Das größte Quantenexperiment der Welt

Am 30. November findet in Wien und zehn weiteren Städten ein weltweites Großexperiment statt. 30.000 Menschen nehmen daran teil - der Versuch soll eine Grundsatzfrage klären, die schon Einstein Kopfzerbrechen bereitete: Geht es in der Quantenwelt wirklich spukhaft zu?

„Sie werden doch nicht behaupten wollen, dass der Mond nicht da oben ist, wenn niemand hinsieht?“ ... „Können Sie mir das Gegenteil beweisen?“ Albert Einstein und Niels Bohr wechselten diese Worte, so notierte es Werner Heisenberg, während einer legendären Debatte in den 1920er Jahren. Bohr, einer der Architekten der damals noch jungen Quantentheorie, behauptete, dass es im Reich der Quanten nachgerade verrückt zugehe, ganz anders jedenfalls als in unserer Alltagswelt.

Niels Bohr und Albert Einstein im Jahr 1925
Public Domain
Lieferten einander intellektuelle Gefechte: Bohr und Einstein im Jahr 1925

Eine dieser Verrücktheiten ist die „Verschmiertheit“ der Quanten: Ein Elektron hat Bohr zufolge erst dann einen bestimmten Aufenthaltsort, wenn man (durch Messung) nachsieht, wo es sich aufhält. Was in Anwendung auf den Mond offenkundig absurd ist. Natürlich ist er da, wenn gerade niemand zum Himmel schaut. Aber gilt das auch für die Quanten? Einstein insistierte, das müsse so sein, ansonsten sei an der Quantentheorie etwas faul. Bohr hielt dagegen.

Einstein und der Quantenspuk

Das war nicht der einzige Streitpunkt zwischen den beiden. Zwei verschränkte Teilchen, noch so eine Absonderlichkeit der Quanten, verhalten sich laut Theorie wie Zwillinge, die durch ein unsichtbares Band verbunden sind. Bestimmt der Physiker via Messung, dass bei Teilchen eins der Spin den Wert x hat, ist der Spin des anderen augenblicklich ebenfalls mit x festgelegt - egal, wie weit die beiden voneinander entfernt sind.

Interpretiert als Wirkung hieße das: Teilchen eins beeinflusst Teilchen zwei mit Überlichtgeschwindigkeit, was laut Relativitätstheorie nicht sein kann. Kein Wunder, dass Einstein auch hier nicht bereit war, die Krot zu schlucken. Die Quantenverschränkung, maulte er, sei eine „spukhafte Fernwirkung“.

Der Teufel sitzt hier bereits im sprachlichen Detail: Ist das, was Einstein mit seinem oft zitierten Ausspruch kritisierte, überhaupt eine „Fernwirkung“ im herkömmlichen Sinne? Falls nämlich nicht, dann verschwindet auch der Konflikt mit der Relativitätstheorie.

Messen statt streiten

Einstein verstarb 1955 im Unfrieden mit der Quantentheorie. Wohl auch deshalb, weil es zu dieser Zeit noch keine Möglichkeit gab, den Streit im Experiment beizulegen. Das sollte sich erst 1964 ändern. In diesem Jahr entwickelte der nordirische Physiker John Bell eine Ungleichung, mit deren Hilfe sich der Spuk im Labor überprüfen ließ, zum Beispiel an Lichtteilchen, Photonen.

Quantenphysiker Thomas Scheidl
ÖAW
Überprüft Naturphilosophie im Experiment: Physiker Thomas Scheidl

„Verschränkte Photonen verhalten sich so wie zwei Münzen, die immer auf die gleiche Seite fallen. Ob der Münzwurf Kopf oder Zahl zeigt, ist zwar offen - aber das Ergebnis ist bei beiden Münzen immer das gleiche“, sagt der Wiener Physiker Thomas Scheidl. Laut klassischer Physik wäre höchstens ein zufälliger Gleichschritt der Photonen (vulgo Münzen) erlaubt. Laut Quantenphysik sollte das Ergebnis weit über Zufallstreffer hinausgehen.

Neues Experiment - ohne Schlupfloch

Alle bisherigen Versuche zeigen: Einstein hatte unrecht. Der Quantenspuk ist real, die Photonen sind tatsächlich durch ein unsichtbares Band verbunden.

Sendungshinweis

Über den „Big Bell Test“ berichtete auch das „Dimensionen“-Magazin, 25.11., 19.05 Uhr - sowie das Mittagsjournal, 29.11., 12.00 Uhr.

Gleichwohl war damit die Diskussion noch nicht beendet, denn findige Physiker fanden im Bell’schen Konzept ein paar Schlupflöcher. Um die Unvorhersehbarkeit des Münzwurfes zu garantieren, speisen Experimentatoren ihre Versuchsanordnung normalerweise mit Zufallsreihen aus Nullern und Einsern. „Man könnte argumentieren, dass der Zufallsgenerator durch unbekannte Einflüsse programmiert wurde und sich die Photonen dadurch irgendwie ‚absprechen‘ konnten“, sagt Scheidl. Das mag ein eher spitzfindiger Einwand sein, aber in einer Wissenschaft, die dem Prinzipiellen verpflichtet ist, hat eben auch das seine Berechtigung.

Dieses Schlupfloch zu stopfen versucht nun ein weltweites Quantenexperiment: Am 30. November treten elf Forschergruppen aus fünf Kontinenten zum „Big Bell Test“ an. Scheidl, Quantenforscher an der Akademie der Wissenschaften, leitet den österreichischen Beitrag.

Quantenphysikalisches Labor
ORF/Czepel
Labor an der Akademie: Hier werden am 30.11. verschränkte Photonen erzeugt

Mit dabei sind voraussichtlich mehr als 30.000 Laien, ihre Aufgabe: Sie sollen über die Website des Experiments willkürliche Zahlenreihen von Nullern und Einsern für die Bell’schen Münzwürfe mit Photonen einspeisen. Auf diese Weise wollen die Forscher sichergehen, dass die Messeinstellungen tatsächlich unvorhersehbar sind - und sich die Lichtteilchen im Experiment eben nicht „absprechen“ konnten. Scheidl erwartet, dass das Großexperiment die bisherigen Versuche bestätigen wird. Der Quantenspuk wird wohl auch diesmal weitergehen.

„Gott würfelt nicht“

Die Bell’sche Ungleichung ist auch in anderer Hinsicht Prüfstein für den historischen Disput zwischen Einstein und Bohr. Dass der Zufall die Quantenwelt regiere - auch mit dieser These konnte sich Einstein, Determinist der alten Schule, niemals anfreunden. „Es scheint hart, dem Herrgott in die Karten zu gucken. Aber dass er würfelt und sich telepathischer Mittel bedient (wie es ihm von der gegenwärtigen Quantentheorie zugemutet wird), kann ich keinen Augenblick glauben", schrieb er anno 1942 an seinen ungarischen Fachkollegen Cornelius Lanczos.

Sieben Jahre zuvor hatte er in einem Aufsatz die Vermutung geäußert, die Quantentheorie müsse unvollständig sein. Wenn erst das letzte Puzzlestück entdeckt sei, so hoffte Einstein, dann würden endlich Ursache und Wirkung in die Quantenwelt zurückkehren. „Verborgene Variablen“ nennen Physiker diesen hypothetischen Haltegriff des Determinismus, der dank Bell nun ebenfalls experimentell fassbar ist. Beziehungsweise wäre: Denn gefunden haben die Physiker bisher nichts dergleichen.

Der Zufall scheint den Quanten ebenso wenig auszutreiben zu sein wie die spukhafte Fernwirkung. Dieser Befund sei zu akzeptieren, sagt Scheidl, auch wenn er zu neuen Problemen führe. Etwa diesem: Wenn der Zufall die Quanten bestimmt - woher kommt dann die Kausalität in unserer Alltagswelt? „Gute Frage. Ich weiß es nicht.“

Robert Czepel, science.ORF.at

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