{"id":19338,"date":"2010-05-20T08:00:10","date_gmt":"2010-05-20T06:00:10","guid":{"rendered":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2010\/05\/20\/beeinflusst-die-vergangenheit-die-zukunft-zeit-und-quantenmechanik\/"},"modified":"2025-05-14T16:04:48","modified_gmt":"2025-05-14T14:04:48","slug":"beeinflusst-die-vergangenheit-die-zukunft-zeit-und-quantenmechanik","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2010\/05\/20\/beeinflusst-die-vergangenheit-die-zukunft-zeit-und-quantenmechanik\/","title":{"rendered":"Beeinflusst die Vergangenheit die Zukunft? Zeit und Quantenmechanik"},"content":{"rendered":"

\n\"i-5f2605422f11efc193cddd477d9e9ee5-greenekosmos-thumb-50x73.jpg\"<\/a><\/form>\n

Das hier ist die Rezension eines
\nKapitels von „Der Stoff aus dem der Kosmos
\nist<\/a>“ von Brian Greene<\/em>. Links zu den Rezensionen der anderen Kapitel kann man hier<\/a> finden.<\/p>\n

\n

<\/em>
\n<\/p>\n

Das letzte Kapitel<\/a> war ja schon etwas komplex. Wenn wir den Zeitpfeil erkl\u00e4ren wollen, also die Tatsache, dass die Zeit eine klare Richtung zu haben scheint, dann m\u00fcssen wir entweder davon ausgehen, dass unsere Wirklichkeit nur eine Simulation; eine statistische Fluktuation im Zustand des Universums ist. Oder aber wir m\u00fcssen postulieren, dass unser Universum nach dem Urknall in einem extrem geeordneten Zustand begonnen hat. Und bevor Greene diese M\u00f6glichkeit n\u00e4her untersucht um herauszufinden, wieso das so gewesen sein sollte, betrachtet er erstmal, was die Quantenmechanik zum Zeitpfeil zu sagen hat. Vielleicht kann die ja eine vern\u00fcnftige Erkl\u00e4rung liefern und wir k\u00f6nnen das Postulat mit dem geordneten Urknall fallen lassen. <\/p>\n

<\/p>\n

Schon wieder: der Doppelspalt!<\/b><\/font><\/p>\n

Aber in der Quantenmechanik wird – \u00dcberraschung! – erstmal alles etwas verwirrend \ud83d\ude09 Das f\u00e4ngt schonmal damit an, dass der Begriff „Vergangenheit“ hier nicht wirklich mit dem \u00fcbereinstimmt, was wir normalerweise darunter verstehen. Die Quantenmechanik hat uns ja ein ein v\u00f6llig anderes Bild von dem gegeben, was wir normalerweise als „Elementarteilchen“ kennen. Denn hier sind die „Teilchen“ keine punktf\u00f6rmigen Etwase mehr wie in der klassischen Physik sondern durch ihre Wahrscheinlichkeitswellen<\/i> charakterisiert. In gewissen Sinne sind<\/i> die Teilchen Wahrscheinlichkeitswellen. Wie der Name schon sagt geben diese Wellen die Wahrscheinlichkeit an, ein Teilchen an einem gewissen Ort zu finden. Und solange man nicht konkret nachmisst, kann man einfach nicht genau sagen, wo das Teilchen ist. Erst der Me\u00dfakt l\u00e4sst die Wellenfunktion kollabieren und das Teilchen hat nun einen konkreten Ort. Wenn wir also jetzt<\/i> wissen, wo ein Teilchen ist, dann k\u00f6nnen wir nicht wirklich sagen, wo es in der Vergangenheit war. <\/p>\n

Das l\u00e4sst sich besonders sch\u00f6n mit dem klassischen Doppelsspaltexperiment verdeutlichen. Der Augabe ist simpel. Von einer Lichtquelle aus werden zwei Spalten angestrahlt und ein Schirm dahinter zeigt an, was von der Lichtquelle durchkommt. <\/p>\n\"i-3d46afa074749ccffe7dd4d458d01930-1000px-Doubleslitexperiment.svg-thumb-500x495.png\"<\/a><\/form>\n

Bild: Koantum, Trutz Behn (GFDL 1.2)<\/a><\/small><\/em><\/div>\n

Wenn das Licht aus Teilchen besteht, dann sollte man erwarten, dass sich hinter den Spalten, dort wo die Teilchen durchkommen, ein Maximum an Licht am Schirm findet und links und rechts davon immer weniger. Wenn das Licht allerdings aus Wellen besteht, dann kommt die Welle durch beide Spalten, es kommt zur Interferenz<\/i>, d.h. an manchen Stellen l\u00f6schen sich die Wellen aus; an manchen verst\u00e4rken sie sich und man sollte ein Interferenzmuster aus dunklen und hellen Streifen sehen.
\nDas sieht man auch, wenn man Licht durch die Spalten schickt. Aber – und das ist das spannende – man sieht es auch, wenn man z.B. Elektronen durch die Spalten schickt, die ja eigentlich „Teilchen“ sind. Und, was noch seltsamer ist, selbst wenn man immer nur ein einzelnes Elektron nach dem anderen durch die Spalten schickt erh\u00e4lt man ein Interferenzmuster. Die Elektronen verhalten sich also nicht nur wie eine Welle – sie wechselwirken auch scheinbar mit sich selbst. Das Elektron geht gewisserma\u00dfen gleichzeitig durch beide Spalten<\/i> hindurch.<\/p>\n

Allerdings nur, wenn man nicht nachsieht, durch welchen Spalt die Elektronen tats\u00e4chlich gegangen sind. Man kann ja probieren, schlau zu sein, und an jedem Spalt ein Me\u00dfger\u00e4t installieren, das nachsieht, ob da gerade ein Elektron durchgeht oder nicht. Macht man das, dann sieht man, dass das Elektron immer nur durch einen Spalt hindurch geht. Und das Interferenzmuster verschwindet! Je nachdem, wie wir das Elektron beobachten scheint es mal eine Welle zu sein, mal ein Teilchen.<\/p>\n

Und die Sache mit den Wahrscheinlichkeitswellen wird noch komplexer. Richard Feynman<\/i> hat gezeigt, dass man f\u00fcr eine korrekte Beschreibung eines Teilchens immer alle M\u00f6glichkeiten ber\u00fccksichten muss. Ein Teilchen hat normalerweise viele verschiedene M\u00f6glichkeiten um von A nach B zu kommen und wird diese M\u00f6glichkeiten mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten realisieren. Aber wenn man wissen will, was das Teilchen treibt, muss man all diese M\u00f6glichkeiten ber\u00fccksichtigen.<\/p>\n

„In Feynmans Formulierung repr\u00e4sentiert die beobachtete Gegenwart eine Mischung – eine besondere Form des Durchschnitts – aller denkbarer Vergangenheiten, die kompatibel sind mit dem, was wie jetzt sehen.“<\/i><\/p><\/blockquote>\n

schreibt Greene. Die<\/i> Vergangenheit gibt es in der Quantenmechanik also nicht. Wenn wir ein Teilchen nun also beobachten, zum Beispiel in dem wir Detektoren in die Spalten einbauen, dann w\u00e4hlen wir quasi bestimmte M\u00f6glichkeiten aus der Vergangenheit aus:<\/p>\n

„Ihre neue Beobachtung w\u00e4hlt genau jene Geschichten aus, die dem, was Ihre neue Beobachtung offen gelegt hat, vorausgehen h\u00e4tten k\u00f6nnen. Da diese Beobachtung bestimmt, welche Bahn das Photon genommen hat, ber\u00fccksichtigen wir nur jene Geschichten, die sich auf dieser Bahn bewegen, womit die M\u00f6glichkeit einer Interferenz ausgeschlossen wird.“<\/i><\/p><\/blockquote>\n

Experimente mit dem Doppelspalt wurden in den letzten Jahrzehnten oft genug durchgef\u00fchrt; mit und ohne Detektoren in den Spalten. Und alle Ergebnisse best\u00e4tigen diese Theorie. Einige Experimente sind aber besonders interessant und legen verbl\u00fcffende Eigenschaften des Zeitbegriffs in der Quantenmechanik offen. Eines davon nennt sich „Delayed-Choice-Experiment“ und untersucht die etwas seltsam klingende Frage ob die Vergangenheit von der Zukunft abh\u00e4ngt. <\/p>\n

Die Vorahnung der Photonen<\/b><\/font><\/p>\n

Der Aufbau ist wieder einfach. Wir haben eine Lichtquelle, deren Licht durch einen Strahlenteiler geschickt wird. Beide Strahlen werden \u00fcber einen Spiegel umgelenkt und auf einem Schirm wieder zusammengef\u00fchrt. Dabei wird der eine Weg etwas l\u00e4nger gemacht als der andere sodass die Lichtteilchen interferieren k\u00f6nnen und ein Interferenzmuster bilden. Man kann die Lichtquelle wieder so einstellen dass nur jeweils ein Photon nach dem anderen abgeschickt wird. Die Quantenmechanik sagt nun, dass auch dieses einzelnen Photon – bzw. die Wahrscheinlichkeitswelle – beide Wege<\/i> geht und deswegen am Ende ein Interferenzmuster zu sehen ist. Genau das beobachtet man auch. Installiert man an den Spiegeln Detektoren, die nachsehen, welchen Weg das Photon genommen hat, dann verschwindet das Interferenzmuster. Das alles wurde experimentell nachgewiesen. John Archibald Wheeler<\/a>, der gro\u00dfe amerikanische Astronom, hat eine interessante Variation dieses Experiments vorgeschlagen: Was passiert eigentlich, wenn man die Detektoren hinter<\/i> den Spiegeln installiert?<\/p>\n

Da kommt dann also das Photon, und weil wir ja nicht auf die Spiegel schauen, nimmt es beide Wege. Unsere Detektoren, die erst dann messen, wenn das Photon die Spiegel schon l\u00e4ngst passiert hat, m\u00fcssten dann also eigentlich auch messen, dass es an beiden Spiegeln vorbeigekommen ist. Ja – sollte man meinen. Das passiert aber nicht. Wenn man diese Messung so durchf\u00fchrt, dann zeigt sich kein Interferenzmuster! Das Photon scheint also irgendwie zu „wissen“, dass da eine Messung kommt und es nur einen Weg nehmen darf. Bzw. scheint die Messung zu beeinflussen, was davor<\/i> passiert ist. <\/p>\n

Wheeler hat noch eine weitere Steigerung des Experiments vorgeschlagen. Anstatt eines Doppelspalts k\u00f6nnte man theoretisch auch eine Gravitationslinse<\/a> nehmen. Die allgemeine Relativit\u00e4tstheorie sagt ja, dass Masse den Raum kr\u00fcmmt und so ein Stern oder eine Galaxie quasi als Linse fungieren kann und das Licht so wie einen Spiegel umleitet. Wir k\u00f6nnen uns also Licht vorstellen, dass von einem Milliarden Lichtjahre weit entfernten Quasar ausgesendet wird. Unterwegs passiert es eine Gravitationslinse und wir links und rechts vorbeigelenkt. Erst auf der Erde stellen wir dann Detektoren auf die messen, ob das Photon nun tats\u00e4chlich links oder rechts vorbei ging. Und – auch wenn das Experiment noch nie durchgef\u00fchrt wurde – es ist klar, was wir sehen werden: Schalten wir die Detektoren aus, werden die Photonen des Quasars ein Interferenzmuster erzeugen; wir schlie\u00dfen daraus, dass sie gleichzeitig links und rechts um die Linse herumgegangen sind und interferiert haben. Schalten wir sie ein, verschwindet das Muster und wir messen, dass die Photonen entweder links oder rechts herumgegangen sind. Und das, obwohl die Photonen schon vor Milliarden Jahren ausgesandt wurden und die Linse passiert haben. Noch bevor die Erde entstand, haben die Photonen also quasi „gewusst“, ob wir am Ende ihres Weges einen Detektor aufstellen oder nicht.<\/p>\n

Das widerspricht nat\u00fcrlich unserer Erfahrung. F\u00fcr ein Photon das vor Milliarden Jahren ausgesandt wurde kann es nicht wirklich einen Unterschied machen, ob wir heute<\/i> einen Schalter an einem Me\u00dfger\u00e4t umlegen oder nicht. Greene schreibt:<\/p>\n

„Die Quantenmechanik stellt nicht in Abrede, dass die Vergangenheit geschehen ist, und zwar unwiderruflich. Der Konflikt erw\u00e4chst einfach daraus, dass der Begriff der Vergangenheit in der Quantenmechanik eine andere Bedeutung hat als in der klassischen Vorstellung. In der klassischen Vorstellung aufgewachsen, sind wir versucht zu sagen, ein Photon habe dieses oder jenes getan. In der Quantenwelt, unserer Welt, verleiht diese Auffassung dem Photon jedoch eine zu eingeschr\u00e4nkte Wirklichkeit.“<\/i><\/p><\/blockquote>\n

Und er sagt weiter:<\/p>\n

„Obwohl also die Quantenentwicklung von der Vergangenheit bis jetzt durch nichts beeinflusst wird, was wir jetzt tun, kann die Geschichte die wir \u00fcber die Vergangenheit erz\u00e4hlen, insofern doch die Spur heutiger Handlungen in sich tragen.“<\/i><\/p><\/blockquote>\n

Greene beschreibt noch zwei weitere Experimente: den Quantenradierer<\/a> und den Delayed-Choice Quantenradierer<\/a>. Beide sind \u00e4u\u00dferst spannend – aber wenn ich sie hier auch noch ausf\u00fchrlich vorstellen w\u00fcrde, dann w\u00fcrde der Artikel hier viel zu lang werden. Besorgt euch das Buch<\/a> und lest es selbst nach – es lohnt sich! <\/p>\n\"i-e6725c844a16ec2cafa49f479eae9055-1000px-Kim_EtAl_Quantum_Eraser.svg-thumb-500x375.png\"<\/a><\/form>\n

Delayed-Choice-Quantenradierer: Komplizierter als es aussieht… (Bild: Patrick Edwin Moran, GFDL 1.2<\/a>)<\/font><\/i><\/p>\n

Hier ist, was Greene zu diesen Experimenten sagte:<\/p>\n

„Als ich zum ersten Mal von diesen Experimenten h\u00f6rte, befand ich mich eine Tage lang in einer Art entr\u00fcckter Hochstimmung. Mir war, als h\u00e4tte man mir einen Blick auf eine verschleierte Seite der Wirklichkeit gew\u00e4hrt. Die Alltagserfahrung – profane, gew\u00f6hnlich, normale Verrichtungen – wirkte auf mich pl\u00f6tzlich wie Teil einer klassischen Scharade, welche die wahre Natur unserer Quantenwelt verbarg.“<\/i><\/p><\/blockquote>\n

Aber eigentlich ging es uns ja um den Zeitpfeil<\/a>. Wir wollen wissen, warum die Dinge nur auf eine bestimmte Weise ablaufen, aber nie auf eine andere. Warum zerbrechen<\/i> Eier und warum entbrechen<\/i> sie nie? Die quantenmechanische Experimente haben gezeigt, dass hier unsere allt\u00e4glichen Vorstellungen von „Vergangenheit“ und „Zukunft“ nicht mehr g\u00fcltig sind. In einer Hinsicht ist die Quantenmechanik aber nicht anders als die klassische Physik: auch ihre Gesetze sind zeitsymmetrisch und unterscheiden nicht zwischen Vergangenheit und Zukunft.<\/p>\n

Quantenmechanik und Zeitpfeil<\/b><\/font><\/p>\n

Die Schr\u00f6dingergleichung<\/a>, eine der zentralen Formeln der Quantenmechanik mit der die Ausbreitung der Wahrscheinlichkeitswellen beschrieben wird, hat keinen eingebauten Zeitpfeil. Zukunft und Vergangenheit werden absolut gleich behandelt. Das mag widerspr\u00fcchlich erscheinen, wo ich doch weiter oben vom Kollaps der Wahrscheinlichkeitswelle geschrieben habe, der eintritt, wenn man eine konkrete Messung durchf\u00fchrt. So ein Kollaps stellt doch einen eindeutigen Einschnitt dar und w\u00fcrde man einen Film einer kollabierenden Wahrscheinlichkeitswelle sehen, k\u00f6nnte man doch sofort feststellen, ob er vorw\u00e4rts oder r\u00fcckw\u00e4rts l\u00e4uft? Das ist richtig – aber laut Schr\u00f6dingergleichung w\u00fcrde eine Wahrscheinlichkeitswelle nicht kollabieren<\/i>! Dieser Kollaps ist, wie Greene schreibt, „eine nachtr\u00e4gliche Zugabe“<\/i> und dieses „Me\u00dfproblem der Quantenmechanik“ besch\u00e4ftigt die Physiker schon von Anfang an:<\/p>\n

„Wie bringt die Messung eines Experimentators eine Wellenfunktion zum Kollaps? Beziehungsweise: findet der Kollaps der Wellenfunktion \u00fcberhaupt wirklich statt, und wenn, was geht dann tats\u00e4chlich auf der mikroskopischen Ebene vor? Bewirkt jede einzelne Messung einen Kollaps? Wann tritt der Kollaps ein und wie viel Zeit ist dazu n\u00f6tig?“<\/i><\/p><\/blockquote>\n

fragt Greene. Im Laufe der Zeit gab es dazu einige L\u00f6sungsvorschl\u00e4ge, die ich hier aber nicht detailliert vorstellen kann (lest das Buch!). Eine m\u00f6gliche L\u00f6sung ist zum Beispiel die ber\u00fchmte Viele-Welten-Interpretation<\/a>. Sie besagt, dass die Wellenfunktion tats\u00e4chlich NICHT kollabiert sondern das jedes potentielle Ereignis, das von einer Wellenfunktion beschrieben wird, auch wirklich stattfindet – nur eben jedes in einem eigenen Universum (wer ein wenig unn\u00fctzes Partywissen braucht: der Sohn von Hugh Everett, dem Begr\u00fcnder der Viele-Welten-Interpretation ist der S\u00e4nger der Band Eels<\/a>). Eine andere L\u00f6sung hat David Bohm<\/a> vorgeschlagen. Laut ihm existiert das Teilchen zus\u00e4tzlich<\/i> zur Wellenfunktion und sie sagt dem Teilchen quasi, wie es sich verhalten soll. Ghirardi, Rimini und Weber<\/a> haben eine modifizierte Version der Schr\u00f6dingergleichung vorgeschlagen, laut der die Wellenfunktionen auch ohne \u00e4u\u00dferen Einflu\u00df spontan kollabieren k\u00f6nnen (bis jetzt konnte aber noch kein Hinweis gefunden werden, dass diese Gleichung tats\u00e4chlich richtig ist). Am popul\u00e4rsten ist die Theorie der Dekoh\u00e4renz<\/a>, die besagt das die Wellenfunktion immer mehr an Koher\u00e4nz verliert je l\u00e4nger ein System mit seiner Umgebung wechselwirkt. Ein einzelnes Photon im leeren All kann wunderbar als reine Wellenfunktion existieren. Ein gro\u00dfes System, wie z.B. Mensch steht aber st\u00e4ndig in Wechselwirkung mit der Umgebung; st\u00e4ndig wird er von Photonen, Luftmolek\u00fclen, etc „angestupst“ und die Wellenfunktion wird „verwischt“ und kollabiert schlie\u00dflich. Das klingt plausibel – aber die Dekoh\u00e4renz erkl\u00e4rt z.B. nicht, wie<\/i> aus den vielen M\u00f6glichkeiten genau die eine ausgew\u00e4hlt wird, die schlie\u00dflich nach dem Kollaps realisiert wird. <\/p>\n

Das Me\u00dfproblem ist also immer noch ungel\u00f6st. Und von den L\u00f6sungsvorschl\u00e4gen h\u00e4tte nur einer – die neue Gleichung von Ghirardi, Rimini und Weber – h\u00e4tte einen eingebauten Zeitpfeil und k\u00f6nnte unsere Frage aus dem letzten Kapitel, die nach der Richtung der Zeit, beantworten. Die anderen Gleichungen sind genauso zeitsymmetrisch wie die urspr\u00fcngliche Quantenmechanik. Und selbst eine zeitasymmetrische Formulierung k\u00f6nnte immer noch auf die gleiche Erkl\u00e4rung angewiesen sein, die Greene im letzten Kapitel vorgestellt hat: ein Zustand \u00e4u\u00dferst niedriger Entropie kurz nach dem Urknall. So wie es momentan aussieht, bleibt uns also erstmal nichts anderes \u00fcbrig, als uns mit dem Urknall zu besch\u00e4ftigen, wenn wir das R\u00e4tsel der Zeit l\u00f6sen wollen. Deswegen besch\u00e4ftigen sich die n\u00e4chsten drei Kapitel des Buchs auch mit der Kosmologie.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Das hier ist die Rezension eines Kapitels von „Der Stoff aus dem der Kosmos ist“ von Brian Greene. Links zu den Rezensionen der anderen Kapitel kann man hier finden. Das letzte Kapitel war ja schon etwas komplex. Wenn wir den Zeitpfeil erkl\u00e4ren wollen, also die Tatsache, dass die Zeit eine klare Richtung zu haben scheint, […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":4110,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[740,11,568],"tags":[1742,18,326,176,3783,3788,3835,4073,327,9841,11399,456,11979,11981,12162,12279,329,12978,13069,13070,15310,15389,16272,16286,16391],"class_list":["post-19338","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-der_stoff_aus_dem_der_kosmos_ist","category-naturwissenschaften","category-themenwoche","tag-archibald-john-weeler","tag-astronomie","tag-brian-greene","tag-buch","tag-dekoharenz","tag-delayed-choice-experiment","tag-der-stoff-aus-dem-der-kosmos-ist","tag-doppelspaltexperiment","tag-kosmologie","tag-mesproblem-der-quantenmechanik","tag-pfadintegral","tag-physik","tag-quantenmechanik","tag-quantenradierer","tag-raum","tag-relativitatstheorie","tag-richard-feynman","tag-schrodingergleichung","tag-sciencebook","tag-sciencebooks","tag-vergangenheit","tag-viele-welten-interpretation","tag-zeit","tag-zeitpfeil","tag-zukunft"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/19338","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=19338"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/19338\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":19339,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/19338\/revisions\/19339"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media\/4110"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=19338"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=19338"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=19338"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}