Der Alte Mann und das Multiversum – Ein Nachruf auf H. Dieter Zeh

Er war ein alter Mann und fischte allein in einem Boot im Multiversum, und seit sechsundachtzig Jahren hatte er keinen großen Physikpreis an Land gezogen.

Mit Dieter Zeh (aka Heinz-Dieter Zeh oder H.D. Zeh) ist am 15. April 2018 einer der letzten großen Pioniere der Quantenmechanik verstorben. Mit dem Phänomen der Dekohärenz hatte er 1970 das letzte Puzzle-Stück im Formalismus der Quantenmechanik entdeckt.

“Decoherence is – in my humble opinion – one of the most important discoveries of the past century”

Das hat mir MIT-Kosmologe Max Tegmark erst kürzlich geschrieben, und Zeh damit in eine Reihe mit Genies wie Einstein, Bohr, Schrödinger oder Heisenberg gestellt. In dieser Gesellschaft findet sich auch seine Arbeit in der 1983 von John Archibald Wheeler und Wojciech H. Zurek zusammengestellten Kollektion klassischer Arbeiten zur Quantenmechanik [1].

Und da gehört er auch hin: Denn wenn es nach Tegmark, mir und einer zunehmenden Zahl von Physikern geht, hat Dieter Zeh letztlich gezeigt, wie das entsteht, was wir Realität nennen.

Dieter Zeh wurde am 8. Mai 1932 in Braunschweig geboren und studierte Physik an den Universitäten in Braunschweig und Heidelberg. Dort promovierte er 1962 mit einer Arbeit über die Erzeugung von Alpha-Teilchen in Atomkernen, unter der Betreuung von Hans-Jörg Mang und dem Nobelpreisträger J. Hans D. Jensen. Danach zog es ihn, wie viele Postdocs seiner und späterer Generationen, in die USA, genauer gesagt nach Kalifornien. In den Jahren von 1965-1967 arbeitete er am California Institute of Technology und an der University of California in San Diego. Schließlich wurde er an seiner Alma Mater in Heidelberg Professor für Theoretische Physik, wo er 1970 das Phänomen entdeckte, das später den Namen “Dekohärenz” erhalten sollte [2].

Dekohärenz erklärt, was bei der rätselhaften Quantenmessung passiert. Denn nach den Gesetzen der Quantenmechanik können sich Teilchen zwar z.B. an verschiedenen Orten gleichzeitig aufhalten (das nennt man “Superposition” von Eigenschaften, im Wellenbild spricht man von Überlagerung oder “Interferenz”), bei einer Messung wird einem Teilchen aber immer ein konkreter Wert zugeschrieben. Um das zu erklären, bemüht die Dekohärenz ein mindestens genau so rätselhaftes Phänomen der Quantenmechanik, die sogenannte “Verschränkung”.

Leonard Susskind, einer der Pioniere der Stringtheorie, beschreibt Verschränkung folgendermaßen:

“Es würde keinen Sinn machen, wenn ein KFZ-Mechaniker sagen würde, er wüsste alles über ein Auto, aber unglücklicherweise könne er nichts über irgendeinen seiner Teile sagen. Aber das ist genau das, was Einstein (mit seinem berühmten EPR-Paradox) Bohr erklärt hat, in der Quantenmechanik kann man alles über ein System wissen und nichts über seine Einzelteile, und Bohr gelang es nicht, diese Tatsache zu würdigen.”

Verschränkung beschreibt also die Eigenschaft zusammengesetzter Systeme, vollständig bekannt zu sein, ohne dass die Eigenschaften ihrer Teilsysteme bestimmt sind. Man kann davon sprechen, dass die Teilsysteme vollständig im Gesamtsystem aufgehen, dass das Ganze ganz konkret mehr ist als seine Teile.

Wie Zeh entdeckt hat, wird bei einer Quantenmessung das System durch Wechselwirkung mit dem Bobachter oder der Messapparatur sowie der Umgebung, also dem Rest des Universums, verschränkt. Wenn man dann berücksichtigt, dass kein Beobachter das gesamte Universum kennt und über diese unbekannte Information mittelt, verschwinden die Interferenzen. Das heißt, dass Teilchen zwar auch nach der Messung weiterhin an zwei Orten existieren können, diese zwei Realitäten aber nicht mehr wechselwirken und quasi vollständig entkoppelt sind. Der Grund dafür, warum man Teilchen quantenmechanisch beschreiben muss, aber makroskopische Objekte wie z.B. Katzen nicht, liegt dann nicht an der Größe des betrachteten Objekts, sondern daran, wie vollständig isoliert von seiner Umgebung das Objekt werden kann. Damit hat Zeh gleichzeitig erklärt, warum Schrödingers berühmte Zombie-Katzen, die halb tot und halb lebendig sind, bis sie denn beobachtet werden, nicht wirklich auftreten: Eine Katze ist immer so stark mit ihrer Umgebung gekoppelt, dass sie sofort dekohärent wird.

Das Phänomen selbst ist inzwischen experimentell hervorragend bestätigt, und seine Bedeutung für die moderne Physik kann kaum überschätzt werden. Nur ein wichtiges Beispiel sind Serge Haroches Arbeiten zu genauen Messungen und Kontrolle von individuellen Quantensystemen, für die er den Nobelpreis 2012 erhielt: Sie ermöglichten die Analyse der Dekohärenz an der Zeitentwicklung von makroskopischen Quantensystemen sowie die Entwicklung extrem genauer optischer Uhren. In seiner Nobel-Vorlesung beschreibt Haroche, wie er durch Zehs Arbeit zur Dekohärenz beeinflusst und wie die Idee, das Phänomen mit einfachen Experimenten zu untersuchen, für ihn ein starker Ansporn wurde. Gerade in dem boomenden Feld der Quanteninformationstechnologien mit Anwendungen, die vom Quantencomputer über Quantenkryptographie bis zum “Quantum Sensing” – der Nutzung von Quantensystemen als kleine Sonden zur Messung von elektromagnetischen Feldern, Temperaturen und Drucken – reichen, ist das Phänomen nicht wegzudenken. Und zwar sowohl als Problem, das es experimentell zu überwinden gilt, wie auch als Möglichkeit, Quantensysteme zu manipulieren. In einer Zeit, in der sich Google, IBM, Microsoft, Intel, NASA und andere einen erbitterten Wettkampf darin liefern, die Informatik zu revolutionieren und “Quantum Supremacy” nur noch wenige Monate entfernt zu sein scheint, gehört die Physik der Dekohärenz zu den spannendsten Forschungsfeldern des 21. Jahrhunderts.

Wie kommt es dann, dass Dieter Zeh nicht hochdekoriert und in aller Munde ist, dass dieser Ausnahmephysiker kein Prominenter war?

Zum Einen schwamm Zeh nicht mit dem Mainstream, er dachte tiefer als andere.

Und Zeh konnte gelegentlich bissig sein: Als 1999 die “Strings”-Konferenz am Potsdamer Albert-Einstein-Institut stattfand, erklärte er in einer Polemik, M-Theorie sei bis auf weiteres erstmal nur Mathematik und keine Physik. “Nach meinem Eindruck haben Sie die Wellenfunktion bisher ganz unzureichend interpretiert” und “Sie müssen vielleicht ein bisschen geduldiger lesen” durfte sich auch der Autor dieser Zeilen anhören, bevor er Zeh als großzügigen, freundlichen und geduldigen Diskussionspartner gewinnen konnte. Und wie Zeh Alexander Unzickers unterirdischer, populistischer Verschwörungstheorie “Vom Urknall zum Durchknall” eine positive Empfehlung mitgeben konnte, bleibt nun wohl für immer sein Geheimnis.

Vor allem aber geriet Zehs Entdeckung in den Strudel eines philosophischen Scharmützels über die Frage “Was ist real?”, dessen Geschichte gerade erst von dem New Scientist-Journalisten Adam Becker in einem packenden Sachbuch erzählt wurde [3].

Als Zeh 1970 den ersten Entwurf seines Dekohärenz-Papers fertiggestellt hatte, ging er in die Bibliothek des Instituts für Theoretische Physik hinunter, um etwas “völlig anderes” zu machen. In der stilvollen Villa am Philosophenweg, aus deren Fenstern man die Altstadt und das Neckartal überblickt, fand er statt dessen etwas ziemlich ähnliches: Einen Artikel von Bryce DeWitt, der sich der Viele-Welten-Interpretation von Hugh Everett III. bediente. Zeh realisierte sofort, dass seine Entdeckung das fehlende Puzzlestück, ja das zugrunde liegende Prinzip der Viele-Welten-Interpretation war. Denn wenn man davon ausgeht, dass Dekohärenz nicht nur eine Begleiterscheinung des Quanten-zu-Klassik-Übergangs ist, sondern vielmehr seine Ursache, werden Everetts “Viele Welten” von einer Interpretation zu einer Vorhersage der Quantenmechanik. Da sich dabei eigentlich der Beobachter aufspaltet und nicht das Messobjekt, sprach Zeh allerdings oft lieber von “Many Minds” anstatt von “Many Worlds”. Wie auch immer: Die klassische Welt, in der sich Dinge an bestimmten Orten befinden und Katzen entweder tot oder lebendig sind, existiert dann überhaupt erst durch das von Dieter Zeh entdeckte Phänomen.

Damit hatte sich der junge Forscher freilich auf ein wissenschaftspolitisches Minenfeld begeben. Denn nachdem Einstein seine Skepsis gegenüber der Quantenmechanik in einer Reihe von Gedankenexperimenten vorgetragen hatte, konnte Bohr diese jedes mal entkräften, entwickelte dabei aber eine zweifelhafte Deutung der Quantenmechanik, nach der die Theorie keine Aussagen über die Natur mache, sondern nur über das Wissen eines Experimentators über die Natur. Diese “orthodoxe” “Kopenhagener Interpretation” wurde nun von Bohrs Zirkel mit Zähnen und Klauen verteidigt. Da Jensen sich mit den Grundlagen der Quantenmechanik nicht so gut auskannte, schickte er Zehs Paper an Leon Rosenfeld, ein enger Mitarbeiter von Niels Bohr, der vorher bereits die Ideen von Hugh Everett und David Bohm torpediert hatte. Die Antwort fiel aus wie erwartet: Rosenfeld sprach von einem “Konzentrat des wildesten Nonsens” [3], und Jensen zeigte Zeh zwar Rosenfelds Brief nicht, erklärte ihm aber, dass weitere Arbeit an diesem Gegenstand seine akademische Karriere zerstören würde. Und auch Zehs andere Heidelberger Kollegen waren nicht überzeugt, dass es sich bei der Dekohärenz um “richtige Physik” handelte. Als spannende Fragen galten zu dieser Zeit die Anwendung der relativistischen Quantenfeldtheorie auf die neu entdeckten Elementarteilchen. Eine Beschäftigung mit den Grundlagen der Quantenphysik galt als Unsinn oder “Philosophie”.

“Wir haben einfach nicht verstanden, was er gemacht hat”

hat mir Berthold Stech einmal gestanden, Zehs Kollege an der Heidelberger Uni, der mit Feynman und Gell-Mann bei der Entwicklung einer Theorie der schwachen Wechselwirkung konkurrierte, und langjähriger Direktor des Instituts für Theoretische Physik war.

Doch Zeh blieb stur: Zur Not veröffentlichte er in obskuren Journalen und auf seiner eigenen Webseite. Zusammen mit Olaf Kübler erklärte er, warum bestimmte Superpositionen wie die Überlagerung positiver und negativer elektrischer Ladungen niemals in der Natur beobachtet werden, und mit Erich Joos schätzte er erstmals Dekohärenzzeiten für Objekte verschiedener Größe und in verschiedenen Umgebungen numerisch ab. Das zeigte – zusammen mit einer Arbeit von Wojciech H. Zurek, der die Dekohärenz unabhängig entdeckte und in den 1980er Jahren wichtige Beiträge erarbeitete, wie effizient das Phänomen auf makroskopischen Skalen wirkt. Mit Ausnahme von Claus Kiefer, mit dem Zeh unter Anderem die Bedeutung der Dekohärenz für Kosmologie und das Phänomen der Zeit entschlüsselte [4], blieben seinen Studenten akademische Karrieren verwehrt. Erst durch einen Artikel von Zurek in der US-Zeitschrift “Physics Today” im Jahr 1991, der Zeh ausdrücklich würdigt, wurde das Phänomen der Dekohärenz einer breiteren Leserschicht bekannt [5].

Dabei sind auch die möglichen philosophischen Folgen von Zehs Entdeckung bahnbrechend: Als der Wissenschaftsphilosoph Thomas S. Kuhn beschrieb, wie sich Paradigmenwechsel in der Physik vollziehen, nahm er die Kopernikanische Wende als Beispiel. Seit dem 16. Jahrhundert hatte das 1400 Jahre alte traditionelle Weltbild, in dem die Erde im Mittelpunkt stand und sich Sonne, Mond und Planeten in einem komplizierten System von Kreisbahnen und Epizyklen um sie herum bewegten, eine moderne Alternative: die kopernikanische Vorstellung, die Erde kreise wie die anderen Planeten auch um die Sonne. Und obwohl die neue Theorie anfangs keine besseren Vorhersagen ermöglichte (letztlich lassen sich beide Vorstellungen als unterschiedliche Beobachtungsstandpunkte verstehen), bestach sie durch ihre Einfachheit und Eleganz, die letztlich die wissenschaftliche Revolution des 17. Jahrhunderts befeuerte.

Gegen die Vorstellungen, die Dieter Zeh uns zumutet, sind die Paradigmenwechsel der Kopernikanischen Wende freilich Pipifax. Nach Zeh gibt es weder Sonne, noch Erde noch Planeten. Unsere klassische, makroskopische Welt entpuppt sich als Täuschung. Allein das erinnert an die Denkleistung antiker Naturphilosophen, die Sterne und Planeten am Nachthimmel als Gesteinsbrocken zu verstehen anstatt als Mythen von Göttern und Heroen. Aber damit nicht genug: Es gibt auch keine Teilchen oder Quanten – Konzepte, die ganzen Disziplinen der Physik ihren Namen gegeben haben, werden zur Illusion degradiert. Ja selbst die Zeit ist nach Zeh nicht fundamental. Sein Buch “The Physical Basis of the Direction of Time” [6] ist das unbestrittene Standardwerk zu diesem Thema. Die fundamentale Realität ist dagegen der Quantenkosmos, eine Art Alleinheit, wie sie schon Giordano Bruno vorschwebte. Was Zeh von alternativen Interpretationen hielt, machte er mit seinem Buchtitel “Physik ohne Realität – Tiefsinn oder Irrsinn” [7] deutlich klar. Der Streit um die Stellung der Erde im Mittelpunkt des Universums brachte Bruno auf den Scheiterhaufen und den diplomatischeren Galileo Galilei vor die Inquisition. Vermutlich kann Zeh sich also glücklich schätzen, dass seine “mit fast religiöser Gläubigkeit” (so Zeh) an der orthodoxen Interpretation der Quantenphysik fest haltenden Kollegen seinen Ideen nur mit Gleichgültigkeit begegnet sind. So wurde er in seiner gesamten Karriere mit keinem größeren Physikpreis gewürdigt.

Im Vergleich dazu hat der an der US-amerikanischen Kernwaffenschmiede Los Alamos beheimatete polnisch-amerikanische Physiker Wojciech Zurek, der in den 80er Jahren wichtige Weiterentwicklungen der Zehschen Entdeckung erarbeitet hat, den Humboldt-Preis, den höchsten Preis der polnischen physikalischen Gesellschaft, einen der höchsten polnischen Orden, und die höchste Würdigung des Los-Alamos-Labors erhalten. Er wurde sogar von der US-Wissenschaftsjournalistin Jennifer Ouellette in einem Scientific American Blogpost für seine Arbeiten zu Dekohärenz und dem No-Cloning-Theorem für den Nobelpreis 2014 vorgeschlagen – ohne Zeh auch nur zu erwähnen. Dass Zeh trotz mehrfacher Nominierung nicht einmal von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft mit der Max-Planck-Medaille geehrt wurde, ist in der Tat ein Skandal.

Womit wir wieder bei Hemingway wären – auch Bruno verglich die Alleinheit ja letztlich mit dem Meer… Was für den “Alten Mann” Santiago der Fischerjunge Manolo ist, war für Zeh möglicherweise Silvia Arroyo Camejo. Als die erst 17-jährige Schülerin ihm ihr Manuskript “Skurrile Quantenwelt” schickt, das sie eigentlich nur für sich selbst geschrieben hat, ist Zeh begeistert, liest es gegen, und hilft ihr, es beim Springer-Verlag zu veröffentlichen [8]:

“Ich erhoffe mir von dem Buch, dass auch andere sagen: Wenn eine Schülerin das schafft, muss man das doch verstehen können”.

Die Presse überschlägt sich vor Begeisterung über das “Wunderkind im Mikrokosmos”. Inzwischen ist Arroyo Camera promovierte Physikerin und forscht in der Entwicklungsabteilung von Siemens Healthineers an neuen Verfahren zu Bildgebung und Therapie in der Medizin, die letztlich auch auf der Quantenmechanik beruhen.

Um Missverständnisse auszuräumen, die beim Verweis auf Bruno und die Alleinheit auftreten könnten: Zeh war kein Metaphysiker und schon gar kein Esoteriker. Den Versuch von Anhängern der Homöopathie, ihn für sich einzunehmen, hat er z.B. energisch zurückgewiesen. Und auch gegen einen allzu naiven Wissenschaftlichen Realismus, der das mathematische Modell mit der beschriebenen Wirklichkeit verwechselt, war Zeh gefeit: In Anlehnung an den neo-Kantschen Philosophen Hans Vaihinger, der annahm, das die Realität letztlich unwissbar sei, wissenschaftliche Modelle aber betrachtet werden können, “als ob” sie die Realität seien, verstand Zeh die Wellenfunktion als “heuristische Fiktion”, aber nicht weniger real als andere physikalische Konzepte wie z.B. Quarks [9,10]. Ja, Zeh war nicht einmal besonders spekulationsfreudig:

“Zeh sah sich von der Natur gezwungen, die Viele-Welten-Interpretation zu akzeptieren”

hat mir meine Dortmunder Philosophie-Kollegin Brigitte Falkenburg – selbst keine Freundin der Viele-Welten-Interpretation, einst erklärt. Und indem Zeh diesen Zwängen konsequent folgte, gewann er Erkenntnisse, die seiner Zeit um Jahre oder gar Jahrzehnte voraus waren. So diskutieren z.B. gegenwärtig Yasunori Nomura und Sean Carroll, wie das Informationsparadox Schwarzer Löcher (“Wo bleibt die Information, die in ein Schwarzes Loch fällt, wenn diese letztendlich verdampfen?”) im Rahmen der Viele-Welten-Interpretation gelöst werden kann (mehr dazu in Bälde). Bereits in “Physik ohne Realität” [7] hatte Zeh 2012 auf diesen Zusammenhang hingewiesen:

“Es ist schon merkwürdig und bezeichnend für die gegenwärtige Situation der Physik, dass man ein Verschwinden von „Information“ bei der Zerstrahlung Schwarzer Löcher als Paradoxon diskutiert, während man im Labor einen Kollaps der Wellenfunktion ständig und bereitwillig akzeptiert.”

Und in seinem Paper “The Wave Function: It or Bit” lässt er bereits 2002 in einem Nebensatz eine Bemerkung fallen, dass die hypothetischen Baby- oder Bubble-Universen der kosmischen Inflation nicht als anderswo “im Raum” sondern als andere Everett-Welten verstanden werden müssten – eine Vorstellung, die gerade hochaktuell von Susskind, Raphael Bousso, Nomura oder Tegmark unter dem Buzzwort “ER=EPR”, also der Vorstellung, dass die Verschränkung von Quantenrealitäten den hypothetischen, als Wurmlöchern bekannten Raumzeitabkürzungen entsprechen könnte, diskutiert wird – auch wenn er selbst vielleicht widersprechen würde.

Seine Webseite [11], auf der er viele seiner Arbeiten gesammelt hat, überschrieb Zeh mit dem Zitat:

“Man can retire, but man can never stop thinking …” (Ben Liang Li)

und arbeitete entsprechend bis zum Schluss. Er blieb geistig und körperlich fit, witzig, clever und manchmal bissig und eine unvergleichbare Wissensquelle für jeden, der etwas lernen wollte über die fundamentalen Fragen der Physik. Nur zwei Tage vor seine Tod schrieb er mir eine freundliche Mail, über die ich mich sehr gefreut habe, und die auch sprachlich ein kleines Meisterwerk war. Er starb überraschend auf einer Urlaubsreise in den Schwarzwald.

Seine Todesanzeige hat Zehs Witwe Sigrid mit einem Gerhart-Hauptmann-Zitat überschrieben:

“Mit jedem Menschen stirbt eine Welt.”

Für Dieter Zeh gilt das in doppelter Hinsicht – betrifft es doch einerseits seine höchst eigene Perspektive im Many-Minds-Multiversum, und andererseits seine beachtliche Geisteswelt.

Die Physik wird erst noch realisieren müssen, wie groß dieser Verlust ist.

Vielleicht ist es etwas tröstlich, dass Zehs Geisteswelt weiterlebt in seinen Schülern und den vielen Wissenschaftlern, deren Weltbild er entscheidend geprägt hat. Und dass hinter der Vielzahl von Welten im Multiversum eine Einheit steht – der zeitlose Quantenkosmos, in dem Vergänglichkeit und Tod reine Illusion sind.

[1] John Archibald Wheeler, Wojciech Hubert Zurek: Quantum Theory and Measurement, Princeton University Press, Princeton 1983.

[2] H. Dieter Zeh, Foundations of Physics, 1,1 (1970) 6976.

[3] Adam Becker: What is real?, Basic Books, New York 2018.

[4] Claus Kiefer: Der Quantenkosmos – von der zeitlosen Welt zum expandierenden Universum, S. Fischer Verlag, Frankfurt 2008.

[5] W.H. Zurek, Physics Today 44 (1991) 36-44.

[6] H. Dieter Zeh: The Physical Basis of The Direction of Time, Springer, Berlin, Heidelberg 2007.

[7] H. Dieter Zeh: Physik ohne Realität: Tiefsinn oder Wahnsinn?, Springer, Heidelberg 2012, Kindle Edition.

[8] Silvia Arroyo Camejo: Skurrile Quantenwelt, Springer, Berlin, Heidelberg 2006.

[9] Kristian Camilleri: A history of entanglement: Decoherence and the measurement problem, Studies in History and Philosophy of Modern Physics 40 (2009) 290–302.

[10] H. Dieter Zeh: Realität und Determinismus in der Quantentheorie, in [7].

[11] H. Dieter Zehs Webseite: http://www.rzuser.uni-heidelberg.de/~as3/