Aus dem Quanta Magazine (die Originalgeschichte finden Sie hier).
„Wahnsinn ist, immer wieder das Gleiche zu tun und andere Ergebnisse zu erwarten.“
Dieser Witz – ich nenne ihn „Einstein-Wahnsinn“ – wird normalerweise Albert Einstein zugeschrieben. Auch wenn hier der Matthäus-Effekt zum Tragen kommt, handelt es sich unbestreitbar um die Art von cleveren, einprägsamen Einzeilern, die Einstein oft von sich gegeben hat. Und ich rechne ihm das gerne hoch an, weil es uns in interessante Richtungen führt.
Zunächst einmal ist zu beachten, dass das, was Einstein als Wahnsinn beschreibt, laut Quantentheorie die Art und Weise ist, wie die Welt tatsächlich funktioniert. In der Quantenmechanik kann man die gleiche Sache viele Male tun und erhält unterschiedliche Ergebnisse. Das ist in der Tat die Prämisse, die den großen Hochenergie-Teilchenbeschleunigern zugrunde liegt. In diesen Collidern stoßen die Physiker dieselben Teilchen auf genau dieselbe Weise zusammen, Billionen über Billionen Mal. Sind sie alle verrückt, dies zu tun? Anscheinend nicht, denn sie haben eine erstaunliche Vielfalt an Ergebnissen erzielt.
Natürlich glaubte Einstein nicht an die inhärente Unvorhersehbarkeit der Welt und sagte: „Gott würfelt nicht.“ Doch beim Würfeln spielen wir den Einsteinschen Wahnsinn aus: Wir tun immer wieder das Gleiche – nämlich würfeln – und erwarten korrekt unterschiedliche Ergebnisse. Ist es wirklich wahnsinnig, zu würfeln? Wenn ja, dann ist es eine sehr verbreitete Form des Wahnsinns!
Wir können der Diagnose ausweichen, indem wir argumentieren, dass man in der Praxis nie genau gleich würfelt. Sehr kleine Änderungen in den Ausgangsbedingungen können die Ergebnisse verändern. Die zugrundeliegende Idee ist, dass in Situationen, in denen wir nicht genau vorhersagen können, was als nächstes passieren wird, dies daran liegt, dass es Aspekte der aktuellen Situation gibt, die wir nicht berücksichtigt haben. Ähnliche Argumente der Unwissenheit können viele andere Anwendungen der Wahrscheinlichkeitsrechnung vor dem Vorwurf des Einsteinschen Wahnsinns verteidigen, dem sie alle ausgesetzt sind. Hätten wir vollen Zugang zur Realität, so dieses Argument, stünden die Ergebnisse unseres Handelns niemals im Zweifel.
Diese als Determinismus bekannte Doktrin wurde von dem Philosophen Baruch Spinoza, den Einstein als großen Helden betrachtete, leidenschaftlich vertreten. Aber für eine bessere Perspektive müssen wir uns noch weiter zurück in die Geschichte wagen.
Parmenides war ein einflussreicher antiker griechischer Philosoph, der von Platon bewundert wurde (der sich in seinem Dialog Der Sophist auf „Vater Parmenides“ bezieht). Parmenides vertrat die rätselhafte Ansicht, dass die Wirklichkeit unveränderlich und unteilbar ist und dass alle Bewegung eine Illusion ist. Zeno, ein Schüler von Parmenides, entwickelte vier berühmte Paradoxa, um die logischen Schwierigkeiten im Konzept der Bewegung selbst zu veranschaulichen. In moderne Begriffe übersetzt, lautet Zenos Pfeilparadoxon wie folgt:
- Wenn man weiß, wo sich ein Pfeil befindet, weiß man alles über seinen physikalischen Zustand.
- Daher hat ein (hypothetisch) bewegter Pfeil denselben physikalischen Zustand wie ein stationärer Pfeil an derselben Position.
- Der aktuelle physikalische Zustand eines Pfeils bestimmt seinen zukünftigen physikalischen Zustand. Das ist die Einsteinsche Vernunft – die Leugnung des Einsteinschen Wahnsinns.
- Daher haben ein (hypothetisch) bewegter Pfeil und ein stationärer Pfeil denselben zukünftigen physikalischen Zustand.
- Der Pfeil bewegt sich nicht.
Anhänger von Parmenides verstrickten sich in logische Knoten und mystische Schwärmereien über den ziemlich eklatanten Widerspruch zwischen Punkt fünf und der alltäglichen Erfahrung.
Die fundamentale Leistung der klassischen Mechanik ist die Feststellung, dass der erste Punkt fehlerhaft ist. In diesem Rahmen ist es fruchtbar, einen breiteren Begriff vom Charakter der physikalischen Realität zuzulassen. Um den Zustand eines Systems von Teilchen zu kennen, muss man nicht nur ihre Positionen, sondern auch ihre Geschwindigkeiten und ihre Massen kennen. Mit dieser Information bewaffnet, sagt die klassische Mechanik die zukünftige Entwicklung des Systems vollständig voraus. Die klassische Mechanik ist aufgrund ihres erweiterten Konzepts der physikalischen Realität das eigentliche Modell der Einsteinschen Vernunft.
Mit diesem Triumph im Hinterkopf, lassen Sie uns zum offensichtlichen Einsteinschen Wahnsinn der Quantenphysik zurückkehren. Könnte diese Schwierigkeit ebenfalls auf ein unzureichendes Konzept vom Zustand der Welt hinweisen?
Einstein selbst dachte so. Er glaubte, dass es verborgene Aspekte der Realität geben müsse, die in der konventionellen Formulierung der Quantentheorie noch nicht erkannt wurden und die Einsteins Vernunft wiederherstellen würden. In dieser Sichtweise geht es nicht so sehr darum, dass Gott nicht würfelt, sondern dass sich das Spiel, das er spielt, nicht grundlegend vom klassischen Würfelspiel unterscheidet. Es erscheint zufällig, aber das liegt nur an unserer Unkenntnis bestimmter „versteckter Variablen“. Grob gesagt: „Gott spielt Würfel, aber er hat das Spiel manipuliert.“
Aber während die Vorhersagen der konventionellen Quantentheorie, die frei von versteckten Variablen ist, von Triumph zu Triumph eilten, wurde der Spielraum, in dem man solche Variablen unterbringen könnte, klein und ungemütlich. 1964 identifizierte der Physiker John Bell bestimmte Einschränkungen, die für jede physikalische Theorie gelten müssen, die sowohl lokal ist – was bedeutet, dass sich physikalische Einflüsse nicht schneller als das Licht bewegen – als auch realistisch, was bedeutet, dass die physikalischen Eigenschaften eines Systems bereits vor der Messung existieren. Aber jahrzehntelange experimentelle Tests, einschließlich eines „schlupflochfreien“ Tests, der letzten Monat auf der wissenschaftlichen Preprint-Seite arxiv.org veröffentlicht wurde, zeigen, dass die Welt, in der wir leben, diese Einschränkungen umgeht.
Eigentlich beinhaltet die konventionelle Quantenmechanik selbst eine enorme Erweiterung der physikalischen Realität, die ausreichen könnte, um den Einstein-Wahnsinn zu vermeiden. Die Gleichungen der Quantendynamik erlauben es den Physikern, die zukünftigen Werte der Wellenfunktion vorherzusagen, wenn man ihren gegenwärtigen Wert annimmt. Nach der Schrödinger-Gleichung entwickelt sich die Wellenfunktion auf eine völlig vorhersagbare Weise. Aber in der Praxis haben wir nie Zugang zur vollständigen Wellenfunktion, weder in der Gegenwart noch in der Zukunft, so dass diese „Vorhersagbarkeit“ unerreichbar ist. Wenn die Wellenfunktion die ultimative Beschreibung der Realität liefert – was umstritten ist -, müssen wir schlussfolgern, dass „Gott ein tiefes, aber streng regelbasiertes Spiel spielt, das für uns wie ein Würfelspiel aussieht.“
Einsteins großer Freund und intellektueller Sparringspartner Niels Bohr hatte eine nuancierte Auffassung von Wahrheit. Während nach Bohr das Gegenteil einer einfachen Wahrheit eine Unwahrheit ist, ist das Gegenteil einer tiefen Wahrheit eine andere tiefe Wahrheit. In diesem Sinne wollen wir das Konzept einer tiefen Unwahrheit einführen, deren Gegenteil ebenfalls eine tiefe Unwahrheit ist. Es scheint passend, diesen Essay mit einem Epigramm abzuschließen, das zusammen mit dem, mit dem wir begonnen haben, ein schönes Beispiel liefert:
„Naivität ist, immer wieder das Gleiche zu tun und immer das gleiche Ergebnis zu erwarten.“
Frank Wilczek wurde 2004 mit dem Nobelpreis für Physik für seine Arbeit zur Theorie der starken Kraft ausgezeichnet. Sein neuestes Buch ist A Beautiful Question: Finding Nature’s Deep Design. Wilczek ist Herman-Feshbach-Professor für Physik am Massachusetts Institute of Technology.
Der Abdruck erfolgt mit Genehmigung des Quanta Magazine, einer redaktionell unabhängigen Publikation der Simons Foundation, deren Ziel es ist, das Verständnis der Öffentlichkeit für die Wissenschaft zu verbessern, indem sie über Forschungsentwicklungen und -trends in der Mathematik und den physikalischen und Lebenswissenschaften berichtet.