Einsteins Spuk

Zunächst störte Einstein hauptsächlich der unerklärliche Zufall in der Quantenphysik. Am 4. Dezember 1926 schrieb er in einem Brief an Max Born, der diese Zufälligkeit genauer charakterisiert und später für seine statistische Deutung von Schrödingers Quantenformel den Physik-Nobelpreis erhalten hat: „Die Theorie liefert viel, aber dem Geheimnis des Alten bringt sie uns kaum näher. Jedenfalls bin ich überzeugt, dass der nicht würfelt.“

Mit dieser Bemerkung, die Einstein später ähnlich noch häufiger machte, drückte er sein Unbehagen mit dem Zufall und der rein statistischen Beschreibung in der neuen Quantentheorie aus. Dies wird oft als „Gott würfelt nicht!“ wiedergegeben und sorgte für viele Missverständnisse. Einstein maß sich hier kein theologisches Dogma an. Wenn er vom „Alten“ oder „Gott“ sprach, war das eine Metapher für die Naturgesetze. Er beharrte darauf, dass eine von Menschen unabhängige und für sie doch verständliche Welt existiere – und hielt diese Verständlichkeit für ein großes Rätsel. Er glaubte aber weder an eine immaterielle Seele und Willensfreiheit noch an ein Leben nach dem Tod oder einen persönlichen Gott.

Spätestens 1931 akzeptierte Einstein die Unschärferelation und die Widerspruchsfreiheit der Quantenphysik. In einem Brief vom September an das Nobel-Komitee in Stockholm schlug er Heisenberg und Schrödinger sogar für den Nobelpreis vor. Seine Begründung: „Diese Lehre enthält nach meiner Überzeugung ohne Zweifel ein Stück endgültiger Wahrheit.“

Spukhafte Fernwirkungen

Offen blieb für Einstein die Frage, ob die Quantentheorie vollständig ist – oder ob gleichsam eine Tieferlegung der Fundamente erforderlich ist. Eine solche notwendige Ergänzung, etwa durch sogenannte verborgene Variablen, lehnten führende Quantentheoretiker wie Bohr und Heisenberg vehement ab.

1935 holte Einstein, der aus dem nationalsozialistischen Deutschland in die USA geflohen war und in Princeton lebte, zu einem neuen Gegenschlag aus. Zusammen mit Boris Podolsky und Nathan Rosen veröffentlichte er einen nur vier Seiten langen Artikel in der Fachzeitschrift Physical Review, der die Kontroversen um die Quantenphysik bis heute prägt. Sein Titel: „Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?“ (deutsch: „Kann die quantenmechanische Beschreibung der physikalischen Realität als vollständig betrachtet werden?“). Einsteins verblüffende Argumentation war, dass die Quantentheorie unvollständig sein muss, wenn sie eine Bedingung erfüllt, die damals alle Physiker für selbstverständlich hielten: die Lokalität.

Lokalität bedeutet im Alltagsverständnis, dass alles einen speziellen Platz und eine räumliche Beziehung zu seiner Umgebung hat. Das gilt auch für die Wechselwirkung zwischen lokalisierten Objekten. Dieses „Prinzip der Nahewirkung“, wie Einstein es nannte, ist in der Relativitätstheorie erfüllt. Aus der Quantentheorie folgt jedoch, wenn sie vollständig und somit nicht ergänzungsbedürftig wäre, die Existenz nichtlokaler Effekte. Und die widersprachen allem, was Physiker damals für wahr hielten.

Das hatte Einstein schon 1909 erahnt und 1927 erkannt, aber seinen Kontrahenten nicht vermitteln können. Dieses Phänomen der Nichtlokalität war Einsteins eigentlicher Quantenstein des Anstoßes. Er konnte „nicht ernsthaft“ glauben, dass die Quantenphysik das letzte Wort haben sollte, „weil die Theorie mit dem Grundsatz unvereinbar ist, dass die Physik eine Wirklichkeit in Zeit und Raum darstellen soll, ohne spukhafte Fernwirkungen.“ So formulierte Einstein es in einem Brief vom 3. März 1947 an Max Born. Auch später sprach er immer wieder von solchen inakzeptablen Fernwirkungen und „telepathischen Mitteln“. Er empfand die Nichtlokalität als grotesk, wonach die Messung eines Quantensystems an einem Ort ohne Zeitverzögerung das Messergebnis an einem anderen Ort beeinflussen kann.

In seinem kurzen Essay „Quanten-Mechanik und Wirklichkeit“, der im November 1948 in der philosophischen Fachzeitschrift Dialectica erschien, wiederholte Einstein seine Attacke. Zwar räumte er gleich zu Beginn ein, dass die Quantentheorie „einen bedeutenden, in gewissem Sinne sogar endgültigen Fortschritt der physikalischen Erkenntnis darstellt“. Doch er dachte, dass sie in einer künftig umfassenderen Theorie einmal „etwa so enthalten sein wird“ wie die Strahlenoptik in der Wellenoptik: „Die Beziehungen werden bleiben, die Grundlage aber wird vertieft beziehungsweise durch eine umfassendere ersetzt werden.“

Eine Seite danach betont Einstein klar und eindringlich die Bedeutung der Realität und Lokalität nicht nur für die physikalische Forschung, sondern auch für die Alltagspraxis: „Die Begriffe der Physik beziehen sich auf eine reale Außenwelt, das heißt es sind Ideen von Dingen gesetzt, die eine von den wahrnehmenden Subjekten unabhängige ,reale Existenzʻ beanspruchen (Körper, Felder et cetera), welche Ideen andererseits zu Sinneseindrücken in möglichst sichere Beziehung gebracht sind. Charakteristisch für diese physikalischen Dinge ist ferner, dass sie in ein raum-zeitliches Kontinuum eingeordnet gedacht sind. Wesentlich für diese Einordnung der in der Physik eingeführten Dinge erscheint ferner, dass zu einer bestimmten Zeit diese Dinge eine voneinander unabhängige Existenz beanspruchen, soweit diese Dinge ,in verschiedenen Teilen des Raumes liegenʻ. Ohne die Annahme einer solchen Unabhängigkeit der Existenz (des ,So-Seinsʻ) der räumlich distanten Dinge voneinander, die zunächst dem Alltags-Denken entstammt, wäre physikalisches Denken in dem uns geläufigen Sinne nicht möglich. Man sieht ohne solche saubere Sonderung auch nicht, wie physikalische Gesetze formuliert und geprüft werden könnten.“

In der abschließenden Zusammenfassung betonte Einstein erneut die für ihn unhaltbare Konsequenz: Fasst man die „Quantenmechanik als eine (im Prinzip) unvollständige Beschreibung eines realen Sachverhaltes auf, so ist die Hypothese einer schwer annehmbaren Fernwirkung impliziert.“

Wird die Realität abgeschafft?

„Man erklärt den Anspruch auf Erfassung der Natur als objektive Realität als veraltetes Vorurteil, indem man aus der Not [der Quantentheoretiker] eine Tugend macht“, beklagte Einstein am 10. April 1938 in einem Brief an seinen Jugendfreund Maurice Solovine. „Die Menschen sind eben suggestibler als die Pferde, und eine Mode beherrscht jede Zeit, ohne dass die meisten den sie beherrschenden Tyrannen auch nur zu sehen bekommen.“

Aus heutiger Sicht lässt sich das so auf den Punkt bringen: Mindestens eine der drei folgenden Voraussetzungen muss aufgegeben werden.

Womöglich brechen sogar Lokalität und Realismus zusammen weg, wenn die Quantentheorie vollständig ist. Davon sind manche prominenten Quantenphysiker tatsächlich überzeugt, etwa Anton Zeilinger von der Universität Wien. Man muss sich dann aber fragen, inwiefern Einsteins Mond wirklich noch am Himmel steht – seine Atome jedenfalls wären nicht unabhängig und separat von ihrer Umgebung.

Lokalität bezeichnet zwei grundlegende Annahmen, die schon in der vorsokratischen Philosophie formuliert wurden, etwa bei Atomisten wie Demokrit:

Der Schall ist dafür ein Beispiel: Er wirkt über die Luft lokal – Moleküle bewegen sich und üben Druck aus. Ähnliches gilt für elektromagnetische Felder. Und sogar die Elementarteilchenphysik mit ihren Quantenfeldern beschreibt die Elektromagnetische, Starke und Schwache Kraft als Austausch von sogenannten Vektorbosonen (Photonen, Gluonen sowie W- und Z-Bosonen).

Die Separabilität definiert gewissermaßen, was Objekte sind, und die lokale Wirkung, was sie tun. Insofern ist Lokalität so etwas wie die Essenz des Raums, auf der die physikalische Realität basiert. Diese Vorstellung hat sich immer wieder bewährt. Zentral ist die Lokalität auch in der Relativitätstheorie, die sie tiefer begründet hat: Kräfte und die Beziehung von Ursachen und Wirkungen breiten sich kontinuierlich und maximal mit Vakuum-Lichtgeschwindigkeit aus – und nicht wie die Schwerkraft in der Gravitationstheorie von Isaac Newton ohne Zeitverzögerung.

Einstein hat es um 1946 in seiner kurzen Autobiografie so ausgedrückt: „Es gibt keine Gleichzeitigkeit distanter Ereignisse; es gibt also auch keine unvermittelte Fernwirkung im Sinne der Newton’schen Mechanik. Es erscheint deshalb unvermeidlich, dass die physikalische Realität durch kontinuierliche Raumfunktionen zu beschreiben ist.“

Die erstaunliche Welt

Schon die Annahme einer realen Außenwelt sei eine „Setzung“, wie Einstein betonte – von naivem Realismus also keine Spur. Damit hinge auch die „Bildung des Begriffes“ von körperlichen Objekten als „eine freie Schöpfung des menschlichen (oder tierischen) Geistes“ zusammen. Dass diese Ordnung der Sinneserlebnisse im Denken überhaupt gelingt, ist Einstein zufolge „eine Tatsache, über die wir nur staunen, die wir aber niemals werden begreifen können. Man kann sagen: Das ewig Unbegreifliche an der Welt ist ihre Begreiflichkeit.“

Ähnlich hatte es Einstein bereits 1936 in seinem Vortrag „Physik und Realität“ formuliert: „Das Unverständlichste am Universum ist im Grunde, dass wir es verstehen.“ Als Maurice Solovine den Text später ins Französische übersetzte, fragte er Einstein, was mit dieser Aussage genau gemeint sei. „Nun, a priori sollte man doch eine chaotische Welt erwarten, die durch Denken in keiner Weise fassbar ist“, antwortete Einstein am 30. März 1952. „Man könnte (ja sollte) erwarten, dass die Welt nur insoweit sich als gesetzlich erweise, als wir ordnend eingreifen. Es wäre eine Art Ordnung wie die alphabetische Ordnung der Worte einer Sprache. Die Art der Ordnung, die dagegen zum Beispiel durch Newtons Gravitationstheorie geschaffen wird, ist von ganz anderem Charakter. Wenn auch die Axiome der Theorie vom Menschen gesetzt sind, so setzt doch der Erfolg eines solchen Beginnens eine hochgradige Ordnung der objektiven Welt voraus, die a priori zu erwarten man keinerlei Berechtigung hatte. Hier liegt das ‚Wunder‘, das sich mit der Entwicklung unserer Kenntnisse immer mehr verstärkt.“

Leidenschaftlich aneinander vorbei

Was aber wäre, wenn sich die vermeintliche Ordnung der Welt mehr im Kopf ihrer Bewohner abspielt als in der Welt selbst? Realisiert das Bewusstsein womöglich mehr, als es realisiert?

Zumindest besitzt die Welt eine Struktur. Die Dinge verschmelzen nicht einfach oder durchdringen sich oder bilden eine amorphe Masse. Selbst dann, wenn überall Quantennichtlokalitäten regieren und das Universum zu einer unfasslichen Einheit verweben, scheint die Lokalität unter den meisten Umständen gewahrt zu sein. Andernfalls müsste Magie im Spiel sein: Beispielsweise könnten dann Kräfte in unsere Körper eindringen, ohne die Haut passieren zu müssen. Wir hätten womöglich keinerlei Kontrolle mehr, würden mit der Umwelt verschmelzen und uns auflösen, was gleichbedeutend wäre mit dem Tod.

Bohr war nicht erquickt, als er den Artikel von Einstein, Podolsky und Rosen 1935 zu Gesicht bekam. Er arbeitete intensiv an einer Entgegnung, die noch im gleichen Jahr ebenfalls in Physical Review erschien. Nicht geantwortet und auch nicht zugehört habe Bohr, kommentierte der Quantenphysiker John Bell später und meinte: „Einsteins intellektuelle Überlegenheit über Bohr in dieser Angelegenheit war enorm: eine tiefe Kluft zwischen dem Mann, der klar sah, was nötig war, und dem Obskurantisten.“

Abraham Pais, der nicht nur eine Einstein-Biografie geschrieben hatte, sondern auch eine über Niels Bohr, mit dem er 1945 in Kopenhagen einige Monate zusammengearbeitet hatte, räumte ebenfalls ein, dass es ihm „oft nicht möglich war, Bohrs Ideen zu folgen“. Aber er verstand bald, was Bohr antrieb: „Ähnlich wie viele Sportler, die sich vor dem eigentlichen Kampf aufwärmen, durchlebte Bohr die Kämpfe, die dem Verständnis und der allgemeinen Anerkennung der Quanten-mechanik vorangegangen waren. Diese Kämpfe starteten gleichsam in Bohrs Gedanken jeden Tag von neuem. Stets blieb Einstein sein führender geistiger Partner, sogar nach Einsteins Tod argumentierte er gewissermaßen mit dem Lebenden.“

Kurz nachdem Pais im September 1946 nach Princeton kam, traf auch Bohr dort ein und stellte ihn Einstein vor. „Bald darauf wendete sich das Gespräch der Quantentheorie zu und ich hörte, wie die beiden diskutierten“, schrieb Pais später. „Sie begegneten einander mit liebevollem Respekt. Mit einiger Leidenschaft redeten sie aneinander vorbei.“

Doch obwohl Bohr mit Einstein in den meisten Fragen der Quantenphysik nicht übereinstimmte, betrachtete er die Fernwirkungen selbst mit distanzierter Skepsis. Er bezeichnete sie als „irrational“ und „vollständig unverständlich“.

Freilich konnte die Einstein-Bohr-Debatte damals gar nicht entschieden werden. Erst 1964 bewies Bell mathematisch, dass die Existenz verborgener Variabler mit der Lokalität der Quantentheorie unvereinbar ist. Bells Formel ermöglichte auch eine experimentelle Überprüfung. Und die hat inzwischen klar gezeigt, dass Einsteins Argumentation von 1935 und danach völlig korrekt war. Doch das Ergebnis hätte Einstein nicht gefallen: Die Nichtlokalität scheint es wirklich zu geben.

Es ist eine Ironie der Geschichte: Eigentlich hatte Einstein die Nichtlokalität entdeckt, aber nicht als real interpretiert, sondern als Einwand gegen die Quantentheorie beziehungsweise deren Vollständigkeit ins Gefecht der Debatten gebracht. Doch dann richtete sich sein zentrales Argument gegen seine eigene tief verwurzelte Überzeugung. Im Rahmen der etablierten Quantentheorie sind die spukhaften Fernwirkungen inzwischen fest verankert und sogar von praktischem Nutzen, der über scheinbar esoterische Experimente hinausgeht.

Eine Maschinerie ohne Sinn?

Einstein blieb starrköpfig, wie er es immer war. Er akzeptierte nicht, dass die Realität von Beobachtungen oder Beobachtern abhängt, wie Heisenberg, Bohr und ihre Kollegen immer wieder meinten – so als wäre der Mond nicht da, wenn keiner hinschaut. Und Einstein wollte nicht, dass eine Theorie nur Aussagen über das macht, was ein Physiker wissen kann, statt über die Welt selbst. Zuwider war ihm auch ein reiner Pragmatismus, wie er bis heute unter vielen Physikern üblich ist, weil er die philosophischen Interpretationsfragen schlicht ausblendet. Für praktische Zwecke genügt zwar die Kopenhagener Deutung. Aber dann muss man sich auf ein „shut up and calculate“ („Klappe halten und rechnen“) beschränken. Diese Aussage wird häufig den Nobelpreisträgern Paul Dirac und Richard Feynman zugeschrieben, stammt aber von dem Quantenphysiker David Mermin. Er stellte dem ein „shut up and contemplate“ („Klappe halten und nachdenken“) entgegen – ganz auf Einsteins Linie.

„Ich bin nicht damit zufrieden, wenn man eine Maschinerie hat, die zwar zu prophezeien gestattet, der wir aber keinen klaren Sinn zu geben vermögen“, schrieb Einstein 1944 an Max Born. Und Ende 1953 bekräftigte er noch einmal: „Der große anfängliche Erfolg der Quantentheorie kann mich doch nicht zum Glauben an das fundamentale Würfelspiel bringen, wenn ich auch wohl weiß, dass die jüngeren Kollegen dies als Folge der Verkalkung auslegen.“

Diese beiden Bemerkungen drücken Einsteins Haltung bis zuletzt deutlich aus. 1949 betonte er: „Im Rahmen der statistischen Quantentheorie gibt es keine vollständige Beschreibung des Einzelsystems“ – diese existiert nur für das ganze System. Einzelne Eigenschaften bleiben unbestimmt. Insofern ist die Quantentheorie nicht vollständig, sondern nur effektiv gültig. Daher müsse sie, so Einsteins Hoffnung, letztlich mit einer fundamentaleren Theorie erklärbar beziehungsweise aus dieser sogar logisch ableitbar sein.

An einer solchen Einheitlichen Feldtheorie forschte Einstein seit den 1920er-Jahren bis an sein Lebensende – vergeblich. Und die Suche nach einer derartigen Weltformel geht weiter, bis heute. Doch alle Vorschläge sind bislang spekulativ und ungenügend.

1947 beklagte Einstein in einem Brief an Born, die „rechnerischen Schwierigkeiten“ seien „so groß, dass ich ins Gras beißen werde, bevor ich selbst eine sichere Überzeugung hierüber erlangt habe.“ Aber er hielt daran fest, „dass man schließlich bei einer Theorie landen wird, deren gesetzmäßig verbundene Dinge nicht Wahrscheinlichkeiten, sondern gedachte Tatbestände sind.“

Das Mysterium der Verständlichkeit

Allerdings war Einstein weder ideologisch versessen noch unfähig zur Selbstkritik. Aus heutiger Sicht hatte er die Probleme und radikalen Konsequenzen der Quantentheorie sogar viel deutlicher erkannt als seine Zeitgenossen. Seine Skepsis war Ausdruck der Überzeugung einer verstehbaren und von den menschlichen Querelen unabhängigen Welt, auch wenn ihn diese Verstehbarkeit verwunderte.

Schon in früher Jugend hatte Einstein versucht, sich „aus den Fesseln des ‚Nur-Persönlichen‘ zu befreien, aus einem Dasein, das durch Wünsche, Hoffnungen und primitive Gefühle beherrscht ist“, erinnerte er sich in seinen „Autobiographical Notes“. „Da gab es draußen diese große Welt, die unabhängig von uns Menschen da ist und vor uns steht wie ein großes, ewiges Rätsel, wenigstens teilweise zugänglich unserem Schauen und Denken. Ihre Betrachtung winkte als eine Befreiung, und ich merkte bald, dass so mancher, den ich schätzen und bewundern gelernt hatte, in der hingebenden Beschäftigung mit ihr innere Freiheit und Sicherheit gefunden hatte.“

Diese „innere Freiheit“ hatte sich Einstein bis zuletzt bewahrt. Auch deshalb behielt er seine skeptische Einstellung zur Quantentheorie. Und so paradox es klingt: Genau deshalb brachte er sie immer wieder voran.

1905 hatte er sie mitbegründet durch seine Beschreibung des photoelektrischen Effekts – der Nobelpreis 1921 war die krönende Auszeichnung für diese Pionierleistung. Und er blieb ein knappes Jahrzehnt lang fast der Einzige, der die Quanten für real hielt. Weitere Forschungen waren die Grundlage für den Laser und die Beschreibung ultrakalter Materie.

Was damals völlig abseitig erschien, setzt inzwischen Milliarden Euro um. Auch der Dualismus von Wellen und Teilchen war eine maßgebliche Einsicht, obwohl sie Einstein schleierhaft vorkam und er sie später zu überwinden trachtete. Diese Problematik ist bis heute eine Grundlagenfrage der Quantentheorie geblieben. Einstein entdeckte die ominöse Nichtlokalität, obgleich er sie nicht für real hielt. Damit hatte er eine neuartige, erst in den letzten Jahren weitgehend abgeschlossene Art der Überprüfung der Theorie angestoßen, die gegenwärtig die technische Quantenrevolution antreibt: In die Entwicklung von Quantencomputern und Quantenkryptografie werden in Europa und den USA zurzeit Milliardenbeträge investiert.

Die Suche nach einer vereinheitlichten Feldtheorie oder Weltformel beschäftigt noch immer Hunderte der klügsten Köpfe. Und es bleibt fraglich, ob eine solche Theorie den Quantenspuk auszutreiben vermag, wie Einstein hoffte. Im Gegenteil: Vielleicht werden noch mehr vertraute Vorstellungen zerstört. Dann bleiben wohl selbst Raum und Zeit nicht von einer Quantisierung verschont.

Die Suche nach der Weltformel

Einstein hatte sogar schon die Idee einer körnigen Raumzeit erwogen. So schrieb er in einem Brief vom August 1954 an seinen Freund Michele Besso: „Ich betrachte es aber als durchaus möglich, dass die Physik nicht auf dem Feldbegriff begründet werden kann, das heißt auf kontinuierlichen Gebilden. Dann bleibt von meinem ganzen Luftschloss inklusive Gravitationstheorie nichts bestehen.“

Einstein war bis zum Ende geistig präsent, gesellschaftlich engagiert und seinen Forschungen zugewandt. Nachdem am 13. April 1955 ein Aneurysma an seiner Aorta geplatzt war, ließ er sich sogar Notizen und Berechnungen ans Bett bringen, bevor er am 18. April starb.

Seine Stieftochter Margot lag damals im selben Krankenhaus in Princeton und konnte ihn noch zweimal sehen. „Zuerst hatte ich ihn nicht erkannt – so verändert war er durch die Schmerzen und die Blutleere im Gesicht. Aber sein Wesen war das gleiche“, berichtete sie in einem Brief. „Er sprach mit tiefer Ruhe – sogar mit einem leichten Humor – über die Ärzte und wartete auf sein Ende wie auf ein bevorstehendes Naturereignis. So furchtlos, wie er im Leben war – so still und bescheiden war er dem Tod gegenüber. Ohne Sentimentalität und ohne Bedauern ist er von dieser Welt gegangen.“