Schrödinger's unpublished hidden-variable model in the 1944-45 debate over the "Collapse of Determinism"

Die meiste Zeit der Menschheitsgeschichte wurde das Universum als ein riesartiges, perfektes Uhrwerk vorgestellt. Wenn man die exakte Position und Geschwindigkeit jedes Zahnrads und jeder Feder gekannt hätte, hätte man die Zukunft mit absoluter Gewissheit vorhersagen können. Diese Idee, bekannt als Determinismus, legte nahe, dass Zufälligkeit lediglich ein Zeichen dafür war, dass uns einfach nicht genügend Informationen zur Verfügung standen. Wenn wir jedes winzige Detail eines Münzwurfs – die Kraft des Daumens, den Luftwiderstand, die Rotation – sähen, wüssten wir genau, ob die Münze auf Kopf oder Zahl landen würde. Die Münze selbst würde einer strengen, unbrechbaren Regel folgen.

Diese komfortable Sicht auf die Realität wurde im frühen zwanzigsten Jahrhundert durch die Entdeckung der Quantenmechanik erschüttert, der Physik des sehr Kleinen. In dieser seltsamen neuen Welt schien die Natur nach reinem Zufall zu operieren. Wenn ein Wissenschaftler ein Teilchen misst, sagt die Theorie nur die Wahrscheinlichkeiten verschiedener Ergebnisse voraus, nicht das Ergebnis selbst. Jahrzehntelang glaubten viele Physiker, dass diese Zufälligkeit fundamental sei, was bedeutete, dass das Universum kein Uhrwerk war, sondern ein Ort, an dem Ereignisse wahrhaftig ohne eine Ursache geschehen. Einige Denker fragten sich jedoch, ob dieser Zufall wie der Münzwurf war: ein Zeichen dafür, dass die Theorie unvollständig war und dass verborgene, unsichtbare Faktoren die Teilchen tatsächlich leiteten. Ein berühmter Mathematiker behauptete einst, bewiesen zu haben, dass solche verborgenen Faktoren unmöglich seien, und brachte die Debatte für eine Zeit zum Schweigen. Doch Mitte der 1940er Jahre flamhte die Frage plötzlich wieder auf und führte zu einem vergessenen Kapitel der Wissenschaftsgeschichte, in dem einer der Gründer des Fachgebiets im Stillen bewies, dass die Tür zum Determinismus niemals wirklich verschlossen war.

In der Mitte der 1940er Jahre entbrannte in den Seiten der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Nature eine lebhafte Debatte. Zwei prominente Sprecher hatten kürzlich argumentiert, dass die Quantenmechanik die alte Vorstellung eines vorhersagbaren Universums endgültig widerlegt habe. Sie behaupteten, dass das seltsame Verhalten von Licht und Atomen nicht durch irgendwelche verborgenen Regeln oder geheime Variablen erklärt werden könne. Einer dieser Sprecher, ein britischer Physiker namens Edmund Taylor Whittaker, formulierte eine spezifische Herausforderung. Er argumentierte, dass die Mathematik nicht funktionieren würde, wenn man versuchen würde zu erklären, warum Licht unter bestimmten Winkeln durch einen Filter tritt, indem man verborgene Variablen heranzieht. Er deutete an, dass ein Teilchen nicht über genügend Information verfügen könne, um sein Schicksal in jeder möglichen Situation zu entscheiden. Dieses Argument, das auf einer einfachen Logik über das Verhalten von Licht beruhte, überzeugte viele davon, dass die Suche nach einer verborgenen, deterministischen Erklärung beendet sei.

Hier tritt Erwin Schrödinger auf den Plan, einer der Gründerväter der Quantenmechanik. Während die öffentliche Debatte tobte, arbeitete Schrödinger im Stillen an einer Antwort. Er verfasste ein handgeschriebenes Manuskript, das bis heute unveröffentlicht und unbekannt geblieben ist, in dem er direkt auf Whittakers Herausforderung einging. In diesem Dokument vollbrachte Schrödinger etwas Bemerkenswertes: Er konstruierte ein funktionierendes Modell, das zeigte, dass verborgene Variablen tatsächlich möglich waren. Er demonstrierte, dass man die seltsamen statistischen Muster der Quantenmechanik perfekt reproduzieren kann, wenn man sich vorstellt, dass ein Photon einen kontinuierlichen Strom an verborgener Information trägt, statt nur eines einfachen Ja-oder-Nein-Schalters. Er zeigte, dass das Argument gegen verborgene Variablen fehlerhaft war, weil es annahm, dass die verborgene Information zu simpel sei, um die Komplexität des Experiments zu bewältigen.

Schrödingers Modell war eine kluge Konstruktion. Er stellte sich vor, dass jedes Photon eine verborgene Zahl trug, wie einen geheimen Code, der bestimmte, ob es durch einen Filter passieren oder blockiert werden würde. Entscheidend war, dass diese Zahl keine binäre Wahl war, sondern ein Wert, der sich reibungslos ändern konnte. Schrödinger zeigte, dass sich diese verborgene Zahl, wenn ein Photon durch einen Filter passierte, auf eine spezifische, regelbasierte Weise aktualisieren würde, wodurch sichergestellt wurde, dass das Photon beim nächsten Mal, wenn es auf einen Filter traf, sich genau so verhielt, wie die Quantenmechanik es vorhersagte. Durch dies bewies er, dass man das „zufällige“ Verhalten von Licht mithilfe strenger, deterministischer Regeln erklären konnte. Die scheinbare Zufälligkeit war keine Eigenschaft des Universums selbst, sondern das Resultat unserer Unfähigkeit, diese verborgenen Zahlen zu sehen.

Der überraschendste Teil von Schrödingers Entdeckung ist jedoch nicht das Modell selbst, sondern dessen Bedeutung für seine eigenen Überzeugungen. Man könnte annehmen, dass Schrödinger mit dem Bau eines deterministischen Modells versuchte, die Idee eines Uhrwerk-Universums zu retten. Das Papier offenbart jedoch, dass dies keineswegs der Fall war. Schrödinger war lange Zeit ein Kritiker des Determinismus gewesen und glaubte, dass die Natur fundamental statistisch und unvorhersehbar sei. Er betrachtete sein neues Modell nicht als ein Bekenntnis zum Glauben an ein vorhersagbares Universum, sondern als einen „Proof of Principle“ (Prinzipbeweis). Er sagte seinen Kritikern im Wesentlichen: „Ihr behauptet, es sei logisch unmöglich, die Quantenmechanik mit verborgenen Variablen zu erklären. Ich habe euch gerade gezeigt, dass es möglich ist. Daher ist eure Behauptung der Unmöglichkeit falsch.“ Er argumentierte nicht, dass das Universum deterministisch ist, sondern nur, dass es das sein könnte und dass kein mathematischer Beweis erfolgreich ausgeschlossen hatte, dass dies der Fall ist.

Das Manuskript hebt auch eine breitere Lektion darüber hervor, wie die Wissenschaft mit Ideen der Unmöglichkeit umgeht. Schrödinger merkte an, dass selbst die strengsten mathematischen Argumente, wie jenes, das die Debatte für ein Jahrzehnt verstummen ließ, durch die Art und Weise, wie das Problem gerahmt war, begrenzt sein könnten. Er argumentierte, dass experimentelle Belege und Logik niemals definitiv beweisen könnten, dass eine deterministische Sichtweise unmöglich sei; sie könnten nur zeigen, dass sie unbequem war oder zusätzliche Annahmen erforderte. Seine Arbeit diente als Erinnerung daran, dass in der Wissenschaft das Erklären von etwas als unmöglich eine sehr hohe Hürde darstellt.

Diese vergessene Debatte verblasste schließlich, teilweise weil Schrödinger seine Ergebnisse nie veröffentlichte. Er könnte erkannt haben, dass ein anderer Physiker bereits eine ähnliche, wenn auch weniger detaillierte Lösung veröffentlicht hatte, oder vielleicht hatte er das Gefühl, dass sein philosophischer Punkt gemacht worden war, ohne eine formale Publikation zu benötigen. Es dauerte mehrere Jahre und die Arbeit anderer Wissenschaftler, bis die Idee der verborgenen Variablen mit voller Wucht in den Mainstream zurückkehrte. Heute wissen wir, dass lokale verborgene Variablen zwar nicht alle Quantenphänomene erklären können, aber die Geschichte von Schrödingers Manuskript aus den Jahren 1944–45 bleibt ein faszinierender Einblick in einen Moment, in dem die Giganten der Physik noch mit der eigentlichen Natur der Realität rangen. Es zeigt, dass selbst die skeptischsten Geister bereit waren, die Grenzen dessen zu testen, was als unmöglich galt – nicht um ihre Meinung zu ändern, sondern um sicherzustellen, dass die Regeln des Spiels wirklich verstanden wurden.