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Nobelpreis für Physik : Der Triumph der Quanten

Verschränktes Licht im Labor von Anton Zeilingers Schüler Rupert Ursin. Bild: IQOQI

Der diesjährige Nobelpreis für Physik ehrt die Bestätigung der erstaunlichsten Einsicht seit dem Ende der aristotelischen Naturtheorie.

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          Natürlich wurde gleich auch nach dem Nutzen gefragt. Und so begann die Physikerin Eva Olsson von der Chalmers University in Göteborg als Mitglied des Nobelpreiskomitees ihre Zusammenfassung der gestrigen Entscheidung ihres Gremiums, den Physiknobelpreis 2022 zu gleichen Teilen an den Franzosen Alain Aspect, den Amerikaner John Clauser und den Österreicher Anton Zeilinger zu verleihen, gleich mit einschlägigen Stichworten: „Quanteninformationswissenschaft hat potentielle Implikationen für Felder wie sicheren Informationstransfer, Quantencomputing und Sensor-Technologie.“

          Ulf von Rauchhaupt
          Redakteur im Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.

          Und es stimmt ja auch. Insbesondere das Lebenswerk Anton Zeilingers hat aus einer der breiteren Öffentlichkeit obskur erscheinenden Nische der theoretischen Physik ein Fach mit rasch wachsenden Unterdisziplinen gemacht, von denen einige auch hinsichtlich ihrer praktischen und kommerziellen Verheißungen dabei sind, sich zu Ingenieurwissenschaften zu mausern.

          Im Herzen aller dieser Bemühungen steht ein Effekt namens „Quantenverschränkung“. Sind zwei Naturdinge, zu deren Beschreibung die Quantentheorie herangezogen werden muss – also etwa zwei Lichtphotonen oder subatomare Teilchen –, verschränkt, dann sind sie nur noch gemeinsam zu beschreiben. Über das Verhalten des einen lässt sich dann ohne das andere nichts mehr aussagen, und zwar ganz egal, wie weit die beiden voneinander entfernt sind. Mathematisch ist das eine Folge und nicht etwa ein Postulat der Quantentheorie. Doch schon einer ihrer Pioniere, Zeilingers Landsmann Erwin Schrödinger, schrieb 1935, die Verschränkung sei nicht eine, sondern die charakteristische Eigenschaft der Theorie.

          Die technische Verfügbarmachung der Verschränkung ist der denkbar überzeugendste Nachweis ihrer Realität. Doch der diesjährige Nobelpreis würdigt zugleich eine Leistung, die sehr viel tiefer geht: den experimentalphysikalischen, mithin streng empirischen Nachweis, dass die Quantentheorie an sich richtig sein muss.

          Alain Aspect (* 1947) arbeitete vor seiner Doktorarbeit drei Jahre als Lehrer in Kamerun.
          Alain Aspect (* 1947) arbeitete vor seiner Doktorarbeit drei Jahre als Lehrer in Kamerun. : Bild: AP
          John Clauser, (* 1942) macht aus Einsteins Gedankenexperiment einen echten Versuch.
          John Clauser, (* 1942) macht aus Einsteins Gedankenexperiment einen echten Versuch. : Bild: AP

          Denn ebenfalls um 1935 herum tobte eine Kontroverse um eine andere, tatsächlich bereits in ihren Postulaten steckende Eigenschaft der neuen Theorie, wie sie von ihren Gründervätern, darunter Niels Bohr, Werner Heisenberg und Max Born, formuliert worden war: Sie ist nicht deterministisch. Aus den Quantengesetzen lässt sich lediglich die Häufigkeit verschiedener Messergebnisse nach oft wiederholter Messung ableiten. Der Wert einer einzelnen Messung ist dagegen zufällig.

          Ist die Quantentheorie richtig und vollständig?

          Es ist kaum möglich, die Bedeutung dieser Aussage für unser Verständnis der physikalischen Wirklichkeit zu übertreiben. Sie ist grunderschütternd. Denn sie besagt, dass sich etwa der Zerfall eines Uranatoms nur statistisch beschreiben lässt. Naturgesetzlich festgelegt ist nur die Wahrscheinlichkeit, mit der ein solches Atom nach einer gegebenen Zeitspanne zerfallen ist. Es ist aber unmöglich vorauszuberechnen, wann dieses eine Atom zerfällt – und damit vielleicht weitere, auch makroskopische Ereignisse bedingt, etwa den Ausgang einer Lottoziehung.

          Wenn jenes Uranatom, sagen wir, eine Stunde nach Beginn der Messung zerfällt, dann gibt es für dieses konkrete Ereignis in der wissenschaftlich erfassbaren Natur keinen Grund – ganz im Gegensatz zu allen Vorgängen der klassischen Physik. Newtons Apfel plumpst nach zumindest theoretisch exakt vorausberechenbarer Zeit ins Gras. Doch Quantendinge sind anders. Die Intuition der deterministischen Naturtheorie, die sich seit der frühen Neuzeit an mechanischen Prozessen geschult hatte, gilt nicht mehr oder eben nur noch in der Makrophysik, die über viele Atome Mittelwerte bildet. Das ist eigentlich noch unerhörter als der einst von Galilei, Kepler und Newton herbeigeführte Ruin der Intuitionen der aristotelischen Naturtheorie. Denn die klassische Physik ist sich mit Aristoteles immerhin noch einig gewesen, dass alles einen Grund haben müsse.

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