Kopenhagener Deutung

Kopenhagener Deutung Hintergrund

Die Geschichte der Quantentheorie beginnt mit Max Planck, als er im Jahr 1900 die Quantisierung von Energie postulierte, um die Strahlung eines schwarzen Körpers zu erklären.

Dies widersprach der zuvor anerkannten, klassischen Annahme, dass Energie kontinuierlich aufgenommen und abgegeben wird. Andererseits konnten mit der Energiequantisierung nun sämtliche Phänomene – wie beispielsweise der Photoelektrische Effekt – erstmals erklärt werden.

Zusätzlich ebnete Plancks Theorie den Weg zu wichtigen Durchbrüchen in der Atomphysik, nachdem Niels Bohr im Jahr 1913 sein Atommodell vorgestellt hatte.

So wie die Energiequantisierung selbst stand auch das Bohrsche Atommodell im Konflikt mit der klassischen Physik: Dass sich das Elektron nicht im gesamten Raum aufhalten könnte, sondern nur in Schalen bestimmter Energie war zuweilen eine fremdartige Vorstellung. Außerdem erschütterte die Vorstellung eines zufälligen Wechsels zwischen den Schalen, sobald Elektronen Energie abgeben oder aufnehmen, ebenfalls das damalige Weltbild.

Kopenhagener Deutung: Bedeutung der Quantenmechanik

Doch trotz aller Unstimmigkeiten mit der klassischen Weltanschauung war klar, dass sich die Welt auf kleinster Ebene nur durch die Quantenmechanik beschreiben lässt. Es musste nur noch ein mathematisches Konstrukt her, das die Konzepte der Quantentheorie erfasst.

Das mathematische Grundgerüst der Quantenmechanik wurde 1925 von Werner Heisenberg vorgestellt und in den darauffolgenden Jahren durch die Wellenmechanik nach Erwin Schrödinger und die statistische Betrachtung durch Max Born erweitert.

Dadurch war es nun theoretischer Weise möglich, sämtliche physikalische Phänomene vollständig zu beschreiben. Gleichzeitig ermöglichte es die Entwicklung von weiteren Theorien, deren Deutung sich jeglicher klassischen Vorstellung widersetzte.

Kopenhagener Deutung: Konflikt mit klassischen Prinzipien

In der klassischen Mechanik wird davon ausgegangen, dass der Zustand eines Systems – etwa der Ort eines Teilchens oder seine Bewegungsrichtung – zu jedem Zeitpunkt exakt vorhergesagt werden kann. Dazu müsste allerdings der Ausgangszustand und alle Kräfte bekannt sein, die auf das System wirken.

Determinismus

Das bedeutet, dass Du – mittels physikalischer Gesetze – den Ort, die Geschwindigkeit und jede andere physikalische Größe zu jedem beliebigen Zeitpunkt berechnen kannst. Diese Ansichtsweise bezeichnest Du als Determinismus.

Für Berechnungen benötigst Du Anfangswerte. Diese erhältst Du in der klassischen Physik durch Beobachtungen, die Du am System machst. Dabei hat diese Beobachtung im klassischen Fall keinen Einfluss darauf, wie sich der Zustand des Systems entwickelt. Wenn Du also Ort und Geschwindigkeit zu Beginn einer Bewegung misst, hat es absolut keine Auswirkung auf die Bewegungsrichtung.

In der Quantenmechanik sieht das allerdings anders aus. Kein Wunder, dass sie ihrer Zeit die Welt der Physik auf den Kopf stellte!

Somit ist die Quantentheorie alles andere als deterministisch. Bedeutet das, dass alles dem Zufall überlassen ist?

Kausalitätsprinzip

Die klassische Physik wurde auf Erfahrungen entwickelt, die wir im Alltag sammeln. Doch wie oft basieren unsere Erlebnisse auf dem Zufall? Öfter als den Zufall erlebst Du vermutlich, dass ein Ereignis – oder eine Entscheidung – zum nächsten führt:

Dieser Gedankengang ist eine Kausalkette, in der es zu jedem Ereignis eine Ursache gibt, die zu diesem Ereignis geführt hat.

Nach dem Prinzip der Kausalität könntest Du also genau sagen, ob ein Ereignis A vor einem zweiten Ereignis B stattgefunden hat. Dies ist in der Quantenmechanik jedoch nicht immer möglich. Hier ist es nämlich auch denkbar, dass beide möglichen Szenarien – A vor B und B vor A – einander überlagern und somit gleichzeitig bestehen können. Die Kausalitätskette kann somit nicht erhalten bleiben.

Ortsbestimmung und Prinzip der Lokalität

Nach der klassischen Physik können physikalische Objekte zu einem bestimmten Zeitpunkt nur an einem bestimmten Ort existieren. Zwei unterschiedliche Objekte können sich wiederum nicht gleichzeitig am selben Ort aufhalten.

Ferner müssen Objekte sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, um miteinander wechselwirken zu können. Dies wird als das Prinzip der Lokalität bezeichnet.

Daraus folgt, dass Zustandsänderungen von zwei räumlich getrennten Objekten nicht den Zustand des jeweils anderen Objekts beeinflussen können. Auch dieses Prinzip wird durch die Quantenmechanik verletzt. Denn mit dieser lassen sich Systeme von Teilchen beschreiben, wo der Zustand des einen Teilchens vom Zustand des anderen Teilchens abhängt. Diese Abhängigkeit scheint auch dann zu bestehen, wenn die Teilchen räumlich voneinander getrennt werden.

Welche klassischen Prinzipien werden noch durch die Quantenmechanik verletzt?

Kontinuitätsprinzip

Nach der klassischen Vorstellung laufen physikalische Prozesse kontinuierlich ab. Beispielsweise scheint die Sonne kontinuierlich Wärme abzustrahlen und die Erde gleichmäßig zu wärmen.

Diese Vorstellung brachte die Forschenden zu Beginn des 20. Jahrhunderts zum Verzweifeln. Denn eine kontinuierliche Energieabgabe, etwa durch Sterne, würde zur sogenannten UV-Katastrophe führen. Dies konnte jedoch durch Max Planck umgangen werden, indem er die Energiequantisierung einführte und somit die Quantenmechanik begründete.

Kopenhagener Deutung der Quantenphysik

Die Begründung der Quantenmechanik lässt eins schließen: Unsere Welt konnte nicht ausreichend durch die klassischen Vorstellungen der Physik erklärt werden. Doch mit neuen Theorien mussten auch neue Erklärungsversuche her, die unser klassisches Denken ablösen und uns helfen, die Welt besser zu verstehen. Einer davon ist die Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik.

Kopenhagener Deutung einfach erklärt

Die Kopenhagener Deutung lässt sich auf Niels Bohr und Werner Heisenberg zurückführen, die in den 1920er-Jahren gemeinsam an der Entwicklung der Quantentheorie forschten. Sie basiert unter anderem auf den Arbeiten von Max Born und gilt als erster Versuch, quantenmechanische Prinzipien in die physikalische Realität einzuordnen. Bis heute noch ist sie die am weitesten verbreitete Interpretation.

Kopenhagener Deutung Definition kurz

Die Kopenhagener Deutung kannst Du als eine Sammlung von Ideen verstehen, wie Du quantenmechanische Phänomene deuten kannst. Dabei gibt es allerdings keine konkreten Richtlinien oder Regeln.

Dabei dient das Komplementaritätsprinzip unter anderem dazu, den Welle Teilchen Dualismus zu erklären: Ein Elektron kann beispielsweise entweder als Teilchen oder als Welle beschrieben werden – jedoch niemals als beides gleichzeitig. Allerdings gibt es Phänomene, wie den Compton Effekt, die sich verständlicher erklären lassen, wenn das Elektron als Teilchen betrachtet wird. Die Interferenz am Doppelspalt hingegen kannst Du nur mit Elektron als Welle erklären.

Obwohl beide Betrachtungsweisen nicht miteinander vereinbar sind, ergänzen sie sich – sie sind also komplementär. Ein weiteres Beispiel für das Komplementaritätsprinzip ist die Heisenbergsche Unschärferelation.

Heisenbergsche Unschärferelation Kopenhagener Deutung

Physikalische Eigenschaften und Messgrößen werden in der klassischen Physik getrennt voneinander betrachtet: Im Alltag wirst Du problemlos Aussagen sowohl über den Ort eines Objekts als auch über seine Geschwindigkeit oder den Impuls treffen können.

Ersetzt Du den klassischen Fußball jedoch durch ein Quantenobjekt, etwa ein Elektron, so kannst Du seinen Impuls nicht mehr messen, wenn Du das Elektron lokalisiert hast. Eine der beiden Größen müsste also unbestimmt bleiben, damit Du die andere bestimmen kannst.

Dieses Unbestimmtheitsprinzip wurde im Jahr 1927 von Werner Heisenberg entwickelt und ist seitdem als die Heisenbergsche Unschärferelation bekannt.

Auch wenn beide als Begründer der Kopenhagener Deutung gelten, waren sich Bohr und Heisenberg bei der Deutung der Unschärferelation nicht ganz einig. Bohr war überzeugt davon war, dass Quantenobjekte von sich aus einen – durch die Unschärferelation gegebenen – Grenzwert besäßen, unterhalb dessen eine Orts- oder Impulsmessung keinen Sinn ergäbe.

Heisenberg hingegen erklärte dies so, dass eine gleichzeitige Messung von Ort und Impuls an einem Quantenobjekt durch äußere Gegebenheiten – wie eine ungenaue Apparatur oder Unfähigkeit einer störungsfreien Messung – verhindert wird. Von dieser „subjektiven“ Auffassung Heisenbergs distanzierte sich wiederum Bohr.

Auch wenn es bei der Erklärung der Heisenbergschen Unschärferelation zu keiner Einigung kam, stimmten die beiden Wissenschaftler einander in anderen Punkten zu. Lass uns deshalb weitere quantenmechanische Phänomene und ihre Deutungen anschauen!

Kopenhagener Deutung Schrödingers Katze

Im Jahr 1935 veranschaulichte Erwin Schrödinger in einem Gedankenexperiment, dass die Quantenmechanik sich nicht problemlos auf klassische Systeme anwenden lässt. Als klassisches System wählte er dabei eine Katze.

Damit steht fest: Solange der Kern nicht zerfallen ist, lebt die Katze. Zerfällt der Kern, stirbt sie hingegen. Aber wann genau soll der Kernzerfall eintreten?

Dies lässt sich nicht so einfach beantworten, denn als quantenmechanischer Prozess kann der radioaktive Zerfall stattfinden – muss aber nicht. Also kannst Du auch nicht vorhersagen, wann das Atom zerfällt und daher nicht mit Sicherheit wissen, ob die Katze noch lebt, bereits verstorben oder etwas Unbekanntes dazwischen ist.

Und was ist, wenn Du einfach in die Kiste schaust?

In diesem Fall führst Du eine Messung am Lebenszustand der Katze durch und könntest diesen eindeutig bestimmen. Allerdings erschließt sich daraus nicht, ob die Katze unmittelbar vor der Messung noch gelebt hat.

Nach der Kopenhagener Deutung befindet sich die Katze vor der Messung deshalb in einem Überlagerungszustand zwischen Leben und Tod. Bei geschlossener Kiste ist die Katze also mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % verstorben und zu 50 % noch am Leben. Indem Du die Kiste öffnest, bestimmst Du den Lebenszustand der Katze genau.

Nach dem Beobachtereffekt beeinflusst die Messung an einem quantenmechanischen System also seinen Zustand. Vor der Messung hingegen existieren alle Zustände gleichzeitig: Die Katze ist also gleichzeitig tot und lebendig.

Quantenverschränkung Kopenhagener Deutung

Ein weiteres skurriles Phänomen der Quantenmechanik ist die Quantenverschränkung.

Verschränkung kann dabei etwa durch Wechselwirkungen der Teilchen auftreten und an sich ist da auch nichts Komisches bei. Allerdings scheinen die Teilchen auch weiterhin verschränkt zu bleiben, wenn sie räumlich voneinander getrennt werden. Dies verletzt wiederum das Prinzip der Lokalität.

Außerdem bedeutet Verschränkung, dass Du den Zustand des einen Teilchens aus dem Zustand des anderen Teilchens bestimmen kannst. Dies wurde in einem Gedankenexperiment von Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen vorgestellt.

Das EPR-Experiment entwickelt sich somit eher zu einem EPR Paradoxon: Schließlich erhältst Du über die Quantenverschränkung nämlich sowohl den Ort als auch den Impuls beider Systeme – was auf den ersten Blick die Heisenbergsche Unschärferelation zu verletzen scheint. Die am weitesten anerkannte Erklärung folgt dabei aus der Kopenhagener Interpretation:

Nach dieser Deutung wird in keinem der Systeme der Ort und der Impuls gleichzeitig auf direkte Weise gemessen – was tatsächlich die Heisenbergsche Unschärferelation verletzen würde. Weil die Systeme räumlich voneinander getrennt sind, wird der Zustand von System II durch eine direkte Impulsmessung in System I nicht beeinflusst, sodass hier eine problemlose Ortsmessung erfolgen kann. Aus der Ortsmessung in System II kann dann der Ort in System I indirekt bestimmt werden, genau wie der Impuls in System II indirekt aus dem Impuls in System I ermittelt werden kann.

Doch bevor dieser Interpretationsansatz durch Bohr veröffentlicht wurde, zerbrachen sich Forschende sämtlicher Fachrichtungen die Köpfe darüber. Ein erster Erklärungsversuch kam dabei von Einstein selbst.

Kopenhagener Deutung Kritik

Aus dem Ergebnis des EPR-Experiments folgerten Einstein und Co., dass die Quantenmechanik die physikalische Realität nicht hinreichend beschreibt – sie müsse also unvollständig sein. Allerdings solle nach Einstein die Quantenmechanik durch verborgene Variablen vervollständigt werden können.

Kurz darauf wurden sämtliche Deutungen – unter anderem die Kopenhagener Deutung – publiziert, um die Quantentheorie zu verteidigen. Dabei wurde eine philosophische Debatte ausgelöst, die unter anderem als Teil der Bohr-Einstein-Debatte bekannt wurde.

Bohr-Einstein-Debatte

Bis zu seinem Tod versuchte Einstein die Kopenhagener Deutung mit neuen Gedankenexperimenten zu widerlegen. Dabei hielt er an seiner Ansicht fest, dass die Quantenmechanik unvollständig sei.

Besonderes Unbehagen bereitete dem großen Physiker, dass quantenmechanische Zustände mit gewissen Wahrscheinlichkeiten auftreten sollen und nicht vorbestimmt sind. Diese Ansicht wird durch seinen berühmten Ausspruch – „Gott würfelt nicht“ – verdeutlicht:

Allerdings war Einstein nicht der Einzige, der mit der Kopenhagener Deutung nicht ganz zufrieden war. Vielmehr entwickelten sich mit der Zeit sämtliche andere Versuche, quantenmechanische Phänomene zu interpretieren.

Kopenhagener Deutung Alternative Interpretationen

Die einzelnen Interpretationen unterscheiden sich dabei hauptsächlich in ihren Ansichten über die Vollständigkeit der Quantenmechanik, Determinismus und Kausalität.

Ensemble-Interpretation

Eng verwandt mit Einsteins Verborgene-Variablen-Theorie ist die Ensemble-Interpretation. Auch sie stützt sich darauf, dass die Quantenmechanik unvollständig sei und belegt dies mit der statistischen Betrachtung der Messergebnisse.

Dabei liegt jedes Quantensystem im Ensemble bereits in einem der möglichen Endzustände vor. Die Wahrscheinlichkeiten, die sich für einen Messwert ergeben, werden folglich durch die Anzahl der Teilsysteme im entsprechenden Zustand bestimmt. Demnach wird der Endzustand des Gesamtsystems nicht etwa durch das Experiment festgelegt. Stattdessen misst das Experiment lediglich einen vorliegenden Tatbestand.

De-Broglie-Bohm-Theorie

Eine weitere alternative Deutung der Quantenmechanik ist die von David Bohm vorgeschlagene de-Broglie-Bohm-Theorie.

Dabei wird davon ausgegangen, dass das System nicht nur durch die Wellenfunktion, sondern auch durch die Ortsfunktion beschrieben wird. Die Trajektorien entsprechen dabei den verborgenen Variablen.

Viele-Welten-Interpretation

Multiversen sind nicht nur Teil vieler Science-Fiction-Filme, sondern die Grundlage einiger physikalischer Theorien. Eine davon ist die Viele-Welten-Interpretation der Quantenmechanik.

Am besten lässt sich diese Interpretation auf Schrödingers Katze anwenden: Der Überlagerungszustand aus „lebendig“ und „tot“ lässt sich dadurch erklären, dass die Katze in einem Universum bereits verstorben ist und im anderen Universum noch lebt. Demnach ändert sich die Frage, ob die Katze noch lebt, in die Frage, in welchem Universum dieser Zustand eintritt.