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Quanten auf dem Prüfstand : Einsteins Spuk hat ein Ende

Der nordirische Theoretiker John Bell sinniert 1982 über seine Ungleichung. Ob Einstein oder die Quantenmechanik recht hat, lässt sich damit überprüfen. Bild: Foto Cern

Einsteins geisterhafte Fernwirkung ist definitiv ein rein quantenphysikalisches Phänomen. Es gibt dafür keine anschauliche Erklärungen, wie ein raffiniertes Experiment jetzt zeigt.

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          Man stelle sich zwei Würfel vor, die, wenn man sie gleichzeitig würfelt, immer die gleiche Zahl liefern. Was für die meisten nach Hexerei klingt, ist durchaus Wirklichkeit, zumindest in der Welt der Quantenteilchen. Nur hat man es dort nicht mit Würfeln zu tun, sondern mit Lichtteilchen (Photonen) oder Elektronen. Die Rede ist vom quantenphysikalischen Phänomen der Verschränkung. Albert Einstein hatte sie einst als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnet. Denn zwei stark quantenmechanisch verknüpfte Teilchen verhalten sich trotz großer Distanzen wie ein einheitliches System. Ändert sich der Zustand des einen Teilchens, dann „spürt“ dies das andere instantan und ändert sofort seinen Zustand ebenfalls entsprechend, selbst wenn beide Partner Lichtjahre voneinander entfernt sind.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Da dieses Verhalten der Speziellen Relativitätstheorie offenkundig widerspricht, wird schon seit langem darüber gestritten, ob die Verschränkung tatsächlich eine Eigenart der Quantentheorie an sich ist oder ob verschränkte Teilchen schon vor der Messung alle Eigenschaften des Partners kennen. Wissenschaftler aus den Niederlanden, Spanien, England und den Vereinigten Staaten sind angetreten, endgültig Klarheit in den Sachverhalt zu bringen. Über ihren spektakulären Freilandversuch berichten Ronald Hansen von der TU Delft und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“.

          Dem Lauscher keine Chance

          War das Phänomen der Verschränkung den Pionieren der Quantenphysik noch suspekt, werden heutzutage fast schon routinemäßig Paare von korrelierten Lichtquanten, Elektronen oder von geladenen Atomen erzeugt und manipuliert. Verschränkte Teilchen sind für viele Forscher und Sicherheitsexperten das ideale Medium, um eine abhörsichere Datenübertragung zu gewährleisten. Denn ein Lauscher, der eines der verschränkten Partikeln anzapfte und damit den Zustand veränderte, würde natürlich vom Sender und Empfänger sofort bemerkt und enttarnt.

          Bas Hensen (links) und Ronald Hansen justieren ihre Apparatur für ihren ultimativen Bell-Test an der TU Delft
          Bas Hensen (links) und Ronald Hansen justieren ihre Apparatur für ihren ultimativen Bell-Test an der TU Delft : Bild: Frank Auperle, TU Delft

          Da die quantenmechanische Verschränkung jeglicher Alltagserfahrung widerspricht, hatte nicht nur Albert Einstein Zweifel an der geheimnisvollen Fernwirkung zwischen zwei verschränkten Teilchen, sondern auch viele Physiker nach ihm. Ihr Argument: Die Verschränkung widerspricht der Speziellen Relativitätstheorie, da sich bekanntlich nichts schneller ausbreiten kann als das Licht – und damit freilich auch nicht die Information darüber, was mit einem verschränkten Teilchen augenblicklich geschieht. Man vermutete „verborgene Variablen“, die zwei verschränkten Quantenteilchen bei der Erzeugung mitgegeben werden und die für eine perfekte Abstimmung der Eigenschaften sorgen – ohne dass jemand die Variablen aufspüren kann.

          Eine Ungleichung sorgt für Klarheit

          Der hitzigen Debatte setzte John Bell 1964 mit seinem Kunstgriff zumindest theoretisch ein Ende. Der nordirische Physiker hatte mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsrechnung eine mathematische Ungleichung formuliert, die korrelierte Messwerte erfüllen müssen, wenn sie sich auf  klassische Teilchen beziehen, die an bestimmten Ort existieren, unabhängig davon, ob jemand hinschaut, ist die Bellsche Ungleichung verletzt, dann sind die Teilchen der Quantenphysik nicht von dieser Art.

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