Warum immer mehr Physiker Raum und Zeit für „Illusionen“ halten

Im vergangenen Dezember wurde der Physik-Nobelpreis für den experimentellen Nachweis eines seit mehr als 80 Jahren bekannten Quantenphänomens verliehen: die Verschränkung. Wie von Albert Einstein und seinen Mitarbeitern im Jahr 1935 vorgesehen, können Quantenobjekte auf mysteriöse Weise korreliert werden, selbst wenn sie durch große Entfernungen voneinander getrennt sind. Aber so seltsam das Phänomen auch erscheinen mag, warum ist eine so alte Idee immer noch den renommiertesten Preis in der Physik wert?

Zufälligerweise berichtete nur wenige Wochen vor der Ehrung der neuen Nobelpreisträger in Stockholm ein anderes Team von angesehenen Wissenschaftlern aus Harvard, MIT, Caltech, Fermilab und Google, dass sie auf Googles Quantencomputer einen Prozess ausgeführt haben, der als Wurmloch interpretiert werden könnte . Wurmlöcher sind Tunnel durch das Universum, die wie eine Abkürzung durch Raum und Zeit funktionieren können und von Science-Fiction-Fans geliebt werden, und obwohl der in diesem jüngsten Experiment realisierte Tunnel nur in einem zweidimensionalen Spielzeuguniversum existiert, könnte er einen Durchbruch für die Zukunft darstellen Forschung an der Spitze der Physik.

Aber warum hat Verschränkung mit Raum und Zeit zu tun? Und wie kann es für zukünftige Durchbrüche in der Physik wichtig sein? Richtig verstanden bedeutet Verschränkung, dass das Universum „monistisch“ ist, wie Philosophen es nennen, dass alles im Universum auf der grundlegendsten Ebene Teil eines einzigen, einheitlichen Ganzen ist. Es ist eine definierende Eigenschaft der Quantenmechanik, dass ihre zugrunde liegende Realität in Form von Wellen beschrieben wird, und ein monistisches Universum würde eine universelle Funktion erfordern. Bereits vor Jahrzehnten zeigten Forscher wie Hugh Everett und Dieter Zeh, wie aus einer solch universellen quantenmechanischen Beschreibung unsere Alltagsrealität entstehen kann. Aber erst jetzt entwickeln Forscher wie Leonard Susskind oder Sean Carroll Ideen, wie diese verborgene Quantenrealität nicht nur die Materie, sondern auch das Gefüge von Raum und Zeit erklären könnte.

Verschränkung ist viel mehr als nur ein weiteres seltsames Quantenphänomen. Es ist das Wirkprinzip, warum die Quantenmechanik die Welt zu einer verschmilzt und warum wir diese grundlegende Einheit als viele separate Objekte erfahren. Gleichzeitig ist die Verstrickung der Grund, warum wir in einer klassischen Realität zu leben scheinen. Es ist – im wahrsten Sinne des Wortes – der Klebstoff und Schöpfer von Welten. Verschränkung bezieht sich auf Objekte, die aus zwei oder mehr Komponenten bestehen, und beschreibt, was passiert, wenn das Quantenprinzip, dass „alles, was passieren kann, tatsächlich passiert“, auf solche zusammengesetzten Objekte angewendet wird. Dementsprechend ist ein verschränkter Zustand die Überlagerung aller möglichen Kombinationen, in denen sich die Komponenten eines zusammengesetzten Objekts befinden können, um das gleiche Gesamtergebnis zu erzeugen. Es ist wiederum die wellige Natur der Quantendomäne, die helfen kann, zu veranschaulichen, wie Verschränkung tatsächlich funktioniert.

Stellen Sie sich ein vollkommen ruhiges, glasklares Meer an einem windstillen Tag vor. Nun fragen Sie sich, wie kann eine solche Ebene durch Überlagerung zweier einzelner Wellenmuster erzeugt werden? Eine Möglichkeit besteht darin, dass das Übereinanderlegen von zwei völlig ebenen Flächen wieder zu einem völlig ebenen Ergebnis führt. Eine andere Möglichkeit, eine ebene Fläche zu erzeugen, wäre aber, wenn man zwei identische, um eine halbe Schwingungsperiode verschobene Wellenbilder überlagern würde, so dass die Wellenberge des einen Musters die Wellentäler des anderen aufheben und umgekehrt. Wenn wir den gläsernen Ozean nur als Ergebnis zweier kombinierter Wellen betrachten würden, gäbe es für uns keine Möglichkeit, etwas über die Muster der einzelnen Wellen herauszufinden. Was völlig gewöhnlich klingt, wenn wir über Wellen sprechen, hat die bizarrsten Konsequenzen, wenn es auf konkurrierende Realitäten angewendet wird. Wenn Ihre Nachbarin Ihnen sagen würde, dass sie zwei Katzen hat, eine lebende und eine tote, würde dies bedeuten, dass entweder die erste oder die zweite Katze tot ist und die verbleibende Katze lebt – es wäre seltsam und morbide Art, seine Haustiere zu beschreiben, und Sie wissen vielleicht nicht, welches von ihnen das Glückliche ist, aber Sie würden den Drift des Nachbarn verstehen. Nicht so in der Quantenwelt. In der Quantenmechanik impliziert dieselbe Aussage, dass die beiden Katzen in einer Überlagerung von Fällen verschmolzen sind, einschließlich der Tatsache, dass die erste Katze lebt und die zweite tot ist und die erste Katze tot ist, während die zweite lebt, aber auch Möglichkeiten, bei denen beide Katzen existieren sind halb lebendig und halb tot, oder die erste Katze lebt zu einem Drittel, während die zweite Katze die fehlenden zwei Drittel des Lebens hinzufügt. In einem Quantenpaar von Katzen lösen sich die Schicksale und Zustände der einzelnen Tiere vollständig im Zustand des Ganzen auf. Ebenso gibt es in einem Quantenuniversum keine einzelnen Objekte. Alles, was existiert, wird zu einem einzigen „Eins“ verschmolzen.

Die Quantenverschränkung offenbart uns ein riesiges und völlig neues Gebiet, das es zu erforschen gilt. Es definiert eine neue Grundlage der Wissenschaft und stellt unsere Suche nach einer Theorie von allem auf den Kopf – um auf der Quantenkosmologie statt auf Teilchenphysik oder Stringtheorie aufzubauen. Aber wie realistisch ist es für Physiker, einen solchen Ansatz zu verfolgen? Überraschenderweise ist es nicht nur realistisch – sie tun es tatsächlich bereits. Forscher an der Spitze der Quantengravitation haben begonnen, die Raumzeit als Folge der Verschränkung zu überdenken. Immer mehr Wissenschaftler begründen ihre Forschung mit der Untrennbarkeit des Universums. Die Hoffnungen sind groß, dass sie mit diesem Ansatz endlich begreifen können, was Raum und Zeit im Grunde wirklich sind.

Ob der Raum durch Verschränkung zusammengefügt wird, die Physik durch abstrakte Objekte jenseits von Raum und Zeit oder der Raum der Möglichkeiten beschrieben wird, der durch Everetts universelle Wellenfunktion repräsentiert wird, oder ob alles im Universum auf ein einziges Quantenobjekt zurückgeführt wird – all diese Ideen haben etwas gemeinsam monistischer Geschmack. Derzeit ist es schwer zu beurteilen, welche dieser Ideen die Zukunft der Physik prägen und welche irgendwann verschwinden werden. Interessant ist, dass die ursprünglichen Ideen zwar oft im Kontext der Stringtheorie entwickelt wurden, diese aber der Stringtheorie entwachsen zu sein scheinen und Strings in der jüngsten Forschung keine Rolle mehr spielen. Ein roter Faden scheint nun zu sein, dass Raum und Zeit nicht mehr als grundlegend betrachtet werden. Zeitgenössische Physik beginnt nicht mit Raum und Zeit, um mit Dingen fortzufahren, die in diesen bereits bestehenden Hintergrund gestellt werden. Stattdessen werden Raum und Zeit selbst als Produkte einer grundlegenderen Projektionsrealität betrachtet. Nathan Seiberg, ein führender Stringtheoretiker am Institute for Advanced Study in Princeton, ist mit seiner Meinung nicht allein, wenn er sagt: „Ich bin mir fast sicher, dass Raum und Zeit Illusionen sind. Dies sind primitive Vorstellungen, die durch etwas Ausgefeilteres ersetzt werden.“ Darüber hinaus spielt in den meisten Szenarien, die auftauchende Raumzeiten vorschlagen, die Verschränkung die grundlegende Rolle. Wie der Wissenschaftsphilosoph Rasmus Jaksland betont, impliziert dies schließlich, dass es keine einzelnen Objekte mehr im Universum gibt; dass alles mit allem zusammenhängt: „Die Übernahme der Verschränkung als weltbildende Beziehung hat den Preis, die Trennbarkeit aufzugeben. Aber diejenigen, die bereit sind, diesen Schritt zu tun, sollten vielleicht in der Verstrickung nach der grundlegenden Beziehung suchen, mit der sich diese Welt (und vielleicht alle anderen möglichen) konstituieren kann.“ Wenn also Raum und Zeit verschwinden, entsteht ein vereintes Eins.

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Umgekehrt sind solche verblüffenden Folgen der Quantengravitation aus der Perspektive des Quantenmonismus nicht weit entfernt. Schon in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ist der Raum keine statische Bühne mehr; vielmehr wird es durch die Masse und Energie der Materie erzeugt. Ähnlich wie die Sichtweise des deutschen Philosophen Gottfried W. Leibniz beschreibt sie die relative Ordnung der Dinge. Wenn jetzt nach dem Quantenmonismus nur noch eins übrig bleibt, dann gibt es nichts mehr zu ordnen oder zu ordnen und schließlich braucht es den Raumbegriff auf dieser grundlegendsten Ebene der Beschreibung nicht mehr. Es ist „das Eine“, ein einzelnes Quantenuniversum, das Raum, Zeit und Materie hervorbringt.

„GR=QM“, behauptete Leonard Susskind in einem offenen Brief an Forscher der Quanteninformatik kühn: Die Allgemeine Relativitätstheorie ist nichts anderes als Quantenmechanik – eine hundert Jahre alte Theorie, die äußerst erfolgreich auf alles Mögliche angewendet wurde, aber nie wirklich ganz verstanden. Sean Carroll hat darauf hingewiesen: „Vielleicht war es ein Fehler, die Schwerkraft zu quantifizieren, und die Raumzeit lauerte die ganze Zeit in der Quantenmechanik.“ Für die Zukunft „sollten wir vielleicht versuchen, anstatt die Gravitation zu quantisieren, die Quantenmechanik gravitieren. Oder, genauer, aber weniger evokativ, ‚finde die Schwerkraft in der Quantenmechanik’“, schlägt Carroll in seinem Blog vor. In der Tat scheint es, dass, wenn die Quantenmechanik von Anfang an ernst genommen worden wäre, wenn sie als eine Theorie verstanden worden wäre, die nicht in Raum und Zeit stattfindet, sondern innerhalb einer grundlegenderen Projektionsrealität, viele der Sackgassen in der Erforschung von Quantengravitation hätte vermieden werden können. Wenn wir die monistischen Implikationen der Quantenmechanik – das Erbe einer dreitausend Jahre alten Philosophie, die in der Antike angenommen, im Mittelalter verfolgt, in der Renaissance wiederbelebt und in der Romantik manipuliert wurde – bereits als Everett anerkannt hätten und Zeh darauf hingewiesen hatte, anstatt an der pragmatischen Interpretation des einflussreichen Quantenpioniers Niels Bohr festzuhalten, der die Quantenmechanik auf ein Werkzeug reduzierte, wären wir auf dem Weg, die Grundlagen der Realität zu entmystifizieren.

Angepasst von The One: Wie eine alte Idee die Zukunft der Physik birgt von Heinrich Pas. Copyright © 2023. Erhältlich bei Basic Books, einem Imprint der Hachette Book Group, Inc.