Mysteriös wie erwartet

Am 14. August veröffentlichte die Fachzeitschrift Nature einen Artikel, der großes Echo in der Presse erweckt hat. Spiegel online titelt „Einsteins Spuk ist tausende Male schneller als Licht„. Ist das so? Und ist das eine überraschende neue Erkenntnis?

Messungen an der Quantenverschränkung, um die es hier geht, werden schon seit den frühen achtziger Jahren durchgeführt und seit dem immer weiter verbessert. Dabei hat sich früh der Trend abgezeichnet, dass alle Experimente die Wahrscheinlichkeits-Interpretation der Quantenmechanik unterstützen. Dieser Trend setzt sich auch im neuen Experiment fort. Das Experiment zeigt eben nicht, dass irgend etwas schneller als Licht sei. Die Autoren des Originalartikels betonen gerade, dass sie nur die Geschwindigkeit einer hypothetischen Beeinflussung messen. Einer Beeinflussung, deren Existenz gerade mit dem Ergebnis dieses Experimentes unwahrscheinlich wird.

Was wurde in diesem Experiment gemessen? Die Experimentatoren haben in Genf Paare von verschränkten Photonen erzeugt. Von jedem Paar wurde ein Photon nach westen in den Ort Satigny und eines nach Osten in den Ort Jussy transportiert. Die Orte sind 18 Kilometer Luftlinie voneinander entfernt und jedes Photon hat auf dem Weg zu seinem Ort 17.5 Kilometer in einer Glasfaser zurückgelegt. In den beiden Orten wurden nun die Polarisationen der Photonen gemessen und in der Auswertung wurde die Korrelation der Messwerte bestimmt. Es zeigte sich, dass die Bellschen Ungleichungen stets verletzt waren. Unabhängig von der Tageszeit. Dies ist die Vorhersage der Standard-Quantenmechanik, die sich bisher immer bewährt hat. Die verschränkten Photonen haben eine gemeinsame Wellenfunktion und somit herrscht eine nicht-klassische, starke Korrelation zwischen den Polarisationen der Photonen.

Eine Senation wird daraus erst, wenn man vermutet, dass die Relativitätstheorie falsch und die Quantenmechanik unvollständig ist. Die Relativitätstheorie sagt aus, dass Gleichzeitigkeit relativ ist. Die Messungen der beiden Photonen in Satigny und  Jussy finden innerhalb eines Zeitraums statt, in dem Licht die 18 km Luftlinie zwischen den Orten nicht durchlaufen kann. Damit ist die zeitliche Reihenfolge dieser Messungen laut Relativitätstheorie nicht definiert. Die Messungen finden raumartig getrennt statt. Zwischen diesen Ereignissen kann man also keine Zeit festlegen. Damit wird aber auch die Geschwindigkeit eines Signals zwischen diesen Ereignissen undefiniert. Geht man jedoch davon aus, dass Geschwindigkeiten nicht relativ sind, es einen absoluten Maßstab für Geschwindigkeit gegen den absolut ruhenden Raum gibt, so könnte es sein, dass die beiden Messungen an den Photonen-Partnern nicht wie geplant exakt gleichzeitig, sondern sehr kurz hintereinander geschehen. Die Entfernung zwischen den Orten geteilt durch die maximale Zeit, die zwischen den Messungen vergangen ist, ergibt dann die Mindestgeschwindigkeit, mit der die Information der einen Messung zur anderen Messung geeilt sein muss. Falls die Quantenmechanik unvollständig ist.

Wenn die Quantenmechanik vollständig ist, gibt es keine Information zu übertragen. Die beiden verschränkten Photonen haben einen gemeinsamen delokalisierten Zustand, der das Ergebnis beider Messungen bestimmt. Einschließlich der nicht-klassischen Korrelation. Damit ist die Quantenmechanik schon Rätselhaft genug. Keines der Photonen bekommt bei seiner Erzeugung einen eindeutigen Polarisationszustand mit, aber die Korrelation der später gemessenen Polarisationen steht von Anfang an fest. Die Annahme unvollständiger Quantenmechanik macht nichts verständlicher. Sie wirft mehr Fragen auf also sie beantwortet. Irgend etwas müsste von einer Messung mit vieltausendfacher Lichtgeschwindigkeit starten und das andere Photon erreichen um dort rechtzeitig mit großer Effizienz die zweite Messung zu beeinflussen.

Hätte die Messung tatsächlich ergeben, dass die Korrelation der Photonen bei exakt gleichzeitiger Messung nur noch klassisch ist und  die quantenmechanische Korrelation eine Mindestzeit zwischen den Messungen braucht, dann wäre das ein Hinweis auf eine notwendige Ergänzung der Quantenmechanik. So hätte eine wirkliche Sensation ausgesehen. Aber die Messungen, die vor einer Woche in Nature erschienen sind und ein so großes Presseecho hervorriefen, haben lediglich bestätigt, was vorherige Messungen bereits zeigten: Eine Erweiterung der Quantenmechanik ist nicht nötig um verschränkte Photonen zu verstehen. Sie würde die Physik nur unnötig kompliziert machen.

Joachim Schulz

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

8 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Als nächstes gibt es dann vielleicht Spekulationen, ob man mithilfe der Quantenverschränkung Informationen über den Ereignishorizont eines schwarzen Lochs übertragen kann -).

  2. Gleichzeitigkeit ist nicht immer relativ

    Der Zeitabstand zwischen zwei Ereignissen ist nur dann verschieden, wenn er von relativ zueinander bewegten Bezugssystemen aus vermessen wird. Im Experiment der Genfer Physiker kommen aber keine bewegten Uhren oder Massstäbe vor, und alle Resultate werden in dem einen Ruhesystem der entsprechenden Schweizer Dörfer beschrieben, in denen auch die Apparaturen in Ruhe sind. Die Relativität der Gleichzeitigkeit ist hier daher irrelevant, und die daraus abgeleiteten Aussagen sind teilweise falsch. So sind z. B. die zeitlichen Reihenfolgen sehr wohl definiert

  3. Kein absolutes Bezugssystem

    Lieber Herr Gerber,

    eine wesentliche Aussage der Relativitätstheorie ist, dass es kein ausgezeichnetes Bezugssystem gibt. Das Ruhesystem des Experimentes ist ein willkürlich gewähltes Koordinatensystem, in diesem Fall ist es nicht einmal ein Inertialsystem.

    Fakt ist, dass die beiden Ereignisse „Messung in Satigny“ und „Messung in Jussy“ raumartig getrennt sind und es damit vom Standpunkt des Betrachters abhängt, welche der Messungen zuerst stattfindet. Damit ist die Relativität der Gleichzeitigkeit im Rahmen der Relativitätstheorie wesentlich. Erst wenn man die Relativitätstheorie verwirft und ein absolutes Referenzsystem annimmt, kann man eine absolute Reihenfolge der Ereignisse annehmen.

    Die Analyse der Forscher erfolgte übrigens keineswegs im Ruhesystem der Schweizer Dörfer, sondern in einem beliebigen Inertialsystem. Gerne wird hier das System verwendet, in dem der Dipol-Anteil des Kosmischen Mikrowellenhintergrunds verschwindet. In diesem Referenzrahmen bewegt sich die Erde mit etwa 371 km/s, also etwa 1 Promill Lichtgeschwindigkeit.

  4. Zum Phänomen der spukhaften Fernwirkung.

    Meines Wissens wurde der Begriff von Einstein geprägt, der damit die unerklärliche Verbindung zwischen 2 verschränkten Teilchen bezeichnete, die, wenn man ihre quantenmechanischen Zustände untersucht, gleiche Eigenschaften zeigen, egal wie weit sie zum Zeitpunkt der Untersuchung von einander entfernt waren. Ein Umstand, der vielen unter den Physkern arg zu schaffen macht.

    Dazu ein Gleichnis, ein Analogon:

    Stellen wir uns eine Welt vor, in der es nur 2 Dimensionen gibt: Länge und Breite. Eine solche Welt muss man sich offensichtlich als eine Ebene vorstellen.
    Sie sei von intelligenten, zweidimensionalen Wesen bewohnt, die sich entsprechend nur vorwärts, rückwärts oder zur Seite bewegen können. Die uns selbstverständliche 3. Dimension ist ihnen verwehrt und auch unvorstellbar (So unvorstellbar wir unsereinem eine 4. Dimension).
    Wie in unserer 3D-Welt soll es in dieser 2-dimensionalen Welt auch die Zeit geben.
    Stellen wir uns nun vor, die Weltebene unserer 2-dimensionalen Wesen wird eines Tages von einem metallenen Rohrbogen durchbrochen. Stellen wir uns weiter vor, dass das Rohr des Rohrbogens zunächst die 2D-Weltebene von unten kommend durchbricht, dann nach dem Bogen, die 2D-Weltebene von oben durchquert.
    Was werden unsere 2D-Wesen von diesem Rohrbogen erkennen können?
    Immer dort, wo das Rohr des Rohrbogens die 2D-Welt durchbricht, werden die 2D-Linge einen geschlossenen Kreis feststellen, der nicht überschreitbar ist und in den man nicht hineinsehen kann. Sie werden also wegen des Rohrbogens zwei gleichartige, benachbarte Kreise feststellen können. Nehmen wir nun weiter an es gäbe unter den 2D-lingen neugierige Leute, die die Eigenschaften dieser mysteriösen Ringe erkunden wollen. Stellen wir uns vor einer von den 2D-lingen klopft mit einem 2D-Hammer an das Metall des 1. Ringes.
    Dann werden die 2D-Wesen mit Erstaunen feststellen, dass das Geräusch, das der 2D-Hammer am ersten Ring erzeugte, mit einiger Verzögerung am 2. Ring ebenfalls zu höhren ist. Wiederholbar und messbar aber wegen der fehlenden Vorstellung einer dritten Dimension für unsere Experimental-Physiker aus dem 2D-Reich absolut unerklärlich:

    eine spukhafte Fernwirkung eben!

    Und nun zu Sinn des obigen Analogons:

    1. könnte es sein, dass die spukhafte Fernwirkung auf einer Verbindung der verschränkten Teilchen in einer uns unzugänglichen, unbekannten Dimension beruht, von deren Existenz wir aber gerade durch das Verhalten der verschränkten Teilchen Kunde erhalten?

    2. könnte es sein, dass in dieser unzugänglichen, unbekannten Dimension keine Zeit exitiert, dass die Zeit eine exclusive Eigenschaft der ersten drei Dimenionen ist?
    Im Gegensatz zum obigen Beispiel ist ja zu beobachten, dass zwei verschränkte Teilchen ihre Eigenschaften parallel und ohne Zeitverzögerung gemeinsam ändern.

    Vielleicht sollte man die Forschungsergebnisse der jüngsten Zeit unter diesem Aspekt einordnen und zu weiteren Hypothesen Anregung geben.(Auch wenn die Physik dadurch komplizierter werden sollte)

  5. @Josef Geimer

    „Im Gegensatz zum obigen Beispiel ist ja zu beobachten, dass zwei verschränkte Teilchen ihre Eigenschaften parallel und ohne Zeitverzögerung gemeinsam ändern.“

    Nein, das ist eben das Missverständnis, das immer wieder in populärwissenschaftlichen Darstellungen transportiert wird.

    Die Teilchen ändern ihre Eigenschaften nicht. Die Messungen an den Eigenschaften zeigen nur eine stärkere Korrelation als klassisch zu erwarten ist. Das offenbart erst die Statistik über viele Messungen. Jeder einzelnen Messung kann man dagegen keine Information über die Messung am jeweils anderen Photon entnehmen.

  6. Tunnelzeit

    Überlichtgeschwindigkeiten (unendlich hoch) treten beim sog. Tunneleffekt grundsätzlich auf. In den theor. Untersuchungen und den Experimenten (1992)von Günter Nimtz wird von einer Nullzeit für den Ortswechsel ausgegangen.

  7. Bellsche Ungleichung

    Könnten also die verschränkten Photonen mit einander sogar mit Überlichtgeschwindigkeit
    kommunizieren?

    Bell vermutete, dass das Verhalten der Photonen eben doch nicht zufällig sein kann und
    durch noch unbekannte, verborgene Eigenschaften der Teilchen hervorgerufen worden sind,
    die schon bei der Trennung der beiden verschränkter Photonen festlegt wurden.

    Die Quantenmechaniker eine übermächtige Gruppe innerhalb der Physik versucht uns einzureden, dass die „Bell’sche Ungleichung“ verletzt ist.

    Hier eine Lösung die durch ihre Einfachheit verblüfft.

    http://www.cwirko.de/…Konzept%20der%20Physik.pdf

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