"Wenn die Quantenphysik recht hat, ist die Welt verrückt", soll Albert Einstein gesagt haben. Immer neue Experimente, die an das Eingemachte der vielleicht seltsamsten physikalischen Theorie überhaupt gehen, bestätigen indes die fundamentalen Quanten-Prinzipien: Die Welt ist verrückt.
Angenommen: Ein Verrückter schleicht sich allwöchentlich in die Kulissen des Aktuellen Sportstudios. Dort lauert er hinter der legendären Torwand, bis die anwesenden Fußballgötter ihre traditionellen Schüsse auf die beiden Löcher in der Wand abgeben. Penibel bestimmt er, wo genau die Bälle nach Passieren eines Lochs auf der dahinter liegenden Studiowand auftreffen. Zu Hause trägt er die Treffer auf eine Trefferkarte ein. Schließlich ruft er in Mainz an und erzählt erregt, daß sich auf der Trefferkarte, wie von Gottes Hand geordnet, unglaublich regelmäßige Muster zeigen. Beim Aktuellen Sportsudio würde man mit der Einschätzung kaum eine Sekunde zögern: ein Verrückter.
Würde der Mann etwa im Max-Planck-Institut für Quantenoptik bei München anrufen, könnte die Schrecksekunde vielleicht ein wenig länger ausfallen. Denn Quantenphysiker müssen ganz ähnliches glauben, um ihre tägliche Arbeit erledigen zu können. Freilich spielen sie nicht mit Fußbällen, sondern eben mit Quanten, den kleinsten Einheiten unserer Welt. In den letzten Jahren sind sie mit immer feinerer Technik am Werk und bringen Photonen, Elektronen, Protonen oder sogar ganze Atome dazu, sich zu verhalten wie die Bälle eines genialen Irren: Quanten sind, wenn sie sich unbeobachtet fühlen, überall und nirgends, Geschehnisse mit Quanten lassen sich nie genau vorhersagen, Quanten scheinen etwas über entfernte Objekte zu wissen, ohne sie besucht zu haben, Quanten reisen scheinbar rückwärts in der Zeit.
"Manchmal fällt es auch Experten schwer, ohne Verwirrung mit der Theorie umzugehen - die Resulate sind oft einfach zu seltsam", bekennt Professor Axel Schenzle, der an der Ludwig-Maximilians-Universität und am Max-Planck-Institut in München arbeitet. Schenzle ist in guter Gesellschaft: Schon Albert Einstein empfand "Unbehagen" gegenüber den Quanten-Prinzipien. Dabei wurde er mit der Aufdeckung eines Quantenphänomens berühmt: Die Energie des Licht, so bestätigte er die Vorarbeit von Max Planck, wird nur in einzelnen Stücken transportiert, den Photonen. Der jahrhundertealte Streit, ob Licht aus "Teilchen" oder "Wellen" besteht, hatte damit eine neue Wendung genommen. Weil es sich im Physiker-Alltag ganz "wie eine Welle" verhält, mußte es wohl irgendwie beides zugleich sein. Und schlimmer noch: Sogar "feste", mit Ruhemasse versehene Teilchen wie etwa Elektronen oder Protonen verhalten sich manchmal "wie Wellen".
Wie Teilchen "Welle spielen", offenbart sich am einfachsten, wenn man sie auf eine kleine Teilchen-Torwand schießt - Physiker nennen das ein "Doppelspalt-Experiment". Schleudert man Dinge unserer Alltagswelt, also etwa Fußbälle, ganz zufällig verteilt gegen ein Hindernis mit zwei Löchern und kartiert die Treffer dahinter, ergibt sich auch eine eher zufällige Verteilung: zwei schlichte Höcker hinter den Löchern (siehe Bild 1).
Ganz anders zum Beispiel Elektronen oder Photonen: Schießt man sie auf eine passend dimensionierte Wand mit zwei Spalten, zeigen ihre Trefferkarten ein sehr seltsames Muster (siehe Bild 2): Viele kleine Trefferhügel liegen nebeneinander, zwischen den Hügeln trifft niemals ein Teilchen auf. Und doch ist das Muster alltäglich: Es entsteht auch, wenn eine Wasserwelle solch ein Doppelloch-Hindernis passiert (siehe Bild 3). Hinter der Wand "interferieren" die beiden Teilwellen, die durch die Löcher gelangen - Wellentäler und -Berge löschen sich an manchen Stellen ganz aus und verstärken sich an anderen zu Intensitäts-Hügeln. Sie zeigen genau die Struktur, die auch die Elektronen- oder Photonentreffer bilden.
Um solche Muster produzieren zu können, so scheint es, müssen die einzelnen Teilchen ganz wie eine Welle beide Löcher gleichzeitig passiert und dahinter "mit sich selbst interferiert" haben. "Die Quantentheorie erlaubt nicht zu sagen, was sie ´wirklich´ machen. Das regt viele Leute bis zum heutigen Tag auf", sagt Professor Werner Martienssen von der Universität Frankfurt am Main. "Aber das ist ganz gut so. Schon Nils Bohr meinte, daß jemand, den die Quantenphysik nicht verwirrt, sie nicht richtig verstanden hat." Nobelpreisträger Richard Feynman wurde deutlicher: "Ich denke, ich kann mit Sicherheit sagen, daß niemand die Quantenmechanik verstanden hat." Bloße Wahrscheinlichkeitswellen sind es, so die Interpretation der Physiker, die mit Materie verknüpft sind und die sich etwa auf den Weg durch den Doppelspalt machen.
Zweifler Einstein wollte nicht glauben, daß ein Teilchen einfach so beide Wege durch die Wand nehmen kann und schlug geschickte Messungen vor, aus denen man schließen solle, durch welchen Spalt es tatsächlich gekommen sei. Genauere Rechnungen seines Freundes Nils Bohr ergaben, daß solche Messungen durch ihre bloße Ausführung die Wellen-Interferenz zerstörten mußten. Verantwortlich dafür war nicht etwa das "brutale" Meßverfahren, sondern ein zweites, grundlegendes Quantenprinzip: die Unschärferelation.
Bestimmte, sogenannte komplementäre Eigenschaften, zum Beispiel der Aufenthaltsort eines Quants und sein Impuls, lassen sich nach der Unschärferelation zur selben Zeit niemals beliebig genau bestimmen. So auch beim Doppelspalt: Schaut man genau nach, durch welchen der winzigen Spalte das Teilchen gerade geht, versucht also seinen Aufenthaltsort genauer zu lokalisieren, "verschmiert" dafür per Naturgesetz seine Bewegung und die Wellen-Muster werden durch die gewöhnlichen Fußball-Höcker ersetzt - als ob sich Teilchen beim "Welle spielen" nicht beobachten lassen wollten und bei strenger Inspektion zu ihren Teilcheneigenschaften zurückkehrten.
Genau das, so zeigt sich, ist das dahinterstehende, fast mystische Prinzip: Kann ein Quanten-Ereignis auf verschiedenen Wegen eintreten, werden wellengleich alle beschritten. Wenn die Wege sich irgendwo kreuzen, kommt es dann zu den seltsamen Interferenzen, wie etwa hinter dem Doppelspalt. Existiert aber die Möglichkeit, irgendwie Information über den "wirklichen" Weg zu bekommen, wird nur einer eingeschlagen. Damit kommen die Teilcheneigenschaften zum Vorschein - selbst, wenn die Unschärferelation gar nicht involviert ist. "In dieser Schärfe haben das auch viele Physiker noch nicht akzeptiert", sagt Dr. Berthold-Georg Englert vom Münchner Max-Planck-Institut. "Sie glauben immer noch, daß die Unschärfe-Relation alleine ausreicht, um alle Komplementarität zu erklären." Manche der aktuellen Quanten-Versuche, so Englert, werden nur ausgeführt, um auch die letzten Zweifler zu überzeugen: "Wir versuchen, auch die Unbelehrbaren noch zu belehren. Das ist ein Kampf gegen Windmühlen."
So inspirierte das paradoxe Beobachtungs-Prinzip israelische Physiker kürzlich zu einem ebenso paradoxen Beobachtungsgerät - es kann hinsehen, ohne hinzusehen. Professor Schenzle hat sich die Party-Version davon ausgedacht: "Angenommen, Sie sind ein Scherzartikelhersteller und haben einen künstlichen Hahnenschrei entwickelt", erklärt Schenzle. "Er besteht aus einer Glaskugel, in die ein spezielles Gas gefüllt ist. Ein einziges Photon genügt, und es explodiert. Wenn Sie das Ding nachts in Nachbars Garten legen, wird der beim ersten Sonnenstrahl aus dem Bett geholt." Was aber, wenn der Scherzartikelhersteller aus Versehen gefüllte und nicht gefüllte Kugeln durcheinanderbringt? Sobald er das Licht einschaltet, um sie zu sortieren, steht er vor einem Scherbenhaufen. Nur Quantenoptiker können dann noch helfen - sie bauen einfach einen kleinen Apparat, der das Beobachtungs-Prinzip benutzt.
Ein solcher Apparat ist das "Mach-Zehnder-Interferometer", das in vielen Quanten-Experimenten eingesetzt wird. Es besteht hauptsächlich aus zwei halbdurchlässigen Spiegeln (siehe Bild 4). Richtet man einen Lichtstrahl auf den ersten, dringt die Hälfte hindurch, die andere wird reflektiert. Die so getrennten Teilstrahlen laufen, durch zusätzliche Spiegel abgelenkt, beim zweiten Halbspiegel wieder ineinander und können dort interferieren wie hinter dem Doppelspalt.
Fertig ist der Scherzartikel-Detektor: Ein einzelnes, unbeobachtetes Photon wird wellenhaft beide Wege durch den Apparat nehmen. Was aber, wenn ein funktionstüchtiger Hahnenschrei in einer Teilstrecke liegt? Dann entsteht Information darüber, welchen Weg es nimmt: bei Explosion den mit der "Bombe". Das Photon "ahnt" das im Gegensatz zum Hahnenschrei-Hersteller und wird sich verhalten wie ein Teilchen. Ähnlich wie beim Doppelspalt, wo beobachtete Quanten nur plumpe Haufen machen, registrieren die beiden Photonen-Detektoren an den beiden Ausgängen nun ein "Teilchen-Muster" (siehe Legende zu Bild 4). Im Schnitt ein Viertel der Hahnenschreie wird durch Photonen zerstört, die den "falschen" Weg nehmen, ein weiteres Viertel aber läßt sich aussortieren, ohne es durch "Hinsehen" zu zerstören. "Nichtlokal" nennen Physiker solch geisterhafte Fernwirkungen und fürchten sie in ihren Theorien sonst wie der Teufel das Weihwasser.
Das Gedanken-Experiment ist nicht verrückt genug, um nicht auch ausgeführt zu werden: Professor Anton Zeilinger von der Universität Insbruck hat vor kurzem ein optimiertes "Nicht-Beobachtunsgerät" - für Teilchen statt Scherzartikel - gebaut, das sogar fünfzig Prozent Ausbeute liefert: "Wir machen das nicht nur zum Spaß. Dank solcher Experimente gehen wir heute viel intuitiver mit der Quantentheorie um als noch vor zwei Jahren", sagt er. "Vielleicht kommen wir so auch der Antwort näher, warum sie unserer normalen Intuition völlig widerspricht." Zeilinger meint, den Grund zu ahnen: "Wir verstehen die Phänomene nicht gut genug, weil wir nicht gut genug verstehen, was Information ist" - nackte Information, etwa über den Teilchen-Weg, die in der Quantenwelt wie nirgends sonst die Realität unmittelbar beeinflußt. So werden Physiker zu Philosophen: "Es gibt da eine ungeklärte Spannung zwischen dem beobachteten Objekt und dem Beobachter", sagt Zeilinger. "Denn der Begriff Information macht eigentlich nur Sinn, wenn da auch jemand ist, der sie verarbeitet."
Die nichtlokalen Quanten schlagen nicht nur dem Raum ein Schnippchen. Auch mit der Zeit scheinen sie es nicht besonders genau zu nehmen. John A. Wheeler, ehemals Bohr-Student und heute Professor an der Universität Princeton, schlug deshalb Ende der 70er Jahre vor, doch einmal genauer zu prüfen, wann die Photonen sich im Interferometer eigentlich entscheiden, einen oder beide Wege zu gehen. Die abseitige theoretische Antwort war Wheeler längst bekannt. Ein Team um Professor Herbert Walther, einer der Direktoren des Münchner Max-Planck-Instituts, bestätigte sie fast ein Jahrzehnt später praktisch: Sie entscheiden sich scheinbar rückwärts in der Zeit.
Auch in Walthers Versuch versperrte man dem Photon einen der Interferometer-Wege und drohte damit, es bei Eintreffen an den Detektoren als Teilchen zu registrieren. Doch man drohte nur, bis es den ersten Strahlteiler passiert hatte. An dem nämlich müßte es sich nach der Anschauung eines noch halbwegs klassisch denkenden Physikers endgültig entscheiden, ob es Welle oder Teilchen sein will, ob es einen oder beide Wege durch den Apparat nehmen soll. Hinterlistig nahmen die Physiker ihre Drohung aber in allerletzter Nanosekunde zurück: Während das zukünftige Teilchen bereits Warteschleifen in eigens zwischengeschalteten Glasfaserkabeln drehte, gaben sie doch noch beide Wege frei. Noch bevor es den zweiten Strahlteiler erreichen und sich als Teilchen zu erkennen geben mußte (siehe Bild 5).
Kein Problem für das Photon: Prompt entschied es sich doch noch, eigentlich schon immer eine Welle gewesen zu sein und ließ sich an den Detektoren entsprechend registrieren. Und da sich nach Einsteins Relativitätstheorie nichts schneller bewegt als mit Lichtgeschwindigkeit, auch und gerade ein Photon, mußte es diese Entscheidung, klassisch gedacht, irgendwie rückwärts in der Zeit getroffen haben - um sich so selbst zu überholen. Oder es hatte sich am ersten Strahlteiler eben doch noch nicht entschieden, so wie es die Quantenmechanik tatsächlich theoretisch fordert: Erst bei der Messung an den Detektoren fällt die wirkliche "Entscheidung".
Marlan O. Scully, Professor in College Station, Texas, und zeitweise Gast am Münchner Max-Planck-Institut, war der menschliche Teil der Entscheidung noch nicht verzögert genug. Der Entschluß des Experimentators, ob ein Photon Welle oder Teilchen sein soll, müßte sich nach seiner Meinung sogar nachträglich wieder "zurücknehmen" lassen - nachdem es das Interferometer längst durchlaufen hat. Ein Team um Professor Raymond Y. Chiao von der Universität Kalifornien in Berkeley hat solch einen "Quanten-Radierer" tatsächlich gebaut (siehe Bild 5).
"Auf alle diese scheinbaren Paradoxien der Quantenmechanik stößt man nur, wenn man sie mit den alten Vorstellungen der klassischen Physik begreifen will", versucht Berthold-Georg Englert das Mysterium zu entzaubern. "Sie entstehen zum Beispiel, wenn man davon ausgeht, daß Wahrscheinlichkeitswellen reale Objekte sind" - Wahrscheinlichkeitswellen, die Einstein deshalb spöttisch als "Gespensterfeld" bezeichnete. Auch Anton Zeilinger warnt: "Diese Bilder von Wellen und Teilchen, mit denen selbst viele Experten arbeiten, führen letzlich nur in die Irre. Quantenobjekte sind eben nichts von beidem oder beides in einem." Altmeister John A. Wheeler sieht das eigentliche Problem ebenfalls im "schlechten Sprachgebrauch" - was ihn nicht daran hindert, selbst blumige Worte zu finden: Im Interferometer sei das Photon "ein großer, verräucherter Drache", der nur am Schwanz, beim ersten Strahlteiler, und am Maul, das den Detektor beißt, deutlich scharf sei. Über den Rumpf des Drachen läßt sich nichts sagen: "Kein elementares Phänomen ist ein Phänomen, so lange es nicht auch ein beobachtetes Phänomen ist".
In der verräucherten Fachsprache der Quantenphysik ist der Rumpf des Drachen die "kohärente Überlagerung" aller denkbaren Möglichkeiten. Erst, wenn der Drache zubeißt, kommt es zur "Reduktion des Wellenpakets", es "kollabiert" zu einem einzelnen Meßergebnis. Schlecht für die ausgetrickste Zeit: "Die Vergangenheit", folgert Wheeler, "hat so lange keine Existenz, bis sie in der Gegenwart registriert wird." Ein Hauch Mysterium bleibt: "Alles in allem ist es natürlich beunruhigend", resumiert Berthold-Georg Englert. "Aber wir müssen lernen, damit zu leben." Nicht alle schaffen das: "Es ist eine typische Alterskrankheit von Professoren, sich mit dem Meßprozeß in der Quantenmechanik zu beschäftigen, um doch noch etwas neues herauszufinden", sagt Axel Schenzle.
Auch der alte Einstein konnte in der neuen Realität der Quantenphysik nicht leben. Zusammen mit Boris Podolsky und Nathan Rosen verfaßte er Mitte der 30er Jahre deshalb eine Kampfschrift gegen jene, die alle Mysterien akzeptiert und in ihren Alltag integriert hatten. Mit einem besonders schlimmen Beispiel von Nichtlokalität wollten die drei zeigen, daß die Quantenmechanik mit der "wirklichen" Wirklichkeit kollidiert: Zwei Teilchen, die irgendwann einmal in Wechselwirkung waren, müßten so lange in einer "kohärenten Überlagerung" aller möglichen Ergebnisse dieser Wechselwirkung bleiben, bis ein Experiment den Zustand des einen Teilchens bestimmt. Wäre der Zustand des anderen Teilchens davon irgendwie abhängig, müßte die Messung es nachträglich ebenfalls beeinflussen, auch wenn es inzwischen, vom einen getrennt, in einem Flugzeug auf die andere Seite der Erde gebracht worden wäre. "Keine vernünftige Definition von Realität", schrieben die Physiker triumphierend am Ende ihrer Kampfschrift, "könnte so etwas zulassen."
Es sei denn, sie ist eben "unvernünftig": Professor Alain Aspect von der Universität Paris-Süd zeigte Anfang der 80er Jahre mit einem legendären Experiment, daß das legendäre, nach den Initialen seiner Erfinder getaufte "EPR-Paradoxon" in der größten zu befürchtenden Paradoxheit existiert. Als Teilchen wählte Aspect Photonenpaare, die gemeinsam von einem bestimmten Atom ausgesandt wurden, und die nach einer Spezial-Regel der Atomphysik über ihre Polarisation miteinander verknüpft sind: Für die einzelnen Photonen schwankt sie zwar statistisch, niemals aber haben zwei Photonen eines einzelnen Paars dieselbe Polarisation. Und nach Aspects Messungen schienen sich die zunächst unbestimmten Photonenpaare - in der Denkweise klassischer Physiker - über viele Labormeter hinweg mit Überlicht abzusprechen, welche Polarisation sie bei Beobachtung jeweils zeigen mußten.
Gut, daß Einstein solche Zeiten nicht mehr erlebt hat. Heute gilt Aspects Experiment als historischer Startschuß für die neue Generation von Experimentatoren, die mit Quanten spielen als seien es die Bälle eines genialen Irren. Mit ihren Interferometern hauen sie Einsteins gemütliche, alte Realität lustvoll in Stücke.
Ein genialer Irrer, der beim Aktuellen Sportstudio den Hörer abnähme, hätte im Gegensatz zu Einstein indes kein Problem, die Enthüllung des anrufenden Irren als irrig zu entlarven. Nach dem Nicht-Beobachtungsprinzip können sich die Fußbälle an der Torwand nicht wie Wellen verhalten haben. Da hätten die anwesenden Fußballgötter schließlich mit verbundenen Augen schießen müssen.
), aber kein Teilchen wurde in dieser Zeit vom Anfang der Leitung zum Ende transportiert.
Es gibt aber sicherlich Entdeckungen, die uns verschwiegen werden oder uns Laien einfach nicht interessieren.
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