Die Viele-Welten-Interpretation (VWI; von , Abk.: ) ist in der Physik eine Interpretation der Quantenmechanik. Sie geht ursprünglich auf den US-amerikanischen Physiker Hugh Everett III. zurück und grenzt sich in ihrem grundlegenden Ansatz deutlich von der traditionellen Kopenhagener Deutung (Bohr/Heisenberg) ab. Andere Namen sind Everett-Interpretation, EWG-Interpretation (Everett/Wheeler/Graham), Theorie der universellen Wellenfunktion, Viele-Vergangenheiten-Interpretation, Viele-Welten-Theorie oder schlicht Viele-Welten. Es gibt auch heute noch ein großes Interesse an dieser Interpretation und auch unterschiedliche Auffassungen, wie ihr Bezug zur Realität zu verstehen ist.
Everett postulierte im Jahre 1957 „relative“ quantenmechanische Zustände. Der US-Physiker Bryce DeWitt verbreitete diesen Ansatz dann in den 1960er und 1970er Jahren unter Viele-Welten und bezeichnete damit die unterschiedlichen möglichen Zustände des Quantensystems nach einer Messung. Die VWI enthält keinen Kollaps der Wellenfunktion und erklärt dessen subjektives Erscheinen mit dem Mechanismus der Quanten-Dekohärenz, was die physikalischen Paradoxa der Quantentheorie, wie das EPR-Paradoxon und das Schrödingers-Katze-Paradoxon, auflöst, da jedes mögliche Ergebnis jedes Ereignisses in seiner eigenen Welt realisiert ist.
Motivation und grundlegende Konzepte Die Kopenhagener Interpretation galt zu Everetts Zeiten als die vorherrschende Lehrmeinung. Viele Physiker sahen jedoch einen Widerspruch zwischen der deterministischen Zeitentwicklung eines quantenphysikalischen Zustandes nach der kontinuierlichen Schrödingergleichung und der Forderung nach einem probabilistischen und instantanen Kollaps der Wellenfunktion im Augenblick einer Messung (vgl. auch Postulate der Quantenmechanik). Damit sieht die Kopenhagener Interpretation zwei komplementäre Dynamiken: Zum einen die reversible und deterministische Entwicklung des Zustandes in einem unbeobachteten System, zum anderen eine sprunghafte, irreversible und nichtlokale Änderung des Zustandes bei einer Messung. Die Begründer der Kopenhagener Interpretation rechtfertigten dies mit der Notwendigkeit von klassischen Begriffen, die eine Unterteilung des Gesamtsystems in klassischen und quantenmechanischen Bereich unausweichlich macht: Nur wenn ein Messergebnis mit klassischen Begriffen beschreibbar ist, kann das Messergebnis als eindeutiges und irreversibel eingetretenes Ereignis (Faktum) gelten.
Everetts Motivation war es vornehmlich, das Kollapspostulat sowie die Wahrscheinlichkeitsinterpretation aus den anderen Axiomen abzuleiten. Er zielte auf eine Vereinfachung der Axiomatik der Quantenmechanik. Er wollte dadurch auch eine Möglichkeit der internen Anwendung der Quantenmechanik, also eine Anwendung des Formalismus auf ein rein quantenmechanisches System geben. Dies ist in der Kopenhagener Interpretation aufgrund der Unterteilung in klassische und quantenmechanische Bereiche nicht möglich. Diese Fragestellung war insbesondere für die Entwicklung einer konsistenten Theorie der Quantengravitation von großem Interesse. Ein oft zitiertes Beispiel für eine solche interne Anwendung ist die Formulierung einer Wellenfunktion des Universums, also die Beschreibung eines rein quantenmechanischen Universums ohne außenstehenden Beobachter.
In seinem ursprünglichen Artikel Relative State Formulation of Quantum Mechanics von 1957 zielt Everett darauf ab, die Quantenmechanik nur von der deterministischen Entwicklung eines Zustandes gemäß der Schrödingergleichung zu rekonstruieren, er verzichtet also auf ein Kollapspostulat und versucht, den Messvorgang nur unter Benutzung der Schrödingergleichung zu beschreiben. Er legt dabei Wert darauf, dass der Wellenfunktion keine a-priori-Interpretation zukommt, diese müsse erst aus der Korrespondenz mit der Erfahrung gewonnen werden. Der Rahmen der Interpretation sei allerdings durch die Theorie bestimmt. Everett betont, dass auch eine Beschreibung des Beobachters im Rahmen der Theorie notwendig sei.
Everett entwickelte zunächst das Konzept der relativen Zustände von zusammengesetzten Systemen: Kommt es zu Wechselwirkungen zwischen Teilen des Systems, so sind die Zustände dieser Teile nicht mehr unabhängig voneinander, sondern auf eine bestimmte Art und Weise korreliert. Unter diesem Gesichtspunkt behandelt er auch die Messung an einem Quantensystem. Den Beobachter definiert Everett dabei durch ein beliebiges Objekt mit der Fähigkeit, sich an das Ergebnis der Messung zu erinnern. Dies bedeutet, dass sich der Zustand des Beobachters durch das Ergebnis der Messung verändert. Die Messung wird somit lediglich als spezielle Art der Interaktion zweier Quantensysteme behandelt. Sie ist damit, anders als in einigen anderen Interpretationen, nicht von den Axiomen her ausgezeichnet.
Indem er die relativen Zustände des Beobachters zum beobachteten System formal im Sinne der dynamischen Entwicklung der Schrödingergleichung analysiert, ist Everett in der Lage, einige Axiome der Kopenhagener Interpretation zu reproduzieren, allerdings ohne einen Kollaps der Wellenfunktion. Stattdessen „verzweigt“ die Wellenfunktion – einschließlich der Beobachter – in verschiedene Ausprägungen, die einander überlagert sind und nicht miteinander interagieren können. Diese Zweige sind es, die Bryce DeWitt später als die namensgebenden vielen Welten bezeichnet, wobei die vielen Welten allerdings keine räumlich getrennten Welten, sondern getrennte Zustände im jeweiligen Zustandsraum sind. Everett selber sprach von relativen Zuständen; seine Interpretation bezeichnete er ursprünglich als Correlation Interpretation und dann als Relative State Formulation. Er verstand diese als Metatheorie zur Quantenmechanik.
Rezeption Unter Anleitung seines Doktorvaters John Archibald Wheeler veröffentlichte Everett eine verkürzte Version seiner Dissertation (The Theory of the Universal Wave Function) unter dem Titel ‘Relative State’ Formulation of Quantum Mechanics im Fachmagazin Reviews of Modern Physics. Vorausgegangen waren unter anderem Gespräche mit einem der Begründer der Kopenhagener Interpretation, Niels Bohr, der sich ablehnend gegenüber Everetts Arbeit äußerte. Daraufhin pochte Wheeler, selbst Schüler von Bohr, auf eine Neufassung, die vor allem die scharfe Kritik Everetts an der Kopenhagener Interpretation verkürzte. Obgleich den meisten führenden Physikern Everetts Arbeit bekannt war, wurde seine Formulierung in der folgenden Dekade nahezu ignoriert. Frustriert und unverstanden zog sich Everett schließlich aus der Physik zurück und widmete sich der militärpolitischen Beratung des Pentagons in Fragen des Nukleareinsatzes.
Im Jahre 1970 veröffentlichte der amerikanische Physiker Bryce DeWitt in Physics Today einen Aufsatz mit dem Titel Quantum mechanics and reality, der die Everett’sche Interpretation aufgriff und neu zur Diskussion stellte. In diesem Aufsatz führte er auch den Begriff Many-Worlds-Interpretation ein. In den Folgejahren gewann die Viele-Welten-Interpretation stark an Popularität, was auch auf die Entwicklung der Dekohärenztheorie zurückzuführen ist. Diese geht ebenfalls von einer möglichst weitreichenden Gültigkeit der Schrödingergleichung aus, was dem Konzept der Kopenhagener Interpretation zuwiderläuft.
Auch im Bereich der Quantenkosmologie und Quantengravitation erfreute sich der Everett’sche Ansatz wachsender Beliebtheit, da er bisher die einzige Interpretation war, in der es überhaupt sinnvoll war, von einem Quantenuniversum zu sprechen. Die Idee der universellen Wellenfunktion wurde ebenfalls von einer Reihe von Physikern aufgenommen und weiterentwickelt, unter anderen Wheeler und DeWitt bei der Entwicklung der Wheeler-DeWitt-Gleichung der Quantengravitation sowie James Hartle und Stephen W. Hawking (Hartle-Hawking-Randbedingung für eine universelle Wellenfunktion). Die Viele-Welten-Interpretation entwickelte sich aus einem Nischendasein zu einer populären Interpretation, zu deren grundlegendem Ansatz sich viele der führenden Physiker des späten 20. Jahrhunderts bekannten (u. a. Murray Gell-Mann, Stephen W. Hawking, Steven Weinberg). Es wurde auch versucht, das Konzept der Viele-Welten-Interpretation weiterzuentwickeln. Daraus entstand beispielsweise die Consistent-Histories-Interpretation, die versuchte, das Grundkonzept von Everetts Ansatz, die universelle Gültigkeit der Schrödingergleichung, weiterzuführen, allerdings ohne die Existenz vieler Welten.
Neben der traditionellen Kopenhagener Interpretation gibt es auch heute noch ein starkes Interesse an der Viele-Welten-Interpretation, obgleich Einwände weiterhin kontrovers diskutiert werden. Es finden sich viele Befürworter, insbesondere im Bereich der Quantenkosmologie und der in den 1980er und 1990er Jahren entwickelten Quanteninformation. Zu den bekannteren Vertretern der Viele-Welten-Interpretation gehören der israelische Physiker David Deutsch und der deutsche Physiker Dieter Zeh, einer der Begründer der Dekohärenztheorie. Nach Zeh besteht aus empirischer Sicht ein Vorzug der VWI darin, dass sie die a priori sehr unwahrscheinliche „Feinabstimmung“ der Naturkonstanten, die Leben im Universum erst möglich gemacht hat, plausibel erklären könne, ohne auf ein starkes, zielgerichtetes anthropisches Prinzip zurückgreifen zu müssen, das an den Plan eines intelligenten Schöpfergottes erinnere und damit religiös gefärbt und nicht naturwissenschaftlich sei (Intelligent Design). Nach der VWI ist die Tatsache, dass unser Zweig des Multiversums trotz der extrem geringen Wahrscheinlichkeit intelligentes Leben ermöglicht hat, einfach nur darauf zurückzuführen, dass in vielen der unzähligen anderen Zweigen des Everett’schen Multiversums, die diese Voraussetzungen nicht bieten, keine intelligenten Lebewesen existieren, die sich diese Frage überhaupt stellen können. Wir leben also deshalb in einer lebensfreundlichen Welt, weil wir uns in den vielen lebensfeindlichen Welten, die es demnach ebenso gibt, nicht hätten entwickeln können (schwaches anthropisches Prinzip).
Widerstand gegen die VWI kommt vor allem von Physikern, welche die Quantenmechanik lediglich als Rechenanleitung im mikroskopischen Bereich sehen und ihr keine ontologische Bedeutung zusprechen oder diese für irrelevant erachten (). Ein bekannter Vertreter dieser Position ist der deutsche Nobelpreisträger Theodor Hänsch.
Formaler Zugang Grundlegende Bemerkungen Die Viele-Welten-Interpretation bezieht sich im Wesentlichen auf ein Postulat: Jedes isolierte System entwickelt sich gemäß der Schrödingergleichung Insbesondere mit dem Weglassen der Reduktion des Zustandsvektors ergeben sich aus diesem Postulat zwei wichtige Folgerungen: Da das Universum als Ganzes per definitionem ein isoliertes System ist, entwickelt sich auch dieses gemäß der Schrödingergleichung. Messungen können keine eindeutigen Ergebnisse haben. Stattdessen sind die unterschiedlichen Messergebnisse auch in unterschiedlichen Realitätszweigen („Welten“) realisiert (vgl. Beispiel). Ein wichtiger Vorteil der VWI ist somit, dass sie im Gegensatz zur Kopenhagener Interpretation a priori keine Unterscheidung von klassischen und quantenmechanischen Zuständen kennt. Diese ergibt sich erst aus der Berechnung von Dekohärenzzeiten; bei einer sehr kleinen Dekohärenzzeit kann ein System als quasiklassisch betrachtet werden. Rein formal ist allerdings in der VWI jedes System zunächst ein Quantensystem.
Relative Zustände Everett entwickelte seinen Ansatz zunächst von einem Konzept der relativen Zustände, die er wie folgt einführte:
Ein Gesamtsystem bestehe aus zwei Teilsystemen und , der Hilbertraum des Gesamtsystems ist das Tensorprodukt der Hilberträume der beiden Teilsysteme. sei in einem reinen Zustand , dann gibt es zu jedem Zustand von einen relativen Zustand von . Damit lässt sich der Zustand des Gesamtsystems als