Einsteins von Dämonen heimgesuchte Quantenwelt

Newtons Gravitationstheorie besagt, dass die Gravitation in der Ferne und augenblicklich wirkt. Einstein hat gezeigt, dass dies nicht der Fall ist. Seine allgemeine Relativitätstheorie exorzierte Newtons mysteriöse Fernwirkung, indem er die Schwerkraft mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen und lokal in einem gekrümmten Raum wirken ließ. Zu Einsteins Entsetzen bietet die Quantenphysik eine sehr „gruselige Fernwirkung“ (sein Begriff), die er nicht austreiben konnte. Aktuelle Experimente haben bestätigt, dass die Natur noch gruseliger ist, als Einstein jemals akzeptiert hätte. 

Im November 1915 präsentierte Albert Einstein einer verwirrten Preußischen Akademie der Wissenschaften in Berlin seine Allgemeine Relativitätstheorie, die unser Weltbild revolutionierte.

Einsteins Theorie formulierte die Idee der Gravitation auf eine völlig neue Art und Weise, die sich grundlegend von der damals akzeptierten Theorie unterscheidet, die 1686 von Isaac Newton aufgestellt wurde. Newtons Theorie funktionierte wunderbar und beschrieb eine Vielzahl von Gravitationsphänomenen, von den Umlaufbahnen von Planeten und Kometen um die Sonne bis hin zu die Gezeiten und die Abplattung der Erde. (Die Erde ist ein abgeplattetes Sphäroid – das heißt, an den Polen leicht abgeflacht.) Raketeningenieure verwenden immer noch Newtons Theorie, um ihre Wege zu berechnen, um andere Welten im Sonnensystem zu erreichen. Die Theorie beginnt erst zu scheitern, wenn die Gravitationskräfte extrem stark sind, fernab unseres Alltags. Aber seine Prämisse, entdeckte Einstein, ist, wenn auch eine ausgezeichnete Näherung, zutiefst falsch.

Der Exorzismus der Newtonschen Gravitation

Im Kern von Newtons Theorie steht der Begriff der „Fernwirkung“, die Annahme, dass sich zwei beliebige massereiche Objekte augenblicklich und ohne direkte Einwirkung aufeinander gravitativ anziehen. Die Sonne zerrt also an der Erde und an dir, ohne sie zu berühren. (Du ziehst übrigens auch an beiden.) Und das mit unendlicher Geschwindigkeit (daher der Momentanwert). Als man Newton fragte, wie etwas auf etwas anderes einwirken könne, ohne es zu berühren, wurde seine Antwort zu einem Klassiker : „Aber bisher war ich nicht in der Lage, die Ursache dieser Eigenschaften der Schwerkraft von Phänomenen zu entdecken, und ich stelle keine Hypothesen auf.“ Sehr geschickt entschied sich Newton, keine Spekulationen anzustellen, da er keine Daten hatte, die ihm in irgendeiner Weise helfen könnten.

Einstein würde nichts davon haben. Nach seiner speziellen Relativitätstheorie von 1905 konnte sich nichts schneller als die Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, nicht einmal die Schwerkraft. Eine Störung der Gravitationskraft müsste sich also höchstens mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und darf niemals augenblicklich sein. Darüber hinaus beseitigte Einstein die mysteriöse Fernwirkung, indem er der Krümmung des Raums die Anziehungskraft der Schwerkraft zuordnete. Der Raum war dehnbar, und die Schwerkraft war eine Reaktion auf die Bewegung in diesem dehnbaren Raum, wie ein Kind, das keine andere Wahl hat, als eine Rutsche hinunterzurutschen.

Weder Newton noch Einstein noch sonst jemand weiß, warum Materie Materie anzieht. Aber Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie exorzierte Newtons geisterhafte Aktion aus der Ferne und verwandelte die Gravitation in eine lokale und kausale Interaktion. Alles war gut, bis die Quantenmechanik ins Spiel kam.

Die Rückkehr der „gruseligen Fernwirkung“

Ungefähr zur gleichen Zeit, als Einstein den Geist der Schwerkraft beseitigte, war die Quantenmechanik auf dem Vormarsch. Unter seinen vielen seltsamen Verhaltensweisen widersetzt sich die Vorstellung der Quantenüberlagerung wirklich unserer Vorstellungskraft. In unserem Alltag, wenn Sie an einem Ort sind, sind Sie dort. Zeitraum. Nicht so bei Quantensystemen. Ein Elektron zum Beispiel ist kein Ding an einem Ort, sondern ein Ding an vielen Orten gleichzeitig. Diese „räumliche Überlagerung“ ist zwingend erforderlich, um Quantensysteme zu beschreiben. Seltsamerweise beschreiben die Gleichungen diese Positionsüberlagerung nicht einmal als Elektron an sich, sondern als die Wahrscheinlichkeit, das Elektron hier oder da zu finden, wenn seine Position gemessen ist. (Für Experten ist die Wahrscheinlichkeit das Quadrat der Amplituden dieser Quantenwellen.) In der Quantenmechanik geht es also um die Möglichkeit von etwas, das hier oder da zu finden ist. nicht darum, wo immer etwas ist. Bis es eine Messung gibt, macht die Vorstellung, wo etwas ist, keinen Sinn!

Diese Unbestimmtheit machte Einstein verrückt. Es war genau das Gegenteil von dem, was er mit seiner Gravitationstheorie herausgefunden hatte, nämlich dass die Gravitation in jedem Punkt die Krümmung des Raumes lokal und auch kausal immer mit Lichtgeschwindigkeit bestimmt. Einstein glaubte, dass die Natur vernünftig, einer rationalen Erklärung zugänglich und vorhersehbar sein sollte. Die Quantenmechanik musste falsch oder zumindest unvollständig sein.

Im Jahr 1935, zwei Jahrzehnte nach seiner Abhandlung über die allgemeine Relativitätstheorie, schrieb Einstein zusammen mit Boris Podolsky und Nathan Rosen einen Aufsatz, der versuchte, die Verrücktheit der Quantenmechanik aufzudecken, und nannte sie „spukhafte Fernwirkung“. (Der interessierte Leser kann hier mehr erfahren .) Er verbrachte den Rest seines Lebens damit, den Quantendämon auszutreiben, ohne Erfolg.

Betrachtet man Quantensysteme mit zwei Teilchen, sagen wir zwei Elektronen in einer Überlagerung, so dass die Gleichungen nun beide zusammen beschreiben, befinden sie sich in einem verschränkten Zustand, der allem zu widersprechen scheint, woran Einstein geglaubt hat. Misst man die Eigenschaft von eines Elektrons, sagen wir, seine Rotation, können Sie die Rotation des anderen Elektrons erkennen – ohne sich die Mühe zu machen, sie zu messen. Noch seltsamer ist, dass diese Fähigkeit, das eine vom anderen zu unterscheiden, über beliebig große Entfernungen andauert und augenblicklich zu sein scheint. Mit anderen Worten, Quantengruseligkeit trotzt sowohl Raum als auch Zeit.

Experimente haben bestätigt, dass die Verschränkung über astronomisch große Entfernungen bestehen bleiben kann . Es ist, als ob ein verschränkter Zustand in einem Bereich existiert, in dem räumliche Entfernungen und Zeitintervalle einfach keine Rolle spielen. Es stimmt, dass solche verschränkten Zustände sehr fragil sind und durch verschiedene Arten von Interferenzen leicht zerstört werden können. Dennoch würden zu diesem Zeitpunkt nur wenige ihre Existenz leugnen. Sie haben vielleicht nichts mit volkstümlichen Erklärungen von Synchronizität oder Déjà-vu zu tun, aber sie lehren uns, dass es viele mysteriöse Aspekte der Natur gibt, die sich unserem Verständnis entziehen. Tut mir leid, Einstein, aber die Quantenmechanik ist gruselig .