Philosophie der Quantenphysik: Einführung und Diskussion der zentralen Begriffe und Problemstellungen der Quantentheorie für Physiker und Philosophen (German Edition)

Die Quantentheorie zeichnet sich durch spektakuläre empirische Erfolge aus. Gleichzeitig ist bis heute höchst strittig, wie sie sich auf Dinge und Eigenschaften in der Welt bezieht. Dabei stellen sich viele weitere philosophische Herausforderungen: Verletzen Quantenobjekte das Prinzip der Kausalität? Sind gleichartige Teilchen ununterscheidbar und daher keine Individuen? Behalten Quantenobjekte in der zeitlichen Entwicklung ihre Identität? Wie verhält sich ein zusammengesetztes Quantensystem zu seinen Teilen? Diese Fragen werden im Rahmen verschiedener Deutungsansätze der Quantentheorie diskutiert. Ein Ausblick in die Quantenfeldtheorie verschärft das Hauptproblem der Nichtlokalität. Das Buch will fortgeschrittene Studierende der Philosophie in die Grundlagen der Quantenphysik einführen. Zugleich konfrontiert es Physikerinnen und Physiker mit den philosophischen Fragen ihres Faches. Punktuell kann es auch den gymnasialen Physik-Unterricht bereichern. Cord Friebe Zurzeit Vertretung der Professur für Analytische Philosophie an der Universität des Saarlandes. Forschungsschwerpunkte: Philosophie der Physik, Analytische Ontologie, Theoretische Philosophie Kants. Promotion 1998 zur Ontologie Identischer Teilchen in QM und QFT. Letzte Buchveröffentlichung: __Zeit-Wirklichkeit-Persistenz. Eine präsentistische Deutung der Raumzeit__ (2012). Meinard Kuhlmann Gegenwärtig Vertretung der Professur für Wissenschaftsphilosophie an der Universität Bielefeld. Arbeitsgebiete: Wissenschaftstheorie, Naturphilosophie und Analytische Ontologie. Publikationen zu Interpretationen der Quantenfeldtheorie, zu Erklärungen in der Ökonophysik sowie zur Tropenontologie. Letzte Buchveröffentlichung: The Ultimate Constituents of the Material World – In Search of an Ontology for Fundamental Physics (2010). Holger Lyre Professor für Theoretische Philosophie an der Universität Magdeburg. Forschungsschwerpunkte: Wissenschaftstheorie der Physik und der kognitiven Neurowissenschaften, sowie Philosophie des Geistes. Buchveröffentlichungen (Auswahl): Lokale Symmetrien und Wirklichkeit (2004). Informationstheorie. Eine philosophisch-naturwissenschaftliche Einführung (2002). Quantentheorie der Information (1998, 2. Aufl. 2004). Kants `Prolegomena': Ein kooperativer Kommentar (hg. mit O. Schliemann, 2012). Ontological Aspects of Quantum Field Theory (hg. mit M. Kuhlmann und A. Wayne, 2002). Paul M. Näger Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Bremen. Arbeitsgebiete: Philosophie der Physik, Wissenschaftsphilosophie, Metaphysik. Dissertation zur Ontologie verschränkter Quantensysteme (in Bearbeitung). Oliver Passon Akademischer Rat in der Arbeitsgruppe Physik und ihre Didaktik an der Bergischen Universität Wuppertal. Arbeitsgebiete: Phänomenologische Optik, Wissenschaftstheorie und Interpretation der Quantenmechanik. Promotion 2002 in der experimentellen Elementarteilchenphysik. Buchveröffentlichung: Bohmsche Mechanik (2004, 2. Aufl. 2010). Manfred Stöckler Professor für Theoretische Philosophie an der Universität Bremen. Arbeitsgebiete: Philosophische Probleme der gegenwärtigen Physik (insbesondere der Quantentheorie und der Kosmologie), Philosophie der Zeit und methodologische Probleme bei der Erforschung komplexer Systeme. Letzte Buchveröffentlichung: (herausgegeben gemeinsam mit Andreas Bartels) Wissenschaftstheorie. Ein Studienbuch (2007). Vorwort 5 Inhaltsverzeichnis 9 1 Physikalisch-mathematische Grundlagen 12 1.1 Spin und Superposition 15 1.1.1 Stern-Gerlach-Experiment 16 1.1.2 Aufeinanderfolgende Spinmessungen 18 1.1.3 Superpositionsprinzip 22 1.2 Mathematischer Formalismus der Quantenmechanik 27 1.2.1 Vektoren und ihre Darstellung 28 1.2.2 Operatoren und ihre Eigenwerte 31 1.2.3 Das Problem mehrfacher Eigenwerte 40 1.2.4 Spezielle Operatoren und Ortsdarstellung 44 Literatur zu Kapitel 1 52 2 Messproblem, Minimal- und Kollapsinterpretationen 54 2.1 Minimalinterpretation 56 2.2 Ensemble-Interpretation und Kopenhagener Deutung 60 2.2.1 Ensemble-Interpretation 63 2.2.2 Kopenhagener Deutung(en) 65 2.3 Messproblem und Dekohärenz 71 2.3.1 Quantenmechanisches Messproblem 73 2.3.2 Dekohärenzprogramm 78 2.4 Realistische Kollaps-Deutung: GRW 81 2.4.1 Nicht-lineare Dynamik 81 2.4.2 GRW-Ontologien und ihre Kritik 85 Literatur zu Kapitel 2 88 3 Quanten-Identität und Ununterscheidbarkeit 90 3.1 Quantentheorie gleichartiger Objekte 90 3.1.1 Statistische Mechanik 90 3.1.2 Mehr-Teilchen-Tensorprodukt 92 3.1.3 Quantenstatistik 94 3.1.4 Symmetrische Gruppe 97 3.2 Ontologie der Quantentheorie 100 3.2.1 Identität und Leibniz-Prinzip 100 3.2.2 Leibniz-Prinzip und Quantentheorie 108 3.2.3 Schwache Unterscheidbarkeit 114 3.2.4 Ausblick 117 Literatur zu Kapitel 3 120 4 Verschränkung und Nicht-Lokalität: EPR, Bell und die Folgen 123 4.1 Einführung und Überblick 123 4.2 Das EPR-Argument und seine Folgen 125 4.3 Der Bellsche Beweis 134 4.3.1 Experimentelle Grundlagen 135 4.3.2 Das ursprüngliche Bell-Theorem 141 4.3.3 Bells Theorem als Strategie-Spiel 143 4.3.4 Bells Theorem präzise 148 4.4 Nicht-Lokalität 153 4.4.1 Lokalität vs. Hintergrundannahmen 153 4.4.2 Konfliktfelder mit der Relativitätstheorie 155 4.4.3 Signale und Kausalität 158 4.4.4 Outcome Dependence vs. Parameter Dependence 159 4.4.5 Nicht-Separabilität 162 4.4.6 Holismus 167 4.4.7 Nicht-Lokalität und Relativitätsprinzip 169 4.5 Alternative Lösungsvorschläge 173 4.5.1 Kausale Markov-Bedingung 173 4.5.2 Interventionsannahme 176 4.5.3 Rückwärtsverursachung 178 4.5.4 Fazit zu den alternativen Lösungsvorschlägen 181 4.6 Resümee 181 Literatur zu Kapitel 4 182 5 Nicht-Kollaps-Interpretationen der Quantentheorie 187 5.1 Die De-Broglie-Bohm-Theorie 188 5.1.1 Mathematische Beschreibung 189 5.1.2 Die Quantengleichgewichtshypothese 193 5.1.3 Die Führungsgleichung 195 5.1.4 Anwendungen der De-Broglie-Bohm-Theorie 196 5.1.5 Die Lösung des Messproblems 200 5.1.6 Die Schulen der De-Broglie-Bohm-Theorie 204 5.1.7 Kritik an der De-Broglie-Bohm-Theorie 206 5.2 Die Everett-Interpretation 209 5.2.1 Die Grundidee 210 5.2.2 Die Viele-Welten-Interpretation 211 5.2.3 Das Problem der bevorzugten Basis 213 5.2.4 Die Rolle der Dekohärenztheorie 216 5.2.5 Wahrscheinlichkeit in der Everett-Interpretation 219 5.2.6 Kritik an der Everett-Interpretation 225 5.3 Zusammenhang zwischen den verschiedenen Interpretationen 229 Literatur zu Kapitel 5 231 6 Quantenfeldtheorie 235 6.1 Charakterisierung der Quantenfeldtheorie 235 6.2 Raumzeitliche Beschreibung von Prozessen 237 6.3 Mathematische Struktur der Quantenfeldtheorie 239 6.3.1 Quantisierung von Feldern 240 6.3.2 Das einfachste Beispiel einer Quantenfeldtheorie 243 6.3.3 Besetzungszahldarstellung 249 6.3.4 Quantenfeldtheorie und Experiment 254 6.3.5 Probleme der konventionellen Quantenfeldtheorie 259 6.4 Interpretationen der Quantenfeldtheorie 264 6.4.1 Vorbemerkungen 264 6.4.2 Teilcheninterpretation 265 6.4.3 Feldinterpretation 273 6.5 Neue Wege der Interpretation 275 6.5.1 Ontischer Strukturenrealismus 275 6.5.2 Eine tropenontologische Interpretation 277 6.5.3 Fazit zur Ontologie der Quantenfeldtheorie 280 Literatur zu Kapitel 6 280 7 Chronologie und Ausblick 284 7.1 Frühphase der Quantenphysik 285 7.2 Etablierung der Standard-Quantenmechanik 286 7.3 Bestätigung und neue Herausforderungen 288 Register 297 Autoren 303 Front Matter....Pages i-xi Physikalisch-mathematische Grundlagen....Pages 1-42 Messproblem, Minimal- und Kollapsinterpretationen....Pages 43-78 Quanten-Identität und Ununterscheidbarkeit....Pages 79-111 Verschränkung und Nicht-Lokalität: EPR, Bell und die Folgen....Pages 113-176 Nicht-Kollaps-Interpretationen der Quantentheorie....Pages 177-224 Quantenfeldtheorie....Pages 225-273 Chronologie und Ausblick....Pages 275-287 Back Matter....Pages 289-296