Kein Raum, keine Zeit, keine Teilchen: Vlatko Vedrals radikale Vision der Quantenrealität – New Scientist
Wenn wir zugeben, dass Quantenzahlen die wahre Essenz der Realität sind – nicht Teilchen, Raum oder Zeit -, dann eröffnet sich uns eine überraschende und wunderschöne neue Sichtweise der Realität.
Quelle: No space, no time, no particles: Vlatko Vedral’s radical vision of quantum reality | New Scientist
Viele haben die Geburt der Quantenmechanik auf die kleine, baumlose Insel Helgoland zurückgeführt, wo sich der junge Werner Heisenberg im Sommer 1925 aufhielt. Dort skizzierte er die Grundlagen dessen, was später unsere brillanteste und erfolgreichste Methode zur Erklärung der Realität werden sollte. Im Mittelpunkt seines Ansatzes stand die Entscheidung, sich ausschließlich auf das zu konzentrieren, was Beobachter bei der Messung von Teilchen feststellen würden.
Das war ein Geniestreich – aber es hat Physiker auch 100 Jahre lang in einen Teufelskreis gebracht. Ein Großteil der Probleme lässt sich auf Fragen darüber zurückführen, was ein Beobachter ist und was genau eine Beobachtung ausmacht. Sollen wir glauben, dass die Realität irgendwie davon abhängt, dass wir sie betrachten?
Ich glaube, es ist jetzt an der Zeit, sich von diesem metaphysischen Durcheinander zu lösen. Ich habe mich während eines Großteils meiner Karriere mit der Quantentheorie beschäftigt und bin zu der Überzeugung gelangt, dass wir keine Beobachter brauchen – es macht keinen Sinn, über sie zu sprechen. Es gibt eine viel konsistentere und vernünftigere Methode, die Quantenwelt zu beschreiben, die ich Ihnen nun vorstellen möchte, zusammen mit drei entscheidenden Experimenten, die meine These belegen.
Obwohl dieses Rahmenwerk meiner Meinung nach logisch sehr sinnvoll ist, führt es uns doch in unbekanntes Terrain. Nicht nur Beobachter existieren nicht – es gibt auch keine Teilchen. Und Raum und Zeit? Nun, dazu kommen wir noch. Das ist sicherlich tiefes Wasser, aber es lohnt sich, sich darauf einzulassen, denn dabei finden wir Hinweise darauf, was jenseits der uns bekannten Quantentheorie liegen könnte.
Beginnen wir mit einem kurzen Überblick über die moderne Physik und das Netz von Problemen, das sie aufwirft. Beobachter waren schon lange vor der Quantenmechanik ein zentraler Grundsatz der Physik: Tatsächlich spielten sie eine entscheidende Rolle bei Albert Einsteins Entwicklung der speziellen und der allgemeinen Relativitätstheorie. Letztere besagt, dass Raum und Zeit in der Struktur der Raumzeit miteinander verschmolzen sind und dass es die Krümmung dieser Struktur ist, die die Schwerkraft erzeugt. Ich werde diese Ansicht später in Frage stellen, aber eine Implikation der ursprünglichen Idee ist, dass Beobachter an Orten, an denen die Krümmung der Raumzeit unterschiedlich ist, die Zeit mit unterschiedlichen relativen Geschwindigkeiten vergehen sehen.
Wenn wir Relativitätstheorie unterrichten, sprechen wir oft auf diese Weise über Beobachter und stellen uns diese als Menschen vor. Aber in Wahrheit verändert sich die Zeit, die jedes sich bewegende Objekt (sogar beispielsweise ein Atom) erlebt, in Bezug auf Objekte in unterschiedlichen Gravitationsfeldern. Diese Unterschiede müssen nicht durch Beobachtung aufgezeichnet werden, daher brauchen wir keine spezielle Kategorie von „Beobachtern”.
Die allgemeine Relativitätstheorie ist die erste der beiden Säulen der modernen Physik, die andere ist die Quantentheorie selbst. Der Kern dieser Theorie besteht darin, dass die Realität auf der grundlegendsten Ebene in diskrete Einheiten unterteilt ist. Wenn Atome beispielsweise Energie aufnehmen oder abgeben, geschieht dies in Paketen einer bestimmten Größe und nicht kontinuierlich. Aber auch Beobachter sind Teil der Quantentheorie, da diese zwischen Teilchen vor und nach der „Beobachtung” unterscheidet. Vorher beschreiben wir sie mit Hilfe der Wellenfunktion, einer Gleichung, die eine Reihe möglicher Eigenschaften festlegt – eine Überlagerung. Danach soll diese zu einem bestimmten Wert „kollabieren”.
Das Problem dabei ist, dass dies alle möglichen Fragen aufwirft, von denen die grundlegendste lautet, wie und warum der Kollaps geschieht. Außerdem entstehen dadurch Paradoxien, wie zum Beispiel Wigners Freund, den sich der Physiker Eugene Wigner vor Jahrzehnten ausgedacht hat. Er stellte sich einen „Freund“ in einem abgeschlossenen Labor vor, der eine Quantenmessung durchführt, während er selbst draußen wartet. Das Problem entsteht, wenn wir die Beschreibungen der Realität der beiden Personen vergleichen. Wigner hat nichts beobachtet, daher wird das gesamte Labor durch die unscharfe Wellenfunktion beschrieben. Für seinen Freund gibt es jedoch ein eindeutiges Ergebnis. Mit diesem Paradoxon stellte Wigner die Frage, woher wir wissen, wann eine Beobachtung endgültig ist.
Einige Physiker sind der Meinung, dass wir die Quantentheorie anpassen müssen, um all dies zu erklären. Ich bin jedoch anderer Meinung. Um meine Sichtweise zu erläutern, müssen wir das Phänomen der Verschränkung verstehen, das Erwin Schrödinger als „charakteristisches Merkmal” der Quantentheorie bezeichnete. Die Quantenverschränkung wird oft als mysteriös angesehen, aber eigentlich handelt es sich dabei nur um eine besondere Verbindung zwischen zwei Quantenobjekten, sodass man bei der Messung des einen sofort etwas über die Eigenschaften des anderen erfährt. Hier ist der entscheidende Punkt: Wenn wir von „Beobachtungen” sprechen, meinen wir meiner Meinung nach eigentlich den Moment, in dem zwei Systeme miteinander verschränkt werden. Das verschränkte Objekt kann zwar eine Person sein – ein „Beobachter” –, muss es aber nicht.
Lassen Sie mich Ihnen ein Beispiel geben. Es gibt ein berühmtes Experiment, bei dem ein Lichtteilchen oder Photon in Superposition gleichzeitig durch zwei Spalte in einem Bildschirm geht und beim Auftreffen auf einen zweiten Bildschirm ein Interferenzmuster erzeugt. Wenn wir jedoch beobachten, durch welchen Spalt das Photon geht, findet keine Interferenz statt. Bevor Sie nun zu dem Schluss kommen, dass unsere Beobachtung die Überlagerung aufhebt, bedenken Sie bitte, dass wir denselben Effekt erzielen, wenn wir etwas anderes mit dem Photon verschränken, sodass erkennbar wird, welchen Spalt es durchläuft.
Wir sollten also nicht mehr von „Beobachtern” sprechen, sondern stattdessen von Verschränkung. Diese Sichtweise löst übrigens auch die Frage auf, die Wigner mit seinem Paradoxon aufgeworfen hat. Es gibt keinen „ultimativen” Beobachter – es gibt überhaupt keine Beobachter. Was wirklich geschieht, ist, dass das System und der Beobachter (eben ein weiteres System) verschränkt werden.
Was Sie aus all dem mitnehmen sollten, ist, dass die Quantentheorie bereits alles enthält, was wir zum Verständnis der Realität benötigen. Wir müssen nur ihre vollständigen Implikationen ernst nehmen – auch wenn sie seltsam erscheinen. Lassen Sie uns nun also untersuchen, wohin uns das führt, beginnend mit einem zentralen Begriff der Physik: Teilchen.
Die Unwirklichkeit von Teilchen
Um dieses Konzept zu verstehen, müssen wir uns zunächst mit Feldern befassen. Ein Feld ist eine Einheit, die überall existiert und sich im Laufe der Zeit verändert. Diese Idee wurde ursprünglich von Michael Faraday in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts eingeführt. In der klassischen elektromagnetischen Feldtheorie sind die Werte für das elektrische und magnetische Feld gewöhnliche (oder klassische) Zahlen, sogenannte c-Zahlen, wie beispielsweise 5 Meter. Jedem Punkt im Raum sind drei elektrische Feldzahlen und drei magnetische Feldzahlen zugeordnet.
In der Quantentheorie sprechen wir stattdessen von Quantenfeldern, bei denen jeder Punkt im Raum nicht durch einzelne Zahlen, sondern durch Zahlentabellen beschrieben wird. Diese Tabellen werden als Quantenzahlen oder q-Zahlen bezeichnet. Aus diesem Grund betrachten viele Menschen Heisenbergs Arbeit aus dem Jahr 1925 als den Beginn der Quantenphysik: Er war der Erste, der vorschlug, die Positionen und Impulse von Teilchen auf q-Zahlen zu erweitern. Dieser Unterschied zwischen c-Zahlen und q-Zahlen ist einfach, aber tiefgreifend – wir werden später darauf zurückkommen.
Allerdings ist nicht jeder bereit, die vollständigen Implikationen der Quantenfelder ernst zu nehmen. Als Physiker das klassische elektromagnetische Feld quantisierten, bedeutete dies, dass das Feld in mehr Moden schwingen konnte als zuvor möglich war. Im Quantenfeld gibt es vier dieser Moden, und die Theorie sagt voraus, dass sich das Feld in jeder dieser Moden als Teilchen, in diesem Fall als Photonen, manifestieren können sollte. Aber hier kommt das Seltsame: Wir können Photonen nur in zwei dieser Moden nachweisen. Die anderen beiden heben sich gegenseitig auf und sind selbst im Prinzip nicht nachweisbar. Diese „Geister”-Photonen sind daher nicht beobachtbar, aber dennoch unvermeidbar.
Philosophisch beunruhigend? Vielleicht. Aber das ist nicht ungewöhnlich. Ein Großteil der Wissenschaft funktioniert so. Wir postulieren Dinge, weil die Erklärungskraft einer Theorie ohne sie zusammenbrechen würde.
Ich denke, wir sollten diese Seltsamkeiten nicht unter den Tisch kehren, sondern sie annehmen. Chiara Marletto, meine Kollegin an der Universität Oxford, und ich haben vorgeschlagen, dass diese Geister, obwohl sie nicht direkt nachweisbar sind, unter bestimmten Umständen mit Elektronen verschränkt werden sollten und diese Verschränkung grundsätzlich nachweisbar sein könnte. Wie wir in einer Veröffentlichung aus dem Jahr 2023 dargelegt haben, könnte man dies erreichen, indem man ein Elektron in eine Überlagerung versetzt, woraufhin es sich, wenn wir Recht haben, mit den Geistern verschränken sollte, was mit der richtigen Art von sorgfältiger Messung nachweisbar wäre. Es ist ein anspruchsvolles Experiment, aber sicherlich eines, das mit der vorhandenen Technologie machbar ist. Es wäre das quantenmechanische Äquivalent zum Sehen eines Geistes.
Was würde es bedeuten, wenn dieses Experiment zeigen würde, dass diese Geister verschränkt werden können, wie ich es voll und ganz erwarte? Das Grundlegendste, was wir normalerweise als verschränkungsfähig betrachten, ist ein Teilchen. Aber Geister können nicht wirklich als Teilchen betrachtet werden. In Wahrheit sind sie nur q-Zahlen in einer Gleichung. Aber genau das ist für mich der springende Punkt. Es sind die q-Zahlen, die grundlegend sind, nicht die menschliche Vorstellung von einem „Teilchen”. Es ist einfach so, dass Teilchen q-Zahlen haben, und das hat uns zu der irrigen Annahme verleitet, dass erstere die grundlegenden Elemente der Realität sind, obwohl es in Wirklichkeit letztere sind.
Es gibt noch eine weitere Ebene der Komplexität, die meine Argumentation, dass Teilchen nicht real sind, untermauert. Betrachten wir ein einzelnes Teilchen, beispielsweise ein Elektron. In der Sprache der klassischen Quantentheorie würden wir sagen, dass sich dieses Teilchen vor der Messung in einer Überlagerung von Zuständen befindet. Es ist sowohl hier als auch dort, und beide Möglichkeiten werden durch q-Zahlen beschrieben. Aber ändern Sie nun Ihre Perspektive. Wenn q-Zahlen die Essenz der Realität sind, können diese beiden q-Zahlen miteinander verschränkt sein. Anders ausgedrückt könnte man sagen, dass ein Teilchen in Überlagerung „mit sich selbst verschränkt” sein kann.
Nicht alle Physiker würden dies für möglich halten, aber vor mehr als 15 Jahren habe ich ein Experiment vorgeschlagen, mit dem sich die Wahrheit herausfinden lässt, diesmal zusammen mit meinem Kollegen Jacob Dunningham, der jetzt an der Universität Sussex in Großbritannien tätig ist. Man nehme ein einzelnes Teilchen und versetze es in einen delokalisierten Zustand, sodass es sich in einer Überlagerung zweier verschiedener physikalischer Orte befindet. Um experimentell zu überprüfen, ob die Überlagerung verschränkt ist, muss man an den beiden verschiedenen Orten separate Messungen durchführen und überprüfen, ob sie gegen eine Gleichung namens Bell-Ungleichung verstoßen, dem Kennzeichen der Verschränkung.
Es gibt bereits einige Hinweise darauf, dass diese Verschränkung einzelner Teilchen auftritt. Experimente, die Björn Hessmo vom KTH Royal Institute of Technology in Schweden und seine Kollegen im Jahr 2004 durchgeführt haben, zeigten, dass einzelne Photonen, die sich zwischen zwei Positionen aufteilen, tatsächlich gegen die Bellsche Ungleichung verstoßen. Mit anderen Worten: Photonen sind keine grundlegenden Elemente der Realität – entscheidend sind ihre q-Zahlen. Allerdings sind Photonen masselos, und bisher hat noch niemand dieses Experiment mit einem Objekt mit Masse durchgeführt, beispielsweise einem Atom oder sogar einem viel leichteren Elektron, da solche Experimente sehr anspruchsvoll sind. Ich habe jedoch keinen Zweifel daran, dass das Ergebnis dasselbe wäre.
Sind Raum und Zeit real?
Jetzt sind wir bereit, über Raum und Zeit zu sprechen. Manche betrachten dies als die letzte Grenze der Physik, und es hängt mit dem größten ungelösten Problem dieses Fachgebiets zusammen, nämlich der Vereinigung der beiden Säulen der Physik, der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantentheorie, zu einer Theorie der Quantengravitation. Da ich bisher argumentiert habe, dass wir uns alles als aus q-Zahlen bestehend vorstellen sollten, könnte man erwarten, dass auch Raum und Zeit quantenhaft sind. Tatsächlich denken viele Forscher so.
Ich vertrete jedoch eine radikalere Ansicht: Raum und Zeit existieren überhaupt nicht. Wie „Beobachter” sind sie praktische Bezeichnungen – Buchhaltungsinstrumente –, aber es gibt keine physikalischen Entitäten, die ihnen entsprechen. Daher bedeutet die Quantisierung der Gravitation nicht die Quantisierung der Raumzeit, sondern die Quantisierung des Gravitationsfeldes (die Umwandlung von Einsteins c-Zahlen in q-Zahlen) auf die gleiche Weise, wie andere Felder quantisiert werden.
Das mag wie eine Kleinigkeit erscheinen. Schließlich wird das Gravitationsfeld in der allgemeinen Relativitätstheorie als nichts anderes als eine Krümmung der Raumzeit betrachtet. Aber hier kommt meine Wendung ins Spiel: Was sich krümmt, ist nicht Raum oder Zeit, sondern Felder wie das elektromagnetische Feld, das alle Materie zusammenhält. Atome, Moleküle, Uhren und Lineale sind alle durch Elektromagnetismus miteinander verbunden. Die Aufgabe des Gravitationsfeldes besteht darin, sich mit diesen Feldern zu verbinden und ihnen zu sagen, wie sie sich krümmen sollen. Der Einfachheit halber sprechen wir davon, dass diese Felder über ein unsichtbares Gitter gelegt sind, das wir Raumzeit nennen. Das ist in Ordnung, aber wir sollten uns nicht der Illusion hingeben, dass die Raumzeit fundamental ist.
Einige meiner Kollegen mögen dies für ziemlich extrem halten, und ich gebe zu, dass es derzeit schwierig ist, sich ein Experiment vorzustellen, das meine These beweisen könnte. Aber für mich ist dies alles Teil einer wörtlichen Auslegung der Quantentheorie. Ich behaupte, dass die Schwerkraft genau wie jedes andere Quantenfeld sein sollte.
Also: keine Teilchen, kein Raum, keine Zeit. Stattdessen denke ich, dass die Grundzutat der Natur die q-Zahl ist. Lassen Sie uns zum Abschluss untersuchen, wie uns die vollständige Akzeptanz dieses Prinzips zu neuen Erkenntnissen führen könnte. Was ich jetzt sagen werde, erinnert mich an die Geschichte, als der Philosoph Bertrand Russell einen Vortrag über Kosmologie hielt und von einem Teilnehmer unterbrochen wurde, der behauptete, das Universum werde von einer riesigen kosmischen Schildkröte getragen. Als Russell ihn fragte, worauf die Schildkröte stehe, antwortete er: „Es sind Schildkröten bis zum Ende!“ Mein Vorschlag ist ähnlich, obwohl keine Schildkröten involviert sind.
Wenn wir darüber sprechen, wie Quantenfelder interagieren, verwenden wir ein mathematisches Konstrukt namens Quanten-Hamiltonoperator. Es hat mich lange gestört, dass diese Hamiltonoperatoren q-Zahlen mit gewöhnlichen c-Zahlen vermischen – zum Beispiel physikalische Konstanten wie die Lichtgeschwindigkeit oder die Elektronenladung. Das ist zwar gängige Praxis, erscheint mir aber nicht richtig. Im Laufe des letzten Jahrhunderts haben Physiker klassische Gleichungen genommen und einige Teile davon quantenmechanisch gestaltet. Aber wäre es nicht eleganter und würde es nicht eher dem Geist der Philosophie entsprechen, die ich vertrete, wenn unsere Gleichungen durch und durch quantenmechanisch wären?
Ich bin nicht der Erste, der so denkt. In den 1980er Jahren schlug der Physiker David Deutsch vor, c-Zahlen ganz zu eliminieren und alle Größen in Quanten-Hamilton-Operatoren in q-Zahlen umzuwandeln. Dies hätte jedoch seltsame Konsequenzen. Betrachten wir nur eine der Möglichkeiten und schauen wir uns die Lichtgeschwindigkeit an, die wir derzeit als einfache c-Zahl behandeln. Wenn wir diese in eine q-Zahl umwandeln würden – die, wie wir uns erinnern, immer einen Punkt in einem Quantenfeld beschreibt –, würde dies bedeuten, dass es ein neues Quantenfeld gibt, das mit der Lichtgeschwindigkeit verbunden ist. Es wäre ein bisschen so wie damals, als wir das elektromagnetische Feld quantisiert haben und diese lästigen Geister erhielten – ein Hinweis darauf, dass die Realität mehr umfasst, als wir dachten.
Diese allgemeine Idee lässt sich experimentell überprüfen. Wenn es zusätzliche Quantenfelder gibt, sollten Teilchen in der Lage sein, sich mit ihnen zu verschränken. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Sie verschränken ein Atom und ein Photon maximal. Wenn es ein weiteres Feld gibt, das diese Wechselwirkung vermittelt, sollte es sich anschließen und ein verschränktes Dreiteilchensystem bilden. Das Ergebnis wäre, dass die Stärke der Verschränkung zwischen dem Photon und dem Atom schwächer wäre als erwartet. Im Jahr 2022 schlug Jim Franson von der University of Maryland, Baltimore County, eine Methode zur Erkennung dieser Verschränkung vor – sie ähnelt konzeptionell dem Experiment, das ich mir zur Erkennung der Geister vorgestellt habe. Bislang hat noch niemand dies durchgeführt, aber es ist technologisch möglich.
Prinzipiell könnten wir uns vorstellen, die Quantisierung noch weiter zu vertiefen. q-Zahlen sind Zahlentabellen, und man könnte alle gewöhnlichen Zahlen in diesen Tabellen leicht zu q-Zahlen „aufwerten“ – und dann dasselbe noch einmal tun. Tabellen von Tabellen von Tabellen. Aus dieser Sicht sind es nicht Schildkröten, sondern q-Zahlen, bis hinunter zum Ende.
Philosophen hassen unendliche Regressionen. Aber die Natur ist nicht verpflichtet, unsere philosophischen Skrupel zu respektieren. Das Universum könnte einfach ein bodenloser Abgrund sein, der Physikern eine unerschöpfliche Quelle von Geheimnissen bietet.
