Gibt es eine Realität ohne Beobachtung?

"Dort, wo heute unsere Kaffeeküche ist, war einmal Erwin Schrödingers Büro. Auch sein Schreibtisch stand lange hier, aber er wurde weggebracht, bevor er bei unseren Kaffeepausen beschädigt wird." So eröffnet Quantenphysiker Caslav Brukner unser Gespräch in den Räumlichkeiten der Fakultät für Physik der Uni Wien in der Boltzmanngasse 5 im 9. Bezirk. Schrödinger – zumindest seine Katze – wird darin natürlich vorkommen, aber viel wird es auch darum gehen, was sonst alles "nicht da ist, wenn man es nicht beobachtet". Es wird ein Gespräch, das erst die Existenz einer objektiven, von der Beobachtung unabhängigen Realität negiert und dann auch noch in Frage stellt, was überhaupt Beobachtung ist.

"Historisch gesehen ist die Physik doch der Versuch, die Welt in ihren realen Wirkungsweisen, unabhängig von unseren Beobachtungen zu beschreiben. Aber die Quantenphysik scheint diesen Traum platzen zu lassen", so der Professor für Quantengrundlagen und Quanteninformationstheorie. Denn in der Quantenphysik sei das einzelne Messergebnis nicht vorherbestimmbar und trittgrundsätzlich nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein: "Der Zerfall von Atomen zum Beispiel ist nur in der Sprache der Quantenphysik beschreibbar, und die ist probabilistisch – das heißt, wir sprechen immer von Wahrscheinlichkeiten", erklärt Brukner.

Jeder Versuch, hinter diesen Wahrscheinlichkeiten "verborgene Faktoren" zu finden, mittels derer eine Beobachtung deterministisch und durch lokale Bedingungen erklärt werden könnte, steht im Widerspruch zu grundlegenden physikalischen Prinzipien. Brukner erläutert: "Selbst wenn wir annehmen, dass es irgendwelche mechanistischen Ursachen hinter den Wahrscheinlichkeiten gäbe, führt das zu Theoremen, die durch Experimente widerlegt werden können. Und das deutet für mich darauf hin, dass unsere Vorstellung von Realität, wie wir sie aus dem Alltag und der klassischen Physik kennen, gelockert werden sollte." Die Realität selbst ist also grundsätzlich probabilistisch.

Es gibt also eine ganz bizarre Beziehung zwischen Beobachtung und Realität. Wir könnten nun über Schrödingers Katze sprechen, aber das heben wir uns für später auf. Hier ist jedoch die Stelle, um mit einem weitläufigen Missverständnis aufzuräumen: Ein Atom ist vor der Messung nicht sowohl bereits zerfallen als auch noch ganz. In vielen populärwissenschaftlichen Texten findet man auch die Aussage, ein Lichtteilchen könne sich an zwei Orten gleichzeitig aufhalten. Brukner klärt auf: "Das ist meiner Meinung nach eine ungenaue Formulierung, die ich immer zu vermeiden versuche." Besser sei es zu sagen, der konkrete Zustand sei "weder noch" oder "nicht definiert" – er existiert nicht. Diesen "Nicht-Zustand" nennen Quantenphysiker*innen "Superposition".

Die Quantenphysik ist voller solcher Situationen. Und obwohl die Quantenphysik für die Beschreibung von subatomaren Phänomenen entwickelt wurde, gebe es laut Brukner keinen Beweis dafür, dass sie nur in diesem Maßstab gilt. Für ihn ist die Quantenphysik die Sprache der modernen Physik: "Quantenphysiker*innen denken, die Theorie ist so universell, dass sie versuchen, alle anderen physikalischen Theorien in den Begriffen der Quantenphysik neu zu formulieren und das Ergebnis dann experimentell zu überprüfen."

Wenn die Zeit aufhört, definiert zu sein

Caslav Brukner arbeitet im Feld der "Quantengrundlagen". Dabei gehe es in erster Linie darum, die Gesetze der Quantenphysik selbst zu überprüfen. Insbesondere beschäftigen den Quantenphysiker und sein Team die fundamentalen Fragen, die bei der Verknüpfung von Quantentheorie und Gravitationstheorie auftreten. Denn ein wichtiger Teil der Gravitationstheorie ist die allgemeine Relativitätstheorie, die eine Beziehung zwischen Materie und der Geometrie von Raum und Zeit, der sogenannten "Raumzeit", herstellt. "Wenn nun aber Materie und daher die durch sie definierte Raumzeit in Superposition gebracht wird, dann sind auch insbesondere die zeitlichen Beziehungen zwischen den Ereignissen nicht definiert und können sogar zu einer sehr seltsamen Situation der Überlagerung verschiedener kausaler Ordnungen führen", beschreibt Brukner sein Forschungsinteresse. Er sucht nach einem neuen Formalismus, um solche Situationen beschreiben zu können.

Brukner tut nun, was Quantenphysiker*innen am liebsten tun, wenn sie miteinander diskutieren: Er steht auf, geht zur Tafel und skizziert die Idee des sogenannten "Quantenbezugssystems". Wenn man beispielsweise die Bewegung eines Photons nahe einer sich in Superposition befindlichen Masse beschreiben will, stößt man auf das Problem, dass die Raumzeit selbst nicht definiert ist – eine Situation, für die es bislang noch keine allgemein akzeptierte Theorie gibt. Betrachtet man das Problem aber aus der Perspektive der Masse, stellt man erstens fest, dass die Masse nun klassisch ist, also beispielsweise einen definierten Ort hat. Zweitens ist nun das Photon in Superposition – das aber sei "Lehrbuch-Quantentheorie", wie der Physiker es nennt, sei also mit bereits bestehenden Methoden relativ einfach zu lösen.

"Interessanterweise hat also die Frage, was in Superposition und was klassisch ist, keine absolute Antwort, sondern es sind relative Begriffe", sagt Brukner. "Die Hoffnung besteht darin, mit diesem Ansatz vielleicht neue physikalische Gesetze zu finden, die auch bei einem Wechsel von einem Quantenbezugssystem zum anderen die gleiche Form haben müssen."

Ein Labor im Miniformat

Als Physiker interessiert sich Brukner immer auch dafür, wie solche Gesetze getestet werden könnten. Im Fall von Gesetzen, die über verschiedene Quantenbezugssysteme Gültigkeit haben sollen, ginge das zum Beispiel mit "Laboratorien", die aus nur einem Atom oder einem Molekül bestehen. So ein kleines Teilchen kann immer noch mit seiner Umwelt interagieren – und somit eine "Beobachtung" durchführen – man kann es aber vor allem in Superposition bringen und damit Messungen in einem Quantenbezugssystem vornehmen, das von unserem verschieden ist.

Und das wirft ganz neue grundsätzliche Fragen auf. In der Quantenphysik kann man nicht gleichzeitig zwei einander ausschließende, sogenannte komplementäre Eigenschaften eines Systems messen – wie zum Beispiel den Welcher-Weg (siehe Infobox oben) und das Interferenzmuster eines Photons. Diese beiden Eigenschaften stehen in einer Superposition zueinander. Verfügt man jedoch über zwei voneinander unabhängige Laboratorien, könnten diese theoretisch getrennt voneinander jeweils eine andere Eigenschaft eines Systems in Superposition messen. Dieses Gedankenexperiment überrascht Brukner: "Denn nun ist es nicht mehr nur kontrafaktische Argumentation, ob eine Eigenschaft vor einer Messung existiert – beide werden gemessen! Zwar nicht in derselben Beobachtung, aber trotzdem scheint die Quantenmechanik zu sagen: Nein, man darf nicht annehmen, dass sie koexistieren, auch wenn sie getrennt voneinander gemessen werden."

Also ist die Quantenphysik entweder nicht auf eine solche Situation anwendbar – warum auch immer – oder es gibt physikalische Gründe, warum sich Beobachter*innen nicht in Superposition bringen lassen.

Und damit ist die Katze aus dem Sack: Schrödinger kritisierte die Idee, dass ein physikalisches System "zwei Zustände zugleich" haben könne, mit einer Katze, deren Schicksal an den Zerfall eines Atoms gebunden ist. Zerfällt das Atom, wird über einen Mechanismus eine Katze vergiftet. Da der Zustand des Atoms aber, solange er nicht gemessen wird, nicht nur unbekannt, sondern tatsächlich unentschieden – in Superposition befindlich – ist, müsste sich ja auch das Leben der Katze in Superposition befinden. Oder befindet sich die Katze aus ihrer eigenen Perspektive eindeutig in einem der beiden Zustände? Dieses Problem begründete über die vergangenen Jahrzehnte eine große Zahl an Interpretationen über die Frage, wie Beobachtung und Realität miteinander zusammenhängen. as aus den oben beschriebenen Gedankenexperimenten hervorgeht, ist, dass sich die beiden Perspektiven – die der Katze und die der äußeren Beobachter*in – nicht aus einer einheitlichen physikalischen Realität ableiten lassen.

Quanten-KIs: Beobachter*in in Superposition

Nur wenige Türen weiter ist die Arbeitsgruppe von Philip Walther, die an Technologien für Quantencomputern arbeitet. Und mit der Entwicklung von Quantencomputern – die Superpositionen als zentralen Mechanismus nutzen – steht aber auch die Möglichkeit von darauf aufbauenden Künstlichen Intelligenzen im Raum. "Eine solche Quanten-KI könnte man dann darüber befragen, wie sie den Ausgang eines von ihr selbst durchgeführten quantenphysikalischen Experimentes beschreiben würde – in Anbetracht der Tatsache, dass sie selbst eine quantenphysikalische Existenz ist", spekuliert Brukner. Und damit, hofft er, könne man dann auch die Frage klären, ob Beobachter*innen in Superposition sein können.

Was eine Beobachtung ist und wie sie mit der Realität zusammenhängt, könnte also vielleicht geklärt werden, indem wir uns von der menschlichen Perspektive lösen. "Die Quantenphysik ist eine der präzisesten Theorien, um die Realität zu beschreiben. Allerdings," so Brukner, "verstehen wir nicht ganz, was sie für unsere Vorstellung von Realität bedeutet". (ds)

Dieser Artikel erschien erstmals im Jänner 2023 und wurde aktualisiert. (Red.)

Tipp der Redaktion: Wenn Sie etwas tiefer in die Frage der “Realität” in der Quantenphysik eintauchen und erfahren möchten, wie die Philosophie dabei helfen kann, lesen Sie hier die erweiterte englische Version dieses Artikels.