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Newton, Licht, Quanten und billardspielende Roboter

Sonntag, 21. Februar 2010

[Dieser Eintrag ist im Wesentlichen ein leicht überarbeiteter Repost eines meiner Beiträge aus dem alten elBloggo und die Fortsetzung von „Ein Gedankenexperiment„]

Ein Disclaimer voraus: Es wird Physikalisch. Keine Angst, Formeln wird es hier nicht geben, mir geht es eher um die Veranschaulichung von Grundprinzipien. Gewisse mir näher bekannte Physiker  werden mir mit diesem Eintrag vermutlich wieder vorwerfen, ich würde unzureichend vereinfachen, weil ich zugegebenermassen die Mathematik hinter einigem, über was ich schreiben werde, in der Tat nicht verstanden habe (und vermutlich auch nie verstehen werde). Euch Zweiflern sage ich lediglich: Macht halt selbst ein Blog. Oder kommentiert wenigstens sachbezogen!

Im Ernst: Ich werde hier nicht anfangen, hier Elementarphysik in Reinkultur zu betreiben, mir geht es um Anschauliches und Grundsätzliches. Sollte etwas, was ich verzapfe grob fsachl sein, bitte ich (ernstgemeint) um Korrektur. Sollte ich hingegen nur Feinheiten nicht erwähnen oder „zu grob“ verallgemeinern (in dem Sinne, dass die Grundaussage fsachl wird), werde ich den Eintrag nicht ändern.

So, genug vorgewarnt, wir reden heute unter anderem über Quantenmechanik, Einstein, Heisenberg, Nichtdeterminismus, viele Welten und den billardspielenden Roboter.

Die Quantenmechanik an und für sich ist unter (ernstzunehmenden) Physikern quasi unbestritten. Natürlich gibt es für Naturwissenschaften grundsätzlich keine Möglichkeit, Thesen formal zu beweisen, allerdings gibt es durchaus die Möglichkeit, Thesen durch ein widersprüchliches Experiment zu widerlegen. Der Punkt ist: Die grundlegenden Konzepte der Quantenmechanik in ihrer heutigen Form existieren seit, nunja sagen wir ungefähr 1935 und sie wurde seitdem in unzähligen Experimenten bestätigt und meines Wissens nach nie grundsätzlich experimentell widerlegt.

Das muss jetzt erstmal nix heissen, auch die Newton’sche Mechanik galt lange Zeit als die Theorie, nach der die Welt funktioniert, bis 1905 ein Werk namens „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“ von einem Naseweis namens Albert Einstein erschien. Das Werk ist heutzutage besser als „spezielle Relativitätstheorie“ bekannt und postulierte, dass in unserer „normalen“ Welt die Newton’sche Mechanik zwar im Prinzip schon stimmt, das aber nicht an ihrer Allgemeingültigkeit liegt, sondern daran, dass wir es im Alltag eher selten mit Geschwindigkeiten zu tun haben, die nahe der Lichtgeschwindigkeit liegen. Dann nämlich passieren recht wilde Dinge, sagte der Herr Einstein, und auch seine These, dass die Lichtgeschwindigkeit die absolut höchste Geschwindigkeit ist und zwar in jedem Bezugssystem (insbesondere auch in bewegten), bringt auch heute noch Menschen zum Grübeln.

Kurz nachdem die Newton’sche Mechanik diesen einen schweren Schlag abbekommen hat (wobei, sie wie gesagt für quasi alle Alltagssituationen auch heute noch hinreichend exakt ist) kam auch schon der zweite Schlag in Form der Quantenmechanik. Das Wesentliche, was der bislang ungebildete Blogleser aus der Quantenmechanik selbst mitnehmen sollte, ist, dass nicht nur im großen Maßstab die Newton’sche Mechanik nicht mehr gilt, sondern dass diese auch im kleinen, atomaren Maßstab nicht gilt. So gibt es plötzlich (vor oder zwischen Messungen) keine Aufenthaltsorte von Elektronen mehr, sondern nur noch sogenannte Wahrscheinlichkeitswolken, die zeigen, wo sich das entsprechende Teilchen mit welcher Wahrscheinlichkeit aufhalten könnte. Ausserdem hat man festgestellt, dass die vorher „bekannte“ strikte Trennung zwischen Teilchen und Wellen nicht mehr aufrechterhalten werden kann und sowohl Licht manchmal Teilchencharakter haben kann (zum Beispiel Einsteins Arbeit zum Photoeffekt, die ihm den Nobelpreis bescherte), als auch Teilchen gelegentlich Wellencharakter zeigen können (beispielsweise Elektronen am Doppelspalt). Und nicht nur das, die Heisenberg’sche Unschärferelation besagt, dass wir, wenn wir durch eine Messung den exakten Aufenthaltsort eines Teilchens bestimmt haben, keine Möglichkeit mehr haben, seine Geschwindigkeit zu bestimmen und umgekehrt. Letzteres ist übrigens eine fundamentale, prinzipielle Unmöeglichkeit und basiert eben gerade nicht auf unzulänglichen Messmethoden.

Nun haben wir ein Problem. Bis zu diesem Zeitpunkt war der Sinn und Zweck, quasi das Selbstverständnis der Physik, zu verstehen, wie das Universum funktioniert. Actio und Reactio, klare Ursachen, klare Wirkungen. Plötzlich merkte die Physik, auf fundamentaler Ebene rein prinzipiell keine solche konkreten Aussagen mehr treffen zu können, alles unterhalb einer gewissen Schwelle konnte eventuell noch punktuell wahrgenommen werden, aber je kleiner die Strukturen wurden, desto unschärfer mussten die übrigen Randbeobachtungen werden. Über den Ursprung, quasi den „Grund“ für die Quantenmechanik kann nur spekuliert werden, nach heutigem Kenntnisstand wird man sie nie verstehen können. Ausser natürlich, jemand erfindet endlich den Heisenberg-Kompensator.

Kommen wir zum Kernpunkt dieses Blogeintrags: Man kann zwar, wie bereits erwähnt, nach heutigem Kenntnisstand keine definitive Antwort auf die Interpretation der Quantenmechanik geben (wobei es mich nicht wundern würde, wenn noch zu unseren Lebzeiten ein genialer Kopf mal wieder die komplette bekannte Physik umwirft und zeigt, dass es eben doch geht), aber das hat die Physiker nicht daran gehindert doch Theorien aufzustellen und – und das ist in meinen Augen die Abkehr vom traditionellen Wissenschaftsbegriff – einzelne Theorien anderen deshalb vorzuziehen, weil man daran glaubt. Nicht etwa, weil Messungen einer Theorie den Vorzug über die anderen geben, sondern hauptsächlich deshalb, weil man, nunja, es ganz doll so haben will und im Zweifelsfall die eigene Meinung auch mal mit einem resoluten Aufstampfen untermauert.

Drei Theorien haben sich hauptsächlich rausgebildet.

Die bei weitem populärste ist die sogenannte „Kopenhagener Deutung“, die die vorhin erwähnten Wahrscheinlichkeitswolken im Wesentlichen als naturgegebenen Nicht-Determinismus interpretiert. Man kann also ohne Messung den Aufenthaltsort eines Elektrons nicht bestimmen, weil er tatsächlich durch einen reinen Zufallsprozeß bedingt ist. In anderen Worten: „Wir können prinzipiell nicht nah genug rangehen, um es verstehen zu können, also ist es grundsätzlich ein nichtdeterministischer Vorgang“. Ausserdem kann es nicht schaden, an dieser Stelle laut „Nänänänänänänä“ zu singen und sich dabei die Augen und Ohren zuzuhalten.

Die zweitpopulärste Deutung ist die sogenannte Viele-Welten-Theorie. Sie besagt ganz im Sinne von Star Trek (und sehr bildlich und vereinfachend gesprochen), dass sich mit jeder „Entscheidung“, die das Elektron „trifft“ die Welt, das Universum und der ganze Rest in soviele neue Welten aufspaltet, wie es „Handlungsmöglichkeiten“ gibt. In meinen Augen hat diese Deutung zwar einige nette Implikationen (Interessierte Menschen seien hier zum Beispiel auf die Wikipedia verwiesen), widerspricht aber ganz fundamental dem, was meiner Meinung nach der Grundsatz für jede wissenschaftliche Arbeit sein sollte. Gemeint ist, was gemeinhin als Ockhams Rasiermesser bekannt ist, das Prinzip, dass „von mehreren Theorien, die den gleichen Sachverhalt erklären, die einfachste zu bevorzugen ist“. Und in jeder kleinsten Zeiteinheit das bestehende Universum in abermilliarden neue Universen aufzuspalten, das ist hoffentlich nicht nur in meinen Augen ein bisschen viel. Tatsächlich dürfte die Zahl auch für kleinste Zeiteinheiten so unglaublich gigantisch groß sein, dass wir Menschen uns keine Hoffnung drauf machen müssen, jemals auch nur die Größenordnung zu begreifen…

Deutung Nummer Drei ist, vereinfacht gesprochen, elzoidos billiardspielender Roboter. Es existiert also ein Determinismus dahinter, wir sind nur zu doof, ihn zu erkennen. Offiziell heisst die Theorie „Bohmsche Mechanik“ und wird hauptsächlich deshalb von den meisten Physikern abgelehnt, weil sie sogenannte verborgene Variablen enthält, also Variablen, die sich jenseits unserer Vorstellungskraft (ganz zu schweigen von Messbarkeit) befinden. Das mögen Physiker nicht, eben weil sie es nicht messen können und – wie wir alle wissen – was man nicht messen kann, existiert nicht. Punkt. Nänänänänänänä.

So, genug erzählt für heute, im nächsten Teil gehts dann weiter in Richtung Gehirn, (Nicht-)Determinismus und Gott.

Ein Gedankenexperiment

Sonntag, 24. Januar 2010

[Dieser Eintrag ist im Wesentlichen ein leicht überarbeiteter Repost eines meiner Beiträge aus dem alten elBloggo]

Man stelle sich einen Raum vor. In diesem Raum befindet sich ein Billardtisch (komplett mit Kugeln, Queue usw.) und ein Roboter, der Billard spielen kann.

Der Roboter ist programmiert, eine Billard-Startaufstellung aufzubauen und mit der weissen Kugel kräftig in Richtung des Dreicks zu hauen. Dabei variiert er Dinge wie Stoßstärke, Richtung und Anspielpunkt auf der weissen Kugel innerhalb gewisser Grenzen. Diese Variation geschieht aufgrund von Pseudozufallszahlen, ist also prinzipiell determiniert. Nach seinem Stoss baut er wieder die Startaufstellung auf und beginnt von Neuem.

Eine Besonderheit hat der Tisch noch: Jedesmal, wenn ein Ball in ein Loch gespielt wird, gibt der Tisch einen laut und deutlich vernehmbaren Piepston von sich.

Nun bitte ich darum, diesen Raum einstweilen zu vergessen und stattdessen eine Gedankenwelt zu entwerfen. Diese Welt funktioniert im Wesentlichen wie unsere hier, es gibt nur 2 Ausnahmen: Es existiert ein mysteriöser Raum, in den niemand reinschauen kann (auch nicht mit Röntgenstrahlung, Ultraschall oder sonstwas), dessen einziges Lebenszeichen ist, dass aus dem Inneren immer wieder Piepstöne nach aussen dringen. Der andere Unterschied zu unserer Welt ist: Billard wurde nie erfunden, nie gespielt, ist völlig unbekannt.

Natürlich ist dieser mysteriöse Piepsraum im Vergleich zur restlichen Welt recht klein, so hat es auch eine ganze Weile gedauert, bis die ersten Menschen ihn entdeckt haben. Als dies aber dann geschah, waren die Menschen fasziniert. Nungut, Lieschen Müller eher nicht. Aber Physiker, Mathematiker, Knobler aus allen Teilen der Welt kamen den Raum besuchen, um eigene Messungen durchzuführen und eigene Theorien aufzustellen. Manche dieser Theorien waren recht einfach gestrickt, manche waren gigantische Theoriegebilde. Viele Bücher haben sich mit diesem mysteriösen Raum beschäftigt, gemeinsam hatten sie eines: Keine dieser Theorien war richtig, denn der Raum – der werte Leser ahnte es vermutlich schon recht schnell – war der Raum, den wir im ersten Teil dieses Blogeintrags betrachtet haben.

Nachdem man eingesehen hat, dass dem Raum mit deterministischen Mitteln nicht beizukommen war, hat man sich bei der Erforschung auf probabilistische Mittel verlegt. Viele Messreihen hat man durchgeführt, sie wahrscheinlichkeitstheoretisch ausgewertet und die Forschungsergebnisse auf eine Kenngröße eingedampft: die sogenannte Halbpiepszeit – die Zeitspanne, nach der mit einer 50%igen Wahrscheinlichkeit ein Piepston aus dem Raum nach aussen drang.

Spätestens jetzt werden zumindest die physikalisch vorgebildeten Leser wissen, worauf ich mit meinem Gedankenexperiment hinauswill. Dem Rest werde ich in einem späteren Blogeintrag erklären, was dieses Gedankenexperiment (das ab sofort der Einfachheit halber nur noch als „elzoidos billardspielender Roboter“ in der entsprechenden Fachliteratur erwähnt werden sollte) mit Radioaktivität, Heisenberg, dem Freien Willen und dem fliegenden Spaghettimonster zu tun hat.