Die Quantenwelt ist nicht genug

Physiker der ETH Zürich zeigen mit einem Gedankenexperiment die Grenzen der Quantenmechanik auf. Die Fachwelt und selbst Philosophen ereifern sich. Denn hier geht es um die Frage: Was ist Realität?

Feedback

Tragen Sie mit Hinweisen zu diesem Artikel bei oder melden Sie uns Fehler.

Das wohl bekannteste Gedankenexperiment der Welt hat der österreichische Physiker und Nobelpreisträger Erwin Schrödinger 1935 in die Welt gesetzt. Es handelt von einer Katze in einer verschlossenen Box. Zu einem willkürlichen Zeitpunkt, etwa dann, wenn ein radioaktives Element zerfällt, öffnet sich ein Giftgefäss in der Box, und die Katze stirbt. Von aussen betrachtet, lässt sich nicht erkennen, wann das geschieht. Es ist also unklar, ob die Katze schon tot ist oder noch lebt.

Beschreibt man die beiden möglichen Zustände der Katze – tot oder lebendig – so wie in der Quantenmechanik üblich, wäre die Katze in der Box tot und lebendig zugleich. Alles, was die Quantenmechanik liefert, sind Wahrscheinlichkeiten dafür, dass die Katze tot oder lebendig ist. Sie sagt aber nicht, was ein Beobachter vorfinden wird, wenn er die Box öffnet. Dies hat Schrödinger mit seinem Gedankenexperiment verdeutlicht: Die Quantenmechanik macht nur Wahrscheinlichkeitsaussagen über die Natur. Sie sagt nicht, in welchem Zustand sich die Wirklichkeit tatsächlich befindet.

Albert Einstein war dies ein Dorn im Auge, was er mit dem Satz «Gott würfelt nicht» ausdrückte. Seit rund 100 Jahren streiten Physiker darüber, ob der Wahrscheinlichkeitscharakter der Quantenmechanik universell gültig ist – oder ob das eher ein Zeichen für die begrenzte Gültigkeit der Quantenmechanik ist.

Raffiniertes Experimentmit vier Katzen

Nun hat der Quantenphysiker Renato Renner von der ETH Zürich gemeinsam mit seiner ehemaligen Doktorandin Daniela Frauchiger in der Fachzeitschrift «Nature Communications» ein noch raffinierteres Gedankenexperiment präsentiert. Es umfasst vereinfacht ausgedrückt zwei Boxen mit je einer sehr schlauen Katze darin und zwei ebenfalls sehr schlauen Katzen ausserhalb der Boxen. Die Katzen in und ausserhalb der Boxen machen gewisse quantenphysikalische Experimente.

Letztlich folgt aus dem Gedankenexperiment, dass sich die Quantenphysik zumindest in der Lehrbuchinterpretation in Widersprüche verstrickt: Die beiden Katzen ausserhalb der Boxen kommen früher oder später zwingend zu unterschiedlichen Messresultaten ein und desselben Experiments der einen Katze in der Box.

Das darf nicht sein. «Die Natur ist natürlich nicht widersprüchlich», sagt Renner. «Die Quantenphysik kann daher nicht die universelle Theorie sein, für die viele Physiker sie halten.» Die Quantenphysik sei zwar für die Beschreibung der Mikrowelt aus Protonen, Neutronen und Elektronen hervorragend geeignet. «Für die Beschreibung unserer makroskopischen Erfahrungswelt taugt die Quantenphysik aber definitiv nicht.»

Das erstaunt. Denn die Quantenmechanik ist neben der Allgemeinen Relativitätstheorie die erfolgreichste und am besten bestätigte Theorie der Physik. Mit unglaublicher Präzision lassen sich damit fundamentale Aspekte der Mikrowelt berechnen, zum Beispiel die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Atomen. Warum sollte das, was in der Miniwelt der Elektronen und Protonen gilt, nicht auch für uns und das ganze Universum gelten? Schliesslich sind wir und das Universum nichts anderes als ein gigantischer Haufen elementarer Teilchen. Aber irgendwo auf dem Weg vom einzelnen Atom zu einem grossen Haufen Atome endet die Gültigkeit der Quantenphysik – das zumindest besagt das als Frauchiger-Renner-Paradox bezeichnete Gedankenexperiment.

Heftige Debattein der Fachwelt

«Das hat ziemlich hohe Wellen geschlagen», sagt Renner. «Sowohl Physiker als auch Philosophen diskutieren heftig über unser Gedankenexperiment.» Und zwar seit rund zwei Jahren, als die beiden ETH-Forscher ihre Arbeit erstmals im Internet veröffentlichten.

Zum Beispiel publizierte der Physiker und Wissenschaftsphilosoph Jeffrey Bub von der University of Maryland in College Park, USA, eine Replik, in der er die These von Frauchiger und Renner verwirft. Auch der Quanteninformatiker Scott Aaronson von der University of Texas ist der Ansicht, das Gedankenexperiment halte einer kritischen Prüfung nicht stand. Die genauen Argumentationen der Kritiker gehen zu sehr ins Detail, als dass sie hier wiedergegeben werden könnten. Aber beide sind der Ansicht, die Quantenmechanik würde keineswegs zu Widersprüchen führen. Sie behalte ihre universelle Gültigkeit.

Renner lässt die Einwände nicht gelten. «Viele Physiker und Wissenschaftsphilosophen haben versucht, Fehler in unseren Berechnungen oder Inkonsistenzen in unserer Argumentation zu finden», sagt Renner. «Bislang aber ohne Erfolg.» Vielmehr hätten Kritiker wie Aaronson vereinfachende Annahmen getroffen, die sie in ihrer Forschungsarbeit so nicht getroffen hätten. Aaronson hat in seinem Blog erneut auf Renners Einwand reagiert. Insgesamt haben sich mittlerweile mehr als 130 Kommentare aus der Fachwelt in Aaronsons Blog angesammelt.

Die Relevanz des Gedankenexperiments sieht Renner in der Suche nach einer allumfassenden Theorie der Physik, welche die Quantenphysik und Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie (ART) vereint. «Das Gedankenexperiment ist eine Richtschnur für die Zukunft», sagt Renner. Kleine Unstimmigkeiten oder paradoxe Resultate hätten in der Vergangenheit oft Hinweise auf neue Physik gegeben. Zum Beispiel führte die Erkenntnis, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen konstant ist, im Rahmen der klassischen Mechanik zu Widersprüchen. Das war für Einstein der Anknüpfungspunkt, um die klassische Mechanik zur speziellen Relativitätstheorie zu erweitern.

Bei der Suche nach einer allumfassenden Theorie könne man sich laut Renner an ein paar Eckpunkten orientieren: Im Kleinen müsse diese Theorie der Quantenphysik entsprechen, im Grossen der ART. Dort, wo die Quantenphysik an ihr Limit stosse, sei am ehesten mit einem Wink der allumfassenden Theorie zu rechnen. «Daher wäre es sinnvoll, quantenphysikalische Experimente mit immer grösseren Systemen zu versuchen, etwa mit komplexen Molekülen statt einzelnen Atomen, um sich an die Gültigkeitsgrenze der Quantenmechanik heranzutasten», sagt Renner. «Wo diese Grenze genau sitzt, wissen wir aber nicht.»

In ihrer Publikation schlagen die Autoren vor, ihr Gedankenexperiment zu realisieren. Anstelle der intelligenten Katzen könnten dafür laut Renner etwa fortgeschrittene Quantencomputer zum Einsatz kommen, die entsprechende Experimente machen und Quanteninformationen austauschen.

Bedeutung für Hawkings Schwarze Löcher

Relevant wäre das Paradoxon auch für die Betrachtung von Schwarzen Löchern. Insbesondere Stephen Hawking hat die Quantenphysik auf diese Objekte angewandt und dabei erkannt, dass Schwarze Löcher Information vernichten. Das aber widerspricht der Quantenmechanik, gemäss der Information nie vollständig verloren gehen kann. Das Frauchiger-Renner-Paradox deutet nun darauf hin, dass es keinen Sinn macht, die Quantenmechanik auf makroskopische Schwarze Löcher anzuwenden. Das Problem mit der in Schwarzen Löchern verschwindenden Information würde demnach gar nicht existieren.

Die Studienautoren geben auch einen Hinweis, wie sich die paradoxe Situation ihres Gedankenexperiments vermeiden liesse. Denn sie treffen in ihrer Publikation die Annahme, dass es nur eine Wirklichkeit gibt. Populär ausgedrückt, könnte man auch sagen: Es gibt keine alternativen Fakten.

Eine eher ungewöhnliche Deutung der Quantenmechanik lässt jedoch mehrere Realitäten zu, die sogenannte Viele-Welten-Interpretation. Demnach ist – um in Schrödingers Bild zu bleiben – die Katze in der Box nicht tot und lebendig zugleich, sondern in einem Universum tot, in einem anderen, parallel existierenden Universum lebendig. Alle potenziellen Zustände, in denen sich die Welt befinden kann, sind demnach tatsächlich realisiert. Nur eben in entsprechend vielen verschiedenen Universen.

Wenn nun die Katzen im Frauchiger-Renner-Paradox zu widersprüchlichen Resultaten kommen, würde das bedeuten: Es existiert eine alternative Wirklichkeit mit alternativen Fakten, nur nicht hier, sondern in einem Paralleluniversum.

Gemäss der Viele-Welten-Interpretation könnte man also sagen: Vielleicht ist die Quantenmechanik doch universell gültig. «Aber dann müssten wir akzeptieren, dass es alternative Fakten gibt», sagt Renner. «Das ist nicht die Schlussfolgerung, die ich bevorzugen würde. Aber rein logisch wäre es möglich.»

(Redaktion Tamedia)

Erstellt: 09.10.2018, 20:56 Uhr

Artikel zum Thema

Die Quantenrechner kommen

Sie lösen in wenigen Sekunden, wofür ein Supercomputer heute 21 Mrd. Jahre braucht – und ihr Durchbruch steht vor der Tür. Mehr...

Schweizer Astronom schlägt revolutionäre Theorie vor

Seit Jahrzehnten rätseln Forscher, wie Dunkle Materie und Dunkle Energie beschaffen sind. Der Genfer Astronom André Maeder sieht eine radikale Lösung: Sie existieren gar nicht. Mehr...

Die Redaktion auf Twitter

Stets informiert und aktuell. Folgen Sie uns auf dem Kurznachrichtendienst.

Die Redaktion auf Twitter

Stets informiert und aktuell. Folgen Sie uns auf dem Kurznachrichtendienst.

Kommentare

Abo

Abo Digital - 26 CHF im Monat

Den Tages-Anzeiger unbeschränkt digital lesen, inkl. ePaper. Flexibel und jederzeit kündbar.
Jetzt abonnieren!

Die Welt in Bildern

Haben keine Höhenangst: Zwei Fensterputzer haben sich in Tokyo als Hund und Wildschein verkleidet. Die beiden Tiere sind in Japan die Sternzeichen dieses und des nächsten Jahres. (13. Dezember 2018)
(Bild: Kim Kyung-Hoon) Mehr...