What is Physics For? Why Classical Physics is not the Limit of Quantum Mechanics

Seit über einem Jahrhundert ist die erfolgreichste Theorie in der Geschichte der Wissenschaft die Quantenmechanik. Sie ist das Regelwerk, das das Verhalten der kleinsten Dinge im Universum regelt, von Atomen bis hin zu dem Licht, das sie aussenden. Sie sagt experimentelle Ergebnisse mit einer solchen Präzision voraus, dass sie oft als die genaueste jemals geschaffene Theorie bezeichnet wird. Doch trotz dieses Triumphs können sich Wissenschaftler immer noch nicht darüber einig werden, was die Theorie eigentlich bedeutet. Die Mathematik funktioniert perfekt, aber die Geschichte, die sie über die Realität erzählt, bleibt Gegenstand heftiger Debatten. Im Zentrum dieser Verwirrung steht eine einfache Frage: Wie verbindet sich die seltsame, unscharfe Welt des sehr Kleinen mit der soliden, vorhersehbaren Welt, die wir um uns herum sehen? Die Standardantwort lautete lange Zeit, dass unsere alltägliche Welt einfach ein Spezialfall der Quantenwelt ist, eine Version, die erscheint, wenn die Dinge groß genug werden. Diese Idee legt nahe, dass die klassische Physik, die Wissenschaft der alltäglichen Objekte, nur ein Grenzfall der Quantenmechanik ist, ähnlich wie eine flache Karte eine vereinfachte Version eines gekrümmten Globus ist.

Ein neues Paper stellt diese komfortable Annahme infrage. Ein Team aus Physikern und Philosophen argumentiert, dass die tiefen Rätsel, vor denen wir in der Quantenmechanik stehen, nicht durch die Theorie selbst entstanden sind. Stattdessen schlagen sie vor, dass diese Rätsel die ganze Zeit über in der klassischen Physik in aller Offensichtlichkeit verborgen lagen. Die Autoren bringen vor, dass die Schwierigkeit, die Quantenmechanik zu verstehen, nicht darin besteht, dass sie die Regeln der alten Welt bricht, sondern dass sie uns zwingt, Annahmen zu konfrontieren, die wir über die alte Welt getroffen haben, ohne es jemals zu merken. Sie argumentieren, dass die Vorstellung einer völlig separaten, objektiven Realität, die unabhängig von jemandem existiert, der auf sie blickt, eine philosophische Entscheidung ist und keine wissenschaftliche Tatsache. Durch die Untersuchung der Geschichte der Physik und der Natur der Messung zeigen die Forscher, dass die Kluft zwischen dem Beobachter und dem Beobachteten immer ein blinder Fleck war, und die Quantenmechanik machte diesen blinden Fleck lediglich unmöglich zu ignorieren.

Das Paper beginnt mit der Betrachtung dessen, wie Wissenschaftler üblicherweise über die Beziehung zwischen verschiedenen Theorien denken. In vielen Bereichen der Physik enthält eine neuere, komplexere Theorie eine ältere als einen Spezialfall. Beispielsweise beinhaltet die Theorie der Relativität, die sich mit sehr hohen Geschwindigkeiten befasst, die älteren Bewegungsgesetze als Grenzwert für langsame Geschwindigkeiten. Es ist natürlich anzunehmen, dass dasselbe auch für die Quantenmechanik gilt: dass die klassische Welt der festen Objekte nur das ist, was passiert, wenn Quanteneffekte zu klein werden, um bemerkt zu werden. Die Autoren erkennen an, dass diese Sichtweise in vielen praktischen Situationen nützlich ist. Sie weisen jedoch darauf hin, dass es im Gegensatz zu anderen Beispielen keine einzelne, universelle Methode gibt, um die Quantenmechanik in die klassische Physik zu überführen. Wichtiger noch: Sie argumentieren, dass das Problem nicht nur mathematischer Natur ist; es geht darum, wie wir interpretieren, was uns die Theorien über die Realität sagen.

In der klassischen Physik war es schon immer leicht, sich die Welt so vorzustellen, wie sie ist. Wir nehmen an, dass ein Stein eine bestimmte Position und Geschwindigkeit hat, egal ob wir ihn ansehen oder nicht. Wir nehmen an, dass der Beobachter vom beobachteten Objekt getrennt ist, wie ein Mensch, der ein Auto vorbeifahren sieht. Das Paper argumentiert, dass diese Trennung eine Illusion ist. Die Autoren führen diese Idee auf den Philosophen Immanuel Kant zurück, der darauf hinwies, dass wir die Welt niemals exakt so kennen können, wie sie an sich ist, unabhängig von unserem Geist. Wir kennen die Welt nur so, wie sie uns durch unsere Sinne und unsere Untersuchungsmethoden erscheint. In der klassischen Physik wurde dieses philosophische Problem weitgehend ignoriert, weil die Technologie der damaligen Zeit es Wissenschaftlern ermöglichte, vorzugeben, dass ihre Messungen die Objekte, die sie untersuchten, nicht störten. Sie konnten so handeln, als würden sie die Welt aus einer „Perspektive von nirgendwo“ sehen, einer perfekten, objektiven Perspektive, die niemandem Besonderen gehörte.

Die Quantenmechanik zertrümmerte diese Illusion. In der Quantenwelt verändert der Akt der Messung etwas. Man kann die Position eines Teilchens nicht messen, ohne seine Geschwindigkeit zu beeinflussen, und man kann ein System nicht beobachten, ohne mit ihm zu interagieren. Das Paper hebt hervor, dass dies kein technischer Fehler oder eine Einschränkung unserer Instrumente ist; es ist ein fundamentales Merkmal der Natur. Die Forscher argumentieren, dass dies nicht bedeutet, dass die Quantenwelt magisch oder die klassische Physik falsch ist. Stattdessen bedeutet es, dass die klassische Idee einer Realität, die völlig getrennt von uns existiert, nie so solide war, wie wir dachten. Der „blinde Fleck“ der Objektivität war schon immer da; wir haben ihn nur nicht gesehen, bis die Quantenwelt uns zwang, hinzusehen.

Die Autoren untersuchen zwei Hauptideen, um diese Sichtweise zu stützen. Die erste ist die Spaltung zwischen dem Subjekt (dem Beobachter) und dem Objekt (dem beobachteten Ding). In der klassischen Physik nehmen wir an, dass ein Objekt mit seinen eigenen Eigenschaften existiert, bevor wir es messen. In der Quantenphysik existieren die Eigenschaften eines Systems oft nicht in einem definiten Zustand, bis eine Messung stattfindet. Das Paper legt nahe, dass dies keine neue Entdeckung ist, sondern eine Klärung einer alten Wahrheit. Selbst in der klassischen Physik sind die Eigenschaften, die wir messen, das Ergebnis der Interaktion zwischen dem Objekt und dem Beobachter. Wir dachten früher nur, wir könnten den Beitrag des Beobachters abziehen und das „reine“ Objekt erhalten. Die Quantenmechanik zeigt uns, dass wir das nicht können. Der Beobachter ist Teil des Systems, und die Realität, die wir beschreiben, wird durch die Interaktion mitgeschaffen.

Die zweite Idee betrifft die Art und Weise, wie wir die Welt repräsentieren. Wir denken oft, dass wissenschaftliche Modelle Bilder oder Karten sind, die die Realität widerspiegeln. Wir stellen uns vor, dass eine Theorie ein getreues Abbild der Welt ist, wie eine Fotografie. Das Paper argumentt, dass dies ein Missverständnis ist. Wissenschaftliche Modelle sind keine Spiegel; sie sind Werkzeuge. Sie sind darauf ausgelegt, uns zu helfen, Vorhersagen zu treffen und die Welt zu navigieren, nicht um eine perfekte Momentaufnahme der Realität in ihrer Isolation zu liefern. Die Autoren weisen darauf hin, dass selbst in der klassischen Physik die mathematischen Werkzeuge, die wir verwenden, abstrakt sind und nicht wie die Dinge aussehen, die sie beschreiben. Zum Beispiel bedeutet die Art und Weise, wie wir die Bewegung eines Planeten mithilfe komplexer mathematischer Räume beschreiben, nicht, dass der Planet tatsächlich durch diese unsichtbaren Räume bewegt. Das Modell ist eine Art, unsere Erfahrung zu organisieren, nicht ein direktes Fenster in eine verborgene Realität.

Um zu illustrieren, wie dieser Denkprozess funktioniert, betrachtet das Paper zwei spezifische Interpretationen der Quantenmechanik, die diese Ideen aufgreifen. Das eine ist die Arbeit von Fritz London und Edmond Bauer aus dem Jahr 1939, die einen Zweig der Philosophie namens Phänomenologie verwendeten, um zu argumentieren, dass Beobachter und Beobachtetes untrennbar sind. Sie schlugen vor, dass das Quantenformalismus bereits eine Theorie darüber enthält, wie wir uns auf die Welt beziehen – eine Theorie, die die Idee einer losgelösten, objektiven Realität ablehnt. Das andere Beispiel ist eine moderne Interpretation namens QBism. Diese Sichtweise behandelt die Quantenmechanik nicht als Beschreibung einer externen Welt, sondern als ein Werkzeug für einen Akteur, um seine Erwartungen darüber zu verwalten, was er erleben wird. In dieser Sichtweise ist die „Realität“ eines Quantenzustands nicht etwas, das da draußen auf Entdeckung wartet; sie ist ein Leitfaden für Handlungen, der spezifisch für die Person ist, die ihn nutzt. Beide Ansätze lehnen die Idee ab, dass die klassische Physik nur ein Grenzfall der Quantenmechanik ist. Stattdessen schlagen sie vor, dass die Quantenmechanik uns dazu einlädt, unser Verständnis dessen zu revidieren, was die klassische Physik eigentlich zu sagen versuchte.

Das Paper zieht zudem eine Parallele zum Feld der Metrologie, der Messtechnik. Lange Zeit glaubten Metrologen, dass jede Messung der Versuch sei, einen einzigen, verborgenen „wahren Wert“ zu finden, der unabhängig vom Messprozess existiert. Sie dachten, wenn sie ihre Fehler nur weit genug reduzieren könnten, würden sie diesen perfekten Wert finden. In den letzten Jahrzehnten hat sich diese Sichtweise jedoch geändert. Die moderne Metrologie behandelt Messergebnisse nun als Wahrscheinlichkeitsverteilungen, die unser bestes Wissen angesichts der verfügbaren Informationen widerspiegeln. Der „wahre Wert“ wird nicht länger als ein verborgener Schatz gesehen, den man ausgraben muss, sondern als ein Konzept, das uns hilft, unsere Daten zu organisieren. Die Autoren argumentieren, dass dieser Wandel in der Metrologie geschah, ohne dass die Quantenmechanik dabei half, was beweist, dass die philosophischen Probleme der Objektivität und Repräsentation bereits in der klassischen Wissenschaft präsent waren. Die Quantenmechanik brachte diese Themen lediglich an die Oberfläche.

Letztendlich kommt das Paper zu dem Schluss, dass die Spannung zwischen klassischer und Quantenphysik kein Zeichen dafür ist, dass die Quantenwelt fehlerhaft oder die klassische Physik veraltet ist. Es ist ein Zeichen dafür, dass unsere philosophischen Annahmen darüber, wie Wissenschaft funktioniert, aktualisiert werden müssen. Die Autoren argumentieren, dass wir aufhören sollten, die Quantenmechanik in die alte Box einer losgelösten, objektiven Realität zu pressen. Stattdessen sollten wir akzeptieren, dass unser Wissen über die Welt immer eine Partnerschaft zwischen dem Beobachter und dem Beobachteten ist. Dies bedeutet nicht, dass die Wissenschaft subjektiv ist oder dass die Realität erdacht ist. Es bedeutet, dass die Realität, die wir kennen können, diejenige ist, die aus unserer Interaktion mit der Welt hervorgeht. Indem wir die Idee einer „Perspektive von nirgendwo“ loslassen, können wir sehen, dass die Quantenmechanik nicht mit der klassischen Physik bricht; sie offenbart die verborgenen Tiefen der klassischen Welt, die schon immer da waren und darauf warteten, verstanden zu werden.

Die Implikationen dieser Sichtweise reichen über das Labor hinaus. Das Paper legt nahe, dass das Festhalten an der Idee einer losgelösten, objektiven Realität zu einer Entfremdung zwischen der wissenschaftlichen Welt und der menschlichen Erfahrung führen kann. Wenn wir unsere wissenschaftlichen Modelle als perfekte Spiegel einer Realität behandeln, die unabhängig von uns existiert, riskieren wir zu vergessen, dass diese Modelle von Menschen für menschliche Zwecke geschaffen wurden. Wir riskieren, eine Welt aus abstrakten Gleichungen zu erschaffen, die sich fremd und irrelevant für das tatsächliche Leben anfühlt. Indem wir erkennen, dass unser Wissen immer situiert ist und dass der Beobachter Teil der Geschichte ist, können wir die Lücke zwischen der Welt der Wissenschaft und der Welt der menschlichen Erfahrung schließen. Das Paper bietet keine neue physikalische Theorie oder einen neuen Satz von Gleichungen an. Stattdessen bietet es eine neue Art des Denkens über die Theorien an, die wir bereits haben. Es legt nahe, dass das Mysterium der Quantenmechanik kein Rätsel ist, das durch das Finden eines verborgenen Mechanismus gelöst werden muss, sondern ein Aufruf, die sehr Fundamente dessen, wie wir die Realität verstehen, zu untersuchen.