Lee Smolin: Einen Weg jenseits der Quantenmechanik finden

Die Quantenmechanik ist heute die erfolgreichste wissenschaftliche Theorie, aber sie ist auch ein „Sorgenkind“. Diese Theorie voller Paradoxien und Geheimnisse verbirgt viele Dinge, die nicht intuitiv erklärt werden können. Eines seiner „Symptome“ besteht darin, dass wir umso weniger wissen, wie wir die Realität beschreiben sollen, je tiefer wir sie verstehen. Wenn wir beispielsweise fragen: „Was ist ein Teilchen?“, können wir viele verschiedene Antworten erhalten. Man kann sogar sagen, dass die Quantenmechanik unsere Ansichten über die Natur der Realität erschüttert hat und dass ihre Interpretation zu Meinungsverschiedenheiten über die Natur der Wissenschaft führen wird, etwa bei der Beantwortung von Fragen wie: „Existiert die natürliche Welt im Widerspruch zu unserem Bewusstsein?“ und „Können wir diese Eigenschaften verstehen und beschreiben?“ Im letzten Jahrhundert haben die Physiker unterschiedliche Antworten gegeben. Der Autor dieses Artikels, der theoretische Physiker und einer der Begründer der Theorie der Schleifenquantengravitation, Lee Smolin, antwortete beispielsweise mit „Ja“. Wie Einstein werden sie Realisten genannt. Die andere Gruppe, angeführt von Niels Bohr, waren die Antirealisten (zu denen auch Quantenkognitivisten und -operationalisten gehörten), die die Entwicklung der Physik im 20. Jahrhundert maßgeblich beeinflussten. Dies stellt Realisten offensichtlich nicht zufrieden und Smolin hofft, eine realistischere Theorie zur Beschreibung der mikroskopischen Welt entwickeln zu können.

Das Buch „Einsteins unvollendete Revolution: Die Suche nach dem, was jenseits der Quanten liegt“ stellt zwei unterschiedliche Ansichten vor. Das Buch ist hauptsächlich in drei Teile gegliedert: die grundlegenden Konzepte der Quantenmechanik; die Arbeit von Realisten nach den 1950er Jahren, wie etwa Bohm und Bell (Fanpu warb einst für „Bohm-Mechanik – Quantentheorie außerhalb des Lehrbuchs“); neue Versuche einiger und anderer Autoren. Dieser Artikel erläutert die Quantenmechanik aus der Informationsperspektive basierend auf John Wheelers „Alles kommt von Quantenbits“ und stellt die Grundidee der „relationalen Quantenmechanik“ vor.

Die Auswahl dieses Artikels aus „Die Wahrheit der Quantenmechanik: Einsteins unvollendete Revolution“ (Sichuan Science and Technology Press, Ausgabe September 2021), Akt III „Alternativen zur Revolution“ ist autorisiert. Der Inhalt wurde gelöscht und Titel und Untertitel wurden vom Herausgeber hinzugefügt.

Von Lee Smolin

Übersetzt von Wang Qiaoqi

Letztendlich müssen wir immer noch nach Theorien suchen, die das Potenzial haben, die richtige Ontologie der Welt zu sein. Schließlich besteht der tiefste und brennende Wunsch aller wahren Physiker darin, die Natur der Realität zu verstehen.

—Lucien Hardy

In den letzten Jahren wurde aktiv an den Grundlagen der Quantenphysik geforscht und die Begeisterung dafür nimmt zu. Nach 80 Jahren des Stillstands, der jeden Physiker, der Experte auf diesem Gebiet werden wollte, entmutigte, gilt es heute als ein guter Karriereschritt, Experte für die Grundlagen der Quantenphysik zu werden. Das ist natürlich eine gute Sache, allerdings neigen die meisten Fortschritte auf diesem Gebiet und die meisten jungen Leute heute eher zur antirealistischen Seite. Derzeit zielen die meisten neuen Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet nicht darauf ab, die Quantentheorie zu überarbeiten und zu vervollständigen, sondern uns lediglich eine neue Möglichkeit zu geben, darüber zu sprechen.

Lee Smolin

…

Diese Fortschritte vertiefen auch unser Verständnis vom Aufbau der Quantentheorie. Hardy war beispielsweise Pionier einer neuen Methode zur Ermittlung des einfachsten Axiomensatzes, aus dem die mathematische Form der Quantenmechanik abgeleitet werden konnte. Einige dieser Axiome sind einfach und sagen uns, dass alle unsere Theorien richtig sind. Ein weiteres Axiom fasst die ganze Merkwürdigkeit der Quantenwelt zusammen.

Gleichzeitig gibt es in einem solchen, von operationalistischen Ansätzen dominierten Umfeld wenig Raum für altmodische Realisten, die sich damit abmühen, eine vollständige Quantentheorie zur Erklärung verschiedener Ereignisse zu finden. Unter diesen Realisten gibt es einige Anhänger der MWT, aber auch eine kleine Zahl von Bohm-Anhängern, einige Realisten, die Theorien zum Kollaps der Wellenfunktion entwickelt haben, und noch weniger, die versucht haben, abseits dieser bestehenden Methoden nach einer realistischen Version der Quantenmechanik zu suchen. Die meisten Menschen, die sich mit diesem Problem befassen, sind selbst Experten auf anderen Gebieten, und einige haben in ihrem eigenen Fachgebiet große Erfolge erzielt, wie beispielsweise Stephen Adler1 und Gerardus 't Hooft, der Nobelpreisträger für Physik im Jahr 1999. Wir passen nicht so recht in das bereits aktive Feld der Quantengrundlagen, vor allem weil unser Schwerpunkt und unser Endziel sowie die Theorien, die wir zur Erreichung dieses Ziels vorschlagen, nicht in der operationalistischen Sprache ausgedrückt werden können, dem Kennzeichen eines Experten für Quanteninformationstheorie. Trotzdem haben wir nicht aufgehört, nach einem vollständigen Bild des Realismus in der Quantenwelt zu suchen.

Ich denke, wie Hardy in den einleitenden Bemerkungen dieses Kapitels sagt, dass viele Physiker realistische Interpretationen gegenüber operationalistischen Ansichten bevorzugen und sicherlich an realistischen Versionen der Quantenmechanik interessiert wären, die die Mängel bestehender Ansätze überwinden. Einer der Gründe, warum operationalistische Methoden derzeit vorherrschend sind, liegt darin, dass uns noch immer nur wenige realistische Methoden zur Auswahl stehen, die der Wahrheit nahe kommen.

Der Rest dieses Buches befasst sich mit der Zukunft realistischer Ansätze der Quantenphysik. Bevor wir die nicht-realistischen Ansätze vergessen, wollen wir sehen, ob ihre jüngste Popularität Anlass zum Nachdenken gibt.

Messungen vermeiden: Alles entsteht aus Quantenbits

Die erste Lehre, die ich daraus ziehen kann, ist, dass es viele Möglichkeiten gibt, den Unterschied zwischen der Quantenwelt und der klassischen Welt der Newtonschen Physik zu beschreiben. Wenn Sie bereit sind, eine antirealistische Sicht der Quantenmechanik zu übernehmen, stehen Ihnen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Sie können sich auf die Seite von Bohr stellen, der die radikale These vertrat, dass die Wissenschaft lediglich eine Erweiterung der gemeinsamen Sprache sei, die wir verwenden, um einander die Ergebnisse unserer Experimente mitzuteilen. Sie können sich auch dem „Quanten-Bayesianismus“ anschließen, also der Theorie, dass Wellenfunktionen nichts weiter als Darstellungen dessen sind, was in unserem Kopf vorgeht, und dass Vorhersagen nur ein anderes Wort für Glücksspiel sind. Man kann sich auch der rein operationalistischen Sichtweise anschließen, das heißt, man diskutiert nur die Prozesse wie Vorbereitungs- und Messvorgänge, und die relevanten Theorien des reinen Operationalismus basieren auf diesen Prozessen.

Diese theoretischen Schulen haben eines gemeinsam: Sie alle vermeiden das Messproblem, oder genauer gesagt, sie alle entfernen den Messbezug aus der Definition, da es keine Möglichkeit gibt, den Beobachter und seine Beobachtungsinstrumente mithilfe von Quantenzuständen zu beschreiben.

Ein zentrales Konzept einiger der neuen Theorien besteht darin, dass die Welt aus Informationen besteht. Ein Punkt, den wir alle mit John Wheelers berühmtem Zitat zusammenfassen können: „Alles besteht aus Bits.“ Die moderne Version seines berühmten Ausspruchs lautet: „Alles beginnt mit einem Qubit“, wobei ein Qubit die kleinste Einheit der Quanteninformation ist, die in unserer vorherigen Geschichte über die Vorlieben von Haustieren als binäre Quantenauswahl betrachtet werden kann. In der Praxis geht dieses Modell davon aus, dass alle physikalischen Größen auf eine endliche Anzahl von Quanten-Ja- oder Nein-Fragen vereinfacht werden können und dass der zeitabhängige Evolutionsprozess unter bestimmten Regeln und Einschränkungen als Quanteninformationsverarbeitungsprozess in der Welt der Quantencomputer verstanden werden kann. Dies bedeutet, dass die zeitabhängigen Prozesse des Systems als eine Reihe logischer Operationen ausgedrückt werden können, die zu einem bestimmten Zeitpunkt auf ein oder zwei Quantenbits angewendet werden.

John Wheeler drückte es folgendermaßen aus:

„Alles kommt aus Bits“ bedeutet, dass alle Objekte in der physischen Welt im Wesentlichen nicht-materielle Quellen und nicht-materielle Erklärungen haben. Was wir Realität nennen, entsteht letztendlich durch das Stellen von „Ja- oder Nein“-Fragen und das Aufzeichnen der Antworten des Instruments. Kurz gesagt: Theoretisch entsteht alle Materie aus Informationen, und dieses Universum umfasst uns alle. [1]

Wenn Sie diese Aussage zum ersten Mal hören, denken Sie vielleicht, dass die Person, die sie macht, nur Unsinn redet, aber Wheeler meint es ernst. Man kann diesen Gedanken auch so prägnanter ausdrücken: „Die Physik bezieht den Beobachter mit ein, die Beteiligung des Beobachters erzeugt Informationen und Informationen erzeugen Physik.“[2]

Wheeler sagte einmal: „Dieses Universum hat Anteil an uns allen.“ Er meinte, dass das Universum aus unserer Beobachtung oder Wahrnehmung davon entstanden sei. Ja, worauf Sie antworten könnten: „Aber bevor wir beobachten oder wahrnehmen können, müssen wir in das Universum hineingeboren werden und uns auf die Kraft des Universums verlassen.“ Wheeler würde antworten: „Ja, wo liegt das Problem?“

Welche Erkenntnisse können wir aus Gesprächen wie dem oben genannten gewinnen? Einige Systeme mit einer endlichen Anzahl möglicher evolutionärer Ergebnisse können auf diese Weise beschrieben werden, und dies kann tatsächlich die Richtung der Physik vorgeben; Beispielsweise kann die Bedeutung des Konzepts der Verschränkung in der Quantenphysik in den Vordergrund gerückt werden. Dieses Modell lässt sich jedoch nicht ohne Weiteres anwenden, wenn die in einem System beteiligten physikalischen Variablen unendliche evolutionäre Auswirkungen haben, wie etwa elektromagnetische Felder. Dennoch hat dieser Quanteninformationsansatz zur Untersuchung der Grundlagen der Quantenmechanik positive Auswirkungen auf viele Bereiche der Physik gehabt, vom Kerngebiet der Festkörperphysik bis hin zur Forschung zur Stringtheorie, zu Quantenschwarzen Löchern und mehr.

Welche Art von Informationsdefinition wird für die mikroskopische Welt benötigt?

Wir sollten sorgfältig zwischen mehreren unterschiedlichen Konzeptionen der Beziehung zwischen Physik und Information unterscheiden. Meiner Meinung nach sind einige dieser Konzepte zwar nützlich, aber trivial. andere sind ziemlich radikal und müssen noch weiter unter Beweis gestellt werden. Beginnen wir mit der Definition von Information. Claude Shannon, der Begründer der Informationstheorie, gab eine sehr nützliche Definition von Information. Seine Definition baut auf dem Kommunikationsrahmen auf und sieht einen Kanal zur Informationsübertragung vom Sender zum Empfänger vor. Diese Kanäle verwenden konzeptgemäß eine gemeinsame Sprache, die Symbolen Bedeutung verleiht. Nach Erhalt der Informationen muss der Empfänger die Bedeutung der Informationen durch eine Reihe von „Ja- oder Nein-Fragen“ verstehen. Die Anzahl dieser „Ja- oder Nein-Fragen“ bestimmt den Umfang der übermittelten Informationen.

Nach diesem Kriterium können nur wenige physikalische Systeme als Kanäle für den Informationstransfer zwischen Sendern und Empfängern betrachtet werden, die eine gemeinsame Sprache verwenden. Das Universum als Ganzes ist kein solcher Informationskanal. Die Stärke von Shannons Definition von Information liegt in ihrer Fähigkeit, zu messen, wie viele Informationen in einem semantischen Kontext übermittelt werden, das heißt im Hinblick auf die Bedeutung der Informationen. Nach Shannons Definition teilen sich Absender und Empfänger einer Information einen Satz semantischer Regeln, die der Information Bedeutung verleihen. Sie müssen diesen Satz Regeln jedoch nicht beherrschen, um die Informationsmenge zu messen, die eine Nachricht enthält. Ohne einen solchen Satz semantischer Regeln hätte eine Information keine Bedeutung. Um beispielsweise den Informationsgehalt einer Information zu messen, müssen Sie zunächst etwas über die Sprache wissen, in der die Information verfasst ist, etwa die relative Häufigkeit verschiedener Buchstaben, Wörter oder Ausdrücke in der Community, die diese Sprache verwendet. Diese Informationen zum Gebietsschema müssen nicht unbedingt in jeder Nachricht codiert werden. Wenn Sie die Sprache nicht angeben, geht die Nachricht gemäß Shannons Definition von Informationen verloren. Noch wichtiger ist, dass die übermittelten Informationen in einer Sprache übermittelt werden müssen, die Absender und Empfänger gemeinsam haben. Unregulierte Symbole, die von der gemeinsamen Sprache beider Parteien getrennt sind, können keine Informationen transportieren. Shannons Definition der Informationsmessung hängt von der in der Nachricht verwendeten Sprache und verschiedenen anderen Aspekten ab. Diese Regeln werden vom Sender und Empfänger der Informationen gemeinsam genutzt, sind jedoch nicht unbedingt in den Informationen selbst kodiert und stellen keine rein physikalischen Größen dar.

Das Verständnis der Absicht des Sprechers und der Art und Weise, wie die Bedeutung vermittelt wird, ist ein altes Problem in der Sprachphilosophie. Die Schwierigkeit dieses Problems bedeutet nicht, dass Absicht und Bedeutung nicht Teil der Welt sind. Sie sind zwar Teil der Welt, ihre Existenz hängt jedoch vom Denken ab. Informationen sind nach Shannons Definition ein Maß dafür, was in dieser Welt der Bedeutungen und Absichten geschieht. Diese Definition von Information ist ziemlich gut, auch ohne ein tiefes Verständnis davon, wie ihre Bedeutung und Absicht in die natürliche Welt eingebettet sind.

Um es klarer zu machen, möchte ich Ihnen ein weiteres Beispiel geben. Nach einem heftigen Regen hörte ich, wie in unregelmäßigen Abständen Wassertropfen aus dem undichten Abwasserrohr tropften. Der Rhythmus der fallenden Wassertropfen scheint unregelmäßig, doch das Geräusch der Wassertropfen transportiert keinerlei Informationen, weder für mich noch für irgendjemand anderen, denn es gibt keinen Sender und ich bin überhaupt kein Empfänger. Nach Shannons Definition stecken also mit Sicherheit keine Informationen in den Wassertropfen. Darüber hinaus können wir auch die Länge der Intervalle zwischen Wassertropfen nutzen, um Morsecode zur Nachrichtenübermittlung zu erstellen. Der Grund, warum diese beiden Situationen zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen, liegt darin, dass in der ersten Situation die Absicht fehlt, Informationen zu übermitteln, in der zweiten hingegen ist sie vorhanden. Diese Absicht ist sehr wichtig: Mit den von Shannon definierten Informationen muss die Absicht einhergehen, Informationen zu vermitteln. Für einen Realisten, der Wissen jenseits der bekannten Welt der Menschheit erlangen möchte, ist Shannons Definition von Information wenig hilfreich, wenn sie auf die mikroskopische Welt der Atome angewendet wird. Anmerkung 2.

Der britische Anthropologe Gregory Bateson gab eine weniger präzise Definition von Information und nannte sie „Unterschiede, die einen Unterschied machen“ oder manchmal „Unterschiede, die einen Unterschied machen“. In der Physik lässt sich diese Definition folgendermaßen anwenden: Wenn eine Änderung einer beobachtbaren physikalischen Größe zu beobachtbaren Änderungen in der Zukunft des physikalischen Systems führt, dann glauben wir, dass diese physikalische Größe eine Information darstellt. Nach dieser Vorstellung haben nahezu alle physikalischen Größen das Potenzial, Informationen zu übertragen. Diese Definition besagt, dass, wenn die Werte zweier physikalischer Größen in Beziehung stehen, zwischen ihnen „Information“ besteht. Daran ist nichts Tiefgründiges; Schließlich bedeutet es nicht, dass die Teile der physischen Welt intrinsisch voneinander abhängig sind. Darüber hinaus verfügen wir bereits über eine Möglichkeit, diese Korrelation zu messen. Es jetzt „Information“ zu nennen, ist nur ein Name, der die Spezifität dieses Konzepts abschwächt. Eine Änderung des ursprünglichen Weltbildes scheint sich dadurch allerdings nicht zu ergeben. Stattdessen führt es eher zu Verwirrung bei den Menschen.

Computer verarbeiten Informationen gemäß Shannons Definition. Sie empfangen Eingangssignale vom Absender der Informationen und wenden dann einen Algorithmus an, um die Eingangssignale in Ausgangssignale umzuwandeln, die der Empfänger lesen kann. Diese Art von Prozess ist hochgradig personalisiert. Eingebettete Algorithmen sind eine Schlüsselkomponente bei der Definition von Rechenprozessen. Allerdings sind die meisten physikalischen Systeme keine Computer und die Entwicklung von Anfangsdaten zu Folgedaten in einem physikalischen System kann nicht immer durch einen Algorithmus oder eine Reihe logischer Operationen erklärt werden.

Einige Wissenschaftler scheinen diese beiden Definitionen von Information zu verwechseln. Sie wollen die Natur als Computer und die Beziehung zwischen verschiedenen Zuständen der Welt zu unterschiedlichen Zeiten als einen Rechenprozess beschreiben. Ich halte diese radikale Annahme für problematisch.

Es stimmt, dass einige physikalische Systeme bis zu einem gewissen Grad durch Computersimulation angenähert werden können, und das ist durchaus möglich. Sie können die wichtigen Gleichungen der Physik (wie etwa die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik) approximieren und sie in Algorithmen kodieren, die dann auf digitalen Computern ausgeführt werden können. Dies ist oft eine sehr effektive Methode, um eine ungefähre Lösung für eine Gleichung zu erhalten. Allerdings kann es sich dabei nur um eine Annäherung handeln und es ist unmöglich, eine genaue Antwort zu erhalten. So können wir beispielsweise den Klang einer Sinfonieorchesteraufführung mit digitalen Mitteln bis zu einem gewissen Grad einfangen, es handelt sich dabei aber immer nur um eine Annäherung. Digitale Mittel können nur Töne innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs erfassen. Das volle Erlebnis, eine Symphonie live zu hören, kann durch digitale Simulationsmittel niemals vollständig wiedergegeben werden. Aus diesem Grund besuchen viele Zuschauer Symphonieorchester-Aufführungen immer noch lieber persönlich und auch Vinyl-Schallplatten haben immer noch einen Markt, da es sich dabei um rein analoge Aufnahmen handelt. Dasselbe gilt in der Physik. Eine „digitale Simulation“ der Einstein-Gleichungen kann sehr nützlich sein, aber sie wird nie das ganze Wesen dieses Gleichungssystems erfassen.

Obwohl wir die Physik als Ganzes nicht als einen Prozess der Informationsverarbeitung verstehen können, kann man sagen, dass der Quantenzustand nicht das gesamte physikalische System darstellt, sondern nur die Systeminformationen, über die wir verfügen. Dies entspricht eindeutig Anmerkung 3 zu Regel 2, da sich die Wellenfunktion plötzlich ändert, wenn wir neue Informationen über das System erhalten. Wenn die Wellenfunktion die Informationen darstellt, die wir über das System haben, dann müssen die von der Quantenmechanik vorhergesagten Wahrscheinlichkeiten als subjektive Wahrscheinlichkeiten betrachtet werden, die einem Glücksspiel ähneln. Wir können Regel 2 weiterhin als eine Aktualisierungsregel betrachten, d. h., nachdem eine Messung durchgeführt wurde, wird sich unsere subjektive Wahrscheinlichkeitsvorhersage zukünftiger experimenteller Ergebnisse gemäß Regel 2 ändern. Dies ist der sogenannte „Quanten-Bayesianismus“ [3].

Relationale Quantentheorie

Es gibt auch einen eher subtilen Ansatz, der ebenfalls davon ausgeht, dass Quantenzustände Informationen zwischen Systemen vermitteln, nämlich die sogenannte „relationale Quantentheorie“. Diese Theorie liegt zwischen dem Operationalismus und einigen Formen des Realismus. Sie besagt, dass Quantenzustände mit der Aufspaltung des Universums, des Beobachters und des Beobachteten zusammenhängen und die Informationen darstellen, die der Beobachter über das Beobachtete wissen kann. Die relationale Quantentheorie, die auf der Theorie der Quantengravitation basiert, entstand in Diskussionen mit Louis Crane und Carlo Rovelli Anfang der 1990er Jahre.

Mathematiker wie Klein hatten zuvor eine minimalistische kosmologische Theorie vorgeschlagen – „topologische Feldtheorien“. Die relationale Quantentheorie ist eine prägnante mathematische Beschreibung topologischer Feldtheorien. Diese beiden Theorien beinhalten keine Quantenbeschreibung des gesamten Universums und schon gar keine Beschreibung des Quantenzustands des Universums als Ganzes. Die Quantenzustände in diesen beiden Theorien beschreiben verschiedene Möglichkeiten, wie das Universum in zwei Subsysteme aufgespalten werden könnte. Wir können diese Quantenzustände folgendermaßen verstehen: Sie tragen Informationen über das Quantensystem auf der einen Seite, die von einem Beobachter im Subsystem auf der anderen Seite erfasst werden können.

Dies erinnert uns an Bohrs Argument. Bohr glaubte, dass die Quantenmechanik notwendigerweise eine Zweiteilung der Welt erfordere, wobei ein Teil der klassischen Mechanik und der andere der Quantenmechanik folge, und dass jeder Teilungsvorgang zu einem solchen Ergebnis führen würde. Das von Mathematikern wie Klein untersuchte Modell geht noch einen Schritt weiter. Sie schlugen vor, dass jede Aufspaltung des Systems zwei Quantenzustände erzeugt, das heißt, dass jedes der beiden durch die Aufspaltung erzeugten Subsysteme einen Quantenzustand hat. Dies liegt daran, dass wir für jede Aufteilung zwei Möglichkeiten zur Interpretation haben. Angenommen, Alice lebt auf der einen Seite der Spaltung und Bob auf der anderen Seite, dann betrachtet sich Alice als klassische Beobachterin, die das „Quanten-Bob“ auf der anderen Seite misst. während Bobs Perspektive genau das Gegenteil ist.

Diese Art von Modell ist sehr einfach, aber es stellt sich die Frage: Wie ähnlich sind die beiden Perspektiven? Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass Alices Quantenbeschreibung von Bob mit Bobs Quantenbeschreibung von Alice übereinstimmt? Mathematiker glauben, dass sich diese Antwort nicht ändern wird, egal wie sich das Universum aufspaltet. Basierend auf dieser Prämisse misst die Wahrscheinlichkeit, dass Beobachter auf beiden Seiten dasselbe beschreiben, bestimmte universelle Eigenschaften. Diese Eigenschaften charakterisieren den inneren Zusammenhang des Universums. Mathematiker sprechen von kosmischer Topologie, was auch der Ursprung des Namens topologische Feldtheorie ist.

Klein erkannte, dass die mathematischen Strukturen der topologischen Feldtheorie erweitert werden könnten, um die Schleifenquantengravitation einzubeziehen, also nahm er dieses kosmologische Modell heraus und diskutierte es mit Rovelli und mir. Es stellte sich heraus, dass Klein absolut recht hatte, aber das ist eine andere Geschichte. Er schlug außerdem vor – und er hatte Recht –, dass dieser radikal neue mathematische Ansatz eine Möglichkeit biete, die Quantenmechanik auf das Universum als Ganzes auszudehnen: die relationale Quantentheorie.

Wir waren beide inspiriert und haben diese Methode auf die allgemeine Quantentheorie angewendet. Anschließend haben wir jeweils die entsprechenden Ergebnisse veröffentlicht [4]. Rovellis Version ist allgemeiner und bekannter, deshalb werde ich hier seine Theorie vorstellen. Bohr glaubte, dass Quantenphysiker immer in zwei Welten denken müssen. Wir Beobachter leben in einer Welt, die von der klassischen Physik beherrscht wird, aber die Atome, die wir untersuchen, leben in der Quantenwelt, und die beiden Welten folgen unterschiedlichen physikalischen Regeln. Besonders wichtig ist, dass Objekte in der Quantenwelt in einem Überlagerungszustand existieren können, während in unserer Welt die beobachtbaren Eigenschaften der Dinge nur bestimmte Werte annehmen und nicht überlagert werden können. Bohr glaubte, dass beide Welten für die Wissenschaft notwendig seien.

In gewissem Sinne befinden sich die Instrumente, die wir zur Manipulation und Messung von Atomen verwenden, an der Grenze zwischen unserer Welt und der atomaren Welt, und Bohr betonte, dass der Ort dieser Grenze nicht festgelegt sei. Die Ziele sind andere und auch die Grenzen sind andere, sofern es gelingt, die gesamte Welt in zwei Bereiche aufzuteilen.

Nehmen wir als Beispiel das Experiment mit Schrödingers Katze. Eine Möglichkeit, die Grenze zu ziehen, besteht darin, sich Atome und Photonen als Quantensysteme und Geigerzähler und Katzen als klassische Systeme vorzustellen. In diesem Bild kann das Atom in einer Überlagerung von Zuständen existieren, aber der Geigerzähler zeigt immer einen bestimmten Zustand an: entweder „Ja“ – was darauf hinweist, dass er ein Photon erkannt hat; oder „nein“ – was bedeutet, dass kein Photon erkannt wurde. Wir können diese Grenze jedoch auch neu definieren und Geigerzähler in die Quantenwelt einbeziehen. Somit ist die Katze entweder lebendig oder tot und befindet sich immer in einem dieser beiden Zustände, der Geigerzähler kann sich jedoch in einem verschränkten Superpositionszustand mit dem Atom befinden. Oder wir können, Schrödinger folgend, die Grenzen auf den vier senkrechten Flächen der Box zeichnen. Auf diese Weise wird auch die Katze Teil des Quantensystems und kann mit den Atomen und dem Geigerzähler verschränkt sein. Zu diesem Zeitpunkt öffnete eine Person namens Sarah aus der klassischen Welt die Schachtel, um den Inhalt zu erkunden. Da Sarah ein Subjekt in der makroskopischen Welt ist, glauben wir, dass sie sich immer in einem bestimmten Zustand befindet. Aus ihrer Perspektive würde Sarah das Gefühl haben, dass sie auf der klassischen Seite der Welt stand, also war die Katze für sie entweder tot oder lebendig, immer das eine oder das andere.

Eugene Wigner schlug vor, wir sollten noch einen Schritt weitergehen und Sarah zusammen mit der Kiste, der Katze und den anderen Objekten in der Kiste in das Quantensystem einfügen und mich selbst als Zuschauer außerhalb der Grenze platzieren, damit ich sehen kann, wie Sarah Teil des verschränkten Superpositionszustands wird. In einem Teil dieser Überlagerung ist die Katze lebendig und Sarah sieht sie lebendig; im anderen Teil ist die Katze tot und Sarah sieht, dass sie tot ist.

Wir haben also fünf Möglichkeiten, zwischen der Quantenwelt und der klassischen Welt zu unterscheiden. Wir verwenden hier das Wort „Quanten“, um anzuzeigen, dass Dinge in Superpositionen vorliegen können, und das Wort „klassisch“, um anzuzeigen, dass physikalische Größen nur bestimmte Werte haben können. Diese scheinbar unterschiedlichen Beschreibungen scheinen einander zu widersprechen. Wenn wir Sarah beispielsweise in einem Superpositionszustand sehen, hat sie immer das Gefühl, sich in einem bestimmten Zustand zu befinden.

Laut Rovelli sind alle diese Theorien richtig, alle beschreiben einen Teil der Welt und alle sind Teil der Wahrheit. Sie beschreiben jeweils einen Teil der Welt, wobei dieser Teil durch die gezogenen Grenzen definiert wird. Befindet sich Sarah tatsächlich in einer Superposition oder sieht sie definitiv eine lebende Katze oder hört sie die Geräusche einer Katze? Rovelli wollte sich nicht zwischen den beiden entscheiden. Er glaubte, dass die Beschreibung physikalischer Ereignisse und Prozesse immer mit einer besonderen Art und Weise verbunden sei, die Grenze zwischen der Quantenwelt und der klassischen Welt zu ziehen. Rovelli geht davon aus, dass alle Arten der Grenzziehung gleichermaßen gültig und Teil einer vollständigen Beschreibung der Welt sind. Einfach ausgedrückt glaubt Rovelli, dass aus Sarahs Sicht die Katze am Leben ist, was richtig ist; und aus meiner Sicht befindet sich Sarah in einem Überlagerungszustand aus „sieht eine tote Katze“ und „sieht eine lebende Katze“, was gleichermaßen richtig ist.

Gibt es also Fakten, die nicht von der Perspektive des Beobachters beeinflusst werden? Meiner Meinung nach lautet Rovellis Antwort auf diese Frage nein. Obwohl Sarah und ich im obigen Beispiel unterschiedliche Ansichten über die Inspektionsergebnisse haben, sind wir uns einig, dass sie die Kiste geöffnet und den Zustand der Katze überprüft hat. Ob Sarahs Entscheidung, die Schachtel zu öffnen, jedoch vom Ausgang eines Quantenereignisses abhängt, beispielsweise davon, ob ein instabiles Atom zerfällt. In diesem Fall kann ich sagen, dass Sarah sich in einer Überlagerung befindet, in der sie die Schachtel geöffnet hat und in der sie die Schachtel nicht geöffnet hat, aber Sarah selbst kann nur eines von beiden sein, nämlich entweder die Schachtel geöffnet haben oder sie nicht geöffnet haben.

Beachten Sie, dass eine schwache Übereinstimmung besteht, da meine Beschreibung von Sarah ihrer eigenen Beschreibung nicht völlig widerspricht. Ein weiterer wichtiger Punkt, den wir beachten müssen, ist, dass alle Methoden der Grenzziehung die Welt in zwei unvollständige Teile aufspalten. Es gibt keine Perspektive des Universums als Ganzes, das heißt, wir können nicht aus dem Universum herausspringen, um das gesamte Universum zu beobachten, und es gibt keinen Quantenzustand, der das Universum als Ganzes beschreiben kann.

Wenn die relationale Quantentheorie einen Slogan hätte, würde dieser lauten: „Viele lokale Perspektiven definieren ein Universum.“ Wir können diese Theorie aus verschiedenen Perspektiven betrachten. Ein pragmatischer Operationalist würde jede Möglichkeit, die Welt durch das Ziehen einer Grenze in zwei Hälften zu teilen, als Definition eines Systems betrachten, das quantenmechanisch behandelt werden kann. Jede Wahl der Grenze führt zu einer völlig neuen Beschreibung, die alle Informationen enthält, die ein Beobachter auf der einen Seite der klassischen Welt über das Quantensystem auf der anderen Seite der Grenze haben kann. Für diese pragmatischen Operationalisten enthalten alle diese Quantenzustände Informationen, die den Beobachtern auf jeder Ebene zur Verfügung stehen und durch die Grenzen bestimmt werden, die die Beobachter trennen, und jeder Beobachter kodiert in einem Quantenzustand Informationen über das System auf der anderen Seite der Grenze. Der Grund für die Unterschiede zwischen diesen Quantenzuständen liegt darin, dass sie unterschiedliche Subsysteme beschreiben.

Aus operationalistischer Sicht hat die relationale Quantenmechanik einiges mit der ursprünglich von Everett vorgeschlagenen Interpretation korrelierter Zustände gemeinsam. Beide beschreiben die Welt mithilfe von bedingten Anweisungen, die Korrelationen zwischen verschiedenen Subsystemen kodieren, Korrelationen, die bei der Interaktion der Subsysteme hergestellt werden. Dies ist jedoch nicht die Art und Weise, wie Rovelli die relationale Quantenmechanik sieht. Seiner Meinung nach sollte seine Theorie dem Realismus entsprechen, es handelt sich jedoch nicht um die Art von naivem Realismus, die ich im vorherigen Artikel erläutert habe. Rovelli glaubt, dass die Realität aus einer Reihe von Ereignissen besteht und das System auf der einen Seite der Grenze durch diese Ereignisse Informationen über die Welt auf der anderen Seite erhält. Daher können wir Rovelli als einen auf Kausalität basierenden Realisten bezeichnen. In seiner Theorie hängt die Realität von der Wahl der Grenzen ab, da bestimmte Dinge aus der Perspektive eines bestimmten Beobachters geschehen – bestimmte Ereignisse – Teil einer Überlagerung anderer Ereignisse sein können. Daraus können wir ersehen, dass es eindeutig einige Unterschiede zwischen Rovellis Realismus und dem naiven Realismus gibt, denn im naiven Realismus sind die Ereignisse, die die Realität ausmachen, diejenigen, von denen alle Beobachter übereinstimmen würden, dass sie tatsächlich stattgefunden haben.

Rovelli argumentiert, dass diese Art von naivem Realismus in unserer Quantenwelt nicht existieren kann, und schlägt daher vor, dass wir seinen radikal anderen Realismus übernehmen: Die Aufspaltung der Welt definiert den Beobachter, und die Realität wird immer relativ zu dieser Aufspaltung definiert. Rovellis Beschreibung unterschied sich stark von der Bohrs und stellte eine präzisere Interpretation dar, doch die von ihnen verwendete Logik war ähnlich und beide waren der Ansicht, dass in Quantensystemen kein Platz für naiven Realismus sei.

Hinweise

1. Die Übersetzung dieses Buches ist falsch und verwechselt den Physiker Stephen L. Adler mit Stephen J. Adler, dem ehemaligen Präsidenten und Chefredakteur von Reuters. ——Anmerkung des Herausgebers.

2. Hier sind noch einige zusätzliche Erklärungen erforderlich. Laienleser können diesen Teil überspringen. Einige Experten könnten meiner Beschreibung von Shannons Definition von Information widersprechen, indem sie darauf hinweisen, dass die Menge gleich dem Negativ der Informationsentropie ist. Sie würden argumentieren, dass Entropie eine natürliche physikalische Eigenschaft ist, die objektiv existiert und den Gesetzen der Thermodynamik unterliegt (wenn sich das System im thermodynamischen Gleichgewicht befindet). Da Informationen im Sinne von Shannon mit der Entropie zusammenhängen, müssen sie objektiv sein und den Gesetzen der Physik entsprechen. Ich möchte hierzu drei Punkte anmerken: Erstens beschränken die Gesetze der Thermodynamik nicht die Entropie selbst, sondern die Änderung der thermodynamischen Entropie. Zweitens ist, wie Karl Popper vor einigen Jahren betonte, die statistische Definition der Entropie, die mit Shannons Definition von Information verbunden ist, keine völlig objektive Größe. es hängt von der Wahl der Grobkörnigkeit ab, die uns eine ungefähre Beschreibung des Systems liefert. Wenn das System für einen bestimmten Zustand genau beschrieben werden kann, muss seine Entropie Null sein. Dieser Bedarf an spezifischen, ungefähren Beschreibungen bringt ein subjektives Element in die Definition der Entropie. Die Entropie eines Quantensystems hängt vom Aufspaltungsprozess ab, der zwei Subsysteme bildet, und wir können das Vorhandensein subjektiver Elemente in solchen Prozessen erkennen. Schließlich handelt es sich bei der Entropie-Eigenschaft von Informationen um eine Definition, die anhand der von Shannon gegebenen Definition von Informationen definiert wird.

3. Das Buch gibt drei Regeln an, Regel 2: Dieses Gesetz beschreibt, wie ein Quantenzustand auf einen Messvorgang reagiert, d. h. er kollabiert sofort in einen messbaren Zustand mit einem genauen Wert (dieser Wert wird durch den Messvorgang bestimmt). Regel 2 besagt, dass die Ergebnisse einer prognostizierten Messung nur probabilistisch beschrieben werden können. Nach Abschluss der Messung hat sich jedoch der Quantenzustand des gemessenen Systems geändert – der Messvorgang versetzt das System in einen Zustand, der dem Messergebnis entspricht. Dieser Vorgang wird als Kollaps der Wellenfunktion bezeichnet. ——Anmerkung des Herausgebers

Verweise

[1] John Archibald Wheeler, „Information, Physik, Quanten: Die Suche nach Links“, in Proceedings des 3. Internationalen Symposiums: Grundlagen der Quantenmechanik im Lichte neuer Technologien, Tokio, 1989, Hrsg. Shunichi Kobayashi et al. (Tokio: Physikalische Gesellschaft Japans, 1990), 354–58.

[2] John Archibald Wheeler, zitiert in Paul Davies, The Goldilocks Enigma, auch Cosmic Jackpot genannt (Boston und New York: Houghton Mifflin, 2006), 281.

[3] Christopher A. Fuchs und Blake C. Stacey, "Qbism: Quantum Theory als Heldenhandbuch" (2016), Arxiv: 1612.07308.

[4] Louis Crane, „Uhr und Kategorie: Ist die Quantengravitation algebraisch?, Journal of Mathematical Physics 36, Nr. 11 (Mai 1995): 6180–93, Arxiv: GR-QC/9504038; Carlo Rovelli, "Relational Quantenmechanik", International Journal of Theoretical Physics 35, Nr. 8 (August 1996): 1637–78, Arxiv: Quant-Ph/9609002; Lee Smolin, „Die Bekenstein gebundene, topologische Quantenfeldtheorie und pluralistische Quantenkosmologie“ (1995), Arxiv: GR-QC/9508064.

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