Verschränkung – Die spukhafte Fernwirkung

Sind die Superpositionszustände schon merkwürdig genug, so werden sie von der Verschränkung nochmals gewaltig übertroffen. Wobei sie eine Konsequenz der Superpositionszustände darstellt. Verschränkung gibt es immer dann, wenn zwei Objekte sich in einem gemeinsamen und untrennbaren Superpositionszustand befinden. Hier nun ein anschauliches Beispiel. Zunächst die Version aus unserem Alltagsleben außerhalb der Quantenwelt.
Sie packen zwei Koffer. In den einen legen Sie eine grüne Socke, in den anderen eine rote Socke. Zwei Freunde, Alex und Paul, verreisen mit diesen Koffern. Sie bekommen von Ihnen die Anweisung, dass sie die Koffer erst am Zielort öffnen sollen. Alex fährt nach Mallorca, Paul nach Izmir. Wenn Alex seinen Koffer öffnet und die grüne Socke findet, dann weiß er, dass im Koffer von Paul sich die rote Socke befindet. Und umgekehrt. Ob Alex und Paul eine rote oder grüne Socke finden, war schon vor dem Öffnen der Koffer klar, die beiden wussten es nur nicht.
Nehmen wir nun an, die beiden Socken in den Koffern wären Bestandteil der Quantenwelt. Das sind sie natürlich nie, es ist ein reines Gedankenexperiment. Als Bestandteil der Quantenwelt befinden sich die Socken bezüglich grün und rot in einem Superpositionszustand. Aber nur, solange die Koffer geschlossen sind. Ihr Öffnen und das Betrachten der Quantensocken entsprechen einer Messung. Das bewirkt den Kollaps der Superpositionszustände und eine einzige Farbe bleibt übrig. Der entscheidende Unterschied zu unserem Alltagsleben: Vor dem Öffnen der Koffer ist noch völlig unklar, welche Farbe Alex und Paul finden. Klar wird es erst beim Öffnen der Koffer.
Die beiden Quantensocken sollen auch noch verschränkt sein. Was das bedeutet, klingt zunächst harmlos: Ist die eine Socke rot, so ist die andere grün. Es ist aber überhaupt nicht harmlos, wie Sie jetzt sehen werden. Nehmen wir an, dass Alex in Mallorca zuerst den Koffer öffnet. Mit dem Öffnen nimmt seine Socke eine eindeutige Farbe an. Und es geschieht das Unglaubliche: Im gleichen Augenblick nimmt die Socke im noch geschlossenen Koffer von Paul in Izmir die andere Farbe an. Die Socke im Koffer von Alex übt also auf die im Koffer von Paul eine Wirkung aus. Diese ist augenblicklich und erfolgt über beliebige Entfernungen. Paul könnte mit seinem Koffer sogar viele Lichtjahre entfernt auf einem fernen Planeten sein.
Widerspricht das der speziellen Relativitätstheorie? Denn sie besagt ja, dass Wirkungen nur mit maximal der Lichtgeschwindigkeit übertragen werden können. Das übliche Argument, warum es nicht widerspricht, besteht darin, dass durch Verschränkung keine Information übertragen werden kann. Nehmen wir an, dass Alex vor der Abreise Paul mitgeteilt hat, dass er ihm von Mallorca aus mittels der Verschränkung eine Botschaft schickt: Wenn Paul die grüne Socke findet, dann gibt es im Hotel von Alex auch Kölsch. Wenn Paul die rote Socke findet, dann gibt es nur Pils und Hefeweizen. Das mit der Botschaft funktioniert aber nicht, denn Alex kann nicht steuern, welche Farbe beim Öffnen seines Koffers auftaucht. Die Auswahl erfolgt völlig zufällig. Dadurch kann er auch nicht steuern, welche Farbe Paul findet, und daher kann er auch keine Botschaft an Paul schicken. Aber der Widerspruch zur speziellen Relativitätstheorie ist damit nicht ausgeräumt, wie die anhaltenden Diskussionen zeigen [15]. Zwar ist tatsächlich, um auf unser Beispiel zurückzukommen, keine Informationsübertragung zwischen Alex und Paul möglich. Es wird aber Information zwischen den Quantensocken übertragen. Die von Paul erfährt ja von der von Alex, welche Farbe sie annehmen muss. Und das augenblicklich und über beliebige Entfernungen.
Schon 1935 entdeckte Albert Einstein, dass der mathematische Formalismus der Quantenmechanik zur Verschränkung führt. Sie widerspricht einem der Grundprinzipien der klassischen Physik, der Lokalität. Dafür hatte man im 19. Jahrhundert bei der elektromagnetischen Kraft die Felder eingeführt, so dass sie immer lokal, also vor Ort, wirkt. Verletzt wurde die Lokalität vom Newtonschen Gravitationsgesetz, aber Einstein konnte sie mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie wieder herstellen. Daher war ihm sehr daran gelegen, dass die Quantenmechanik nicht erneut die Nicht-Lokalität ins Spiel bringt. Er nannte die Verschränkung die „spukhafte Fernwirkung“.
Einstein ging davon aus, dass über die Quantenmechanik hinaus sogenannte „verborgene Variablen“ existieren. Sie bewirken in unserem Beispiel der Quantensocken, dass sie sich vor der Abreise einander „absprechen“, wie sie sich im Falle des Öffnens der Koffer verhalten werden. Eine augenblickliche Beeinflussung ist dann nicht mehr nötig und das Prinzip der Lokalität bleibt erhalten.
Bis in die sechziger Jahre blieb das Phänomen der Verschränkung weitgehend unbeachtet, weil man davon überzeugt war, dass sich experimentell niemals feststellen lässt, ob Einstein recht hatte oder nicht. Dann griff der irische Physiker John Bell (1928 – 1990) in den sechziger Jahren das Thema wieder auf. Er konnte ein Kriterium angeben, mit dem sich experimentell feststellen lässt, ob eine vorherige Absprache vorliegt oder eine augenblickliche Beeinflussung stattfindet. Die bisher hierzu durchgeführten Experimente sind eindeutig, die „spukhafte Fernwirkung“ existiert wirklich und Einstein hatte ausnahmsweise einmal unrecht. Eine Erklärung konnte allerdings bis heute nicht gefunden werden. Oder vielleicht doch? Dazu jetzt zu meiner Hypothese der inneren Welt.