Der Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung ist in unserem Verständnis der Welt so tief verwurzelt, dass er selbstverständlich erscheint. Doch wenn Physiker in das bizarre Reich der Quantenmechanik – der Physik der Atome und subatomaren Teilchen – eintauchen, bricht dieser grundlegende Zusammenhang zusammen. Seit Jahrzehnten beschäftigt das „Beobachterproblem“ die Quantentheorie: die beunruhigende Vorstellung, dass die Realität erst dann endgültig ist, wenn jemand sie beobachtet. Nun schlägt ein neuer Ansatz eine radikale Lösung vor: Kausalität selbst könnte die tiefste Schicht der Realität sein, Quantenparadoxien auflösen und möglicherweise den Weg für die Vereinigung der Quantenmechanik mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ebnen.
Das Quantenmessproblem
Die Quantenmechanik ist bei der Vorhersage experimenteller Ergebnisse bemerkenswert genau, aber es fällt ihr schwer, zu erklären, warum Dinge so geschehen, wie sie geschehen. Vor der Messung existiert ein Quantensystem in einer Überlagerung – einer unscharfen Mischung von Möglichkeiten, die durch die Schrödinger-Gleichung beschrieben werden. Der Messvorgang „kollabiert“ diese Wellenfunktion und zwingt das System in einen bestimmten Zustand. Dies wirft eine kritische Frage auf: Was ist eine Messung? Braucht es einen bewussten Beobachter? Wenn ja, was macht einen Beobachter aus und wie schafft Beobachtung Realität?
Viele Physiker finden das unbefriedigend. Wie Nick Ormrod vom Perimeter Institute es ausdrückt: „Die aktuelle Situation bei der Quantenmechanik ist, dass es sich um eine Theorie handelt, die sehr gut vorhersagt, aber sehr schlecht erklärt.“ Diese Unbestimmtheit macht die Anwendung der Quantentheorie auf Szenarien ohne klare Beobachter – wie das frühe Universum oder die Struktur der Raumzeit selbst – äußerst problematisch.
Quantenrealität durch Kausalität neu interpretieren
Anstatt an dem schlecht definierten Konzept der Beobachtung festzuhalten, schlagen einige Forscher vor, dass Kausalität der Haupttreiber von Quantenereignissen ist. Zwei bestehende Interpretationen – konsistente Geschichten und relationale Quantenmechanik – bieten teilweise Einblicke, weisen jedoch Mängel auf. Die konsistente Geschichtsinterpretation legt nahe, dass alle möglichen Evolutionspfade eines Quantensystems gültig sind, erklärt aber nicht, welchen wir tatsächlich erleben. Die relationale Quantenmechanik geht davon aus, dass Eigenschaften nur in Bezug auf einen Beobachter existieren, es fehlt jedoch ein strenger mathematischer Rahmen.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben Ormrod und sein Kollege Jonathan Barrett ein neues Framework entwickelt, das auf der Quantenkausalität basiert. Dieser Ansatz behandelt Quantensysteme als Netzwerke von „kausalen Blasen“, die durch spezifische mathematische Regeln gesteuert werden. Innerhalb dieser Blasen bestimmen Interaktionen, wie sich Systeme entwickeln, sodass externe Beobachter nicht mehr die Ergebnisse diktieren müssen.
Das ist nicht nur eine philosophische Spekulation. Das Framework sagt die gleichen Ergebnisse voraus wie die Standardquantentheorie, ohne jedoch die mysteriöse Beobachtungskraft zu nutzen. Es deutet darauf hin, dass die kausale Struktur grundlegender ist als die Eigenschaften, die wir wahrnehmen, ähnlich wie bei einem Spinnennetz: Die Fäden (Kausalität) kommen zuerst und Punkte (Eigenschaften) entstehen aus ihren Schnittpunkten.
Paradoxien auflösen und die Physik vereinen
Ein eindrucksvoller Beweis für die Leistungsfähigkeit dieses Rahmenwerks ist die Lösung von Wigners Freundesparadoxon. Dieses Gedankenexperiment beleuchtet den scheinbaren Widerspruch zwischen zwei Beobachtern, die unterschiedliche Realitäten erleben. Die kausale Interpretation umgeht dieses Problem, indem sie behauptet, dass Bestimmtheit nicht absolut, sondern relativ zur Kausalstruktur sei. Beobachter in verschiedenen Blasen erleben unterschiedliche Ergebnisse, aber keine der Perspektiven ist von Natur aus „richtig“ – beide sind innerhalb ihres jeweiligen Kausalrahmens gültig.
Aber die Implikationen gehen über Quantenparadoxien hinaus. Die Vorstellung, dass Kausalität der Realität zugrunde liegt, steht im Einklang mit Erkenntnissen der Allgemeinen Relativitätstheorie, in der Schwerkraft als durch Masse verursachte Raumzeitverzerrung verstanden wird. Tatsächlich ermöglicht die Kenntnis der kausalen Struktur der Raumzeit die Rekonstruktion ihrer Geometrie. Dies deutet darauf hin, dass die Raumzeit selbst aus der kausalen Ordnung hervorgehen könnte und eine potenzielle Brücke zwischen der Quantenmechanik und der allgemeinen Relativitätstheorie bieten könnte.
Wenn Kausalität tatsächlich von grundlegender Bedeutung ist, erfordert die Vereinigung dieser beiden Säulen der modernen Physik möglicherweise nicht die Erfindung neuer Einheiten, sondern vielmehr die Erkenntnis, dass die vorhandenen Bestandteile in der falschen Reihenfolge angeordnet sind. Der kausale Ansatz schlägt eine einfachere und elegantere Lösung vor: Die Realität entsteht aus der grundlegenden Beziehung zwischen Ursache und Wirkung.
Fazit
Die neue kausale Interpretation der Quantenmechanik ist immer noch spekulativ, aber ihre Fähigkeit, seit langem bestehende Paradoxien aufzulösen und einen Weg zur Vereinheitlichung aufzuzeigen, macht sie zu einem vielversprechenden Weg für zukünftige Forschung. Durch die Erhebung der Kausalität zum Grundprinzip der Realität könnten Physiker endlich die tiefsten Geheimnisse des Universums entschlüsseln.
