Abschied von der Wirklichkeit?

Experimente mit Licht machen anschauliche Erklärungen zunichte

Von Rainer Scharf

Der Mond leuchtet am Nachthimmel, auch wenn ihn gerade niemand anschaut. Schließlich lehrt uns die Erfahrung, dass die Eigenschaften des Trabanten und der Dinge, die uns umgeben, nicht davon abhängen, ob man sie ständig beobachtet oder nicht. Auch können sich zwei weit voneinander entfernte makroskopische Objekte nicht unmittelbar gegenseitig beeinflussen, sondern nur über die bekannten physikalischen Wechselwirkungen. Diese beiden klassischen Prinzipien - von den Physikern abstrakt als "Realismus" und "Lokalität" bezeichnet - stoßen schnell an ihre Grenzen, wenn man sich in die Welt der Quantenphysik begibt. Dort verhalten sich Atome entweder wie Teilchen oder wie Wellen. Welche Eigenschaften sie an den Tag legen, hängt direkt mit der Art und Weise der Beobachtung zusammen. Des Weiteren spüren quantenmechanisch verschränkte Photonen sofort, wenn etwas mit ihrem Partner geschieht, auch wenn beide Lichtjahre voneinander entfernt sind. Wissenschaftler von der Universität Wien haben nun ausgelotet, inwie- weit die klassischen Konzepte Realismus und Lokalität in der Quantenwelt ihre Gültigkeit haben.

Verschränkte Teilchenpaare werden häufig mit zwei Würfeln verglichen, die, wenn man sie gleichzeitig wirft, immer die gleiche Augenzahl liefern. Wird nämlich eines der verschränkten Teilchen von einem Detektor nachgewiesen und auf seine Eigenschaften hin untersucht, so stehen augenblicklich auch die Eigenschaften des anderen Teilchens fest.

Diese "spukhafte Fernwirkung" wollte Albert Einstein zeit seines Lebens nicht akzeptieren. Er war davon überzeugt, dass Quantenobjekte bestimmte objektive Eigenschaften haben müssen, die nicht durch weit entfernte Ereignisse augenblicklich verändert werden können. Schließlich verbietet die Relativitätstheorie, dass sich Informationen schneller als Licht ausbreiten. Und diesen Grundsatz sah Einstein im Fall der Verschränkung verletzt. Er hielt deshalb die Quantentheorie für ein - wenn auch erfolgreiches - Provisorium. Es musste seiner Ansicht nach eine tiefer gehende Beschreibung möglich sein, die auf "verborgene" physikalische Größen oder Parameter beruhte, mit denen sich der Zustand der Objekte lokal und vollständig beschreiben ließ. So wären die klassischen Konzepte von Realismus und Lokalität auch für Quantenobjekte erfüllt.

Gefunden hat diese Variablen niemand. Und von 1964 an war Einsteins Sicht der Quantenphysik nicht länger haltbar. Damals entwickelte der irische Physiker John Bell eine mathematische Ungleichung, die klassische "lokale" Systeme zwangsläufig erfüllen müssen, nicht jedoch quantenphysikalische. Einige Jahre später fand man zahlreiche experimentelle Befunde, die belegten, dass verschränkte Photonen die Bellsche Ungleichung tatsächlich verletzen. Die gemessenen Polarisationen der Photonen waren stärker aufeinander abgestimmt, als es Einsteins Vorstellung erlaubte.

Doch woran scheitert Einsteins lokale und realistische Sicht auf die Quantenwelt? Liegt es daran, dass der Realitätsbegriff in der Quantenphysik stets mit der Messung gekoppelt ist oder dass sich verschränkte Objekte auch über große Distanzen beeinflussen können? Dieser Frage sind nun Anton Zeilinger und seine Kollegen nachgegangen ("Nature" Bd. 446, S. 871). Sie haben eine These überprüft, die der Nobelpreisträger Anthony Leggett von der University of Illinois im Jahr 2003 aufgestellt hat. Danach wäre es denkbar, dass verschränkte Teilchen objektive Eigenschaften besitzen, die sich aber über große Distanzen hinweg gegenseitig beeinflussen können. Um nicht gegen Einsteins Relativitätstheorie zu verstoßen, darf bei dieser Fernwirkung allerdings keine Information übertragen werden. Das nichtlokal-realistische Modell Leggetts führte zu einer neuen Ungleichung, die derjenigen von John Bell ähnelt, aber eine stärkere Abstimmung zwischen zwei klassischen Teilchen erlaubt als diese. Mit ihr sollte sich überprüfen lassen, ob geisterhafte Fernwirkung und Realismusforderung zusammengenommen ausreichen, das quantenmechanische Verhalten verschränkter Teilchen zu erklären.

Die Wiener Physiker überprüften die Ungleichung von Leggett mit Paaren verschränkter Photonen, die sie jeweils durch unterschiedlich eingestellte Polarisatoren schickten. Aus den Signalen der Photodetektoren berechneten sie den Grad der Abstimmung zwischen den Photonen. Erwartungsgemäß verletzten die Photonenpaare die Bellsche Ungleichung, als die Polarisatoren nur linear polarisiertes Licht durchließen. Sie verhielten sich in dieser Beziehung so, wie es die Quantenphysik vorhersagt.

Dann wurden die Photonen durch Polarisatoren geschickt, die nur elliptisch polarisiertes Licht durchließen. In solchem Licht schwingt das elektrische Feld nicht in einer festen Richtung, wie linear polarisiertes Licht, sondern entlang einer Ellipse. Durch die zusätzliche Dimension bietet man den Photonenpaaren mehr Möglichkeiten, ihr abgestimmtes Verhalten unter Beweis zu stellen. Dank eines ausgeklügelten Verfahrens gelang es, die Ungleichungen von Leggett zu testen. Es zeigte sich, dass die elliptisch polarisierten Photonen die neue Ungleichung ebenso eindeutig verletzten wie die linear polarisierten Photonen die Bellsche Ungleichung zuvor.

Die Ergebnisse der Forscher um Zeilinger bestätigen, dass die Aussagen der Quantenphysik nichts von ihrer Gültigkeit verloren haben. Doch genügt es offenkundig nicht, nur auf das Prinzip der Lokalität zu verzichten, um das beobachtete Verhalten der Photonen anschaulich erklären zu können. Will man es trotzdem tun - und nach einer verborgenen Struktur der Quantenphysik suchen -, dann müsste man neben der Nichtlokalität auch anschauliche Aspekte der Wirklichkeit opfern, interpretieren die Wiener Physiker ihre Experimente. Auf jeden Fall ist der Versuch einer "realistischen" Erklärung der Quantenphysik gescheitert. In der Quantenwelt können wir uns also nicht immer auf unseren Realitätssinn verlassen.

Text: F.A.Z., 25.04.2007, Nr. 96 / Seite N2