Ein Eingriff in die Vergangenheit?

Die Natur eines Photons hängt im Experiment vom künftigen Beobachter ab

Von Rainer Scharf

Gedankenexperimente haben in der Quantentheorie eine lange Tradition. Mit ihnen wurden immer wieder die scheinbaren Paradoxien der Quantenwelt ins Visier genommen. Erwin Schrödingers Katze, die gleichzeitig tot und lebendig ist, und Albert Einsteins "spukhafte Fernwirkung" gehen auf solche Gedankenspiele zurück. Vor 26 Jahren veröffentlichte der amerikanische Physiker John Archibald Wheeler - Doktorvater des späteren Physiknobelpreisträgers Richard Feynman - auch über eine seltsame Eigenschaft des Lichts, das sich je nach experimentellen Bedingungen entweder als eine Welle oder als ein Teilchenschauer darstellt, ein Gedankenexperiment. Darin kann man nachträglich festlegen, wie sich das Licht zu einer bestimmten Zeit verhält. Ein entsprechendes Experiment ist nun in Frankreich ausgeführt worden.

Ob die Wellen- oder die Teilchennatur des Lichtes zum Vorschein kommt, entscheidet man normalerweise vor dem Experiment durch die Wahl der Versuchsanordnung. Das Licht entsteht in einer Lichtquelle in Form einzelner Photonen. Treffen diese auf eine lichtundurchlässige Wand, in der sich zwei enge Schlitze befinden, so kann jedes Photon wie eine Welle durch beide Schlitze gleichzeitig gehen. Die von den Schlitzen ausgehenden Teilwellen überlagern sich und ergeben ein Interferenzmuster mit hellen und dunklen Bereichen. Hält man aber einen Schlitz zu, so fliegen die Photonen als Teilchen durch den anderen, offenen Schlitz, und es kommt nicht zur Interferenz.

In Wheelers Gedankenexperiment muss sich das Licht in einer Versuchsanordnung schon zu Beginn entscheiden, ob es sich wellen- oder teilchenförmig ausbreitet, und diese Wahl muss mit der später getroffenen Entscheidung des Experimentators im Einklang stehen, den Wellen- oder den Teilchencharakter des Lichtes durch ein entsprechendes Einstellen der Versuchsanordnung sichtbar zu machen. Zur Verwirklichung von Wheelers Idee haben Jean-François Roch von der Ecole Normale Supérieure in Cachan und seine Kollegen einen Lichtstrahl aus einzelnen Photonen durch ein besonderes Interferometer geschickt. Die Abstände der Photonen waren dabei so groß, dass sich darin immer nur höchstens ein Photon befand.

Zunächst traf das Photon auf einen Strahlteiler, der ihm zwei verschiedene Wege eröffnete, die sich nach etwa 48 Metern wieder kreuzten. Dort befand sich ein Modulator, den die Forscher innerhalb einer millionstel Sekunde an- beziehungsweise abschalten konnten. War der Modulator abgeschaltet, so erschien das Photon hinter dem Kreuzungspunkt mit einer eindeutigen Flugrichtung, aufgrund deren man ermitteln konnte, welchen der beiden Wege es zuvor eingeschlagen hatte. Das Photon musste sich demnach zwischen Strahlteiler und Modulator wie ein Teilchen verhalten haben. War der Modulator hingegen angeschaltet, so kam es zu Interferenzen. In diesem Fall hatte sich das Photon zwischen Strahlteiler und Modulator wie eine Welle verhalten und beide Wege zugleich durchlaufen.

Das Experiment zeigte, dass sich die einzelnen Photonen am Strahlteiler stets so zwischen Wellen- und Teilchenverhalten entschieden hatten, wie es mit zeitlicher Verzögerung, abhängig vom jeweiligen Zustand des Modulators, von ihnen verlangt wurde. Doch woher "wussten" die Photonen, wie sie sich verhalten mussten? Man könnte auf die Erklärung verfallen, ein Photon, das den Strahlteiler erreicht hat, spüre gewissermaßen, ob der weit entfernte Modulator ab- oder zugeschaltet ist. Daraufhin würde es sich dann wie ein Teilchen oder wie eine Welle verhalten.

Die Erklärung ist jedoch falsch, wie die Forscher zeigen konnten ("Science", Bd. 315, S. 966). Dazu haben sie den Modulator mit Hilfe einer schnellen elektronischen Schaltung erst dann in seinen endgültigen Zustand gebracht, wenn das Photon den Strahlteiler schon passiert, aber den Modulator noch nicht erreicht hatte. Darüber hinaus wurde der Zustand des Modulators für jedes Photon zufällig und völlig unvorhersagbar gewählt. Obwohl sich durch den Zustand des Modulators erst nachträglich entschied, ob ein Interferenzexperiment oder ein Versuch mit Partikeln ausgeführt wurde, verhielten sich die Photonen am Strahlteiler stets richtig: mal als Wellen, mal als Teilchen.

Dieses überraschende Ergebnis steht vollständig im Einklang mit der Quantentheorie. Es zeigt, dass das aktuelle (unbeobachtete) Verhalten eines Photons davon abhängen kann, wie man dieses Lichtquant in Zukunft beobachten wird. Eine tatsächliche Beeinflussung der Vergangenheit ist auf diese Weise jedoch nicht möglich. Überprüft man das Verhalten des Photons unmittelbar hinter dem Strahlteiler, so stört man den Ablauf des ursprünglichen Experiments. So paradox die Vorhersagen der Quantentheorie auch erscheinen mögen, zu logischen Widersprüchen haben sie bisher nicht geführt.

Text: F.A.Z., 28.02.2007, Nr. 50 / Seite N2