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Ungewöhnlicher Rettungsversuch: Kostümdesignerin klebt verletztem Schmetterling neuen Flügel an

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Wie skurril darf’s denn sein?

Es ist nun schon etwas her, dass es durch die Presse ging: Das Einstein-Podolsky-Rosen-Experiment (EPR-Experiment) ist erneut zugunsten der Quantenmechanik ausgegangen. Doch was bedeutet es eigentlich, wenn es anders wäre? Die klassische Physik würde das nicht mehr retten.

Im verlinkten Spektrum-Artikel, ist das Experiment und sein theoretischer Hintergrund bereits gut und ausführlich erklärt. Auch ich habe 2011 schon grundsätzliches zu diesen Experimenten geschrieben, deshalb hier nur eine kurze Beschreibung:

In EPR-Experimenten werden an der Quelle verschränkte Photonenpaare erzeugt. Je ein Photon jedes Paares wird über Spiegel oder Lichtwellenleiter zu den Empfängern A und B geleitet. Dort werden willkürlich die Polarisationen der Photonen in drei verschiedenen Winkeln gemessen. Dann werden die Statistiken der Korrelationen, also der Wenn-dann-Beziehungen zwischen den Messungen ausgewertet.

Die Quantenmechanik macht hier eine andere Voraussage, als jede klassische Theorie machen würde: Sie geht davon aus, dass an der Quelle zwar die Korrelation, nicht aber die konkrete Eigenschaft der einzelnen Photonen festgelegt wird. Jedes Photon befindet sich laut Quantenmechanik in einem Schwebezustand aller möglicher Polarisationsrichtungen und es ist nur festgelegt, dass das in B gemessene Photon eine um 90° gedrehte Polarisation gegenüber dem in A gemessenen hat.

Klassische Physik ist dagegen real und lokal. Das heißt, die Photonen sollten bereits an der Quelle je eine eindeutige reale Polarisationsrichtung mitbekommen, die dann an den Empfängern A und B lokal gemessen werden können, ohne dass die Art der Messung in B das Ergebnis in A beeinflussen kann oder umgekehrt. Solch eine Beeinflussung hat Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ zurückgewiesen.

Die klassische Vorhersage ist strenger und setzt ein Maximum für mögliche Korrelationen, das von der Quantenmechanik verletzt wird. Diese Verletzung ist durch die Bellschen Ungleichungen definiert. Sie wurde im genannten Experiment einmal mehr nachgewiesen.

Die immer weitergehenden Experimente werfen die Frage auf, ob die klassische Physik überhaupt noch zu retten ist. Die Antwort ist überraschend einfach: Nein.

Bereits das einfachst mögliche Experiment mit Quelle und den Messungen A und B auf einem optischen Tisch kann den Verdacht Einsteins widerlegen. Dieser Verdacht war, dass die Unbestimmtheit des Quantenzustands vor der Messung nur unsere Unkenntnis wiederspiegelt. Die Polarisation beider Photonen, so vermutete Einstein, liegt an der Quelle bereits fest und uns fehlt nur die vollständige theoretische Beschreibung des Prozesses. Diese Annahme ist mit den ersten Überprüfungen der Bellschen Ungleichungen in den 1970er und 80er Jahren widerlegt.

Was dann noch zu überprüfen war, ist die Frage, ob mit einer Erweiterung der Quantenmechanik die Lokalität und Realität der Natur gerettet werden kann. Wir erinnern uns: Die Quantenmechanik ist entweder nicht Lokal, weil sie beide Photonen gemeinsam durch eine ausgedehnte Wellenfunktion beschreibt. Oder sie ist nicht realistisch, weil sie den Photonen bis zur Messung keine reale Polarisation zuschreibt. Weil die Realität erst bei der Messung entsteht.

Realität und Lokalität ließe sich retten, wenn sich nachweisen ließe, dass die Wellenfunktion ein reales Feld ist, das bei der Messung in A zerfällt. Dieser Zerfall könnte dann in Lichtgeschwindigkeit oder etwas langsamer die Information, was in A gemessen wurde, nach B übertragen. Um diese Informationsübertragung auszuschießen, müssen die Messungen A und B möglichst gleichzeitig und weit voneinander entfernt durchgeführt werden. Die Messungen müssen raumartig getrennt durchgeführt werden. Das gelang Anton Zeilinger und seinem Team Ende der 1990er Jahre in Innsbruck. Seit diesem Experiment ist klar, dass Realität und Lokalität nicht durch explosionsartigen Zerfall einer realen Wellenfunktion zu retten sind.

Das neue Experiment desselben Professors, heute in Wien, widerlegt einen weiteren skurrilen Rettungsversuch: Was, wenn die Erzeugung des Photonenpaars und die Messungen an A und B so konzertiert sind, dass es nur so aussieht als sei die Quantenmechanik richtig? Zeilinger und co. präsentieren ein Experiment, dessen Ausgang schon vor über 600 Jahren beeinflusst worden sein müsste, wenn die Welt klassisch funktioniert aber dennoch die Bellschen Ungleichungen verletzt werden.

Ich bin froh, dass das Experiment wiedermal die Quantenmechanik bestätigt. Alles andere würde auf eine Welt hindeuten, die noch verrückter ist als die Quantenmechanik. An die hab ich mich wenigstens gewöhnt.

Der Beitrag Wie skurril darf’s denn sein? erschien zuerst auf Quantenwelt.

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