Die Bohr-Einstein- Debatte

Carsten Held Die Bohr-Einstein- Debatte Quantenmechanik und physikalische Wirklichkeit mentis PADERBORN

Umschlagfoto: Einstein und Bohr im Gespräch, Leiden 1925 (mit freundlicher Erlaubnis des American Institute of Physics, Emilio Segré Visual Archives) Gedruckt mit Unterstützung der Wissenschaftlichen Gesellschaft in Freiburg im Breisgau Die Deutsche Bibliothek CIP-Einheitsaufnahme Held, Carsten: Die Bohr-Einstein-Debatte: Quantenmechanik und physikalische Wirklichkeit / Carsten Held. 2., unv. Auflage, Paderborn: mentis, 1999 Zugl.: Freiburg (Breisgau), Univ., Diss., 1996 ISBN 3-89785-008-7 Einbandgestaltung: INNOVA GmbH, D-33178 Borchen Gedruckt auf umweltfreundlichem, chlorfrei gebleichtem und alterungsbeständigem Papier 0 ISO 9706 1999 mentis Verlag GmbH Schulze-Delitzsch-Straße 19, D-33100 Paderborn Alle Rechte vorbehalten. Dieses Werk sowie einzelne Teile desselben sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung in anderen als den gesetzlich zulässigen Fällen ist ohne vorherige Zustimmung des Verlages nicht zulässig. Printed in Germany ISBN 3-89785-008-7

Das Wirkliche ist uns nicht gegeben, sondern aufgegeben (nach Art eines Rätsels). Albert Einstein Einleitung 1 Das Rätsel Quantenmechanik Die Quantenmechanik, die zu Anfang dieses Jahrhunderts entwickelte physikalische Theorie mikroskopischer Objekte, gilt als das Fundament der modernen Physik; neuere Theorien, die das Verhalten dieser Objekte noch umfassender erklären, wie etwa die Quantenfeldtheorie, setzen stets das begriffliche Gerüst der Quantenmechanik als ihren Grund voraus. Diese Theorie selbst aber bricht radikal mit der klassischen Newtonschen Physik und ihrem Ideal einer vollständigen, deterministischen Beschreibung physikalischer Objekte in Raum und Zeit, sie löst mithin tatsächlich das alte Newtonsche Fundament aller Naturwissenschaft auf. Die Quantenmechanik darf daher mit Recht als die radikalste Umwälzung unseres wissenschaftlichen Weltbildes in diesem Jahrhundert angesehen werden (und dies geschieht ja auch bis in die Feuilletons hinein). Doch die weitergehende Behauptung, die neue Theorie sei zugleich ein neues Fundament der Wissenschaft, entpuppt sich so wohlfeil sie sein mag bei genauem Hinsehen als ein ungedeckter Scheck. Die Quantenmechanik legt nicht wirklich ein neues Fundament der Naturwissenschaft, weil sie zwar konsistent zu formulieren und anzuwenden, doch nicht verständlich zu deuten ist; stattdessen gibt sie bis heute ungelöste Paradoxien auf, bis heute ist sie im Grunde unverstanden. Darum bleibt die Ablösung der alten Newtonschen Physik bloße Auflösung; an die Stelle des alten Weltbildes kann kein neues gesetzt werden es sei denn um den Preis der fröhlich in Kauf genommenen Paradoxie. Diese Behauptung soll an einem einfachen Experiment illustriert werden, das uns später noch als Gedankenexperiment wiederbegegnen wird, das sich aber, von technischen Schwierigkeiten abgesehen, heute tatsächlich ausführen läßt. Stellen wir uns eine,quelle` vor, die Paare von,teilchen` in entgegengesetzte Richtungen aussendet. Sehr weit voneinander entfernt stehen zwei Apparate, welche die Teilchen auffangen und bestimmte Größen an ihnen messen können, und zwar zwei verschiedene, die wir (ohne weitere Erklärung) die,spinkomponenten` A und B, nennen; als Werte dieser Größen

10 Einleitung (also als die konkreten Eigenschaften der Teilchen) können immer nur +1 und -1 herauskommen. Die Teilchenpaare haben eine besondere Eigenart: Immer wenn die Apparate beide auf die Größe A oder auf B eingestellt sind und eines der Teilchen mit dem Wert +1 gemessen wird, wird das andere mit -1 gemessen und umgekehrt. Das tritt auch dann auf, wenn wir uns erst,in allerletzter Sekunde' entscheiden, ob wir zugleich A oder B messen (ob wir überhaupt dieselben Größen messen), das heißt, wenn wir uns erst dann für eine Messung entscheiden, wenn die Teilchen schon,unterwegs` sind von der Quelle zu den entgegengesetzten Meßapparaten. Für dieses Verhalten gibt es nur eine vernünftige Erklärung: In der gemeinsamen Vergangenheit der Teilchen existiert eine gemeinsame Ursache für das Vorliegen dieser stets verknüpften Eigenschaften; mit anderen Worten: Die Teilchen sind an der Quelle mit je entgegengesetzten Werten für A und B gestartet: Nun die Schwierig - keit: Ein solches Experiment läßt sich mit bestimmten Teilchen atomarer Dimensionen durchführen und quantenmechanisch beschreiben. Die Teilchenpaare verhalten sich dann nach der Vorhersage der Theorie wie im Experiment genauso wie angegeben. In der Theorie lassen sich aber für das Teilchenpaar nur Werte für eine der Größen vorgeben. Es scheint also, als sei die Quantenmechanik eine unvollständige Beschreibung der wirklichen Vorgänge. Nun kann man andererseits mit trickreichen Argumenten beweisen, daß das nicht zutrifft: Man zeigt, daß die Vorstellung, die Teilchen seien schon zuvor mit Werten der Größen A und B ausgestattet gewesen, zu anderen meßbaren Ergebnissen führt, als die Quantenmechanik es vorhersagt. Experimente, die im Prinzip genauso aufgebaut sind wie beschrieben, zeigen dann, daß die quantenmechanischen Werte die richtigen sind. Damit ist uns die einzig vernünftige Erklärung über das Verhalten der Teilchen daß sie von der Quelle so, wie sie sind, produziert wurden verwehrt. 1 Wir sind in einem Erklärungsnotstand, denn jeder Versuch, eine andere, vielleicht neuartige, ungewöhnliche Erklärung dafür beizubringen, was denn hier genau geschieht, endet in Paradoxien. Wir haben nur die Wahl zwischen zwei Vorstellungen: einmal, daß die Teilchen überhaupt, bevor sie gemessen werden, schon Eigenschaften haben (je zwei Zahlenwerte für A und B); zum anderen, daß sie in Bezug auf diese Eigenschaften noch unbestimmt sind und erst bei der Messung ursprünglich bestimmte Werte erlangen. Keine der Möglichkeiten ist attraktiv (obwohl die zweite allgemein bevorzugt wird). Im ersten Fall müssen wir annehmen, daß die Wechselwirkung mit dem Meßapparat die Eigenschaften verändert, die Teilchen stört. Das klingt harmlos, doch diese Störung bei der Messung muß in der Weise geschehen, daß dasjenige, was wir beobachten, schon das Veränderte, Verzerrte, Gestörte ist; der Begriff Messung verliert seinen herkömmlichen Sinn des Feststellens-was-ist. Schlimmer ist aber noch, daß diese Störung nicht in zufälliger Weise geschehen kann; es müssen sich ja bei gleich eingestellten Apparaten immer die zueinander passenden Werte einstellen. Die beiden Seiten (die Teilchen? die Apparate?) müssen irgendwie voneinander,wissen `, damit sie auch in genau 1 Vgl. L.B. Albert (1992) Kap.3; Hughes (1989) S.159ff.

Einleitung passender Weise gestört werden, und zwar selbst dann, wenn sie bei unserer Festlegung der Messungen so weit voneinander entfernt sind, daß auch mit Lichtgeschwindigkeit kein Signal mehr zwischen ihnen ausgetauscht werden könnte. Diese Paradoxie bezeichnet man als den,nichtlokalen Charakter' oder die,nichtlokalität` quantenmechanischer gekoppelter Systeme. Ähnlich düster sieht es aber für die Vorstellung aus, nach der einige der fraglichen Eigenschaften vor der Messung einfach unbestimmt sind (dies werde ich später,empirische Unbestimmtheit' nennen) und in der Wechselwirkung mit dem Meßapparat ursprünglich Werte der gemessenen Größen erhalten (dies werde ich später,quantenübergang` nennen). Natürlich verliert der Begriff Messung hier ebenso seinen angestammten, verständlichen Sinn; nur ist nun in vielleicht noch radikalerer Weise von diesem Sinn Abschied genommen. Messung bedeutet nunmehr weder Feststellen was ist, noch Hervorbringen des Gemessenen durch Störung des Existierenden, sondern ursprüngliches Entstehen einer Eigenschaft am Objekt durch die Messung. Um es mit einem Vergleich zu sagen: Objekte, die vorher von unbestimmter Form waren, werden durch die Messung dreieckig oder quadratisch oder rund gemacht. a Zudem besteht auch hier die rätselhafte nichtlokale Kopplung zwischen den beiden Teilen der Apparatur: Die Teilchen (oder Apparate?) müssen zum Zeitpunkt der Messung, obwohl makroskopisch weit voneinander entfernt, irgendwie einander mitteilen, welche Werte vorgewiesen werden sollen, damit immer Paare zueinander passender Werte +1, -1 oder -1, +1 entstehen, wenn auch solche Werte nun nicht durch Störung, sondern ursprüngliche Hervorbringung entstehen. Dieses paradoxe Ergebnis zeigt, wie groß der Erklärungsnotstand ist und wie sehr es berechtigt war, die Erklärung durch eine gemeinsame Ursache als die einzig vernünftige zu bezeichnen. Es gibt keine andere Erklärung, die nicht elementare Prinzipien rationaler Naturwissenschaft Messen bedeutet Feststellen was ist; Wechselwirkungen sind immer lokal verletzt. Das skizzierte Experiment (das EPR-Bohm-Experiment; siehe dazu unten 24) geht auf die Diskussion zwischen Niels Bohr und Albert Einstein zurück; ausgedacht wurde es ursprünglich von Einstein. Darin sind, wie in einem kleinen Leitmotiv, die wesentlichen Probleme angespielt, um die es zwischen Bohr und Einstein geht: wohlbestimmte Eigenschaften der Quantenobjekte oder empirische Unbestimmtheit; wertetreue Messung, Störung oder Quantenübergang durch die Meßwechselwirkung; Lokalität aller Wechselwirkungen oder nichtlokale Kopplungen. Zugleich illustriert das Experiment die beiden wichtigsten Paradoxien der Quantenmechanik: Meßproblem und nichtlokale Kopplung komplexer Systeme. Diese Paradoxien sind bis heute unaufgelöst; wir haben uns bestenfalls an sie gewöhnt. 2 Quantenmechanik und Bohr-Einstein-Debatte Der Physiker Paul Ehrenfest, der mit Bohr und Einstein befreundet war und stets zwischen beiden zu vermitteln suchte, schrieb 1925 in einem Brief an Einstein über ihn und Bohr: Ich weiß, daß kein lebender Mensch so tief in

12 Einleitung die eigentlichen Abgründe der Quantentheorie geblickt hat wie Ihr zwei und daß niemand außer euch wirklich sieht, wie vollkommen radikal neue Konzeptionen nötig sind. "2 Dieses Urteil, schon 1925 gefällt von einem, der es wissen mußte, sollte sich in den nächsten Jahrzehnten noch weiter bewahrheiten: Einstein und Bohr bemühten sich, die Abgründe der Quantentheorie" begrifflich auszuloten und begannen tatsächlich radikal neue Konzeptionen" zu ihrem Verständnis zu entwickeln. Wenn auch heute die Quantenmechanik immer noch nicht wirklich verstanden ist, so läßt sich doch genauer angeben, worin ihr Rätsel genau besteht. Daß wir eine Einsicht in die eigentlichen Verständnisprobleme der Theorie haben, ist vor allem Einsteins und Bohrs Verdienst. Nahezu alle wichtigen Problemstellungen und Gedankenexperimente zur Quantenmechanik stammen eigentlich von Einstein: der Kollaps der Wellenfunktion, das Doppelspaltexperiment, Experimente mit verzögerter Wahl, das EPR-Experiment, sogar der unter dem Namen,Schrödingers Katze' berühmt gewordene Fall makroskopischer Superposition; Bohrs Leistungen sind vor allem die Nachweise, daß die Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelationen unhintergehbar sind, sowie die Einsicht, daß Größen, die nach den Heisenberg-Relationen nicht zugleich scharf meßbar sind, einander ausschließenden Experimenten zugeordnet sind. Einsteins Gedankenexperimente und Bohrs Einsichten gehören heute zur festen Ausstattung einer Diskussion von Grundlagenfragen der Physik. Doch die Selbstverständlichkeit, mit der wir die Erkenntnisse aus der Bohr- Einstein-Debatte in jeder solchen Diskussion voraussetzen, sollte uns nicht den Blick verstellen für die Leistung der beiden Physiker, denen wir diese Klärung verdanken. Ohne diese Debatte wären die heutigen Forschungen zur Grundlegung der Quantenphysik insgesamt undenkbar. Die Quantenmechanik so habe ich am Beispiel zu illustrieren versucht stürzt nicht etwa bloß liebgewordene Denkmuster der klassischen Physik um; sie stellt eine Herausforderung dar an unsere Art, die Welt zu erklären, sie ist eine Zumutung für wissenschaftliche Rationalität insgesamt. Bohr und Einstein haben beide diese Zumutung besonders ernstgenommen; sie haben, wohl hartnäckiger als viele andere Wissenschaftler, um ein Verständnis des Unverstandenen gerungen, und haben, da ihre Ansichten von Anfang an verschieden waren, über die Quantenmechanik fast drei Jahrzehnte lang gestritten, erst in privaten Diskussionen, dann auf Kongressen, schließlich in bedeutsamen Veröffentlichungen. Wer diese Debatte zwischen Bohr und Einstein aufmerksam betrachtet, wird feststellen, daß im Laufe der Jahre immer deutlicher philosophische Überlegungen die Auseinandersetzung bestimmen. Aber diese Entwicklung darf nicht mißverstanden werden. Den beiden Physikern geht es gerade nicht darum, etwa,philosophische Konsequenzen` aus den scheinbar unauflöslichen Rätseln der Quantenmechanik zu ziehen (wie es ebenfalls heute vielerorts Mode ist). Es geht ihnen stattdessen um philosophische, genauer: erkenntnistheoretische, Reflexion, die einen Weg bahnen soll zu einem echten Verständnis der neuen Physik. 2 Ehrenfest an Einstein, 16. 9. 1925 (EAP 10 110).

Einleitung Im vorliegenden Buch versuche ich, die Bohr-Einstein-Debatte interpretierend nachzuzeichnen. Zunächst ist das Ziel dabei, die Denkentwicklung der beiden Physiker in ihrer Auseinandersetzung miteinander verständlich zu machen, die von ihnen vorgebrachten Argumente kritisch an der zu erklärenden Sache zu messen und zu bewerten. Doch es geht mir um etwas noch weiterreichendes, nämlich darum, die angesprochenen philosophischen, erkenntnistheoretischen Überlegungen aufzuspüren und systematisch fruchtbar zu machen. Dieses Vorgehen ist getragen von dem doppelten Vorurteil, daß sich einerseits die Quantenmechanik besser verstehen läßt, als wir es bisher können, und daß andererseits der Schlüssel zu diesem Verständnis sich in den genannten Überlegungen Bohrs und Einsteins verbirgt. Inwieweit diese Auffassung berechtigt ist, mag man anhand der systematischen Ansätze der beiden Schlußkapitel bewerten, welche die in den ersten fünf Kapiteln erzielten Einsichten auszunutzen suchen. 3 Eine Skizze der Debatte Noch während die Quantenmechanik in den Kinderschuhen steckte, das heißt, noch vor einer einheitlichen Fassung der Theorie, legte Niels Bohr 1927 mit einem im italienischen Como gehaltenen Vortrag eine erste Interpretation vor: die Komplementaritätsdeutung. Von Anfang an trat Bohr auf mit dem Anspruch, eine verständliche Gesamtdeutung zu präsentieren. Einsteins Denken läßt sich etwa so charakterisieren, daß, weil die Quantenmechanik unverständlich ist, sie nicht das letzte Wort zur Sache sein kann. Der Impetus Bohrs dagegen ist von Anfang an ein anderer: Weil die Quantenmechanik die Fundamentaltheorie mikroskopischer Objekte und das letzte Wort zur Sache ist, gilt es sie verständlich zu machen; und es muß auch möglich sein, dies zu erreichen. Bohrs erste Versuche sind freilich tastend und versuchen gerade aus dem an der neuen Physik Unverstandenen durch allerlei philosophische Bastelei etwas Grundsätzliches zu machen. Das ist zumal unter Physikern nie recht ernstgenommen worden, so daß Bohrs Deutung vor 1935 insgesamt in der Literatur eher unterbelichtet geblieben ist. Ganz anders dagegen der Schlüsselbegriff der Frühdeutung, die Komplementarität. Im Gegensatz zu ihrer philosophischen Unterfütterung hat die Komplementarität allgemeine Bekanntheit erreicht, weil sie einerseits als griffiges Konzept für die neuartigen Sachverhalte erscheint, und weil sie andererseits von Bohr in seine spätere, ganz anders geartete Deutung mithinübergenommen wurde. Wenige Begriffe aus dem Umkreis der modernen Naturwissenschaft haben solche andauernde Konjunktur wie dieser, doch auch mit wenigen ist so viel Schindluder getrieben worden. Bewertet wird die Komplementarität fast immer nur extrem, als allein angemessene und geniale Charakterisierung der quantenmechanischen Sachlage einerseits oder als sinnlose Worthülse zur Verkleidung von Widersprüchen andererseits. Angemessen wäre es jedoch, den Begriff als Deutungselement ernstzunehmen, ohne ihm dabei sogleich