Während
wir auf den Übertragungsbeginn eines Playoff-Spiels der Europa League warteten,
tauschten Hans
Diel
und ich uns über sein Doppelschlitzpapier [1] aus. Wegen des Spaßes, den ich
dabei hatte, schrieb ich meine Fragen auf. Hans Diel war freundlicherweise
bereit, sie auch schriftlich zu beantworten. Damit hatten wir unseren nächsten
Blog-Eintrag zum Thema Quantentheorie (QT). Da ich reiner Laie bin, vermeide
ich das Wort Fachgespräch. Es läßt sich eher als freundschaftliches Palaver
bezeichnen. Wir setzen damit unsere Diskussionen fort, die im März 2011 begannen.
Begriffsstutziger
Dummy (BD):
Die Kernaussage Ihres jüngsten Papiers möchte ich wie folgt paraphrasieren: Feynman
sagt: Wenn immer feststellbar ist, welchen Weg die Photonen nach der
Schlitzwand nehmen, dann ist der Spuk vorbei. Diel sagt: Wird festgestellt,
welchen Weg.… Worin liegt der Unterschied dieser Aussagen? Ist die eine Vorbedingung
rein hypothetisch, im Sinne von ‚es existiert ein Verfahren, das feststellen
kann…‘, die andere dagegen auf konkrete Fälle bezogen, also auf eine reale
Situation beschränkt?
Hans
Diel (HD):
Wie Sie wissen, war der Auslöser für meine Kritik an Feynmans Regel mein
Versuch ein Computermodell zu erstellen, welches u. a. das
Doppelschlitz-Experiment simulieren können sollte. Mein Computermodell muss
also an einer Stelle entscheiden, soll das Interferenzbild gebaut werden oder
nicht. Ein Entscheidungskriterium wie
„wenn immer feststellbar ist, welchen Weg die Photonen nach der
Schlitzwand nehmen“ hilft mir dabei überhaupt nicht, es sei denn es wird irgendwo
genau definiert wie bei Experimenten der Quantenphysik generell entschieden
werden kann, ob „feststellbar ist, welchen ….. „. Eine derartige Definition
oder Erklärung gibt es jedoch in der gesamten (Literatur zur) Quantenphysik
nicht; aus dem einfachen Grund, weil man dabei schnell bei einem anderen
Problemgebiet der Quantenphysik, dem Messproblem der Quantenphysik landet
(siehe auch unten). Ich wollte nicht den Eindruck erwecken, dass die
Formulierung „Wird festgestellt, welchen Weg … „ ein letztlich besseres
Entscheidungskriterium liefert. Mein Vorschlag für ein „faktbezogenes“
Entscheidungskriterium wird gegen Ende meines Artikels geliefert.
Ich
muss noch hinzufügen, dass ich zu der Überzeugung gelangt bin, dass die von mir
kritisierte Feynman-Regel nicht nur ein Problem für die Entwickler von Computermodellen
darstellt, sondern dass hier m.E. eine generelle Schwachstelle der Quantenphysik
vorliegt.
BD: Verstehe ich Sie
richtig, dass in der QT Messgerät und Messobjekt immer Information austauschen?
Ich kann mir nicht vorstellen, dass zwei Steine, die kollidieren, Information
austauschen? Sie merken sich doch nichts. Anders die Meeresschnecke (Aplysia).
Rannte sie gegen einen Stein (selbst im Schneckentempo), dann merkt sie sich
das. Sie speichert etwas in ihrem Gedächtnis. Aber doch nicht die Steine? Nur
ein (intelligenter) Beobachter kann feststellen, dass sie jetzt anders liegen
als vorher.
HD: Sie haben in unserer
Diskussion einmal die Formulierung „Spuren hinterlassen“ benutzt. Wenn Sie also
anstatt „Information austauschen“ sagen „Spuren hinterlassen“ trifft es das,
was ich sagen wollte, erspart uns aber eine Diskussion zum Thema
„Information“. Allerdings möchte ich im
Zusammenhang mit dem Thema „Messen“ doch lieber den Begriff „Information“ oder „Information hinterlassen“
verwenden. Ich sage also „Bei einem
Messvorgang hinterlässt das Messobjekt Information im Messgerät“. (Die
Formulierung „Informationsaustausch“ ist etwas weniger glücklich, weil das nach
genereller Symmetrie klingt. Bei „Information
hinterlassen“ wird eher deutlich,
dass dies nur auf der Seite des Messgeräts passieren kann.)
Zu
„Meeresschnecke“ und „Stein“: Wenn Sie darauf bestehen, dass Information nur
bei einem (intelligenten) Beobachter hinterlassen werden kann, kann ich
nicht mehr weiter argumentieren. Dann
müssten wir gemeinsam nach einer Alternativformulierung suchen, die Ihrem
Informationsverständnis gerecht wird.
BD: Ich wiederholte den
Begriff ‚Spuren‘ deshalb nicht, weil man bei einem Stein sofort an gut
sichtbare Schrammen denkt. Diese können auch nach Jahrhunderten noch von einem
informationsverarbeitenden Wesen oder Gerät als Information interpretiert
werden. Nicht jeder Kontakt oder jede Kollision hinterlässt sichtbare Spuren. Aber
lassen wir dieses Thema. Muss jedes Objekt, das unter den Einfluss eines
Kraftfelds gerät, wissen, was mit ihm geschieht? Muss es die Kommunikation, die
stattfindet, interpretieren können?
HD: Begriffe wie „Wissen“
und „Kommunikation interpretieren“ sind für die Physik Fremdworte. Wenn Sie fragen
wollen, ob ein Kraftfeld an einem Objekt, auf das es einwirkt, Spuren
(=Information) hinterlässt, macht das für die Physik schon mehr Sinn. Meine
Antwort: Meistens verändert das Kraftfeld nur die Bahn des Objekts auf welches
es einwirkt. Beispiel für Änderungen am Objekt selbst: Ebbe und Flut.
BD: Dass viele Dinge,
die es gibt, für Physiker Fremdworte sind, ist bekannt. Deshalb sollten
Physiker vorsichtig sein, wenn sie behaupten, sie könnten alles erklären. Sehr
zentral ist für Sie der Begriff Interaktion. Findet Interaktion (Attraktion
oder Abstoßung) statt, befinden sich beide Objekte doch (meist) in einem
gemeinsamen Kraftfeld. So etwa Mond, Erde und Sonne, oder zwei Steine, die denselben
Hang herunterkullern. Ist Interaktion möglich, wenn zwei Objekte sich nicht in
einem gemeinsamen Kraftfeld befinden? Wer oder was verursacht bzw. betreibt
dann die Interaktion?
HD: Ihre Fragen haben
(wieder einmal) viel mit Begriffsdefinition neben Physikverständnis zu tun. Ich
will versuchen die zwei Aspekte zu trennen. Interaktion (verursacht durch die
Kollision zweier Objekte) hat nicht unbedingt etwas mit Kraftfeldern zu tun.
Wenn irgendwo im Universum zwei Kometen aufeinander treffen, dann gibt es eine
gewisse (kleine) Wahrscheinlichkeit, dass dies in einem Gebiet geschieht in dem
die Wirkung von Kraftfeldern gegen Null geht. Die Interaktion (im Zusammenhang
mit einer Kollision) ist einfach die Folge davon, dass sich die Bahnen der beiden
an einem gemeinsamen Raumzeitpunkt treffen. Wenn es Ihnen gelänge, plötzlich alle Kraftfelder im
Sonnensystem auf Null zu setzen, gäbe es vermutlich eher mehr als weniger
Interaktionen.
Interaktion
hat eher etwas mit Energie (anstatt Kraft und Kraftfeld) zu tun. Man könnte
sagen, damit eine Interaktion im Sinne von Informationsaustausch (oder Spuren
hinterlassen) stattfinden kann, muss ein Minimum an gemeinsamer Energie im
Spiel sein. (diese Formulierung setzt ein bestimmtes Verständnis von einer
Reihe von Begriffen voraus.)
BD: Kann in der QT Interaktion
stattfinden, ohne dass Kommunikation erfolgt?
HD: Auf der Ebene der Quantenfeldtheorie
kann eine Interaktion/Kollision zweier Partikel eine Vielfalt von möglichen
Resultaten (=hinterlassene Spuren) mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten
haben, einschließlich der, dass keine Spuren hinterlassen werden. Es kann Sie
niemand daran hindern in dem Fall, wenn keine Spuren hinterlassen werden, zu
sagen „es hat keine Interaktion stattgefunden“.
BD: Meine Vorstellung
von Messung ist die folgende: Man legt zwei Dinge, die an sich nichts
miteinander zu tun haben (und auch nicht interagieren), neben einander und
sagt, ich halte die für gleich oder nicht gleich. Das kann die Länge betreffen,
das Gewicht (Erdanziehung), den Geruch, die elektro-magnetische Strahlung, usw.
Kann es sein, dass Quantenphysiker anders messen? Werden hier Messgeräte beim
Messen verändert?
HD: Die Quantenphysiker
messen andere Sachen, z.B. im CERN die
Art von Teilchen die entstehen, wenn zwei Protonen mit hoher Energie
aufeinander treffen, oder die Temperatur bei der bestimmte Stoffe
supraleitfähig werden. Das unterschiedliche Verständnis, welches die
Quantenphysiker und die Vermesser klassischer Größen vom Messen haben, kommt
jedoch daher, dass in der Quantenphysik der Messvorgang eine ganz spezielle
Rolle spielt, die außerhalb der Gesetzmäßigkeiten der „normalen“ Quantenphysik,
und erst recht außerhalb der klassischen Physik liegt. Die „normale“
Quantenphysik beschreibt die Entwicklung von Wahrscheinlichkeiten (genauer
Wahrscheinlichkeitsamplituden). Durch den Messvorgang werden aus den
Wahrscheinlichkeiten tatsächliche Fakten. Eine zufrieden stellende Erklärung
für die dabei auftretenden Phänomene konnte bisher noch nicht gefunden werden
(Messproblem der Quantenphysik).
BD: Festzustellen, ob es
Partikel einer unbestimmten Art gibt, mit Messen zu bezeichnen, trägt m. E. nicht
zu klarer Sprache bei. Beeinflussen unsere Augen die gesehenen Objekte? Wird
ein Lichtstrahl, der über Millionen von Spiegeln weitergeleitet wird, nicht
verändert? Bleibt er immer gleich hell oder gleich polarisiert?
HD: Unsere Augen
beeinflussen Objekte, die ihnen die Information überbringen. Die Photonen, die
die Information übermitteln, werden vernichtet. (Eine Messung besteht in der
Regel aus einer Kette von Informationsaustauschen.) Ein einzelnes Photon,
welches durch Millionen von Spiegeln weitergeleitet wird, verändert sich
theoretisch nicht, außer, dass sich seine Bewegungsrichtung ändert. Ein
Lichtstrahl besteht aus vielen Photonen. Die Gesamtheit der Photonen kann sich
schon eher ändern, z.B., wenn die Spiegel nur zu 99,9 % reflektieren (was in
der Quantenwelt normal wäre).
Auch
Peter Hiemann (PH) aus Grasse kommentierte das Doppelschlitzpapier. Hans Diels Anworten sind eingefügt:
PH: Wenn
ich recht verstehe, gilt nach wie vor für Physiker die Arbeitshypothese, dass
alle Naturphänomene letztlich mittels vier absolut geltenden physikalischen
Grundkräften und einer Reihe von Naturkonstanten erklärt werden können. Lee
Smolin und Robert Laughlin versuchen derzeit, ein paar neue Aspekte in der
theoretischen Physik zu berücksichtigen: Smolin den Aspekt der Zeit, Laughlin
den Aspekt der Emergenz. Die letzten beiden Physiker weisen also darauf hin,
dass beim Verständnis der Prozesse und der Geschichte physikalischer Systeme
zusätzlich evolutionäre Prinzipien eine Rolle spielen könnten.
HD: Die Arbeitshypothese, nach der es die vier Grundkräfte gibt, besteht und wird auch von Smolin und Laughlin nicht in Zweifel gezogen, wenn diese über Emergenz, Zeit, und Evolution schreiben. Smolin hat übrigens auch Überlegungen zu evolutionären Entwicklungen bei der Entstehung von Universen (Plural!) in seinem Buch „The Life of the Cosmos“ beschrieben. Bei den Themen Evolution und Emergenz fühle ich mich zu wenig kompetent, um beurteilen zu können, ob Smolin und Laughlin hier mehr als physikphilosophische Spekulationen publizieren. Ich beobachte nur ganz allgemein, dass je mehr die Leute von einem speziellen Beispiel dazu übergehen allgemeine Prinzipien zu formulieren, umso verschwommener interpretieren sie diese Prinzipien. Dies gilt für renommierte Wissenschaftler (Smolin, Laughlin, Penrose, etc. , weil sie meinen, dass die Leute von ihnen (oder zumindest ihren Büchern) die Entdeckung neuer allgemeiner Prinzipien erwarten) genauso wie für Amateurphysiker (wie mich, weil sie ihren Kenntnisstand überschätzen.
PH: Das Paper enthält einen Hinweis, dass auch Sie überlegen, eventuell evolutionäre Aspekte in Ihrer Arbeit zu berücksichtigen: „A functional interpretation (or functional description) specifies the dynamic evolution of the system in terms of state transitions and explicit actions and events.”
HD: Wenn ich in meinen Papers das Wort „Evolution“ benutze, meine ich dabei immer die allgemeine (zeitliche) Weiterentwicklung eines physikalischen Systems, nicht die spezielle Art von Weiterentwicklung, die man in der Biologie mit dem Begriff „Evolution“ verbindet. Da meine Veröffentlichungen alle in Englisch sind, glaube ich, ist dies korrekt. Nur, wenn man es nach Deutsch übersetzt, wird es zweideutig.
PH: Das Paper könnte viel gewinnen, wenn Sie explizit beschreiben könnten, welche Interaktionen zwischen Elektronen und Photonen in der Zeit entsprechend Ihrer Arbeitshypothese in dem gewählten Experiment Sie sich vorstellen und wie sich die „state of transition“ (der Quantenzustand?) des Gesamtsystems dynamisch verändert.
HD: Dies ist recht ausführlich adressiert in drei meiner Veröffentlichungen, am ausführlichsten in [2].
HD: Die Arbeitshypothese, nach der es die vier Grundkräfte gibt, besteht und wird auch von Smolin und Laughlin nicht in Zweifel gezogen, wenn diese über Emergenz, Zeit, und Evolution schreiben. Smolin hat übrigens auch Überlegungen zu evolutionären Entwicklungen bei der Entstehung von Universen (Plural!) in seinem Buch „The Life of the Cosmos“ beschrieben. Bei den Themen Evolution und Emergenz fühle ich mich zu wenig kompetent, um beurteilen zu können, ob Smolin und Laughlin hier mehr als physikphilosophische Spekulationen publizieren. Ich beobachte nur ganz allgemein, dass je mehr die Leute von einem speziellen Beispiel dazu übergehen allgemeine Prinzipien zu formulieren, umso verschwommener interpretieren sie diese Prinzipien. Dies gilt für renommierte Wissenschaftler (Smolin, Laughlin, Penrose, etc. , weil sie meinen, dass die Leute von ihnen (oder zumindest ihren Büchern) die Entdeckung neuer allgemeiner Prinzipien erwarten) genauso wie für Amateurphysiker (wie mich, weil sie ihren Kenntnisstand überschätzen.
PH: Das Paper enthält einen Hinweis, dass auch Sie überlegen, eventuell evolutionäre Aspekte in Ihrer Arbeit zu berücksichtigen: „A functional interpretation (or functional description) specifies the dynamic evolution of the system in terms of state transitions and explicit actions and events.”
HD: Wenn ich in meinen Papers das Wort „Evolution“ benutze, meine ich dabei immer die allgemeine (zeitliche) Weiterentwicklung eines physikalischen Systems, nicht die spezielle Art von Weiterentwicklung, die man in der Biologie mit dem Begriff „Evolution“ verbindet. Da meine Veröffentlichungen alle in Englisch sind, glaube ich, ist dies korrekt. Nur, wenn man es nach Deutsch übersetzt, wird es zweideutig.
PH: Das Paper könnte viel gewinnen, wenn Sie explizit beschreiben könnten, welche Interaktionen zwischen Elektronen und Photonen in der Zeit entsprechend Ihrer Arbeitshypothese in dem gewählten Experiment Sie sich vorstellen und wie sich die „state of transition“ (der Quantenzustand?) des Gesamtsystems dynamisch verändert.
HD: Dies ist recht ausführlich adressiert in drei meiner Veröffentlichungen, am ausführlichsten in [2].
PH: Ich
verfolge übrigens Ihre Arbeit mit großem Interesse, weil ich vermute, dass Ihr
physikalischer Ansatz über die Wirkung von vier physikalischen Grundkräften hinausgeht.
Ihre Überlegungen interpretiere ich als einen Ansatz, die Entstehung, Erhaltung
und Veränderung physikalische Strukturen (auch kosmologischer) nicht (allein)
auf der Basis physikalischer Kräfte sondern mittels Interaktionen zwischen
physikalischen Elementarteilchen erklären zu können. Meines Erachtens
beschreiben die Graphen der Feynmanschen QED keine Wechselwirkungen zwischen
Elementarteilchen, sondern Ereignisse des Zusammentreffens einiger
Elementarteilchen. Die physikalisch wirksamen Interaktionen scheinen sich auf
dem Niveau der Quarks abzuspielen.
HD: Ich bemühe mich sehr, die Erkenntnisse der modernen Physik nicht in Frage zu stellen, sondern konzentriere mich darauf beim Stopfen von vermeintlichen Löchern in der Theorie vielleicht einen Beitrag leisten zu können. Dabei meine ich jedoch (in aller Unbescheidenheit) einige bisher nicht benannte Löcher entdeckt zu haben. Interaktionen auf der Ebene der Quantenfeldtheorie sind tatsächlich ein zentrales Thema meiner Arbeiten. Feynman hat hier die Quantenfeldtheorie enorm vorangebracht. Trotzdem gibt es auch da noch gewisse „Löcher“ (wie Feynman selbst gesteht). „Interaktionen zwischen Elementarteilchen“ sind das gleiche wie „Zusammentreffen von Elementarteilchen“, wenn man bedenkt, dass ein Teilchen immer auch eine (räumlich ausgedehnte) Welle ist. Die physikalisch wirksamen Interaktionen können sich auf der Ebene der zusammengesetzten Objekte (Atome, Atomkerne, Hadronen (z.B. Protonen)) abspielen oder auch (wenn hinreichend Energie im Spiel ist) auf der Ebene der elementaren Teilchen (z.B. Elektronen, Photonen, Quarks) abspielen.
HD: Ich bemühe mich sehr, die Erkenntnisse der modernen Physik nicht in Frage zu stellen, sondern konzentriere mich darauf beim Stopfen von vermeintlichen Löchern in der Theorie vielleicht einen Beitrag leisten zu können. Dabei meine ich jedoch (in aller Unbescheidenheit) einige bisher nicht benannte Löcher entdeckt zu haben. Interaktionen auf der Ebene der Quantenfeldtheorie sind tatsächlich ein zentrales Thema meiner Arbeiten. Feynman hat hier die Quantenfeldtheorie enorm vorangebracht. Trotzdem gibt es auch da noch gewisse „Löcher“ (wie Feynman selbst gesteht). „Interaktionen zwischen Elementarteilchen“ sind das gleiche wie „Zusammentreffen von Elementarteilchen“, wenn man bedenkt, dass ein Teilchen immer auch eine (räumlich ausgedehnte) Welle ist. Die physikalisch wirksamen Interaktionen können sich auf der Ebene der zusammengesetzten Objekte (Atome, Atomkerne, Hadronen (z.B. Protonen)) abspielen oder auch (wenn hinreichend Energie im Spiel ist) auf der Ebene der elementaren Teilchen (z.B. Elektronen, Photonen, Quarks) abspielen.
PH: Übrigens erinnert mich Ihre Situation an die Geschichte der Formulierung biologischer Arbeitshypothesen. Noch im 18. Jahrhundert postulierten Biologen, dass 'vitale Kräfte' für die Entstehung biologischer Strukturen ursächlich seien. Heute werden alle biologischen Phänomene letztlich auf molekularbiologische Interaktionen zurückgeführt. Bei biologischen Interaktionen geht es übrigens nicht um den Austausch von Information. Vielmehr erklären fortlaufende vielfältige Interaktionen zwischen vielfältigen biologisch aktiven Molekülen, die nach dem Prinzip 'Schlüssel-Schloss' wechselwirken, die Entstehung, Erhaltung und Veränderung biologischer Zustände und Strukturen. In der Geschichte neu auftauchende biologische Strukturen sind das Resultat evolutionär programmatisch wirksamer Veränderungen in einem Gesamtsystem (einer Art).
HD: Nach meinem Verständnis von „Information“, das sicher umstritten ist, findet bei einer Interaktion immer auch ein Austausch von Information statt. Eine weniger kontroverse Formulierung ist: Eine Interaktion hinterlässt (fast) immer Spuren bei mindestens einem der Beteiligten (siehe oben).
Referenzen
1. Diel, H.D.: An improved "interference collapse rule" of quantum mechanics. http://arXiv 1405:6099v2.
2, Diel, H.D.: A Lagrangian-driven Cellular Automaton supporting Quantum Field Theory. http://arxiv.org/abs/1507.08277.