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Einstein - Quanten-Physik

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Und Einstein hatte doch nicht recht

Von Philipp Seibt

In der Quantenphysik beeinflussen sich Teilchen über große Entfernungen hinweg. Das glauben Sie nicht? Dann geht es Ihnen wie Albert Einstein. Doch das Genie lag falsch.

Albert Einsteins Verhältnis zur Theorie der kleinsten Teilchen war stets ambivalent: Einerseits hat er die Quantentheorie maßgeblich mitentwickelt, andererseits wollte sich Einstein mit den Konsequenzen der Theorie nie so recht anfreunden.

Diese Skepsis mündete im Jahr 1935 in einen weltberühmten wissenschaftlichen Aufsatz: "Kann die quantenmechanische Beschreibung der physikalischen Welt vollständig sein?", fragte Einstein dort mit seinen Kollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen.

Die drei Forscher schrieben auf, was eine akzeptable physikalische Theorie ihrer Meinung nach erfüllen muss - und zeigten, dass die Quantenmechanik dagegen verstößt und demnach falsch sein muss. Doch in den vergangenen 80 Jahren wurde nicht die Quantenmechanik widerlegt, sondern Einstein und seine Kollegen.

Mit einem Experiment auf den Dächern Wiens hat ein internationales Forscherteam die quantenmechanische Vorstellung der Welt nun erneut bestätigt - und dabei ein wichtiges Schlupfloch geschlossen. Zentrale Zutat des Versuchs war 600 Jahre altes Sternenlicht, schreiben sie in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters".

 

Was glaubte Einstein?

In ihrem Aufsatz stellten Einstein und Kollegen unter anderem die folgenden zwei Bedingungen an eine Theorie, welche die Welt beschreiben soll:

·         Realität: Ein Teilchen - zum Beispiel ein Lichtteilchen oder Photon - soll festgelegte Eigenschaften haben. Die Eigenschaften sind unabhängig davon, ob ein Forscher das Photon ausmisst oder nicht.

 

·         Lokalität: Die Messung des Teilchens A beeinflusst nicht die Eigenschaften des Teilchens B - sofern die Teilchen räumlich getrennt sind.

Beide Bedingungen zusammen werden als lokaler Realismus bezeichnet.

 

Was sagt die Quantenmechanik?

Die Quantenmechanik widerspricht den beiden Bedingungen von Einstein, Podolsky und Rosen:

·         Realität: In der Quantenmechanik hat ein Teilchen erst dann eine bestimmte Eigenschaft, wenn es von einem Forscher vermessen wurde. Bis zum Zeitpunkt der Messung hat das Teilchen alle möglichen Eigenschaften gleichzeitig - und die Quantentheorie kann nur vorhersagen, wie wahrscheinlich eine Eigenschaft ist. Eine physikalische Messung hat demnach kein festes Ergebnis - sondern ähnelt dem Werfen einer Münze.

 

·         Lokalität: In der Quantenmechanik lassen sich Teilchenpaare erzeugen, bei denen die Messung des Teilchens A die Eigenschaft des Teilchens B festlegt. Man sagt, die Teilchen sind "verschränkt". Das Erstaunliche: Das funktioniert ohne den Austausch von Signalen und auch, wenn die Teilchen beliebig weit voneinander entfernt sind. Einstein bezeichnete diese Konsequenz einst als "spukhafte Fernwirkung".

 

Wie kann man testen, wer recht hat?

Knapp 30 Jahre lang setzte Einsteins Aufsatz Staub an. Erst der theoretische Physiker John Bell machte im Jahr 1964 einen entscheidenden Schritt: Bell leitete eine Ungleichung her, die gelten muss, wenn die Welt einer lokal realistischen Theorie gehorcht, so wie Einstein und Kollegen sie sich vorgestellt haben.

Die Quantenmechanik verstößt gegen diese Ungleichung - sie ist ja nicht lokal-realistisch. Der Clou: Die Größen in der Ungleichung lassen sich im Labor messen. Bell lieferte den Physikern damit ein Kochrezept, um die Quantentheorie experimentell zu überprüfen.

Das ist genau das, was Forscher seitdem immer wieder gemacht haben. Das Ergebnis war jedes Mal: Die Vorhersagen der Quantenmechanik sind richtig, Einstein lag falsch, wir leben nicht in einer lokal-realistischen Welt.

 

Die Hintertürchen

Doch alle Experimente hatten auch ein "Aber" - eine theoretische Möglichkeit, warum die Welt vielleicht doch lokal-realistisch ist. Diese Hintertürchen heißen "versteckte Variablen" - und wurden bereits von Einstein und seinen Kollegen als Lösung vorgeschlagen.

Letztlich handelt es sich dabei um eine Art kosmische Verschwörungstheorie: Versteckte Variablen, die wir nicht kennen, lassen die physikalischen Experimente zufällig aussehen - obwohl sie eigentlich gar nicht zufällig sind.

Es gibt prinzipiell drei dieser Hintertürchen: das Lokalitäts-Hintertürchen, das Mess-Hintertürchen und das Freie-Wahl-Hintertürchen (eine ausführliche Erklärung aller drei findet sich auf Englisch hier).

 

Zunächst konnten Forscher nur einzelne Löcher stopfen. 2015 gelang es ihnen dann, die ersten beiden Hintertüren gleichzeitig auszuschließen. Nun hat das Forscherteam in Wien das erste und das dritte Hintertürchen gleichzeitig geschlossen - und können damit die Idee der "versteckten Variablen" fast ganz ausschließen.

 

Das neue Experiment

Dafür bauten die Forscher auf den Dächern Wiens ein aufwendiges Experiment auf. Auf dem Dach des Instituts für Quanteninformation erzeugten die Wissenschaftler zwei miteinander verschränkte Photonen, also Lichtteilchen.

Das eine Photon schickten sie auf das 557 Meter entfernte Dach der Österreichischen Nationalbank. Das andere Photon reiste 1149 Meter zu einem zweiten Unigebäude. An beiden Standorten wird dann eine Eigenschaft der ankommenden Photonen - ihre Polarisation - gemessen.

Dies kann in zwei Richtungen geschehen - welche Richtung gewählt wird, entscheidet der Zufall. Bisher wurden die Zufallszahlen dafür auf der Erde generiert - dann jedoch könnte theoretisch eine versteckte Variable Millisekunden vor dem Experiment dafür sorgen, dass die Zahlen nur zufällig aussehen, obwohl sie es nicht sind.

 

600 Jahre altes Sternenlicht

Deshalb verwendeten die Forscher nun Licht von Sternen in der Milchstraße, um die Zufallszahlen zu generieren, das sie mit einem Teleskop eingefangen haben. Dann maßen sie die Energie des eintreffenden Lichtes. Lag diese unterhalb eines bestimmten Schwellwerts, wurde in der einen Richtung gemessen; lag sie darüber, in der anderen.

Zum Schluss haben die Forscher die Polarisation der beiden Photonen verglichen. Die Ergebnisse zeigten erneut die "spukhafte Fernwirkung" und bestätigen die Vorhersagen der Quantenmechanik.

Aber könnte nicht doch eine versteckte Variable das Ergebnis produziert haben? Wegen der langen Zeit, die das Licht unterwegs war, ist das sehr unwahrscheinlich: "Damit ein verrückter Mechanismus in unserem Experiment die Quantenmechanik vorspielt, muss es diesen schon vor 600 Jahren gegeben haben", sagt Alan Guth vom Massachusetts Institute of Technology, der an der Studie beteiligt war. "Der Mechanismus hätte vor 600 Jahren Photonen in genau der richtigen Reihenfolge losschicken müssen, damit sie hier und heute auf der Erde die Resultate der Quantenmechanik reproduzieren."

Die Wahrscheinlichkeit, dass es einen solchen Mechanismus gibt, berechneten die Forscher auf 1 zu 6 Billionen. Es scheint, Einstein hätte wirklich nicht recht gehabt.

 

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Mehr im Internet

·         Erklärung der Hintertürchen
http://physics.aps.org/articles/v8/123#

·         Aufsatz von Einstein, Podolsky, Rosen
http://journals.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.47.777

·         Aufsatz von Bell
https://cds.cern.ch/record/111654/files/vol1p195-200_001.pdf

·         Artikel in "Physical Review Letters"
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.060401

 


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Veröffentlicht auf: Spiegel-online