Rückblick | Welche Auswirkungen hatte der jahrhundertelange Streit zwischen Bohr und Einstein auf die Quantenmechanik?

Heute vor 137 Jahren (7. Oktober 1885) wurde Niels Bohr, der Gründer der Kopenhagener Schule und dänische Physiker, geboren. Zu Beginn der Quantenmechanik lieferte er sich mit Einstein einen jahrhundertelangen Streit über die theoretischen Grundlagen und philosophischen Überlegungen der Quantenmechanik.
Warum vertraten diese beiden großen Physiker unterschiedliche Ansichten zur Quantentheorie? Welchen Einfluss hatte ihre Debatte auf die Entwicklung der Quantenmechanik? Chang Kai, ein Forscher am Beijing Institute of Quantum Information Science, hielt einmal im 674. Capital Science Lecture Hall einen Vortrag mit dem Titel „Quantentechnologie verändert die Welt“, in dem er eine detaillierte populärwissenschaftliche Erklärung dieses jahrhundertelangen Kampfes lieferte. Kommen Sie und lernen Sie gemeinsam!

Bohrs und Einsteins Ansichten widersprechen sich

Das neue Weltbild, das die Quantenmechanik mit sich bringt, beeinflusst das seit dem 19. Jahrhundert entstandene philosophische System: Das Wesen der Welt ist eher probabilistisch als deterministisch; vor der Beobachtung ist der Zustand des beobachteten Objekts ungewiss und kann nur durch Beobachtung bestimmt werden; Physikalische Prozesse sind nicht lokal und auch weit voneinander entfernte Objekte können durch Quantenverschränkung sofort interagieren. Dies sind die Ansichten der von Bohr vertretenen Kopenhagener Deutungsschule.

Einstein, der Vertreter der Anti-Kopenhagen-Interpretationsschule, glaubte: „Gott würfelt nicht!“ „Hört der Mond auf zu existieren, wenn ich ihn nicht anschaue?“ Quantenverschränkung ist „geisterhafte Fernwirkung“!

Bohr und Einstein debattieren

Im Jahr 1935 veröffentlichten Einstein, Podolsky und Rosen gemeinsam eine Arbeit, in der sie das „EPR-Paradoxon“ vorschlugen und auf dieser Grundlage die Theorie der verborgenen Variablen entwickelten. Im Jahr 1964 schlug ein Ingenieur namens Bell vor, dass man mithilfe einer Ungleichung testen könnte, ob versteckte Variablen tatsächlich existieren.
Der mathematische Standard für die strenge Prüfung der Existenz „verborgener Variablen“ besteht darin, dass in einem Quantensystem zwischen den vier Wahrscheinlichkeiten die folgende Beziehung besteht:

Dann können versteckte Variablen vorhanden sein. Andernfalls bedeutet dies, dass keine verborgenen Variablen existieren und die Natur der Quantenzustände probabilistisch ist.

Die erste Quantentechnologie-Revolution, ausgelöst durch den jahrhundertelangen Streit

Obwohl man sie aufgrund der damaligen experimentellen Technologie nicht wirklich zur Überprüfung der philosophischen Debatte der Theorie nutzen konnte, hinderte dies die Wissenschaftler nicht daran, auf der Grundlage der Quantentheorie neue Erfindungen zu machen, was ab Mitte des 20. Jahrhunderts direkt die erste Revolution in der Quantentechnologie auslöste.

Das repräsentativste Ereignis unter ihnen war die Geburt des weltweit ersten Halbleitertransistors im Jahr 1947. Die Eigenschaften von Halbleitern müssen durch die aus der Quantenmechanik abgeleitete Bändertheorie erklärt werden. In den folgenden Jahrzehnten entwickelte sich die Halbleitertechnologie rasant, von der Geburt integrierter Schaltkreise über Intels ersten Mikroprozessor 4004 mit 2.250 Transistoren bis hin zum Kirin 9000-Prozessor von Huawei mit 15,3 Milliarden Transistoren … Man kann sagen, dass die Halbleitertechnologie die Grundlage des Informationszeitalters bildet.

Der weltweit erste Halbleitertransistor (1947)

Darüber hinaus wurde den Menschen erst nach der Etablierung der Quantenmechanik klar, dass Magnetismus ein makroskopisches Quantenphänomen ist. Der Elektronenspin erzeugt ein magnetisches Moment. Ein Elektron entspricht einer kleinen Magnetnadel. Eine große Anzahl magnetischer Elektronenmomente im Material sind in die gleiche Richtung ausgerichtet, wodurch makroskopischer Magnetismus entsteht. Die Prinzipien der Quantenmechanik bestimmen die Verteilung des magnetischen Moments des Elektrons. Deshalb haben wir Medien wie Festplatten erfunden, die große Datenmengen speichern können, und damit den materiellen Grundstein für das Big-Data-Zeitalter gelegt.

Darüber hinaus sind Laser, Kernspinresonanz, Supraleitung usw. allesamt revolutionäre Anwendungen, die durch die erste Revolution der Quantentechnologie hervorgebracht wurden. Man kann sagen, dass die Quantentechnologie in unserem Leben bereits allgegenwärtig ist.

Die Schlacht des Jahrhunderts ist zu Ende

Wie bereits erwähnt, wurde die Ungleichung nach Bells Vorschlag nicht wirklich beurteilt. Dieser Zustand wurde in den 1970er Jahren endgültig durchbrochen. Im Jahr 1972 führten SJ Friedman und JF Clauser das erste Experiment zur Verifizierung der Bell-Ungleichung durch und die Ergebnisse stützten die Quantenmechanik. Seit mehr als 30 Jahren stützen zahlreiche experimentelle Ergebnisse die Quantenmechanik und stehen im Widerspruch zur Theorie der verborgenen Variablen. Im Jahr 2015 führte ein Team unter der Leitung von R. Hansen von der Technischen Universität Delft in den Niederlanden eine nahezu fehlerfreie Verifizierung der Bellschen Ungleichung durch und erklärte damit im Wesentlichen das Scheitern der Theorie der verborgenen Variablen.

Obwohl Einstein die Debatte des Jahrhunderts letztlich verlor, inspirierte sein Denken zukünftige Generationen und führte indirekt zur Entstehung der Bellschen Ungleichung und dann zum „Bell-Zustand“, der auf der Bellschen Ungleichung basiert, und legte damit den Grundstein für die moderne Quanteninformatik und Quantenkommunikation. Obwohl Einsteins Denken falsch ist, ist es keineswegs wertlos. Die wissenschaftliche Forschung hat keine Angst vor Fehlern, sondern nur davor, nicht zu denken und nicht zu handeln.