Was ist das Quantenrätsel?

Wie man eine Delle ins Universum schlägt: Die unerwartete Lösung des Quantenrätsels

Um Originalität und unabhängiges Denken zu erkennen, stellt Peter Thiel, Silicon Valley Investor, seinen Gesprächspartnern gern die folgende Frage: "Bei welcher dir wichtigen Wahrheit stimmen dir nur sehr wenige Menschen zu?" Es geht dabei also darum, herauszufinden, ob jemand wirklich eigene Ideen und Ansichten von der Welt entwickelt hat, die naturgemäß meilenweit vom dem entfernt sind, was die Mehrheit glaubt oder für gesichert hält. 

Meine Anwort auf eine solche Frage wäre: Die meisten Physiker glauben trotz Quantenphysik, dass das atomistische Weltbild experimentell gesichert ist und daher die Grundlage der Physik und Chemie bilden muss (berühmtes Beispiel: Richard Feynman). Meiner Meinung nach ist genau das Gegenteil der Fall: Die Quantenphysik widerlegt alle atomistischen Vorstellungen von der Beschaffenheit der Natur. Und das ist kein Glaube, denn diese Einsicht lässt sich experimentell eindeutig begründen - nicht nur in der Physik, sondern auch in der Chemie. Um den Sinn dieses Satzes zu verstehen, behalte man im Hinterkopf, dass das griechische Wort atom 'das Unteilbare' bedeutet.

Allerdings beginnt bereits die Gründerzeit der physikalischen Chemie mit einer experimentell begründeten Widerlegung von Daltons Atomhypothese durch Avogadro, der 1811 zeigen konnte, dass sich Daltons Atome während chemischer Reaktionen teilen müssen. Dies war die erste experimentell begründete Widerlegung der Atomhypothese, die direkt zur Molekültheorie führte, die auf Teilbarkeit beruht. Es erwies sich jedoch als sehr schwierig, die Teilung des Moleküls physikalisch zu verstehen, ohne eine Vor-Konfiguration im Sinne der Mechanik vorauszusetzen, da nicht-mechanische Teilungsprozesse in der Natur noch völlig unbekannt waren (die Zellteilung in der Biologie, die nicht-mechanische Teilungsprozesse zeigt, wurde erst 1838 entdeckt und war erst gegen Ende des Jahrhunderts ausreichend verstanden). Das führte dazu, dass Avogadros Hypothese nahezu 50 Jahre lang ignoriert wurde.

1860 führte Cannizzaro dann eine mechanische Interpretation des Teilungsprozesses ein, die auf der Annahme beruht, dass die Moleküle irgendwie vorkonfiguriert sind und bereits aus zusammengesetzten Atomen bestehen, in die die Moleküle während der chemischen Reaktion zerfallen. Mit dieser mechanischen Vorstellung vom Teilungsprozess des Moleküls schien die Atomhypothese gerettet.

Doch um 1926 machte die Quantenphysik zumindest theoretisch deutlich, dass selbst einzelne Atome und so genannte Elementarteilchen in Doppelspalt- und Interferenzexperimenten teilbar sein müssen, was im Rahmen des atomistischen Weltbildes erneut unvorstellbar und unverständlich war. Dieser Mangel an Verständnis besteht seit 90 Jahren, obwohl all diese Experimente in den letzten 50 Jahren praktisch realisiert werden konnten. Sie beweisen eindeutig und unbestritten, dass auch einzelne Atome und sogenannte Elementarteilchen der Interferenzbedingung unterliegen, was bedeutet, dass sie sich im Experiment teilen müssen. Diese Tatsache wird mit Hilfe der Wellentheorie umschrieben und 'Wellencharakter der Materie' genannt, manchmal auch 'Überlagerungspostulat'. Die unlogische quantenmechanische Interpretation dieses physikalischen Zustandes: ein Teilchen - immer noch als unteilbar angenommen - kann "virtuell" an zwei Stellen gleichzeitig sein!

Auf diese Weise wird die Realität dieses Teilungsprozesses und damit das Scheitern der Atomhypothese von der Mehrheit der Physiker geleugnet, während sich die Realitätsvorstellungen der Physik genau aus diesem Grund in Luft auflösen, da weder die atomistische Hypothese, noch das Teilchenmodell der Mechanik, noch das Wellenmodell, noch die derzeitige Auslegung der speziellen Relativitätstheorie ein vernünftiges physikalisches Modell dieses seltsamen Teilungsprozesses liefern können - dem auch noch ein lokales, energetisch ganzheitliches Absorptionsereignis folgt (Quantum der Wirkung genannt), was die Verwirrung komplett macht.

Das theoretische Verständnis dieser Teilbarkeit - und der lokalen Wiedervereinigung - hinkt dem Experiment nach wie vor weit hinterher, denn das Experiment zeigt, dass dieser Teilungsprozess auf keinen Fall mechanischer Natur sein kann. Der Unterschied zwischen mechanischen und ganzheitlichen Teilungsprozessen ist physikalischer Natur und eigentlich ziemlich leicht zu verstehen: Eine mechanische Teilung produziert separierte Einzelteile, die physikalisch nicht mehr zusammenhängen (Zersplitterung, Zerfall). Eine ganzheitliche Teilung produziert eine physikalisch und räumlich zusammenhängende Struktur, die ein Ganzes bleibt (verzweigte Systeme). Genau solche physikalisch und räumlich zusammenhängenden Strukturen entstehen in den Schlüsselexperimenten der Quantenphysik und offenbaren sich auch in der Molekülorbitaltheorie.

Das aber bedeutet, dass wir es auch in der Physik und Chemie mit nicht-mechanischen, d.h. ganzheitlichen Teilungs- und Verzweigungsprozessen zu tun haben müssen, die im Prinzip denen in der Biologie entsprechen (Zellteilung, Verzweigung eines Baumes).

Das Experiment schließt die Atomhypothese also grundsätzlich aus, nicht aber das Molekülkonzept, da es auf Teilbarkeit basiert - und diese Teilbarkeit kann jetzt nur noch als molekulare Zellteilung und Feldverzweigung (und als reversibler Prozess) interpretiert werden. All diese Experimente widerlegen die Atomhypothese, also die Unteilbarkeitsannahme, und fordern damit eine Revolution unseres wissenschaftlichen Weltbildes, die Physik, Chemie und Biologie auf der Grundlage eines gemeinsamen physikalischen Strukturprinzips vereint.

Wenn man die Lösung für ein tiefes, ungelöstes Problem vorschlägt, für das kein ausreichendes Problembewusstein existiert, hat man allerdings ein Kommunikationsproblem: In der Physik wird bis heute nicht offiziell akzeptiert, dass das Welle/Teilchen-Paradoxon das Schlüsselproblem der Physik ist, nach wie vor ungelöst ist und seit 90 Jahren dringend einer Lösung bedarf. Eine weit verbreitete Legende besagt, dass das Paradoxon schon seit 1927 gelöst sei und einen naturgegebenen Dualismus darstelle, den die quantenmechanische Interpretation zumindest mathematisch widerspruchsfrei beherrsche. Tatsächlich aber versagt das atomistisch-mechanistische Weltbild im Experiment, während sich Wellen- und Feldtheorien als unvollständig erweisen, da sie punktartig-lokale Ereignisse weder erklären noch abbilden können.

Erschwerend kommt noch hinzu, dass die spezielle Relativitätstheorie aus ungeklärten Gründen mit verzweigten Materiefeldern und verzweigten Lichtstrahlen unvereinbar zu sein scheint. Da solche Feldstrukturen "nicht-lokale" und "verschränkte" magnetische Eigenschaften zeigen (was die Physik anerkennt), muss theoretisch und praktisch ein physikalischer Zusammenhang und eine räumliche Einheit zwischen den beiden entgegengesetzt beschaffenen Bestandteilen in der Realität existieren - was die Physik aufgrund eines theoretischen Vorurteils jedoch nicht anerkennt. Denn genau dieser physikalische Zusammenhang wird von der Separabilitätsannahme der Speziellen Relativitätstheorie ausgeschlossen, so dass kaum ein Physiker ernsthaft daran zu denken wagt, dass mit der Definition der Lichtgeschwindigkeit etwas nicht stimmen könnte.

Verstehen wir den Prozeß der Verzweigung jedoch als Ausbildung einer en-antio-morphen Feldstruktur und als strukturelle Polarisierung, bei der spiegelsysmmetrische Bestandteile mit entgegengesetztem "spin" erst durch die Teilung entstehen, kann von einer räumlichen Separierung keine Rede sein. Das eigentliche Problem ist also die Definition von c als Einweg-Lichtgeschwindigkeit, die bereits von Maxwell stammt und von Einstein nur als Axiom übernommen wurde. Sogenannte Spin- und Verschränkungsphänomene in den Experimenten zeigen statt dessen, dass dieses Postulat, die Einweg-Definition der Lichtgeschwindigkeit, mit der Realität nicht mehr übereinstimmt. Das bedeutet::

Die Quantenphysik kann nur verstanden werden, wenn man das experimentell nachgewiesene Scheitern überholter Realitätsmodelle (Atome, unteilbare Teilchen) und unvollständiger Theorien der Physik (klassische Wellentheorie, Interaktion, Definition von c) akzeptiert.

Das Einzige, was wir dann tun müssen, ist neue Vorstellungen und Modelle der Beschaffenheit der Realität zu entwerfen, die mit den Experimenten übereinstimmen. Doch genau das verhindert die quantenmechanische Interpretation der Quantenphysik seit 90 Jahren, da sie neue Realitätsmodelle für unmöglich und unnötig hält. Da die eigentlichen, tiefen Verständnisprobleme der Physik in der Quantenmechanik nicht klar und deutlich benannt werden und viele Physiker ihre Aufgabe nicht mehr darin sehen, widerspruchsfreie physikalische Modelle der Realität zu entwerfen, wird jeder Versuch einer Lösung des Welle/Teilchen-Paradoxons schlicht abgelehnt  oder ignoriert - sachliche Argumente werden allerdings nicht vorgebracht.

Mario Wingert, Dipl. Designer

"Junge akademische Wissenschaftler haben die besten Erfolgsaussichten, wenn sie ältere Wissenschaftler mit technisch hübschen Lösungen beeindrucken. Das Gegenteil zu tun - tief und unabhängig zu denken und zu versuchen, eigene Ideen zu formulieren - ist eine schlechte Erfolgsstrategie. Aus diesem Grund ist die Physik nicht in der Lage, ihre Schlüsselprobleme zu lösen."

"Das Einzige, worüber sich alle, die sich für die Grundlagen der Physik interessieren, einig zu sein scheinen, ist, dass neue Ideen benötigt werden... Uns entgeht etwas Großes... Offensichtlich muss jemand (erst)... eine falsche Annahme erkennen, die wir alle gemacht haben..."

Lee Smolin: The Trouble with Physics, 2006

Wie man die Quantenphysik verstehen kann

Kurz gesagt: Die Experimente widerlegen die Atomhypothese und das Teilchenkonzept der Mechanik. Akzeptiert man das, offenbaren sie die Struktur des Feldes, die Einstein mit seiner Quantenhypothese postuliert hatte, aber nie finden konnte - was direkt auf die Defizite der Feldtheorie verweist.

Die Quantenphysik ist unsere wichtigste Wissenschaft, gilt aber als äußerst schwierig und unverständlich, weil niemand ihre physikalische Bedeutung versteht, wie Richard Feynman schon vor 55 Jahren betonte. Daran hat sich bis heute nichts geändert. Der Grund dafür ist das ungelöste Welle/Teilchen-Paradoxon (oder Welle/Quanten-als-Teilchen-gedacht-Paradoxon) und der weitverbreitete Glaube, dass eine Lösung weder möglich noch notwendig sei.

Die Realität erscheint seltsam und unverständlich, weil die Experimente ungeklärte Teilungssprozesse zeigen, die im atomistisch-mechanistischen Weltbild überhaupt keinen Sinn ergeben. Dennoch gelten die Experimente für einzelne Atome, Moleküle, Elektronen und Lichtquanten - und vielleicht auch für makroskopische Körper (siehe Abbildung oben). Wenn im Experiment aber Teilungsprozesse stattfinden, widerlegen sie das atomare und mechanistische Weltbild, also die paradigmatische Annahme der Unteilbarkeit. Das ist eine äußerst beunruhigende Botschaft für Physiker, die noch immer an die Existenz von unteilbaren Teilchen aller Art glauben (viele stellen sich Elementarteilchen heute als feldartige Teilchen vor, als winzige Kugeln aus "Feldsubstanz").

Die Experimente zeigen weiter, dass dieser Teilungsprozess nicht mechanischer Natur sein kann, also keinen Zerfall in separierte Einzelteile wie in der Mechanik darstellen kann... Mehr lesen

Bücher und Artikel von Mario Wingert

Lesen Sie mehr über den Hintergrund, die Schlüsselexperimente und die Ideengeschichte der Physik (in Deutsch, nur teilweise ins Englische übersetzt)

Die Zellteilungs- und Verzweigungsinterpretation der Quantenphysik (kurzes e-book, 2008)

Eine kompakte Beschreibung der neuen Feldverzweigungs- und Verschmelzungsinterpretation der Quantentheorie und des historischen Hintergrunds (Young, Avogadro, Faraday, Maxwell, Einstein). Mit künstlerischen Illustrationen der wichtigsten Experimente der Physik wie Doppelspaltexperiment, partielle Reflexion und Polarisation sowie einer detaillierten Darstellung der Feldverzweigungs- und Fusionsprozesse, insbesondere ihrer Ontologie und physikalischen Eigenschaften, bekannt als "Spin" und " Verschränkung". 28 Seiten, reich illustriert (pdf oder e-book anfordern)

The Cell Division and Branching Interpretation of Quantum Physics (short e-book, 2008, in German)

A compact description of the new field branching and fusion interpretation of quantum theory, and of the historical background (Young, Avogadro, Faraday, Maxwell, Einstein). With artistical illustrations of the key experiments of physics like double-slit experiment, partial reflection, and polarization, and a detailed discussion of the field branching and fusion processes, especially their ontology & physical properties, known as "spin" and "entanglement". 28 pages, rich illustrated (request pdf or e-book, in German only)

The new Copenhagen Interpretation 2012 - Molecular Physics without Atoms (Essay)

Holistic Field Branching, Collapse, and Einstein's Relativity Principle
(request pdf)

Quantum Physics, Cell Division and the Nature of Chemical Bonding

Friedrich Hund and Robert Mulliken (founders of molecule orbital theory, R.M. Nobel Prize winner for chemistry 1966) already concluded between 1925 and 1927 on the basis of molecular spectroscopic experiments that the spectra of the hydrogen molecule in principle did not differ much from those of a single hydrogen atom. Based on these findings, Hund and Mulliken designed a new concept of chemical bonding and the 'Aufbau principle' radically different from the additive approach developed simultaneously by Heitler, London and later by Linus Pauling (the concept of electron valence bonding): Heitler, London and Pauling thought that the hydrogen molecule is produced by two single hydrogen atoms coming together by approximation and forming an overlapping electron region between the two nuclei, resulting in a common electron pair. This image was based on an ad hoc postulated "exchange force" between the two hydrogen atom orbitals (despite repulsive forces) and was modelled by two overlapping Schrödinger electron wave equations. In contrast, Hund and Mulliken imagined that the diatomic hydrogen molecule would emerge from a monatomic, spherical helium atom by a division transformation: the helium atom nucleus would divide into two nuclei, while the original sphere, two-electron cloud of the helium atom would deform into two interconnected spheres forming the holistic molecule orbital of the hydrogen molecule... read more

Quantenphysik, Zellteilung und die Natur der chemischen Bindung

Friedrich Hund und Robert Mulliken (Begründer der Molekül-Orbitaltheorie, R.M. Nobelpreisträger für Chemie 1966) kamen bereits zwischen 1925 und 1927 aufgrund molekularspektroskopischer Experimente zu dem Schluss, dass sich die Spektren des Wasserstoffmoleküls im Prinzip nicht sehr von denen eines Wasserstoffatoms unterschieden. Nach diesen Erkenntnissen entwarfen Hund und Mulliken ein neues Konzept der chemischen Bindung und des 'Aufbauprinzips', das sich radikal von dem additiven Ansatz unterschied, der gleichzeitig von Heitler, London und später von Linus Pauling entwickelt wurde (dem Konzept der Elektronen-Valenzbindung): Heitler, London und Pauling dachten, dass das Wasserstoffmolekül durch zwei einzelne Wasserstoffatome erzeugt wird, die durch Annäherung zusammenkommen und einen überlappenden Elektronenbereich zwischen den beiden Kernen ausbilden, was zu einem gemeinsamen Elektronenpaar führt. Dieses Bild basierte auf einer ad hoc postulierten "Austauschkraft" zwischen den beiden Wasserstoff-Atomorbitalen (trotz abstoßender Kräfte) und wurde durch zwei überlappende Schrödinger-Elektronenwellengleichungen modelliert. Im Gegensatz dazu stellten sich Hund und Mulliken vor, dass das zweiatomige Wasserstoffmolekül aus einem einatomigen, kugelförmigen Heliumatom durch eine Teilungstransformation hervorgeht: der Helium-Atomkern teilt sich dabei in zwei Kerne, während sich die ursprüngliche Kugel, die Zwei-Elektronen-Wolke des Heliumatoms, in zwei miteinander verbundenen Kugeln verformt, die das ganzheitliche Molekülorbital des Wasserstoffmoleküls bilden.  mehr lesen (englisch)