A) Quanten verstehen

Quanten sind verstehbar!

Seit Jahrzehnten ist meine wissenschaftliche Tätigkeit vor allem darauf gerichtet, die Grundprinzipien der Natur und im Besonderen die der Physik zu erforschen. Dazu gehört auch, die Quantentheorie möglichst verstehbar darzustellen, ohne deswegen falsch zu werden.

Es ist richtig, dass die Forschung an der Grundlage der Natur zu den „einfachsten Strukturen“ führen soll.

Sehr oft wird in der Vorstellung die Jahrtausende alte Idee übernommen, dass das Einfachste die „kleinsten Teilchen“ wären. Die Quantentheorie zeigt allerdings, dass die einfachsten Strukturen keineswegs die räumlich kleinsten Teilchen sind.

„Quantentheorie“ ist ein Begriff, der sich in zwei Teile zerlegen lässt. Daher sollte erst kurz reflektiert werden, was „Theorie“ in der Naturwissenschaft und speziell in der Physik meint. Danach gehen wir über zu den „Quanten“.

Was ist eine Theorie

Eine Theorie umfasst in der Physik eine mathematische Struktur sowie eine Interpretation der verwendeten Begriffe, also der Bedeutung der Worte und die direkten und indirekten Messmöglichkeiten der mit diesen Begriffen bezeichneten Objekte und Strukturen.

Mit einer Theorie soll es möglich werden, aus beobachteten, gemessenen oder postulieren Anfangswerten den weiteren Verlauf des betrachteten Systems zu beschreiben.

In eine Theorie gehen also Voraussetzungen über das zu Beschreibende und die verwendete mathematische Struktur ein.

So postuliert die klassische Physik eine Beschreibung von Fakten oder von Fakten, deren genauen Werte unbekannt sind und die daher mit klassischer Wahrscheinlichkeitstheorie behandelt werden. Außerhalb der Thermodynamik wird in der klassischen Physik der reale Zeitablauf ignoriert. In solchen deterministischen Strukturen ergibt sich die Möglichkeit, von einem gegebenen Zeitpunkt aus in gleicher Weise in die Vergangenheit wie in die Zukunft zu rechnen.

In eine Theorie gehen stets die Erkenntnisse über die Daten der untersuchten Systeme ein. Dabei ist die Genauigkeit wichtig, die zum betreffenden Zeitpunkt erreicht werden kann. Die Prognosen können nur so gut werden, wie die ermittelten Daten mit der Natur übereinstimmen.

Die Geschichte der Physik hat gezeigt, dass eine genauere Beobachtung der Natur dazu geführt hat, Theorien in manchen Bereichen ersetzen zu müssen, wo man zuvor lange an ihre uneingeschränkte Gültigkeit geglaubt hatte. Die bedeutsamsten Beispiele für ein solches Erweitern und Ersetzen sind die Spezielle und die Allgemeine Relativitätstheorie sowie die Quantentheorie.

Die über sehr lange Zeit geglaubte Vorstellung, dass die Newtonsche Mechanik als die bewiesene Grundlage der Naturbeschreibung verstanden werden dürfte, war irrig gewesen. Bei sehr großen Geschwindigkeiten, bei einer sehr genauen Beschreibung der Gravitation und bei einer sehr genauen Beschreibung der Materie treten die Spezielle und die Allgemeine Relativitätstheorie sowie die Quantentheorie an die Stelle der klassischen Physik.

Diese Beispiele nötigen zu einer gewissen Vorsicht, wenn außerhalb der Mathematik von „Beweisen“ gesprochen wird. Nur in dieser Wissenschaft hat man die Prämissen in der Hand und ist nicht auf deren Übereinstimmung mit der Natur angewiesen.

Wenn in der Naturwissenschaft vom Beweisen gesprochen wird, so ist daran zu erinnern, dass zuerst eine möglichst genaue Erfassung der Natur notwendig ist, um dann mit der Mathematik zu einer guten Theorie zu gelangen. Da man jedoch noch nicht wissen kann, was sich bisher unserer Kenntnis entzogen hat, was also in der Zukunft gefunden werden könnte und wie weit deshalb die Prämissen mit der Natur übereinstimmen, ist die Beachtung von Geltungsbereichen von Theorien wichtig.

Die Theorien, von denen man weiß und abschätzen kann, wo ihre Vorhersagen zu ungenau werden, kann man als „abgeschlossene Theorien“ bezeichnen. In ihren Geltungsbereichen bleiben sie aber auch zukünftig gültig. So werden auch in Zukunft die Bahnen von Raketen mit Newtonscher Mechanik berechnet werden, wenn sie mit einigen Zusatztermen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie angereichert wird.

Die genaueste und beste Beschreibung der Natur erfolgt mit der Quantentheorie. Für sie ist bisher keine Grenze ihres Gültigkeitsbereiches erkennbar. Die Allgemeine Relativitätstheorie wird am zeitlichen Beginn des Kosmos und im Inneren der Schwarzen Löcher falsch, weil diese klassische Theorie dabei quantische Effekte nicht erfasst.

Nun zu den Quanten

Bis heute kann man über die Quantentheorie hören oder lesen, sie sei verrückt oder ihre „skurrilen Gesetze“ wären zumindest unverstehbar. Sie sei ein Spezialfall lediglich fürs „Kleinste“, sie habe die „Unschärfe“ zum Prinzip erhoben und habe mit dem normalen Alltag nichts zu tun.

Nach mehr als einem Jahrhundert ist es nun wirklich an der Zeit, solche alten Zöpfe abzuschneiden.

Bei der Erforschung der Natur wirkt die Mathematik wie ein „Denkverstärker“. Das begann bereits in der Antike und führte schließlich mit Galilei und Kepler erstmals zur Berechnung von Naturvorgängen mit mathematischen Modellen, die wir noch heute verwenden.

Natürlich liegen die mathematischen Strukturen der Quantentheorie jenseits dessen, was man üblicherweise in der Schule lernt. Jedoch sind die zugrundeliegenden Prinzipien weder verrückt noch liegen sie weit fernab von unseren alltäglichen Erfahrungen!

Was versteht man unter „Quanten“

Die Quanten kann man in vier Strukturtypen einteilen:

Quanten mit Ruhmasse
Quanten mit einer Ruhmasse können für eine gewisse Zeitspanne in einem gewissen Raumbereich gefunden werden.
Zu ihnen gehören die Protonen und Neutronen, in welche die Atomkerne zerlegt werden können, und die Elektronen, welche die „Atomhülle“ formen und die für die chemischen Eigenschaften auch der Moleküle verantwortlich sind.
Bisher ist keine Grenze für die Masse bekannt geworden, bis zu der Quanteneigenschaften gefunden werden können. Die Atome und auch immer größere Moleküle können dazu gerechnet werden. Heute hat man Quanteneigenschaften, wie beispielsweise eine Unbestimmtheit des Ortes, an Molekülen mit einer Masse von etwa 25000 Wasserstoffatomen aufzeigen können.
Die Quanten mit Ruhmasse werden wegen ihrer Eigenschaft oft als die „Bausteine“ der Materie bezeichnet. Leider kann ein damit bewirktes „Klötzchenbild“ zu Vorstellungen führen, die einen Gegensatz zur Quantentheorie provozieren.

Quanten ohne Ruhmasse

Quanten ohne eine Ruhmasse kennen wir bisher nur als die Quanten des Lichts, die Photonen. Sie bewegen sich im Vakuum immer mit Lichtgeschwindigkeit. Wegen dieser maximalen Geschwindigkeit sind sie zwischen Emission und Absorption vom Inhalt des Kosmos gleichsam isoliert. Daher sind die Photonen auch vom kosmischen Zeitverlauf abgekoppelt und verbleiben ohne eine innere Zeit. Wenn Photonen z.B. im Glas langsamer werden, so nehmen sie danach wieder ihre Vakuumgeschwindigkeit ein (falls sie nicht im Glas absorbiert wurden).

Quanten ohne reale Existenz

Besonders interessant sind Quanten, die lediglich „der Möglichkeit nach“ und nicht als Fakten existieren. Solche „Potentialitäten“ werden auch als „virtuelle Teilchen“ bezeichnet. Derartige Objekte haben keine Entsprechung in der klassischen Physik.
Zu diesen nur potentiell und nie real existierenden Teilchen gehören beispielsweise die Phononen, Schallquanten in kristallinen Festkörpern, oder die Quarks, die nie im Vakuum erscheinen können, da sie nur interne Strukturen, z.B. in Protonen, bilden.

Quanten, welche die Grundlage für alles bilden

Auf die multiplikative Beziehungsstruktur der Quantentheorie wird noch eingegangen. Hier sei sie erst einmal nur erwähnt. Die Tensor-Produkt-Struktur der Quantentheorie setzt komplexe Systeme aus einfachen dadurch zusammen, dass die Dimensionen der Zustandsräume multiplikativ kombiniert werden. (In der klassischen Physik geschieht solches Zusammenfügen additiv.)

Das lässt erkennen, dass die einfachsten der möglichen Quanten-Strukturen einen Zustandsraum haben müssen, der zweidimensional ist. Solche einfachsten Strukturen werden oft als „Quantenbit“ bezeichnet.

Sie sind eine sehr viel einfachere Struktur als die bisher als Grundlage der Naturbeschreibung verwendeten „Teilchen“ oder die aus diesen konstruierten Quantenfelder. Immerhin ist der Zustandsraum eines noch so einfachen Teilchens in der Quantenmechanik unendlichdimensional.

Der Begriff „Bit“ lässt sofort an „null“ und „eins“ und an „Informationsverarbeitung“ denken. Information wiederum wird fast immer als „Bedeutung“ interpretiert.

Bedeutung kann ein Bit tragen, wenn es eine Eigenschaft eines Objektes ist, z.B. ein Punkt innerhalb eines Textes auf einem Papier oder einem Bildschirm. (Ein Punkt kann zum „i“ gehören oder einen Satz beenden.)

Bedeutung ist jedoch nie „objektiv“, sie hat immer einen großen subjektiven Anteil. Bedeutung setzt einen Kontext voraus, und der kann für Lebewesen sehr verschieden sein. Bedeutung ist daher immer relativ.

Die Physik zielt auch auf das Objektive, dafür sind auch absolute Werte notwendig. (Man denke daran, dass man die Temperatur mit Celsius oder mit Fahrenheit messen kann. Temperatur zu verstehen wird erst mit der absoluten Temperatur, mit Kelvin, möglich.)

Wenn Quantenbits absolut werden sollen, dann muss es um den Kosmos als ein Ganzes gehen und nicht mehr um Teile in ihm.

Ein absolutes, weil kosmisch definiertes Quantenbit, was ohne einen materiellen oder energetischen Träger gemeint ist, ist abstrakt, also noch ohne jede spezifische Bedeutung.

Solche Absoluten, weil auf den Kosmos bezogenen Bits von QuantenInformation, AQIs, sind die mathematisch einfachstmöglichen Strukturen und die Basis aller Erscheinungen.

Mit der Entstehung von Leben wird es in der Evolution erstmals sinnvoll, Informationen spezifische Bedeutungen zuzuordnen. Diese können für verschiedene Lebewesen unterschiedlich sein. Jeder Prozess in einem Lebewesen kann für den Erhalt von ihm oder von seinen Nachkommen bedeutungsvoll werden. Das gilt ebenfalls für alle seine Einwirkungen auf die Umwelt und für diejenigen aus dieser auf das Lebewesen.

Protyposis

Um Miss-Interpretationen der AQIs vorzubeugen, war es notwendig, einen Begriff dafür einzuführen, der keine unzutreffenden Assoziationen bewirken soll: Protyposis, das Vorgeprägte.

Die Protyposis ist also die Menge aller AQIs im Kosmos.