Quantentheorie: Teil-Abschied von der Realität

Zumindest eine der folgenden Feststellungen ist notwendigerweise falsch: (1)Atomare Objekte existieren unabhängig von menschlichen Beobachtungen. (2)Der Raum bewirkt eine effektive Trennung von Objekten. (3)Die Quantenmechanik ist richtig.“

So fasste der italienische Physiker Franco Selleri in seinem Klassiker „Die Debatte um die Quantentheorie“ (1983) das Trilemma, in dem sich die Physik im Grunde seit 1935 befindet. Damals veröffentlichte Albert Einstein gemeinsam mit Boris Podolsky und Nathan Rosen in Physical Review (47, S.777) eine Arbeit mit einer Frage als Titel: „Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?“

Einsteins „verborgene Variable“

Einstein glaubte fest an eine Antwort auf diese Frage: Nein. Er hielt die Quantenmechanik – deren Entwicklung er selbst mit seiner Beschreibung des photoelektrischen Effekts angetrieben hatte – für unvollständig, glaubte an „verborgene Variablen“, die u.a. die Herrschaft der Kausalität wieder restaurieren können, im Sinne eines „realistischen“ Weltbildes, in dem der obige Satz (1) gilt. Aber auch Satz (2), also die Lokalität, die ja auch das Gebot der speziellen Relativitätstheorie erfüllt, dass nichts schneller sein darf als das Licht. „Ich kann nicht ernsthaft an die Quantentheorie glauben“, schrieb Einstein, „weil sie mit dem Grundsatz unvereinbar ist, dass die Physik eine Wirklichkeit in Zeit und Raum darstellen soll, ohne spukhafte Fernwirkungen.“

Doch die Quantentheorie behielt Recht. Die „spukhaften Fernwirkungen“ sind heute als „Verschränkung“ wohl gelitten und in vielen Experimenten nachgewiesen. Die Annahme des „lokalen Realismus“ – in Selleris Formulierung: dass (1) und (2) gelten – hat sich als unhaltbar erwiesen. Man kann z.B. zwei miteinander verschränkten Photonen nicht voneinander unabhängige physikalische Eigenschaften zuschreiben. Die berühmten Ungleichungen, als die John Bell die Annahme des „lokalen Realismus“ ausgedrückt hat, werden verletzt: Die Korrelation zwischen den verschränkten Teilchen ist größer, als die Ungleichungen erlauben.

Ein Team um Markus Aspelmeyer und Anton Zeilinger an der Wiener Fakultät für Physik (Erstautor: Simon Gröblacher) hat nun eine ähnliche Ungleichung theoretisch und experimentell geprüft (Nature, 446, S.871): Sie gilt für „nicht-lokale realistische Theorien“, die das Konzept „Lokalität“ aufgeben, nicht aber das Konzept „Realität“.

Das Ergebnis: Die zwischen zwei miteinander verschränkten Photonen gemessenen Korrelationen verletzen diese Ungleichung! „Es genügt demnach für ein Verständnis der Quantentheorie nicht, auf das Prinzip der Lokalität zu verzichten“, sagen die Wiener Physiker: Man müsse sich auch von „gewissen anschaulichen Eigenschaften der Wirklichkeit“ verabschieden.

„Die allgemeine Auffassung in der Physiker-Community ist, dass die Quantenmechanik nicht lokal ist“, erklärt Zeilinger im Gespräch mit der „Presse“: „Die Physiker sind eher bereit, die Lokalität aufzugeben als den Realismus. Unsere Arbeitshypothese ist, dass es umgekehrt ist: dass wir Vorstellungen von der Realität aufgeben müssen. Die Experimente sagen: Wir müssen auf einen anschaulichen Realismus verzichten. Wenn ein Realismus übrig bleibt, dann muss er offenbar ziemlich verrückt sein.“

Welche Art von Nicht-Lokalität?

Der französische Physiker Alain Aspect, ein Pionier der experimentellen Überprüfung der „Seltsamkeiten“ der Quantenwelt, kommentiert die Zeilinger-Arbeit in einem Nature-Kommentar leicht skeptisch: „So interessant diese Schlussfolgerung ist“, schreibt er, „sie bleibt eine Sache der persönlichen Präferenz, nicht der logischen Ableitung. Die Verletzung der Bell-Ungleichungen implizierte, dass Realismus und Lokalität nicht gleichzeitig haltbar sind. Die Verletzung von Leggetts Ungleichungen impliziert nur, dass Realismus und ein bestimmter Typ von Nicht-Lokalität inkompatibel sind.“

Dabei bringt Aspect in seinem Kommentar eine „Interpretation“ der Verschränkung, die im Grunde nur darauf hinausläuft, festzustellen, dass eben eine Korrelation zwischen zwei Teilchen bestehe. Das ist Zeilinger zu wenig: Unter „Realismus“ müsse man schon mehr an Erklärung verstehen, eben die Annahme, dass das Messergebnis „in irgendeiner Weise“ durch Eigenschaften des beobachteten Systems festgelegt wird – damit die Annahme, dass es verborgene Variablen gebe. Und selbst eine sehr breit gefasste Formulierung solcher Variablen widerspreche eben den Messungen.

„Aspect hat nicht verstanden, worum es uns geht“, meint Zeilinger. Und gibt freilich zu, dass das nicht leicht ist. „Wir kommen da in philosophische Fragen, die leider von den Philosophen bisher nicht wirklich aufgegriffen wurden.“ In einem sind sich Zeilinger und Aspect jedenfalls einig: dass solche Debatten und Experimente uns, so Aspect, „erlauben, tiefer in die großen Mysterien der Quantenmechanik zu blicken“.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 19.04.2007)