Physiker haben sich fast ein gesamtes Jahrhundert des Betrugs schuldig gemacht, befürchtet Owen Maroney. Denn: Seitdem sie in den frühen 1900er Jahren die Quantentheorie erfunden haben, erklärt der Physiker der englischen University of Oxford, betonen sie die bizarre Natur der Quantenwelt: Elementarteilchen und Atome können sich beispielsweise gleichzeitig in verschiedene Richtungen bewegen oder sich zugleich nach rechts und nach links drehen. Aber Worte allein sind noch längst kein Beweis, findet Maroney. "Wenn wir den Leuten erzählen, die Quantenmechanik sei sonderbar, dann sollten wir auch überprüfen, ob das tatsächlich stimmt", so der Wissenschaftler. "Denn sonst betreiben wir keine Wissenschaft, sondern deuten nur lustige Symbole auf einer Tafel."

Aus dieser Stimmung heraus entwickelten Maroney und andere Forscher eine Reihe von neuen Experimenten, mit denen sie das Wesen der so genannten Wellenfunktion enträtseln wollen – denn dieses mathematische Konstrukt bildet das Herzstück der Quantenmechanik. Von Physikern mit dem griechischen Buchstaben Psi (Ψ) gekennzeichnet, und damit eines der lustigen Symbole an der Tafel, beschreibt die Funktion das Verhalten von Quantenteilchen. So lässt sich mit der Wellenfunktion beispielsweise die Wahrscheinlichkeit berechnen, mit der sich ein Elektron in einem Experiment an einer bestimmten Position aufhält oder mit der sein Spin nach oben oder unten zeigt. Doch die Mathematik sagt nichts über die Natur der Wellenfunktion aus. Kommt ihr eine reale physikalische Bedeutung zu? Oder ist sie einfach nur ein Rechenwerkzeug, das hilft, mit unserem Unwissen über die Welt umzugehen?

Die Schrödinger-Gleichung auf einer Tafel
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Auf der Suche nach einer Antwort entstanden raffinierte Experimente. Ein eindeutiges Ergebnis steht zwar noch aus, aber die Forscher sind optimistisch, einer Lösung nahe zu sein. Und wenn sie ihr Ziel tatsächlich erreichen, wären sie in der Lage, seit Jahrzehnten offene Fragen endlich zu klären. Kann sich ein Quantenteilchen wirklich gleichzeitig an verschiedenen Orten befinden? Spaltet sich das Universum fortwährend in Parallelwelten auf, mit lauter Kopien von uns? Gibt es überhaupt so etwas wie eine objektive Realität?

"Solche Fragen hat sich wohl jeder irgendwann schon einmal gestellt", kommentiert Alessandro Fedrizzi von der australischen University of Queensland in Brisbane. "Was ist wirklich real?"

Diskussionen über das Wesen der Realität begannen bereits in der Frühzeit der Quantenmechanik – als Physiker herausfanden, dass Teilchen und Welle nur zwei Seiten derselben Medaille sind. Ein klassisches Beispiel ist das Doppelspaltexperiment, in dem Elektronen nacheinander auf eine Blende mit zwei schmalen Spalten geschossen werden. Auf der anderen Seite bildet sich daraufhin allmählich ein Interferenzmuster aus, so wie man es von Lichtwellen kennt, die denselben Parcours durchlaufen. Der österreichische Physiker Erwin Schrödinger formulierte 1926 die nach ihm benannte Gleichung, mit der sich die Wellenfunktion für beliebige Quantensysteme berechnen lässt. Über die Natur der Wellenfunktion konnten aber weder er noch sonst jemand eine Aussage machen.

Unwissenheit ist Glück

Aus rein praktischer Sicht ist dessen Wesen auch absolut irrelevant. Laut der Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik – in den 1920er Jahren vor allem von Niels Bohr und Werner Heisenberg ausgearbeitet – handelt es sich bei der Wellenfunktion um nichts weiter als ein Werkzeug, mit dem sich Messergebnisse vorhersagen lassen. Mit der zu Grunde liegenden Realität sollten Physiker sich gar nicht erst befassen. "Dass sie der Maxime 'Halt den Mund und rechne' folgten, kann man den meisten Physikern nicht verübeln, denn es führte zu enormen Fortschritten in Kernphysik, Atomphysik, Festkörperphysik und Teilchenphysik", kommentiert Jean Bricmont, der sich an der Katholischen Universität Löwen in Belgien mit statistischer Physik beschäftigt. "Deshalb kümmerte man sich nicht um die großen Fragen."

Welle-Teilchen-Dualismus
© Merali, Z.: What is really real? In: Nature 521, S. 278–280, 2015
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Sobald einzelne Quantenobjekte – etwa Elektronen – nacheinander durch einen Doppelspalt geschossen werden, verhalten sie sich wie Teilchen: Jedes trifft einen dahinter aufgespannten Schirm auf einer eigenen Position. Andererseits benehmen sie sich in diesem Experiment aber auch wie Wellen: Aufeinander folgende Treffer überlagern sich auf der anderen Seite zu einem Interferenzmuster, wie man es von Lichtwellen kennt, die denselben Parcours durchlaufen.

Einige Physiker trieb die Sache dennoch um. In den 1930er Jahren stellte Albert Einstein die Kopenhagener Deutung in Frage – nicht zuletzt, weil sich die Wellenfunktionen von zwei Quantenpartikeln demnach verschränken können, wodurch eine Messung an einem der Teilchen instantan den Zustand des anderen festlegt, selbst wenn sich die beiden weit voneinander entfernt befinden. Anstatt diese "spukhafte Fernwirkung" zu akzeptieren, nahm Einstein an, die Wellenfunktionen der Teilchen seien unvollständig. Möglicherweise, so schlug er vor, würden "verborgene Variablen" das Messergebnis bestimmen, die man in der Quantenmechanik nicht berücksichtigte.

Inzwischen belegten Experimente, dass diese spukhafte Fernwirkung tatsächlich existiert, und schlossen die von Einstein postulierten verborgenen Variablen damit aus. Das hinderte andere Physiker jedoch nicht daran, mit eigenen Interpretationen aufzuwarten. Sie lassen sich zwei großen Lagern zuordnen: Die einen stimmen mit Einstein überein, dass die Wellenfunktion unser Unwissen widerspiegelt – Philosophen sprechen von psi-epistemischen Modellen; die anderen, psi-ontische Modelle genannt, betrachten die Wellenfunktion als reales physikalisches Objekt.

"Die Maxime 'Halt den Mund und rechne' kann man Physikern nicht verübeln" (Jean Bricmont)

Ein Gedankenexperiment, das Schrödinger 1935 in einem Brief an Einstein beschrieb, macht den Unterschied zwischen den beiden Modellen deutlich: Eine Katze sitzt in einer verschlossenen Stahlkiste. Neben ihr befindet sich ein radioaktiver Stoff, in dem mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent innerhalb von einer Stunde ein Zerfall stattfindet. Sobald ein Detektor einen solchen Zerfall erfasst, strömt ein Gift aus und tötet die Katze. Da es sich beim radioaktiven Zerfall um einen quantenmechanischen Prozess handelt, schrieb Schrödinger, müsste die Wellenfunktion für das Innere der Kiste den Regeln der Quantenmechanik zufolge nach einer Stunde ein gleichwertiger Mix aus lebendiger und toter Katze sein.

"Vereinfacht ausgedrückt ist die Katze in einem psi-epistemischen Modell entweder lebendig oder tot – wir wissen es einfach nicht, da die Box verschlossen ist", erläutert Fedrizzi. Die meisten psi-ontischen Modellen stimmen dagegen mit der Kopenhagener Interpretation überein: Bis ein Beobachter die Kiste öffnet und nachsieht, ist die Katze zugleich lebendig und tot.

Genau hier gerät die Diskussion ins Stocken. Welche der vielen Interpretationen der Quantenmechanik – wenn überhaupt eine – ist richtig? Experimentell lässt sich diese Frage schwer beantworten, denn zwischen den Modellen gibt es nur feine Unterschiede: Um tragfähig zu sein, müssen sie im Wesentlichen die gleichen Quantenphänomene wie die sehr erfolgreiche Kopenhagener Deutung vorhersagen. Der größte Teil seiner 20-jährigen Laufbahn auf dem Gebiet der Quantentechnologien, berichtet der Physiker Andrew White von der University of Queensland, "glich der Aufgabe, einen riesigen aalglatten Berg zu erklimmen – man findet einfach keinen Halt".

Das änderte sich 2011 mit einem Theorem über Quantenmessungen, das alle psi-epistemischen Modelle auszuschließen schien. Doch wie sich bei näherer Betrachtung herausstellte, gab es für diese Theorien auch hier ein Schlupfloch. Dennoch inspirierte das Theorem viele Physiker und ließ sie ernsthaft über Möglichkeiten nachdenken, die Kontroverse durch Experimente zu beenden – Experimente, in denen man den Realitätsgehalt der Wellenfunktion prüfen will. Maroney entwickelte bereits einen Test, der theoretisch funktionieren sollte, und wenig später fanden er sowie andere Wissenschaftler auch Wege, um den Test in die Praxis umzusetzen. Im vergangenen Jahr führten Fedrizzi, White und weitere Physiker das Experiment dann schließlich durch.

Die Idee hinter dem Versuch lässt sich mit zwei Stapeln von Spielkarten veranschaulichen. Der eine enthält nur rote Karten, der andere nur Asse. "Nun bekommen Sie eine dieser Karten und sollen herausfinden, aus welchem Stapel sie stammt", erläutert Martin Ringbauer, ebenfalls von der University of Queensland. Handelt es sich um ein rotes Ass, so der Physiker, "gibt es eine Überschneidung, und man kann nicht sagen, wo es herkam". Kennt man jedoch die Anzahl der verschiedenen Spielkarten in jedem Stapel, ließe sich zumindest berechnen, wie oft solche uneindeutigen Situationen auftreten werden.

Eindeutig uneindeutig

Ein ähnliches Problem tritt auch in Quantensystemen auf. So lässt sich durch eine einzige Messung nicht immer eindeutig bestimmen, wie ein Photon polarisiert ist. "In der Alltagswelt kann man beispielsweise West und Westsüdwest einfach unterscheiden, doch in Quantensystemen ist das nicht so leicht", bestätigt White. Gemäß der Kopenhagener Interpretation ergibt die Frage nach der Polarisation keinen Sinn, weil es keine Antwort darauf gibt – oder zumindest so lange nicht, bis eine weitere Messung diese Eigenschaft präzise ermittelt. Laut den psi-epistemischen Modellen ist die Frage dagegen durchaus sinnvoll; nur verfügen die Experimentatoren – genau wie auch die Kartenspieler – nach nur einer Messung über zu wenig Informationen, um sie zu beantworten. Wie im Fall der Karten lässt sich auch hier abschätzen, wie viel Uneindeutigkeit man auf diese Unwissenheit zurückführen kann. Ein Vergleich mit dem im Rahmen der Kopenhagener Interpretation möglichen Wert liefert dann wichtige Anhaltspunkte.

Genau diesen Ansatz verfolgten Fedrizzi und sein Team. In einem Photonenstrahl bestimmte die Gruppe die Polarisation der Teilchen sowie weitere Eigenschaften. Die dabei beobachteten Überschneidungen lassen sich nicht durch psi-epistemische Modelle erklären. Stattdessen unterstützen die Ergebnisse die gegensätzliche Position: Sofern es eine objektive Realität gibt, ist die Wellenfunktion real. "Es ist wirklich beeindruckend, dass das Team mit einem eigentlich sehr einfachen Experiment eine fundamentale Frage angehen konnte", kommentiert der Physiker Andrea Alberti von der Universität Bonn.

Der Befund ist allerdings noch nicht hieb- und stichfest: Weil die Detektoren nur etwa ein Fünftel der im Experiment eingesetzten Photonen nachwiesen, musste das Team annehmen, dass die restlichen Photonen sich in der gleichen Weise verhalten. Das ist eine gewagte These – und so tüftelt die Gruppe momentan daran, das Schlupfloch zu schließen und ein belastbares Ergebnis zu erhalten. Unterdessen arbeitet das Team um Maroney in Oxford mit einer Gruppe an der University of New South Wales in Australien zusammen an ähnlichen Versuchen mit Ionen, die sich einfacher detektieren lassen als Photonen. "Innerhalb der kommenden sechs Monate könnten wir eine wasserdichte Version dieses Experiments vorliegen haben", sagt Maroney.

Doch selbst wenn die Wissenschaftler dieses Ziel erreichen und ihre Tests die psi-epistemischen Theorien stützen, gibt es noch viel zu tun. Denn es existieren verschiedene Varianten dieser Modelle, und die müssten Experimentalphysiker dann nach und nach unter die Lupe nehmen.

Eine der ersten Interpretationen der Quantenmechanik schlug der französische Physiker Louis de Broglie in den 1920er Jahren vor, der US-amerikanische Physiker David Bohm erweiterte sie dann in den 1950er Jahren. Nach der De-Broglie-Bohm-Theorie besitzen Teilchen zwar eindeutig festgelegte Aufenthaltsorte und Eigenschaften, werden aber durch eine Art "Führungswelle" dirigiert, die oft mit der Wellenfunktion gleichgesetzt wird. Im Fall des Doppelspaltexperiments würde demnach die Führungswelle gleichzeitig durch beide Schlitze laufen und ein Interferenzmuster auf der anderen Seite erzeugen, während sich das von ihr geleitete Elektron nur durch einen der zwei Spalte bewegt.

Auftrieb bekam die bohmsche Mechanik im Jahr 2005 von unerwarteter Seite. Die Physiker Emmanuel Fort, inzwischen am Langevin-Institut in Paris, und Yves Couder von der Universität Paris-Diderot stellten ihren Studenten damals eine recht einfache Aufgabe, wie sie fanden: In einem selbst entwickelten Experiment sollten sie beobachten, wie einzelne Öltröpfchen in eine Schale mit Öl fallen und sich dort mit dem Inhalt vereinigen, während der Behälter mit unterschiedlichen Frequenz schwingt. Sehr zur Überraschung aller bildeten sich kleine Wellen um die Tröpfchen, sobald die Schale eine bestimmte Schwingungsfrequenz aufwies. "Die Tropfen bewegten sich von allein – sie surften oder wanderten auf ihren eigenen Wellen", berichtet Fort. "Wir beobachteten ein duales Objekt – ein Teilchen, das von einer Welle angetrieben wird."

"Uns wurde gesagt, dass solche Effekte klassisch nicht auftreten – dem ist doch so" (Emmanuel Fort)

Wenig später belegten Fort und Couder dann, dass solche Wellen die "Surfer" sogar durch das Doppelspaltexperiment leiten können – wie von der Führungswellen-Theorie vorhergesagt – und sich zudem auch andere Quantenphänomene damit nachspielen lassen. Dies beweise zwar nicht, merkt Fort an, dass Führungswellen auch in der Quantenwelt existieren. Aber es veranschauliche, wie eine Führungswelle im atomaren Maßstab möglicherweise funktioniert. "Uns wurde gesagt, dass solche Effekte klassisch nicht auftreten", so der Physiker, "und wir zeigen nun, dass dem doch so ist."

Ein anderer Typ von psi-epistemischen Modellen, entwickelt in den 1980er Jahren, will die eklatant unterschiedlichen Eigenschaften von kleinen und großen Objekten erklären. "Warum Elektronen und Atome gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten sein können, Tische, Stühle, Menschen und Katzen aber nicht", erläutert Angelo Bassi von der Universität Triest in Italien. In diesen Theorien werden die Wellenfunktionen der einzelnen Teilchen als real angesehen. Allerdings können sie ihre Quanteneigenschaften spontan verlieren und die Teilchen beispielsweise an einem bestimmten Ort auftauchen lassen – Physiker sprechen vom Kollaps der Wellenfunktion. Gemäß diesem Konzept fällt die Wahrscheinlichkeit für ein solches Ereignis für ein einzelnes Teilchen verschwindend gering aus, so dass auf atomarer Ebene Quanteneffekte dominieren. Scharen sich viele Teilchen zusammen, steigt die Wahrscheinlichkeit für einen Kollaps der Wellenfunktion jedoch astronomisch an, weshalb makroskopische Objekte ihre Quanteneigenschaften verlieren und sich klassisch verhalten.

Um diesen Ansatz zu überprüfen, suchen Physiker beispielsweise in immer größeren Objekten nach dem charakteristischen Quantenverhalten. Denn stimmt die gängige Quantentheorie, sollte es keine Grenze zwischen den beiden Welten geben. Tatsächlich führten Physiker bereits Doppelspaltexperimente mit großen Molekülen durch und konnten ebenfalls ein Interferenzmuster beobachten. Das Konzept vom Kollaps der Wellenfunktion sagt allerdings voraus, dass sich solche Quanteneffekte ab einer bestimmten Masse nicht mehr beobachten lassen. Mit Hilfe von kalten Atomen, Molekülen, Metallclustern und Nanopartikeln wollen verschiedene Gruppen nach einem solchen Übergang suchen. Binnen eines Jahrzehnts rechnen sie mit den ersten Ergebnissen. "Das Tolle an diesen Experimenten ist, dass wir die Quantenmechanik genau dort präzise überprüfen werden, wo sie noch niemand getestet hat", sagt Maroney.

Parallelwelten

Ein psi-epistemisches Modell erlangte bereits Berühmtheit und ist nicht nur bei Sciencefiction-Autoren sehr beliebt: die Viele-Welten-Interpretation. Entwickelt hat sie Hugh Everett in den 1950er Jahren, der damals Student an der Princeton University in New Jersey war. In seinem Szenario beeinflusst die Wellenfunktion die Entwicklung der Realität so tief greifend, dass sich das Universum – sobald eine Quantenmessung durchgeführt wird – in parallele Kopien aufspaltet. Mit anderen Worten: Schaut jemand nach Schrödingers Katze, entstehen zwei parallele Welten – in der einen lebt die Katze, in der anderen ist sie tot.

Everetts Viele-Welten-Interpretation von der gängigen Quantentheorie zu unterscheiden, ist nicht einfach. Denn beide machen genau dieselben Vorhersagen. Im vergangenen Jahr schlugen Howard Wiseman von der Griffith University in Brisbane und seine Kollegen jedoch eine überprüfbare Theorie für ein Multiversum vor. Ihr Modell kommt dabei ganz ohne Wellenfunktion aus – die Teilchen gehorchen klassischen Gesetzen wie etwa den newtonschen Gesetzen. Stattdessen rühren die bizarren Quanteneffekte, die sich in Experimenten ja zweifelsfrei beobachteten lassen, von einer abstoßenden Kraft zwischen Teilchen und deren Klonen in Paralleluniversen her. "Die abstoßende Kraft zwischen ihnen erzeugt Wellen, die sich durch alle diese Parallelwelten ausbreiten", erläutert Wiseman.

In Computersimulationen spielten die Wissenschaftler dieses Szenario mit bis zu 41 in Wechselwirkung stehenden Welten nach und konnten tatsächlich zeigen, dass ihr Modell etliche Quanteneffekte grob reproduziert – einschließlich der Teilchenflugbahnen im Doppelspaltexperiment. Dabei nähert sich das Interferenzmuster dem von der gängigen Quantentheorie vorhergesagten umso mehr an, je größer die Anzahl der Parallelwelten ist. Da die Theorie abhängig von der Anzahl berücksichtigter Universen unterschiedliche Resultate liefert, erklärt Wiseman, sollte sich die Richtigkeit seines Multiversum-Modells überprüfen lassen – und damit, ob es eine Wellenfunktion gibt oder sich die Realität gänzlich klassisch verhält.

Eine Theorie ohne Wellenfunktion bliebe selbst dann haltbar, wenn zukünftige Experimente psi-epistemische Modelle ausschließen. Auch Konzepte wie die Kopenhagener Deutung – denen zufolge es keine objektive Realität gibt, sondern nur Messergebnisse – würden fortbestehen. Das wäre dann aber die ultimative Herausforderung, sagt White. Obwohl niemand weiß, wie man es anstellen könnte, "zu testen, ob es überhaupt eine objektive Realität gibt, wäre wirklich spannend".

Der Artikel ist im Original "Quantum physics: What is really real?" in "Nature" erschienen.