Die verrückten Eigenschaften der Quantenwelt

© altmann/pixabay

NERD-WISSEN

Die verrückten Eigenschaften der Quantenwelt


So sonderbar Quantenmechanik auch erscheint – sie gehört doch zu den bestbewiesenen Theorien der Physik. Brandon Q. Morris, in dessen neuestem SF-Roman »Die Störung« die Quantenphysik zur existenziellen Bedrohung für die Besatzung der Shepherd I werden, erklärt die Eigentümlichkeiten dieser Theorie.

In der mikroskopischen Dimension verhält sich unsere Welt ganz anders, als es unsere Alltagslogik erwartet. Doch trotz all der scheinbaren Verrücktheit ist die Quantenphysik eine der am besten bewiesenen Theorien der Wissenschaft.

Die Quantenwelt ist nicht real

Natürlich existiert die Welt auch im Kleinsten. Mit dem Konzept der »Realität« meinen Physiker, dass die Ergebnisse eines Experiments schon vorab im Gesamtsystem stecken und nicht etwa erst durch die Messung hergestellt werden. Wenn wir etwa einen Kuchen backen, wissen wir von vornherein, dass er Nüsse enthalten wird, denn wir selbst haben die Nüsse in die Rührschüssel fallen lassen. Wir brauchen den Kuchen nicht aufzuschneiden, um uns davon zu überzeugen. In der Quantenphysik ist das anders, und das ist inzwischen durch viele Experimente nachgewiesen: Bestimmte Messwerte (Nüsse vorhanden oder nicht?) stellen sich erst durch die Messung ein. Die Absurdität der Natur lässt sich in ein Wort fassen: »Superposition«. Damit bezeichnet man die grundlegende Eigenschaft jedes Quantensystems, in jedem seiner theoretisch möglichen Zustände gleichzeitig zu existieren. Die Wahrscheinlichkeit, das System bei einer Messung in einem ganz bestimmten Zustand anzutreffen, wird durch seine Wellenfunktion beschrieben.

Die Quantenwelt ist nicht lokal

Im Alltag finden Ereignisse stets an einem ganz bestimmten Ort statt. Wer sich anderswo befindet, erfährt maximal mit Lichtgeschwindigkeit davon. Dass die Milch gerade überkocht, merken wir nur deshalb »sofort«, weil wir direkt daneben stehen und das Licht eben nicht besonders lange braucht, um uns zu erreichen. Wenn jedoch in einem System aus zwei verschränkten Quantenzuständen (etwa zwei Lichtteilchen, die auf bestimmte Weise verändert wurden und sich dadurch stets synchron verhalten) der eine Zustand verändert wird, wechselt auch das andere Teilchen sofort seinen Zustand. Ganz egal, wie weit die beiden voneinander entfernt sind. Selbst Lichtjahre Distanz sind kein Problem. Einstein lehnte das noch als »spukhafte Fernwirkung« ab, heute ist es vielfach nachgewiesen. Zur Kommunikation lässt es sich trotzdem nicht nutzen, weil kein Rückschluss über die Art der Veränderung auf der anderen Seite möglich ist und damit keine Signalübertragung. »Quantenkommunikatoren« werden Zukunft bleiben.

Die Quantenwelt ist nicht deterministisch

Seit dem Zeitalter der Aufklärung waren die Forscher stolz darauf gewesen: Mithilfe der Newtonschen Mechanik sollte sich das komplexe Zusammenspiel des Kosmos bis ins kleinste Detail berechnen lassen. Wenn man nur die Anfangsbedingungen genau maß, glaubte man, das Schicksal jedes Systems zu kennen. Die Quantenphysik macht dieser Auffassung einen Strich durch die Rechnung. Und zwar auf prinzipieller Ebene. Der Schmetterling, der im Amazonas-Regenwald mit den Flügeln schlägt und dadurch ein Gewitter in Berlin verursacht, ist im Vergleich dazu ein klassisches Phänomen. Dass wir seinen Flügelschlag noch nicht in Wettermodelle einbeziehen können, liegt einfach nur an menschlicher Unfähigkeit: So komplexe Rechnungen überfordern jeden Supercomputer, außerdem sind wir einfach nicht in der Lage, jeden einzelnen Schmetterling gleichzeitig zu erfassen. Die Unsicherheit, die die Quantenphysik in die Natur einführt, ist von ganz anderer Qualität: Sie sagt, dass eine genaue Vorhersage prinzipiell unmöglich ist. Der Zufall, die Wahrscheinlichkeit, ist das bestimmende Element, das sich durch keinen Trick überwinden lässt.

Die Quantenwelt ist nicht kausal

Erst die Ursache, dann die Wirkung. Das gilt in der Welt im Großen, aber nicht unbedingt im Kleinsten. Tatsächlich ist es im Quantenreich möglich, einen Vorgang zu beeinflussen, nachdem er stattgefunden hat. Selbst beim Licht weit entfernter Himmelsobjekte, so genannter Quasare, lässt sich durch eine Veränderung des Experimentaufbaus auch noch Milliarden Jahre nach Reisebeginn der Lichtteilchen festlegen, welchen Weg diese genommen haben müssen. Kausalität gilt eben nur noch statistisch. Wenn man alle Ereignisse summiert, hat die Ursache dann im Mittel doch vor der Wirkung stattgefunden.

Warum ist dann unsere Alltagserfahrung eine andere? Das wissen die Physiker noch nicht so ganz. Ab einer bestimmten Größe des Systems schalten sich die Quanteneigenschaften gewissermaßen ab. Man sagt: Die Wellenfunktion kollabiert. Das genaue Wesen des Übergangs ist Thema philosophischer Debatten. Tatsache ist aber, dass die Welt im Kleinsten äußerst sonderbar ist – aber letztlich (gemeinsam mit der Allgemeinen Relativitätstheorie) auch die Realität im Großen bestimmt.

Brandon Q. Morris

© Birgit-Cathrin Duval

Über den Autor

Brandon Q. Morris ist Physiker und beschäftigt sich beruflich und privat schon lange mit Weltraum-Themen. Er wäre gern Astronaut geworden, musste aber aus verschiedenen Gründen auf der Erde bleiben. Sein Ehrgeiz ist es deshalb, spannende Science-Fiction-Geschichten zu erzählen, die genau so passieren könnten.

Patreon: https://www.patreon.com/hardsf

Tolle Überraschungen ...

... erwarten dich in unserem Newsletter. Preisaktionen, exklusive Gewinnspiele, die besten Neuerscheinungen. Bestelle jetzt unsere Raketenpost!

Bestelle jetzt unseren Newsletter
Share:   Facebook