Kurt Baumann Roman U. Sexl. Die Deutungen der Quantentheorie

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1 Kurt Baumann Roman U. Sexl Die Deutungen der Quantentheorie

2 Facetten cler Physik Physik hat viele Facetten: historische, technische soziale, kultureue, philosophische und amusante. Sie konnen wesentliche und bestimmende Motive fur die Beschaftigung mit den Naturwissenschaften sein. Viele Lehrbucher lassen diese "Facetten der Physik" nur erahnen. Daher soll unsere Buchreihe ihnen gewidmet sein. Prof. Dr. Roman Sexl Herausgeber Eine Liste der erschienenen Bande finden Sie auf Seite 233 und 234

3 Kurt Baumann Roman U. Sexl Die Deutungen cler Q!Iantentheorie Mit 10 Bildern Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH

4 Zeichnungen und Umschlagbild: Rudolf Klein, Wien Erstellung des Namen- und Sachwortverzeichnisses: Martina Schettina, Wien 1984 Alle Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden 1984 Ursprunglich erschienen beifriedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1984 Die Vervielfaltigung und Obertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch fiir Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. Im Einzelfall mub uber die Zahlung einer Gebiihr fiir die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt fiir die Vervielfaltigung durch alle Verfahren einschlieslich Speicherung und jede Obertragung auf Papier, Transparente, Filme, Bander, Platten und andere Medien. Druck und buchbinderische Verarbeitung: Lengericher Handelsdruckerei, Lengerich ISBN DOI / ISBN (ebook)

5 Vorwort Drei Biinde der Buchreihe "Facetten der Physik" sind Problemen der Quantentheorie gewidmet: "Die Deutungen der Quantentheorie" stellen anhand von Originalarbeiten die Versuche vor, die in den letzten 50 Jahren gemacht wurden, urn den mathematischen Formalismus einer der bedeutendsten Theorien des 20. J ahrhunderts physikalisch zu deuten, also zu interpretieren. Denn nur ein interpretierter mathematischer Formalismus ist als physikalische Theorie zu verstehen. Gerade an den Deutungen der Quantentheorie scheiden sich die Geister aber wie an nur wenigen anderen Problemen der Physikgeschichte. Zwar lernt jeder angehende Student bald, mit dem Apparat der Quantenphysik Zahlenwerte und Effekte zu berechnen. Doch die Interpretation der Wellenfunktion ist auch heute noch ein viel umstrittenes Problem. "Wozu soli man sich damit beschiiftigen, wo doch jeder weib, wie man quantenmechanische Rechnungen anstellt?" ist eine Frage, die gar mancher pragmatisch orientierte Physiker stellt. Versteht man die Quantenphysik als eine physikalische Theorie, die in vollendeter Form ein fiir aile Mal gegeben ist und keinerlei weitere Entwicklung im Sinne einer "Theoriedynamik" erfahren wird, mag diese Einstellung akzeptabel erscheinen. Wenn man aber die Quantenmechanik nur als unsere heutige Antwort auf das Problem der Struktur der Materie betrachtet, so stellt sich sofort die Frage nach dem tieferen Verstiindnis und der Interpretation der Theorie. Wenngleich auch die verschiedenen Interpretationen zu einer gegebenen Zeit zu den gleichen physikalischen Ergebnissen fiihren, so lassen sie doch ganz unterschiedliche Weiterentwicklungen und Forschungsrichtungen erwarten. Ein klassisches Beispiel dafiir liefert die Elektrodynamik. Faradays Einfiihrung des Feldbegriffes bedeutete zuniichst nur eine andere Deutung des Coulombschen Gesetzes. Doch lenkte diese Deutung die Forschung in eine v6llig neue Richtung, die mit Hertz' Entdeckung elektromagnetischer Wellen einen Triumph feierte. Auch die Quantenphysik fand in ihren Anfangsphasen durch Heisenberg und Schr6dinger zwei verschiedene Formulierungen, die jedoch giinzlich unterschiedlichen Standpunkten und Fragestellungen entsprangen. Teilchen und Welle waren die Ausgangspunkte der Entwicklung, die im "Dualismus Teilchen-Welle" eine vieldiskutierte Deutung fand. v

6 Bis heute ist "Die Debatte urn die Quantentheorie" nicht abgeschlossen. Franco Selleri hat einen Band zu diesem Thema zur Reihe "Facetten der Physik" beigetragen. Er zeigt, wie ein Vertreter einer realistischen Haltung die historische Entwicklung und die heutige Problematik betrachtet. Selleri versucht dabei, die "Kopenhagener Interpretation" der Quantenmechanik zu uberwinden. Diese von einer positivistischen Philo sophie gepragte Deutung hat Einstein einmal als die "Bohr-Heisenbergsche Beruhigungsphilosophie" bezeichnet. J ahrzehntelang beherrschte sie die Lehrbucher und Vorlesungen fast unbestritten, nachdem das beruhmte "Von Neumannsche Theorem" schein bar ein fur aile Mal die Unmoglichkeit der Einfiihrung von verborgenen Parametern und damit einer kausalen Erganzung der Quantentheorie bewiesen hatte. Nachdem aber Bohm die praktische Moglichkeit derartiger Theorien an einem Beispiel gezeigt hatte und Bell die zu engen Grundannahmen des Theorems aufgezeigt hatte, ist die Debatte heute wieder we it offen. Selleris Buch gibt einen ausgezeichneten Dberblick uber den heutigen Stand dieser Diskussion. Dabei kommen die Hoffnungen und Erwartungen, die er fur die weitere Entwicklung hegt, besonders deutlich in dem abschlie Iknden Kapitel "Experimentelle Philosophie" zum Ausdruck. Wenn Selleri in seinem Buch wiederholt betont, wie sehr physikalische Theorien in den gesellschaftlichen Zusammenhang ihrer Zeit gestellt werden mussen, wie sehr sie also "Kinder ihrer Zeit" sind, so hat Paul Forman dies in seinem bekannten und umstrittenen Artikel "Quantenmechanik und Weimarer Republik" im Detail ausgefuhrt. Das gleichnamige Buch wurde von Karl von Meyenn herausgegeben. Kernstuck dieses Bandes ist der 1971 erschienene Artikel des amerikanischen Wissenschaftshistorikers Forman, in dem dieser ausfuhrlich belegt, dab die geistige Atmosphare in den Jahren nach dem Ersten Weltkrieg und in der Weimarer Republik wesentlich zur Entstehung der Quantenmechanik beigetragen hat. Der 1971 erschienene Artikel hat zahlreiche Reaktionen im englischen Sprachraum hervorgerufen. Karl von Meyenn hat einige der interessantesten Beitrage zu dieser Debatte ausgewahlt und durch eine eigene Stellungnahme erganzt, die den Standpunkt eines deutschen Physikers und Wissenschaftshistorikers zu den hier dargestellten Problem en darlegt. Als Mitherausgeber des wissenschaftlichen Briefwechsels Wolfgang Paulis ist Meyenn ein hervorragender Kenner der Entstehungsgeschichte der Quantentheorie und ihres Zusammenhangs mit dem allgemeinen Kulturleben ihrer Zeit. Allen genannten Banden ist gemeinsam, dab sie hochst kontroversielle und viel diskutierte Probleme der heutigen Physik aufgreifen. Eindeutige Entscheidungen und endgultige Antworten sind hier nicht zu erwarten. Gerade dadurch aber ist lebendige Wissenschaft, Wissenschaft "in statu nascendi" gekennzeichnet. VI

7 Bei der Vorbereitung dieses Bandes waren Gesprache mit unseren Kollegen John Bell, Bernulf Kanitscheider, Ursula Wegener und Abner Shimony iiberaus niitzlich. Ihnen allen sei fur ihre Hilfe und fur die Ratschlage bei der Auswahl der Abhandlungen gedankt. Frau Eva Klug besorgte die umfangreichen und komplizierten Schreibarbeiten mit gewohnter Sorgalt. Unser Dank gilt auch den Autoren und den Verlagen der in diesen Band aufgenommenen Originalarbeiten fiir die grogziigige Genehmigung zum Wiederabdruck der Artikel. Kurt Baumann Roman U. Sexl Graz und Wien, im Mai 1983 VII

8 Inhaltsverzeichnis Vorwort v Teill Die Deutungen der Quantentheorie 1 I Der Weg naeh Kopenhagen... _. _... _ Der Dualismus Teilehen - Welle... _ _.. _. 4 2 Die statistisehe Deutung der neuen Meehanik _.... _. 8 3 Die Unbestimmtheitsrelation _... _. _.. _. _. _. _. _. _.. _ 12 4 Die Kopenhagener Deutung.... _. _... _. _.. _. _ von Neumanns BewuBtsein verandert die Welt _.. _... _. _ Das (vorliiufige) Ende des Determinismus _. _. _. _..... _ 22 II Paradoxien tauehen auf.... _..... _. _... _... _. _. _ Gott wiirfelt nieht.. _.. _... _... _. _... _ Schrodinger erfindet eine Katze _. _. _. 27 III Kritik und Weiterentwicklung der Deutung.. _... _... _. _ Quantenmeehanik und Marxismus.. _ _. _. _. _ Riiekblick auf Kopenhagen... _. _.. _... _. _... _ 32 IV Der neue Determinismus und die unteilbare Welt. _.. _.. _. _.. _ Riickkehr zum Determinismus? _. _. _.. _.... _ Die Wellenfunktion der Welt. _... _... _... _. _... _ 39 Teil2 Originalabhandlungen... _... _. _ Max Born Zur Quantenmechanik der StoBvorgiinge (1926) Werner Heisenberg Ober den anschaulichen Inhalt der quantenmechanischen Kinematik und Mechanik (1927)... _.. _ 53 3 Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen Kann man die quantenmechanische Beschreibung der physikalischen Wirklichkeit als vollstandig betrachten? (1935)... _... _... _ 80 VIII

9 4 Niels Bohr Kann man die quantenmechanische Beschreibung der physikalischen Wirklichkeit als vollstlindig betrachten? (1935) 87 5 Erwin Schrodinger Die gegenwartige Situation in der Quantenmechanik (1935) Wladimir Fock Kritik der Anschauungen Bohrs tiber die Quantenmechanik (1952) Werner Heisenberg Die Entwicklung der Deutung der Quantentheorie (1955) Niels Bohr Uber Erkenntnisfragen der Quantenphysik (1958) David Bohm Vorschlag einer Deutung der Quantentheorie durch "verborgene" Variable (1952) John S. Bell Ober das Problem verborgener Variabler in der Quantentheorie (1966) Bryce DeWitt Quantenmechanik und Realitlit (1970) John S. Bell Everetts Theorie des MeBprozesses und de Broglies Ftihrungswellen (1972) Quellenverzeichnis Namen- und Sachwortverzeichnis IX