Nasa-Wissenschaftler finden "Spuk-Erhaltungssatz"
Von Einstein angezweifelte "spukhafte Fernwirkung" entpuppt sich als Erhaltungsgröße seiner eigenen Relativitätstheorie
Die von Albert Einstein "spukhafte Fernwirkung" genannte Verschränkung ist eine der bizarrsten Eigenschaften der Quantenmechanik. Sie verbindet zwei weit voneinander entfernte physikalische Teilchen auf fast telepathische Weise. Robert Gingrich und Christoph Adami vom Jet Propulsion Laboratory der Nasa haben jetzt berechnet, wie sich die Verschränkung zweier Teilchen bei einer Transformation zu relativistischen Geschwindigkeiten verhält. Ihre Ergebnisse präsentieren sie in der Fachzeitschrift Physical Review Letters (89, 270402).
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Der quantenmechanische Begriff Verschränkung drückt aus, dass sich zwei Teilchen in einem gemeinsamen Zustand befinden. Daran ändert sich nichts, wenn die Teilchen beliebig weit voneinander entfernt werden. Führt man an einem der beiden Teilchen eine Messung durch, dann wird dadurch simultan auch der entsprechende Zustand des anderen Teilchens festgelegt.
Deshalb zweifelte Albert Einstein die Realität der zunächst nur theoretisch vorhergesagten Verschränkung an. Doch spätestens, seit es 1997 durch eine trickreiche Anwendung der Verschränkung gelang, Lichtteilchen zu "beamen", ist ihre Existenz unumstritten.
Miteinander verschränkt sind jeweils bestimmte Eigenschaften der Elementarteilchen. Man kann beispielsweise zwei Teilchen so miteinander verschränken, dass sie einen entgegengesetzten Spin zueinander haben. Der Spin ist das quantenmechanische Gegenstück zum Drehimpuls, kann aber im Gegensatz zur klassischen Physik nur die Zustände "Up" und "Down" annehmen. Liefert die Messung an einem Teilchen den Zustand "Spin Up", dann muss sein "telepathischer Zwillingsbruder" simultan den Zustand "Spin Down" annehmen.
Gingrich und Adami haben nun berechnet, wie sich die Verschränkung verhält, wenn sie nicht von einem ruhenden Beobachter überprüft wird, sondern von jemandem, der sich mit einer sehr großen Geschwindigkeit bewegt. Die entsprechende Umrechnungsvorschrift, die so genannte Lorentz-Transformation, liefert Einsteins Spezielle Relativitätstheorie.
Die beiden Forscher fanden zunächst, dass die Verschränkung der Spins aus Sicht des bewegten Beobachters verschwindet. Doch statt dessen existiert für diesen Beobachter eine "spukhafte Fernwirkung" zwischen den Impulsen der beiden Teilchen. Der Impuls ist das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit.
Insgesamt fanden Gingrich und Adami einen "Spuk-Erhaltungssatz": Die Gesamtverschränkung der Teilchen bleibt bei einer Lorentz-Transformation erhalten, das heißt sie ist für ruhenden und bewegten Beobachter dieselbe. Jedoch kann eine Verschränkung des Spins in eine des Impulses umgewandelt werden und umgekehrt.
Eine mögliche Anwendung dieser Entdeckung ist die Synchronisation der Uhren von Raumsonden und Satelliten. "Das Erstaunliche an der Verschränkung ist, dass sie Objekte über beliebige Distanzen verbindet", sagt Adami. "Im Prinzip könnte man damit zwei weit voneinander entfernte Uhren starten und anhalten, indem man nur auf eine der beiden einwirkt. Wie das genau funktionieren soll, hat aber bisher noch niemand herausgefunden." Die Möglichkeit, Impuls-Verschränkungen durch schnelle Bewegungen in Spin-Verschränkungen umzuwandeln, könnte dafür neue Denkimpulse liefern.
Axel Tillemans
