Außerhalb der Raumzeit

Quantenphysik: Genfer Glasfaserkabel-Versuch zur spukhaften Fernwirkung misst Informationsübertragung mit unwahrscheinlicher zehntausendfacher Lichtgeschwindigkeit

Aus Genf kommen einmal mehr verwirrende Nachrichten aus der Quantenphysik. Die Wissenschaftler untersuchten über eine Distanz von 18 Kilometern miteinander verschränkte Photonen und kamen zu dem Ergebnis, dass die Informationsübertragung mit mindestens zehntausendfacher Lichtgeschwindigkeit erfolgt sein müsse. Oder die Welt der Quanten ist doch ganz anders und gehorcht höchst eigenen, extrem spukhaften Gesetzen.

Die Forschungsgruppe von Nicolas Gisin an der Universität Genf hat schon oft Schlagzeilen gemacht, vor allem im Bereich der Quantenkryptografie. Sie brachten schon vor Jahren ein kommerziell nutzbares Modell für die Verschlüsselung von Botschaften mithilfe der Quantenmechanik auf den Markt. Der "Quantum Key Distribution" nutzt Telekommunikations-Glasfaserkabel und überträgt einzelne, verschränkte Photonen (vgl. Alice und die grinsende Schrödingerkatze). Der Physik-Professor provozierte die Öffentlichkeit schon mit Sätzen wie "Entweder Raum und Zeit oder der freie Wille ist eine Illusion" (vgl. Streng geheim).

Die Quantenmechanik sprengt unsere Vorstellungen über Aufbau und Struktur der Welt. Wenn sich im allerkleinsten Bereich unserer Realität nicht mehr unterscheiden lässt, ob Licht als einzelnes Teilchen oder als Welle daher kommt, gerät so manches aus den Fugen – alles wird ein bisschen unscharf. Eines der seltsamen Phänomene der Quantenphysik ist die Verschränkung, die bedeutet, dass ein Paar Photonen durch die Messung die gleichen Eigenschaften besitzen, auch über große Entfernungen.

Wird nun ein Photon eines solchen verschränkten Paares in seinen Eigenschaften verändert, dann ändert sich auch das zweite, weit entfernte Photon automatisch und sofort. Albert Einstein hatte diesen Effekt bereits 1935 entdeckt und er nannte ihn eine "spukhafte Fernwirkung".

Verschränkung ist einer der Zustände der Quantenwelt, der unser herkömmliches Konzept der Wirklichkeit sprengt. Bild: Universität Wien

Den Begriff der Gleichzeitigkeit meiden die Physiker, denn sie mögen ihn gar nicht – denn wie schnell, wie unmittelbar, diese Veränderung im Charakter des Zwillings-Photons passiert, das konnte bislang nicht genau gemessen werden.

Das hat sich jetzt geändert. Daniel Salart und Kollegen aus dem Team vom Physikinstitut der Uni Genf haben gemessen. Ihr erstaunliches Resultat stellen sie in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature vor (vgl. Testing the speed of ‘spooky action at a distance’. Sie untersuchten, wie schnell die Information zwischen zwei verschränkten Photonen übertragen wird.

In der klassischen Physik gilt das Prinzip der Lokalität. Ein Ereignis kann einen Vorgang an einem anderen Ort nur beeinflussen, wenn kommuniziert wird – und das kann maximal mit Lichtgeschwindigkeit geschehen, denn nach der Relativitätstheorie ist nichts schneller als das Licht. Nicolas Gisin holt auf Anfrage von Telepolis aus, um zu erklären, worum es geht:

Wenn bei einem Fußballspiel plötzlich alle auf dem Feld aufhören, dem Ball nachzurennen, dann hat kurz zuvor der Schiedsrichter abgepfiffen. Dieses Ereignis, also der Pfiff, steht in Beziehung zum Verhalten der Spieler, er verursacht, dass sie auf dem Feld stehen bleiben. Zwischen den beiden Vorgängen gibt es eine Korrelation, sie beeinflussen sich und es vergeht bis zu einer Reaktion immer eine messbare Zeit. Ein Signal wird übertragen und führt zu einer Veränderung. In der Quantenphysik gelten andere Gesetze, hier gibt es die Nichtlokalität.

Dennoch versuchte die Forschergruppe der „spukhaften Fernwirkung“ auf den Grund zu gehen und festzustellen, wie schnell eine Signalübermittlung zwischen verschränkten Photonen funktionieren müsste, um das Phänomen mit einer hypothetischen Beeinflussung zu erklären.

Sie schickten zwei verschränkte Photonen auf die Reise durch Glasfaserkabel zwischen den beiden 18 Kilometer voneinander entfernten Dörfern Satigny and Jussy am Genfer See. Die beiden Ortschaften liegen west-östlich ausgerichtet und die Quelle, von der aus die Photonen loszogen, genau in ihrer Mitte in Genf.

18 km trennen die Ortschaften Satigny and Jussy, Bild: M-Sat Ltd/SPL

Über 24 Stunden hinweg wurden die Lichtquanten ausgesandt und bei ihrer Ankunft mit identischen Interferometern gemessen. Selbst die Erdrotation wurde als Referenzrahmen miteinbezogen. Eine höchst exakte Messung, die erbrachte, dass eine Kommunikation zwischen den Teilchen mindestens 10.000 Mal schneller als die Lichtgeschwindigkeit hätte erfolgen müssen. Diese Geschwindigkeit ist total unwahrscheinlich – deswegen ist davon auszugehen, dass die Photonen keine Information ausgetauscht haben, ihre wechselseitige innige Beziehung muss völlig anderer Natur sein.

Niolas Gisin geht davon aus, dass sie sich außerhalb der klassischen Physik bewegen, bislang gibt es dafür keine wirkliche Erklärung:

"Da geschieht etwas wirklich befremdliches, etwas außerhalb der Raumzeit.“

Es ergibt keinen Sinn und die Quantenmechanik stellt einmal mehr unsere Theorien, Erfahrungen und Annahmen in Frage. Der Verstand gerät ins Trudeln. Gisin ist überzeugt, dass wir an der Schwelle zu einer neuen Epoche stehen, einer Revolution des Konzeptes von Natur und Welt. Er vergleicht die Verwirrung, die durch die Quantenmechanik ausgelöst wird, mit dem Geisteszustand unserer Vorfahren, die begreifen mussten, dass die Erde tatsächlich rund und nicht flach ist. Es fiel ihnen sehr schwer zu verstehen, warum wir nicht von der Erdoberfläche herunter fallen.

Albert Einstein hat einmal gesagt: „Der gesunde Menschenverstand ist die Summe der Vorurteile, die man bis zu seinem 18. Lebensjahr angesammelt hat.“ Es ist an der Zeit, Vorurteile auszumisten und den gesunden Menschenverstand gründlich zu hinterfragen. Die Quantenphysik eröffnet ganz neue Dimensionen für das Denken. Was die „spukhaften Fernwirkungen“ angeht, an die Einstein nicht glauben wollte, hat er sich gründlich geirrt. Noch erscheint uns allen die Welt der Quanten ziemlich gespenstisch, aber schon bald könnte sie genauso selbstverständliche Realität sein wie die runde Form unseres Planeten.

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