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Prof. Dr. Jürgen Audretsch

Klärendes zu einem ungeklärten Verhältnis?

Das Spannungsfeld zwischen Theologie und Quantenphysik

Doppelspaltexperiment. Von Koantum, svg version by Trutz Behn - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

Doppelspaltexperiment. Von Koantum, svg version by Trutz Behn - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

Wer heute dem Dialog zwischen Naturwissenschaften und Theologie folgen will, muss sich über Grundzüge der Quantentheorie informiert haben und darüber hinaus bereit sein, über seinen „theologischen Tellerrand" zu schauen. Die Quantenwelt ist fremder als die schon so oft beschriebene Welt der klassischen Physik. Sie verlangt einen neuen Umgang mit der physikalischen Wirklichkeit. Die vielen Berührungspunkte mit der Theologie zeigen, dass sich ein neues Nachdenken lohnt.

Immer mehr kirchliche Akademien befassen sich mit dem Verhältnis von Naturwissenschaften und Theologie. Sie holen damit nach, was im angelsächsischen Sprachraum schon lange üblich ist. Aber warum sollen sich Theologen bzw. Geisteswissenschaftler zum Beispiel mit Quantenphänomenen und der zugehörigen Quantentheorie beschäftigen? Hier wie in allen anderen naturwissenschaftlichen Theorien kommt Gott nicht vor. Dass man bei der Beschreibung der Natur auf theologische Argumente und auf einen Bezug zum Menschen völlig verzichtet hat, ermöglichte erst die Erfolgsstory der schnellen und großen Fortschritte. "Glanz und Elend der Physik." Oder hat sich die Rolle des Menschen in der Quantentheorie geändert, wie oft behauptet wird? Eine Antwort auf diese und ähnliche Fragen ist so einfach nicht zu erhalten. Wer es sich nicht leisten kann, ein Zweitstudium in Physik zu machen, ist auf eine verlässliche Elementarisierung und Vereinfachung angewiesen, die Einwänden und kritischen Nachfragen standhält. Und hier beginnt für den interessierten Laien das Problem.

Popularisierung
Eine Popularisierung geht bei der Vereinfachung noch über eine Elementarisierung hinaus. Oft beschränkt sie sich nur auf Schlagworte wie Welle-Teilchen-Dualismus und Aussagen wie die, dass uns die Quantentheorie zeigt, wie in der Welt angeblich alles mit allem zusammenhängt. Die Titel von Büchern und Vorträgen und Kursen vermitteln einen Eindruck: "Quantenheilung leicht gemacht", "Der kleine Quantentempel","Quanten-Yoga" usw. Quantentheorie bleibt bei diesen Zugängen letztlich ein Geheimnis, um dessen Verständnis man sich gar nicht erst bemühen muss, weil das sowieso nicht erreicht werden kann.Für eine kritische Diskussion vieler populärer Behauptungen im Bereich Esoterik und Quantentheorie muss man von der Quantentheorie nur wissen, dass sie in soweit eine ganz normale physikalische Theorie darstellt, als sie, wie alle anderen, durch ihren Anwendungsbereich charakterisiert ist. Wenn sich für die Quantentheorie, wie behauptet, eine Erweiterung des bisherigen Anwendungsgebiets finden ließe, dann müsste es zum Beleg experimentelle Ergebnisse geben, die sich ganz im Rahmen der gebräuchlichen Theorie erklären ließen. Die sind aber nicht bekannt. Damit sind alle Versuche in dieser Richtung unbewiesene Spekulation. Aber darf man denn nicht mehr spekulieren? Selbstverständlich ist das erlaubt, aber man sollte dann fairerweise darauf hinweisen, dass es sich um Science-Fiction handelt, nicht mehr und nicht wenigerKehren wir zum Dialog Naturwissenschaften-Theologie zurück. Es ist charakteristisch für diesen Dialog, dass als physikalisches Thema zumeist die Kosmologie und bei der Biologie die Evolution gewählt wird. Das sind wichtige Themen, aber man sollte wissen, dass die physikalische Kosmologie nicht zu den Grundlagen der Physik gehört. In ihr wird nur die jeweils modernste Physik angewendet. Sie ist in diesem Punkt eher der Technik verwandt. Christliche Theologie bevorzugt auch hier die Auseinandersetzung mit historischen Großerzählungen. Chemie z.B. ist hingegen nicht Thema des Dialogs. Gott und seine Theologen scheinen Chemie nicht zu mögen… Unsere Aufgabe ist es nun, sich im Dialog nicht nur mit der kosmologischen Großerzählung zu befassen, sondern die Aufmerksamkeit auf die Grundlagen der modernen Physik zu lenken. Die Quantentheorie ist dabei ein guter Ausgangspunkt. Wie soll man mit ihr umgehen?

Empirische Unterbestimmtheit
Man sollte im Blick behalten, dass es sich bei der Quantentheorie um eine physikalische Theorie handelt. Wie alle anderen hat sie einen All-Anspruch: Alles was die Theorien der so genannten klassischen Physik – also in erster Linie die Newtonsche Mechanik – beschreiben und erklären können, kann sie auch. Darüber hinaus gibt es aber Phänomene, die sie zusätzlich erklären kann. Ihr Anwendungsbereich ist also größer. Wenn man sich die Theorie genauer anschaut, dann stellt man fest,dass sie selber keine Aussagen über die Grenze ihres Anwendungsbereichs macht. Grenzen werden ihr dadurch gesetzt, dass experimentell Effekte auftauchen, die sie nicht beschreiben kann. In unserem Fall sind das Experimente bei denen zum Beispiel Elektronen in Photonen oder Photonen in Elektronen umgewandelt werden. Das wird erst in der Quantenfeldtheorie beschrieben, die auf der Quantentheorie aufbaut. Wir müssen also etwas genauer sagen, dass wir nur die unrelativistische Quantentheorie betrachten wollen.
Aber diese Charakterisierung reicht noch nicht. Das führt auf einen wichtigen Punkt. Man kann nie ausschließen, dass es eine ganz andere Theorie gibt, die alle Effekte aus dem Anwendungsbereich beschreiben kann. Das wäre dann eine Alternativtheorie. Dass solche Alternativtheorien stets möglich sind, ist eine Folge der empirischen Unterbestimmtheit von Theorien. Aus der Menge der endlichen empirischen Daten kann nicht zwingend auf genau eine erfolgreiche Theorie geschlossen werden. Ein Kandidat für eine Alternativtheorie ist in unserem Fall die Bohmsche Theorie. Wir gehen nicht genauer darauf ein und beschränken uns auf die Standard-Quantentheorie. Das ist die Theorie, die weltweit in einheitlicher Weise gelehrt und angewendet wird. Dem allgemeinen Gebrauch folgend nennen wir sie einfach ohne Zusatz „Quantentheorie“.

 

Was sind nochmal Quanten?
Warum spricht man von Quanten? Damit soll verdeutlicht werden, dass man zum Beispiel einem Lichtfeld wohlbestimmter Farbe nur in festen extrem kleinen Portionen Energie zufügen oder entnehmen kann. Diese Energieportionen nennt man Quanten, in diesem Fall Quanten des Lichts oder Photonen. Die Portionen sind gemessen an den Energien die uns im Alltag begegnen, winzig klein. Wenn sehr viele dieser Quanten vorliegen, dann verhält sich das Feld wie das bekannte klassische Licht. Das rechtfertigt es bei diesen speziellen Quanten von Lichtquanten zu sprechen. Die Frequenz des Lichts bestimmt die Größe der Energieportion. An diesem System kann man bereits lernen, dass man vorsichtig mit der Sprache umgehen sollte. Es handelt sich um Energieportionen und nicht um Energiepakete. Mit Paketen assoziiert man eine Lokalisierung. Pakete haben eine endliche Ausdehnung und fliegen auf wohl bestimmten Bahnen. Wer das annimmt, liest aus dem experimentellen Ergebnis mehr heraus als darin enthalten ist. Davon, dass es keine Lichtpakete gibt, die auf wohl bestimmten Bahnen fliegen, kann man sich auch direkt überzeugen. Betrachten wir das berühmte Doppelspalt-Experiment. Zwei parallel ausgerichtete Spalte, deren Öffnungsbreite geeignet dimensioniert ist, werden nacheinander mit einzelnen Lichtquanten beschossen, die aus einer Ein-Photonen-Quelle per Knopfdruck erzeugt wird. Hinter dem Doppelspalt befindet sich eine große Fotoplatte. Es zeigt sich, dass mit jedem einzelnen Photon ein Schwärzungspunkt verbunden ist. Das ist die erste wichtige Beobachtung. Darüber hinaus sieht man, dass Schwärzungen nicht nur an einem Punkt stattfinden, sondern sich eine mal schwächere, mal stärkere Schwärzung über die ganze Platte verteilen. Der Versuch, vorherzusagen, welcher Punkt als Nächster geschwärzt wird, misslingt. Betrachtet man allerdings die Gesamtheit der sehr vielen Schwärzungspunkte, dann zeigt die ortsabhängige Intensität der Schwärzung das von der Beugung von Licht am Doppelspalt bekannte Bild aus der klassischen Optik.

Wie ist das Ergebnis zu verstehen?
Am einfachsten lässt sich das verstehen, indem man annimmt, dass es für das Einzelereignis einen nicht hintergehbaren Zufall gibt. Man kann nur eine Wahrscheinlichkeit dafür angeben, dass ein Photon an einer bestimmten Stelle des Schirmes aufschlägt. Diese Wahrscheinlichkeit liegt fest. Sie spiegelt das klassische Beugungsbild wieder. Das muss auch so sein, denn viele Photonen gleichzeitig sollen sich ja wie das klassische Licht verhalten. Die eigentliche Überraschung besteht darin, dass auch dann wenn nur einzelne Photonen nacheinander von der Quelle ausgeschickt werden, sich dennoch für sehr viele Photonen dasselbe Schwärzungsbild entsteht. In der Standard-Quantentheorie wird das wiedergegeben durch eine ortsabhängige Wahrscheinlichkeitsverteilung. Darüber hinaus macht die Theorie keine Aussagen. Aber woher "weiß" das einzelne Photon wo alle seine Tausende Vorgänger Schwärzungen bewirkt haben, so dass es selber das Beugungsbild korrekt vervollständigt? Niemand kann an dem Versuch gehindert werden, die verschiedensten Ursachen zu postulieren, durch die einzelne Photonen passend geführt werden, mal auf einer wohl bestimmten Bahn durch den einen Spalt mal durch den anderen. In der Bohmschen Theorie wird ein solches Führungsfeld eingeführt dessen Einzelheiten der Standard-Quantentheorie entnommen werden. Wenn man das geschickt macht, führt diese Alternativtheorie auf die gleichen Ergebnisse wie die Standard- Quantentheorie. Erinnern wir uns, dass es immer eine Pluralität verschiedener Theorien geben kann, die ein einziges Experiment erklären können. Die Bedeutung der Bohmschen Theorie besteht nicht darin, dass man mit ihrer Hilfe rechnerisch besonders schnell zu nachprüfbaren Aussagen kommt. Die meisten Physiker kennen sie nicht einmal. Ihre Bedeutung liegt vielmehr darin, dass sie eine Alternativtheorie mit völlig anderer Ontologie ist: Photonen fliegen geführt auf wohl definierten Bahnen stets nur durch einen der Spalte. So wie man sich das etwa für kleine Kugeln vorstellen würde. Das Führungsfeld, in dem die ganze Information der Standard-Quantentheorie steckt, sorgt dafür.

Das Dilemma vieler Alternativen
Und welche der Alternativtheorien ist nun die Richtige? Das ist eine sinnlose Frage. Da beide das genau gleiche Erklärungspotenzial haben, sind beide gleich richtig. Aber was ist dann die Wirklichkeit im Quantenbereich? Ganz einfach, es gibt eine solche einzige Wirklichkeit nicht. Mit der Wahl einer physikalischen Theorie wählt man eine spezielle Wirklichkeit mit. Dass keine Entscheidung zwischen den vielen Wirklichkeiten möglich ist, kann man das Viele-Wirklichkeiten-Dilemma[1] nennen. Man kann rein willkürlich die einfachere oder die computergerechtere oder auch die schönere (was immer das heißen mag) Theorie wählen. Stets wählt man die entsprechende Wirklichkeit gleich mit. Eine ganz ähnliche Situation findet sich im religiösen Glauben. Es gibt ein Viele-Religionen-Dilemma. Die Wahl eines speziellen Glaubens ist von außen betrachtet letztlich willkürlich. Was kann man lernen? Sei bescheiden und mach dir keine Gedanken über unbeantwortbare Fragen. Akzeptiere die Pluralität. Vielleicht kannst Du sie sogar im praktischen Leben nutzen. Der Welle-Teilchen-Dualismus ist eines der populärsten irreführenden Konzepte, die an die Quantentheorie herangetragen werden. In diesem Zusammenhang wird häufig behauptet, dass zum Beispiel einzelne Photonen sich je nach Situation wie Teilchen (lokalisierte Energiepakete) oder wie eine Welle verhalten. Wir hatten aber im Experiment gesehen, dass nicht das einzelne Photon sondern erst sehr viele Photonen etwas aufbauen können, das zu Wellenphänomenen führt. Mit "Welle" und mit "Teilchen" werden spezielle klassische Vorstellungen angesprochen. Zumindest auf einzelne Photonen passen sie nicht.

Objekte (fast) ohne Eigenschaften
Eine weitere charakteristische Struktur der Quantenwelt, die ein neues Denken erfordert, muss noch erwähnt werden. Quantenobjekte wie Photonen, Elektronen usw. sind Objekte (fast) ohne Eigenschaften. Betrachten wir wieder der Einfachheit halber einzelne Photonen in einer Doppelspalt-Anordnung: eine Ein-Photon-Quelle, dahinter ein Doppelspalt und hinter dem Doppelspalt eine große Fotoplatte. Wenn der Knopf an der Quelle gedrückt wird, sieht man irgendwo auf der Platte ein punktförmiges Blitzen. Wir können das als Ergebnis einer Ortsmessung auffassen. Die ganze Platte ist das Messgerät. Die verschiedenen Orte auf der Platte sind die verschiedenen möglichen Messergebnisse. Und wo war das Photon in dem Raum vor und hinter dem Doppelspalt? Durch welchen der Spalte ist es geflogen? Darüber sagt die Standard-Quantentheorie nichts aus. Es ist sinnlos Fragen zu stellen, die, wie in diesem Fall, grundsätzlich nicht beantwortbar sind. Die Eigenschaft an einem Ort zu sein kommt dem Photon nicht zu. In diesem Sinne hat das Photon keinen Ort. Erst durch die Wechselwirkung mit der Platte, also durch die Wechselwirkung mit dem Messgerät, wird das Photon mit der Eigenschaft Ort ausgestattet. Bei der einfachen Platte kann das Photon nach der Wechselwirkung sich nicht weiter ausbreiten. Es gibt aber zerstörungsfrei Messungen, für die man zeigen kann, dass sie einen präparierenden Effekt haben. Sie statten das Photon mit einem Ort aus. Und wieso habe ich den Zusatz "fast" angefügt, als ich davon sprach, Quantenobjekte wie Photonen, Elektronen usw. seien Objekte ohne Eigenschaften? Ein Photon verliert bei allen durch die Standard-Quantentheorie beschriebenen Prozesse nicht seine Eigenschaft ein Photon zu sein. In der relativistischen Quantentheorie können Photonen auch diese Eigenschaft noch verlieren und unter anderem in Elektronen übergehen.

Negative Theologie
Im Zusammenhang mit Eigenschaften drängt sich eine Analogie auf. Vorsichtiger gesagt, eine mehr oder weniger starke Strukturähnlichkeit lässt sich erkennen. Die Negative Theologie macht auf die Begrenztheit theologischer Aussagen aufmerksam. Moses will den Namen Gottes wissen und er erhält als Antwort "Ich bin, der ich bin." Ein Reden über Gott ist unmöglich. Augustinus spitzt das zu: "Wenn du begreifst, ist es nicht Gott." Gott eine Eigenschaft zuzusprechen ist so wahr und so falsch wie die Abwesenheit dieser Eigenschaft zu behaupten. Auf diese Kernaussage könnten sich viele Religionen verständigen. Also ein „fast“ eigenschaftsloser Gott. „Fast“ deshalb, weil die Existenz Gottes jedenfalls nicht geleugnet wird. Ein Gott, der von sich sagt, dass es ihn nicht gibt, wäre nur schlecht wiederspruchsfrei denkbar. Erst wer mehr aussagen will gerät in ein Viele-Religionen-Dilemma. Das wird aufgehoben, wenn man der speziellen Offenbarung Gottes und dem Mittler dieser Offenbarung glaubt. Erst durch eine messungsähnliche Wechselwirkung mit dem Menschen entstehen die Eigenschaften. Gott kann entdeckt werden. Auf der vorangehenden Phase der Argumentation war eine Kultur des reduzierten Sprechens unvermeidlich.

Ausblick
Zum Abschluss und in aller Kürze noch ein Hinweis auf ein für den Dialog charakteristisches Thema: die Weltformel. Hier hat offenbar die Theologie der Physik das Motiv vorgegeben. Dem einen Gott steht die eine Schöpfung gegenüber. Es gibt keinen Raum für Pluralität. Dieser Einstellung entspricht gerade die Suche nach der einen Weltformel. Mit der kann man dann angeblich Gott in die Karten schauen. Armer kleiner Gott, wir werden alle Deine Tricks kennen. Schön, dass beispielsweise Hawking selber nicht mehr an eine endgültige Theorie und damit das Ende der Physik glaubt [2][3].Wir brechen die Diskussion hier ab. Es gibt weitere Punkte, in denen sich Quantentheorie und Theologie berühren[4]:die angebliche Rolle des menschlichen Bewusstseins beim quantenmechanischen Messprozess, quantenmechanische Undeterminiertheit der Zukunft, Verschränkung, Zeitlosigkeit tritt zur Eigenschaftslosigkeit noch hinzu, Sinn und Unsinn der Vielen Welten, Deutung vs. Interpretation einer Theorie und so weiter. Die Themen werden uns also so schnell nicht ausgehen. Freuen wir uns also auf die Diskussionen!


[1] J. Audretsch, Der Mensch als Maß auch in der Physik?, in: J. Audretsch, K. Nagorni (Hg.), Der Mensch - Maß aller Dinge? Theologie und Naturwissenschaft im Gespräch, Ev. Akademie Baden, Karlsruhe 2012 (im Druck).
[2] www.damtp.cam.ac.uk/events/strings02/dirac/hawking
[3] Interview Physiker Audretsch zu Hawking, Forum Grenzfragen, Stuttgart. 20.10.2010.
[4] J. Audretsch, Die sonderbare Welt der Quanten – Eine Einführung, Verlag C.H. Beck, München, 2008 (1. Aufl.), 2012 (2. Aufl.)

Quelle: www.theologie-naturwissenschaften.de

 

Prof. Dr. Jürgen Audretsch / 01.05.2016


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