Was sind Nichtlokalität und Quantenverschränkung?

Wie Paradoxien in der Physik die Matrix erkennen lassen

Dieser Blogpost ist ein Auszug aus meinem Buch „Die Matrix-Hypothese“, der aufzeigt, wie das durch Hollywood inspirierte Konzept der Matrix durch Paradoxien, wie die Quantenverschränkung bzw. die Nichtlokalität, in der Physik immer seriöser diskutiert wurde. Eine weitere Anomalie dieser Art finden wir im Welle-Teilchen-Dualismus. Dabei ist die Vorstellung, dass wir in einem virtuellen Konstrukt leben, uralt. Schon in der vedischen Lehre kennt man die Vorstellung von Maya und beschreibt damit die „kosmische Illusion“ welche Platon mit seinem Höhlengleichnis zu umschreiben versuchte, als er sich gegen den Materialismus zur Wehr setzte.

Unter Nichtlokalität versteht man in der Physik ein Phänomen, bei dem die Eigenschaften oder Zustände von zwei oder mehr Teilchen so miteinander korrelieren oder verbunden sind, dass sie nicht unabhängig beschrieben werden können – selbst wenn die Teilchen durch große Entfernungen voneinander getrennt sind. Die Nichtlokalität stellt die klassischen Vorstellungen von Kausalität und Lokalität in Frage, wonach physikalische Wechselwirkungen für gewöhnlich nur zwischen nahe gelegenen Objekten auftreten.
Das Konzept der Nichtlokalität wird am häufigsten mit der Quantenmechanik in Verbindung gebracht, wo es Gegenstand umfangreicher Studien und Debatten ist. Zu den wichtigsten Punkten im Zusammenhang mit der Quanten-Nichtlokalität gehören:

• Verschränkung: Die Nichtlokalität ist eng mit dem Quantenphänomen der Verschränkung assoziiert. Wenn also zwei Quanten, z. B. Elektronen oder Photonen, verschränkt sind, korrelieren ihre Eigenschaften auf eine Weise, dass die Messung eines Teilchens sofort den Zustand des anderen Teilchens beeinflusst, unabhängig von der Entfernung, die sie trennt. Diese sofortige Korrelation scheint gegen das klassische Paradigma von Kausalität und Lokalität zu verstoßen. Um sich ein Beispiel visuell zu verdeutlichen, müssen wir uns vorstellen, dass zwei verschränkte Photonen Milliarden von Lichtjahren voneinander entfernt sind und doch unmittelbar aufeinander reagieren, wenn eines der „Geschwister“ manipuliert wird. Die Frage, die sich daraus ergibt, lautet: Woher bekommt das Partnerphoton seine Information, wenn es sich theoretisch am anderen Ende des Universums befindet?
• Methoden zur Erzeugung von Verschränkung: Je nach Art der beteiligten Teilchen können verschiedene Methoden zur Erzeugung von Verschränkung eingesetzt werden. Im Falle von Photonen können beispielsweise nichtlineare Kristalle verwendet werden, um verschränkte Photonenpaare durch einen Prozess namens spontane parametrische Abwärtskonvertierung oder parametrische Fluoreszenz (engl. Spontaneous parametric down-conversion, SPDC) zu erzeugen.¹
• Gespenstische Fernwirkung: Albert Einstein bezeichnete die Verschränkung bekanntlich als „spukhafte Fernwirkung“, weil sie scheinbar sofort und nicht lokal auftritt. Das war seine initiale Reaktion, als er mit dem Phänomen konfrontiert wurde. Da er besser als alle anderen Wissenschaftler verstand, dass jegliche Form von Kommunikation bzw. Wechselwirkung sich maximal mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann, war es aus seiner Sicht unmöglich, dass sich eine unmittelbare Interaktion über unbegrenzte Entfernungen übertragen ließe.
• EPR–Paradoxon: Das Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon (EPR-Paradoxon) ist eine frühe Diskussion über die Nichtlokalität von Quanten. Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen argumentierten, dass die Quantenmechanik eine unvollständige Theorie sein könnte, da sie scheinbar nichtlokale Wechselwirkungen zulässt. Spätere Experimente bestätigten jedoch die Existenz von solchen nichtlokalen Korrelationen.²
• Das Bellsche Theorem: Der Physiker John Bell formulierte ein Theorem, das sogenannte Bell-Theorem, das ein Szenario beschreibt, in dem die Vorhersagen der Quantenmechanik von den Erwartungen der klassischen Physik abweichen. Experimente, in denen das Bellsche Theorem getestet wurde, haben gezeigt, dass die Quantenverschränkung zu nichtlokalen Korrelationen führt, die nicht durch Theorien mit lokalen verborgenen Variablen erklärt werden können.³

Bevor ich genau erläutere, warum Einstein so schockiert über die ersten Voraussagen der Quantenverschränkung reagierte, lassen Sie mich klar festhalten: Die „spukhafte Fernwirkung“ ist real. Sie wurde nach Einsteins Tod experimentell nachgewiesen. Zuvor ergab sich diese Anomalie nur aus den Gleichungen der Quantenphysiker wie Heisenberg, Planck und Schrödinger. Mittlerweile wird der Effekt sogar technisch genutzt. Die Nichtlokalität erfuhr praktische Anwendungen in der Quantenkryptographie,⁴ wo auf Verschränkung basierende Systeme sichere Kommunikationsprotokolle liefern können. Es handelt sich dabei um eine Übertragung von Informationen außerhalb eines physischen Mediums wie Funkwellen oder jegliche Form von Kabelinfrastruktur, die auf Licht – bei Fiberglas – oder elektrischen Signalen basiert.

Quantenverschränkung in der Mainstream-Wissenschaft

Das Phänomen der Quantenverschränkung an sich wird in der Mainstream-Wissenschaft recht nüchtern betrachtet. Vor einigen Jahren sah ich einmal einen Wissenschaftler, der den Effekt im Fernsehen erklärte. Auf die Frage, des Moderators, wie man denn diese drahtlose Verbindung zwischen den Elementarteilchen erklären könne, antwortet der Physiker schlicht mit den Worten: „Das müssen wir einfach so akzeptieren.“

Natürlich akzeptiert die allgemeine Wissenschaft das nicht so „einfach“. Die universitäre Lehre hat – metaphorisch gesehen – ein ideologisches Pflaster auf die offene Wunde des Materialismus geklebt, das sich „Stringtheorie“⁵ nennt. Wenn man keine Erklärung hat, dann postuliert man schlichtweg eine neue Dimension ohne tiefere Eigenschaften oder Sinn – außer der außerraumzeitlosen Übertragung von Informationen. Neben den bekannten drei Dimensionen des Raums (Höhe, Länge, Breite) und der vierten Dimension der Zeit kommt eine weitere Dimension dazu.

Stringtheorie fürs Laienverständnis

Reduktionistisch für ein Laienverständnis erklärt, funktioniert die Stringtheorie nach folgendem sinnbildlichem Modell: Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Stück Stoff in einen Rahmen eingespannt – so wie es beim Sticken üblich ist. Die zweidimensionale Textiloberfläche repräsentiert in unserem Exempel das physische Universum. Zunächst stechen Sie in die Oberfläche mit Nadel und einem roten Faden. Jetzt ziehen Sie den Garn so weit durch, bis nur noch das letzte Ende im Gewebe Ihres Stoffes hängt. Die Rückseite Ihres Rahmens repräsentiert somit eine außerraumzeitliche Dimension, über welche sich der Faden legen wird, sobald Sie von hinten, weit abseits vom Einstiegsloch, erneut einstechen und der Garn an der Vorderseite wieder in die „Raumzeit“ ziehen. Nachdem sich der Faden an der Rückseite strafft, schneiden Sie den überflüssigen Garn an der Vorderseite ab.

Jetzt sollten Sie auf Ihrer Vorderseite zwei rote Punkte haben, die unsere verschränkten Elementarteilchen repräsentieren. Innerhalb der Raum-Zeit unseres Universums – also der Vorderseite – gibt es keine kausale Verknüpfung zwischen ihnen. Wenn man den Rahmen jedoch umdreht, dann sehen wir den Garn, der beide Punkte miteinander verbindet. Das ist der „String“ in der Stringtheorie und die Rückseite repräsentiert dementsprechend eine höhere Dimension außerhalb des Raum-Zeit-Kontinuums.

1. R. H. Brown und R. Q. Twiss, „Correlation Between Photons in Two Coherent Beams of Light,“ Nature 177, 27–29 (1956). ↩︎
2. Albert Einstein, Boris Podolsky, und Nathan Rosen, „Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete?“ Physical Review 47, 777 (1935). ↩︎
3. John S. Bell, „On the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox,“ Physics 1, 195–200 (1964). ↩︎
4. Artur Ekert, „Quantum Cryptography Based on Bell’s Theorem,“ Physical Review Letters 67, 661–663 (1991). ↩︎
5. Leonard Susskind, „String Theory and Its Applications: 1968–1988,“ International Journal of Modern Physics A 3, 1653-1661 (1988). ↩︎