Gedankenexperiment Physik

In ihren Anfängen hat die Quantenmechanik die Welt der Wissenschaft dermaßen auf den Kopf gestellt, dass es vielen in der Physik schwerfiel, ihre Theorien zu glauben. Daraufhin entwarfen sie Gedankenexperimente, um zu zeigen, wie abstrus einige dieser Theorien sind. Nicht mal Albert Einstein ist davon unberührt geblieben. So äußerte er seinen Missmut in einem Brief an Max Born:

Haben quantenmechanische Gedankenexperimente etwa mit etwas Paranormalem zu tun? Immerhin hat Erwin Schrödinger ebenfalls über untote Katzen berichtet und auch Pierre-Simon Laplace schien über Dämonen nachgedacht zu haben. Nun wird es höchste Zeit, diesem Spuk auf den Grund zu gehen!

Quantenmechanik

Die Quantenmechanik gilt als ein seltsames und komplexes Teilgebiet der Physik: Teilweise, weil sie sich mit abstrakten Theorien beschäftigt und teilweise ihrer interessanten Gedankenexperimente wegen. Aber was genau ist ein Gedankenexperiment und kannst auch Du eines durchführen?

Gedankenexperiment einfach erklärt

Ein Gedankenexperiment muss nicht einmal etwas mit Physik zu tun haben. Gedankenexperimente gibt es nämlich auch in anderen Wissenschaften und eine besondere Rolle spielen sie in der Philosophie. Ein bekanntes philosophisches Gedankenexperiment ist das Gehirn im Tank.

Inwieweit unsere wahrgenommene Realität auch wirklich existiert, ist eine Frage der Philosophie und vermutlich nicht so einfach zu beantworten. Wenden wir uns deshalb lieber den Sachen zu, die wir beantworten können.

In der Physik sind Gedankenexperimente unter anderem für die Quantenmechanik wichtig. Dort dienen sie dazu, bestimmte Theorien zu bestätigen, zu widerlegen oder ihre Konsequenzen aufzuzeigen. Diese Gedankenexperimente können dabei nicht auf dieselbe Weise in der Realität durchgeführt werden – anderenfalls könntest Du nämlich einen realen Versuch machen und müsstest nicht in Deinen Gedanken experimentieren.

Gedankenexperiment Aufbau

Wird eine bestehende Theorie hinterfragt, so kannst Du sie mit einem Gedankenexperiment überprüfen. Dazu denkst Du Dir ein Szenario aus, indem sich ein Paradoxon oder eine andere tiefgreifende Folgerung für die Realität ergibt. Bei manchen Theorien eignen sich dabei überspitze Szenarien, oft mit Analogien aus der Welt des Paranormalen, um die Eigenheiten dieser Theorie hervorzuheben.

Dabei spielt es in erster Linie keine große Rolle, ob Dein Gedankenexperiment auch in der realen Welt durchgeführt werden kann. Tatsächlich waren viele Gedankenexperimente noch nicht durchführbar, als sie veröffentlicht wurden. Manche konnten mittlerweile auch experimentell nachgestellt werden, andere nicht. Andere wiederum sind gar nicht durchführbar, wie beispielsweise Einsteins Ritt auf dem Lichtstrahl.

Für ein Gedankenexperiment benötigst Du zunächst eine Fragestellung. Um diese herum baust Du dann Dein Szenario und wertest Deine Ergebnisse anschließend aus. Dieser Ablauf ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt:

Die Fragestellung ordnet das Gedankenexperiment einem bestimmten Thema zu. Das Szenario kann eine bestimmte Situation oder, wie in der Physik, ein hypothetisches Experiment darstellen. Die anschließende Auswertung führt zu Rückschlüssen über die Theorie hinter Deiner Fragestellung.

Gedankenexperiment durchführen

Im Grunde genommen stellst Du Dir bei einem Gedankenexperiment also ein Szenario vor, das nicht bestehen muss. Solche Annahmen werden oft durch

oder

eingeleitet. Dieses Szenario könnte auch ein reales Experiment beschreiben. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Experiment noch nicht durchführbar ist, weil es moralisch nicht vertretbar ist oder weil es noch keine denkbare Messapparatur dafür gibt.

Lass uns aber zunächst einige der bekanntesten Gedankenexperimente anschauen, bevor Du damit anfängst, selbst in Deinen Gedanken zu experimentieren.

Berühmte Gedankenexperimente der Quantenmechanik

Ein berühmtes Gedankenexperiment beinhaltet deterministische Annahmen und beeinflusst somit den Gedankengang. Dabei handelt es sich um den sogenannten Laplace'schen Dämon.

Gedankenexperiment Physik – Laplace'scher Dämon

Im Jahr 1814 wurde von Pierre-Simon Laplace ein hypothetisches, allwissendes Wesen beschrieben:

Nach Laplace gibt es also eine Intelligenz, die in der Gegenwart lebt. Sie kennt alle Naturgesetze und den aktuellen Zustand der Welt im Detail. Theoretisch könnte sie damit aus dem jetzigen Zustand jeden beliebigen Zeitpunkt aus der Vergangenheit und Zukunft berechnen.

Diese sogenannte Intelligenz ist heutzutage besser bekannt als Laplace'scher Dämon. Mit seiner Allwissenheit verdeutlicht er die Folgen des Determinismus.

Obwohl der Determinismus inzwischen viele Zweifel aufgebracht hat, war er im 19. und 20. Jahrhundert eine weitverbreitete Ansicht.

Gedankenexperiment Einstein – EPR-Paradoxon

Das EPR-Experiment wurde 1935 von Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen veröffentlicht und widmet sich zwei verschränkten Systemen, beispielsweise Teilchen.

Verschränkt bedeutet dabei, dass der Zustand des einen Systems auch den Zustand des zweiten Systems beeinflusst. Dies kannst Du Dir anhand eines Beispiels verdeutlichen. Da die klassische Physik greifbarer ist als die Quantenwelt, beginnen wir auch in der klassischen Welt:

Die Verschränkung hat eine weitere, interessante Eigenschaft: Bevor Du die Münzen wirfst und nach dem Ergebnis schaust, kannst Du nicht sagen, was welche Münze zeigt. Das Ergebnis der einzelnen Münzen kannst Du also nicht genau vorhersagen, denn jede Münze könnte mit 50-prozentiger Wahrscheinlichkeit Kopf oder Zahl zeigen. Was Du allerdings exakt vorhersagen kannst, ist das Ergebnis für das Gesamtsystem: Die Münzen müssen Unterschiedliches zeigen.

Im EPR-Experiment betrachtest Du zwei verschränkte Systeme (System I und System II), die räumlich getrennt werden. Am System I misst Du dann den Impuls direkt mit einer Messapparatur. Wegen der Verschränkung erfährst Du somit auch direkt, welchen Impuls System II hat.

Wenn Du schon den Impuls von System I direkt gemessen hast, dann kannst Du an diesem keine Ortsmessung mehr durchführen. Dies verbietet nämlich die Heisenbergsche Unschärferelation. Das Gleiche gilt natürlich auch, wenn Du hier den Ort misst – in diesem Fall könntest Du keine direkte Impulsmessung mehr durchführen.

Um den Ort (bzw. den Impuls) trotzdem zu bestimmen, nutzt Du an dieser Stelle die Verschränkung aus: Wenn Du an System I den Impuls direkt gemessen hast, dann hat diese Messung keinen direkten Einfluss auf den Zustand von System II, da die beiden Systeme räumlich getrennt sind. Allerdings erfährst Du bei der Impulsmessung an System I auch den Impuls von System II, weil die Systeme verschränkt sind. Du bestimmst den Impuls von System II also auf indirektem Weg.

Solange Du den Impuls von System II nicht ebenfalls direkt misst, spricht nichts dagegen, hier eine Ortsmessung durchzuführen. Aus dieser Ortsmessung kannst Du dann, weil die beiden Systeme verschränkt sind, den Ort von System I bestimmen.

Schematisch kannst Du es Dir folgendermaßen vorstellen:

Kannst Du hier Einsteins "spukhafte Fernwirkungen" wiederfinden? Vermutlich nicht, denn soweit schien das Gedankenexperiment doch eher weltlicher Natur zu sein. Als es jedoch veröffentlicht wurde, würde allerdings nicht jeder Physiker oder Physikerin dieser Logik zustimmen – nicht umsonst wird es zuweilen auch EPR-Paradoxon genannt.

Gedankenexperiment Physik – Schrödingers Katze

Im selben Jahr wie das EPR-Paradoxon entwickelte Erwin Schrödinger ein weiteres Gedankenexperiment, das nicht zuletzt wegen der skurrilen Durchführung als Schrödingers Katze in die Geschichte eingegangen ist. Sein Versuch hatte allerdings nichts mit Tierversuchen zu tun. Vielmehr wollte Schrödinger veranschaulichen, wie problematisch es sein kann, quantenmechanische Theorien auf makroskopische Systeme anzuwenden. Und was eignet sich besser zur Darstellung eines makroskopischen Systems als eine Katze?

Schrödingers Katze sitzt in einer geschlossenen Kiste. Neben der Katze befinden sich ein radioaktives Atom, ein Detektor mit einem Schlaghammer sowie ein Gefäß mit Gift:

Sobald der Kern zerfällt, wird der Zerfall sofort vom Detektor gemessen. Wie Du in Abbildung 4 erkennen kannst, ist der Detektor mit dem Schlaghammer verbunden und sorgt dabei dafür, dass der Hammer ausschlägt. Der Hammer schlägt dann auf den Behälter mit Gift. Das Glas zerbricht und das Gift wird freigesetzt. In diesem Fall verstirbt die Katze. Aber wann genau tritt das ein?

Diese Frage lässt sich nicht so einfach beantworten. Der radioaktive Zerfall eines Atomkerns ist nämlich ein quantenmechanischer Prozess, der mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % eintreten kann – aber nicht muss.

Damit kannst Du auch nicht sagen, wann ein einzelnes Atom zerfällt. Also kannst Du auch nicht mit Sicherheit wissen, ob die Katze verstorben ist, noch lebt oder vielleicht doch irgendetwas dazwischen ist.

Wie wäre es dann, wenn Du einfach in die Kiste schaust?

Das fällt im Rahmen der Quantenmechanik unter einen sogenannten Messprozess. Dieser würde den Lebenszustand der Katze eindeutig bestimmen und Du könntest sagen, ob sie schon tot ist oder noch lebt.

Wie sieht er allerdings vor der Messung aus?

Diese Frage lässt sich nicht so eindeutig beantworten: Wenn die Quantenmechanik auch auf die Katze anwendbar wäre, dann würde sie sich vor der Messung in einem Überlagerungszustand zwischen Leben und Tod befinden. Mit anderen Worten: Solange die Kiste geschlossen bleibt, ist die Katze mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % verstorben und zu 50 % noch am Leben.

Allerdings wurden in der Natur noch keine Untoten – geschweige denn untote Katzen beobachtet. Demnach erscheint dieses Ergebnis auch paradox.

Gedankenexperiment Beispiele

Wie Du hier sehen kannst, bieten quantenmechanische Theorien viel Spielraum für interessante Gedankenexperimente. Um diese auszuführen, brauchst Du nichts weiter, als Deinen Kopf und vielleicht ein klein wenig Fantasie. Dies reicht schon aus, um sich über den Lebenszustand von Katzen, verschränkte Teilchen, Zeitreisen durch Wurmlöcher oder allwissende Dämonen Gedanken zu machen:

Die Quantenmechanik ist allerdings nicht das einzige Teilgebiet der Physik, das sich an Gedankenexperimenten bedient. So bieten Gedankenexperimente auch eine gute Möglichkeit, Dir die Relativitätstheorie, insbesondere die Spezielle Relativitätstheorie näherzubringen.