange Zeitspanne versagten die bekannten Gesetze der Strahlung und Hitze bei der Erklärung dieses Phänomens. Max Planck kämpfte um eine physikalische Erklärung auf der atomaren Ebene. Schließlich, nach einiger intensiver Arbeit kam er im Jahr 1900 widerstrebend zu dem Schluss, dass ein strahlendes Atom nur diskrete Quanten von Energie abgeben kann. Er kam widerstrebend zu dem Schluss, weil es gegen die etablierten Gesetze der klassischen Physik verstieß, die keine festgelegten konstanten Energieebenen beinhalten. Später wurde Plancks Folgerung der Quantenenergie eine wichtige Grundlage für die Quantentheorie, und es war nur der Anfang des Konfliktes zwischen der Quantentheorie und der sensibleren klassischen Theorie Newtons.
Klassische Mechanik hat einen engen Bezug zu unserer alltäglichen Weltwahrnehmung. Jedoch scheinen Atome und subatomare Teilchen mysteriöse Eigenschaften zu haben, die sich sehr von unserer gewöhnlichen Weltwahrnehmung unterscheiden. Auf Grund andauernder Anomalien und angehäuften experimentellen Daten, die der klassischen Mechanik widersprechen, waren Physiker zu einer radialen Abkehr von Newtons klassischer Mechanik gezwungen und einen langen und gewundenen Weg zur Quantenmechanik zu riskieren.
Werner Heisenberg schrieb: „Ich erinnere mich an Diskussionen mit Bohr, die viele Stunden andauerten, bis spät in die Nacht und fast in Verzweiflung endeten. Und als ich am Ende der Diskussionen alleine im benachbarten Park spazieren ging, wiederholte ich mir immer und immer wieder die Frage: „Kann die Natur möglicherweise so absurd sein, wie es uns in den atomaren Experimenten erscheint?“(Aus „Physik und Philosophie“, S. 42)
Nichtsdestotrotz ist die Quantenmechanik, trotz dieser konzeptuellen Unterschiede, eine der erfolgreichsten Theorien in der modernen Wissenschaft. Im Prinzip kann die Quantenmechanik die Myriaden Phänomene und chemischen Eigenschaften der Materie mit unglaublicher Exaktheit beschreiben. Ihre Anwendung hat die Entwicklung unserer modernen, technischen Gesellschaft im großen Stil beeinflusst. Michio Kaku, Professor für Theoretische Physik, schrieb:
„Die Konsequenzen der Quantenmechanik sind überall um uns herum. Ohne Quantenmechanik würde eine Fülle von vertrauten Objekten um uns herum, wie Fernsehen, Laser, Computer und Radio unmöglich sein. Die Schrödinger Gleichung kann viele zuvor unbekannte und verwirrende Fakten erklären, wie die Leitfähigkeit. Dieses Ergebnis führte schließlich zur Erfindung des Transistors. Moderne Elektronik und Computer wären ohne Transistoren undenkbar, die ihrerseits das Ergebnis eines rein quantenmechanischen Phänomens sind.“ (Aus „Jenseits von Einstein“, S. 40).
Der enorme Erfolg der Quantenmechanik stammt vom seinem Formalismus, der akkurat Myriaden von Phänomenen von mikroskopischen Dingen erklärt. Und es ist auch eben in diesem Mikrokosmos, dass Quantenmechanik fundamentale Beschränkungen hat.
Ein zentraler Aspekt der Quantenmechanik ist Heisenbergs Unschärferelation. Es ist danach grundsätzlich unmöglich, die Position und den Impuls eines Elektrons oder subatomaren Teilchens gleichzeitig zu messen. Wenn die Position genauer gemessen werden kann, kann der Impuls weniger akkurat gemessen werden oder umgekehrt. Wenn der Ort absolut genau gemessen werden kann, wird der Impuls völlig unbekannt und umgekehrt.
Obwohl Werner Heisenberg die Unschärferelation bereits 1927 vorstellte, ist sie heute genauso bedeutungsvoll. Die Unfähigkeit beides, Ort und Impuls von mikroskopischen Teilchen, genau zu messen, liegt nicht in irgendeiner Begrenzung der gegenwärtigen Technologie. Gemäß vielen Physikern ist dies eine inhärente Begrenzung, die nicht durch irgendwelche Fortschritte der zukünftigen Technologie gelöst werden könnte. Michio Kaku schrieb:
„Die Unschärferelation macht es unmöglich, das präzise Verhalten eines einzelnen Atoms vorherzusagen, geschweige denn des Universums“ (aus „Jenseits von Einstein, S. 44).
Gemäß Brian Greene, einem weltweit führenden Vertreter der Stringtheorie, werden zukünftige Fortschritte in der Stringtheorie die Unschärferelation beinhalten müssen, um eine vollständige Theorie bilden zu können, welche die beobachtbaren Quantenphänomene berücksichtigt. Brian Greene erklärt, dass die Unschärferelation nicht einfach einen Bruch darstellt, der durch Messtechniken verursacht wird:
„Sogar ohne ‚direkte Treffer’ mit einem durchschlagenden Photon der Experimentieranordnung ändert sich die Geschwindigkeit des Elektrons von einem Moment zum nächsten stark und unvorhersehbar. Sogar in der stillsten sich denkbaren Umgebung, wie in einem leeren Teil des Weltraumes, gibt es laut der Unschärferelation von einem mikroskopischen Blickwinkel aus betrachtet eine gewaltige Menge an Aktivitäten – sogar in einer leeren Region des Weltraumes – die Unschärferelation sagt, dass Energie und Impuls ungewiss sind“ (aus „Das elegante Universum“, S. 119).
Werner Heisenberg glaubte, dass die Unschärferelation vom Dualismus zwischen Wellencharakter und Teilchencharakter herrührt. Dieser Dualismus ist nicht einfach in dem mathematischen Schema der Quantenmechanik eingebettet. Dieser Dualismus kann auch aus einfachen Experimenten gefolgert werden. Experimente scheinen zu demonstrieren, dass atomare und subatomare Teilchen beide Eigenschaften haben, die einer Welle und eines Teilchens. Ein Teilchen besitzt einen kleinen Bereich im Raum und kann mit anderen Teilchen oder festen Objekten zusammenstoßen. Andererseits kann sich eine Welle im Raum ausbreiten und durch andere Wellen hindurchgehen. Diese Beschreibungen scheinen widersprüchlich und kontrovers zu sein. Wie kann etwas Welle und Teilchen zugleich sein?
Wenn ein einzelnes Elektron entweder als Teilchen oder als Welle betrachtet wird und nicht als beides zugleich, kann das zu unvollständigen Erklärungen der beobachteten Phänomene führen. Andererseits, wenn die Aspekte des Partikel- und Wellencharakters kombiniert werden, um eine vollständige Theorie zu bilden, kann das zu Widersprüchen führen. Laut Heisenberg führen Bemühungen, atomare Vorkommnisse mit klassischer Physik zu beschreiben, zu Widersprüchen, da diese mikroskopischen Dinge nicht so wie die gewöhnlichen Objekte unserer alltäglichen Erfahrung sind.
In Newtons Mechanik hat jedes Objekt zu jeder Zeit eine bestimmte Position und einen bestimmten Impuls und wird gemäß mathematischen Gesetzen nur einer einzigen Bewegungsrichtung folgen. Mit anderen Worten, die Bewegung der Materie ist voll deterministisch, und es ist gibt nur ein zukünftiges Ergebnis. Wenn die Position und der Impuls eines Objektes bekannt sind, kann seine Bewegung mit präzisen mathematischen Kalkulationen vorhergesagt werden. Newtons Mechanik war sehr erfolgreich in der Beschreibung und Vorhersage der Planetenbewegung am Himmel, sowie bei Ereignissen auf der Erde. Jedoch versagt sie bei der Beschreibung der Phänomene in dem atomaren und subatomaren Mikrokosmos.
Im Kontrast zur klassischen Physik Newtons sind atomare Ereignisse, laut Heisenberg, wie das Konzept der Möglichkeit in der Philosophie Aristoteles: „eine fremde Art physischer Realität, gerade in der Mitte zwischen Möglichkeit und Realität“. In der Quantenmechanik sind atomare und subatomare Ereignisse als Möglichkeiten und Tendenzen beschrieben. Die Quantenmechanik führte das Konzept der Unbestimmtheit in die Grundlagen der modernen Physik ein. Dies bedeutete einen großen Sprung von Newtons klassischer Mechanik weg, die über Jahrhunderte die Physik beherrscht hatte. Und es war auch eine radikale Abkehr von der Relativitätstheorie. Einstein verwarf diese Interpretation der Quantenmechanik bezüglich eben dieses Punktes der Unbestimmtheit und sagte: „Gott spielt nicht mit Würfeln“.
Heisenberg schrieb:
„Der Wechsel im Konzept der Realität, der sich in der Quantentheorie manifestiert, ist nicht einfach eine Fortentwicklung der Vergangenheit. Es scheint ein wirklicher Bruch in der Struktur der modernen Wissenschaft zu sein“ (Aus Physik und Philosophie).
Obwohl Quantenmechanik sehr erfolgreich war, dürfen wir nicht vergessen, dass Quantenmechanik nur sichtbare Phänomene beschreibt und vorhersagt; sie beschreibt nicht die innere Realität der Materie. Tatsächlich entwickelten sich im Laufe der Entwicklung der Quantenmechanik, sogar unter bedeutenden Physikern, verschiedene und widersprüchliche Interpretationen. Zu einer der frühesten Interpretation der Quantenmechanik zählt die Kopenhagen Interpretation, die von dem dänischen Physiker, Nils Bohr, angeführt wurde. Laut dieser Interpretation existiert keine „tiefere Realität“, und Atome, Photonen, Elektronen existieren nicht wie Objekte unseres täglichen Lebens. Laut dieser Interpretation entsteht die volle Existenz eines Phänomens erst, wenn es beobachtet wird. Bohr sagte: „Es gibt keine ‚Quantenwelt’. Es gibt nur eine abstrakte Beschreibung der Quanten.“.
Auf der anderen Seite war Einstein „Realist“, und er glaubte, dass Quantenmechanik einfach unvollständig sei und dass eine verborgene, deterministische Realität hinter den Quantenphänomenen existiere, die vielleicht in Zukunft entdeckt würde. Obwohl Einstein mit dieser Ansicht zu einer sehr kleinen Minderheit gehörte, waren andere bedeutende Physiker, die auch zu der Entwicklung der Quantenmechanik beigetragen hatten, auch Realisten. Max Planck, der als Urheber der Quantentheorie angesehen wird, glaubte an eine objektive, vom Betrachter unabhängige Welt und widersetzte sich unerbittlich der nicht deterministischen Weltsicht von Heisenberg, Niels Bohr und Max Born. Luis de Broglie, der durch seine Entdeckung der Wellennatur von Elektronen bekannt wurde, war konform mit der statistischen Interpretation, aber nachdem er mit ihr mehrere Jahre gekämpft hatte, nahm er schließlich die realistische Position ein. Erwin Schröder, der die Wellenmechanik entwarf, war auch ein Realist und widmete einen großen Teil seines späteren Lebens dem Widerstand gegen die statistische Interpretation der Quantentheorie, an dessen Entwurf er soviel gearbeitet hatte.
Schrödinger sagte:
„Physik nimmt seinen Ausgangspunkt aus der Alltagserfahrung und setzt diese mit subtileren Mitteln fort. Sie bleibt ihr artverwandt, übersteigt sie prinzipiell nicht. Sie kann nicht in ein anderes Bewusstsein eintreten. Entdeckungen der Physik können nicht von sich aus – so glaube ich es – die Befugnis haben, uns von der Gewohnheit zu trennen, die physische Welt als eine Realität darzustellen“.
Ein Jahrzehnt nach Einstein zeigte John Stewart Bell, das die realistische Sichtweise es erfordere, dass bestimmte Kräfte in der Lage sein müssten, schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zu reisen, um sichtbare Quantenphänomene erklären zu können. Und weil dies der gut begründeten Relativitätstheorie widersprach, lehnten viele Physiker die realistische Position ab.
1957 stellte Hugh Everett die mehrdimensionale Welt-Interpretation vor, die das Messproblem der Quantenmechanik zu lösen schien. In der mehrdimensionalen Welt-Interpretation werden für verschiedene mögliche Ergebnisse bei jedem Messvorgang parallele Universen erzeugt. Wenn z. B. eine Münze geworfen wird, tauchen wahrscheinlich, obwohl wir nur ein Ergebnis sehen, andere mögliche Ergebnisse in parallelen Universen auf, die sofort erzeugt werden. Diese Interpretation wird von einigen Physikern und Philosophen für absurd gehalten.
Dies ist nur eine kleine Auswahl an Versuchen, eine vollständige Interpretation der Quantenmechanik zu liefern. Es gibt viele Interpretationen. Nick Herbert verglich acht von ihnen (einschließlich der oben erwähnten) und schrieb:
„Ein erstaunlicher Aspekt dieser acht Quanteninterpretationen ist, dass sie experimentell jedoch nicht zu unterscheiden sind. Bei allen gegenwärtig erdenklichen Experimenten sagt jede der
Quanteninterpretationen exakt dasselbe beobachtbare Phänomen voraus. Sie alle sind ohne Ausnahme grotesk“ (aus Quanten Realität, S. 28).
Einige Physiker glauben, dass Quantentheorie nicht zu erklären sei und dass sie einfach als ein Mittel zur Kalkulation und Vorhersage physikalischer Phänomene betrachtet werden sollte.
Teil 2: folgt
