EPR-Phänomen und Emergentismus

Seit langem gibt es im naturalistischen Lager einen Streit zwischen den so genannten Reduktionisten und den Emergentisten. Zur Begriffsklärung:

•           Naturalisten sind der Meinung, dass zur Beschreibung und Erklärung der Naturvorgänge kein Rückgriff auf ein höheres, übernatürliches Wesen notwendig ist.

•           Reduktionisten vertreten die Ansicht, dass Vorgänge, die derzeit auf einer bestimmten Betrachtungsebene am besten erklärt werden können, im Prinzip auch auf niedrigeren Ebenen vollständig beschrieben werden können. Vulgo: Bewusstseinsvorgänge sind biologische Vorgänge, biologische sind chemische und chemische sind physikalische.

•           Emergentisten hingegen denken, dass auf höheren Komplexitätsebenen neue Eigenschaften auftreten, die irreduzibel sind. Wechselt man die Beschreibungsebene, dann können diese Eigenschaften dort nicht mehr erklärt werden, weil sie auf dieser niedrigeren Ebene gar nicht vorhanden sind.

Wer ein einprägsames Beispiel benötigt: Reduktionisten, wenn sie zugleich dem Determinismus anhängen, müssen der Aussage zustimmen, dass das Ergebnis der nächsten Bundestagswahl im Prinzip durch eine Untersuchung aller Atome aller beteiligten Menschen und ihrer Umwelt bestimmt werden kann. Emergentisten sind der Meinung, dass das prinzipiell unmöglich ist. Selbst wenn man den Determinismus weglässt, kommen Reduktionisten zu Schlussfolgerungen, die unseren Alltagserfahrungen widersprechen, z.B. leugnen sie die Willensfreiheit des Menschen. Reduktionisten müssen ihn zu einer Illusion machen, weil er in der Physik nicht existiert.

Beide Seiten argumentieren dabei unter Verwendung des Wörtchens "prinzipiell", denn natürlich ist diese Frage heute unbeantwortbar. Da Annahmen über wissenschaftliche Erfolge in der Zukunft getroffen werden, sind es im Prinzip Glaubensaussagen.

Dass heute emergente Vorgänge beobachtet und analysiert werden können, ist offensichtlich. Wenn diese sich in der Zukunft auf niedrigere Beschreibungsebenen zurückführen lassen, wäre es schwache Emergenz, wenn das prinzipiell nicht möglich ist, starke Emergenz. So wird die Frage nach dem Wesen der Emergenz auf die der Berechenbarkeit zurückgeführt. Seit einiger Zeit bin ich aber der Meinung, dass diese Betrachtung in die Irre führt und bei der Entscheidung, ob der Reduktionismus eine zutreffende Naturbeschreibung liefern kann, nicht weiterhilft. Warum?

Berechenbarkeit bedeutet Informationsverarbeitung, und selbstverständlich sind alle bisher diskutierten Vorgänge in dem Sinne berechenbar, dass sie in der Natur geschehen. Man kann Informationsverarbeitung nicht simulieren, denn die Simulation von Informationsverarbeitung ist selbst Informationsverarbeitung. Aber wenn alle Naturwissenschaften sich der Mathematik bedienen, dann beweist das nicht, dass sie sich auch ineinander umwandeln lassen.

Wie kann man nun zeigen, dass sich das Wesen der Emergenz nicht in der Frage nach der Berechenbarkeit erschöpft? Ein gutes Beispiel habe ich, glaube ich, mit einer Analyse des EPR-Phänomens gefunden. Gut insofern, als es auf der für uns derzeit niedrigst möglichen Beschreibungsebene der Natur angesiedelt ist. Damit ist jedwedes Ausweichen der Reduktionisten auf eine mögliche Erklärbarkeit auf einer noch niedrigeren Ebene (vorerst?) ausgeschlossen.

Einstein, Podolski und Rosenberg stellten 1935 ein Gedankenexperiment zur Diskussion, mit der sie die Unvollständigkeit der Quantentheorie für eine Naturbeschreibung zeigen wollten. In seiner originalen Fassung wurde dieses Experiment niemals realisiert, aber John Bell hat in den 60er Jahren eine andere Variante vorgeschlagen, mit deren Ergebnis einige offen gebliebene Fragen beantwortet werden konnten. Heute trägt die (Un)Gleichung für die Bewertung der Folgen des Experiments seinen Namen: Bellsche Ungleichung.

Worin bestand die Kritik Einsteins, Podolskis und Rosenbergs? Nach der Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik werden dem Experimentator unbekannte Teilcheneigenschaften erst zum Zeitpunkt der Messung festgelegt. Wenn jetzt die Messung an zwei räumlich entfernten Teilchen, die aber in ihren Eigenschaften z.B. durch Erhaltungssätze streng miteinander gekoppelt sind, gleichzeitig stattfindet, wie soll dann das Messergebnis an dem einen Teilchen rechtzeitig vor der Messung bei dem anderen Teilchen eintreffen? Einstein, Podolski und Rosenberg vermuteten deshalb die Existenz verborgener Variabler. Irgend etwas in den Teilchen müsse bereits die Informationen enthalten, die bei der Messung nicht festgelegt, sondern bloß offenbart werden. Da die Quantenmechanik diese Variablen nicht enthalte, könne sie keine vollständige Beschreibung der Natur auf Quantenebene sein.

John Bell hatte die Idee, das Experiment durch Messung des Spins an Teilchenpaaren durchzuführen. Der Spin eines Teilchens ist eine richtungsabhängige Größe, der für Teilchen nur feste Werte annehmen kann. Misst man den Spin desselben Teilchens an einer anderen Stelle unter einem anderen Winkel, dann hängt der Erwartungswert des Messwertes am zweiten Ort vom Winkel zwischen beiden Messrichtungen ab. – Nur der Erwartungswert, denn der Spin kann, wie bereits erwähnt, nur feste Werte annehmen. Man muss das Experiment also viele Male wiederholen, um die theoretische Vorhersage zu bestätigen.

In Bells Experiment wird ein Teilchenpaar erzeugt, dessen beide Teilchen in verschiedene Richtungen davonfliegen und getrennt voneinander analysiert werden können. Wenn man jetzt die zweite Messung, anstelle am ersten Teilchen, an einem zweiten Ort an dem zweiten Teilchen durchführt, dann müssen beide Messergebnisse ebenfalls miteinander korreliert sein, denn für den Spin gilt, genauso wie für viele andere Größen, ein Erhaltungssatz. Misst man den Spin am zweiten Teilchen in derselben Richtung wie am ersten, dann erhält man genau den entgegengesetzten Wert, denn der Gesamtspin des Teilchenpaares muss Null ergeben, weil der Gesamtspin vor der Teilung des Paares ebenfalls null war. Misst man in einer anderen Richtung, dann muss sich eine Winkelabhängigkeit ergeben.

Bells Idee um herauszufinden, ob es die verborgenen Variablen gibt, war: Gibt es die verborgene Variable, die den Spin bereits vor der Messung festlegt, dann sind die beiden Messergebnisse über jeweils den vorbestimmten, aber unbekannten Winkel der verborgenen Variablen korreliert. Gibt es keine verborgenen Variablen, dann sind sie mit dem Winkel zwischen den beiden Messrichtungen korreliert.

So liefert eine einfache geometrische Überlegung eine unterschiedliche Vorhersage für beide Theorien. Die Versuchsergebnisse waren bisher immer eindeutig: Es gibt keine verborgenen Variablen, das Messergebnis am ersten Teilchen bestimmt instantan (ohne Zeitverzögerung) den Erwartungswert des Messwertes am zweiten Teilchen. In diesem Fall behielt Einstein also Unrecht, die Quantenphysik liefert eine vollständige Beschreibung der Naturphänomene, die von ihr beschrieben werden. (Das ist eine gewollte Tautologie im letzten Satz!)

Drei Prinzipien der Natur werden durch die Quantenmechanik in Frage gestellt:

·        Kausalität

·        Lokalität

·        Realität

Die Kausalität wird durch die Heisenbergsche Unschärferelation "beerdigt". Heisenberg sagte einmal sinngemäß sehr treffend, dass eine exakte Vorhersage der Zukunft schon allein dadurch scheitert, dass wir die Gegenwart nicht genügend genau kennen können.

Die Lokalität wird dadurch infrage gestellt, dass die beiden Teilchen offenbar keine Zeit benötigen, um sich über ihr korreliertes Ergebnis zu „verständigen“. Man muss aber beachten, dass dadurch keine Informationsübertragung stattfinden kann, denn das Ergebnis am ersten Teilchen ist rein zufällig. Die Korrelation kann man erst nutzen, wenn die Information über die Messung an dem einen Teilchen beim jeweils anderen eintrifft – maximal mit Lichtgeschwindigkeit. Man könnte die Lokalität noch durch die Temporalität ergänzen, denn die Messungen an dem anderen Teilchen könnten ja nicht nur an einem anderen Ort, sondern auch zu einem anderen Zeitpunkt stattfinden (in der Vergangenheit oder in der Zukunft) und wären stets mit der aktuellen Messung am ersten Teilchen korreliert – für einen Beobachter beider Messungen.

Der Realitätsbegriff wird durch die Nichtexistenz der verborgenen Variablen problematisiert. Die Kopenhagener Deutung führt folgerichtig zur Schlussfolgerung, dass man eine beobachterunabhängige Realität nicht voraussetzen kann. (Einsteins berühmte Frage: Existiert der Mond nur, wenn wir hinsehen?) Die Aussage, dass natürlich Teilchen auch ohne unsere Anwesenheit miteinander wechselwirken, ändert daran – an unserem ausgezeichneten Standort als Beobachter – prinzipiell nichts. Die beiden anderen bekannten Deutungen der Quantenmechanik (die Bohmsche Mechanik und die Everettsche Viele-Welten-Theorie) verbessern die Situation nicht wirklich, denn z.B. Everetts Theorie erfordert die Annahme unbeobachtbarer Welten.

Hier interessiert aber ein ganz anderer Aspekt des Experiments: Der Wert des Spins wird im Moment der Messung festgelegt. Vorher war er unbestimmt, der Spin hatte keinen Wert. Übertragen wir diese Aussage auf den Begriff der Farbe und nehmen wir an, dass es nur drei Farbwerte gibt: Rot, grün und blau. Angenommen, wir haben ein Objekt, das, wenn wir hinschauen, eine dieser drei Farben zeigt. Vorher war der Farbwert unbestimmt, also weder rot, noch grün oder blau. Ist es sinnvoll zu sagen, das Objekt besitzt eine Farbe, die durch die drei Farbwerte rot, grün und blau definiert ist, aber das Objekt ist weder rot, noch grün oder blau, weil niemand hingeschaut hat?

Meiner Meinung entsteht dieses zentrale Problem der Quantenmechanik dadurch, dass man behauptet, das Teilchen hätte einen Spin, und nur dessen Wert läge nicht fest. Wenn man aber den Spin nicht als eine Eigenschaft des Teilchens, sondern der Wechselwirkung des Teilchens ansieht, verschwindet das Problem. Das Teilchen erhält die Eigenschaft Spin mitsamt seines Werts erst im Moment der Wechselwirkung. Das bedeutet jedoch nicht, es gäbe keine festen Regeln, bei welchen Wechselwirkungen welche Eigenschaften entstehen, deren Werte gemessen werden können.

Diese Betrachtungsweise löst auch das Problem der Lokalität. Wenn der Spin keine Teilcheneigenschaft ist, muss man nicht erklären, wie diese Eigenschaft von einem zum anderen Teilchen gelangt. Denn hier wechselwirken drei Partner, und diese Dreierschaft „weiß“ um die Korrelation, weil der Beobachter in die Paarerzeugung involviert war und die Ergebnisse beider Messungen in Übereinstimmung mit den Begrenzungen der Relativitätstheorie erhält.

Auch auf einem anderen Gebiet der Physik findet man einen Hinweis darauf, dass für die Informationen nicht die Menge der Teilchen, sondern die der Wechselwirkungen entscheidend ist. Laut der Beckensteingrenze ist die Informationsmenge einer bestimmten Masse nicht linear zu dieser, sondern quadratisch von ihr abhängig – ganz einfach, weil jedes Teilchen prinzipiell mit jedem wechselwirken kann.

Abschließend deshalb das (vorläufige) Fazit, dass durch einen einfachen Reduktionismus bestimmte Vorgänge einfach deshalb prinzipiell nicht erklärt werden können, weil man für eine Beschreibung auf einer niedrigeren Ebene auch quantitativ die Menge des Untersuchten reduzieren muss und bei dieser Reduktion zwangsläufig Wechselwirkungen verschwinden. Sie sind aber nicht deshalb Illusionen, weil sie verschwunden sind, sondern weil sie auf einer niedrigeren Ebene mangels der dort zur Verfügung stehenden Komplexität der Wechselwirkungen einfach nicht mehr auftreten können.

Gastbeitrag von: Dr. Ralf Poschmann

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