Quantenspuk in der Schweiz
(Illustration: Steven Notley)
Schweizer Physiker Nikolas Gisin wundert sich, dass die Welt mal wieder so funktioniert, wie die Quantenphysik es voraussagt:
“Ehrlich gesagt, das Ganze ergibt keinen Sinn.”
Nikolaus Gisin
Was hat Gisin gemacht? Er und seine Genfer Kollegen haben Paare von “verschränkten” Photonen erzeugt, ein 18km langes Glasfaserkabel zwischen den Dörfern Satigny und Jussy verlegt und je ein Photon in eines der Dörfer geschickt. Wenn man nun Eigenschaften eines der Photonen in Jussy bestimmte, dann beeinflußte das die Eigenschaften des zugehörigen Photons in Satigny, und umgekehrt. Diese Beeinflussung breitete sich nicht mit Lichtgeschwindigkeit aus (es ist also nicht so, dass das eine Photon dem anderen eine Nachricht zukommen lassen konnte), sondern erfolgte augenblicklich.
Bekanntlich kann man bei Photonen nicht Eigenschaften messen, ohne andere Eigenschaften zu verändern - die Dinger sind so zart und klein, dass z.B. die Bestimmung der Position den Impuls vernichten würde und umgekehrt. Photonen sind also gewissermaßen “unscharf”. Diese Unschärfe bedeutet nicht etwa, dass die ungemessenen Eigenschaften bloß unbekannt wären - sie sind buchstäblich unbestimmt; das Photon hat diese Eigenschaften alle gleichzeitig, in einer Überlagerung.
Das ist so, als wäre ein Bit in meinem Computer nicht 0 oder 1, sondern 0 und 1 gleichzeitig. Sobald Sie (bzw. der Bezugspunkt, von dem aus Sie agieren) mit dem Photon wechselwirken, verändert sich das Verhalten des Photons - es ist nun nicht mehr unscharf.
Verschränkte Photonen teilen viele Eigenschaften, sie sind wie eineiige Zwillinge. Wenn Sie mit dem einen Photonenzwilling wechselwirken, dann wird sein anderer Zwilling plötzlich “schärfer” - dadurch, dass Sie etwas über beide wissen, verändern sich augenblicklich die Eigenschaften des anderen Zwillings. Das liegt offenbar daran, dass unsere Photonenzwillinge sich einen Eigenschaftsaspekt teilen - die bewußte Eigenschaft ist nicht entweder in Jussy oder Satigny, sondern sie ist an beide Orte verteilt. Raum und Zeit spielen für makroskopische Objekte eine Rolle, aber nicht in derselben Weise für Quanteninformationen.
Warum findet Nikolas Gesin diesen Umstand so verwirrend? - Ich vermute, das liegt daran, dass er sich im tiefsten Herzen die Welt immer noch als einen Haufen sehr sehr kleiner Billiardkugeln vorstellt, und nicht als eine Art Computerspiel.
(Computerspiel “Oblivion - the Elder Scrolls”)
Wenn wir ein Computerspiel anschauen, so fragen wir uns nicht: gibt es wirklich Monster, Häuser, Sonnenstrahlen in diesem Spiel? - sondern wir fragen: wie können wir die Muster, die sich uns am Bildschirm darbieten, in einen sinnvollen Zusammenhang bringen? Gegenstände, Orte, Abläufe, Beziehungen sind nicht Bestandteile der Welt selbst (des Computerprogramms), sondern sie sind die Art, in der wir die uns dargebotenen Erscheinungen interpretieren.
- Und wenn wir ein Computerspiel anschauen, dann fragen wir nicht: wo sind die Photonen, die sich von der Sonne im Computerspiel zur Spielfigur ausgebreitet haben, bevor sie sich auf dem Helm der Spielfigur spiegeln? Wir fragen vielmehr, unvoreingenommen: wie ist dieses Spiel programmiert? - Oh! Offenbar berechnet das Programm nicht den kompletten Weg zwischen Lichtquelle und Ziel, sondern nur die Wahrscheinlichkeit dafür, dass eine Lichteinheit der Quelle auf das Ziel trifft.
Wenn wir uns der Welt mit derselben Unvoreingenommenheit nähern, mit der wir die Funktionsweise eines Computerspiels interpretieren, dann hört die Quantenphysik auf, rätselhaft und unverständlich zu sein. Sie ist dann einfach nur der spannende Versuch, das Programm unseres Universums zu entschlüsseln.
(Via Spiegel Online)
Schlagworte: Einstein-Podolsky-Rosen-Brücke, Nichtörtlichkeit, Quantenphysik
16. August 2008 um 13:12 Uhr
Man sollte der Gerechtigkeit halber aber noch Folgendes hinzufügen:
- Mit der “spukhaften Fernwirkung” ist keinerlei Informationsübertragung verbunden. Also die Relativitätstheorie bleibt neben der Quantentheorie uneingeschränkt gültig.
- Wenn Geschwindigkeiten kleiner als unendlich gemessen werden, dann liegt das an den “klassischen” Komponenten der Einrichtungen. Instantan ist die Fernwirkung selbst nämlich immer.
Vielleicht verlieren Menschen ihre Angst vor der Quantentheorie, wenn man die Möglichkeiten und Grenzen besser erklärt. Einen sehr guten Artikel über “Die Grenzen der Quantencomputer” findet man z.B. in Spektrum der Wissenschaft, 7/08.
16. August 2008 um 14:03 Uhr
Vielen Dank für den Kommentar! - Es stimmt, eine Informationsübertragung ist es nicht, weil die beiden Photonen Träger derselben Information sind. Das Universum verwendet ein Bit, um eine Eigenschaft von zwei Photonen zu definieren. Die Physiker sprechen von “Nicht-Örtlichkeit”, weil die Information nicht an einen einzigen Ort gebunden ist.
Die klassische Physik (und auch die Relativitätstheorie) betrachtet das Universum aber (ganz grob vereinfacht gesagt) als einen riesigen Haufen sehr winziger Billardkugeln (den Elementarteilchen). Jede dieser Kugeln ist zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt an einem ganz bestimmten Ort. Die Quantenphysik sagt uns nun: nein! das stimmt nicht! Das Universum tut nur so, als bestünde es aus winzigen Billardkugeln. Wenn es aus Billardkügelchen bestünde, dann kann es passieren, dass die Farbe zweier Kugeln gleichzeitig in zwei Schweizer Dörfern, statt auf einer einzigen Kugel ist. Und es kann passieren, dass eine Kugel nicht eine bestimmte Farbe hat, sondern mehrere Farben gleichzeitig, solange niemand genau hinguckt. Wenn nun jemand genau hinguckt, dann verändert er nicht nur die Farbe der angeguckten Kugel, sondern auch noch die Farben von Kugeln im Nachbardorf…
Einstein hat diese Voraussagen der Quantenphysik sehr früh verstanden. Er fand die Quantenphysik deshalb völlig absurd und meinte, dass sie falsch sein müßte. Aus seiner Sicht hätte jede Kugel eine getrennte Existenz haben müssen. Der Umstand, dass die Messung einer Farbe die Farbe einer anderen Kugel ändert, war für ihn eine Informationsübertragung (man spricht von einer “Einstein-Podolsky-Rosen-Brücke”, weil Einstein zusammen mit zwei anderen Wissenschaftlern auf diese Angelegenheit hingewiesen hatte). Und er dachte, wenn er auf diesen absurden Umstand hinweist, hätte er die Quantenphysik wiederlegt. Das Schweizer Experiment (und unzählige Experimente vorher) zeigen aber, dass Einstein sich irrte.
17. August 2008 um 10:41 Uhr
Es stimmt, eine Informationsübertragung ist es nicht, weil die beiden Photonen Träger derselben Information sind.
Ich wollte noch auf etwas anderes hinaus. Viele glauben, dass mit diesen “abhörsicheren” Kanälen mit Hilfe verschränkter Teilchen eine überlichtschnelle Informationsübertragung möglich ist. Das ist aber nicht richtig. Bestandteil jeder Anordnung ist ein zweiter und unverzichtbarer klassischer Kanal.
Das Universum verwendet ein Bit, um eine Eigenschaft von zwei Photonen zu definieren.
Das provoziert mich zu der Frage, wo denn das zweite Bit geblieben ist, dass vor und nach der Verschränkung für zwei unabhängige Teilchen benötigt wird? - Wir wissen zwar, dass die Materie im uns zugänglichen Teil des Universums endlich ist, die der Information ebenfalls, und dass es weder Materie ohne Information noch Information ohne Materie gibt – aber wie genau die Wechselbeziehung zwischen beiden aussieht, ist (nur mir?) vollkommen unklar.
Ein Beispiel: Bei einem bekannten Experiment zur Bellschen Ungleichung werden Spins in Abhängigkeit vom Winkel zwischen zwei verschränkten Teilchen gemessen. Die Spins nehmen jeweils einen von zwei möglichen Ausrichtungen an (jeweils 1 Bit), aber die Wahrscheinlichkeit des Spins des zweiten Teilchens ist über eine Winkelfunktion mit dem Messergebnis des ersten Teilchens verknüpft. Ist der Winkel (=die damit verbundene Information) gequantelt? Theoretisch muss sie das sein, denn ansonsten wäre die Informationsmenge ja unendlich. Aber nachgewiesen hat das meines Wissens noch keiner.
Wenn nun jemand genau hinguckt, dann verändert er nicht nur die Farbe der angeguckten Kugel, sondern auch noch die Farben von Kugeln im Nachbardorf…
Diese Sichtweise (auch die zurückreichende Festlegung der Vergangenheit) ist logisch mit der Relativitätstheorie (also der Lichtgeschwindigkeit als größter Geschwindigkeit für den Informationsaustausch) konsistent. Es ist egal, wer zuerst eine der beiden Kugeln ansieht, beide Beobachter können sich gegenseitig über die gesehene Farbe nur mit Lichtgeschwindigkeit austauschen. Die Gleichungen der Quantentheorie bringen hier nur das zum Ausdruck, was eh gelten muss: Was man nicht “misst”, von dem weiß man nichts.
19. August 2008 um 15:19 Uhr
Das provoziert mich zu der Frage, wo denn das zweite Bit geblieben ist, dass vor und nach der Verschränkung für zwei unabhängige Teilchen benötigt wird?
Warum sollten es jemals zwei Bits gewesen sein? Die Verschränkung hebt die Unabhängigkeit auf. Der Witz ist nun, dass nicht zwei Bits mit demselben Wert herumgeistern, sondern nur ein Bit.
Diese Sichtweise (auch die zurückreichende Festlegung der Vergangenheit) ist logisch mit der Relativitätstheorie (also der Lichtgeschwindigkeit als größter Geschwindigkeit für den Informationsaustausch) konsistent.
Einstein bezweifelte das. Weil sich Teilchen, deren “Wellenfunktion kollabiert” ist, anders verhalten als solche, die noch in der Schrödingerbox liegen, also “unscharf” sind, kann man aus Sicht des ersten Beobachters von “spukhafter Fernwirkung” sprechen: die Beobachtung in Punkt A verändert das Verhalten des Systems in Punkt B augenblicklich. Auch dann, wenn der A-Beobachter sich über die Geschehnisse in B auf klassischem (lichtgeschwindigkeitsbeschränktem) Wege informieren muß, wird er feststellen, dass die Änderung “in der Vergangenheit” lag.
“Vergangenheit” und “Zukunft” sind allerdings Konzepte, die für die Quantenphysik nicht so ohne weiteres zu funktionieren scheinen. Der Zeitpfeil, den wir beständig erleben, ist vermutlich nur makroskopisch (”im Großen”) zu beobachten.
20. Oktober 2008 um 07:50 Uhr
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