Spuk in der Teilchenwelt ein Text von Niels Boing

Das Einstein-Podolsky-Rosen-Gedankenexperiment von 1935
Albert Einstein, Schöpfer der Relativitätstheorie, machte aus seinem Unbehagen an der Quantenmechanik, der anderen großen physikalischen Theorie dieses Jahrhunderts, keinen Hehl. „Ich kann aber deshalb nicht ernsthaft daran glauben, weil die Theorie mit dem Grundsatz unvereinbar ist, daß die Physik eine Wirklichkeit in Zeit und Raum darstellen soll, ohne spukhafte Fernwirkungen“, schrieb er 1947 dem Physiker Max Born.
Dass die Quantenmechanik solche Fernwirkungen zulässt, hatte Einstein 1935 mit Boris Podolsky und Nathan Rosen in einem Gedankenexperiment gezeigt. Ursprünglich hypothetisch gedacht, bildet es heute, gut sechzig Jahre später, die Grundlage für Anwendungen in der Quantenkryptographie. Damals war das Gedankenexperiment der Höhepunkt einer erbitterten Diskussion, die die Physiker seit Werner Heisenbergs Formulierung der Quantenmechanik Mitte der 1920er Jahre geführt hatten. Es ging um die Frage, ob die Quantenmechanik als physikalische Theorie die Realität vollständig erfasse.
Um zu beweisen, daß dies nicht der Fall ist, betrachteten Einstein, Podolsky und Rosen (EPR) ein quantenmechanisches System, das aus zwei benachbarten Teilchen A und B besteht. Beide haben zum Beispiel einen bestimmten Gesamtdrehimpuls. Die Quantenmechanik nimmt an, dass A und B auch dann noch ein einziges System darstellen, wenn man sie räumlich getrennt hat. Misst man nun an Teilchen A den Drehimpuls, steht wegen der Erhaltung des Gesamtdrehimpulses augenblicklich auch der Drehimpuls für Teilchen B fest – selbst wenn es Lichtjahre von A entfernt ist.
Die Konsequenz lag für EPR auf der Hand: Die beiden Teilchenimpulse lagen schon vor der Messung fest. Ansonsten hätte zwischen Teilchen A und Teilchen B eine Art von Kommunikation mit Überlichtgeschwindigkeit stattgefunden. Die wiederum verbietet die Relativitätstheorie.
Die Kopenhagener Schule der Quantenphysik um Niels Bohr sagte hingegen: Die Konsequenz von EPR ist falsch. Denn vor der Messung hat der Drehimpuls der Teilchen überhaupt nicht existiert. Ohne Messung gibt es keine Realität. Anders gesagt: Realität wird durch die Messung physikalischer Eigenschaften überhaupt erst hervorgebracht.
Dann muss die Quantenmechanik unvollständig sein, argumentierten nun EPR: Denn aus der mathematischen Darstellung des Teilchenpaares folgt nicht die gesamte Information über seinen Zustand.
In den Jahren nach der Veröffentlichung von EPR glätteten sich die Wogen dieses Streits, bis 1951 ein junger Physiker namens David Bohm das Gedankenexperiment neu formulierte. Statt abstrakter Teilchen schlug er ein Paar Photonen (Lichtteilchen) vor, die entgegengesetzt polarisiert sind. Polarisiert bedeutet, dass ihre elektromagnetisches Feld in einer einzigen Ebene schwingt. Diese Polarisierung lässt sich messen, auch wenn das Photonenpaar weit auseinander geflogen ist. Wenn Photon A „vertikal“ polarisiert ist, muss Photon B nach den Gesetzen der Quantenmechanik „horizontal“ polarisiert sein – A und B können nicht dieselbe Polarisierung haben, wenn sie zusammen ein System bilden.
1997 gelang es erstmals der Gruppe um den Wiener Physiker Anton Zeilinger, das Gedankenexperiment von David Bohm praktisch durchzuführen. Seitdem haben es viele Forschungsgruppen wiederholt.
In diesem Experiment werden zwei Photonen, die zusammen ein System bilden, in verschiedene Glasfaserleitungen geschickt. Wenn beide Photonen bereits mehrere Kilometer voneinander getrennt sind, misst man die Polarisierung von Photon A. Unabhängig davon wird zum selben Zeitpunkt auch die Polarisierung von Photon B gemessen. Egal, wie oft man das Experiment wiederholt, das Ergebnis ist immer dasselbe: Wenn bei Photon A „vertikal“ gemessen wird, zeigt Photon B immer „horizontal“ – und umgekehrt. Als ob die beiden Lichtteilchen sich untereinander abgesprochen hätten. Die „spukhafte Fernwirkung“, die Einstein befürchtet hatte, existiert tatsächlich. Warum, bleibt noch zu klären.
nbo

Spooky Action at a Distance, eine Ausstellung von Jana Schumacher in der Galerie Carolyn Heinz, 2018, HH

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Properties of Light, 2018
Tusche, Filzstift, Prägung auf Papier / Reißtechnik, 50 × 40 cm

Properties of Light, 2016
Tusche, Filzstift, Prägung auf Papier / Reißtechnik, 50 × 40 cm

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Properties of Light, 2017
Aquarell, Wachs, Acryl, Schellack auf Pappe / Ritztechnik, 89,5 × 90,5 cm

The Dual Nature of Light, 2018
Aquarell, Wachs, Acryl, Prägung, Mattlack auf Pappe / Ritztechnik, 124 × 108 cm

Properties of Light, 2017
Tusche, Filzstift, Prägung auf Papier / Reißtechnik, 50 × 40 cm

Void, 2017
Tusche, Graphit, Pigment, Lack auf gefaltetem Papier, 66 × 66 cm

Properties of Light, 2017
Tusche, Filzstift, Prägung auf Papier / Reißtechnik, 50 × 40 cm

Journey Towards Deep Deep Thoughts, 2018
Installation, Mixed Media

Detail Journey Towards Deep Deep Thoughts, 2018
Installation, Mixed Media

o.T., 2017
Tusche und Pigment auf gefaltetem Papier auf Holz, ⌀ 100 cm

Bending Light and Pulling Stars, 2018
Digitaldruck auf Satin, 58,5 × 52 cm, Auflage 8 + 2 AP

Ultra Ultra Deep Deep Field, 2018
Digitaldruck auf Satin, 45 × 63 cm, Auflage 8 + 2 AP

Spooky Action at a Distance, 2018
Tusche und Pigment auf gefaltetem Papier, Ritzung, Ausstanzung, 50 × 40 cm

Das Paper von Einstein, Podolsky und Rosen in der Physical Review vom 15. Mai 1935