Jurgen Audretsch

Verschränkung ist einer der ganz fundamentalen Begriffe unseres Universums. Das kristallisierte sich in den letzten Jahren immer klarer heraus. Leonard Susskind erklärt etwa: „Die Raumzeit wird durch Verschränkung zusammen gehalten.“  Verschränkung ist also nicht nur ein exotisches Phänomen, an dem man sich belustigen kann. Vielmehr ist es möglicherweise der Kernbegriff, um den herum eine Theorie von Allem aufgebaut werden muss – in Kombination mit dem Begriff der Information, der eng mit ersterem zusammen hängt. So ist es sehr erfreulich, von einer Reihe kompetenter Autoren unter der Regie von Jürgen Audretsch über die Hintergründe dieser Begriffe lesen zu können.

Verschränkungen entstehen immer, wenn zwei oder mehr Quantenobjekte miteinander wechselwirken. Bei der Wechselwirkung bleiben verschiedene Grössen erhalten, etwa die Energie, der Impuls und der Spin. Nach der Wechselwirkung ist aber im allgemeinen nicht mehr klar, wie diese Grössen auf die beteiligten Teilchen verteilt sind. Wir können für diese Verteilung nur Wahrscheinlichkeiten angeben.  Nach der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation beruhen diese Wahrscheinlichkeiten nicht auf unserem Unwissen, sondern sie sind unausweichlich. Schon bei einem einzelnen Teilchen ist nur entweder der Impuls oder der Aufenthaltsort exakt bestimmt.

Diese Behauptung führte zu einer berühmten Debatte zwischen Albert Einstein und Niels Bohr, die von Carsten Held im hier besprochenen Buch sehr erfrischend dargestellt wird. Einstein war überzeugt, dass es in der Natur keinen Zufall gibt. Denn nach der von ihm entwickelten Relativitätstheorie ist die Zeit eine Illusion, und ohne Zeit hat auch der Zufall keinen Platz. Deshalb betonte Einstein immer wieder: „Gott würfelt nicht!“ Um zu beweisen, dass die Quantentheorie unvollständig ist, konstruierte er zusammen mit Nathan Rosen und Boris Podolsky das Einstein-Podolsky-Rosen Gedankenexperiment, das den Höhepunkt der Quantenphilosophie bildet und die ganze Seltsamkeit der Verschränkungen zeigt. Es scheint bei diesem Experiment, als würden die zwei verschränkten Teilchen über weite Distanzen irgendwie verbunden bleiben und Information austauschen.

Diese seltsame Verschränkung und der ungewohnte Begriff der Quanten-Information werden in Quantencomputern ausgenützt. Dies ist das Thema der Kapitel 4 bis 7. Gleichzeitig kriegt der Leser in diesen Kapitel ein Gefühl dafür, was Quanten--Information ist, und wie sie sich von klassischer Information unterscheidet.

Das Hauptproblem bei Quantencomputern besteht darin, die Teilchen so von der Umwelt abzuschirmen, dass die Verschränkung erhalten bleibt. Denn bei der geringsten Wechselwirkung mit der Umgebung, breitet sich die Verschränkung aus. Wie dies genau vor sich geht, beschreibt die Dekohärenz-Theorie, die von Erich Joos in Kapitel 8 bemerkenswertem philosophischem Durchblick vorgestellt wird.

Joos zeigt auf, dass die Quantentheorie keineswegs in einen klassischen Grenzfall übergeht, wenn die Objekte grösser werden. Vielmehr gibt es im Formalismus der Quantentheorie keinen Grund, weshalb Schrödingers Trauma nicht wahr sein sollte, dass nämlich eine Katze gleichzeitig tot und lebendig sein kann. Theoretisch müsste sogar jede Katze gleichzeitig tot und lebendig sein und dieser Zustand ist theoretisch sogar experimentell nachweisbar. Das ist eine Kernaussage des offiziellen Formalismus der Quantentheorie, mit dem jeder Quantenphysiker heute täglich rechnet (mit dem Formalismus, nicht mit den lebendig-toten Katzen).

Die Dekohärenz-Theorie erklärt, weshalb ein solches Experiment in der Praxis völlig unmöglich ist. Wir müssten dazu sämtliche beteiligte Teilchen exakt ausmessen und miteinander verrechnen. Und diese sind sehr rasch über Millionen von Kilometern im Weltraum verteilt, wenn nur z. B. die lebende Katze mehr Wärmestrahlung abgibt, als die tote. Erich Joos rechnet vor, wie die Dekohärenz bei einem Staubkorn abläuft, und wie ein Gravitationsfeld zu Dekohärenz führt. Bereits sehr kleine Objekte sind mit der Umgebung durch so komplizierte Wechselwirkung verbunden, dass die Überlagerungen nicht mehr beobachtbar sind, obwohl sie nach der Dekohärenz-Theorie nach wie vor existieren.

Wie sieht es aber im Gehirn aus? – Der Beobachter spielt in der Quantentheorie eine besondere Rolle. Mehrere grosse Physiker haben sich deshalb überlegt, ob Quanteneffekte bei der Erklärung des Bewusstseins eine Rolle spielen. Bereits Wolfgang Pauli vermutete, dass eine Synchronizität wie bei verschränkten Teilchen im Gehirn eine Rolle spielt und dass durch solche Effekte gar telepathische Fähigkeiten möglich seien. Esoteriker saugen diese Vorlage wie Schwämme auf, und Quanten sind heute der Schlüsselbegriff für eine breite Palette von Humbug.

Sehr schön deshalb, dass Joos auch auf diese Ideen eingeht. Der Punkt ist: Im menschlichen Gehirn geschieht gerade das Gegenteil der Abschottung, wie wir sie im EPR Experiment haben. Im Einstein-Podolsky-Rosen Experiment und in Quantencomputern betreibt man grossen Aufwand, um die Dekohärenz zu verhindern. Nur deshalb können wir dort das nicht-klassische Verhalten der Quanten beobachten. Ein  EPR Teilchenpaar verhält sich nur solange synchron, wie es von der Umgebung völlig isoliert ist.

Im Gehirn dagegen sind Abertausende von Neuronen eng vernetzt. Wenn nur schon ein einzelnes Neuron einen elektrischen Impuls abgibt, sind unzählige Atome beteiligt. Es ist vollkommen undenkbar, dass in diesem Getümmel ein verschränkter Zustand so sauber erhalten bleibt, dass die Verschränkung beobachtbar wäre. Max Tegmark berechnete, dass ein überlagerter Zustand, bei dem ein Neuron gleichzeitig feuert und nicht feuert, nach etwa 0,000'000'000'000'000'000’01 Sekunden verschwindet. Joos notiert: „Das heisst, wir haben gar keine Chance, „seltsame“ Wahrnehmungen zu machen, da obige Superposition viel zu instabil ist."

Viele Physiker glauben, mit der Dekohärenz-Theorie seien die Interpretionsfragen der Quantenphysik gelöst. Joos zeigt auf, dass diese Probleme nur umso grösser werden, wenn wir grössere Objekte betrachten. Die Dekohärenz-Theorie erklärt, weshalb wir keine überlagerten Katzen sehen können. Sie geht aber klar davon aus, dass die Überlagerungen weiter bestehen. Die Dekohärenz-Theorie beweist, dass wir die Quantentheorie nicht ergänzen müssen. Wir können durchaus annehmen, die Quantentheorie sei vollständig. Das bedeutet aber, dass die Überlagerungen bestehen bleiben, obwohl wir sie nicht mehr beobachten können. Dies ist die sogenannte Viele-Welten Interpretation. Wer damit nicht zufrieden ist, muss der heutigen Beschreibung ein weiteres Element hinzufügen, das die nicht beobachtbaren Welten verschwinden lässt.

Im Abschlusskapitel diskutiert Michael Esfeld die philosophischen Herausforderungen, die sich durch die Quantentheorie stellen. Und auch er liegt wohl richtig, wenn er nicht die Frage nach dem Zufall in den Fokus rückt, der die Debatte zwischen Bohr und Einstein dominierte. Vielmehr stellt er fest, dass wir uns angewöhnt haben, Systeme in Teile zu zerlegen, während in der Quantenphysik Verschränkungen fundamental sind. Das Ziel muss sein, eine Naturphilosophie der Relationen zu entwickeln. Dies ist übrigens genau, was die Loop-Theorie macht.

Insgesamt ein inspirierendes Buch zu Aspekten der Quantenphysik, die andere Autoren etwas vernachlässigen. Die verwendete Mathematik ist überschaubar: Man sollte mit komplexen Zahlen umgehen können. Zustandvektoren und Dirac-Klammern (Bra-Kets) werden eingeführt. Vermisst habe ich lediglich ein Kapitel zur Thermodynamik an Horizonten, etwa zur Hawking-Strahlung, bei der Verschränkungen ebenfalls eine entscheidende Rolle spielt.

Für Vollblutphysiker empfehle ich von Jürgen Audretsch: ‚Verschränkte Systeme – Die Quantenphysik auf neuen Wegen’.