Quanten und Information – Anton Zeilinger in Hamburg

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Astronomers do it at Night

Die Welt der Wissenschaft – auch in Astronomie und Physik – kann heutzutage nur wenige "Stars" aufbieten, (noch lebende) Forscher mit deren Namen auch Nicht-Fachkollegen und Laien etwas anfangen können. Stephen Hawking wäre so jemand, oder Fernsehmoderator Harald Lesch. Im Rahmen der Carl-Friedrich-von-Weizsäcker-Vorlesungen des Philosophischen Seminars der Universität Hamburg hat es vom 9.-12. November 2009 einen solchen Gastdozenten in unsere Hörsäle verschlagen: den Quantenphysiker und Buchautor Anton Zeilinger.


Die Carl-Friedrich-von-Weizsäcker-Vorlesungen wurden im Jahr 2003 ins Leben gerufen um den Physiker und Philosophen  zu ehren, der vor dem zweiten Weltkrieg einer der führenden Kernphysiker seiner Zeit war, sich dann aber angesichts seiner eigenen Verstrickungen in die Entwicklung einer deutschen Atombombe während des Krieges in der Nachkriegszeit mehr und mehr mit wissenschaftstheoretischen Fragen und der Verantwortung des Naturwissenschaftlers auseinandersetzte. 1957 trat er an der Universität Hamburg eine Professur für Philosophie an und wurde damit zu einer Ikone für die Interdisziplinarität von Natur- und Geisteswissenschaften in der heutigen Zeit.

Jährlich wird zu den Carl-Friedrich-von-Weizsäcker-Vorlesungen abwechselnd ein hochrangiger Physiker oder ein Philosoph eingeladen, der dann in einer mehrtägigen Vortragsreihe ein für Natur- und Geisteswissenschaftler gleichermaßen interessantes Thema behandelt. Vertreter der Physikerzunft, die in den Vorjahren referierten, waren 2004 der Kosmologe John David Barrow zum Thema "Our Universe and Others" und 2007 Lee Smolin "In The Defense of Time".

In diesem Jahr war es nun an Anton Zeilinger, mit "Quanten und Information" Zuhörer in die Hörsäle zu locken. Zeilinger, in den Medien auch gerne "Mr. Beam" genannt, wurde in den 90er Jahren auch außerhalb der Fachkreise durch seine Experimente zur Quantenteleportation bekannt. Verschränkung, aber auch Quantencomputer und Kryptographie sind Stichworte, die man mit dem inzwischen hochdekorierten Österreicher verbinden kann. Für viele seiner Experimente verließen er und seine Arbeitsgruppe das Labor und schickte seine Laserstrahlen medienwirksam quer durch Innsbruck, über die Donau in Wien oder von einer kanarischen Insel zur nächsten. Neben unzähligen, teils mehr als 1000 mal zitierten wissenschaftlichen Publikationen und einem guten Dutzend Fachbüchern hat Zeilinger auch mehrere populärwissenschaftliche Bücher verfaßt, die dem Leser die Herausforderungen der Welt der Quantenphysik nahebringen.

Zeilingers Vorlesungsreihe bestand aus fünf Vorträgen, der erste mit dem Titel "Quantenphysik und Information: eine Einführung" am Montag war als allgemeinverständliche Einleitung angelegt. Ein erwartungsvolles und vor allem zahlreiches Publikum hatte sich im Agathe-Lasch-Hörsaal im Hauptgebäude der Universität mit seinen 360 Sitzplätzen eingefunden. Da mir die S-Bahn in die Stadt vor der Nase weggefahren war, kam ich zu spät und mußte gemeinsam mit mehreren anderen mit einem Platz auf den Treppenstufen vorliebnehmen. Erst zwei Tage zuvor hatte ich im Rahmen der Nacht des Wissens in diesem Hörsaal selber einen Vortrag über unser Sonnensystem gehalten, leider vor weitaus weniger Zuhörern.


Der Entertainer Zeilinger, der immer mal eine Anekdote oder witzige Nebenbemerkung parat hatte, schaffte es dagegen, daß auch am nächsten Tag der Hörsaal gut gefüllt war. Kam der erste Vortrag noch völlig ohne Formeln aus und präsentierte die Grundlagen der Quantenphysik mit den klassischen Experimenten zum Welle-Teilchen Dualismus des Lichts wie Doppelspaltversuch und photolektrischer Effekt in wunderbar allgemeinverständlicher Form und dem dazugehörigen historischen Kontext, ging es in den Folgetagen tiefer in die Materie. "Einsteins Schleier: Quanteninterferenz" am Dienstag und "Einsteins Spuk: Verschränkung" am Mittwoch führten uns in die Welt des Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxons und der Bellschen Ungleichung.

Am Mittwoch mußten wir in den kleineren Erwin-Panofsky-Hörsaal umziehen, so daß trotz des gestiegenen physikalischen Anspruchs wieder volles Haus war. Es fanden zudem gleich zwei Vorlesungen statt, mit "Wirklichkeit und Information: Interpretationsfragen der Quantenphysik" wurden zum Abschluß auch wieder vermehrt die Philosophen angesprochen. Während beider Vorträge kamen übrigens Abordnungen von Studenten, um auf die Besetzung des Audimax aufmerksam zu machen. In Hamburg wie in vielen anderen deutschen Städten zeigen sich derzeit mit solchen Aktionen viele Studenten solidarisch mit ihren Kommilitonen in Österreich und protestieren gegen Studiengebühren, die Umsetzung des Bologna-Prozesses und das derzeitige Chaos an der Führungsspitze der Hamburger Universität. Der Wiener Zeilinger nahm die Störung gelassen hin und zeigte Verständnis für die Forderungen der Studenten.


Die zweite Vorlesung des Abends bot viel Stoff zum Nachdenken und regten zu einer längeren Diskussion an. Was ist Realität, und zu welchem Verständnis dieses Begriffes werden uns die Konsequenzen der Verschränkungsexperimente letztendlich führen?

Abgeschlossen wurde die Vortragsreihe durch das Physikalische Kolloquium am Donnerstag, diesmal im Wolfgang-Pauli-Hörsaal in den Räumlichkeiten der Physik. "Long-Distance Entanglement and Quantum Nonlocality" bot den Kollegen vor Ort einen Einblick in Zeilingers aktuelle Arbeiten – ein spannendes Feld, direkt am Herzen der Quantentheorie.

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Astronomin in vielerlei Hinsicht, so könnte man mich mit wenigen Worten beschreiben. Da ist zunächst einmal die Astrophysikerin, die an der Hamburger Sternwarte über die Aktivität von Sternen promoviert und dabei hauptsächlich mit den Röntgensatelliten Chandra und XMM-Newton gearbeitet hat, aber auch schon am Very Large Telescope in Chile beobachten durfte. Auslöser ihres beruflichen Werdegangs war ein engagierter Lehrer, dessen Astronomie-AG sie ab der 7. Klasse besuchte. Ungefähr zur selben Zeit erwachte auch die Hobbyastronomin, die anläßlich des Einschlags des Kometen Shoemaker-Levi 9 auf den Jupiter begann, mit einem russischen Feldstecher vom Flohmarkt den Tanz der Jupitermonde zu verfolgen. Heutzutage freut sie sich über jede Gelegenheit, mit ihrem 16-zölligen Dobson tief im Odenwald fernab der Lichter der Rheinebene auf die Jagd nach Deep-Sky-Objekten zu gehen. Und da Amateurastronomen gesellige Wesen sind, treffe ich mich gerne mit Gleichgesinnten, zum Beispiel zum gemeinsamen Beobachten. Auch nach meinem Umzug von der Großstadt Hamburg in das schöne Universitätsstädtchen Heidelberg halte ich engen Kontakt zu meinen Vereinskameraden von der Hamburger Gesellschaft für volkstümliche Astronomie und dem Astronomieverein meiner Jugend, dem Arbeitskreis Sternfreunde Lübeck. Seit einigen Jahren bin ich außerdem in dem Internetforum Astrotreff aktiv, wo ich Teil des Moderatorenteams bin. Um meine Faszination an der Astronomie an andere weitergeben zu können, besonders an Kinder und Jugendliche, habe ich mich seit Jahren in der Öffentlichkeitsarbeit engagiert, habe populärwissenschaftliche Vorträge gehalten und Schülergruppen betreut, die in Hamburg das Institut besucht haben. Diese Leidenschaft habe ich nun zu meinem Beruf gemacht. Hier in Heidelberg arbeite ich in einem kleinen aber feinen Team am Haus der Astronomie. Hiermit lade ich Sie ein, lieber Leser, an all diesen Facetten meines Astronomendaseins teilzuhaben. Mal witzig, mal spannend oder nachdenklich, manchmal auch persönlich oder mit Aha-Effekt. Carolin Liefke

10 Kommentare

  1. Verschränkte Teilchen

    Das übereinstimmende Verhalten von weit voneinander entfernten, verschränkten Teilchen ist nicht dazu geeignet, Informationen überlichtschnell zu übertragen.

    Jedes Elementarteilchen kann nur von Ereignissen beeinflußt werden, die innerhalb seines Vergangenheitslichtkegels liegen.

    Wie werden eigentlich Raum, Zeit, Lichtgeschwindigkeit, und
    Kausalität von der Quantenmechanik erzeugt?

  2. Re: Verschränkte Teilchen

    Hallo Herr Bednarik,

    “Das übereinstimmende Verhalten von weit voneinander entfernten, verschränkten Teilchen ist nicht dazu geeignet, Informationen überlichtschnell zu übertragen.”

    Richtig. Davon war auch nie die Rede.

    “Jedes Elementarteilchen kann nur von Ereignissen beeinflußt werden, die innerhalb seines Vergangenheitslichtkegels liegen.”

    Das wiederum stimmt so nicht, wobei ich nicht von “beeinflußt” sprechen würde. Man kann zwei Teilchen miteinander verschränken und dann voneinander entfernen. Führt man dann an einem der beiden Teilchen eine Messung durch, die eine Eigenschaft des Teilchens offenbart, dann ist diese Eigenschaft auch für das andere Teilchen festgelegt, und zwar bevor die Information über das Stattfinden der Messung mit Lichtgeschwindigkeit zum zweiten Teilchen eintreffen kann.

    “Wie werden eigentlich Raum, Zeit, Lichtgeschwindigkeit, und
    Kausalität von der Quantenmechanik erzeugt?”

    Um Raum, Zeit und Lichtgeschwindigkeit kümmert sich die Quantentheorie vereinfacht gesagt nicht. Die Sache mit der Kausalität ist der Knackpunkt.

    Auch wenn ich sie selber nicht gelesen habe, lohnt es sich dazu vielleicht mal einen Blick in die Bücher von Herrn Zeilinger werfen.

  3. Nur zur Info: “Verschränkung”

    “Verschränkung” wurde erstmals von E. Schrödinger geprägt. Quantenmechanisch soll damit deutlich gemacht werden, dass die Messung an einem Teilchen, den Zustand des anderen Teilchens, sofort und ohne Zeit zu verbrauchen, verändert, also unendlich schnell – und damit ohne Informationsaustausch, da Information mit c eine Höchstgeschwindigkeit besitzt. S. Malin sagt hierzu, dass der nicht-lokale Vorgang der Verschränkung “außerhalb von Raum und Zeit” stattfinden würde. Man könnte natürlich auch anschaulich von “Pseudo-Information” sprechen, wie von Th. Görnitz vorgeschlagen, oder von “virtueller” Information, was meine Interpretation ist. Trotzdem: Information im klassischen Sinne ist es dennoch nicht, dazu geht die Beeinflußung zu schnell, nämlich mit Überlichtgeschwindigkeit. Ein Ergebis, das Bell mit seinen Ungleichungen und A. Aspect im Expriment eindrucksvoll bewiesen haben.

  4. Zwei Bilder:

    Bild 1:

    http://members.chello.at/….bednarik/VERSPHOT.PNG

    Das Interessante daran ist, dass der Beobachter erst dann die Information über das übereinstimmende Verhalten der verschränkten Photonen erhalten kann, wenn die Raumzeitpunkte beider Messvorgänge in seinem eigenen Vergangenheitslichtkegel liegen.

    Bild 2:

    Mach-Zehnder-Interferometer, 3-D-Bild:

    Auch in diesem Bild geht die Zeitdimension nach oben, wir haben aber hier zwei räumliche Dimensionen.

    http://members.chello.at/….bednarik/INTERFE2.jpg

    Welchen Weg die Photonen durch den Strahlteiler gehen, das ist hier nicht die Frage.

    Die Frage ist, warum werden die Photonen zuerst bei der Lichtquelle erzeugt, und kommen erst danach beim Detektor an.

    Das zeigte bereits die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit mit der Zahnradmethode von Armand Fizeau.

    Die Kausalität und die Lichtgeschwindigkeit sollte sich durch die Quantenmechanik erklären lassen.

  5. @ K. Bednarik

    Bei Bild 1. kann ich Ihnen folgen.
    Bei Bild 2. bin ich überfordert. Könnten Sie darauf noch einmal eingehen? Was meinen Sie mit Kausalität und Quantenmechanik? Kausalität und Quantenmechanik, das ist für mich wie ein “scharzer” Schimmel.

  6. Kausalität und Quantenmechanik

    Danke für Ihre Antwort.

    Warum bestehe ich gerade auf Kausalität und Quantenmechanik?

    Vermutlich gibt es im Universum nur Quanten und Quantengesetze, und sonst gar nichts.

    Deshalb müssen absolut alle Vorgänge im Universum auf die Quantenmechanik zurück geführt werden können, also auch die Kausalität.

    Bild 3 stellt die Bodenfläche von Bild 2 dar.

    Bild 3:

    http://members.chello.at/….bednarik/INTERFE3.PNG

    Bild 2:

    http://members.chello.at/….bednarik/INTERFE2.jpg

    Weil sich das Interferometer in der Zeit nicht verändert, die hier nach oben hin laufend dargestellt wird, führen die Weltlinien seiner Bauteile senkrecht nach oben.

    Die möglichen Wege des Photons werden in diesem Raumzeitdiagramm durch die roten und grünen Linien dargestellt, die alle im Winkel von 45 Grad schräg nach oben führen (“gerechter” Massstab von Raum und Zeit, x, y, und ct).

    Auffallend daran ist, dass der räumliche Weg des Photons unbestimmt ist, aber dass der zeitliche Weg des Photons in diesem Interferometer offenbar als völlig bestimmt angesehen wird.

  7. @ Karl Bednarik

    Deshalb müssen absolut alle Vorgänge im Universum auf die Quantenmechanik zurück geführt werden können, also auch die Kausalität.

    Das kommt mir ein bisschen so vor, als wollte man die Eigenschaften von Wasser auf die Eigenschaften von Wasserstoff- und Sauerstoffatomen zurückführen.

    (vielleicht kann man das sogar…) 🙂

  8. Eigenschaften von Wasser

    Wenn man die Eigenschaften von Wasser nicht auf die Eigenschaften von Wasserstoff- und Sauerstoffatomen zurückführen kann, worauf sollte man sie dann sonst zurückführen?

    Wenn man die Eigenschaften der Materie nicht auf die Eigenschaften der Quanten zurückführen kann, worauf sollte man sie dann sonst zurückführen?

  9. Wasser

    Ich meine mal gelesen zu haben, dass sich die physikalischen Eigenschaften des Wassers nicht aus den physikalischen Eigenschaften der Atome Wasserstoff und Sauerstoff errechnen lassen (vielleicht auch noch nicht mal die Eigenschaften des Wassermoleküls). Natürlich liegen den Wassereigenschaften letztlich die atomaren Eigenschaften zugrunde. Aber lässt sich das auch rechnerisch zeigen, von unten nach oben oder umgekehrt?

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