Verschränkung – Die spukhafte Fernwirkung

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 wissen von den zwei Socken, aber sie wissen nicht, welche Socke sich in welchem Koffer befindet. Außerdem bekommen sie 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. Was bedeutet, dass sie gleichzeitig grün und rot sind. Das ist zwar äußerst seltsam, aber so ist die Quantenwelt beschaffen. Die Socken sind aber nur gleichzeitig grün und rot, solange die Koffer geschlossen sind. Ihr Öffnen und das Betrachten der Quantensocken bewirkt den Kollaps des Superpositionszustands und eine einzige Farbe bleibt übrig. Die Physiker bezeichnen das als eine Messung. Sie bewirkt stets den Kollaps des Superpositionszustands. Daher lässt er sich niemals beobachten. Zurück zu den Quantensocken und ihrem Kollaps. Welche Farbe bleibt übrig? Das lässt sich nicht vorhersagen, die Auswahl erfolgt völlig zufällig. Im Gegensatz zu unserem Alltagsleben ist also bei den Quantensocken völlig unklar, welche Farbe beim Öffnen der Koffer auftaucht. Das gilt ganz allgemein: Beim Kollaps eines Superpositionszustands herrscht stets der absolute Zufall.
Die beiden Quantensocken sollen jetzt 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. 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, dass Wirkungen nur mit maximal der Lichtgeschwindigkeit übertragen werden können [7]. 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 [8]. 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 Quantentheorie zur Verschränkung führt. Sie widerspricht einem der Grundprinzipien der klassischen Physik, das ist die Lokalität.
Der Mond und die Erde ziehen sich gegenseitig an, bewirkt wird das von der Gravitationskraft. Das erste physikalische Gesetz hierzu stammt vom englischen Physiker Isaac Newton (1643 – 1727). Gemäß diesem Gesetz übt die Erde auf den Mond eine augenblickliche Fernwirkung aus. Das gilt auch umgekehrt. Aber es bleibt unklar, wie diese Fernwirkung übertragen wird. Das hat schon Newton selbst nicht gefallen, aber er hatte keine bessere Idee. Die tauchte dann im 19. Jahrhundert bei der elektromagnetischen Kraft auf. Erkannt haben das der englische Experimentalphysiker Michael Faraday (1791 – 1867) und der schottische theoretische Physiker James Clerk Maxwell (1831 – 1879). Elektrisch geladene Körper ziehen sich an oder stoßen sich ab, je nachdem ob sie ungleich oder gleich geladen sind. Das ist die auch über große Entfernungen wirkende elektromagnetische Kraft. Aber die beiden Physiker vermieden die Fernwirkung, indem sie den Begriff des Feldes einführten. Es befindet sich überall im ganzen Raum und sorgt für die Übertragung der elektromagnetischen Kraft von einem Objekt auf das andere. Daher wirkt sie immer lokal, also vor Ort. Wie schon festgestellt, wurde die Lokalität vom Newtonschen Gravitationsgesetz verletzt, aber Einstein konnte sie mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie, die er 1915 veröffentlicht hat, wieder herstellen. Daher war ihm sehr daran gelegen, dass die Quantentheorie nicht erneut die Nicht-Lokalität ins Spiel bringt. Er nannte die Verschränkung die „spukhafte Fernwirkung“.
Einstein machte auch einen Vorschlag zur Erklärung der Verschränkung, der die Nicht-Lokalität beseitigt. Er ging davon aus, dass über die Quantentheorie 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 tatsächlich 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. Weil das physikalische Weltbild darauf beruht, dass es nur die räumliche Welt gibt. Und in ihr sind die verschränkten Objekte nicht miteinander verbunden. Das ist das große Rätsel.