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Es spukt 10.000-mal schneller als das Licht

Physiker sind auch nur Menschen. Auch sie würden gerne die Dinge, mit denen sie sich beschäftigen, wirklich verstehen und nicht nur zur Kenntnis nehmen (müssen), dass sie so sind wie sie sind, weil es so aus den physikalischen Formeln folgt. Meistens gelingt das auch. Doch im Fall der „spukhaften Fernwirkung“ – wie Albert Einstein ein mysteriöses quantenphysikalisches Phänomen nannte – erweist sich die Natur als außerordentlich hartnäckig. Der Versuch einer Schweizer Physikergruppe um Nicolas Gisin von der Universität Genf, ein Signal nachzuweisen, das diese Fernwirkung überträgt, ist nun gescheitert. Ihr Experiment erlaubt lediglich die Schlussfolgerung: Wenn es solch eine Signalübertragung gibt, dann ist sie mindestens 10.000-mal schneller als das Licht.

Obwohl er selber nicht unerheblich an der Entwicklung der Quantentheorie mitgewirkt hatte, konnte sich Albert Einstein mit einigen ihrer Aussagen nie anfreunden. Zwei seiner bekanntesten Zitate spiegeln seine Einstellung zur Quantentheorie wider. Mit „Gott würfelt nicht“ und „Ich würde gerne glauben, dass der Mond auch dann da ist, wenn ich gerade nicht hinsehe“ drückte er aus, dass er das Bild, das die Quantentheorie von unserer Welt zeichnet, nicht akzeptierte.

Damit sprach und spricht er den meisten physikalischen Laien, aber auch einigen Physikern aus der Seele. Denn zumindest für die winzig kleinen physikalischen Teilchen ist es gemäß der Quantentheorie wirklich so, dass sie erst dann eine definitive physikalische Eigenschaft annehmen, wenn man diese Eigenschaft misst. Handelt es sich bei dieser Eigenschaft um den Aufenthaltsort des Teilchens, dann kann es tatsächlich sein, dass dieses Teilchen nur deshalb gerade an diesem Ort ist, weil man gerade hingesehen hat.

Obwohl alle damals durchführbaren Experimente die Vorhersagen der Quantentheorie bestätigten, hielt Einstein diese Realitätsauffassung für Unsinn. Er zweifelte die Richtigkeit der nachmessbaren Aussagen der Quantentheorie nicht an, aber er glaubte, es müsse „versteckte Variablen“ geben, also Eigenschaften der Teilchen, die man bisher nicht kennt. Würde man diese versteckten Eigenschaften kennen, glaubte Einstein, dann würde die Quantentheorie funktionieren wie jede andere physikalische Theorie auch: Man würde beispielsweise den zukünftigen Aufenthaltsort eines Teilchens exakt ausrechnen können und es bei einer Messung tatsächlich dort finden – nicht, weil man gerade „hinsieht“, sondern weil es auch ohne dieses Hinsehen dort gewesen wäre.

Ende der 1920er Jahre dachte Einstein sich einige Gedankenexperimente aus, mit denen er logische Widersprüche der Quantentheorie aufdecken wollte. Seine Argumente wurden allesamt von Niels Bohr erfolgreich widerlegt. Doch im Jahr 1935 glaubten Einstein und seine Kollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen, dass sie ein Gedankenexperiment gefunden hatten, das in sich schlüssig ist und der Quantentheorie den Todesstoß versetzen würde. Wir wissen heute definitiv: Dieses Gedankenexperiment war in sich schlüssig. Aber es versetzte der Quantentheorie keineswegs den Todesstoß. Stattdessen ging der Schuss gewaltig nach hinten los.

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Gemäß der Quantentheorie ist es möglich, zwei physikalische Teilchen so zu präparieren, dass sie immer entgegengesetzten Spin haben. Der Spin ist das quantentheoretische Gegenstück zum Drehimpuls. Man stellt ihn sich am besten als Pfeil vor, der entweder nach oben oder nach unten zeigt. Nun – so geht das nach den Initialen ihrer Verfasser genannte EPR-Paradoxon weiter – würde man die beiden Teilchen trennen. Man weiß jetzt von diesen beiden Teilchen definitiv, dass sie entgegengesetzten Spin haben. Man weiß aber auch, dass man über den Spin der einzelnen Teilchen keine oder allenfalls eine Wahrscheinlichkeitsaussage machen kann. Gemäß der Quantentheorie „entscheidet“ ein Teilchen sich erst dann für eine Spinrichtung, wenn man eine diesbezügliche Messung durchführt.

Und damit, so trumpften Einstein, Podolsky und Rosen auf, wird diese gesamte ausgedachte Situation, die streng aus den Gesetzen der Quantentheorie folgt, vollkommen widersprüchlich und unverständlich. Denn führt man nun an einem der beiden Teilchen eine Messung durch, dann nimmt dieses Teilchen in diesem Moment definitiv eine der möglichen Spinrichtungen an. Da aber das andere Teilchen immer die entgegengesetzte Spinrichtung hat, muss dieses Teilchen im selben Moment „reagieren“ und ebenfalls die ihm zugeschriebene Spinrichtung annehmen. Aber was ist, wenn die Teilchen zum Zeitpunkt der Messung Lichtjahre voneinander entfernt sind?

Nichts ist, sagt die Quantentheorie. Das zweite Teilchen muss augenblicklich auf die Messung am ersten Teilchen reagieren. Das ist Unsinn, glaubten Einstein, Podolsky und Rosen. Denn nach Einsteins Relativitätstheorie kann kein Signal schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden. Wie kann also das zweite Teilchen augenblicklich auf die Messung am ersten Teilchen reagieren? Woher soll das zweite Teilchen wissen, für welche Spinrichtung sich das erste entschieden hat? Für Einstein war klar, eine Reaktion des zweiten Teilchens wäre nur mittels einer „spukhaften Fernwirkung“ möglich und so etwas darf es in der Physik nicht geben.

Deshalb sah er nur eine Lösung aus dieser paradoxen Situation, nämlich die von ihm favorisierten versteckten Variablen. Einstein glaubte, dass die Spinrichtungen der beiden Teilchen von Anfang an feststehen, dass wir sie nur aus bisher unbekannten Gründen nicht in Erfahrung bringen können. Demzufolge würden die Teilchen sich also nicht erst im Moment der Messung für eine Richtung „entscheiden“. Dann bräuchte das zweite Teilchen auch nicht augenblicklich auf eine Messung zu reagieren, die Lichtjahre entfernt stattfindet. Denn es hätte die „richtige“ Spinrichtung bereits vorher innegehabt.

Doch wie schon erwähnt, der Schuss ging gewaltig nach hinten los. Denn im Jahr 1964 zeigte John Bell zunächst theoretisch, dass es möglich ist, diese Diskussion nicht nur rein philosophisch zu führen, sondern dass sie experimentell entschieden werden kann. Es ist also möglich, zu prüfen, ob die von Einstein mittels der Quantentheorie vorhergesagte, aber von ihm abgelehnte spukhafte Fernwirkung tatsächlich existiert oder ob es versteckte Variablen gibt. Seit Ende der 1960er Jahre sind solche Experimente in immer weiter verbesserten Varianten durchgeführt wurden und ließen schließlich so gut wie keinen Zweifel daran, dass die spukhafte Fernwirkung – oder „Verschränkung“, wie der Fachbegriff lautet – Realität ist.

Die Formulierung „so gut wie keinen“ deutet auf ein Schlupfloch hin – und das gibt es tatsächlich. Denn die bisherigen Experimente gingen davon aus, dass die Lichtgeschwindigkeit die höchstmögliche Geschwindigkeit ist, mit der zwischen den beiden Teilchen irgendeine Signalübertragung bewerkstelligt werden könnte. Die Schweizer Gruppe um Gisin hat nun ein Experiment erdacht und durchgeführt, das prüfen sollte, ob die beiden Teilchen eventuell über ein schnelleres Signal miteinander verbunden sind.

Dazu erzeugten die Physiker in Genf zwei miteinander verschränkte Lichtteilchen. Diese schickten sie über Glasfaserkabel in die jeweils 18 Kilometer entfernten Ortschaften Jussy und Satigny und überprüften dort die miteinander verbundenen Eigenschaften der beiden Teilchen. Mittels ihres ausgeklügelten experimentellen Aufbaus konnten die Forscher im Rahmen ihrer Messgenauigkeit ausschließen, dass zwischen den beiden Teilchen ein Signal übertragen wurde, das langsamer als das Zehntausendfache der Lichtgeschwindigkeit ist.

Nun steht die Physikergemeinde vor der Wahl: Soll man die spukhafte Fernwirkung nun endlich als „gottgegebene“ Realität akzeptieren oder doch lieber daran glauben, dass es Signalübertragungen gibt, die schneller als das Zehntausendfache der Lichtgeschwindigkeit sind? Das eine macht so wenig Sinn wie das andere.

Daniel Salart et. al. : Testing the speed of ‘spooky action at a distance’, Nature 454, 861 Eine Broschüre des Bundesministeriums für Bildung und Forschung beschäftigt sich mit den Grundlagen der Quantentheorie und mit der Quanteninformationstechnologie, die die Effekte der spukhaften Fernwirkung anwendet. Die Broschüre kann hier als pdf-Dokument heruntergeladen werden. Axel Tillemans
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