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Einsteins spukhafte Fernwirkung ist Wirklichkeit

Experimente mit verschränkten Ionenpaaren / Nichtlokalität der Quantentheorie abermals bestätigt

Von Rainer Scharf

Alle Objekte haben bestimmte Eigenschaften - unabhängig davon, ob sie beobachtet werden oder nicht. Dieser Ansicht war schon Albert Einstein, und die Alltagserfahrung scheint ihm recht zu geben. So erstrahlt die Sonne offensichtlich auch dann, wenn niemand hinsieht. Ebenso sollten Ereignisse, die sich weit entfernt von einem Experiment ereignen, den Ausgang einer Messung nicht beeinflussen. Denn sonst wäre das Experiment unter kontrollierten Bedingungen gar nicht möglich, meinte Einstein. Diese Grundsätze des "lokalen Realismus" gelten aber im Bereich der Atome und Elementarteilchen nicht - wenn man den Gesetzen der Quantentheorie Glauben schenkt. Jetzt hat ein Experiment mit verschränkten Atomen, das am National Institute of Standard and Technology in Boulder/Colorado ausgeführt wurde, die Hoffnung endgültig zerstört, daß sich der lokale Realismus bei Verbesserung der Meßtechniken doch noch als gültig erweisen könnte.

Die Forscher um Dave Wineland haben Paare von ionisierten Beryllium-Atomen in einer Falle gefangengehalten. Der Abstand zweier Ionen voneinander betrug im Mittel etwa drei Mikrometer und ließ sich nach Wunsch verändern. Die Ionenpaare befanden sich in einem quantenmechanischen Zustand, den man als verschränkten Zustand bezeichnet. Dabei hatten die Teilchen eines Paares geringfügig unterschiedliche Energien. Es war jedoch quantenmechanisch völlig unbestimmt, welches der beiden Ionen die höhere Energie hatte. Allein die Gesamtenergie des Paares stand fest.

Um die Eigenschaften der verschränkten Ionenpaare herauszufinden, bestrahlten die Physiker diese mit gepulstem Laserlicht und zerstörten dabei ihre Verschränkung. Bei einer gewissen Lichtfrequenz wurden die Ionen in einen energiereicheren Zustand befördert. Dabei verriet sich das Teilchen mit der niedrigeren Energie dadurch, daß es hell aufleuchtete, weil es das Laserlicht stark streute. Das Ion mit der höheren Energie bleibt hingegen nahezu "dunkel". Wie erwartet, leuchtete von den beiden bestrahlten Ionen immer nur eines hell auf. Welches davon, war vom Zufall abhängig. Das Ergebnis dieses Versuches ließe sich durchaus noch mit dem Grundsatz des lokalen Realismus vereinbaren. In dem Fall würde der Zustand jedes einzelnen Ions schon vor der Messung feststehen, dem Experimentator aber unbekannt sein.

In weiterführenden Experimenten konnten die amerikanischen Forscher allerdings zeigen, daß diese Interpretation falsch ist. Wineland und seine Kollegen setzten die verschränkten Ionen einer weiteren Lichtwelle aus, die den Zustand des Ionenpaares beeinflußte. Da sich die Teilchen nicht am selben Ort befanden, waren sie dem Einfluß der Lichtwelle unterschiedlich stark ausgesetzt. Ihr quantenmechanisch unbestimmter Zustand änderte sich in verschiedener Weise. Die beiden Teilchen waren zwar noch immer miteinander verschränkt. Sie konnten jetzt aber auch jeweils dieselbe Energie haben. Das zeigte sich, als die Ionen abermals mit dem gepulsten Laser bestrahlt wurden. Dann kam es vor, daß beide Partikeln gleichzeitig aufleuchteten oder dunkel blieben. Die Wissenschaftler haben dieses Experiment 20000 Mal wiederholt. Damit der Einfluß der Lichtwelle auf die Ionen nicht gleichblieb, veränderten sie immer wieder deren Abstände. Am Ende gewannen die Forscher eine umfangreiche Statistik darüber, wie oft sich die beiden Teilchen im selben Endzustand befanden, also beide hell oder dunkel waren, und wie oft nur eines von ihnen aufleuchtete.

Aus den Daten berechneten die Forscher eine Kennziffer, die die Schwankungen der Meßergebnisse für verschiedene Ionenabstände angab. Wenn der Zustand der Ionen auch schon vor ihrer Bestrahlung mit dem Laserpuls eindeutig festgelegen hätte, wie es die Grundsätze des lokalen Realismus verlangen, dann wäre der Wert dieser Zahl kleiner als zwei gewesen und hätte damit eine sogenannte Bellsche Ungleichung erfüllt. Tatsächlich ergab sich ein deutlich höherer Wert ("Nature", Bd. 409, S. 791). Die Meßergebnisse schwankten demnach stärker, als es der lokale Realismus erlaubt.

Da bei den Experimenten keines der 20000 Ionenpaare unbeobachtet geblieben war, konnten die Forscher auch den Einwand widerlegen, daß sich der Widerspruch bei Verbesserung der Meßtechnik auflösen würde. Dieses Argument hatte man bislang immer wieder gegen Experimente mit verschränkten Photonen vorgebracht, deren Ergebnisse ebenfalls nicht mit dem lokalen Realismus vereinbar waren. Es war dabei nämlich immer nur ein kleiner Bruchteil aller beteiligten Photonen nachgewiesen worden. Es wäre also durchaus denkbar, daß die unbeobachtete Mehrheit der Lichtteilchen die Grundsätze erfüllt hatte.

Bei früheren Versuchen an kilometerweit voneinander entfernten verschränkten Lichtquanten hatte sich gezeigt, daß sich die einzelnen Photonen gewissermaßen abstimmten, wenn ihre zunächst unbestimmten Eigenschaften gemessen wurden. Sie verhielten sich stets so, wie es mit dem anfangs präparierten verschränkten Zustand des Photonenpaares vereinbar war. Auch dieses von Albert Einstein als "geisterhafte Fernwirkung" bezeichnete Verhalten stand in Widerspruch mit den Grundannahmen des lokalen Realismus. Ein entsprechendes Experiment mit weit voneinander entfernten verschränkten Ionen scheiterte bislang an technischen Schwierigkeiten. Doch auch ohne dieses Experiment ist der von Einstein geschätzte lokale Realismus in der Physik mittlerweile unhaltbar geworden. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 07.03.2001, Nr. 56 / Seite N3

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