Spukhafte Fernwirkung beeinflusst gewöhnliche physikalische Eigenschaften

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Bisher beschäftigten sich hauptsächlich exotische Anwendungen wie Quantencomputer oder Teleportation mit der von Albert Einstein „spukhafte Fernwirkung“ genannten Verschränkung. Doch Thomas Rosenbaum von der Universität von Chicago hat jetzt zusammen mit seinen Kollegen gezeigt, dass dieses bizarre Phänomen der Quantenmechanik dazu benötigt wird, gewöhnliche physikalische Eigenschaften wie Magnetismus und Wärmekapazität korrekt zu beschreiben. Die Physiker stellen ihre Arbeit im Fachmagazin Nature vor (Bd. 425, S. 48).

Die Forscher untersuchten die so genannte magnetische Suszeptibilität eines bestimmten magnetischen Salzes. Diese Größe ist ein Maß dafür, wie leicht oder schwer sich ein bestimmter Stoff von einem äußeren Magnetfeld magnetisieren lässt. Ein bekanntes Beispiel für einen leicht zu magnetisierenden Stoff, der eine entsprechend hohe Suszeptibilität hat, ist Eisen.

Diese Suszeptibilität hängt von der Temperatur ab. Klassische Näherungsrechnungen beschreiben diese Temperaturabhängigkeit bei gewöhnlichen Temperaturen in der Regel sehr gut. Doch Rosenbaum und seine Kollegen interessierten sich für das magnetische Verhalten eines aus den Stoffen Lithium, Holmium, Yttrium und Fluor bestehenden Salzes bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes, der bei minus 273 Grad Celsius liegt.

Bei diesen niedrigen Temperaturen fanden die Physiker erhebliche Abweichungen von den theoretisch berechneten Werten. Erst eine quantenmechanische Rechnung, bei der die Forscher zusätzlich eine Verschränkung bestimmter Spinzustände annahmen, lieferte die experimentell gemessenen Ergebnisse.

Die Spins repräsentieren die Elementarmagnete, die durch kreisende Elektronen erzeugt werden. Verschränkung bedeutet, dass zwischen jeweils zwei dieser Spins eine Art telepathisches Band besteht. Die Ausrichtungen der beiden Spins sind untrennbar aneinander gekoppelt, ohne dass zwischen ihnen physikalische Kräfte wirken.

Eine ähnliche Verbesserung erreichen die Forscher bei der Berechnung der spezifischen Wärmekapazität des Salzes. Damit haben sie gezeigt, dass zwei gewöhnliche makroskopische physikalische Größen vom Vorhandensein einer Verschränkung abhängen.

Vlatko Vedral vom Imperial College London gibt dieses Ergebnis Anlass zur Spekulation: „Die Quantenmechanik beschreibt, wie sich Atome zu Molekülen verbinden und ist die Grundlage der Chemie. Die Chemie bildet die Basis für biologische Prozesse. Könnte es nicht sein, dass die Magie der Verschränkung der springende Punkt für die Existenz von Leben ist?“

Mehr zum Thema Teleportation und Verschränkung finden Sie im September-Heft von bild der wissenschaft.

Axel Tillemans

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