Philosophie der Naturwissenschaften

Philosophische Probleme der Physik

Philosophische Aspekte der Quantentheorie

Der Beginn der Quantentheorie ist mit dem Problem der Wärmestrahlung verbunden, das Ende des 19. Jahrhunderts formuliert wurde. Theoretische Versuche, dieses Problem auf der Grundlage des Konzepts des absolut schwarzen Körpers zu analysieren, stießen auf große Schwierigkeiten. Trotz maximaler Absorption von Lichtstrahlung emittiert ein solcher Körper in den Raum ein kontinuierliches Spektrum von Wellen, das durch die Temperatur des Körpers bestimmt wird. Nach der Theorie der elektromagnetischen Strahlung sollte ein erhitzter Körper kontinuierlich Energie verlieren und bis zum absoluten Nullpunkt abkühlen. Das thermische Gleichgewicht zwischen Materie und Strahlung ist aus klassischer Sicht unmöglich aufgrund der Gegensätzlichkeit von Materie (Struktur) und Strahlung (kontinuierlicher Wellenprozess). Doch die alltägliche Erfahrung zeigt, dass ein erhitzter Körper nicht seine gesamte Energie abstrahlt. Um den Widerspruch zwischen Theorie und Erfahrung aufzulösen, schlug der deutsche Physiker Max Planck im Jahr 1900 die Hypothese vor, dass die Strahlungsenergie aus sehr kleinen Portionen (Quanten) besteht.

Planck entwickelte seine Hypothese ausschließlich zur Erklärung der Wärmestrahlung. Die Ausbreitung des Quantenbegriffs ist mit dem Namen Albert Einstein verbunden, der 1905 drei berühmte Arbeiten veröffentlichte. Zwei Arbeiten behandelten die spezielle Relativitätstheorie und die Molekularbewegung, die dritte das Phänomen des äußeren photoelektrischen Effekts, das er überzeugend auf der Grundlage der Quantenhypothese erklärte.

Der photoelektrische Effekt (Ausschlag von Elektronen aus Materie durch Lichteinwirkung) wurde von H. Hertz entdeckt und vom russischen Physiker Alexander Grigorjewitsch Stoletow sorgfältig untersucht. Eine Erklärung des Fotoeffekts auf Basis der Maxwell’schen Elektrodynamik, nach der Licht eine kontinuierliche elektromagnetische Welle ist, gelang nicht. Experimente zeigten, dass die kinetische Energie der herausgelösten Elektronen nur von der Lichtfrequenz abhängt, nicht von der Intensität der Beleuchtung. Liegt die Frequenz unter einer bestimmten Schwelle, tritt der Fotoeffekt nicht auf.

Einstein verband den philosophischen Aspekt mit der Behauptung der diskreten energetischen Natur des Lichts. Die Energie jeder Lichtportion ist proportional zur Frequenz: E = hν, wobei h = 6,62517·10^-27 erg·s die Plancksche Konstante ist. Aus Plancks Hypothese über Strahlungsportionen folgte noch nicht die Vorstellung von einer diskreten Struktur des Lichts selbst. Der Regen fällt beispielsweise ebenfalls in Tropfen, doch daraus folgt nicht, dass Wasser aus unteilbaren Tropfen besteht. Der Fotoeffekt zeigte jedoch, dass Licht portioniert ausgesendet wird, dass jede Portion individuell ist und sich bei der weiteren Ausbreitung des Lichts erhält. Sie wird nur vollständig absorbiert. Nach Einstein ist die Lichtintensität proportional zur Anzahl der Quanten (Portionen) in einem Lichtstrahl. Dabei führte er das Konzept der Austrittsarbeit des Elektrons ein – die Energiemenge eines Lichtquants, die notwendig ist, um einem Elektron genügend Energie zu geben, damit es das Metall verlässt.

Einstein nannte das Lichtquant „Photon“, um zu betonen, dass eine Lichtportion einem Teilchen ähnelt. Das Photon besitzt jedoch keine Ruhemasse, existiert nicht im Ruhezustand und erhält bei seiner Entstehung die Geschwindigkeit c. Tatsächlich entdeckte Einstein damit das erste Elementarteilchen quantenmechanischer Natur. Heute kennt die moderne Wissenschaft zahlreiche solcher Teilchen.

Eine Folge der Theorie des Fotoeffekts war die Vorstellung von der dualen Natur des Lichts: Bei der Ausbreitung zeigt es Wellencharakter, bei der Wechselwirkung mit Materie (Emission und Absorption) hingegen Teilchencharakter. Später entdeckten Physiker ähnliche widersprüchliche Eigenschaften bei Elektronen und anderen Elementarteilchen. Das Verhalten und die Eigenschaften von Mikroobjekten wurden zum Gegenstand der Quantenmechanik. In den Arbeiten von N. Bohr, E. Schrödinger, W. Heisenberg und anderen Wissenschaftlern der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts war die Quantenmechanik hauptsächlich eine Theorie der atomaren Spektren. Ihre Verallgemeinerung zu einer Theorie, die das Verhalten aller Mikroobjekte beschreibt, wurde durch die Synthese von Quantenmechanik und spezieller Relativitätstheorie möglich. So entstand die relativistische Quantenmechanik. Bis zum Ende des Jahrhunderts entwickelte sich auf dieser Grundlage die verzweigte Quantentheorie, einschließlich Quantenstatistik, Quantentheorie der Felder, Kernphysik und Hochenergiephysik.

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde die von Dirac, Pauli und Heisenberg begründete Quantenfeldtheorie zum Fundament der modernen Physik. Sie bietet einen allgemeinen Ansatz für alle bekannten Wechselwirkungsarten (gravitative, elektromagnetische, schwache und starke Kernkräfte) sowie das Konzept des physikalischen Vakuums, das mit Fluktuationen verschiedener Felder gefüllt ist.

Zu den Ur-Elementen des Universums gehört das physikalische Vakuum, das die Materie des Universums erzeugt (hauptsächlich Protonen, Elektronen und Neutronen) sowie Antimaterie (Antiprotonen und Positronen). Zu den fundamentalen Prozessen der Bildung und Umwandlung von Materie zählen die gegenseitige Umwandlung von Elementarteilchen und der Prozess der Annihilation (gegenseitige Vernichtung) von Teilchen und Antiteilchen, der enorme Energie in Form von Strahlung freisetzt.

Fundamental für die Beschreibung der Wechselwirkungen von Mikroobjekten wird das Prinzip der Ganzheit, das in der Physik implizit durch die Erhaltungsgesetze vertreten ist. Die Bedeutung dieses allgemeinen Prinzips für die physikalische Theorie erweiterte sich im Zuge der Untersuchung physikalischer Felder und der Eigenschaften von Elementarteilchen. Es wurden Effekte entdeckt, die auf eine Verbindung bestimmter Zustände von Mikroteilchen mit spezifischen Zuständen des physikalischen Vakuums hinweisen. Auf das Prinzip der Ganzheit in der physikalischen Beschreibung der Mikrowelt wies auch der von Einstein gemeinsam mit Rosen und Podolsky entdeckte ungewöhnliche Effekt nichtkraftgebundener Korrelation fundamentaler (Spin-)Eigenschaften von Elementarteilchen hin, der als EPR-Paradoxon (Einstein–Podolsky–Rosen) bekannt wurde.

Ein weiteres Problem der Quantentheorie betrifft die physikalische (und weltanschauliche) Interpretation der Wellenfunktion, die als grundlegender Parameter des Quantenfeldes und des Elementarteilchens gilt. Der österreichische Physiker Erwin Schrödinger, der die grundlegende Gleichung der Quantenmechanik formulierte, konnte den physikalischen Sinn dieser Funktion nicht klären, die als zusätzliche (relativ zum Impuls) Charakteristik im quantenmechanischen Beschreibungsmodell von Mikroteilchen dient.

Die Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik, vorgeschlagen von Max Born und Niels Bohr, betonte mit dem Prinzip der Komplementarität den Verzicht auf den klassischen Determinismus, der eine eindeutige kausale Verknüpfung von Ereignissen postulierte. Die Heisenbergsche Unschärferelation markierte die Grenzen der Anwendbarkeit der klassischen Mechanik auf die Beschreibung von Quantenobjekten (Mikroteilchen). Nach dem Unschärfeprinzip kann im Bereich der Quantenphänomene die Wechselwirkung zwischen Messgerät und untersuchtem Phänomen nicht vernachlässigt werden.

Der Messprozess in der Mikrowelt erzeugte das Problem des ontologischen Status des Mikroteilchens und stellte die klassische Erkenntnisordnung infrage, in der Subjekt und Objekt der Erkenntnis einander nicht beeinflussen. Das Unschärfeprinzip führte das Bewusstsein des Beobachters als notwendigen Parameter in die Untersuchung quantenmechanischer Phänomene ein und stellte sowohl die Objektivität der Mikrowelt als auch die Objektivität der physikalischen Theorie in Frage.

In der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik wurde versucht, das Bewusstsein des Beobachters aus der untersuchten Situation zu eliminieren. Es wurde das Postulat der Zustandsreduktion (Kollaps der Wellenfunktion) eingeführt, nach dem bei der Wechselwirkung eines quantenmechanischen Systems (Mikrosystem) mit einem Messgerät (Makrosystem) alle alternativen Ausgänge, die nach der Quantenmechanik möglich wären, verworfen werden.

Die paradoxeste Interpretation quantenmechanischer Wechselwirkungen, die als Viele-Welten-Interpretation bekannt ist, wurde von H. Everett vorgeschlagen. Nach seiner Hypothese existiert neben dem realen Universum eine Vielzahl paralleler Doppelgänger – Schattenwelten, in denen unsere „Doubles“ leben. Diese Doppelgänger zeigen sich nicht, außer auf Quantenebene. Beim Durchgang eines Elektrons durch einen Spalt interagieren Elektron und Doppelgänger und beseitigen die Unbestimmtheit. Genau diese merkwürdige Welt der Wechselwirkungen, in der die Schwelle einer Realität ein sehr enger Ort – der Spalt – ist, beschreibt die Quantenmechanik.