DIE ZEIT: Albert Einstein hat
sein Leben lang damit gehadert, dass das, was wir in der Quantenwelt finden,
unserer Intuition widerspricht. Realität, Determinismus, Zeit, Ort – all das
steht zur Disposition. Herr Zoller, ist die Welt verrückt?
Peter Zoller: Ich glaube
nicht, dass die Welt oder die Natur verrückt ist. Physiker versuchen ja, die
Welt zu verstehen, die Natur zu verstehen. Unsere Wahrnehmung der Naturgesetze – und das
wird durch die Quantenmechanik besonders gut illustriert – führt dazu, bestimmte Erwartungen zu haben, wie
Naturgesetze ausschauen, wie wir unsere Theorien formulieren. Die
Quantenmechanik ist eines der eindrucksvollsten Beispiele dafür, dass die Natur
doch wesentlich größer, weiter, vielfältiger ist, als wir uns das vorstellen
können.
ZEIT: Das berühmteste Beispiel für
diesen Bruch mit der Intuition ist das Doppelspaltexperiment. Schießt man
Lichtteilchen auf eine Wand mit zwei Spalten, bildet sich auf dem Schirm dahinter
ein Interferenzmuster, als wären die Teilchen eine Welle gewesen, die durch
beide Spalten gleichzeitig gegangen ist. Versucht man nun aber mit einem
Messgerät herauszufinden, durch welchen der Schlitze die Teilchen fliegen,
passiert Folgendes: Das Interferenzmuster verschwindet und man sieht nur noch
zwei Streifen hinter den Schlitzen. Je nachdem, ob wir also beobachten oder
nicht, verhalten sich die Teilchen mal wie Teilchen, mal wie eine Welle. Da
setzt das Verständnis der Realität schon aus, oder?
Zoller: Vielleicht darf ich eine sehr pragmatische Antwort
geben. Es gibt diesen berühmten Spruch: „“ – halt den
Mund und rechne. Das heißt: Wir haben die Quantenmechanik als eine wunderbare
Theorie, und bis heute wurde sie von keinem einzigen Experiment widerlegt. bedeutet also, man kann diese Theorie wunderbar anwenden, zum
Beispiel, um Quantencomputer zu bauen. Schwierig wird es, wenn man beginnt, über sie
nachzudenken. Natürlich gibt es fundamentale Fragen. Die
Quantenmechanik gibt uns eine Beschreibung der Natur mit komplett anderen Regeln, als die klassische Physik es tut. Wir haben Superpositionen,
Verschränkung, Wellenfunktionen, die kollabieren. Dann stellt sich die Frage:
Wie „wirklich“ ist das eigentlich?
ZEIT: Denken Sie am Wochenende über diese Rätsel nach?
Zoller: Am Wochenende ja, unter der Woche nicht. Unter der
Woche sind wir Quanteningenieure, die Quantenmechanik anwenden – und das
ziemlich erfolgreich. Aber am Sonntagmorgen beim Kaffee denke ich schon nach:
Was ist hier eigentlich passiert? Die Quantenmechanik ist eine wunderbare
Beschreibung dessen, was wir im Labor sehen – sie war noch nie falsch. Trotzdem
verstehen wir in gewissem Sinne nicht, was hier passiert. Die Regeln der
Quantenmechanik sagen unter der Woche sehr klar, was passiert – und die Regeln
stimmen mit allen Experimenten überein. Am Wochenende denkt man darüber nach.
Und ja – die Natur ist verrückt, um es so zu sagen. Nicht die Welt, sondern die
Natur. Aber vielleicht sind wir auch einfach zu eng in unseren Vorstellungen.
ZEIT: Aber stört Sie das nicht?
Zoller: Sehen Sie, die Quantenmechanik hat drei
fundamentale Postulate. Erstens: Das System wird durch einen Zustand
beschrieben – eine Wellenfunktion. Das ist schon merkwürdig, weit weg vom
klassischen Weltbild. Diese Wellenfunktion lebt in einem abstrakten mathematischen
Raum, nicht in dem dreidimensionalen Raum, den wir sehen. Zweitens: Jede
Messung ist mit einem Operator verknüpft, und das Ergebnis ist ein Eigenwert
dieses Operators – mit Wahrscheinlichkeiten. Die Quantentheorie bedeutet also,
dass alles eine Frage von Wahrscheinlichkeit ist. „Gott würfelt“ – das hat
Einstein sein Leben lang gestört. Er konnte nicht akzeptieren, dass
fundamentaler Zufall in der Natur existiert. Und das dritte Postulat: Sobald man
misst, kollabiert die Wellenfunktion und das System gerät in einen Eigenzustand.
Warum und wie der Kollaps passiert, steht nicht in den Gleichungen. Die
Gleichungen für Atome, Kerne, Festkörper, Laser – alles folgt aus diesen
Postulaten. Das alles hat nichts mit der klassischen Physik zu tun. Es ist eine
Beschreibung, die wir nicht von klassischen Vorstellungen ableiten können. Sie
wurde aus der Erfahrung geboren, nicht aus logischer Notwendigkeit.
ZEIT: Das EPR-Paradoxon ist neben dem
Doppelspaltexperiment ein weiteres Beispiel für die Verrücktheit der
Quantenwelt. Können Sie das kurz erklären?
Zoller: Das war ein berühmtes Gedankenexperiment von Albert
Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen aus dem Jahr 1935. Einstein wollte
damit zeigen, dass die Quantenmechanik unvollständig sein muss. Er
argumentierte: Es muss verborgene Variablen geben, die wir nur noch nicht
kennen. Die Idee war folgende: Nehmen Sie zwei Teilchen, die einmal interagiert
haben und dann weit voneinander entfernt werden. In der Quantenmechanik bleiben
sie miteinander verschränkt.
ZEIT: Die Teilchen sind verschränkt. Was genau bedeutet
das?
Zoller: Verschränkung ist wahrscheinlich der
grundlegendste Unterschied zwischen der klassischen Welt und der Welt der Quanten.
In der klassischen Physik kann ich den Zustand eines zusammengesetzten Systems
immer durch Angabe aller Teilzustände beschreiben: Ich sage, wo jedes Teilchen
ist und wie schnell es sich bewegt, und damit kenne ich das System vollständig.
Die Teile sind unabhängig beschreibbar. In der Quantenmechanik geht das nicht
immer. Verschränkte Teilchen können nicht einzeln beschrieben werden – nur das
Gesamtsystem hat einen definierten Zustand. Das ist mathematisch präzise: Es
gibt Zustände des Gesamtsystems, die sich nicht als Produkt von Einzelzuständen
schreiben lassen. Ein konkretes Beispiel: Ich erzeuge zwei Teilchen mit
entgegengesetztem Spin – wenn eines „rauf“ ist, ist das andere
„runter“. Aber vor der Messung ist keines von beiden festgelegt. Der
Zustand ist eine Superposition: Rauf-runter plus Runter-rauf. Das Gesamtsystem
hat Spin null, aber jedes einzelne Teilchen hat keinen definierten Spin. Ich
schicke ein Teilchen ans andere Ende der Galaxie. Wenn ich hier messe und „rauf“
bekomme, dann ist das andere instantan „runter“ – egal wie weit entfernt. Wenn
ich eines der verschränkten Teilchen messe, weiß ich sofort etwas über das
andere. Einstein nannte das die „spukhafte
Fernwirkung“ und hielt es für absurd. Er sagte: Die Information muss schon
vorher in den Teilchen gespeichert gewesen sein – wie ein aufgedrückter Stempel,
als sie entstanden. Erst dreißig Jahre später, 1964, hat der nordirische
Physiker John Bell eine mathematische Ungleichung aufgestellt, die diesen
Streit entscheiden kann. Wenn die Natur verborgene Variablen hat, muss die
Ungleichung erfüllt sein. Wenn die Quantenmechanik recht hat, wird sie
verletzt. Die Experimente, die dann durchgeführt wurden – zuletzt mit dem
Nobelpreis 2022 für Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger
ausgezeichnet – haben eindeutig gezeigt: Die Natur verletzt die Bell’sche
Ungleichung. Einstein hatte Unrecht: Es gibt keine verborgenen Variablen. Die
Quantenmechanik ist vollständig.
ZEIT: Die Information, ob das Teilchen so oder so ist,
existiert vorher nicht? Erst, wenn ich messe, entscheidet sich das?
Zoller: Genau. In dem Moment, in dem die Messung bei einem
Teilchen stattfindet, ist auch das andere Teilchen festgelegt. Als hätten sie
sich verabredet. Aber, und das ist wichtig: Man kann keine nutzbare Information
damit übertragen. Die Korrelation ist da, aber man erkennt sie erst, wenn man
die Messergebnisse klassisch vergleicht. Und das geht nur mit maximaler Lichtgeschwindigkeit. Die Relativitätstheorie wird nicht verletzt.
