Welle oder Teilchen
- Systeme und Prozesse -

© 1998 - 2009 Wolfgang Neundorf
Stand:12.04.2009

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Haben wir es bei den Quantenobkjekten (was eigentlich sind Quantenobjekte?) denn nun wirklich mit Objekten (Systemen) oder Prozessen zu tun. Die tradierte Physik vermischt beide Dinge m. E. auf unzulässige Weise.

Carl Friedrich v. Weizsäcker

Seine [Bohrs] Arbeit, die Grundlagen tiefer zu legen, erfüllte sich in seinem Beitrag zur Deutung der Quantenmechanik, dem Begriff der Komplementarität (1927). Weder der Begriff des Teilchens noch der der Welle darf aufgegeben werden, da beide wirkliche Erfahrungen beschreiben. Auch ihr Gegensatz aber kann nicht aufgehoben werden. Sie ergänzen einander, indem sie einander widersprechen; sie sind komplementäre Bilder des Geschehens. In diesem Begriff vermochte Bohr sein ursprüngliches Verständnis für die Zusammengehörigkeit der Gegensätze auf die Physik selbst anzuwenden.
C. F. v. Weizsäcker über Niels Bohr


Carl- Friedrich v. Weizsäcker
1912 - 2007

 

Welle oder Teilchen - Syteme und Prozesse

 

Wenn wir jetzt versuchen, das logische Chaos ein wenig zu entwirren, so gilt einschränkend -   wie auch in allen anderen vergleichbaren Fällen -, dass ein logisch sinnvoller Lösungsansatz noch keine physikalische Erklärung liefern kann. Ich will - und kann - keine Fragen beantworten. Doch gilt:

Jede logisch einwandfreie Deutung bringt uns der konkreten physikalisch relevanten Fragestellung ein wenig näher gemäß der Devise „Logik hat Vorrang“.
„Logik hat Vorrang“ bedeutet, es müssen
alle gegebenen Erfahrungstatsachen sich in ein logisch zusammenhängendes Bild einordnen lassen.

Wo mehrere unabhängige oder gar sich widersprechende - disjunkte, sich gegenseitig ausschließende oder „komplementäre“ - Bilder notwendig sind, heißt dies nicht, die Tatsachen anzuzweifeln, sondern deren Interpretationen, dabei beachtend, dass alle vorgeblichen Tatsachenbeschreibungen ohnehin bereits Interpretationen sind oder zumindest Interpretationen enthalten.

Alles andere ergibt sich anschließend fast von selbst. Die Kopenhagener Deutung als statistische Interpretation der Wellenfunktion der Quantenmechanik bezogen auf ein einzelnesObjekt ist, wie ich im bisherigen Text darlegte, mit einigen Problemen behaftet. (Die Wahrscheinlichkeitsfunktion galt nicht für eine statistisch relevante Anzahl von Quantenobjekten, sondern für jedes einzelne Objekt, da nachweislich das Beugungsmuster von der Energiedichte das Strahles unabhängig ist.) Dabei muss unter Umständen eine unstetige Veränderung der Wellenfunktion - „Kollabierung“ - akzeptiert werden. („Schrödingers Katze“ treibt die Absurdität der akzeptierten Deutung der Wellenfunktion auf die Spitze.)

Meine Kritik betrifft nicht die Tatsache der Wahrscheinlichkeitsaussagen an sich, sondern einige Konsequenzen derselben, die schon dadurch nicht wirklich verständlich sind, weil sie die Logik vergewaltigen. Welche Möglichkeit aber haben wir, das Doppelspalt-Experiment - unter Berücksichtigung aller bisher dargelegten Fakten - logisch widerspruchsfrei zu deuten? Einige Gedanken zeigten bereits in die richtige Richtung. Es ging - das sei zum Überdruss wiederholt - um das nicht recht verständliche Ergebnis des Doppelspaltexperimentes, wobei die übereinandergelegten Aufnahmen der Beugungsmuster mit jeweils nur einem Spalt nicht deckungsgleich sind mit der Aufnahme im Falle, dass beide Spalte passiert werden konnten. Um dieses Ergebnis nicht zu verfälschen, wurden die Photonen (oder sonstige Elementarteilchen) einzeln abgeschickt, dadurch die Möglichkeit ausschließend, dass die sich zeigenden Effekte aus der Wechselwirkung der Teilchen untereinander resultieren.Das Teilchen also bewegt sich von der Quelle zur Blende. Bis dahin haben wir keine Probleme. Denken wir uns zunächst an Stelle der Blende die Fotoplatte gesetzt, so wird nach einer ausreichenden Anzahl von ausgesandten Photonen sich ein bestimmtes Trefferbild ergeben, welches wir bereits diskutierten. Es lässt sich nicht korrekt voraussagen, welchen Punkt ein Photon exakt erreicht, da jeder einzelne Versuch mit - sehr kleinen - aber unkontrollierbaren Fehlern behaftet ist. Betrachten wir diese Trefferbild als Ausgangssituation für das Passieren eines der Spalte, so ist ohne weiteres einsichtig, dass nicht für jedes einzelne Photon bestimmbar ist, ob und wenn ja welchen, Spalt es passieren kann.

Und hier beginnt sich das erste Missverständnis abzuzeichnen, welches die Kopenhagener Deutung dieses Versuches beinhaltet. Die Wechselwirkung mit der Materie der Blende ist keine Wechselwirkung eines mikroskopischen Objektes mit einer makroskopischen Versuchseinrichtung, sondern es handelt sich um die Wechselwirkung der Photonen (oder sonstiger Elementarobjekte) mit Objekten auf ihrer Ebene untereinander. Betrachten wir das Trefferbild in der Ebene der Blende aus unserem makroskopischen Blickwinkel, so dürfen wir von einem nur kleinen Fehler sprechen. Doch diese Aussage verändert sich gewaltig, versuchen wir die gleiche Situation aus der „Sicht“ der Objekte selbst zu beurteilen. Ein Mikrometer ist für uns eine nicht mehr anschaulich erfassbare winzig kleine Entfernung. Für ein Photon hingegen ist diese Größe einfach gigantisch.

Die Koordinaten des Aufenthaltes eines Photons in Ebene der Blende mögen für unsere Verhältnisse weitgehend genau reproduzierbar sein, doch jeder noch so kleine Fehler wirkt sich auf die relativen Lagen der Elementarteilchen untereinander exorbitant aus. Selbst dann, gelänge es uns, die Position um Bruchteile eines Atomdurchmessers zu reproduzieren (was technisch prinzipiell unmöglich sein dürfte), so wäre auch diese Fehler für die exakte Vorhersage des Verhaltens des Photons um Größenordnungen zu gewaltig, weil wir die Bewegung der Elektronen um die Atomkerne berücksichtigen müssten und deren „Positionen“ untereinander und zu unserem „Probeteilchen“, welches sich durch den Spalt bewegt! Wir müssen uns schon auf die mikroskopische Ebene selbst begeben (was natürlich nicht möglich ist; aber auch hier gibt es einen Ausweg), um die tatsächlichen Verhältnisse bewerten zu können.

Folgende nicht einmal abwegige Vermutung, dass die Elementarteilchen (oder Quanten) möglicherweise komplexe dynamische Systeme sind, so wie die Atome selbst, könnte uns weiterhelfen. Doch schon mit den Elektronenbahnen im Atom gab es einige Probleme. Die Quantenmechanik behandelt nicht mehr diese Bahnen im klassischen Sinne, sondern Aufenthaltswahrscheinlichkeiten. (Hier gelangen wir zu einigen grundlegenden Problemen der klassischen Mechanik mit ihren kinematischen Bestimmungen.) Folgende Annahme: In allen Systemen - ob atomaren oder subatomaren - finden zyklische Prozesse (die relativ zueinander nicht streng periodisch sein müssen) statt. Als sehr komplexe Oszillatoren dürfen wir sie betrachten, obwohl wir uns nicht festlegen wollen, was dort schwingt oder rotiert und welche konkrete Struktur wir wirklich vor uns haben.

Bewegt das Photon sich nun durch einen der beiden Spalte - oder nicht? - Natürlich bewegt es sich „irgendwie“ durch den Spalt. Nur, den Spalt im makroskopischen Sinne gibt es für das Photon nicht. Bewegt das Teilchen sich durch einen der Spalte hindurch, so bestimmt die Wechselwirkung der Mikroobjekte untereinander deren weiteres Verhalten. Irgendwie wird das Photon in seinem dynamischen Verhalten beeinflußt. Hat es den Bereich des Spaltes verlassen, so scheint es - dann auch aus makroskopischer Sicht - mehr oder weniger aus seiner ursprünglichen Bahn abgelenkt zu sein. (Hier gelangen wir zur Problematik der kinematischen Bezugssysteme.) Atome sind - ganz allgemein formuliert - Oszillatoren. Erst dann, wenn wir diese Aussage auch auf die Objekte der nächst niederen Strukturebene übertragen, werden wir zu logisch sinnvollen Aussagen gelangen.

Photonen (Elektronen, Protonen...) sind komplexe dynamische Systeme. Wie auch die Wechselwirkung „komplexer dynamischer Systeme“ auf dieser Ebene aussehen mag, mit dem uns geläufigen - raum- bzw. koordinatenbezogenen - Bewegungsbegriff werden wir diese Beziehungen nie erfassen können. (Dies wird Anlass sein, sich mit dem raumbezogenen Bewegungsbegriff grundsätzlich auseinandersetzen zu müssen, der Bestandteil klassischen Mechanik ist.)

Natürlich müsste jetzt der Einwand erfolgen, dass ich das dubiose Ergebnis des Doppelspaltexperimentes noch gar nicht angesprochen habe. Dieser Einwand ist berechtigt. Doch haben wir genügend Vorarbeit geleistet, um den nächsten Schritt zu wagen. Untersuchen wir also den Vorgang in Zeitlupe. Wir „beobachten“ Photonen, wie sie sich auf die Blende zubewegen. Der Ort (die Koordinaten) auf Höhe der Blende ist nicht eindeutig vorhersagbar. Einige Photonen treffen auf das Material der Blende, ohne den Weg durch einen der Spalte zu finden. Doch irgendwann „sehen“ wir ein Photon beim Durchflug durch den „linken“ Spalt. Danach wird es irgendwo auf die Fotoplatte auftreffen und ein Silberatom abspalten.

    Selbstverständlich bin ich mir der Tatsache bewusst, den hier im Gedankenexperiment skizzierten Vorgang in der Realität eben nicht unmittelbar beobachten zu können, da genau jede Beobachtung eine Wechselwirkung mit dem Objekt bedeutet, welche den Vorgang stört. Aus durchaus verständlichen Gründen haben die Klassiker der Quantenphysik diese Unmöglichkeit zum Prinzip erhoben. Nicht mehr ganz so verständlich ist es, dass die Physiker auch heutzutage alte Bedenken mehr oder weniger unreflektiert übernehmen, da aus heutiger Sicht ein Ausweg sich durchaus abzeichnen könnte. Wenn man nur wollte. Dieser Ausweg heißt „Simulation“ oder „Computerexperiment“.
    Angenommen, wir hätten Kenntnis von den wahren physikalischen Zusammenhängen, so wäre es ein Leichtes, dieses Wissen in einen Simulationsalgorithmus zu kleiden, der uns die Beobachtung der virtuellen Vorgänge ermöglicht. Wenn dieser Algorithmus richtig wäre, so könnten wir den eben beschriebenen Prozess tatsächlich „beobachten“, da wir den Vorgang „von außen“ (Stichwort: „Metaebene“) betrachten, ohne ihn zu beeinflussen. Folgende Konsequenz: Die Quantenmechanik ist nur deshalb „unanschaulich“, weil wir nichts wirklich begriffen haben. (Zum Thema „Simulation“ und „virtuelle Realität“ werde ich vielleicht vertiefende Ausführungen zukünftig in diese Web-Seiten aufnehmen.)

Eine Vielzahl von Treffern ergibt ein ganz bestimmtes Trefferbild in Gestalt unserer schon recht bekannten Beugungsstreifen. Dabei stellen wir fest, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilung auf der Fotoplatte aller „linken“ Elektronen abhängig ist davon, ob durch den „rechten“ Spalt ebenfalls Elektronen geflogen sind. Da aber die Photonen voneinander nichts „wissen“ können (dies erreichten wir durch unseren extrem stark „verdünnten“ Lichtstrahl), so gibt es eine - und wirklich nur eine einzige!! - logisch sinnvolle Deutung dieser Tatsache: Das Material der Blende - respektive dessen Atome - „merkt/merken“ sich, was passiert war. Durchquert also ein Photon den „rechten“ Spalt, so bleibt über diesen Vorgang eine bestimmte Information darüber erhalten, in welcher Weise dieses Durchqueren erfolgte. Aus der Sicht der Photonen gibt es eben keinen starren makroskopischen Körper, sondern eine - uns zur Zeit noch ganz und gar unzugängliche - sich in schneller und steter, aber nicht völlig chaotischer Bewegung befindliche „Welt“. Von Wechselwirkung und Bewegung war mehrfach die Rede. Und bei Durchquerung des Quantenobjektes eines der Spalte, erfährt nicht nur unser „eigentliches“ Versuchsobjekt eine Veränderung, sondern das „Versuchsinstrument“ (die Blende) ebenfalls - es handelt sich eben wirklich um eine Wechsel-Wirkung!

Den Einwand, dass dies alles physikalischer Unsinn ist, kann ich nicht gelten lassen. Denn erstens stelle ich keine konkreten physikalischen Hypothesen auf, sondern befasse mich „nur” mit logisch sinnvollen Denkansätzen, welche vielleicht irgendwann irgendwie physikalisch untersetzt werden können, indem sie mit völlig anderen Fragestellungen einhergehen. Und zweitens müssten wir konsequenterweise dagegenhalten, dass die anerkannte(n), und für diskussionswürdig befundene(n), Interpretation(en) der gleichen Sachverhalte logischer und physikalischer Unsinn ist, denn die bekannten Formalismen der Quantenmechanik beschreiben quantitative Relationen, aber erklären können sie nichts; und der Dynamik des mikroskopischen Geschehens werden sie auch nicht gerecht, weil - von Bewegung und Dynamik gar keine Rede mehr ist. Diese Überlegungen wären dann Unfug, wenn es jene Dynamik überhaupt nicht gäbe.

Wellen haben etwas mit Schwingungen zu tun. Damit befasste sich der Text „Teilchen oder Welle?“. „Oszillatoren“ werden schwingende Systeme genannt.

  • Ist ein Photon ein Teilchen oder eine Welle?
  • Ist das Photon ein System oder ein Prozess?

Die erste Frage brachte die Physiker in arge Bedrängnis. Wir setzten die zweite Frage dagegen. Und diese Frage zu beantworten, sind wir jetzt imstande, wenn wir einstweilen uns mit einer qualitativen Antwort uns begnügen.

  • Das Photon ist ein System.

Es laufen darin Prozesse ab, die notwendigerweise zyklische Prozesse sein müssen. Ein Photon ist ein komplexes dynamisches System mit zyklischen Prozessen: ein Oszillator eben. Unter bestimmten Bedingungen zeigt die dynamische Struktur eines Teilchens (etwas allgemeiner formuliert) uns Verhaltensweisen, welche sich mit makroskopischen Eigenschaften beschreiben lassen: Masse und elektrische Ladung beispielsweise (unter Beachtung, dass Quanten „ruhemasselos“ sind; für uns ein triftiger Grund, uns mit dem Massebegriff zu beschäftigen.).

Ein sich frei im Raum bewegendes Teilchen ist durch die Angaben weiterer Parameter, die Raumkoordinaten und die Geschwindigkeitskomponenten, eindeutig bestimmt. (Photonen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und zwar, so will es die Spezielle Relativitätstheorie, relativ zu allen Bezugskörpern mit eben jener „konstanten Grenzgeschwindigkeit“.) Die konkrete dynamische Struktur eines Teilchens wird abgebildet in ganz bestimmten nach außen in Erscheinung tretenden Eigenschaften, wenn wir seine Bewegung im Raum beschreiben. Hier verhält sich das Photon wie ein Teilchen, wenn wir ein solches Teilchen mit dem identifizieren, wie wir es weiter oben kennzeichnen konnten.

Was aber passiert, treten Oszillatoren mit anderen schwingenden oder schwingungsfähigen Systemen in Wechselwirkung? - Auch das wissen wir: Es findet ein Energieaustausch bzw. -transport statt. Alle schwingenden Systeme nehmen teil an einer zusammenhängenden Bewegung. Und diese Bewegungsformen haben - man wird es kaum für möglich halten - bereits einen Namen: Sie werden „Wellen“ genannt.

Es ist schwierig, korrekte Aussagen darüber zu treffen, wie die zyklischen Prozesse in einem Elektron oder anderem „Elementar“-„Teilchen“ vonstatten gehen. Solange wir den Bewegungsbegriff nicht wirklich in den Griff bekommen, haben wir es noch schwerer, Aussagen über zyklische Bewegungen im mikroskopischen Bereich zu treffen. Diese Schwierigkeiten sollen uns jedoch nicht davon abhalten, logisch sinnvolle Aussagen zu formulieren, darauf vertrauend, dass sie vielleicht künftig in physikalischen Aussagen ihren konkreten Niederschlag finden werden.

Wie stehen unsere bisherigen Überlegungen im Zusammenhang zur Kopenhagener Deutung   quantenmechanischer Erscheinungen? - Diesen Zusammenhang herzustellen ist gar nicht so schwer. Dazu erinnern wir uns noch einmal an das Doppelspaltexperiment, welches wir sehr ausführlich bereits analysierten. Die traditionelle Physik betrachtet abstrakte idealisierte Objekte: Teilchen und Wellen. Wir versuchen uns im Konkreten.

Hier berühre ich die Problematik der, so will ich dies einmal nennen, „materialisierten Abstraktionen“ oder Hypostasierungen. (s. Der Pygmalion-Effekt) Dies wird beim Wellenbegriff in voller Deutlichkeit klar. Denn dieser Begriff befasst sich - ursprünglich - mit Prozessen, die sich in ein ganz bestimmtes Muster einordnen ließen:

„Wellen sind Prozesse, ...“

All die mit dem Wellenbegriff verbundenen Erscheinungen können wir mit einem einheitlichen Denkmodell beschreiben, welches sich durch Abstraktion konkreter Erscheinungen gewinnen lässt. Der Wellenbegriff sieht ab von der ganzen konkreten Vielfalt der konkret vorhandenen Erscheinungen. Jetzt wird vergessen, dass es sich bei Wellen in erster Linie um Prozesse handelt, sondern diese Prozesse selbst werden in letzter Lesart zu eigenständigen Objekten. Doch dieser Schritt wurde erst mit der Abschaffung des Äthers wirklich vollzogen, denn die ursprüngliche Ätherhypothese war in diesem Sinne durchaus als korrekt anzusehen; sie vertrug sich angeblich „nur“ nicht mit den Tatsachen und wurde damit fallengelassen. Die moderne Physik aber verwandelt die Wellen (Prozesse) endgültig zu Objekten (Systemen) mit recht widersprüchlichen Eigenschaften, die den einstigen Widersprüchlichkeiten des Äthers in nichts nachstehen und diese eher übertrumpfen.

Das Teilchenmodell kommt mit acht Parametern aus: die drei Raumkoordinaten und die drei Geschwindigkeitskomponenten, wobei Masse und Ladung (bei der Gravitation sind Masse und Ladung identisch) das dynamische Verhalten „im Raum“ bestimmen (klassische Mechanik). Und sind die Anfangswerte - die Raum- und Bewegungsgrößen - bekannt, so bestimmen diese das Geschehen im Sinne des klassischen Determinismus der klassischen Mechanik. Nur dürfen wir davon ausgehen, dass die Anfangswerte im mikroskopischen Sinne nicht mit den dürftigen Bestimmungen des Massepunkt-Modells hinreichend gekennzeichnet sind. Das alles spielt im Teilprozess Pr. 2 überhaupt keine Rolle; jedoch wird bei der Wechselwirkung des Photons im Spalt mit Sicherheit die konkrete Weise, wie dies geschieht, von genau jenen Anfangswerten im Prozess Pr. 1 bestimmt. Und da man davon ausgehen kann, dass die „Phasenlage“ im Prozess Pr. 1 im allgemeinen mit der „Phasenlage“ des Prozesses Pr. 3 nicht starr gekoppelt ist, dürften die Auswirkungen nach dem Passieren des Spaltes sich darin äußern, dass sich bezüglich des Aufenthaltes des Elektrons nur bestimmte Wahrscheinlichkeiten angeben lassen. Die „komplexen Anfangsbedingungen“ bei der Aussendung des Elektrons spielen während des Prozesses Pr. 2 (klassische Flugbahn) nicht die geringste Rolle, sie bestimmen jedoch unübersehbar das Verhalten während des Passierens des Spaltes.

Aber auch im makroskopischen Sinne erfährt das Elektron eine wesentliche Beeinflussung, da jetzt die Anfangsbedingungen, die Raumkoordinaten und Geschwindigkeitskomponenten, hinter dem Spalt die relevanten Größen sind; und die Anfangswerte im Prozess Pr. 1 bestimmen jetzt nur noch indirekt das Geschehen im Prozess Pr. 4, der wieder eine klassische Bahn repräsentiert. Wichtig ist:

  1. Das Photon hat immer einen bestimmten Aufenthaltsort, wenngleich dieser Aufenthaltsort nicht in allen Fällen durch die unzureichenden klassisch-mechanischen Parameter ausreichend spezifiziert ist. (Der traditionelle Ortsbegriff als solcher bedarf einer grundsätzlichen Klärung, nicht nur innerhalb der Quantenphysik.)
  2. Es darf nicht der Trugschluss folgen, dass das indeterministische Verhalten nur eine Folge unserer Unkenntnis der komplexen Anfangsbedingungen ist.
  3. Der „Welle-Teilchen-Dualismus“ resultiert aus der Nichtanwendbarkeit des klassischen Massepunktmodells auf die Prozesse Pr. 1 und Pr. 3, bei denen die wahre Natur des Photons (oder sonstiger Mikroobjekte) als komplexe dynamische Struktur (als Oszillator) zum Tragen kommt.
  4. Die Formalismen der Quantenmechanik sehen von der Dynamik jener Objekte ab, die sie beschreiben sollen und ersetzen sie durch statische Systeme bzw. quasistatische Modelle.

Auch hierzu sollten einige ergänzende Anmerkungen die Angelegenheit präzisieren:

    Zu 1.

    Angesprochen ist hier jene Tatsache, dass die gängige Deutung der Quantenmechanik genau diesen Sachverhalt bestreitet und man damit zu logisch nicht ganz sauberen Schlüssen gezwungen wird. Der tatsächliche Aufenthaltsort eines Photons während des Durchquerens des Spaltes und hinter dem Spalt wird durch eine „verschmierte“ Wahrscheinlichkeitsverteilung beschrieben, bei der das Objekt beide Spalte gewissermaßen gleichzeitig passiert. Ich hingegen behaupte: Sicherlich ist es richtig, dass der Aufenthaltsort sich als eine Wahrscheinlichkeitsverteilung beschreiben lässt, wie wir sie bei einer großen Anzahl von Teilchen beobachten, aber diese Verteilung gilt - wie schon bei der statistischen Mechanik - nur für eine statistische Gesamtheit von Objekten. (vgl. Aussagen im vorigen Textabschitt.) Diese Annahme ist aber nur dann möglich, wenn wir die Versuchsobjekte (die Photonen in unserem Beispiel) und das Versuchsinstrument (hier die Blende mit den beiden Spalten) als dynamische Einheit betrachten, wobei beide sich in gegenseitiger Beziehung eben auch gegenseitig verändern (nichts anderes gilt für gewöhnliche Wellen in ihrem Medium auch). Makroskopisch sichtbar aber sind nur die Beugungsmuster auf dem Schirm und nicht die mikroskopischen Prozesse bei der Wechselwirkung des Teilchens mit dem Spalt, welcher hier keine kompakte makroskopische Einrichtung ist. Da aber letztere Prozesse nicht direkt erkennbar sind, dürfen wir umgekehrt aus den beobachteten Erscheinungen auf dem Schirm den hier logisch zulässigen indirekten Schluss ziehen, dass es jene Prozesse wirklich gibt, und dass diese Prozesse wesentlich den Verlauf unseres Doppelspalt-Experimentes bestimmen. Interpretieren wir dieses Experiment auf unsere Weise - ungeachtet der Tatsache, dass wir keine konkreten physikalischen und mathematischen Modelle vorweisen können - so lösen sich alle logischen Schwierigkeiten auf; und es bedarf keiner an den Haaren herbeigezogenen „Kollabierung der Wellenfunktion“ mehr. Der „Wellencharakter“ manifestiert sich nicht hinter dem Spalt, sondern in demselben!

    Zu 2.

    Das Aussenden eines Teilchens ist im Sinne der makroskopischen Beschreibung weitgehend reproduzierbar; und der unvermeidbare Fehler wirkt sich, treten keine weiteren Wechselwirkungen auf, als konstanter relativer Fehler und linear wachsender absoluter Fehler in Erscheinung. Unser Doppelspalt-Experiment bietet aber recht komplizierte Abhängigkeiten genau bei der Wechselwirkung des Teilchens mit der Materie des Spaltes.

    Zu 3.

    Die Problematik „Welle oder Teilchen“  ist eines der Probleme der unzulässigen Vereinfachungen. Entweder es gibt „Teilchen“ (oder „Systeme von Teilchen“) in klassisch-mechanischen Sinne, welche durch Eigenschaften (Masse, Ladungen) und kinematische Anfangswerte beschreibbar sind, oder wir haben es mit Wellen zu tun. Und Wellen sind kontinuierlich im Raum sich ausbreitende Phänomene (mit einem materiellen oder ohne ein materielles Substrat). Wir aber gelangten zur Ansicht: Es gibt weder die reinen „Punkte“ noch die mathematisch exakten Kontinua. Beide Modelle sind Grenzmodelle für ganz bestimmte Bedingungen. Den Massepunkt beschrieben wir als Modell, welches unter bestimmten Bedingungen zu richtigen Folgerungen führen konnte (diese Bedingungen wiederhole ich nicht noch einmal). Die Welle als die Ausbreitung von Schwingungen in einem Kontinuum reduzierten wir auf die Wechselwirkung „unendlich“ vieler kleiner „ortsfester“ Oszillatoren untereinander, welche sich - sind letztere nur klein genug und in ausreichender Anzahl vorhanden - als Pseudo-Kontinuum durch ein mathematisches Kontinuum näherungsweise abbilden lassen. Die „wahre Welt“ besteht weder aus „reinen Teilchen“ noch aus „reinen Kontinua“. (Die Problematik des Raum-Kontinuums sowie die der Kraft-Felder wäre auch noch ein wichtiges Thema.) Die Vereinfachungen der genannten Modelle führen unter Bedingungen des Doppelspalt-Experimentes zu unüberwindlichen Schwierigkeiten und letztendlich zu logisch fragwürdigen Interpretationen.

    Zu 4.

    Irgendwie sind die Formalismen der Quantenmechanik von den Idealisierungen geprägt, die ich soeben in 3. nannte. Wenngleich man weiß, dass sich die Elektronen im Atom „irgendwie“ bewegen, und das ursprüngliche Rutherfordsche Atommodell diese Bewegung den Bahnen der Planeten um die Sonne nachzuempfinden versuchte, so schien die Bewegung nur als ein etwas unwichtiger Nebeneffekt betrachtet zu werden. Nicht über die Bewegung als solche machte man sich übermäßig Gedanken, sondern darüber, warum diese Bewegung sich nicht mit den klassischen Mitteln beschrieben ließ. Da letzteres der Fall war, kam man zu dem Schluss, dass es im Bereich der Atome usw. überhaupt keine mechanische Bewegung im klassischen Sinne gäbe. Dort war alles viel anders. - Es war schon anders. Nur kann man annehmen, dass es sich bei dem Anderssein „lediglich“ um eine quantitative Kluft zwischen beiden Bereichen handelte. Aus der Bewegung wurde im Rahmen der Quantenmechanik eine diffuse Aufenthaltswahrscheinlichkeit, die sich mit allem befasste, nur nicht damit, dass man es ursprünglich mit Bewegung zu tun hatte, eine Bewegung, die an unseren Maßstäben gemessen, unermesslich schnell sein muss. Die Elektronenbewegung im Atom war zur Welle und Wahrscheinlichkeitsfunktion erstarrt, wobei der Bewegungsbegriff zur ungreifbaren „transzendenten Abstraktion“ gefror. Das alles noch unübersichtlicher wurde durch die Tatsache, dass die Gesetze der klassischen Mechanik als Grenzfall in der Quantenphysik enthalten sein mussten (Korrespondenzprinzip). Dieser Grenzübergang aber ist formal an die Plancksche Konstante geknüpft und nicht an die Dynamik der Objekte selbst, aus der man eigentlich die Plancksche Konstante ableiten müsste - wären die Zusammenhänge wirklich bekannt.

Eine weitere Inkarnation dieser Ungereimtheiten ist das Bestehen von formalen Beziehungen, die an die klassische Mechanik angebunden sind. Alle bekannten Sätze der Newtonschen Mechanik finden ihr Gegenstück in den Gesetzen der Quantenmechanik. So gilt der Energiesatz auch hier - nur nicht mehr in seiner ursprünglichen Strenge. Auch gibt es formale Grenzen, welche die Genauigkeit von Angaben einschränken. Die Heisenbergsche Unschärfebeziehung schränkt z.B. die exakte Bestimmbarkeit von Ort (Koordinaten) und Impuls (Produkt aus Geschwindigkeit und Masse) in der Weise ein, dass mit der genauen Angabe der einen Größe, die dazu „komplementäre“ Größe immer unbestimmter wird. All diese Beziehungen gelten als empirisch nahegelegte Ad-hoc-Annahmen, die zu Postulaten wurden und nicht aus der Dynamik der Objekte selbst resultierten. Insofern wollen wir die Quantenmechanik als ein statisches Abbild der dynamischen Verhältnisse im Quantenbereich betrachten. (Solches formulierte ich bereits, und man beachte abermals: Der “naive“ Begriff der Bewegung kommt in der Quantenphysik überhaupt nicht mehr vor.)

Folgende Aussagen seien wiederholt und hervorgehoben:Bei der Wechselwirkung mit Systemen auf ihrer Ebene versagt das klassische Massepunktmodell auf ganzer Linie. Unter bestimmten Bedingungen (z.B. unter den Bedingungen des Doppelspaltversuches) treten uns Erscheinungen gegenüber, die sich näherungsweise mit einem Wellenmodell beschreiben lassen. Dieser Wellenaspekt kommt zur Geltung, während sich unser Elektron in Wechselwirkung mit Materie befindet (z.B. im Spalt) und nicht erst hinter dem Spalt, wie das traditionelle Wellenbild es fordert. Damit entgehen wir einer Reihe logischer Inkonsequenzen, müssen aber einstweilen in kauf nehmen, noch keine quantitativen Aussagen gewinnen zu können.

Das Wellenbild der Quantenmechanik ist ein transformiertes Modell, welches die Dynamik der Objekte in ein statisches Bild überträgt. Diese Abbildung von Dynamik auf statische Bilder ist kennzeichnend für die Physik überhaupt.

    Folgende Analogie ist zumindest denkbar: Die Fourierkoeffizienten (statische Parameter) bilden das statische Abbild periodischer Schwingungen (Dynamik). Die Schwingung selbst wird durch eine zeitabhängige Funktion beschrieben. Auch die klassische (phänomenologische) Wärmelehre darf als statisches Abbild der Dynamik (Stichwort: „Statistische Mechanik“) der Atome und Moleküle betrachtet werden.

Wie wir sehen, verfangen wir uns nicht in logische Fußangeln, gehen wir auf die gerade gezeigte Art die Interpretation des Doppelspaltexperimentes an. Nochmals sei betont: Ich habe keine physikalische Erklärung für das Phänomen parat. Jedoch könnte die logisch einwandfreie Darstellung den Weg weisen in die Richtung, in die unsere weiteren Überlegungen gehen sollten. Jede physikalische Hypothese muss sich lückenlos in den logischen Gesamt-Rahmen einfügen, ansonsten ist sie falsch, auch dann, bildet sie als quantitatives Modell „innerhalb ihres Geltungsbereiches“ einige quantitativen Relationen richtig ab. Eine derartige Hypothese ist nicht nur „ein bisschen falsch“, sondern ganz und gar, sprechen wir ihren qualitativen Erkenntniswert an. (Für den Pragmatiker sind diese Aussagen, wie wir wissen, ganz und gar uninteressant. Die Physiker scheinen allesamt Pragmatiker zu sein.)

Wenn aber unsere bisherigen Überlegungen - wenigstens vom grundlegenden Gehalt her - nicht vollkommen falsch sein sollten, dann haben wir keine Wahl: Wir müssen uns von den elektromagnetischen Wellen im bisherigen Sinne als den Raum ausfüllende autarke Kontinuums-Strukturen verabschieden. So schwer es auch fallen mag. Auf den Punkt gebracht:

Das Doppelspaltexperiment - gewissermaßen als experimentum crucis verstanden - beweist in seiner Ganzheit (unter Beachtung aller Gesichtspunkte) eindeutig, dass es die von der Materie unabhängigen Felder etc. nicht gibt und dass die bekannten atomaren und subatomaren Objekte komplexe dynamische Systeme sind.

Zwei weitere Hinweise für diese Sachlage sind uns bereits einigermaßen bekannt. Es läuft darauf hinaus, zu entscheiden, welche empirischen Befunde fundamentaler sind: die historisch älteren aber indirekten (klassische Feldtheorie) oder die in ihrer Aussagekraft direkteren und eindeutigeren Quantenexperimente. Fassen wir also das komplette Doppelspaltexperiment (Pozess 1 bis Prozess 5) als experimentum crucis auf, allerdings nicht im Sinne der Entscheidung, ob irgendeine Erscheinung eine Welle „ist“ oder auch nicht, sondern als einen „Wink mit dem Zaunpfahl“, sich mit den Grundlagen der Physik zu befassen, weil eben „irgendetwas nicht mehr stimmt“. Das Doppelspaltexperiment erbringt den eindeutigen und nicht widerlegbaren Beweis dafür, dass es die „sich im Raum ausbreitenden“ Wellen ohne Substrat nichtgibt und dass alle Elementarteilchen, die Quanten eingeschlossen, eine (dynamische) Struktur besitzen. Wir haben zwischen zwei Alternativen zu wählen:

  1. Das Doppelspaltexperiment beweist die Unzulänglichkeit unseres „naiven“ Denkens. Die Natur verhält sich nun einmal so „verrückt“, dass unser Verstand grundsätzlich überfordert ist.
  2. Das Doppelspaltexperiment beweist, dass unser gehegtes und gepflegtes wissenschaftliche Weltbild grundsätzliche Lücken und Fehleinschätzungen aufweist, welche irgendwie historisch, gesellschaftlich, kulturell und psychologisch bedingt sind.

Die erste Variante hat die etablierte Wissenschaft gewählt, weil sie die einzige Möglichkeit bietet, die Entwicklung der Physik der letzten 400 Jahre, nicht prinzipiell in Frage zu stellen. Jeder Physiker „muss“ diese Einsicht teilen, da ansonsten „eine Welt“ zusammenbricht. Ein einigermaßen unvoreingenommener außenstehender Beobachter (der allerdings auch nichts zu verlieren hat) könnte der zweiten Möglichkeit vielleicht geneigter sein. Allerdings muss man schon sagen, dass jene Wahl - objektiv - eine bescheidenere Einstellung beinhaltet.

    Mit diesem Beitrag habe ich mich „mitten in die Physik“ begeben. Dabei ist sicherlich nicht zu übersehen, dass einige Zusammenhänge auftauchten, die es erforderlich machen sollten, sich tiefgründiger mit der Basis der Physik zu beschäftigen. Die Widersprüche der Quantenphysik beispielsweise sind deshalb unüberwindlich, weil man sich immer bemühte, neue Fakten im Rahmen „unumstößlicher Erkenntnisse“ interpretieren zu wollen.In den weiteren Ausbau dieser Web-Seiten werde ich „ganz von vorn“ beginnen.

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