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War die Physik jemals deterministisch?

06.12.2019

Wissenschafter der ÖAW, der Universität Wien und der Universität Genf schlagen eine Neuinterpretation der klassischen Physik ohne reelle Zahlen vor. Die aktuelle Studie wird in der Fachzeitschrift Physical Review A veröffentlicht und stellt die traditionelle Auffassung der klassischen Physik als deterministisch in Frage.

In der klassischen Physik geht man in der Regel davon aus, dass genau vorhergesagt werden kann, wohin sich ein Objekt bewegen wird, sofern Position und Geschwindigkeit des Objekts bekannt sind. Eine vermeintlich überlegene Intelligenz mit exakter Kenntnis aller aktuell wirkenden Kräfte könnte somit sowohl die Zukunft als auch die Vergangenheit des Universums bis ins kleinste Detail bestimmen. Pierre-Simon Laplace veranschaulichte dieses Argument - später auch als "Laplace'scher Dämon" bekannt - Anfang des 19. Jahrhunderts, um das Konzept des Determinismus in der klassischen Physik zu illustrieren. Es wird allgemein angenommen, dass der Determinismus erst mit dem Aufkommen der Quantenphysik in Frage gestellt wurde. Die WissenschafterInnen dieser Zeit stellten fest, dass keine Aussagen mit absoluter Sicherheit getroffen werden können und dass wir nur die Wahrscheinlichkeit berechnen können, mit der ein Ereignis auf bestimmte Weise eintreten könnte.

Aber ist die klassische Physik wirklich vollkommen deterministisch? Dieser Frage gehen Flavio Del Santo, Forscher am Wiener Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und an der Universität Wien, und Nicolas Gisin von der Universität Genf in ihrem aktuellen Artikel auf den Grund. Aufbauend auf Gisins bisherigen Arbeiten zeigen die beiden, dass die gängige Interpretation der klassischen Physik auf zusätzlichen impliziten Annahmen basiert. Wenn wir beispielsweise die Länge eines Tisches mithilfe eines Maßstabs messen, erhalten wir einen Wert mit endlicher Genauigkeit, also mit einer endlichen Anzahl von Nachkommastellen. Selbst mithilfe eines genaueren Messgeräts erhalten wir nur weitere Stellen, die jedoch nach wie vor endlich sind. Die klassische Physik geht jedoch davon aus, dass es eine unendliche Anzahl von vorgegebenen Nachkommastellen gibt, auch wenn wir diese nicht messen können. Die Länge des Tisches ist somit stets genau bestimmt.

Das Modell lässt sich anhand des Spiels "Bagatelle" (siehe Abbildung) verdeutlichen, bei dem das Spielbrett symmetrisch mit Steckstiften gefüllt ist. Wenn die kleine Kugel über das Brett rollt und auf einen Steckstift trifft, prallt sie ab und bewegt sich entweder nach rechts oder nach links weiter. Durch die perfekte Kenntnis der Anfangsbedingungen - also der Geschwindigkeit und der Position -, unter denen die Kugel auf das Spielbrett kommt, ließe sich in einer deterministischen Welt eindeutig bestimmen, welchen Weg die Kugel zwischen den Steckstiften einschlagen wird. Wenn die Kugel in wiederholten Versuchen nicht denselben Weg einschlägt, liegt das - so die Annahme in der klassischen Physik - nur daran, dass die Anfangsbedingungen nicht genau reproduziert werden konnten. Dies könnte beispielsweise daran liegen, dass kein unendlich präzises Messgerät zur Verfügung steht, um die Anfangsposition der Kugel exakt festzulegen, wenn sie auf das Spielbrett rollt.

In ihrer neuen Studie stellen die Autoren nun eine alternative Sichtweise vor: Nach einer bestimmten Anzahl an Steckstiften ist der weitere Laufweg der Kugel prinzipiell völlig zufällig - und zwar nicht aufgrund der Einschränkungen unserer Messgeräte. Bei jedem Aufprall hat die Kugel eine bestimmte Neigung oder Tendenz, nach rechts oder nach links abzuprallen und ihr Laufweg ist nicht a priori bestimmt. Für die ersten paar Male, wenn die Kugel abprallt, lässt sich der Weg der Kugel mit Sicherheit bestimmen, d.h. die Neigung liegt bei 100 Prozent für die eine Seite und bei 0 Prozent für die andere. Nach einer bestimmten Anzahl von Steckstiften ist der Weg der Kugel jedoch nicht weiter vorbestimmt und die Neigung für den weiteren Laufweg nach einem Aufprall auf weiter entfernte Steckstifte erreicht allmählich 50 Prozent für die rechte und 50 Prozent für die linke Seite. Legt man dieses Konzept auf das Beispiel des Tisches um, so wird jede Stelle der gemessenen Länge des Tisches durch einen Prozess bestimmt, der sich mit dem ständigen Abprallen der Kugel nach links oder nach rechts vergleichen lässt. Demnach ist die Länge des Tisches nach einer bestimmten Anzahl von Stellen nicht mehr bestimmt.

Das neue Modell der Wissenschafter verzichtet darauf, reellen Zahlen - Zahlen mit unendlich vielen vorgegebenen Nachkommastellen - die bisher übliche physikalische Bedeutung zuzuschreiben. Es legt vielmehr nahe, dass der Wert der Stellen nach einer bestimmten Anzahl an Stellen absolut zufällig wird und dass nur die Neigung, einen bestimmten Wert anzunehmen, klar definiert ist. Dies liefert neue Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen klassischer Physik und Quantenphysik. Wann, wie und unter welchen Umständen eine unbestimmte Menge einen bestimmten Wert annimmt, ist eine berüchtigte Frage in den Grundlagen der Quantenphysik, auch bekannt als das quantenmechanische Messproblem. Es besagt, dass es in der Quantenwelt unmöglich ist, die Realität zu beobachten, ohne sie zu verändern. Der Messwert eines Quantenobjekts steht somit erst fest, wenn er bei einer Beobachtung tatsächlich gemessen wird. Die Studie von Del Santo und Gisin weist jedoch darauf hin, dass dieselbe Annahme möglicherweise schon immer auch in den Regeln der klassischen Physik verborgen war.

Publikation in Physical Review A:

Del Santo, Flavio; Gisin, Nicolas: Physics without Determinism: Alternative Interpretations of Classical Physics. Physical Review A 2019.

DOI: 10.1103/PhysRevA.100.062107

Rückfragehinweis:
Flavio Del Santo, MSc
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
1090 - Wien, Boltzmanngasse 3
T + 43 1 4277-29- 725 80
delsantoflavio@gmail.com
Dipl.-Soz. Sven Hartwig
Leitung Öffentlichkeit & Kommunikation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
1010 - Wien, Dr. Ignaz Seipel-Platz 2
T +43 1 51581-13 31
sven.hartwig@oeaw.ac.at
Stephan Brodicky
Pressebüro der Universität Wien
Universität Wien
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