Die Quantenphysik bietet eine Beschreibung der Welt auf kleinsten Skalen und macht dazu seltsame Aussagen, die unser Verständnis der Welt und ihrer Logik ernsthaft herausfordern. Besonders schwierig zu erklären ist das Phänomen der Verschränkung, das in den vergangenen 30 Jahren intensiv erforscht worden ist. Verschränkte Teilchen scheinen sich zufällig zu verhalten, aber dennoch über weite Distanzen hinweg voneinander zu wissen, sodass ihr Verhalten korreliert ist.
Diese erstaunliche "Nichtlokalität" ist mehr als nur eine abstrakte Seltsamkeit oder ein Paradoxon: sie findet ganz pragmatische Anwendungen in der Kryptographie, die wiederum verwendet werden kann, um sensible Informationen zu kodieren. Durch Verschränkung wird auch "Quantenteleportation" möglich, deren unermessliche Möglichkeiten selbst von Science-Fiction Autoren nur erahnt werden kann.
Das vorliegende Buch wagt sich an die tiefen logischen Schwierigkeiten der Quantenmechanik heran und bietet dem Leser dabei das Rüstzeug, diese zu begreifen und zu bewundern. Von "Bell's Theorem" bis zu Experimenten der Quantenverschränkung gewinnt der Leser so ein solides Verständnis von einem der faszinierendsten Gebiete der modernen Physik.
Der Autor
Nicolas Gisin ist Direktor des Instituts für Angewandte Physik an der Universität Genf und Mitbegründer der Technologiegesellschaft ID Quantique . Er ist international bekannt für seine Arbeit im Bereich der Kryptografie und der Quanten-Informationstheorie. Darüber hinaus ist er Herausgeber der Reihe "Quantum Science and Technology".
2009 erhielt er den ersten John S. Bell Preis für die Demonstration langreichweitiger Verschränkungen und Quantenteleportationen sowie für seine zahlreichen Beiträge zu den Bellschen Ungleichungen.
Diese erstaunliche "Nichtlokalität" ist mehr als nur eine abstrakte Seltsamkeit oder ein Paradoxon: sie findet ganz pragmatische Anwendungen in der Kryptographie, die wiederum verwendet werden kann, um sensible Informationen zu kodieren. Durch Verschränkung wird auch "Quantenteleportation" möglich, deren unermessliche Möglichkeiten selbst von Science-Fiction Autoren nur erahnt werden kann.
Das vorliegende Buch wagt sich an die tiefen logischen Schwierigkeiten der Quantenmechanik heran und bietet dem Leser dabei das Rüstzeug, diese zu begreifen und zu bewundern. Von "Bell's Theorem" bis zu Experimenten der Quantenverschränkung gewinnt der Leser so ein solides Verständnis von einem der faszinierendsten Gebiete der modernen Physik.
Der Autor
Nicolas Gisin ist Direktor des Instituts für Angewandte Physik an der Universität Genf und Mitbegründer der Technologiegesellschaft ID Quantique . Er ist international bekannt für seine Arbeit im Bereich der Kryptografie und der Quanten-Informationstheorie. Darüber hinaus ist er Herausgeber der Reihe "Quantum Science and Technology".
2009 erhielt er den ersten John S. Bell Preis für die Demonstration langreichweitiger Verschränkungen und Quantenteleportationen sowie für seine zahlreichen Beiträge zu den Bellschen Ungleichungen.
Mittelstufen-Algebra genügt: So kompakt und trotzdem allgemeinverständlich wie Nicolas Gisin hat noch niemand die Quantenphysik erklärt
Welche sind die beiden wichtigsten fundamentalen Einsichten der theoretischen Naturwissenschaft des 20. Jahrhunderts? Physikern dürfte bei dieser Frage sofort Albert Einsteins Relativitätstheorie einfallen, deren allgemeine Variante im kommenden Jahr ihren hundertsten Geburtstag feiert und schon lange als Goldstandard dessen gilt, wie eine Naturtheorie heute auszusehen hat. Aber dann ginge der Streit los. Wie fundamental war die Entdeckung der Kernspaltung im Jahr 1938? Oder die Aufklärung der DNA-Struktur 1953?
Wer sich auf das Bändchen aus der Feder des Genfer Physikprofessors Nicolas Gisin einlässt, das unter dem Titel "Der unbegreifliche Zufall" nun auf Deutsch erschienen ist, könnte zu dem Schluss kommen, dass spätere Generationen die zweite epochale Erkenntnis unseres Zeitalters im Jahr 1964 verorten werden. Da veröffentlichte der nordirische, am europäischen Forschungszentrum Cern beschäftigte Teilchenphysiker John S. Bell (1928 bis 1990) eine Arbeit, die ein einige Jahrzehnte zuvor formuliertes Problem aufgriff. Es ging um Quantenphysik, also das Verhalten der Atome und ihrer Bestandteile, das sich - anders als etwa das von Bällen oder Planeten - nicht exakt aus den für sie einschlägigen Naturgesetzen berechnen lässt, sondern in der Regel nur mit gewisser Wahrscheinlichkeit. Im subatomaren Einzelfall regiert also der Zufall mit. Aber ist er es wirklich? Oder steckt hinter dem Quantengewusel doch messerscharfe Determiniertheit, die unsere krude Empirie nur ebenso wenig sieht wie die Bewegungen der Teilchen eines Gases, dessen Temperatur wir messen?
Wenn dem so wäre, dann müsste eine bestimmte Ungleichung erfüllt sein, deren einfachste Form John Bell 1964 anhand eines klassischen Gedankenexperimentes ableitete. Albert Einstein hatte es 1935 gemeinsam mit seinen beiden Mitarbeitern Nathan Rosen und Boris Podolsky ersonnen, um damit zu zeigen, dass die Quantenphysik unvollständig ist.
In diesem Gedankenexperiment vermessen zwei voneinander entfernte Beobachter einzelne Teilchen gemeinsamen Ursprungs. Beide können frei entscheiden, welche von mehreren messbaren Eigenschaften der Teilchen sie untersuchen. Hätte die Quantenphysik recht, wären die Messwerte an beiden Enden trotzdem korreliert: Das Zufallsergebnis an einem Messgerät hinge mit dem am anderen zusammen - und das könne nicht sein, meinten Einstein, Podolsky und Rosen, wenn zwischen beiden eine räumliche Entfernung besteht. Denn das wäre eine spontane Fernwirkung, ein Einfluss, der sich mit unendlich hoher Geschwindigkeit ausbreiten müsste, um an den beiden Orten zugleich wirksam zu sein. Und das widerspräche Einsteins Relativitätstheorie - zwar nicht ihren Buchstaben, denn Informationen lassen sich mit Zufallssignalen nicht übertragen, aber doch ihrem Geiste. Und dieser Geist besagt: Naturvorgänge und ihre Subjekte sind stets lokal. Es gibt nichts, was an einem Ort passiert und dabei von etwas Gleichzeitigem an einem anderen Ort beeinflusst wird.
Was Bells Ungleichung so bedeutend macht, ist, dass man mit ihr nachsehen kann, ob das stimmt. Tatsächlich wurde ab den siebziger Jahren versucht, aus jenem Gedankenexperiment ein richtiges Experiment zu machen, um damit empirisch zu prüfen, ob die Bellsche Ungleichung erfüllt ist oder nicht. 1982 war die Technik so weit, dass der französische Physiker Alain Aspect und seine Mitarbeiter ein unzweideutiges Ergebnis erzielen konnten: Die Bellsche Ungleichung ist nicht erfüllt. Die Natur ist auf der Quantenebene demnach nicht lokal.
Diese Erkenntnis klingt abstrakt, ist aber im Kontext der neuzeitlichen Physikgeschichte und mancher von ihr beförderten philosophischen Vorstellungen von solcher Bedeutung, dass schon etliche Autoren versucht haben, sie für ein allgemeines Publikum aufzubereiten. Nicolas Gisin unterscheidet sich von ihnen in zweifacher Hinsicht. Erstens ist sein Buch kaum halb so dick wie andere populäre Sachbücher zum Thema - und dabei behandelt er nicht nur das Bellsche Theorem, sondern auch einige andere Quantenmerkwürdigkeiten wie etwa die sogenannte Teleportation. Zweitens dürfte dies die klarste allgemeinverständliche Darstellung sein, die bislang erschienen ist, allenfalls übertroffen von jener, die John Bell selbst 1980 veröffentlichte und die ein wenig mehr Mathematik verwendet.
Auch Gisin verzichtet nicht völlig auf etwas Mittelstufen-Algebra, sehr wohl aber auf die zuweilen ermüdende und mit Historie überfrachtete Quanten-Propädeutik, die sich in manch anderem Buch findet. Vielmehr konzentriert er sich auf die wichtigen Konzepte, zum Beispiel Nichtlokalität. Dass sie klarwerden, ist ihm viel wichtiger als die eingehende Erläuterung von eher historisch interessanten Begriffen wie "Komplementarität" oder technischen wie "Superposition". Auch die Hardware der Experimente spielt bei ihm nur eine Nebenrolle - bemerkenswerterweise, denn Gisin ist selbst Experimentalphysiker. Zusammen mit Aspect und Anton Zeilinger in Wien gehört er zu den Pionieren des Fachs und hat mit seiner Genfer Gruppe vor einigen Jahren gezeigt, dass jene Quantenkorrelationen, sollte man sie doch mit lokaler Physik erklären wollen, durch Fernwirkungen vermittelt sein müssten, die sich mindestens mit dem 50 000-Fachen der Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.
Was bei Gisin allenfalls etwas zu kurz kommt, ist die Diskussion der Tatsache, dass Nichtlokalität nicht das einzige ist, was hinter einer Verletzung der Bellschen Ungleichung stecken kann. Deren Ableitung setzt nämlich auch voraus, dass gemessene Eigenschaften eines physikalischen Systems unabhängig von der Messung objektiv existieren - wie es einen Mond gibt, auch wenn gerade keiner hinschaut. Diese "Realismus" genannte Annahme ist aber nicht weniger ein philosophisches Vorurteil und nicht minder fraglich als das Einsteinsche Beharren auf der Lokalität der Physik.
Nicolas Gisin aber ist sicher, dass es allein die Lokalität ist, die fallen muss. Wenn dem aber so ist und wenigstens die Buchstaben der Relativitätstheorie gelten und - im Einklang mit einer Überfülle an theoretischen und experimentellen Tatsachen - weiterhin keine überlichtschnelle Informationsübertragung erlaubt sein soll, dann ist ein Schluss ganz unausweichlich: Dann gibt es den reinen Zufall. "Statt wie Einstein zu behaupten, dass Gott nicht würfele", schreibt Gisin, "sollten wir lieber fragen, warum er es doch tut. Und die Antwort ist, weil die Natur auf diese Weise nichtlokal sein kann, ohne dass sich dadurch eine Möglichkeit für Kommunikation ohne Übertragung ergäbe." Die Erkenntnis, dass es Zufall gibt, der nicht mit der Unkenntnis irgendwelcher noch verborgenen Größen oder Gesetze erklärt werden kann, ist von erheblicher Tragweite, bedeutet sie doch nichts weniger, als dass der "Satz vom Grund" nicht streng gilt: Es gibt durchaus Tatsachen in der Welt - wie der Ausgang einer Messung an einem einzelnen Quantenteilchen -, ohne dass es für sie einen zureichenden Grund in ebendieser Welt gibt.
ULF VON RAUCHHAUPT
Nicolas Gisin: "Der unbegreifliche Zufall". Nichtlokalität, Teleportation und weitere Seltsamkeiten der Quantenphysik. Aus dem Französischen von Manfred Stern. Springer Verlag Spektrum, Heidelberg 2014, 223 S., geb., 24,99 [Euro].
Alle Rechte vorbehalten. © F.A.Z. GmbH, Frankfurt am Main
Perlentaucher-Notiz zur F.A.Z.-Rezension
Nicolas Gisin, so behauptet Rezensent Ulf von Rauchhaupt, gelinge es tatsächlich besser als jedem vor ihm, bestimmte Sätze der Quantenphysik verständlich zu machen. Als Perlentaucher-Notizenschreiber muss man es also hinnehmen, dass einem ein Satz wie: "Die Natur ist auf Quantenebene demnach nicht lokal" doch eher abstrakt scheint. Glaubhaft macht Rauchhaupt immerhin, dass Gisin seine Argumentation so weit wie möglich entschlackt von der umständlichen Darlegung theoretischer Voraussetzungen einerseits und gar höherer Mathematik andererseits. Am Ende stellt sich heraus, dass es, basierend auf Annahmen des nordirischen Forschers John S. Bell und entgegen Vermutungen Albert Einsteins, den '"reinen Zufall" sehr wohl geben muss und zwar nicht lokal und in 50.000-facher Lichtgeschwindigkeit. Für weitere Erläuterungen ziehen vertrauensvolle Leser dieser Notiz bitte den hier besprochenen Band heran.
© Perlentaucher Medien GmbH
© Perlentaucher Medien GmbH
"... Physikerinnen und Physiker sowie Lehrende der Physik können von den in diesem Band enthaltenen Gedankengängen profitieren. Ein sehr empfehlenswerter Band." (Karl Schäfer, in: Aamzon.de, 17. Februar 2016)