Einsteins brillanter Fehler: Quantenverschränkung - Chad Orzel

Die ganze Lektion unter: http://ed.ted.com/lessons/einstein-s-brilliant-mistake-entangled-states-chad-orzel

Wenn man an Einstein und Physik denkt, ist wahrscheinlich E=mc^2 das erste, das einem in den Sinn kommt. Aber eine seiner bedeutendsten Beiträge zu dem Feld kam tatsächlich in Form einer seltsamen philosophischen Fußnote in einem Aufsatz von 1935 zustande, den er mitverfasste -- der sich aber als falsch herausstellte. Chad Orzel beschreibt Einsteins "EPR"-Papier und seine Erkenntnisse zum seltsamen Phänomen der Verschränkung genau.

Lektion von Chad Orzel, Animation von Gunborg/Banyai.

Albert Einstein war maßgeblich
an der Begründung der Quantenmechanik

durch seine Theorie
des photoelektrischen Effekts beteiligt,

blieb aber tief beunruhigt
wegen ihrer philosophischen Folgen.

Obwohl die meisten sich an ihn
wegen der Ableitung E=MC^2 erinnern,

war sein letzter Beitrag zur Physik
eine Veröffentlichung im Jahr 1935,

die er zusammen mit den jüngeren Kollegen
Boris Podolsky und Nathan Rosen verfasste.

Bis weit in die 1980er hinein als seltsame
philosophische Fußnote betrachtet,

wurde dieses EPR-Papier vor Kurzem zentral
für das neue Verständnis der Quantenphysik

und zwar mit seiner Beschreibung
eines seltsamen Phänomens

namens Quantenverschränkung.

Der Aufsatz beginnt mit der Betrachtung
einer Quelle, die Teilchenpaare auswirft,

die zwei messbare Eigenschaften haben.

Jede Messung ergibt
zwei mögliche Ergebnisse

mit gleich hoher Wahrscheinlichkeit.

Null oder Eins für die erste Eigenschaft

und A oder B für die zweite.

Wurde eine Messung durchgeführt,

ergeben nachfolgende Messungen
derselben Eigenschaft desselben Teilchens

dasselbe Ergebnis.

Die seltsame Folge dieses Szenarios

ist nicht nur, dass der Zustand
eines einzelnen Teilchens unbestimmt ist,

bis es gemessen wurde,

sondern die Messung den Zustand festlegt.

Was noch wichtiger ist:
Die Messung beeinflussen sich gegenseitig.

Misst man ein sich im Zustand 1
befindliches Teilchen

und danach auf die zweite Art,

erhält man mit einer Wahrscheinlichkeit
von 50 % entweder A oder B als Ergebnis,

aber wenn man dann
die erste Messung wiederholt,

ist mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 %
das Resultat gleich Null,

selbst wenn für das Teilchen
der Zustand 1 gemessen wurde.

Das Wechseln der Eigenschaft,
die gemessen wird,

verändert das ursprüngliche Ergebnis,

indem es einen neuen,
zufälligen Wert ermöglicht.

Die Sache wird noch seltsamer,
wenn man sich beide Teilchen ansieht.

Jedes der Teilchen wird
zufällige Ergebnisse hervorbringen,

aber vergleicht man die beiden,

korrelieren sie perfekt miteinander.

Zum Beispiel: Wenn für beide Teilchen
0 gemessen wurde,

wird diese Beziehung immer beibehalten.

Die Zustände der beiden sind verschränkt.

Die Messung des einen,
weist mit absoluter Sicherheit,

auf den Zustand des anderen hin.

Aber die Quantenverschränkung scheint

gegen Einsteins berühmte
Relativitätstheorie zu verstoßen,

weil es keine Begrenzung
für den Abstand zwischen Teilchen gibt.

Misst man eines in New York am Mittag

und das andere in San Francisco
eine Nanosekunde später,

zeigen sie immer noch dasselbe Ergebnis.

Aber wenn die Messung den Wert bestimmt,

dann müsste ein Teilchen
eine Art Signal zum anderen senden,

13.000.000-mal schneller als das Licht,

was unmöglich ist,
gemäß der Relativitätstheorie.

Deswegen lehnte Einstein die Verschränkung
als "spukhafte Fernwirkung" ab.

Er entschied, die Quantenmechanik
müsse unvollständig sein,

eine bloße Annäherung
an eine tiefere Wirklichkeit,

in der beide Teilchen
vorbestimmte Zustände haben,

die uns verborgen bleiben.

Anhänger der orthodoxen Quantentheorie,
angeführt von Niels Bohr,

behaupteten, Quantenzustände
seien grundsätzlich unbestimmt

und die Verschränkung ermögliche
den Zustand eines Teilchens

von dem des entfernten Partners
abhängig sein zu lassen.

30 Jahre steckte die Physik
in einer Sackgasse,

bis John Bell den Schlüssel zum Test
des EPR-Arguments darin fand,

die Fälle mit unterschiedlichen Messungen
zweier Teilchen anzusehen.

Die Hypothese der lokalen
verborgenen Variable,

die von Einstein, Podolsky
und Rosen bevorzugt wurde,

begrenzte streng, wie oft man Ergebnisse
wie 1A oder B0 erhalten könnte,

weil die Resultate im Voraus
definiert werden müssten.

Bell zeigte auf,
dass der reine Quanten-Ansatz,

wo der Zustand bis zur Messung
wirklich unbestimmt ist,

verschiedene Beschränkungen hat
und gemischte Messergebnisse vorhersagt,

die für das vorherbestimmte Szenario
unmöglich sind.

Sobald Bell den Test des EPR-Arguments
ausgearbeitet hatte,

machten Physiker sich daran
ihn durchzuführen.

Angefangen bei John Clauster in den 70ern
und Alain Aspect in den frühen 80ern

haben in dutzenden Experimenten
die EPR-Vorhersage getestet

und alle haben dasselbe herausgefunden:

Die Quantenmechanik ist zutreffend.

Die Korrelationen zwischen

unbestimmten Zuständen
verschränkter Teilchen sind real

und können nicht durch irgendwelche
tiefgründigeren Variablen erklärt werden.

Das EPR-Papier lag falsch,
aber auf brillante Weise.

Indem es Physiker dazu anleitete,

tiefer über die Grundlagen
der Quantenphysik nachzudenken,

führte es zu weitergehender
Ausarbeitung der Theorie

und half, Forschung über Themen
wie Quanteninformation anzustoßen,

das jetzt ein gedeihendes Feld ist,

mit dem Potential, Computer
ohne vergleichbare Leistung zu entwickeln.

Leider verhindert die Zufälligkeit
der gemessenen Ergebnisse

Science-Fiktion-Szenarios,
wie ein Einsetzen verschränkter Teilchen,

um Nachrichten schneller
als Licht zu versenden.

Die Relativitätstheorie
ist in Sicherheit. Vorerst.

Aber das Quantenuniversum ist eigenartiger
als Einstein glauben wollte.