Fehlersuche in der Quantenwelt

Es gibt wohl keine andere wissenschaftliche Theorie, die derart gut abgest¨¹tzt ist wie die Quantenmechanik. Seit fast 100 Jahren wird sie immer und immer wieder mit hoher Pr?zision experimentell best?tigt. Und doch sind die Physiker nicht restlos gl¨¹cklich. Denn die Quantenmechanik beschreibt zwar sehr genau das Geschehen auf der mikroskopischen Ebene. Doch bei gr?sseren Objekten st?sst sie an ihre Grenzen ¨C insbesondere wenn es sich um Objekte handelt, bei denen die Gravitationskraft eine Rolle spielt. So l?sst sich etwa das Verhalten von Planeten mit der Quantenmechanik nicht beschreiben. Das ist nach wie vor die Dom?ne der allgemeinen Relativit?tstheorie, die wiederum die Vorg?nge im Kleinen nicht richtig zu beschreiben vermag. Viele Physiker tr?umen denn auch davon, die Quantenmechanik mit der Relativit?tstheorie zu einem schl¨¹ssigen Bild unserer Welt zu verkn¨¹pfen.

Hin zu gr?sseren Objekten

Doch wie lassen sich zwei Theorien miteinander verbinden, die zwar beide in ihren Dom?nen die physikalischen Vorg?nge sehr treffend beschreiben, aber eben doch sehr unterschiedlich sind? Ein m?glicher Weg ist, quantenphysikalische Experimente mit immer gr?sseren Objekten durchzuf¨¹hren. Die Hoffnung dabei: Irgendwann tauchen Unstimmigkeiten auf, die m?gliche L?sungswege aufzeigen. Doch den Physikern sind dabei enge Grenzen gesetzt. Das ber¨¹hmte Doppelspaltexperiment etwa, mit dem gezeigt werden kann, dass feste Partikel sich gleichzeitig wie Wellen verhalten, l?sst sich mit Alltagsgegenst?nden nicht durchf¨¹hren.

Mit Gedankenexperimenten hingegen lassen sich die Grenzen zur makroskopischen Welt ¨¹berwinden. Genau das haben Renato Renner, Professor f¨¹r theoretische Physik, und seine ehemalige Doktorandin Daniela Frauchiger nun in einer Publikation gemacht, die heute in der Zeitschrift ?Nature Communications? ver?ffentlicht wird. Salopp gesagt betrachten die beiden in ihrem Gedankenexperiment einen hypothetischen Physiker, der ein quantenmechanisches Objekt untersucht, und berechnen dann mit Hilfe der Quantenmechanik, was der Physiker feststellen wird. Gem?ss unserem heute g¨¹ltigen Weltbild sollte diese indirekte Betrachtung zum gleichen Resultat f¨¹hren wie die direkte Beobachtung. Doch die Berechnungen der beiden zeigen, dass dies gerade nicht der Fall ist: Die Voraussage, was der Physiker beobachten wird, ist gerade das Gegenteil dessen, was man direkt messen w¨¹rde ¨C eine paradoxe Situation.

Keine einfachen L?sungen

Obwohl das Gedankenexperiment erst jetzt offiziell in einer Wissenschaftszeitschrift publiziert wird, hat es in der Fachwelt bereits f¨¹r Gespr?chsstoff gesorgt. Da sich der Publikationsprozess immer wieder verz?gerte, gibt es inzwischen bereits verschiedene andere Publikationen, die sich mit den Befunden befassen ¨C auch das eine paradoxe Situation, wie Renner schmunzelnd anmerkt.

Die ¨¹bliche erste Reaktion seiner Fachkollegen sei meistens, die Berechnungen anzuzweifeln, berichtet Renner. Doch bisher ist es niemandem gelungen, die Kalkulationen zu falsifizieren. Ein Gutachter r?umte ein, er h?tte inzwischen f¨¹nf Mal erfolglos versucht, einen Fehler in den Berechnungen zu finden. Andere Kollegen wiederum pr?sentierten konkrete Erkl?rungen, wie das Paradox gel?st werden kann. Doch bei n?herem Hinsehen zeigte sich stets, dass es sich um Ad-hoc-L?sungen handelt, mit denen sich das Problem nicht aus der Welt schaffen l?sst.

Irritierende Schlussfolgerungen

Bemerkenswert findet Renner, dass das Thema offenbar polarisiert. Einige Kollegen h?tten auf seine Ergebnisse sehr emotional reagiert, stellt er erstaunt fest. Das liegt wohl daran, dass die zwei naheliegenden Schlussfolgerungen aus Renners und Frauchigers Befunden gleichermassen irritierend sind. Die eine Erkl?rung ist, dass die Quantenmechanik offensichtlich nicht wie bisher angenommen universell anwendbar ist und demnach nicht auf gr?ssere Objekte angewendet werden kann. Doch wie kann es sein, dass eine Theorie, die experimentell immer wieder so deutlich best?tigt wurde, inkonsistent ist? Die andere Erkl?rung lautet, dass es offenbar nicht nur in der Politik, sondern auch in der Physik keine klaren Fakten gibt und dass es neben dem, was wir f¨¹r wahr halten, auch noch andere M?glichkeiten gibt.

Mit beiden Interpretationen tut sich Renner schwer. Er ist vielmehr ¨¹berzeugt, dass sich das Paradox auf andere Weise l?sen wird: ?Wenn man in der Geschichte zur¨¹ckblickt, dann kam die L?sung in solchen Momenten oft von unerwarteter Seite?, erkl?rt er. So basiert beispielsweise die allgemeine Relativit?tstheorie, mit der Widerspr¨¹che in der Newtonschen Physik aufgel?st werden konnten, auf der Einsicht, dass das damals noch g?ngige Konzept der Zeit falsch war. ?Unsere Aufgabe besteht nun darin zu pr¨¹fen, ob wir bei unserem Gedankenexperiment nicht Annahmen getroffen haben, die wir in dieser Form nicht h?tten treffen d¨¹rfen?, erkl?rt Renner. ?Wer weiss, vielleicht m¨¹ssen wir sogar unsere Vorstellung von Raum und Zeit nochmals revidieren.? F¨¹r Renner w?re das durchaus eine reizvolle Option: ?Nur wenn wir bisherige Theorien fundamental ¨¹berdenken, gelangen wir zu tieferen Einsichten, wie die Natur wirklich funktioniert.?