DIE BEOBACHTUNG VON QUANTENSYSTEMEN

Gerhard Grössing
Austrian Institute for Nonlinear Studies

1. Einleitung

Nicht wie die Welt ist, ist das Mystische,
sondern daß sie ist.

Ludwig Wittgenstein

Versteht man unter dem "Mystischen" das Unaussprechliche und prinzipiell Unergründbare, so sagt der Satz 6.44 aus dem Tractatus Logico-Philosophicus Ludwig Wittgensteins, daß prinzipiell ergründbar sein könnte, wie die Welt ist. So beschäftigt sich zum Beispiel die Physik in ihren überprüfbaren Aussagen über Relationen primär mit dem Wie der Welt, während das, was die Dinge sind, nur gelegentlich im Disput über ihre metaphysischen Grundannahmen verhandelt wird. In den letzten Jahren bekommt man allerdings (wieder) öfter zu hören, daß die Erkundung der "surrealen Welt der Quantentheorie" zur Aufdeckung eines "mysteriösen Untergrunds" geführt habe, der sogar die Existenz "übersinnlicher Photonen" ermögliche. [1]

Meine im folgenden zu begründende These besagt, daß sich all jene Physiker (und Wissenschafts-Journalisten), die einer derartigen "mysteriösen" Sicht der Quantenphänomene das Wort reden, nie ernsthaft mit der Möglichkeit beschäftigt haben, jenes systemische Instrumentarium auf Quantenphänomene anzuwenden, das wir mit Heinz von Foerster die Kybernetik zweiter Ordnung nennen. Kurz: der metaphysischen Grundposition eines prinzipiellen Mystizismus soll hier die Option einer prinzipiellen Ergründbarkeit des Geschehens (d.h. des Wie) auf Quantenniveau entgegengehalten werden.

In diesem Zusammenhang fällt auf, daß Heinz von Foerster selbst den Anfang der historischen Entwicklung, die zur Kybernetik zweiter Ordnung, beziehungsweise allgemeiner, zur notwendigen Kontextualisierung äußerst zahlreicher wissenschaftlicher Fragestellungen führte, in den Einsichten der Quantentheorie verortet:

"Vor etwa einem halben Jahrhundert wurden die ersten Erfahrungen mit den unausweichlichen Unsicherheiten der Beobachtungsverfahren im Bereich der Elementarteilchen durch Heisenbergs Unbestimmtheitsrelation festgeschrieben, und später wurde diese Erkenntnis ausgeweitet zur Unanalysierbarkeit komplexer Systeme mit einem großen Repertoire an internen Zuständen: es gab keine Strategie, mit diesen Schwierigkeiten umzugehen.

Erst vor etwa 25 Jahren führte die Erkenntnis, daß diese Systeme nicht isoliert arbeiten, sondern in größere Zusammenhänge eingebettet sind, daß auf sie eingewirkt wird, vielleicht durch andere nicht-triviale Systeme, auf die sie ihrerseits zurückwirken, und daß man sich also nicht nur um Aktionen, sondern um Inter-Aktionen kümmern müsse, zu einer ganzen Lawine theoretischer, experimenteller und klinischer Arbeiten. Die zahlreichen Forschungsansätze ruhen alle auf der Partizipationsidee .... ." [2]

Bei von Foerster wird die "Partizipationsidee" in einem ersten Schritt im Sinne einer "Kontextualisierung" einfacher Systeme durch die Notwendigkeit umschrieben, letztere nicht als "Trivialmaschinen", sondern als "nichttriviale Maschinen" zu behandeln. In Tab. 1 werden die Unterschiede zwischen beiden Arten von Maschinen aufgelistet, Fig. 1 zeigt die dazugehörigen Schemata.

Fig. 1: Schemata für a) triviale und b) nichttriviale Maschinen.

TRIVIALE MASCHINEN	NICHTTRIVIALE MASCHINEN
synthetisch determiniert (1 interner Zustand)	synthetisch determiniert (mindestens 2 interne Zustände)
linear kausal (Input-Output)	zirkulär kausal (Selbstreferenz)
geschichtsunabhängig	geschichtsabhängig
analytisch determinierbar	analytisch indeterminierbar
vorhersagbar	unvorhersagbar

Tab. 1: Zur Unterscheidung von trivialen und nichttrivialen Maschinen

Ich möchte nun im folgenden zeigen, daß die Anregungen durch die Metaphorik der nichttrivialen Maschine ganz wesentlich zum Verständnis der Quantenphänomene beitragen, während der Versuch ihrer Behandlung als Trivialmaschinen zu besagten Mystifizierungen verleitet. Zunächst ist zu fragen: Wie könnte die "Partizipationsidee" in der Quantentheorie zum Ausdruck kommen?

2. Wellen, Teilchen und Beobachter

Gewöhnlich wird das "Quanten-Mysterium" anhand des Phänomens der Beugung am Doppelspalt erläutert. Dabei wird zum Beispiel Licht (oder auch ein Ensemble von Elektronen, Neutronen, etc.) von einer Quelle emittiert, tritt durch einen Doppelspalt und wird auf einem Schirm registriert. Stellt man die Quelle so ein, daß nur ein Photon pro definiertem Zeitabschnitt emittiert wird, so erhält man auf dem Schirm Verteilungsmuster wie in Fig. 2 a - d. Man erkennt zunächst, daß pro Ereignis ein diskreter Punkt registriert wird, woraus man schließt, daß das Licht (Elektronen, Neutronen, etc.) aus Teilchen bestehen muß (Fig. 2 a und b). Wartet man aber lange genug, so zeigt sich, daß die registrierten Teilchen nicht so verteilt sind, wie man es von Kügelchen erwarten würde, die durch je einen Spalt geschossen werden (Fig. 3, Intensitäts-Muster rechts), sondern so, als ob sie wellenartig interferieren würden, um am Schirm Interferenzstreifen zu erzeugen (Fig. 2 c und d sowie Fig. 3, Intensitäts-Muster links).

Fig. 2 a - d: Interferenzmuster erzeugt durch a) N = 8, b) N = 100, c) N = 3000, und d) N = 100 000 Elektronen. (Nach Takuma et al. (1995).) [3]

Fig. 3 : Intensitäts-Verteilung von überlagerten Wellen (links) und von Kugeln (rechts) hinter einem Doppelspalt.

Noch eigenartiger wird die Situation, wenn man das von John A. Wheeler vorgeschlagene "Delayed-Choice Experiment" überdenkt. [4] In Analogie zum Doppelspalt wird ein Photonenstrahl in zwei räumliche Bereiche geteilt und später wieder zusammengesetzt. (Fig. 4) Fehlt der letzte (halb-durchlässige) Spiegel, so scheinen sich Quanten wie bloße Teilchen zu verhalten, die zu je 50 % Wahrscheinlichkeit in einem der beiden Detektoren registriert werden. Wird aber der letzte Spiegel eingesetzt, so kommt der Wellencharakter der Quanten zur Geltung: Interferenz bewirkt, daß alle Quanten nur in einem Detektor registriert werden. Das besondere Kuriosum an Wheeler's "Delayed-Choice Experiment" besteht aber darin, daß man abwarten kann, bis das Quantum in die Apparatur eintritt und erst kurz vor seinem Austritt entscheidet, ob der letzte Spiegel eingesetzt wird oder nicht ("Delayed Choice"). Das heißt, man entscheidet im letzten Moment, ob das Quantum als Teilchen oder als Welle registriert wird.

Fig. 4: Schema von Wheeler's "Delayed-Choice Experiment". (Nach J.A. Wheeler 1988[5])

Was also ist ein Quantum, Welle oder Teilchen? Die meisten Physiker stimmen heute wenigstens darin überein, daß die Frage falsch gestellt ist. Zwei Alternativen werden diskutiert: 1) Quanten sind weder Wellen noch Teilchen, und 2) Quanten sind sowohl Wellen als auch Teilchen. Entscheidet man sich für erstere Variante, so steht man vor einem Mysterium, dem zunächst mit einer positivistischen Haltung begegnet wird: "Kein elementares Quantenphänomen ist ein Phänomen, bevor es nicht ein registriertes Phänomen ist." [6] Kommt es zu ontologischen Fragen, wird Wheelers Antwort im wahrsten Sinn des Wortes diffus: "Das elementare Quantenphänomen ist ein großer, rauchiger Drachen. Das Maul des Drachens ist deutlich sichtbar, wo es den Detektor beißt. Der Schwanz des Drachens ist deutlich sichtbar, wo das Photon hereinkommt. Aber, was der Drachen tut oder wie er aussieht zwischen diesen beiden Extremen, darüber haben wir kein Recht zu sprechen ..." [7]

Wheeler, eine der letzten lebenden Autoritäten aus den heroischen Tagen der Quantentheorie, knüpft an diese Sichtweise sein gesamtes Weltbild. Für ihn ist die Welt ein "selbst-synthetisierendes System aus Existenzen", die auf der "Beobachter-Partizipation in elementaren Quantenphänomenen" basiert.[8] Was ist dabei die Rolle des Beobachters? Er entscheidet via Manipulation der Meßapparatur, ob er Wellen oder Teilchen registriert. Für Konstruktivisten ist solches in seiner Allgemeinheit freilich keine Neuigkeit. Wenn ich auf einer Erhebung in der Wüste mit einer Kamera stehe, kann ich als Beobachter mit meinen Aufmerksamkeits-Prioritäten entscheiden, ob ich mein Objektiv auf unendlich stelle, um die wellenförmige Dünenlandschaft abzubilden, oder ob ich mit einer Nahaufnahme die "Teilchennatur" der Sandkörner festhalte. Darin kann also das Mysterium nicht liegen. Was aber den wesentlichen Unterschied zur Quantentheorie ausmache, so wird oft argumentiert, sei durch die Heisenbergsche Unschärferelation vorgegeben.

Durch die Unschärferelation kommt ganz deutlich die Vermengung von Teilchen- und Welleneigenschaften im Formalismus der Quantentheorie zum Ausdruck. Zunächst ist festzuhalten, daß in der Quantentheorie der Impuls p eines "Teilchens" durch de Broglies Formel aus dem Jahre 1927, p = k h/2(pi), gegeben ist, wobei k die sogenannte "Wellenzahl" (umgekehrt proportional zur Wellenlänge) und h das Plancksche Wirkungsquantum ist. Betrachten wir nun den einfachen Fall eines Teilchens in einer Schachtel mit verspiegelten Wänden. Während der Impuls eines "freien Teilchens" ohne räumliche Begrenzung durch obige Formel gegeben ist, kann das Teilchen in der Schachtel nur diskrete Impulswerte p_n annehmen: p_n = k_n h/2(pi). Der "Grund" dafür liegt darin, daß nur gewisse Energie- und Impulszustände erlaubt sind, deren zugehörige Wellenzahl die Randbedingung der Begrenzung durch die Schachtellänge L erfüllt, ganz analog zu den Schwingungsmoden einer gespannten Saite (Fig. 5): k_n = n(pi)/L.

Fig. 5: Die Eigenzustände des Impulses eines Teilchens in einer Schachtel entsprechen den Schwingungsmoden einer gespannten Saite.

Mit p_n = nh/2L folgt aber, daß nach "Einschleusen" eines Teilchens in die Schachtel und anschließender Ungewißheit x darüber, an welchem Ort x zwischen x = 0 und x = L es sich aufhält (also (delta)x = L), auch eine Ungewißheit (delta)p_n darüber besteht, auf welchen diskreten Eigenwert n sich der Impuls "einstellt": (delta)x (delta)p_n = (delta)n h/2. Bekanntlich "zerfällt" in der Quantentheorie selbst ein einmal gemessener Energie- oder Impuls-Zustand eines Quantums (oder genauer: unser von der Messung her extrapoliertes Wissen darüber) binnen kürzester Zeit in eine Summe mehrerer Zustandsmöglichkeiten ("Zerfließen des Wellenpakets"). Die kleinstmögliche Unsicherheit über den Zustand eines diskreten Eigenwerts n ist daher allgemein durch (delta)n = 1 gegeben, da ja (delta)n = 0 einem unphysikalischen "Einfrieren" des Zustands gleichkäme. Daraus folgt generell für "Teilchen" in einer Schachtel: (delta)x (delta)p > h/2.

Das ist die Heisenbergsche Unschärferelation über die begrenzten Möglichkeiten, Ensembles von individuellen Systemen zu präparieren, hergeleitet aus de Broglies Beziehung zwischen Impuls und Wellenzahl. Wo aber steckt hier der Beobachter? Gibt es im eben vorgeführten Beispiel einen Akt, der das Geschehen dermaßen von einem Subjekt beeinflußt, daß bei seiner Zurücknahme das ganze Phänomen verschwände? Nein! Das gesamte Experiment könnte automatisiert werden, und die gleichen Resultate statistischer Verteilungen wären a posteriori, etwa auf Fotoplatten oder Computer-Ausdrucken nachzulesen. Obwohl Wheeler und viele andere Zeitgenossen gerne eine fundamentale Irreduzibilität des Beobachters speziell für das Quantenphänomen reklamieren, hat selbst der Begründer des "Komplementaritätsprinzips" (zwischen Wellen- und Teilchen-Bild) bzw. der "Kopenhagener Deutung" des quantenmechanischen Formalismus, Niels Bohr, während der letzten zehn Jahre seines Lebens immer wieder mit Nachdruck betont (- unter anderem als Antwort auf Mystifikationsversuche von Kollegen wie Wolfgang Pauli):

"Komplementarität bedeutet in keiner Weise ein Verlassen unserer Stellung als außenstehende Beobachter (...). Die Erkenntnis, daß die Wechselwirkung zwischen den Meßgeräten und den untersuchten physikalischen Systemen einen integrierenden Bestandteil der Quantenphänomene bildet, hat nicht nur eine unvermutete Begrenzung der mechanistischen Naturauffassung, welche den physikalischen Objekten selbst bestimmte Eigenschaften zuschreibt, enthüllt, sondern hat uns gezwungen, bei der Ordnung der Erfahrungen dem Beobachtungsproblem besondere Aufmerksamkeit zu widmen."[9]

Eine neuere Beurteilung der historischen Bedeutung der Heisenbergschen Unschärferelation liefert der Soziologe Günter Dux in seiner "Logik der Weltbilder", indem er gerade die Physiker als Nachzügler in der epistemologischen Einsicht der Konvergenz jeder Beobachtung auf den Beobachter betrachtet, und er spricht dabei vom "Nachholen einer erkenntnistheoretisch lange fälligen Hausaufgabe". [10]

Somit gelangen wir zum Schluß, daß Wheelers Idee eines "partizipatorischen Universums" zwar die fundamentale Bedeutung der Selbstreferenz anerkennt, diese aber im Rahmen eines äußerst trivialen Modells verankert. Seine Quantensysteme sind Trivialmaschinen mit Input-Output-Charakteristik (vgl. auch Fig. 4!), und der Eingriff des Beobachters entspricht der Betätigung eines "Schalters", der zwischen zwei Alternativen, "Wellen-" oder "Teilchen"-Phänomen, in vorhersagbarer Weise auswählt. Es gibt einen einzigen black box - artigen internen Zustand, nämlich jenen des smoky dragons, und darüber hinaus ein Bilderverbot: Du sollst dir kein Bild machen vom Quantum, dem Verkünder des "Geheimnisses der Existenz"!

Obwohl schon bisher so viel von Mysterien die Rede war, beginnt jetzt aber erst die wahrlich verwirrende Geschichte der Quantenphänomene. Im folgenden soll nämlich von der bisher vernachlässigten, sogenannten "nichtlokalen" Natur der Quanten die Rede sein. Im Jahre 1935 haben Einstein, Podolski und Rosen ein offenbares Paradoxon zur Diskussion gestellt ("EPR-Paradoxon")[11], das unter Voraussetzung von rein "lokaler" Kausalität die Unvollständigkeit des bestehenden Bildes der Quantentheorie nachwies. John Bell [12] hat aber 1965 mit seinen berühmten "Bell'schen Ungleichungen" nachgewiesen, daß keine lokale Interpretation der Quantentheorie mit ihren Vorhersagen übereinstimmen kann, und seit den Experimenten der Gruppe um Alain Aspect (1982)[13] ist diese "nichtlokale" Natur der Quanten experimentell nachgewiesen. In einem "EPR-Interferometrie-Experiment", das von Michael Horne und Anton Zeilinger vorgeschlagen worden war[14], läßt sich dies besonders elegant zeigen. Dabei handelt es sich gewissermaßen um eine "Verdoppelung" des Doppelspalt-Experiments: Eine Quelle emittiert antiparallele Teilchen (z.B. Photonen) in entgegengesetzte Richtungen, die jeweils in ein Interferometer gelangen und

Fig.6: Schema des EPR-Interferometers nach Horne und Zeilinger.

am Ende detektiert werden. (Fig. 6) Man führe nun zum Beispiel folgendes "Delayed-Choice Experiment" durch. Zunächst soll auf beiden Seiten simultan Interferenz erzeugt werden, aber im letzten Moment entscheidet sich der Beobachter auf der linken Seite, den "Teilchencharakter" vorzuziehen. Dies hat eine unmittelbare Auswirkung auf die Detektor-Clicks des anderen Beobachters. Selbst wenn die beiden Beobachter tausende Kilometer weit voneinander entfernt wären, hätte der Eingriff des Beobachters A praktisch sofort ("nichtlokal") eine wohldefinierte Konsequenz für Beobachter B, was a posteriori durch Vergleich der beiden Beobachtungsresultate von A und B bestätigt werden kann. Hier steckt das wahre Rätsel der Quantenphänomene: Wie kann eine Manipulation "hier" (A) einen praktisch instantanen Effekt "dort" (B) verursachen, selbst wenn A und B beliebig weit auseinander liegen?

 

Im Rest meines Beitrags werde ich eine mögliche Antwort diskutieren, die die zweite der oben erwähnten Alternativen favorisiert: nicht "weder Teilchen, noch Welle", sondern "sowohl - als auch"; kein rauchiger Drachen, sondern der Uroboros im Sinne Heinz von Foersters; keine trivialen, sondern nichttriviale Maschinen im Sinne einer Kybernetik zweiter Ordnung.

3. Quanten-Kybernetik

Die Wissenschaftsgeschichte dieses Jahrhunderts kann in den unterschiedlichs-ten Fachgebieten einen vergleichbaren Vorgang nachweisen, der sich oftmals wiederholt: ein graduelles Anwachsen der Aufmerksamkeit und schließlich ein handlungspraktisches Umsetzen der Einsichten bezüglich des Kontexts eines ursprünglich kontext-freien Forschungsgegenstands. Dazu zählt natürlich auch der Beobachtungskontext. Entsprechende Übergänge zwischen Modellen oder, sozusagen, Erklärungs-"Maschinen" von zunächst trivialem und später nicht-trivialem Charakter, kennzeichnen auch die Geschichte der Quantentheorie. Die "triviale" Symbolik des Wheelerschen Ansatzes ist, obwohl noch immer weit verbreitet, bei genauerem Hinsehen schon seit langem einer "nicht so trivialen" Sichtweise gewichen, nicht zuletzt aufgrund immer genauerer Experimentier-Techniken, die heute tatsächlich zu testen erlauben, was etwa in der Zeit der Bohr-Einstein-Debatten nur als Gedankenexperiment vorstellbar war.

Allerdings gibt es auch die theoretische Tradition einer noch immer oft als "unorthodox" bezeichneten Interpretation des Formalismus der Quantentheorie, die seit ihren Anfängen in vieler Hinsicht das Attribut "nichttrivial" verdient. Dabei handelt es sich um die Theorie von Luis de Broglie (1927, und wieder ab ca. 1960) [15] und David Bohm (1952, und ab ca. 1975)[16], die ich hier aus Zeitgründen leider nur streifen kann. Kernstück der de Broglie - Bohm - Interpretation der Quantentheorie ist die Aussage, daß Quanten sowohl "Wellen-", als auch "Teilchen"-Charakter besitzen. Genauer gesagt, wird das "Teilchen" als stark nichtlinearer Anteil an einem bestimmten Ort einer ansonsten über die gesamte Beobachtungs-Apparatur verteilten Wellenkonfiguration angesehen. (Fig. 7a und b)

In de Broglies Variante fungiert die Welle als "guiding wave", als "Leitwelle", die die gesamte Meßapparatur erfüllt und je nach Einstellung z.B. von Spiegeln die "Teilchen" in bestimmte Richtungen "lenkt". Bohm spricht von einem "Quantenpotential" mit vergleichbaren Funktionen: Es ist immer die Information des (nichtlokalen) Gesamtsystems, die am "lokalen" Ort des "Teilchens" wirksam ist. Bohm betont aber den Unterschied zu einem klassischen Objekt, das von Wellen getrieben wird, in welchem Falle jeder Effekt ungefähr proportional zur Stärke bzw. Höhe der Welle wäre. Beim Quantenpotential ist der Effekt hingegen

Fig. 7 a: Schema eines Quantums als Welle mit stark nichtlinearem Anteil ("Teilchen")

Fig. 7b: Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Teilchens um den nichtlinearen Anteil der Wellenfunktion aus Fig. 7a.

für sehr große und sehr kleine Wellen der gleiche; was zählt, ist nur die Wellenform. Bohm illustriert dies folgendermaßen: "...Man denke an ein von einem Autopiloten gesteuertes Schiff, das durch Radiowellen gelenkt wird. Die allgemeine Wirkung der Radiowellen ist unabhängig von ihrer Stärke und hängt nur von ihrer Form ab. Der wesentliche Punkt liegt darin, daß das Schiff mit seiner eigenen Energie fährt, daß aber die Information aus den Radiowellen aufgenommen und verwendet wird, um die viel größere Energie des Schiffs zu steuern."[17]

Anhand dieses Zitats ist ersichtlich, wie nahe Bohm bereits an das Thema des "Steuermanns" (altgriechisch "Kybernetes") herankam. Allerdings hielt er es nur für "ästhetisch unbefriedigend", daß das Quantenpotential die Teilchen beeinflußt, aber nicht umgekehrt auch von ihnen beeinflußt würde.[18] Obwohl formal identisch mit der Bohmschen, ist die alte (1927) und die umfassende, neuere (1960) Version de Broglies im Grunde schon "kybernetisch" zu nennen (auch wenn er dies selbst nie tat). Das Quantenpotential erfährt bei ihm die Identifikation mit einem zusätzlichen Beitrag, nicht zu einer "äußeren" (potentiellen) Energie, sondern zur Ruheenergie eines "Teilchens". Somit ist es i.a. eine - je nach Anordnung der gesamten messungsrelevanten Umgebung - variable Ruhemasse des "Teilchens", die die Gleichungen der Quantentheorie wiedergeben. Das Thema der Selbstreferenz findet sich aber auch bei Bohms Diskussion der Heisenbergschen Unschärferelation. Diese

"...sollte nicht primär als externe Relation angesehen werden, die die Unmöglichkeit von Messungen mit unbegrenzter Präzision im Quantenbereich ausdrückt. Vielmehr sollte sie grundsätzlich als Ausdruck des unvollständigen Grades der Selbst-Determiniertheit betrachtet werden, der typisch ist für alle auf Quantenniveau definierbaren Einheiten. Wenn wir folglich solche Einheiten messen, so werden wir dazu auch Prozesse auf Quantenniveau verwenden, sodaß der Meßprozeß die gleichen Beschränkungen seines Grades an Selbst-Determiniertheit haben wird wie jeder andere Prozeß auf diesem Niveau."[19]

Jetzt kann kein Zweifel mehr bestehen: Hier muß die Kybernetik zu Wort kommen. Denn trotz der unkontrollierbaren Mikro-Dynamik der soeben erläuterten Prozesse ergeben die Messungen ja stabile Resultate, sogenannte "Eigenwerte", die Heinz von Foerster als dynamische (metastabile) Gleichgewichtszustände betrachtet. Dies steht wiederum perfekt im Einklang mit der Tatsache, "daß eine beliebig große Anzahl interagierender nicht-trivialer Maschinen operational äquivalent ist einer einzigen nicht-trivialen Maschine, die rekursiv mit sich selbst operiert." [20] (Fig. 8)

Fig. 8: Schema der operationalen Geschlossenheit interagierender nicht- trivialer Maschinen.

Damit ist aber auch das Thema der operationalen Geschlossenheit kognitiver Systeme angesprochen, welches Ausgangspunkt meiner eigenen Überlegungen zu einer möglichen "Quanten-Kybernetik" war. Ausgehend von der Annahme, daß "die Naturgesetze" zumindest teilweise unsere eigenen kognitiven Möglichkeiten als Beobachter wiederspiegeln, hat mich auch die Umkehrung interessiert: Inwiefern findet sich ein Verhalten, das wir bei kognitiven Systemen feststellen, auch im Verhalten der "unbelebten" Natur? Konkreter: Wie nimmt ein Quantensystem seine Umgebung wahr? [21]

Entscheidend bei der Umsetzung dieser Fragestellung in ein konkretes quanten-kybernetisches Modell war eben jene systemische Eigenschaft der operationalen Geschlossenheit, die ich bei Humberto Maturana und Francisco Varela so formuliert fand: "Wenn man sagt, daß es eine Maschine M gibt, in der eine Feedback-Schleife durch die Umgebung führt, sodaß die Effekte ihres Outputs ihren Input beeinflussen, so spricht man tatsächlich von einer größeren Maschine M', die die Umgebung und die Feedback-Schleife in der sie definierenden Organisation inkludiert." [22] Daraus resultierte schließlich meine "Quantenversion" von Varelas Definition eines autonomen Systems: "Ein Quantensystem ist ein Feedback-System mit einem gegebenen Referenzsignal, das Störungen nur in bezug auf einen Referenzpunkt (d.h. einer fundamentalen Frequenz) kompensiert, und in keinem Fall die Textur der Störung reflektiert. Sein Verhalten ist folglich der Prozeß, durch den eine derartige Einheit ihre 'Wahrnehmungsdaten' durch Adjustieren des Referenzsignals kontrolliert." [23]

Fig. 9: Kybernetische Definition eines Quantensystems

Ich erinnere nochmals daran, daß ein ursprünglich "freies Teilchen", das in eine Schachtel gesperrt wird, seine Frequenz so adjustieren muß, daß sie mit einer der durch die Schachtellänge determinierten Resonanzfrequenzen über-einstimmt. Bohms Autopilot-Analogie bietet sich hier zur Erweiterung an (obwohl eine gewisse Aufspaltung in Wasserwellen und Radiowellen nicht nötig wäre): Im allgemeinen kann von einem Schiff eine Unmenge von Radiofrequenzen empfangen werden. Ein Pilot (bzw. ein "intelligenter" Autopilot) hat aber eine ganz entscheidende Filterfunktion zu erfüllen: Er muß jene Frequenzen aufsuchen, die die Information über die für sein Schiff relevante (wenn auch nichtlokale) Umgebung liefern. Damit "errechnet" der Pilot seine kontextuelle Situation und läßt sich durch die Wellenlandschaft leiten. Ganz analog muß ein Teilchen "seine" Frequenz den jeweiligen Ausmaßen der Meßapparatur (wie der Distanz zwischen Quelle und Detektoren) anpassen, um dann von den "richtigen" Wellen geleitet zu werden, wobei der "Output" dieser Errechnung wiederum den neuen "Input" darstellt: Ein iterativer Prozeß der Selbstreferenz steuert das Teilchen in seiner nichtlokalen Umgebung.

In den letzten Jahren durchgeführte Experimente bestätigen tatsächlich zwei Wesenszüge von Quanten: 1) Die Impulse von "Teilchen" ko-determinieren, zusammen mit den experimentellen Rahmenbedingungen, die Frequenz von ebenen Wellen, die die gesamte Meßapparatur "ausfüllen", und: 2) In allen Fällen, in denen ein "Teilchen" einen aus zwei (oder mehreren) möglichen Wegen auswählen kann (wie z.B. beim Doppelspalt), interferieren die ebenen Wellen (und nicht notwendigerweise überlappende "Wellenpakete") selbst über nichtlokale Distanzen hinweg. Sie erzeugen dabei ein nichtlokales "Leitfeld", das die "Teilchen" zu einem bestimmten Detektor führt. [24] Die beiden eben erwähnten Eigenschaften sind state-of-the-art, und es ist äußerst befremdlich, daß sie kaum je zu einem Bild zusammengefaßt werden, nämlich zu dem eines ziemlich offenkundigen hermeneutischen Zirkels: "lokal" beobachtbare ("Teilchen"-)Eigenschaften (wie der Impuls) ko-determinieren ebene Wellen im gesamten "nicht-lokalen" Umfeld, und die "nichtlokalen" ebenen Wellen produzieren ihrerseits interferierende Konfigurationen, die bestimmen, welchen "lokalen" Weg die "Teilchen" nehmen. Damit ist die oben gegebene kybernetische Definition von Quantensystemen wohlbegründet.

Welchen Nutzen hat aber eine Quanten-Kybernetik, insofern sie ja "nur" eine systemische Sichtweise eines im wesentlichen gleich bleibenden mathematischen Formelapparats ist?[25] Zwei Punkte möchte ich als Antwort andeuten. Erstens ergibt sich eine vielversprechende Aussicht auf eine konkrete evolutionäre Perspektive, indem alle Organisationsformen auf höherem als dem "reinen Quantenniveau" (Moleküle, Zellen, Lebewesen, etc.) unter ein- und demselben systemischen Gesichtspunkt betrachtet werden können: Dem Faktum, daß Oszillationen zur "Wahrnehmung der Umgebung" dienen, entspricht eine hermeneutische Zirkularität zwischen einem "Kern" und einer relevanten "Peripherie" ("Umgebung"), die das systemische Organisations- und Informationspotential konstituiert. Zweitens führt die kybernetische Sichtweise zu neuen Fragestellungen, die im alten Schema weitgehend unbeachtet blieben. In diesem Sinne habe ich ein sogenanntes "Late-Choice Experiment" vorgeschlagen[26], das im Prinzip darin besteht, einen sogenannten "Phasenschieber" an einer Stelle in einem Interferometer zu positionieren, die das "Teilchen" schon hatte passieren müssen. Eine rein "orthodoxe" quantenmechanische Rechnung zeigt, daß der Effekt praktisch instantan (d. h. mit sogenannter "Phasengeschwindigkeit") auf die Phasenkonstellation am letzten Spiegel übertragen wird und das "Teilchen" somit trotz einer "verspäteten Wahl" noch vollständig davon betroffen wird. (Fig. 10) Damit wird deutlich, daß ein reines Input-Output-Denken unzureichend ist, das nur berücksichtigt, was ein "Teilchen" lokal "spürt" (wie etwa den Durchgang durch einen Phasenschieber). Besondere Bedeutung erhält dieses Resultat auch dadurch, daß mit der gegebenen quanten-kybernetischen Interpretation die Physik des Einstein-Podolsky-Rosen-"Paradoxons" auf eine Ebene "gehoben" werden kann, auf der nichtlokale Korrelationen Ausdruck von operationaler Geschlossenheit bedeuten.[27]

Fig. 10: Schema eines "Late-Choice Experiments" mit eingetragenen ebenen Wellen und dem ungefähren Ort des "Teilchens" (dunkel), der dem nichtlinearen Anteil der Welle in Fig. 7 entspricht. Gezeigt wird ein "Teilchen", das in a) gerade in den Bereich des Interfero- meters eingetreten ist, und in b) kurz vor dem Austritt steht, wobei der Einfluß eines "verspätet" eingesetzten Phasenschiebers praktisch instantan im ganzen Interferometer übertragen wird und das "Teilchen" somit noch beeinflußt.

Meine Damen und Herren, Sie könnten nun den Eindruck erhalten, daß das eben erläuterte kybernetische Modell von Quantensystemen einfach zu banal ist, als daß es sich nicht schon längst hätte behaupten müssen. Aber vielleicht ist das Versäumnis - wenn es denn eines ist - dadurch erklärbar, daß die Welt der Quantenphysiker noch immer zu sehr durch die vermeintlichen "Mysterien" gebannt ist. [28] Auch kann hier im Rahmen eines "untechnischen" Übersichtsreferats wohl nicht die Absicht bestehen, Sie von einem neuen Modell überzeugen. Ich möchte lediglich darauf hinweisen, daß "die Mühlen mitunter sehr langsam mahlen", sodaß selbst die de Broglie - Bohm - Interpretation des Formalismus der Quantentheorie erst seit relativ kurzer Zeit mehr Akzeptanz findet. Zumindest bezüglich letzterer hat sich aber der leider viel zu früh verstorbene John Bell unmißverständlich geäußert:

"I have always felt ... that people who have not grasped the ideas of those [i.e., Bohm's 1952] papers . . . and unfortunately they remain the majority . . . are handicapped in any discussion of the meaning of quantum mechanics.

(...)

Is it not clear from the smallness of the scintillation on the screen that we have to do with a particle? And is it not clear, from the diffraction and interference patterns, that the motion of the particle is directed by a wave? De Broglie showed in detail how the motion of a particle, passing through just one of two holes ... could be influenced by waves propagating through both holes. And so influenced that the particle does not go where the waves cancel out, but is attracted to where they cooperate. This idea seems to me so natural and simple, to resolve the wave-particle dilemma in such a clear and ordinary way, that it is a great mystery to me that it was so generally ignored." [29]

Vielleicht ist aber Ungeduld fehl am Platz, wenn man bedenkt, daß heute vielerorts langwierige, weil radikale, geradezu "kopernikanische Wenden" der Aufmerksamkeit weg vom Fokus auf "reine Objekte" zu verzeichnen sind. [30] Die Entwicklung in vielen modernen Wissenschaftsdisziplinen spricht im Grunde dafür, daß der "Zeitgeist" systemische bzw. kontexturale Entwürfe favorisiert: Wie etwa Gene nicht mehr als die "Atome" der Vererbung angesehen werden, sondern ihre neuen Rollen innerhalb "autokatalytischer Netzwerke" einnehmen, so ist auch der "Atomismus des 20. Jahrhunderts" [31] widerlegt: Dem Glauben, die Materie bestünde ihrem tiefsten Wesen nach aus kleinsten Teilchen, welche nur "richtig" zusammengesetzt werden müßten zum Aufbau der Welt, widersprechen nicht zuletzt all jene experimentellen Befunde, die die Nichtlokalität der Quantensysteme bestätigen. Ich habe hier zu argumentieren versucht, daß darüber hinaus aus heutiger Sicht die "Teilchen" in zirkulär-kausalen Zusammenhängen mit einer nichtlokalen Umgebung vorzustellen wären.

Einer der bedeutendsten Wegbereiter für die Erstellung des systemischen Instrumentariums zum Verständnis dieser kreiskausalen Vorgänge ist Heinz von Foerster. Er selbst hat uns oft davon erzählt, auf welchen Mauern sein Gedankengebäude basiert. Zum Abschluß möchte ich deshalb nochmals Ludwig Wittgenstein zu Wort kommen lassen [32]:

Ich bin auf dem Boden meiner Überzeugungen angelangt.

Und von dieser Grundmauer könnte man beinahe sagen, sie werde vom ganzen Haus getragen.

Notes:

¹Alle angeführten Zitate stammen aus J. Horgan, "Quanten-Philosophie", Spektrum der Wissenschaften 9 (1992) 82 - 91.

²H. v. Foerster, Wissen und Gewissen. Versuch einer Brücke (Hrsg. S. J. Schmidt), Suhrkamp, Frankfurt 1993, S. 361. (meine Hervorhebungen)

³H. Takuma, K. Shimizu, and F. Shimizu, "Observations of the Wave Nature of an Ultracold Atom", Ann. N. Y. Acad. Sci., Vol . 755 (1995) 217 - 226.

⁴J. A. Wheeler, "World as system self-synthesized by quantum networking", IBM J. Res. Develop. 32, 1 (1988) 4 - 15.

⁵Ebd.

⁶Ebd.

⁷Ebd.

⁸Ebd.. Ich glaube, man wäre überrascht zu sehen, wie viele namhafte Quantenphysiker folgendem Satz Wheelers zustimmen, sei es offen oder insgeheim: "The quantum cracks the armor that hides the secret of existence." (Ebd.)

⁹N. Bohr 1955, "Unity of Knowledge", Festvortrag anläßlich des 200jährigen Bestehens der Columbia University, New York; zitiert nach K. V. Laurikainen, Beyond the Atom. The Philosophical Thought of Wolfgang Pauli, Springer, Berlin 1988, S. 61. (m. H.)

¹⁰G. Dux, Die Logik der Weltbilder. Sinnstrukturen im Wandel der Geschichte, Suhrkamp, Frankfurt 1982, S. 296.

¹¹A.Einstein, B. Podolsky, N. Rosen, "Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?", Phys. Rev. 47 (1935) 777 - 780.

¹²J. S. Bell 1964, "On the Einstein Podolsky Rosen paradox", Physics (Long Island City, New York) 1(1964) 195 - 200.

¹³A. Aspect, J. Dalibard, G. Roger, "Experimental test of Bell's inequalities using time-varying analyzers", Phys. Rev. Lett. 49 (1982) 1804 - 1807; A. Aspect, P. Grangier, G. Roger, "Experimental realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm-Gedankenexperiment. A new violation of Bell's inequalities", Phys. Rev. Lett. 49 (1982) 91 - 94.

¹⁴M. A. Horne and A. Zeilinger, "Einstein-Podolsky-Rosen Interferometry", Ann. N. Y. Acad. Sci, Vol. 480 (1986) 469 - 474.

¹⁵L. de Broglie 1960, Non-linear wave mechanics, Elsevier, Amsterdam 1960. Zur Einführung siehe auch L. de Broglie 1970, "The Reinterpretation of Wave Mechanics", Found. Phys. 1, 1 (1970) 5 - 15.

¹⁶D. Bohm 1952, "A Suggested Interpretation of the Quantum Theory in Terms of 'Hidden' Variables. I and II", Phys. Rev. 85, 2 (1952) 166 - 179, and 180 - 193.

¹⁷D. Bohm and F. D. Peat, Science, Order, and Creativity, Bantam, New York 1987, p. 90.

¹⁸Ebd., p. 99.

¹⁹D. Bohm 1980, Wholeness and the Implicate Order, Routledge and Kegan Paul, London 1980, p. 105f. (m. Ü.)

²⁰H. v. Foerster, a. a. O., S. 362.

²¹G. Grössing 1988, "How does a quantum system perceive its environment?", In: A. van der Merwe, F. Selleri, and G. Tarozzi (eds.), Microphysical Reality and Quantum Formalism. Conference Proceedings, Urbino, Italy (1985), Vol. 1, Kluwer, Dordrecht 1988, p. 225 - 238.

²²H. R. Maturana and F. J. Varela, Autopoiesis and Cognition, Reidel, Dordrecht 1980.

²³Siehe Fußnote 21 sowie F. J. Varela, Principles of Biological Autonomy, North-Holland, Amsterdam 1979.

²⁴Siehe z.B. H. Rauch, "Phase space coupling in interference and EPR experiments", Phys. Lett. A. 173 (1993) 240 - 242, und weitere Referenzen darin.

²⁵Bezüglich der Ästhetik der der Quanten-Kybernetik eigenen Formelsprache, insbesondere jener der Symmetrien zwischen "Teilchen"- und "Wellen"-Propagationen, muß hier auf die Originalarbeiten verwiesen werden.

²⁶G. Grössing 1986, "Quantum Cybernetics and its Test in 'Late-Choice' Experiments", Phys. Lett. A 121 (1986) 381 - 386.

²⁷G. Grössing 1995, "An Experiment to Decide between the Causal and the Copenhagen Interpretations of Quantum Mechanics", Ann. N. Y. Acad. Sci., Vol. 755 (1995) 438 - 444.

²⁸Ich habe ein ganzes Buch dazu aufgewendet, dem "Unbewußten der Physik" nachzuspüren. Siehe G. Grössing 1993a, Das Unbewußte in der Physik. Über die objektalen Bedingungen naturwissenschaftlicher Theoriebildung, Turia + Kant, Wien 1993.

²⁹J. S. Bell 1987, Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, Cambridge University Press, Cambridge 1987, pp. 173 and 191.

³⁰Ich bezeichne diesen Prozeß als "paradoxales Umkippen", weil er aus den system-internen Widersprüchen innerhalb der herkömmlichen Reduktionismen hervorgeht. Siehe G. Grössing 1997, Die Information des Subjekts. Paradoxales Umkippen in Zeiten Kopernikanischer Wenden, Turia + Kant, Wien 1997.

³¹G. Grössing 1993b, "Atomism at the End of the Twentieth Century", Diogenes 163 (1993) 71 - 88.

³²Ludwig Wittgenstein, "Über Gewißheit", in: Werkausgabe, Bd. 8, Suhrkamp, Frankfurt 1984, S. 169.