Kontroverse Quantenrealität

Inzwischen gilt Bells Theorem jedoch als wichtigster Beitrag in der Quantentheorie nach ihrer Gründerzeit von 1900 bis 1932. Adam Becker, der Wissenschaftsgeschichte an der University of California in Berkeley lehrt, meint, Bell habe „eine bemerkenswert fundierte und kontraintuitive Wahrheit über die Welt“ herausgefunden. Der Quantenphysiker Henry Stapp hält das Theorem sogar für „die grundlegendste Entdeckung der Wissenschaft“.

Bells Theorem

Bells Überlegungen setzten unmittelbar am EPR-Paradoxon an – einem Gedankenexperiment, das Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen 1935 veröffentlicht hatten, und das später nach den Anfangsbuchstaben ihrer Nachnamen benannt wurde. Einstein hatte geargwöhnt, dass die Quantentheorie mit ihrem seltsamen Zufall nicht vollständig sei, also nicht komplett oder fundamental. Er sah die Möglichkeit, dass der Zufall im Quantenreich nicht objektiv und absolut sei, sondern nur ein subjektives Informationsdefizit darstellt. Er würde sich somit nicht wesentlich von Münzwürfen oder dem Wetter unterscheiden, bei denen man ebenfalls nur statistische Vorhersagen treffen kann, weil man die speziellen physikalischen Randbedingungen nicht genau genug kennt.

Bells Theorem präzisiert das Dilemma, das Einstein schon erahnt hatte, und machte es mathematisch wasserdicht. Bell bewies: Wenn die Quantentheorie lokal ist, also nicht die von Einstein verabscheuten „gespenstischen Fernwirkungen“ impliziert, dann müssen messbare Eigenschaften eines Quantensystems einem Grenzwert unterliegen. Dann würden diese sogenannten Quantenkorrelationen oder Fernwirkungen durch unbekannte Ursachen bedingt werden, sogenannte lokale verborgene Variablen, worin auch immer diese bestehen. Kurzum: Für die Quantenzufälligkeit gäbe es eine tiefere Erklärung. Und umgekehrt: Wenn die Messungen diesen Grenzwert überschreiten würden, dann wäre die Existenz der verborgenen Variablen widerlegt.

Die gewöhnliche Quantentheorie sagt voraus, so wies Bell zur Verblüffung seiner Kollegen nach, dass die Natur eine von ihm formulierte Ungleichung verletzt, also deren Grenzwert übersteigt, und daher nichtlokal sein muss. Folglich ist die Quantentheorie unvollständig oder es existieren spukhafte Fernwirkungen, ganz wie Einstein vermutet hat. Vollständigkeit und Lokalität sind nicht miteinander vereinbar.

Dies klingt sowohl verwirrend als auch abstrakt – und das ist es auch. Aber es stellte die EPR-Argumentation auf eine solide Basis und schlug zugleich eine Brücke von einem bloßen Gedankenexperiment zu einer handfesten empirischen Überprüfung: Bell zeigte mit seiner Ungleichung, wie die Natur selbst eine Antwort auf die kniffligen Fragen der Quantenphysiker geben kann.

Wer hier Verständnisprobleme hat, ist damit nicht allein. Schon Einstein zerbrach sich jahrzehntelang darüber den Kopf. Und der Physik-Nobelpreisträger Richard Feynman sagte sogar einmal: „Niemand versteht die Quantentheorie.“ Doch vielleicht hilft ein Umweg über Einsteins Schachteln, Schrödingers Katze und Bertlmanns Socken.

Einsteins Schachteln

In einem Brief vom 19. Juni 1935 an Erwin Schrödinger gab Einstein zu, dass er mit dem EPR-Artikel nicht zufrieden war. Der sei „aus Sprachgründen“ und „nach vielen Diskussionen“ von Podolsky geschrieben worden, der besser Englisch konnte. „Es ist aber doch nicht so gut herausgekommen, was ich eigentlich wollte; sondern die Hauptsache ist sozusagen durch Gelehrsamkeit verschüttet.“ Denn es ging Einstein weniger um den unerklärlichen Quantenzufall, auch nicht um einen direkten Beweis der Unvollständigkeit der Quantentheorie, sondern um das, was er als „Trennungsprinzip“ bezeichnet hat. Es wird heute Separabilität genannt und ist eine Unterform der Lokalität: Räumlich getrennte Objekte sind voneinander unabhängig, verschiedene Objekte sind getrennt voneinander oder trennbar, und jedes kann für sich existieren und separat erforscht werden.

Einstein stellte sich zwei Schachteln vor, in denen sich ein Ball befindet, wobei die Wahrscheinlichkeit jeweils 50 Prozent betragen soll. Für den lokalen Realisten wäre dies keine vollständige Beschreibung des Systems, weil dabei die Angabe fehlt, in welcher Schachtel der Ball nun wirklich steckt. Für die orthodoxe Interpretation hingegen, wie sie etwa Niels Bohr verfochten hat, sei die Beschreibung vollständig, weil die Schachteln mit dem Ball in einem seltsamen Überlagerungszustand wabern, so lange keine Beobachtung stattfindet. Erst diese, die quantenmechanische Messung, zeigt dann, in welcher Schachtel der Ball liegt.

Schrödinger hat das im selben Jahr mit dem berühmt-berüchtigten Beispiel einer Katze beschrieben, die in eine Kiste mit einer radioaktiven Tötungsvorrichtung gesperrt wurde. Er kritisierte, dass der Quantentheorie zufolge die Katze in einem gespenstischen Zwitterzustand zugleich tot und lebendig sei, bis jemand die Kiste öffnet und nachschaut. Der Überlagerungszustand, Superposition genannt, entspricht dabei der von Schrödinger formulierten Wellenfunktion, die das Quantensystem vollständig beschreibt; und die Beobachtung beziehungsweise Messung entspricht dem „Kollaps“ der Wellenfunktion zu einem eindeutigen Zustand.

Auch Verschränkungen lassen sich als Superposition deuten oder darauf zurückführen. Entsprechend würde das Nachsehen in einer Schachtel quasi in Nullzeit bestimmen, was in der anderen Schachtel ist – was die Situation noch bizarrer macht als schon bei Schrödingers bedauernswerter Katze. Einstein wollte das nicht akzeptieren, weil er die Schachteln mit oder ohne Ball darin gemäß seines Trennungsprinzips als separate Systeme oder Zustände deutete.

Die Position seines Kontrahenten Niels Bohr, der im Oktober 1935 eine Erwiderung gegen den EPR-Artikel veröffentlicht hatte, empfand Einstein als noch bizarrer: Bohr pfeife „auf die ,Wirklichkeit‘ als auf einen Popanz der Naivität“, schrieb er an Schrödinger, und würde „beide Auffassungen“ – die realistische von Einstein und die der Quantentheorie, die Schrödingers Katze veranschaulicht – „als nur der Ausdrucksweise nach verschieden“ erklären. Eben deshalb müsse das Trennungsprinzip zu Hilfe kommen, so Einstein, nämlich: „die zweite Schachtel nebst allem, was ihren Inhalt betrifft, ist unabhängig davon, was bezüglich der ersten Schachtel passiert“. In einem späteren Brief vom 9. August 1939 bezeichnet Einstein Niels Bohr sogar als einen „Mystiker, der ein Fragen nach etwas Unabhängigem vom beobachteten Existierenden … überhaupt als unwissenschaftlich verbietet“.

Die Befragung der Natur

Auch John Bell war von Bohrs Argumentation nicht angetan. Seine Schriften hielt er, wie die von Werner Heisenberg, für „völlig obskur“. Schon als Student, so klagte er, habe er nie eine klare Antwort bekommen, ob Schrödingers Wellenfunktion „etwas Reales ist oder eine Art Prozedur der Buchhaltung“. Und falls sie nur als Informationsmittel fungiert, dann stellt sich die Frage, worüber diese Information etwas aussagt und für wen.

Doch Bell gelang es, aus seiner frustrierenden Not eine physikalische Tugend zu machen. Seine Forschungen ermöglichten es nämlich, das EPR-Gedankenexperiment real umzusetzen, also die Theorie in die Praxis zu bringen. Denn mithilfe von Bells Ungleichung lassen sich Voraussagen machen, die durch Messungen überprüft werden können. Dabei prognostiziert die Quantentheorie nichtlokale Effekte, die den klassischen Erwartungen widersprechen, wie schon Einstein betont hatte. Es geht hier also nicht um abgehobene Diskussionen in philosophischen Luftschlössern und Elfenbeintürmen, sondern um handfeste Experimentalphysik, die die Natur aushorcht. Nicht Vorurteile oder Theorien geben die Antwort, sondern quasi die Quantenwelt selbst.

Bells Theorem erschloss einen Weg, die EPR-Experimente zu verwirklichen, als könne man mit Einsteins Schachteln hantieren oder auf Bertlmanns Socken blicken. Doch ganz so einfach geht es leider nicht. Die mathematischen Zusammenhänge sind subtiler und komplexer. Zur Veranschaulichung ist daher ein anderes Beispiel besser geeignet: Es verhält sich mit der Nichtlokalität ungefähr so, als würden zwei Personen immer wieder eine Münze werfen, wobei sie ihren jeweiligen Arm frei wählen können. Außerdem werfen sie unabhängig voneinander und ohne von den Resultaten des anderen zu wissen. Mal werfen sie mit der linken, mal mit der rechten Hand, mal zeigt die Münze ihre Zahl oben, mal den abgebildeten Kopf eines auf ihr verewigten Menschen. Nach sehr vielen Würfen ist aus klassischer Sicht – nicht aber aus der der Quantentheorie – zu erwarten, dass die linken und rechten Hände ungefähr gleich oft zum Einsatz kommen und dass Kopf und Zahl fast gleich häufig oben liegen, einer zufälligen Verteilung entsprechend.

In den Quantenexperimenten entspricht die Münze mit ihren zwei Seiten einem Teilchen mit zwei Eigenschaften, und der Münzwurf entspricht der Messung dieser Eigenschaften. Im ursprünglichen EPR-Gedankenexperiment kamen Elektronen zum Einsatz, deren Ort und Impuls (Produkt aus Masse und Geschwindigkeit) der Heisenberg’schen Unschärferelation gehorcht. Für reale Überprüfungen besser geeignet ist eine Variante, die David Bohm 1951 vorgeschlagen hat, als er in Princeton ein Quantenphysik-Lehrbuch schrieb: Er bezog sich auf den Spin von Elektronen, eine Art Drehimpuls. Der zeigt stets einen von zwei Zuständen: Er deutet entweder nach oben oder nach unten. Im Experiment müssen dann zwei Elektronen miteinander verschränkt sein, wie Physiker sagen, also aus demselben Quantenereignis stammen – etwa dem radioaktiven Zerfall eines Atoms – und in entgegengesetzte Richtungen davonfliegen.

Einsteins Hypothese war, dass die getrennten Messungen der Quantenpaare eine zufällige Verteilung der experimentell bestimmten Eigenschaften aufweisen würde. Denn genau das folgt aus seiner Annahme der Lokalität und Separabilität: Die Eigenschaften und deren Messungen sind unabhängig voneinander.

In der Praxis besser noch als Elektronen mit ihren gegensätzlichen Spins lassen sich verschränkte Photonen-Paare mit gegensätzlichen Schwingungsebenen messen. Das geht wesentlich einfacher und präziser. Dabei entfernen sich zwei miteinander verschränkte Photonen von der gemeinsamen Quelle und passieren getrennt voneinander jeweils einen Polarisationsfilter.

Diese Messungen sind seit den 1970er-Jahren versucht worden und wurden immer weiter verfeinert. Erst in den letzten Jahren waren sie genau genug und konnten nach und nach auch fast alle Schlupflöcher stopfen, dass nun kein Zweifel mehr an der Aussagekraft der Resultate besteht. Und diese sind geradezu schockierend – zumindest, wenn man mit Einsteins Trennungsprinzip sympathisiert.

Der Spuk ist real

Die von John Bell angeregten Experimente haben klar gezeigt, dass die unabhängige Messung von Quantenzuständen zu Ergebnissen führt, die auf eine eigenartige Weise miteinander korreliert sind – und zwar genau so, wie es die Gesetze der Quantentheorie vorhersagen. Die Resultate widersprechen also den Erwartungen im Rahmen der klassischen Physik. Diese Effekte sind subtil und nur statistisch nachweisbar, dies aber inzwischen mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit.

Die Ergebnisse der Quantenexperimente sind so, um in der Analogie des Münzenwerfens zu bleiben, als ob die eine Person die Handlungen und Resultaten der anderen kennt – oder gar, als ob dies die Münzen selbst wüssten. Es ist, als würde beispielsweise die Zahl auf der Münze signifikant häufiger oben liegen als bei zufälligen realen Münzwürfen zu erwarten, wenn beide Personen die Münzen mit links in die Luft werfen.

Im klassischen Sinn müsste man dann annehmen, dass bei den Würfen kein reiner Zufall am Werk war, sondern ein gerichteter kausaler Einfluss. Beispielsweise kamen die Arme unbewusst nicht gleich häufig zum Einsatz, weil beide Personen Linkshänder sind. Oder die Münzen waren nicht fair und landeten daher nicht mit einer Wahrscheinlichkeit 1 zu 1 auf beiden Seiten. Oder die Personen haben sich vorab abgesprochen oder per Funk heimlich ihre Würfe koordiniert. Oder die Aufzeichnung, Auswertung oder Mitteilung der Würfe wurde manipuliert … und so weiter. Kurzum: Eine tiefere Erklärung ließe die seltsamen Resultate verständlich erscheinen.

Genau das war Einsteins Überzeugung. Nach dieser bis heute intensiv diskutierten Hypothese der verborgenen Variablen müsste hinter der Oberfläche der Quantentheorie mit ihrem scheinbar absoluten Zufall eine tiefere Schicht der Realität am Werk sein, die die Zufallsereignisse bedingt und somit erklärbar macht. Das meinte Einstein mit seiner Überzeugung, dass die Quantentheorie nicht vollständig sei. Mit anderen Worten: Eine fundamentalere Theorie wäre zu finden, die die Quantenphysik erweitert oder komplettiert und dabei die zufälligen Ereignisse und spukhaften Fernwirkungen auf bislang unbekannte Ursachen zurückführt.

Ein gespenstisches Universum

Diese Hoffnung hat durch die realen EPR-Experimente einen schweren Schlag erhalten. Zwar widerlegen sie nicht (!), wie es zuweilen noch immer irrtümlich angenommen wird, dass es verborgene Variablen geben könnte oder eine fundamentalere Theorie möglich ist. Tatsächlich war John Bell als Befürworter von David Bohms Formulierung der Quantentheorie sogar von solchen verborgenen Variablen überzeugt. Bohm hatte 1952 die Existenz eines Führungsfelds postuliert, das die Quantenteilchen über beliebige Entfernungen hinweg orchestriert. Dieses Feld ist effektiv ein verborgener Parameter, der sich nicht direkt fassen lässt. Zugleich ist Bohms Quantentheorie – oder Interpretation der Theorie, darüber lässt sich streiten – jedoch selbst radikal nichtlokal. „Furchtbare Dinge können hier geschehen“, hat Bell betont: So würden sich die Bahnen von Quantenteilchen „augenblicklich verändern, wenn jemand irgendwo im Universum ein Magnet bewegt.“

Kurzum: Zwar haben die Resultate der EPR-Experimente die verborgenen Variablen nicht vollkommen eliminiert, doch sie werden auch nicht benötigt. Für die Erklärung der Messdaten sind sie nicht zwingend. Vor allem aber können sie, selbst wenn es sie gäbe, nicht die Nichtlokalitäten beseitigen. Offenbar sind die „spukhaften Fernwirkungen“ nicht bloß eine Horrorvorstellung, sondern sie durchziehen auf gespenstische und zugleich schockierend reale Weise das Universum.

Was bedeutet das? Niemand weiß es. Doch die bislang diskutierten Optionen haben alle mindestens eine bizarre Konsequenz:

Was ist wirklich?

Anton Zeilinger von der Universität Wien argumentiert, dass nicht die Lokalität, sondern der lokale Realismus das eigentliche Problem sei. Zeilinger hat mit seinem Team die Nichtlokalität in mehreren bahnbrechenden Experimenten bestätigt und in immer extremere Bereiche und kuriosere Manifestationen getrieben. Er weist völlig korrekt darauf hin, dass Einstein Lokalität und Realismus geradezu gleichgesetzt hat oder jedenfalls als eng miteinander verbunden betrachtete. Und nicht die Lokalität selbst sei das Problem, sondern der lokale Realismus.

Wenn im Antirealismus die Nichtlokalität gar nicht der entscheidende Punkt ist, sondern vielmehr, dass die Realität durch die Messungen erst erschaffen wird, zumindest im Quantenreich, dann stellt sich die brennende Frage, was eigentlich existiert. Gibt es den Mond etwa nur, wenn man ihn anschaut? Ist Bertl-manns verborgene Socke erst dann nicht pink, wenn man die andere als pink wahrnimmt? Und was ist überhaupt wirklich, was davon spannt letztlich das Fundament der Welt auf? Darüber sind sich die Antirealisten nicht einig, und das macht ihre destruktive Position nicht besser.

Für manche Quantenphysiker steht Geist oder Bewusstsein als wirklichkeitsschaffende Kraft im Zentrum. Dafür haben Fritz London und Edmond Bauer schon 1939 argumentiert. Der Physik-Nobelpreisträger Eugene Wigner veröffentlichte 1961 ähnliche Spekulationen, zog sie aber später wieder zurück. In den 1990er- und 2000er-Jahren holten sie Henry Stapp vom Lawrence Berkeley National Laboratory und andere Forscher wieder aus dem quantenmechanischen Zustandsraum oder Zauberhut und versuchten, Willensfreiheit und Bewusstsein durch Quantenphysik zu erklären – und umgekehrt. Damals war es geradezu Mode, diese Rätsel miteinander zu verbinden (siehe bild der wissenschaft 9/2000, „Quantenspuk“). Doch der von manchen erhoffte oder propagierte Durchbruch steht bis heute aus.

Auf große Resonanz stießen vergeistigte Quanten bei Parapsychologen sowie in spirituellen, mystischen oder esoterischen Kreisen bereits im „New Age“ der 1970er-Jahre, in denen geradezu ein „Tao der Physik“, eine „Wendezeit“ und „Das neue Denken“ ausgerufen wurde – alles Bestsellertitel des aus Wien stammenden Physikers Fritjof Capra. Der New-Age-Guru Deepak Chopra versprach mit viel Quanten-Blabla in seinen Büchern von 1989 und 1993 sogar „Quantenheilen“ und einen alterslosen Körper mit zeitlosem Geist. Die Physiker Victor Stenger und Michael Shermer kritisierten das im Skeptical Inquirer und in Scientific American als „Quantenquacksalberei“ und Pseudowissenschaft. Der Physik-Nobelpreisträger Murray Gell-Mann bezeichnete den Missbrauch und die unlautere Vereinnahmung der Quantenphysik als „Quantenunsinn“.

Doch bis heute verkauft sich Quanten-esoterik glänzend – der Charme des Unverstandenen weckt die Hoffnung, die vermeintlichen Verständnislücken der Wissenschaft mit Sinnversprechen und jenseitigen Wunschfantasien zu stopfen. Bücher wie „Relativer Quantenquark“ des Physikers Holm Hümmler oder „Quantensinn und Quantenunsinn“ von Jean Bricmont, Physiker-Professor an der belgischen Universität Löwen, bringen neben kritischer Aufklärung ein Potpourri an kuriosen Fallbeispielen. Auf dem Massenmarkt erwiesen sie sich freilich als weniger lukrativ oder wurden als Spielverderberei schlicht ignoriert.

Information: Urstoff des Universums

Andere Physiker votieren für einen neutralen Monismus, in dem Information – oder Quanteninformation – das ist, woraus die Wirklichkeit letztlich besteht. Der renommierte Physiker John Wheeler, der 1939 mit Niels Bohr eine Erklärung der Kernspaltung ausgearbeitet hatte, gab 1990 die luzide Parole „It from Bit“ aus: Das Sein besteht letztlich aus einer Verteilung von Nullen und Einsen, gewissermaßen als Antworten auf Ja-oder-Nein-Fragen. Der Quantenphysiker und Heisenberg-Schüler Carl Friedrich von Weizsäcker hatte bereits ab 1958 in diese Richtung gedacht. Er postulierte „Uren“ (Ur-Alternativen) als Basis der Wirklichkeit. Das entspricht etwa den heutigen Qubits. Ab den 1980er-Jahren wurde der Ansatz von Thomas Görnitz an der Universität Frankfurt und anderen weiterentwickelt.

Auch Anton Zeilinger hält Information für den „Urstoff des Universums“: „Wirklichkeit und Information sind dasselbe“, quasi „untrennbar wie die zwei Seiten ein und derselben Medaille. Letztlich wird es eines Tages möglich sein, die gesamte Physik, ja sogar alle Naturwissenschaften, in der Sprache der Information auszudrücken“, sagt er gegenüber bild der wissenschaft. Und betont: „Information ist nicht nur rein subjektiv. Sie ist zwar die Information, die jemand besitzt, aber sie ist gleichzeitig auch Information über etwas – eben über die Wirklichkeit.“

Noch radikaler – oder abstrakter – klingt die Vorstellung, dass letztlich alles reine Mathematik ist. Davon ist beispielsweise Max Tegmark überzeugt. Der Kosmologie-Professor am Massachusetts Institute of Technology optiert wie Hugh Everett III für „many worlds“ anstelle der „many words“ unausgegorener Quantentheorie-Interpretationen, doch bilden Tegmarks vielen Welten ein „mathematisches Universum“ – genauer: Multiversum –, das alle möglichen Strukturen enthält.

Was uns aus unserer beschränkten Froschperspektive als real erscheint – die schnöde Materie, Mahnungen vom Finanzamt sowie Freude oder Verdruss an der Quantentheorie oder diesem Artikel darüber –, wären aus der alles überblickenden Vogelperspektive lediglich Lösungen der Schrödinger-Gleichung. In Wirklichkeit existiert nur die universelle Wellenfunktion in einem unendlich-dimensionalen mathematischen Raum.

Der Teil und das Ganze

Ein Multiversum aller verwirklichten Möglichkeiten ist ein gigantischer Preis für die Erklärung von Experimenten, die inzwischen im Fortgeschrittenenpraktikum an der Universität realisiert werden können und kaum mehr Platz brauchen als ein Küchentisch. Außerdem stellt sich die Frage, wie sich eine solche Hypothese jemals überprüfen lässt, schließlich kann man nicht einfach ein Universum wechseln wie ein T-Shirt. Weshalb werden nur bestimmte Münzwurf-Kombinationen in bestimmten Häufigkeiten beobachtet, wenn alles Mögliche geschieht? Warum funktionieren die Wahrscheinlichkeitsgesetze? Und wieso existiert die scheinbare Nichtlokalität überhaupt – und nicht mehr davon oder weniger?

Der Holismus überwindet die Nichtlokalität nicht, sondern übersteigert sie förmlich ins Extrem. Letztlich lässt sich hier kein Atom aus dem Universum entfernen, ohne dass dieses als Ganzes vernichtet wäre – eine Vorstellung, die sich schon bei den klassischen Materialisten wie Ludwig Büchner findet. Auch David Bohm betonte die Ganzheitlichkeit und Nichtteilbarkeit des Kosmos, dessen „implizite Ordnung“ – so der Titel seines Buchs von 1980 – er mit einem Hologramm verglich, in dem sich alles in jedem Teil zeigt und jeder Teil im Ganzen. Neuerdings argumentieren auch Philosophen wie Jonathan Schaffer von der Rutgers University in New Jersey und Physiker wie Heinrich Päs von der Technischen Universität Dortmund für einen radikalen Quantenholismus.

Kritikern zufolge wird hier – ähnlich wie bei den Paralleluniversen – das Kind mit dem Bad ausgeschüttet,. Außerdem verschiebt sich das Problem, insofern die meisten physikalischen Experimente wie auch die Alltagserfahrung durchaus erfolgreich mit separaten Objekten und deren isolierbaren Nahwirkungen hantieren. Mehr noch: Wenn das Universum eine Einheit ist, weshalb sind Beobachter dann Teile davon, die lediglich noch kleinere Teile davon wahrnehmen können und nicht das große Ganze?

Handschlag mit der Zukunft

Die Vorstellung der Retrokausalität klingt freilich noch grotesker. Sie ist zwar logisch möglich, stellt aber jegliche Erfahrung auf den Kopf. Wie in aller Welt soll sich die Zukunft gegen den unerbittlichen Strom der Zeit durchsetzen und in die Vergangenheit eingreifen?! Und wenn sie das tut, warum bringt sie dabei nicht alles durcheinander? Wieso bemerken wir keines der klassischen Zeitparadoxien, die logische Kapriolen schlagen? Weshalb verhindern also Wirkungen nicht ihre Ursachen oder setzen diese gar erst in Kraft? Doch vielleicht kann sich die Natur nur selbstkonsistent verhalten, wie der Physik-Nobelpreisträger Kip Thorne argumentiert hat, und löscht alle Widersprüche unerbittlich aus. Dafür gibt es sogar gute Indizien auf Grundlage der Quantenphysik, die etwa Daniel Greenberger von der City University in New York und Karl Svozil von der Technischen Universität Wien ausgearbeitet haben.

Und so lassen sich einige Quantentheoretiker nicht von Zeitschleifen beirren, sondern rufen quasi die Zukunft an, um ihre gegenwärtigen Probleme zu lösen. Ihr Programm heißt Transaktionsinterpretation der Quantenphysik. Transaktion bezeichnet allgemein eine Beziehung und speziell in der Wirtschaft eine wechselseitige Übertragung von Gütern oder Informationen, etwa bei der Überweisung von Geld, dem Verkauf von Aktien oder dem Tausch von Äpfeln gegen Birnen. Im temporalen Sinn könnten Quanteninformationen gleichsam ständig aus der Vergangenheit in die Zukunft fließen und umgekehrt. Wenn und wo sie sich treffen, erzeugt ihre Transaktion zum Beispiel eine physikalische Beobachtung oder ein Messergebnis. Im Jargon der Quantenphysiker kommt es dabei zum ominösen Kollaps der Wellenfunktion, die hier entweder zeitlos gedeutet wird oder als sich in beide Zeitrichtungen ausbreitend.

Diese Idee geht auf John G. Cramer zurück. Der Physiker von der University of Washington in Seattle hat sie in mehreren Fachartikeln seit 1986 entwickelt. Ruth Kastner von der University of Maryland, College Park, hat die Hypothese inzwischen noch verfeinert.

Wirkungen entfalten sich der Transaktionsinterpretation zufolge also nicht nur „vorwärts“ durch die Zeit, sondern auch in ihr zurück. Durch temporale Zickzackbewegungen kann eine Kette von Verursachungen als nichtlokal erscheinen.

„Quantenzustände mit positiver Energie sind nur die Hälfte der Geschichte“, sagt Ruth Kastner. „Die andere Hälfte ist die Absorption der ausgesandten Zustände, was mit einer Wirkung aus der Zukunft mit negativer Energie einhergeht.“ Cramer hat diese Transaktion als „Handschlag“ bezeichnet – mit der Emission als Angebot und der Absorption als Bestätigung.

Kastner stützt sich dabei auf Aussagen von Werner Heisenberg. In der Quantenphysik bestimmen die Naturgesetze nicht mehr, was sich ereignet, sondern die Möglichkeit zum Geschehen, die Wahrscheinlichkeit dafür, dass etwas geschieht“, war er überzeugt. „Nicht mehr die objektiven Ereignisse, sondern die Wahrscheinlichkeiten für das Eintreten gewisser Ereignisse können in mathematischen Formeln festgelegt werden. Nicht mehr das faktische Geschehen selbst, sondern die Möglichkeit zum Geschehen … ist strengen Naturgesetzen unterworfen.“ Bereits 1958 hatte er in seinem Buch „Physik und Philosophie“ geschrieben: „In den Experimenten über Atomvorgänge haben wir es mit Dingen und Tatsachen zu tun, mit Erscheinungen, die ebenso wirklich sind wie irgendwelche Erscheinungen im täglichen Leben. Aber die Atome oder die Elementarteilchen sind nicht ebenso wirklich. Sie bilden eher eine Welt von Tendenzen oder Möglichkeiten als eine von Dingen oder Tatsachen.“

Ruth Kastner deutet das so: „Diese Welt der Möglichkeiten ist nicht in Raum und Zeit, sondern eine höherdimensionale Welt, deren Struktur von der Mathematik der Quantentheorie beschrieben wird. Die Transaktionsinterpretation lässt sich am besten verstehen, wenn man sowohl das Angebot als auch die Bestätigung als Heisenberg’sche Möglichkeiten auffasst, das heißt als mögliche Ereignisse. Deshalb gibt es auch keine Widersprüche durch kausale Schleifen.“

Superdeterminismus als Verschwörung

Albert Einstein wären all diese Spekulationen ein Graus gewesen. Sie machen die Welt nicht gerade verständlicher. Doch was ist die Alternative, und was wäre ihr Preis? Hat die Quantentheorie womöglich doch den Geburtsfehler der Unvollständigkeit?

Tatsächlich beruht Bells Theorem auf einer Annahme, die oft übersehen wurde und nicht selbstevident ist: die statistische Unabhängigkeit der verborgenen Variablen von den Einstellungen der Messgeräte. Es sollte beispielsweise keinen Effekt auf ein Bell-Experiment haben, wer wann warum und wie an den Polarisationsfiltern dreht. Darauf hat übrigens schon John Bell selbst hingewiesen.

Daher könnte man auch argumentieren, dass Bell-Experimente die Quantentheorie nicht bestätigen, sondern im Gegenteil die Annahme der statistischen Unabhängigkeit widerlegen. „Dies ist nie ausgeschlossen worden“, sagt Sabine Hossenfelder vom Institute of Advanced Study in Frankfurt, die zusammen mit Tim Palmer von der University of Oxford in England letztes Jahr in einem umfangreichen Artikel in der Zeitschrift Frontiers in Physics dafür plädiert hat, den Superdeterminismus endlich Ernst zu nehmen. „Um den Superdeterminismus zu testen, müsste man neue, ganz andere Experimente machen und nach Indizien dafür suchen, die zeigen, dass die Quantenphysik nicht so zufällig ist, wie wir denken“, schlägt Sabine Hossenfelder vor.

Das Quant wäre dann niemals unabhängig vom Messgerät gewesen – und zwar nicht, weil es zuvor eine Wechselwirkung zwischen beiden gab, sondern weil das eben schlicht eine Eigenschaft der Welt ist – eine natürliche Tatsache, die man bislang übersehen hatte. Wäre die statistische Unabhängigkeit verletzt, dann könnte der Experimentalphysiker die Präparation und Ausführung der Messungen eben nicht vollkommen frei wählen. Doch die häufig emotional aufgeladene Debatte um die Willensfreiheit ist dabei nicht der entscheidende Punkt. Denn die Einstellung der Detektoren kann auch zufällig erfolgen oder durch Computer erzeugt werden. Und der Superdeterminismus verhindert die Handlungen der Physiker ja nicht, als seien deren Hände gefesselt oder an Marionettenfäden gezogen. Vielmehr sind die Experimente schlicht ein Teil der Welt, der am Zustandekommen der Ergebnisse mitwirkt.

Der Superdeterminismus mag als Beleidigung des menschlichen Selbstverständnisses erscheinen, weil er unsere vermeintliche Autonomie attackiert. Freilich gilt vielen Philosophen eine starke Form der Willensfreiheit (geistige Einwirkungen in die Naturkausalität) auch aus anderen, sogar logischen und begrifflichen Gründen als illusionär. Allerdings werden physikalische Experimente grundsätzlich infrage gestellt, falls man bestimmte Bedingungen nicht frei wählen kann – wenn man der Natur gleichsam nur Fragen stellen kann, deren Antwort sie schon hat oder zu geben bereit ist.

Aber im Gegensatz zum klassischen Determinismus, wie er auch in den Theorien von Isaac Newton und Albert Einstein aufscheint, hat der Superdeterminismus etwas geradezu Verschwörerisches, betont der US-amerikanische Physikautor George Musser: Wie bei einem kosmischen Flashmob koordiniert das Universum quasi aus allen Richtungen, was das Gehirn und die Hände eines Experimentalphysikers tun. Und zugleich verhält die Natur sich dabei so, als würde sie den Forscher konsequent narren und sein Experiment daran hindern, ihre seltsame Realität vollständig zu enthüllen.

Einstein hätte der Superdeterminismus keine Probleme bereitet – in gewisser Weise hat er ihn sogar immer verfochten und mit seinem Bonmot des nicht würfelnden Gottes zum Sprichwort erhoben. Auch der Physik-Nobelpreisträger Gerard ’t Hooft, einer der Architekten des Standardmodells der Elementarteilchenphysik, hält das Prinzip der Lokalität für zu wichtig, um es aufzugeben. Ohne es lassen sich Naturgesetze schwerlich formulieren, meint er und entwickelt Modelle mit rein lokalen Wechselwirkungen. Mehr noch: „Was uns heute wie eine Verschwörung erscheint, könnte auf ein unbekanntes Erhaltungsgesetz hindeuten.“ Der Physiker von der Universität Utrecht veranschaulicht dies mit dem Beispiel des Mondes, der der Erde bekanntlich immer dieselbe Seite zeigt. Unser Trabant tut dies nicht zufällig oder gar mit der Absicht, ein dunkles Geheimnis vor uns zu verbergen, sondern diese gebundene Rotation ist schlicht die Folge der Gezeitenreibung und mithin der Erhaltung des Drehimpulses.

Quantengravitation als Ausweg?

Gegenwärtig ist völlig unklar, ob eine dieser Hypothesen – oder eine Kombination von mehreren – den ominösen Quantenspuk zu vertreiben vermag. Aber selbst wenn das der Fall wäre und die Probleme nicht lediglich verschiebt oder unter einen riesigen Teppich kehrt (oder in ein anderes Universum), wären die diskutierten Vorschläge für den Alltagsverstand sowie auch für die Vernunft vieler Wissenschaftler eine schwer erträgliche Zumutung. Im Allgemeinen machen Erklärungen Phänomene verständlicher und sind einfacher als deren gesammelte Beschreibung. Diesen Eindruck wecken die Quantendebatten nicht. Und was dabei einem Forscher als Lösung erscheint, ist für den anderen ein noch größeres Problem.

Vielleicht sind die Kontroversen auch müßig, weil die Quantentheorie nicht die richtige Bühne ist, auf der man streiten sollte. Das war bereits die Position von Albert Einstein und Erwin Schrödinger. Doch hat sich die Bühne als erstaunlich belastbar und stabil erwiesen.

Gleichwohl ist die Quantentheorie nicht das Ende der wissenschaftlichen Fahnenstange. Sie kann bislang die Schwerkraft nicht beschreiben – das ist schlicht nicht ihr Thema – und, prekärer, sie steht an einigen Stellen mit der gleichermaßen experimentell hervorragend bestätigten Gravitationstheorie in Konflikt: der Allgemeinen Relativitätstheorie. Mindestens in extremen Refugien wie den Schwarzen Löchern oder beim Urknall versagen diese beiden Säulen der modernen Physik. Hier ist ein tieferes Fundament nötig, eine Theorie der Quantengravitation. Dafür gibt es zwar einige Ideen, Konzepte und sogar konkrete Vorschläge, doch nichts davon ist empirisch erhärtet.

Außerdem rücken die quantengravitativen Hoffnungsschimmer bislang auch keines der Quantenprobleme in ein freundlicheres Licht. Es ist schwer abzusehen, wie eine ersehnte Weltformel die scheinbaren oder wirklichen Paradoxien von Bertlmanns Socken, Schrödingers Katze oder Einsteins Schachteln und spukhaften Fernwirkungen bändigen, erklären oder gar beseitigen kann.