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Nobelpreis für Physik 2022 – Für die Beantwortung einer Frage aus der ganz frühen Quantenphysik
Es kam bisher nicht vor, dass der Physik-Nobelpreis für ein Experiment vergeben wird, das sich auf ein fundamentales Problem der Physik von vor über 90 Jahren bezieht und dieses letztendlich zu lösen vermochte. Der Preis für 2022 ist ein solch einmaliger Fall: Neben Anton Zeilinger, der in den 1990er Jahren schon Anwendungen dieser grundlegenden Einsicht in der Physik entwickelte, erhielten John Clauser und Alain Aspect den Nobelpreis für die letztendliche Beantwortung der bis dahin offenen fundamentalen Frage der Quantenphysik: Gibt es in der Natur das Phänomen, dass Teilchen, die sehr weit voneinander entfernt sind, dennoch in direktem Kontakt miteinander stehen können? Äquivalent zu dieser Frage ist die, ob es in der Quantenphysik keine versteckte Variablen gibt. Diese Frage wurde von Alain Aspect 1982 (in seiner Doktorarbeit) beantwortet.
Um diese Frage zu erläutern und ihre grundlegende Bedeutung für die Physik sowie das Fundament einer die Zukunft vermutlich ebenso grundlegend prägenden Applikation auch Nicht-Physikern zu erläutern, wollen wir zunächst einmal ihr historisches Fundament betrachten. In der 1925 von (neben Erwin Schrödinger) Werner Heisenberg entwickelten Quantentheorie befand sich ein für die Nano-Welt bedeutendes Charakteristikum: Bestimmte Variablen eines Teilchens, wie z.B. dessen Ort und Impuls, lassen sich nicht mehr gleichzeitig beliebig genau bestimmen (Physiker sprechen von der «Heisenberg’schen Unschärferelation»). Für viele Physiker war dies eine grundlegende neue und für manche – wie Albert Einstein – nicht akzeptable Eigenschaft von Quantenteilchen. Letztere postulierten zur Erklärung Variablen, die nicht messbar sind, so genannte «versteckte Variablen», die den Teilchen letztendlich die «klassischen Eigenschaften zurückgeben» sollten. Doch im Jahre 1932 gab der grosse, damals aber noch recht junge, Mathematiker John von Neumann einen Beweis dafür bekannt, dass es solche verborgenen Variablen nicht geben kann. Damit schien das Problem ein für alle Mal gelöst – auch wenn sich Einstein noch Zeit seines Lebens dagegen wehrte. Schrödinger, ebenfalls kein Anhänger der nun mehrheitlich vertretenen Quantendeutung, führte 1935 als Konsequenz der Abwesenheit von versteckten Variablen ein Prinzip ein, dass Quantenteilchen damit auch über beliebig grosse Entfernungen miteinander – sogar auch mit makroskopischen Teilchen – verkoppelt («verschränkt») sein können, etwas, das in unserer alltäglichen Welt nicht möglich ist. So schrieb er:
„Sie [die Ψ-Funktion des Messobjektes] hat sich, nach dem zwangsläufigen Gesetz der Gesamt-Ψ-Funktion, mit der des Messinstrumentes verheddert (…)“
Doch hatte von Neumanns scheinbar unwiderlegbarer Beweis ein grosses Problem: Er war schlicht und einfach falsch. Über dreissig Jahre lang kam es niemandem in den Sinn, dem grossen John von Neumann zu widersprechen. Die bedeutendsten Physiker des 20. Jahrhunderts, von Bohr über Heisenberg bis zu Pauli, von Dirac über von Weizsäcker bis zu Feynman, nahmen den Beweis widerspruchslos als gültig an. Sogar Schrödinger und Einstein, die doch ein starkes Interesse daran hatten, jedes Argument zu hinterfragen, das diese Quantendeutung (die sogenannte «Kopenhagener Deutung») stützte, kamen nicht auf die Idee, von Neumanns Beweis in Zweifel zu ziehen. Nur eine einzige Person erkannte gleich zu Beginn, ebenfalls 1935, den Fehler in dessen mathematischer Herleitung: Grete Hermann. Überraschenderweise hatte ihr klarer (und gar nicht so schwer verständlicher) Gegenbeweis[1] lange Zeit keine Konsequenzen für die Quantenphysik. Es war, als hätte sie ihre Arbeit nie veröffentlicht.
Erst in den 1960er- und 1970er-Jahren wurde die Diskussion um verborgene Variablen in der Quantenwelt erneut aufgenommen. Man hatte in der Zwischenzeit zwar technologisch gewaltige Fortschritte in der Anwendung der Quantenphysik machen können – vom Laser im CD-Player bis zum modernen Computer, doch in der Beantwortung der Frage, wie die Phänomene der Quantenwelt im Detail zu erklären seien, war man noch nicht viel weitergekommen.
Es war der nordirische Physiker John Bell, der die Unzulänglichkeit des von Neumann’schen Beweises ein zweites Mal ans Licht brachte. Er kam dessen Fehler 1964 auf die Spur. Die Physikergemeinschaft musste anerkennen, dass in der Quantenwelt möglicherweise doch verborgene Variablen existieren. Ein Teil von Bells Aufsatz erklärte genau das – teils gar in ähnlicher Formulierung –, was Grete Hermann über dreissig Jahre zuvor schon längst herausgefunden hatte. Doch Bell ging in seiner Veröffentlichung einen Schritt weiter. Es gelang ihm, in Form einer Ungleichung ein mathematisches Kriterium anzugeben, das die Umstände benennt, unter denen verborgene Variablen in einer Quantentheorie auftreten können. Wenn jemand nachweisen konnte, dass die Bell’sche Ungleichung nicht zutrifft, wäre gleichzeitig bewiesen, dass es keine verborgenen Variablen gibt. Das Sensationelle an der Bell’schen Ungleichung war, dass sie nur experimentell überprüfbar ist. Theoretisch ging es nicht.
In den folgenden Jahren versuchten Physiker, ein Experiment zu kreieren und durchzuführen, dessen Ergebnis die Bell’sche Ungleichung verletzt. Ein erfolgreiches Experiment gelang jedoch erst gegen Ende des 20. Jahrhunderts. Es war das Jahr 1982, in dem es Alain Aspect endlich gelang, eindeutig eine Verletzung der Bell’schen Ungleichung experimentell zu zeigen. Dies leitete 50 Jahre nach Grete Hermanns Widerlegung einen neuen Aufschwung für die Grundlagenforschung in der Quantenphysik ein. Unter anderem war nun der Weg frei für ein tieferes Verständnis der Verschränkung räumlich getrennter Teilchen, wie sie Schrödinger bereits 1935 eingeführt hatte. Die neuen Erkenntnisse in der Theorie beflügelten wiederum die technologische Anwendung der Quantentheorie. Zum Beispiel folgte aus dem experimentellen Nachweis der Existenz verschränkter Teilchen die Vision von Quantencomputern, die Richard Feynman, ebenfalls in den frühen 1980er Jahren, artikulierte, und deren ersten experimentellen Schritte Anton Zeilinger in den 1990er Jahren umsetzte. Endlich wurde dafür nun der Physik-Nobelpreis vergeben.
[1] Siehe Lars Jaeger, Emmy Noether – Ihr steiniger Weg an die Weltspitze der Mathematik, Süd-Verlag (2022)