• Im Rahmen der klassischen Physik wird Licht als (elektromagnetische) Welle betrachtet. Teilwellen überlagern einander, sie können einander verstärken und auslöschen. Eine Versuchsanordnung wie die im Diagramm gezeigte kann durch die auftretenden Strahlengänge analysiert werden. Eine typische Interferenzerscheinung ist die Tatsache, daß in der Interferometer-Anordnung (beide Wege sind frei) in den Detektor 1 kein Licht fällt.
• Tatsächlich aber besteht Licht aus Teilchen, den Photonen. Ein sehr schwach belichteter Film etwa zeigt Punkte, die von einzelnen Photonen herrühren.
• Werden einzelne Photonen in die Apparatur geschossen, so verhalten sie sich genauso wie die Lichtwelle: sind beide Wege frei, so werden sie immer im Detektor 2 registriert, nie im Detektor 1. Da das Ausbleiben von Licht in Detektor 1 eine Interferenzerscheinung ist, liegt es nahe, auch das Ausbleiben von in Detektor 1 treffende Photonen als eine solche zu deuten. Wie können aber Interferenzerscheinungen zustande kommen, wenn nur einzelne Teilchen im Spiel sind?
• Die Quantentheorie sagt: Es ist tatsächlîch auch eine Welle im Spiel, und sie kann genauso konstruiert werden wie in der klassischen Theorie die Lichtwelle - nur spielt sie nun eine andere Rolle: Sie ergibt die Wahrscheinlichkeiten, mit der ein einzelnes Photon bei einer Messung diese oder jene Wirkung hat. Etwas genauer gesagt: was in der klassischen Theorie die Lichtintensität ist (eine Größe, die leicht vorauszusagen war) wird nun als (proportional zu einer) Wahrscheinlichkeit gedeutet.
  Da zum Beispiel die klassische Welle in der Interferometer-Anordnung im letzten Wegstück vor Detektor 1 aufgrund eines Auslöschungseffekts 0 ist, wird das Photon dort mit Wahrscheinlichkeit 0, d.h. nie, ankommen.
  Die so interpretierte Welle heißt Wahrscheinlichkeitswelle oder Wellenfunktion.
• Das Seltsame an der Quantentheorie ist, daß Teilchen sich an diese Regel halten, so als ob sie "die Welle kennen würden".
• Ähnliche Gesetzmässigkeiten gelten für alle Teilchen, nicht nur für Photonen.
• Die Versuchsanordnung hat im Rahmen der klassischen Theorie folgende Eigenschaft: Man kann anhand der Anzeige von Detektor 1 erkennen, ob einer der beiden Wege durch ein Hindernis versperrt ist. Wird nun die Welle quantentheoretisch gedeutet, so ergibt sich:
  • Falls beide Wege frei sind, so ist die Wahrscheinlichkeit für ein Photon, in Detektor 1 zu treffen, gleich Null.
  • Falls ein Weg versperrt ist, so ist die Wahrscheinlichkeit für ein Photon, in Detektor 1 zu treffen, gleich ¼.
  Dies kann zur quantentheoretischen Lösung des Bombentestproblems benützt werden.
• Dieses Zusammenspiel von Teilchen und Welle bildet den Kern der Quantentheorie. Dabei ist es keine günstige Vorstellung, daß das Photon "sich manchmal wie eine Welle verhält". Es ist produktiver, zunächst - soweit wie möglich - Ersatzvorstellungen zu vermeiden.
• Die Quantentheorie krempelt die Rolle von Alternativen (ENTWEDER-ODER) um: Läßt sich entscheiden, ob ein Photon in der Interferometer-Anordnung den oberen oder den unteren Weg genommen hat? Nein, das läßt sich prinzipiell nicht entscheiden, denn jeder weitere Detektor, der das beobachten könnte, wirkt sich auf den Strahlengang (d.h. auf die Wahrscheinlichkeitswelle) wie ein Hindernis aus und zerstört die experimentelle Situation, über die etwas ausgesagt werden soll. Dies zu verdeutlichen ist die Rolle der eingeblendeten Fragezeichen.
  Üblicherweise wird gesagt, das Photon befindet sich in einer Superposition (Überlagerung) der beiden Möglichkeiten "es nimmt den oberen Weg" und "es nimmt den unteren Weg", da die Welle die Summe aus einer "den oberen Weg nehmenden" und einer "den unteren Weg nehmenden" Teilwelle ist. Die beiden Alternativen "oberer Weg" und "unterer Weg" werden auch als virtuell bezeichnet. Diese Redeweise lösen kein Problem, aber sie geben uns wenigsten eine Sprache, in der über quantentheoretische Systeme gesprochen (und gedacht) werden kann.

Es lohnt sich, darüber nachzudenken, woher eigentlich die Information kommt, daß eine der getesteten Bomben scharf ist. Sie kommt sicher nicht in einem naiven Sinn vom Ort der Zündvorrichtung, denn dort war nichts!!! Wäre ein Photon dort gewesen, dann wäre die Bombe ja explodiert. Das einzige, was dort "war", ist ein Wellenpaket der Wahrscheinlichkeitswelle. Um so ein Wellenpaket im Diagramm zu betrachten, müssen Sie nur den Button für die klassische Lichtwelle noch einmal anwählen.

Die Information kommt also von der puren Möglichkeit, daß das Photon den Zünder hätte treffen können (was es nicht getan hat). In der Quantenwelt werden physikalische Ereignisse (z.B. Detektorklicks) von puren Möglichkeiten beeinflußt. Die Begriffe Lokalität und Kausalität sind problematisch geworden, und die Art und Weise, wie eine gewisse Information in einem physikalischen System enthalten ist, nimmt neue Züge an.

Die als scharf entdeckten Bomben können übrigens noch für einen friedlichen Zweck genützt werden: sie testen die Quantentheorie. Denn man muß ja nur nachsehen, ob sie tatsächlich eine Zündvorrichtung haben. Explodiert so eine Bombe im Tageslicht, so sagt sie uns damit "ja, die quantentheoretische Voraussage hat in diesem Fall gestimmt". Derartige Experimente sind (nicht mit Bomben, aber ansonsten ähnlichen Charakters) tatsächlich durchgeführt worden, und bisher haben sie in jedem Fall die quantentheoretischen Voraussagen bestätigt. Damit gehört die Quantentheorie - ob sie jetzt der Alltagserfahrung widerspricht oder nicht - zu den erfolgreichsten physikalischen Theorien überhaupt.

Wir können also sagen: Allem Anschein nach ist die physikalische Welt eine "Quantenwelt". Damit haben wir noch nicht automatisch eine "Theorie für alles" (in unserem Einstiegsbeispiel haben wir etwa nur von der "Quantentheorie des Lichts" gesprochen), aber wir wissen ziemlich gut, daß wir die physikalischen Naturgesetze in einer anderen Sprache als der der klassischen Physik formulieren müssen. Der Einfluß von Möglichkeiten (die gar nicht eintreten) auf physikalische Vorgänge illustriert das recht gut.

Keine Rose ohne Dornen. Wenn die ganze Welt eine Quantenwelt ist, was ist denn dann eigentlich eine Beobachtung? Vielleicht ist Ihnen aufgefallen, daß die Strahlengänge beim Eintritt in die Detektoren einfach aufhören. Für solche "offenen Enden" lassen sich dann Wahrscheinlichkeiten angeben. Dahinter steht die Vorstellung, daß ein Detektor ein makroskopisches Objekt ist, das sich selbst klassisch verhält - er klickt oder er klickt nicht. Manchmal wird das so ausgrdrückt, daß eine Messung die Wechselwirkung zwischen einem Quantensytem (dem Photon) und einem klassischen System (dem Detektor) ist. Von einem Detektor nimmt man natürlich nicht an, daß er sich in einer Superposition zweier ganz verschiedenener Alternativen ("klicken" und "nicht klicken") befindet. Das ist ja seine Aufgabe: eine definitive Antwort auf eine "Frage an die Natur" zu geben.

Aber wenn wir annehmen, daß die Detektoren in Wahrheit auch Quantenobjekte sind (einfach weil die Quantentheorie "total" ist und es im strikten Sinn gar keine klassischen Objekte gibt), dann ist nicht einzusehen, warum Strahlengänge einfach aufhören sollen. Sie laufen vielmehr innerhalb der Detektoren weiter, und die Darstellung in unserem Diagramm ist nicht ganz richtig. Für welche Art von Ereignissen kann man aber dann Wahrscheinlichkeiten ins Spiel bringen? Was ist eine Messung? Wenn unsere klassische Erfahrungswelt nur eine Näherung ist, wieso ist die "Quantenlogik" dann für makroskopische Objekte so sehr unterdrückt, daß sie erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts mühsam entdeckt werden mußte?

In der physikalischen Literatur läuft diese Diskussion unter dem Namen "Schrödingers Katze". Die angesprochenen Themen gehören zu den heute noch diskutierten und umstrittenen Grundsatzfragen der Quantentheorie und unseres physikalischen Weltbilds überhaupt. Wie das Einstiegsbeispiel mit Bombe zeigt, muß man nicht mit großer Mathematik auffahren, um sie wahrzunehmen.
Einer der Ansätze ist die Vermutung, daß es die ständige Wechselwirkung eines makroskopischen Systems mit seiner Umgebung (etwa mit der allgegenwärtigen Wärmestrahlung) ist, die dem System (praktisch) klassische Eigenschaften gibt. Das läßt sich auch anhand unseres Versuchsaufbaus verdeutlichen: Wenn die Strahlengänge nicht gut gegen "von außen kommende" Photonen abgeschirmt ist (die ja dann wie Hindernisse wirken), wird die Interferometer-Anordnung nicht zu realisieren sein, und das System verhält sich weitgehend klassisch. Dieses Phänomen heißt Dekohärenz.

Die Sache mit der Bombe wurde übrigens erst 1983 (von Avshalom Elitzur und Lev Vaidmann) veröffentlicht. Das zeigt, daß auch die professionellen Physiker sehr lange Zeit brauchen, um sich an die Quantentheorie zu gewöhnen.

Der Originalartikel über den Bombentest ist:

A. C. Elitzur und L. Vaidmann, Quantum-mechanical interaction-free measurements, Foundations of Physics 23, 987-997 (1993).