Quantengipfel-Showdown: Auch dieses Mal hat Einstein es nicht verstanden!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Luan Chunyang (Institut für Physik, Tsinghua-Universität)

Hersteller: China Science Expo

In der letzten Geschichte haben wir die Theorien der von Einstein vertretenen Schule der Quantenphysik und der von Bohr vertretenen Schule der klassischen Physik besprochen und die Aufregung des ersten Quantengipfel-Showdowns gespürt.

Einstein glaubte fest an die einfache philosophische Sichtweise der klassischen Physik, dass die physikalische Welt „deterministisch“ sein sollte und dass physikalische Gesetze strikt der „Realität“ und „Lokalität“ folgen müssen. Bohr betonte, dass die mikroskopische Welt nicht mehr durch die klassischen physikalischen Theorien der makroskopischen Welt beschrieben werden sollte, sondern durch die „Wahrscheinlichkeit“ der Quantenmechanik. Daher können wir über die wunderbaren Ereignisse in der mikroskopischen Quantenwelt nicht mehr aus der Perspektive der klassischen Physik nachdenken.

Schematische Darstellung der Quanten-„Wellenfunktion“

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Allerdings konnte sich im ersten Quanten-Showdown die Schule der klassischen Physik, der Einstein angehörte, nicht durchsetzen. Doch plötzlich hatte Einstein eine Idee und beschloss, von der speziellen Relativitätstheorie auszugehen, in der er besser war, um einen zweiten und spannenderen Quanten-Showdown mit Bohr zu starten!

Einstein: Ich glaube es einfach nicht. Wer kann die spezielle Relativitätstheorie besser verstehen als ich?

Bereits 1921 erhielt Einstein den Nobelpreis für Physik für die Lösung des Problems des photoelektrischen Effekts. Die bekannteste wissenschaftliche Leistung Einsteins ist jedoch seine spezielle Relativitätstheorie .

Schematische Darstellung des „Zeitkegels“ in der speziellen Relativitätstheorie

(Bildquelle: Wikipedia)

Man kann sagen, dass die spezielle Relativitätstheorie eine der Theorien ist, die Einstein am besten beherrschte und mit denen er am zufriedensten war. Obwohl die spezielle Relativitätstheorie sehr tiefgründig und komplex ist, müssen wir uns nicht im Detail mit ihrer Herleitung und Argumentation befassen. Wir müssen nur den wichtigsten Punkt wissen.

Das heißt, die Lichtgeschwindigkeit ist die höchste Geschwindigkeit im Universum und die Geschwindigkeit jeder Informationsübertragung kann die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten. Daher betonte Einstein mit großer Sicherheit, dass bei zwei sehr weit voneinander entfernten Objekten die höchste Geschwindigkeit, mit der Informationen zwischen ihnen übertragen werden können, die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten kann.

EPR-Paradoxon: Die zweite Herausforderung der klassischen Physik

Erinnern Sie sich noch an die Bedeutung der Quantenverschränkung ? Wir haben bereits erwähnt, dass im theoretischen System der Quantenmechanik, wenn ein Paar mikroskopischer Teilchen miteinander wechselwirkt, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind, die Veränderung eines der mikroskopischen Teilchen sofort eine Veränderung des anderen mikroskopischen Teilchens zur Folge hat. Aus der Perspektive der makroskopischen Welt, in der wir leben, scheint es zwischen diesem Paar quantenverschränkter mikroskopischer Teilchen immer einen sofortigen Informationsaustausch zu geben, egal wie weit sie voneinander entfernt sind.

Gemäß der Kernidee der speziellen Relativitätstheorie, dass „die Lichtgeschwindigkeit die höchste Geschwindigkeit im Universum ist“, ist es jedoch unmöglich, dass zwischen diesem Paar mikroskopischer Teilchen in einem quantenverschränkten Zustand eine überlichtschnelle, augenblickliche Informationskommunikation stattfindet. Daher muss das Konzept der Quantenverschränkung falsch sein.

So fand Einstein 1935 zwei fähige Helfer, Podolsky und Rosen. Die beiden arbeiteten mit Einstein zusammen, um das „EPR Challenge Team“ mit den Initialen der Namen der drei Wissenschaftler zu bilden und bereiteten sich darauf vor, die zweite Herausforderung für die Schule der klassischen Physik zu starten.

Einstein, Podolsky und Rosen

(Bildquelle: Wikipedia)

Die drei haben sich ein brillantes Gedankenexperiment ausgedacht. Diesmal sind sie zuversichtlich, dass sie gewinnen können, denn da die spezielle Relativitätstheorie richtig ist, existiert keine Quantenverschränkung. Dieses berühmte Gedankenexperiment ist auch als „EPR-Paradoxon“ bekannt.

Die Schlagzeile der New York Times zum „EPR-Paradoxon“ im Jahr 1935

(Bildquelle: Wikipedia)

Die experimentelle Annahme des EPR-Paradoxons lautet: Wenn ein instabiles großes Teilchen auf der Erde zerfällt, erzeugt das zerfallende große Teilchen zwei kleine Teilchen A und B und fliegt in zwei entgegengesetzte Richtungen vom Ursprungsort weg. Physikalische Größen erfüllen jedoch immer den Erhaltungssatz, d. h. da die Teilchen A und B durch den Zerfall desselben großen Teilchens entstehen, sollte die Summe der physikalischen Größen der Teilchen A und B immer unverändert bleiben.

Konzeptdiagramm der Quantenverschränkung

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Es passierten jedoch sofort interessante Dinge!

Wenn sich die Teilchen A und B in entgegengesetzte Richtungen bewegen und eine ausreichend lange Strecke zurückgelegt haben (beispielsweise ist Teilchen A zur Venus und Teilchen B zum Mars geflogen), wird es einige Zeit dauern, bis die Wechselwirkung sofort abgeschlossen ist, selbst wenn die Teilchen A und B Informationen mit Lichtgeschwindigkeit aneinander übermitteln möchten.

Wenn zu diesem Zeitpunkt eine bestimmte physikalische Größe des Teilchens A auf der Venus gemessen wird, können wir gemäß dem Prinzip der Erhaltung physikalischer Größen sofort den Zustand des Teilchens B in der Ferne auf dem Mars kennen. Nach den Grundprinzipien von Einsteins spezieller Relativitätstheorie kann diese Fernwechselwirkung zwischen den Teilchen A und B jedoch nicht augenblicklich erfolgen.

Wenn Sie mit all dem oben Gesagten einverstanden sind, gibt es nur eine Möglichkeit, nämlich dass sich die Teilchen A und B im Moment vor ihrer Trennung jeweils in einem bestimmten Zustand befinden und nicht im sogenannten probabilistischen Überlagerungszustand.

Daher betont die Schule der klassischen Physik, dass das Wahrscheinlichkeitsprinzip in der Quantenmechanik kein wesentliches Merkmal sei, sondern lediglich ein oberflächliches Phänomen darstellen dürfte.

Bohrs Gegenangriff: Es ist nicht so, dass ich die spezielle Relativitätstheorie nicht verstehe, sondern dass Sie die Quantenmechanik nicht verstehen

Angesichts der zweiten Konfrontationsherausforderung durch die Schule der klassischen Physik konnte die von Bohr vertretene Schule der Quantenphysik nicht anders, als nervös zu werden. Dies liegt daran, dass das Gedankenexperiment des EPR-Paradoxons sehr überzeugend erscheint und die spezielle Relativitätstheorie sich als richtig erwiesen hat. Bedeutet dies, dass die Quantenverschränkung in der Quantenmechanik tatsächlich falsch ist?

Bohr beruhigte sich schnell von seiner Panik und untersuchte das EPR-Paradoxon erneut. Nicht lange danach entdeckte Bohr eine riesige Lücke in diesem Gedankenexperiment!

Angenommen, ein instabiles großes Teilchen zerfällt in zwei Teilchen A und B. Nachdem die Teilchen A und B eine Zeit lang in entgegengesetzte Richtungen geflogen sind, erreicht Teilchen A die Venus und Teilchen B den Mars. Einstein hatte recht. Da für die Teilchen A und B der Erhaltungssatz physikalischer Größen gilt, müssen wir nur den Zustand des Teilchens A auf der Venus messen, um sofort den Zustand des Teilchens B in der Ferne auf dem Mars zu kennen.

Konzeptdiagramm der Quantenverschränkung

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Dies scheint gegen das Prinzip der Lichtgeschwindigkeit als höchste Geschwindigkeit in der speziellen Relativitätstheorie zu verstoßen, ist aber in Wirklichkeit nicht der Fall. Dies liegt daran, dass wir die Quantenverschränkung nicht mehr aus der Perspektive der makroskopischen Welt verstehen sollten . Tatsächlich existiert die Quantenverschränkung nur in der mikroskopischen Welt und wird verwendet, um die physikalischen Größen des gesamten Systems zu beschreiben. Mit anderen Worten: Zwischen dem zufälligen Verhalten zweier Teilchen in großer Entfernung besteht immer eine gewisse Korrelation, und diese müssen als Ganzes beschrieben werden, statt sie als zwei unabhängige Teilchen zu betrachten und dann das Problem der Informationsübertragung zwischen den beiden Teilchen zu berücksichtigen.

Wenn wir daher die Zustände der beiden Teilchen aus der Perspektive der klassischen Physik weiterhin getrennt betrachten, treten Fehler im „EPR-Paradoxon“ auf. Mit anderen Worten, die Quantenverschränkung im „EPR-Paradoxon“ verstößt nicht gegen die spezielle Relativitätstheorie, aber Einstein hat die Bedeutung der Quantenverschränkung in der mikroskopischen Welt fälschlicherweise aus der Perspektive der makroskopischen Welt verstanden.

Offensichtlich hat die von Einstein repräsentierte Schule der klassischen Physik im zweiten Spitzenkampf nicht gewonnen. Allerdings ist es gerade eine Reihe interessanter Gedankenexperimente der klassischen Physik, die die Schule der Quantenphysik dazu veranlasst haben, kontinuierlich über die Theorie der „Quantenverschränkung“ der Quantenmechanik nachzudenken und sie zu verbessern.

Bis zu einem gewissen Grad handelt es sich bei diesen Spitzen-Showdowns nicht mehr nur um Debatten über physikalische Theorien, sondern um eine Kollision zweier Denkweisen der neuen und der alten Ära. Das Wunder der Quantenverschränkung in der Quantenmechanik ließ Einstein seufzen: „Ich glaube nicht, dass selbst Gott würfelt.“

Zufällig fallende Würfel in der Makrowelt

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Abschluss

Nach einer heftigen Konfrontation nach der anderen mussten die Physiker die Ansichten der Schule der Quantenphysik anerkennen, fanden es jedoch immer noch schwierig, sie im Herzen zu akzeptieren. Dies liegt daran, dass die Theorie der „Quantenverschränkung“ der Quantenmechanik zwar wunderbar ist, aber in Wirklichkeit unseren Gefühlen in der makroskopischen Welt widerspricht!

Aus diesem Grund schlug der amerikanische Physiker Bohm eine interessante Hypothese der „verborgenen Variable“ vor, in der Hoffnung, die Standpunkte der klassischen Physik und der Quantenphysik zu kombinieren und so zu einer Einigung zu gelangen, die beide Parteien zufriedenstellt.

Wird Bohm also Erfolg haben? Die Antwort dürfen wir Ihnen im letzten Teil der „Quantenverschränkungs-Trilogie“ verraten!