Der Zufall in der Quantenphysik


Ohne sie hätten wir keine Computer und Mobiltelefone

 

Von Karl Sumereder

Die Quantenphysik beschreibt eine Welt der physikalisch allerkleinsten Teilchen aus denen das Universum aufgebaut ist. Sie ist in den Anfangsjahrzehnten des 20. Jahrhunderts von Größen wie Max Planck (1858–1947), Niels Bohr (1885–1962), Albert Einstein (1879–1955), Erwin Schrödinger (1887–1961) und Werner Heisenberg (1901–1976) entwickelt worden. Damit wurde unser Weltbild revolutioniert. Obwohl die Quantenphysik bereits über 100 Jahre alt ist, sind ihre Aussagen und Erkenntnisse allgemein doch weithin unbekannt und gelten als eine Provokation des Menschenverstands. Die Quantenphysik ist für uns rätselhaft, paradox und kollidiert mit vielem, was in unserem Alltagsverständnis über die Wirklichkeit doch ohne Zweifel festzustehen scheint. 

Die Erkenntnisse der Quantenphysik bilden eine zentrale Grundlage des Verständnisses vieler inzwischen gewohnter technischer Anwendungen. Ohne die Quantenphysik hätten wir keine Lasertechnologie, Halbleiter, Computer, Mobiltelefone etc. 

Durch die Quantenphysik wurde es ermöglicht, Vorgänge in Atomkernen zu verstehen, darunter so Verschiedenes wie die Kernspaltung und die Kernfusion, die Erzeugung der Energie in Sternen, bis hin zu den Phänomenen bei der Entstehung des Universums. 

Was sind das, die Quanten?

Die Quantenwelt aus unteilbaren, fundamentalen Teilchen aus denen die Welt besteht, wie massive Teilchen als Elektronen oder Atome, oder masselose Teilchen wie die Lichtteilchen (Photonen), ist eine wilde Welt im Universum. Sie folgt Regeln (Zufällen), die mit unserem gesunden Menschenverstand nicht nachvollziehbar sind. 

Man weiß heute, dass Licht etwa einer bestimmten Frequenz nur in Teilchen, in Quanten auftritt. Das kleinste Quant an Energie hat gerade die Größe, die man durch Multiplikation des „Planckschen Wirkungsquantums“ mit der Frequenz errechnen kann. (Das Plancksche Wirkungsquantum E = hf, ist der mathematische Ausdruck dafür, dass die Energie (E) eines Lichtquants gleich ist dem Produkt aus dem Planckschen Wirkungsquantum (h) und der Frequenz (f) des Lichts). 

Heute weiß man, dass das Plancksche Wirkungsquantum eine universelle Naturkonstante ist, wie auch die Lichtgeschwindigkeit. Dieses Wirkungsquantum ist extrem winzig. Beispielsweise sendet eine durchschnittliche Glühlampe pro Sekunde etwa 3x10 hoch 20 Lichtquanten (Photonen) aus. Das Licht breitet sich als eine Welle von elektrischen und magnetischen Feldern aus. Die Wellenlänge des uns sichtbaren Lichts ist sehr klein. Etwa zwischen 0,4 und 0,7 eines Tausendstels eines Millimeters. Das bedeutet, etwa hundertmal kleiner als die Dicke eines unserer Haare. Das Licht hat eine Frequenz, die weit von unserer Alltagserfahrung weg liegt. Es schwingt in einer Sekunde etwa 500 Billionen mal hin und her. Die größte Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist rot. Wenn die Wellenlänge kürzer wird, ändert sich die Farbe über gelb und grün zu blau. Die kürzesten Wellenlängen, die wir sehen können, sind violett. Farben sind aber letztlich das, was unser Gehirn aus den gewonnenen Sinneseindrücken konstruiert. 

Der Zufall in der klassischen Physik 

In der klassischen Physik existiert die Theorie, gemäß derer alle Vorgänge kontinuierlich ablaufen und nach der das Prinzip der Kausalität eine uneingeschränkte Gültigkeit besitzt. Demgemäß muss es für jede Wirkung eine Ursache geben. Eine klar definierte Ursache führt nur zu einer einzigen Wirkung, nicht zu mehreren verschiedenen. 

In unserer Alltagswelt ist das Denken in Ursache und Wirkung, das Kausaldenken, tief verankert. Im Alltag und in der Physik bedeutet der Zufall keineswegs, dass für ein Einzelereignis nicht doch eine wohldefinierte Ursache zu finden wäre. 

Ereignet sich zum Beispiel ein Autounfall, wird so lange nach einer Ursache gesucht, bis man sie gefunden hat. Sei es ein technisches Gebrechen oder menschliches Versagen oder etwas anderes. Wenn wir jemanden vermeintlich zufällig getroffen haben, kann man auch einen Grund angeben. Nämlich, dass man weiß, wann man aus dem Haus gegangen ist, welchen Weg man genommen hat, wo man sich zwischenweilig aufgehalten hat. Das Gleiche gilt auch für die getroffene Person. So ist es letztlich erklärbar, warum man sich „zufällig“ an einem bestimmten Ort zur gleichen Zeit getroffen hat. 

Der Zufall im täglichen Leben und auch in der klassischen Physik ist also nur ein scheinbarer Zufall. Gemäß dem Physiker Werner Heisenberg ist es unser momentanes Unwissen, das es uns so erscheinen lässt, als wäre ein bestimmtes Ereignis rein zufällig gewesen. In Wirklichkeit gibt es dafür einen oder mehrere wohldefinierte Gründe. Gemäß unserem Verstand kann eben nichts ohne irgendeine Ursache geschehen. 

Der Zufall in der Quantenphysik 

In der Quantenphysik hat der Zufall eine ganz andere Bewandtnis. Der Zufall ist dort etwas vollkommen Neues. Ein quantenmechanisches Einzelereignis ist nämlich nicht beschreibbar, nicht einmal prinzipiell. Der Zufall ist nicht wie im Alltagsleben subjektiv zufällig, sondern er ist objektiv zufällig. Das bedeutet, dass er keine auch noch so verborgene Erklärung besitzt. Die Quantenphysik sagt ein Verhalten von Quantenteilchen aus, anders als wir es von Gegenständen des täglichen Lebens gewohnt sind. Den Zufall im quantenmechanischen Einzelprozess, diesen elementarsten Bausteinen der Welt, kann man nicht weiter erklären. Man kann laut Anton Zeilinger: „Einsteins Schleier“, Goldmann Verlag, München, 2005, lediglich ein Verständnis dafür bekommen, dass der objektive Zufall nicht weiter erklärbar ist. So müssen sich auch die Physiker damit zufrieden geben. In dieser Weise könne man irgendwie verstehen, warum es für ein quantenmechanisches Einzelereignis in der Regel keinen Grund dafür gibt, warum es so stattfindet wie es stattfindet. Dass wir beispielsweise den Zerfall eines Atoms nicht genau bestimmen können, sondern nur dessen Wahrscheinlichkeit.

Noch eine Sicht über den Zufall 

Gibt es den Zufall überhaupt, stellt Florian Aigner: „Der Zufall, das Universum und Du“, Brandstätter Verlag, Wien, 2016, eine spezielle Frage. Es ist sinnvoller zu denken, dass wir nicht da sind, weil Zufälle in der langen kosmischen und biologischen Evolution auch uns hervorgebracht haben, sondern den Zufall haben wir als denkende Wesen hervorgebracht. 

Von einem zufälligen Ereignis könne man nur deshalb sprechen, weil es uns gibt, die etwas so empfinden. Gäbe es keine Elementarteilchen, Atome und Moleküle, keine Planeten und kein menschliches Leben, hätte der Begriff Zufall keinen Sinn. 

Zufall bedeutet, dass etwas Unvorhergesehenes passiert ist oder passiert, worüber man dann eine Geschichte erzählen kann. Zufall ist für Florian Aigner ein Name für die Unerklärlichkeit der Welt, die wir nicht in der Lage sind, präzise zu hinterfragen. Die fundamentalen Gesetze der Welt geben uns keine Möglichkeit, dafür einen Grund zu finden. Oder es fehlt uns die nötige Information. Zufällig ist das, was sich überhaupt nicht begründen lässt. Zufälligkeit ist keine Eigenschaft des Universums, sondern eine Kategorie unseres Denkens.

„Eine Welt der Tatsachen liegt außerhalb und über der Welt der Wörter.“
Thomas H. Huxley 

Eine Conclusio 

Wir mit unserer Hirnkapazität, unseren beschränkten Sinnen und unseren nicht ausreichenden rechnerischen Fähigkeiten, sind im Rahmen der Evolution nicht entwickelt worden, die Welt perfekt zu analysieren, die Geschehnisse im Universum zu verstehen, die Zukunft zu berechnen. 

In der subatomaren Welt versagen die uns so geläufigen Kategorien wie Raum, Zeit und Kausalität. Jegliche Materie besteht aus Atomen, ist ohne Quantenphysik nicht denkbar. Durch die Quantenphysik ist Chemie möglich. Erst durch die Chemie ist Leben möglich, sind wir möglich. Die Quantenphysik sagt ein Verhalten der uns gewissermaßen als „schizophren“ erscheinenden Elementarteilchen voraus, etwas das unserem Alltagsverständnis vollkommen widerspricht. 

Man kann sagen, dass wir Menschen uns quasi in der Mitte des ganzen Geschehens befinden beziehungsweise ereignen. Nämlich der Welt des unsagbar Kleinen, der Welt der Elementarteilchen und der Welt der allergrößten Objekte im Universum. 

Für uns hängt die Wirklichkeit von der Struktur unseres Bewusstseins ab. Der objektivierbare Bereich ist nur ein Teil unserer Wirklichkeit. Auch im subjektiven Bereich ist eine relative zentrale Ordnung wirksam. Es gibt aber in beiden Bereichen, sei es in uns Einzelnen oder von Völkern, viel Verwirrung.

Bearbeitungsstand: Samstag, 29. Juli 2017
 
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