Das EPR-Paradoxon konnte die Kopenhagener Interpretation nicht diskreditieren

Von Dan Hooper, Ph.D., University of Chicago
 Eine Illustration eines Experiments, das durchgeführt wird, um das EPR-Paradoxon zu demonstrieren.
Eine Illustration des EPR-Paradoxon-Gedankenexperiments, das hier mit Elektron-Positron-Paaren durchgeführt wird. (Bild: Krishnavedala / gemeinfrei)

Was ist wissenschaftlicher Realismus?

Einstein war unbequem mit der Art und Weise, wie ein bestimmtes Teilchen an mehreren Orten gleichzeitig sein könnte oder wie es sich mit mehreren Geschwindigkeiten bewegen könnte, alles gleichzeitig, nach der Kopenhagener Interpretation. Nach Jahren der Debatte und Überlegung kam Einstein schließlich dazu, eine philosophische Position einzunehmen und darauf zu bestehen, die als wissenschaftlicher Realismus bekannt ist, um dem entgegenzuwirken.

Wie Einstein es sah, ist man ein wissenschaftlicher Realist, wenn man an die Existenz eines realen und genau definierten Zustands der Welt glaubt und dass die Welt unabhängig von irgendwelchen Beobachtungen existiert, die man daraus machen könnte. Mit anderen Worten, die Welt ist eine reale und genau definierte Sache, die unabhängig von uns existiert. Indem wir es beobachten, können wir Dinge über die Welt lernen, aber unsere Beobachtungen machen die Welt nicht zu dem, was sie ist.

Einsteins Beharren auf wissenschaftlichem Realismus stand in krassem Gegensatz zur Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik. Nach der Kopenhagener Interpretation könnte sich ein Elektron an mehreren Orten gleichzeitig befinden, aber wenn ein Elektron beobachtet wird, bricht seine Wellenfunktion zusammen und es verwandelt sich in nicht mehr an mehreren Orten, sondern nur an einem. Diese Interpretation war nicht mit Einsteins Vorstellungen von der Welt oder seinem Festhalten am wissenschaftlichen Realismus vereinbar.

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Ist die Theorie der Quantenmechanik unvollständig?

Obwohl Einstein mit der Kopenhagener Interpretation nicht einverstanden war, musste er akzeptieren, dass die Vorhersagen, die mit den Gleichungen der Quantenmechanik gemacht wurden, mit einer beliebigen Anzahl von Labormessungen und -tests übereinstimmten. Die Quantenmechanik schien nicht einfach falsch zu sein.

 Porträt von Albert Einstein im Jahr 1931.
Ein Porträt von Albert Einstein aus dem Jahr 1931, etwa vier Jahre bevor er das EPR-Papier mit Podolsky und Rosen veröffentlichte. (Bild: Doris Ulmann/Abteilung Druckgraphik und Photographie der Library of Congress)

Er konzentrierte sich also darauf, zu zeigen, dass die Theorie der Quantenmechanik irgendwie unvollständig war. Einstein hoffte, dass er in der Lage sein würde, eine vollständigere Version der Quantenmechanik zu finden, die deterministisch war und mit dem wissenschaftlichen Realismus vereinbar war.

Alle philosophischen Einwände, die Einstein gegen die Kopenhagener Interpretationen erheben konnte, waren bestenfalls subjektiv und konnten andere Physiker nicht davon überzeugen, dass die Konsensansicht der Quantentheorie falsch oder unvollständig war.

Einstein musste eine logische Inkonsistenz aufdecken oder ein Hauptproblem in der Kopenhagener Interpretation identifizieren, das als fataler Fehler erkannt werden konnte, um seine Kollegen zu überzeugen.

Erfahren Sie mehr über die Quantenverschränkung.

Quantenverschränkung und das EPR-Paradoxon

 Überschrift der New York Times, die besagt, dass Einstein die Quantentheorie angreift.
Eine Schlagzeile in der Ausgabe der New York Times vom 4. Mai 1935 nach der Veröffentlichung des EPR-Papiers. (Bild: New York Times / gemeinfrei)

Seit einigen Jahren hatte Einstein über Gruppen von Teilchen mit Wellenfunktionen nachgedacht, die direkt voneinander abhängen. Heute bezeichnen wir solche Wellenfunktionen als ‚verschränkt‘, aber diese Terminologie wurde Ende der 1920er Jahre noch nicht geprägt.

Obwohl Einstein die Auswirkungen der Quantenverschränkung noch nicht vollständig erforscht oder verstanden hatte, erkannte er, dass die Quantenverschränkung eine unvermeidliche Folge der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik war. Er erkannte auch, dass ein besonders seltsames Verhalten aus der Quantenverschränkung resultieren könnte.

1933 nahm Einstein eine Stelle am Princeton Institute for Advanced Study an, nachdem er aus Nazi-Deutschland geflohen war. Dort arbeitete er mit zwei anderen Physikern, Boris Podolsky und Nathan Rosen. In den nächsten zwei Jahren schrieben sie einen einflussreichen Artikel mit dem Titel „Kann eine quantenmechanische Beschreibung der physikalischen Realität als vollständig angesehen werden?“ Dieses Papier enthielt die erste Beschreibung dessen, was als EPR-Paradoxon oder Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon bekannt werden würde.

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Das EPR-Papier beschrieb ein hypothetisches Experiment, das zeigen sollte, was Einstein als paradoxe Konsequenzen der Kopenhagener Interpretation ansah. Das EPR-Experiment war eines von Einsteins berühmtesten Gedankenexperimenten.

Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Versionen des EPR-Gedankenexperiments diskutiert und vorgeschlagen. Sie alle haben die gleichen Grundelemente, einschließlich eines Partikelpaares, das nahe beieinander beginnt und interagiert und sich dann in verschiedene Richtungen weit voneinander entfernt bewegt.

Eine der besseren späteren Versionen beschreibt ein Atom, das kurz vor dem Zerfall steht. Es produziert zwei Teilchen mit der gleichen Masse. Da das System ohne Impuls beginnt, besagt das Impulserhaltungsgesetz, dass sich der Gesamtimpuls der beiden Teilchen zu Null addieren muss. Dies bedeutet, dass sich diese beiden Teilchen in entgegengesetzte Richtungen und mit gleicher Geschwindigkeit vom Atom entfernen müssen.

Dies sind jedoch Quantenteilchen ohne eindeutig definierte Werte ihrer Geschwindigkeiten. Stattdessen werden sie durch eine Wellenfunktion beschrieben, die verwendet werden kann, um die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, dass sie bei der Messung eine bestimmte Geschwindigkeit aufweisen. Darüber hinaus haben die Geschwindigkeiten dieser Partikel vor jeder Messung mehrere Werte und alle gleichzeitig.

Stellen Sie sich vor, dass diese Teilchen eine beträchtliche Entfernung vom Atom zurücklegen und sich dabei zunehmend voneinander trennen. Nachdem sie getrennt sind, messen Sie die Geschwindigkeit eines der Partikel. Nehmen wir zum Beispiel an, Sie messen das Teilchen mit einer Geschwindigkeit von 100 Meilen pro Stunde.

Nach der Kopenhagener Interpretation kollabieren Sie durch diese Messung die Wellenfunktion des Teilchens. Laut dem EPR-Experiment scheinen Sie jedoch auch etwas anderes getan zu haben. Und das ist der Hauptpunkt des EPR-Experiments.

Da der Impuls immer erhalten bleibt, lernen Sie durch Messen der Geschwindigkeit eines der Teilchen auch die Geschwindigkeit des anderen Teilchens. Schließlich müssen sich die beiden Teilchen mit gleicher Geschwindigkeit bewegen. Wenn Sie also die Geschwindigkeit eines der Partikel messen, lassen Sie nicht nur die Wellenfunktion dieses Partikels kollabieren, sondern auch die Wellenfunktion des anderen Partikels. Ohne sich dem zweiten Teilchen zu nähern, haben Sie seine Wellenfunktion irgendwie zum Zusammenbruch gezwungen.

Einstein glaubte, dass diese Art von Verhalten offensichtlich unmöglich war. Er argumentierte, dass es nichts gibt, was man einem Teilchen an einem Ort antun kann, das möglicherweise ein anderes Teilchen an einem anderen Ort beeinflussen könnte. Während das EPR-Experiment zeigt, dass so etwas nach der Kopenhagener Sicht der Quantenmechanik passieren muss. Dieser Einwand ist der Kern des EPR-Paradoxons. Einstein glaubte endlich gezeigt zu haben, warum die Kopenhagener Ansicht unvollständig sein musste. Oder vielleicht sogar falsch.

Erfahren Sie mehr darüber, warum Einstein das Konzept der Schwarzen Löcher ablehnte.

Niels Bohrs Antwort auf das EPR-Paradoxon

Der dänische Physiker Niels Bohr, der einer der Hauptvertreter der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik war, fühlte, dass es seine Verantwortung sei, auf Einsteins Angriff zu reagieren und die Situation zu klären und vielleicht zu korrigieren.

Bohr war überzeugt, dass die Quantenmechanik eine gültige Theorie sei, und er befürchtete, dass Einsteins Angriffe ihre Glaubwürdigkeit zu Unrecht beeinträchtigen würden. Also legte Bohr alles andere beiseite und verbrachte sechs intensive Wochen damit, eine Antwort auf das EPR-Papier und seine Kritik an der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik zu formulieren und zu schreiben.

In seinem Artikel, der auf das EPR-Papier reagierte, versuchte Bohr nicht, die Schlussfolgerung in Frage zu stellen, dass die Kopenhagener Interpretation zur Verschränkung von Wellenfunktionen führt. Es war klar, dass es das tut. Bohr argumentierte, dass es nichts logisch Unvereinbares mit Verschränkung gebe. Verstrickung ist seltsam, aber das bedeutet nicht, dass es nicht auch real ist.

Einer der Gründe, aus denen man gegen die Quantenverschränkung einwenden könnte, ist, dass sie schneller als das Licht zu sein scheint. Nach der Relativitätstheorie kann sich nichts schneller als die Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegen.

Dieses offensichtliche Problem ergibt sich aus der Tatsache, dass, wenn man die Geschwindigkeit eines der Teilchen im EPR-Experiment misst, es augenblicklich die Wellenfunktionen beider Teilchen zusammenbricht. Angesichts der Tatsache, dass eine signifikante Entfernung diese beiden Teilchen trennt, scheint dies eine sofortige Reise durch den Weltraum zu erfordern.

Einstein bezeichnete dies als „gruselige Handlung aus der Ferne“, und es schien einen zentralen Grundsatz der Relativitätstheorie zu verletzen.

Bei näherer Betrachtung stellt sich heraus, dass die Quantenverschränkung die Relativitätstheorie zu verletzen scheint, aber in Wirklichkeit nicht. Genauer gesagt ermöglicht es keinem Teilchen oder irgendeiner anderen Form von Information, sich mit einer Geschwindigkeit schneller als Licht zwischen zwei Orten zu bewegen. Zwei Teilchen können durch ihre Verschränkung verbunden sein, aber dies könnte niemals verwendet werden, um ein Signal oder ein Objekt mit einer Geschwindigkeit, die schneller als die Lichtgeschwindigkeit ist, von einem Ort zum anderen zu senden.

Bohr hatte gezeigt, dass ein genauerer Blick auf das EPR-Paradoxon ergab, dass es dort überhaupt kein Paradoxon gibt. Obwohl Bohrs Antwort wenig dazu beitrug, Einsteins Meinung zu ändern, scheinen die meisten Physiker seine Widerlegung als überzeugend empfunden zu haben. Heute wird das EPR-Papier weithin als Fehltritt Einsteins angesehen.

Das EPR-Papier machte auf die Phänomene der Quantenverschränkung aufmerksam, lieferte jedoch letztendlich keinen stichhaltigen Fall gegen die Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik. Einstein hatte gehofft, dass das EPR-Papier der Konsensansicht der Quantenmechanik einen tödlichen Schlag versetzen würde, aber die Theorie überlebte und wurde stärker als je zuvor.

Häufige Fragen zum EPR-Paradoxon

F: Warum ist das EPR-Paradoxon falsch?

Einstein hatte gehofft, dass das EPR-Paradoxon, das darauf hindeutet, dass die Theorie der Quantenmechanik unvollständig ist, den Konsens über die Kopenhagener Interpretation endgültig auflösen würde. Das EPR-Paradoxon schlug vor, dass Teilchen schneller als die des Lichts reisten, was die Barrieren der allgemeinen Relativitätstheorie verletzte. Dies erwies sich jedoch später als falsch. Daher ist das EPR-Paradoxon falsch.

F: Was ist die Verschränkungstheorie?

Die Verschränkungstheorie besagt, dass Quantenteilchen, die verschränkt sind, verschränkt bleiben und jede Aktion, die an einem der Teilchen ausgeführt wird, die anderen Teilchen gleichermaßen beeinflusst, selbst wenn diese Teilchen weit voneinander entfernt sind.

F: Ist Quantenverschränkung schneller als Licht?

Nein, Quantenverschränkung folgt den Regeln der Relativitätstheorie und erlaubt keine Reise schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Verschränkte Objekte verhalten sich ähnlich, was den Eindruck erweckt, schneller als Licht zu reisen, aber keine tatsächliche Reise oder Kommunikation schneller als Licht findet statt.

F: Was ist Überlagerung und Verschränkung?

In einfachen Worten, Quantenverschränkung bezieht sich auf die Hin- und Her-Übertragung von Informationen zwischen einem Paar von Quantenteilchen. Auf der anderen Seite bezieht sich die Quantenüberlagerung auf die Theorie, die vorschlägt, dass Quantenteilchen gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren.

Von Dan Hooper, Ph.D., University of Chicago Eine Illustration des EPR-Paradoxon-Gedankenexperiments, das hier mit Elektron-Positron-Paaren durchgeführt wird. (Bild: Krishnavedala / gemeinfrei) Was ist wissenschaftlicher Realismus? Einstein war unbequem mit der Art und Weise, wie ein bestimmtes Teilchen an mehreren Orten gleichzeitig sein könnte oder wie es sich mit mehreren Geschwindigkeiten bewegen könnte, alles gleichzeitig, nach…

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