Würdest du sagen, dass du dich anders verhältst, wenn du weißt, dass du beobachtet wirst?
Eamon Bailey in The Circle
Ich habe neulich das Buch „The Circle“ von Dave Eggers gelesen. Es geht um eine Facebook-Twitter-ige Internetfirma namens „The Circle“, die vollständige Transparenz und Vernetzung schaffen will – Privatsphäre bleibt dabei leider auf der Strecke. Das Zitat von einem der Circle-Bosse, mit dem er seine allgegenwärtige Überwachung begründen will.
Ich bin mir sicher, dass wir alle diese Frage bejahen würden. Unter Beobachtung benehmen wir uns anders, als wenn wir allein sind. Heißt das also, dass die reine Beobachtung unser Verhalten beeinflusst?
Der Beobachtereffekt in der Psychologie
Psycholog:innen kennen und erforschen den Effekt, dass Menschen sich anders verhalten, wenn sie wissen, dass sie beobachtet werden, schon lange: Er heißt Hawthorne-Effekt. Untersucht wurde er erstmals in den 1920er und 30er Jahren von US-amerikanischen Wissenschaftlern in der Hawthorne-Fabrik.
Vereinfacht gesagt wollen wir in Anderen eine bestimmte Reaktion hervorrufen: Wir verhalten uns meistens besser, als wenn wir unbeobachtet sind. Das ist aber „leider“ kein absolut kausaler Zusammenhang: Man wird durch Beobachtung nicht 10 % produktiver oder 20 % reinlicher. Das macht es wahnsinnig schwierig, menschliches Verhalten zu untersuchen.
Der Beobachtereffekt in der Quantenphysik
In der Quantenphysik ist die Antwort simpel. Die reine Beobachtung – oder genauer gesagt „Messung“, denn „Angucken“ ist ja auch nur eine Art, etwas zu messen – verändert ein Quantensystems in aller Regel. Dafür gibt es diverse Beispiele.
Der Mond
Nun ja, nicht direkt der Mond, aber ein sehr berühmtes Zitat:
Existiert der Mond auch dann, wenn keiner hinsieht?
Bohreinsteisenberg
Keiner weiß, wer und ob es überhaupt jemand jemals gesagt hat. Albert Einstein? Erwin Schrödinger? Niels Bohr? Hintergrund war wohl ein Gedankenexperiment – typisch für alle drei – und die Frage: Hat ein Objekt eine bestimmte Eigenschaft, unabhängig davon, ob es beobachtet wird oder nicht? Also unabhängig davon, ob jemand die Eigenschaft misst?
In unserer Alltagswelt scheint diese Frage absurd: Eine Tafel Schokolade wiegt immer 100 g, egal ob ich sie auf die Waage lege oder nicht. In der Quantenwelt haben wir (hier auf diesem Blog) aber schon häufig erlebt, dass Quanteneigenschaften nicht in gleichem Maße in Stein gemeißelt sind.
Das beste Beispiel ist die Superposition: Ein Quantenobjekt kann in einer Überlagerung zweier Zustände sein, zum Beispiel „Oben“ und „Unten“. In diesem Fall ist die Zeigerstellung „Oben oder unten“ nicht definiert. Erst wenn wir den Zustand des Qubits messen (beobachten!), entscheidet es sich für eine der beiden Optionen und erst dann ist der Wert definiert. Welcher Wert bei der Messung herauskommt, ist durch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung gegeben.
Der Weg zur Unschärferelation
Was hat der Mond damit zutun? Nun ja, Qubits kannte Bohreinsteisenberg noch nicht. Sie haben sich stattdessen Teilchen in Nebelkammern angeschaut: Kisten mit übersättigtem Wasserdampf, in denen Strahlung sichtbar wird. Wenn ein Teilchen durch die Nebelkammer flitzt, bildet sich ein deutlich sichtbarer Kondensstreifen – ähnlich wie ein subatomares Flugzeug.
Die Kondensstreifen sind klare Streifen und visualisieren die Bahn eines Teilchens, ähnlich wie der Orbit des Mondes. Allerdings verstanden Physiker in den 1920er Jahren, dass man Elektronenbahnen gar nicht bestimmen könne, sondern nur ihren ungefähren Aufenthaltsort in einem Orbital – einer Elektronenwolke – rund um den Atomkern. Erst wenn das Elektron beobachtet werde, lege es sich auf einen Ort fest. Wie passte beides zusammen?
Manche Quellen behaupten [1], Einstein – der ewige Kritiker der Quantenmechanik – meinte: Gar nicht. Er spöttelte, ob der Mond denn sei wie ein Elektron auch nicht da sei, wenn niemand hinsehe. Das soll Heisenberg dazu bewegt haben, seine berühmte Unschärferelation aufzustellen, die das Problem löste: Ort und Geschwindigkeit (genau genommen: Impuls) eines Teilchen lassen sich nur mit einer bestimmten Genauigkeit bestimmen. Je besser man das eine kennt, desto ungenauer wird das andere.
Schrödingers Katze
Schrödingers Katze bedarf vermutlich keiner Vorstellung mehr. Schrödinger formulierte dieses Gedankenexperiment 1935 und setzte seine Katze mit einem Giftfläschchen und einem radioaktiven Präparat in eine Schachtel. Zerfällt das Atom, zerbricht die Flasche und die Katze stirbt; wenn nicht, dann nicht – ihr kennt die Story (wenn nicht, dann könnt ihr es hier noch einmal ausführlich nachlesen).
Der Clou an der Sache ist: Ob das radioaktive Atom zerfallen ist oder nicht – und ob Schrödingers Quantenkatze lebt oder stirbt – entscheidet sich erst, wenn wir die Kiste öffnen. Also: Erst, sobald jemand hinsieht. Das klingt absurd und soll es auch. Denn eigentlich wollte Schrödinger den beobachterabhängigen Messprozess mit seinem Gedankenexperiment ad absurdum führen.
Schrödingers Katze kommt noch eine weitere Dimension hinzu: Nämlich die, dass es keine Superpositions-Zombie-Katzen gibt. Das lässt sich jedoch ebenfalls mit dem Beobachtereffekt auflösen, jedoch in einer etwas komplexeren Form: der Dekohärenz. Nicht nur wir Menschen beobachten die Katze. Auch die Luft, das Licht und der Staub „beobachten“ sie. Die Superposition geht dadurch schneller kaputt, als sie sich ausbilden kann, und Schrödingers Zombiekatze wird zum langweiligen (doch berühmten) Stubentiger.
Doppelspalt-Experiment
Das Doppelspalt-Experiment war das erste Experiment, das ich in der Schule in der Quantenmechanik-Einführung kennengelernt habe. Erst dachte ich: Ja klar, ist doch völlig logisch. Später habe ich gemerkt, dass ich es nicht gerafft habe. Erst da habe ich verstanden, wie bizarr Licht tatsächlich ist.
Schritt 1: Lichtwellen
Beginnen wir mit dem einfachsten, nicht-quantenmechanischen Fall: Stellen wir uns Licht als eine Welle vor, so wie Wissenschaftler:innen es lange getan haben. Wenn wir Licht auf eine Blende mit zwei Schlitzen strahlen, entsteht auf dem Schirm auf der gegenüberliegenden Seite ein Streifenmuster, weil sich die Hügel und Knoten der Wellen abwechselnd verstärken und auslöschen (mehr dazu hier).
Schritt 2: Klassische Teilchen
Stellen wir uns nun vor, wir würden das gleiche Experiment nicht mit Lichtwellen machen, sondern mit Teilchen. Denke zum Beispiel an eine Farbsprühdose, an eine Schablone eines Graffiti-Sprayers. In dem Fall sehen wir rechts kein Streifenmuster, sondern zwei dicke Flecken direkt hinter den Schlitzen.
Schritt 3: Photonen
Nun werden wir quantenmechanisch. Wir wissen mittlerweile (bereits seit etwa 1900), dass Licht aus kleinen Energiepaketen aufgebaut ist, den Photonen. Was passiert, wenn wir einzelne Photonen auf den Doppelspalt schießen? Verhalten sie sich wie Wellen? Oder wie klassische Teilchen?
Die bahnbrechende Entdeckung war: Wenn Licht ein Photon nach dem anderen auf den Doppelspalt geschossen wird und die Punkte aufgezeichnet werden, so entsteht rechts auf dem Schirm nach und nach ein Streifenmuster – exakt das gleiche, wie wenn man direkt einen Lichtstrahl ausgesendet hätte. Jedes einzelne Photon hat Wellencharakter und wechselwirkt mit sich selbst – das bezeichnen wir als Welle-Teilchen-Dualismus.
Schritt 4: Welchen Weg nimmt das Photon?
Damit das Streifenmuster entstehen kann, muss das Photon durch beide Schlitze gleichzeitig gehen und mit sich selbst wechselwirken. Aber das ist doch absurd – es muss doch entweder oben oder unten durchfliegen!
Gewieft wie die Physiker von damals waren, dachten sie: Bauen wir doch einen Detektor in die Spalte ein und schauen nach, durch welchen jedes einzelne Photon geht. Der Spuk an der Sache ist: Sobald wir registrieren, wo die Photonen langfliegen, verschwindet das Streifenmuster. Es bleiben lediglich zwei Punkte direkt hinter den Spalten, wie bei klassischen Teilchen. Die Messung macht die Quanteneigenschaft des Lichts kaputt.
Dies sind nur drei Beispiele dafür, wie die Beobachtung – oder Messung – ein Objekt in der Quantenphysik beeinflusst. Kurz gesagt: enorm! Warum habe ich anfangs so weit ausgeholt und mich in die Psychologie gewagt? Ich habe in einem populärwissenschaftlichen Vortrag über dieses Phänomen gesprochen und aus dem Publikum kam die Frage: „In der Psychologie kam auch die Erkenntnis auf, dass Beobachtungen das menschliche Verhalten beeinflussen. War das damals ein Trend?“
Schrödingers Katze und ähnliche Überlegungen zum Beobachtereffekt in der Quantenphysik kamen in den 1930er Jahren auf. Die Experimente zum Hawthorne-Effekt wurden 1927 bis 33 durchgeführt. Das ist tatsächlich sehr nah. Ich glaube persönlich nicht, dass sich da der eine vom anderen hat inspirieren lassen. Trotzdem ist es ein interessanter Trend.
Hingucken kann den großen Unterschied machen – das finde ich wahnsinnig. Etwas so banales wie Messen bringt unser Weltbild zum Wackeln. Deshalb habe ich mich in meiner Forschung so intensiv damit befasst. Und deshalb möchte ich mich in den nächsten Beiträgen stärker damit befassen und euch zeigen, wie Messungen alles beeinflussen, Quantentechnologie ermöglichen und sogar Bewegung einfrieren können. Bleibt dran: Quanta are watching you!
Dies ist der erste Teil in der Serie „Quanta are watching you“. Um keinen Beitrag zu verpassen, vergiss nicht meinen Blog zu abonnieren. Wenn dir gefällt, was du liest, kannst du mir hier einen Kaffee spendieren!
Quellen
[1] https://www.br.de/fernsehen/ard-alpha/sendungen/werner-heisenberg/unschaerferelation100.html (nicht mehr verfügbar, abgerufen 05/22)