Kollaps der Wellenfunktion

Als Kollaps der Wellenfunktion oder Zustandsreduktion wird die Veränderung eines quantenmechanischen Zustands bezeichnet, wenn an ihm eine physikalische Größe mit einem Messgerät gemessen wird. Der Kollaps der Wellenfunktion ist ein wichtiger Bestandteil der Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik, einer bedeutenden Interpretation der Quantenmechanik.

Während durch den vor der Messung vorliegenden quantenmechanischen Zustand nur Wahrscheinlichkeitswerte für das Auftreten der verschiedenen Ergebnisse gegeben sind, die für diese Größe möglich sind (Eigenwert), nimmt das Objekt nach der Messung einen Zustand ein, der den gerade gemessenen Wert eindeutig festlegt (Eigenzustand). Diese Art der Zustandsänderung erfolgt nicht nach einer der deterministischen unitären Bewegungsgleichungen (Schrödingergleichung, Diracgleichung etc.).

Die Vorstellung eines Kollapses des quantenmechanischen Zustandes bei einer Messung hängt auch eng mit der Einführung eines heisenbergschen Schnittes zusammen, um das mikroskopische Quantensystem mit den klassischen Begriffen des Experimentators in Beziehung zu setzen.

Im Rahmen der Kopenhagener Deutung wird die Wellenfunktion und allgemeiner auch der quantenmechanische Zustand eines mikroskopischen Systems nicht als vollständige Beschreibung der physikalischen Realität betrachtet, sondern als die Menge der experimentell zugänglichen Informationen über das mikroskopische System. Es kann deshalb in Übereinstimmung mit der speziellen Relativitätstheorie auch angenommen werden, dass der Kollaps unstetig und augenblicklich stattfindet. Es bleibt allerdings auch unklar, wann und wie genau die Zustandsänderung im Detail erfolgen soll und was ihre physikalische Ursache ist. Ob der Kollaps zugleich auch einen realistischen physikalischen Vorgang beschreibt, ist trotz intensiver Forschungsarbeit noch immer eine offene Fragestellung (Stand 2025).

Ausgehend von früheren Diskussionen zu den Interpretationen der Quantenmechanik entwickelte der Physiker Dieter Zeh dann in den Siebzigerjahren des zwanzigsten Jahrhunderts den Begriff der Dekohärenz. Diese tritt insbesondere dann in Erscheinung, wenn der Einfluss der weiteren Umgebung auf das mikroskopische Objekt und das makroskopische Messinstrument, beispielsweise durch elektromagnetische und/oder gravitative Felder, berücksichtigt wird. Man geht dann von einer unitären Zeitentwicklung des Gesamtsystems aus Objekt und Messgerät aus. Die Dekohärenz macht verständlich, warum nach einer Messung keine weiteren quantenmechanischen Interferenzen mehr auftreten. Aber auch hier ist es ein ungelöstes Problem, die mit der einzelnen Messung einhergehende Auswahl eines konkreten Messergebnisses vorherzusagen.

Ob dem Kollaps der Wellenfunktion ein realer physikalischer Vorgang unabhängig vom Beobachter zuzuordnen ist, kann auch mit weiterentwickelten Experimenten, wie Delayed-Choice-Experimenten und Quantenradierern nicht eindeutig beantwortet werden. Aufgrund dieser Experimente und der zugehörigen quantenmechanischen Beschreibung kann aber ausgeschlossen werden, dass der Kollaps ein Teil der reversiblen, mikroskopischen Wechselwirkungen ist. Der Kollaps muss vielmehr Teil des gesamten und irreversiblen Messprozesses sein.

1. ↑ Der große Fehler in der Quantenmechanik, den nur wenige Physiker ernst nehmen, Interview mit Sir Roger Penrose, Curt Jaimungal, YouTube, 10. Januar 2025
2. ↑ Xiao-Song Ma, Johannes Kofler, Angie Qarry, Nuray Tetik, Thomas Scheidl, Rupert Ursin, Sven Ramelow, Thomas Herbst, Lothar Ratschbacher, Alessandro Fedrizzi, Thomas Jennewein, Anton Zeilinger: Quantum erasure with causally disconnected choice. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 110. Jahrgang, Nr. 4, 2013, S. 1221–1226, doi:10.1073/pnas.1213201110, PMID 23288900, PMC 3557028 (freier Volltext), arxiv:1206.6578, bibcode:2013PNAS..110.1221M (englisch).