Document (#27901)

Editor

Castell, L. u. O. Ischebeck

Title

Time, quantum and information

Imprint

Berlin : Springer

Year

2003

Pages

456 S

Isbn

3-540-xxxx-x

Content

Festschrift zum 90. Geburtstag von C.F. von Weizsäcker

Footnote

Rez. in: Spektrum der Wissenschaft. 2004, H.11., S.92-96 (S. Stier): "Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie gibt es im Kosmos Objekte von so ungeheurer Gravitationskraft, dass aus ihrem Inneren keinerlei Informationen, auch nicht in Form von Licht, nach außen dringen können; sie werden deshalb als Schwarze Löcher bezeichnet. Eines der vielen Rätsel, die sie umgeben, war lange Zeit die Größe ihrer Entropie (siehe »Das holografische Universum« von Jacob Bekenstein, Spektrum der Wissenschaft 11/ 2003, S. 34). Nach der herkömmlichen Definition ist die Entropie ein Maß für den Informationsgehalt eines Objekts; sie berechnet sich aus der Zahl seiner inneren Zustände, in denen es dieselben Eigenschaften hat. Damit hängt sie davon ab, welche Eigenschaften man zur Beschreibung des Objekts wählt und wie detailliert man seine inneren Zustände beschreibt. Entropie und Information sind also relative, vom Kontext einer bestimmten Beschreibung abhängige Maße. je detaillierter die Beschreibung seiner inneren Zustände, desto größer die Entropie. Nicht so bei einem Schwarzen Loch: Da es alle Informationen über sein Inneres verbirgt, ist seine Entropie die Obergrenze für alles, was man überhaupt darüber wissen könnte, unabhängig von irgendwelchen Modellen seiner Struktur. Information wird damit zu einer unabhängigen Eigenschaft eines Objekts und zu einer absoluten physikalischen Größe. Das ist ein radikaler Bruch im Verständnis von Information. Mit Hilfe der von Bekenstein vor dreißig Jahren angegebenen Formel kann man berechnen, wie die Entropie eines Schwarzen Lochs von der Größe unseres Universums dadurch zunimmt, dass von außen ein Proton hineinstürzt. Diese Änderung lässt sich als der Informationsgehalt des Protons selbst interpretieren: Es sind 10**40 Bit, ein Wert, der im Rahmen der etablierten Physik eigentlich nicht erklärbar ist.
Zu genau diesem Ergebnis war schon einige Jahre zuvor Carl Friedrich von Weizsäcker auf völlig anderem Weg gekommen. Die von ihm entwickelte Urtheorie ist der radikale Versuch, die gesamte Naturwissenschaft, mit der Quantentheorie an der Spitze, auf den Informationsbegriff zurückzuführen: Ure sind nichts weiter als die Quantenbits (»Qubits«), die im Zusammenhang mit den Quantencomputern zu Ehren gekommen sind. Dabei setzt die Urtheorie nicht einmal die Struktur des Raumes voraus; diese ergibt sich erst aus der Verknüpfung der kleinsten Informationseinheit, der Entscheidung zwischen zwei Möglichkeiten, und der Quantentheorie. Bis heute ist die Urtheorie ein Fragment geblieben; so ist es nicht gelungen, eine Theorie der Wechselwirkung der Ure zu entwickeln, die schließlich zu einer Theorie der Elementarteilchen führen sollte. Der vorliegende Sammelband ist von Weizsäcker zu seinem 90. Geburtstag gewidmet; die sehr wenigen Forscher, die an der Urtheorie weitergearbeitet haben, kommen in mehreren Beiträgen zu Wort. Der Frankfurter Physiker Thomas Görnitz fasst seine eigenen einschlägigen Arbeiten zusammen. Dazu gehört die oben genannte Verknüpfung der Entropie Schwarzer Löcher mit der Urtheorie, die für Görnitz die »zentrale Anbindung« an die etablierte Physik ist. Ausgehend von den heute bekannten Größenordnungen für Radius und Dichte des Universums kommt er zu Abschätzungen für die Entropie des gesamten Universums und die Anzahl der darin enthaltenen Nukleonen und Photonen, die nach seiner Aussage mit den empirisch bekannten Daten gut übereinstimmen. Das gelte auch für die Energie der Photonen im Universum, der so genannten » kosmischen Hintergrundstrahlung«. Die Verknüpfung der Urtheorie mit der Allgemeinen Relativitätstheorie führe zu einem plausiblen kosmologischen Modell, in dem sich die extreme Kleinheit der »kosmologischen Konstanten«, der Vakuumenergie des Kosmos, in natürlicher Weise ergebe. Für die etablierten Theorien stelle dies ein erhebliches Problem dar.
Während sich die Beiträge zur Urtheorie an Spezialisten wenden, finden sich zu anderen Arbeitsgebieten von Weizsäckers eher allgemeinverständliche Darstellungen: Astro- und Kernphysik mit den thermonuklearen Prozessen in Sternen und der Entstehung der Planetensysteme sowie die Philosophie der Naturwissenschaft und der Zeit - alles in der für solche Festschriften typischen bunten Mischung. Hervorgehoben sei die Darstellung des Hamburger Friedensforschers Götz Neuneck zur deutschen Atomforschung während des Zweiten Weltkriegs und zu den nachfolgenden Bemühungen internationaler Wissenschaftler, die Institution des Kriegs nach dem Bau der Atombombe abzuschaffen. In beiden hat von Weizsäcker eine herausragende Rolle gespielt. Ein wichtiges Thema des Buchs sind die Grundlagen der Quantentheorie. Mit der Charakterisierung von Objekten durch Information ist die Urtheorie eine radikale Weiterführung der »Kopenhagener Deutung«, jener orthodoxen, aber von vielen Physikern nur mangels einer überzeugenden Alternative akzeptierten Interpretation der Quantentheorie. Ein seit deren Anfängen andauernder Streit geht darum, ob die Wellenfunktion, die Wahrscheinlichkeiten für Messergebnisse vorhersagt, gemäß der Kopenhagener Deutung das mögliche Wissen eines Beobachters darstellt oder eine davon unabhängige Realität beschreibt. Wie lebendig diese Debatte ist, machen mehrere Beiträge in diesem Buch deutlich. Hans Primas und Harald Atmanspacher lösen den Widerspruch nach dem Muster des Teilchen-Welle-Dualismus auf Beide Positionen beruhen auf unterschiedlichen Auffassungen der Wirklichkeit, die beide für eine Beschreibung der Natur je nach der zu Grunde liegenden Fragestellung notwendig seien. Claus Kiefer erläutert das Phänomen der »Dekohärenz«, wonach der quantenmechanische Messprozess in neuem Licht erscheine, wenn auch die Kopplung des Messgeräts an seine Umgebung berücksichtigt werde, denn unrealistische Überlagerungszustände im Messprozess wie die berühmte sowohl tote als auch lebendige »Schrödinger'sche Katze« seien bereits durch die Quantenmechanik selbst ausgeschlossen. Spätestens wenn der Kosmos als Ganzes betrachtet werde, komme die Kopenhagener Deutung an ihr Ende, denn hier gebe es keinen Beobachter mehr, für den die quantentheoretischen Möglichkeiten zu Fakten werden könnten.
Einen interessanten Vorschlag machen schließlich Ceslav Brukner und Anton Zeilinger von der Universität Wien. Ganz in von Weizsäckers Sinn, die Naturwissenschaft auf Ja-Nein-Aussagen zurückzuführen, streben sie nach einer Herleitung der Quantentheorie aus der Informationstheorie. Ihr Ausgangspunkt ist die Annahme, dass jedes physikalische Objekt einen endlichen Informationsgehalt hat. Da diese Information aber nicht ausreiche, um die Resultate aus allen möglichen Messungen festzulegen, könne eine bestimmte Messung nicht mehr mit Sicherheit vorhergesagt werden. Der Indeterminismus der Quantentheorie ist damit auf ein fundamentaleres Prinzip zurückgeführt. Viele Autoren heben die Bedeutung von Weizsäckers Fragen und Antworten als Quelle der Inspiration und als Herausforderung an die etablierte Wissen schaft hervor, die in ihrer Vorausschau noch nicht an ihr Ende gekommen sei. Dem ist wenig hinzuzufügen."

Theme

Information

Field

Physik

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