Quantenphysik

Es gibt keine Realität jenseits der Beobachtung

23. Jänner 2023 von Daniel Schenz
Die Quantenphysik stellt unsere Vorstellung davon in Frage, was Realität ist. Caslav Brukner ist Quantengrundlagenforscher: Er sucht nach Gesetzen, die auch dann Bestand haben, wenn sogar Zeit und Beobachtung nicht mehr definiert werden können – und freut sich darauf, mit Künstlichen Intelligenzen aus Quantencomputern darüber zu sprechen.
Caslav Brukner ist Professor für Quantengrundlagen und Quanteninformationstheorie an der Universität Wien. Er arbeitet daran, "die Gesetze der Quantenphysik zu überprüfen". Ein Beispiel dafür sind Gesetze, die auch in anderen "Quantenbezugssystemen" gelten, wie er hier an der Tafel skizziert. © Daniel Schenz

"Dort, wo heute unsere Kaffeeküche ist, war einmal Erwin Schrödingers Büro. Auch sein Schreibtisch stand lange hier, aber er wurde weggebracht, bevor er bei unseren Kaffeepausen beschädigt wird." So eröffnet Quantenphysiker Caslav Brukner unser Gespräch in den Räumlichkeiten der Fakultät für Physik der Uni Wien in der Boltzmanngasse 5 im 9. Bezirk. Schrödinger – zumindest seine Katze – wird darin natürlich vorkommen, aber viel wird es auch darum gehen, was sonst alles "nicht da ist, wenn man es nicht beobachtet". Es wird ein Gespräch, das erst die Existenz einer objektiven, von der Beobachtung unabhängigen Realität negiert und dann auch noch in Frage stellt, was überhaupt Beobachtung ist.

"Dabei ist die Physik doch der Versuch, die Welt in ihren realen Wirkungsweisen, unabhängig von unseren Beobachtungen zu beschreiben. Aber die Quantenphysik scheint diesen Traum platzen zu lassen", so der Professor für Quantengrundlagen und Quanteninformationstheorie. Denn in kleinsten Maßstäben sei das einzelne Messergebnis nicht vorherbestimmbar und man könne Beobachtungen grundsätzlich nur mit Wahrscheinlichkeiten erklären: "Der Zerfall von Atomen zum Beispiel ist nur in der Sprache der Quantenphysik beschreibbar, und die ist probabilistisch – das heißt, wir sprechen immer von Wahrscheinlichkeiten", erklärt Brukner.

Was ist der Unterschied zwischen probabilistischen und deterministischen Beschreibungen?

Die klassische Physik beschreibt die Welt deterministisch – das heißt als Vorhersagen von Messergebnissen, die unter Idealbedingungen mit Sicherheit eintreten. Probabilistische Aussagen hingegen können nur eine Wahrscheinlichkeit für ein bestimmtes Messergebnis angeben. Auch in der klassischen Physik gibt es probabilistische Aussagen, "diese sind aber nur Ausdruck unserer Unkenntnis der wahren Umstände", sagt Caslav Brukner. "Das ist aber nicht der Fall in der Quantenphysik, dort treten Wahrscheinlichkeiten nämlich fundamental, nicht-reduzierbar auf – es gibt keine deterministische Ursache, die dahinter steht."

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Jeder Versuch, hinter diesen Wahrscheinlichkeiten "verborgene Faktoren" zu finden, mittels derer eine Beobachtung deterministisch und durch lokale Bedingungen erklärt werden könnte, scheitert. Brukner erläutert: "Selbst wenn wir annehmen, dass es irgendwelche mechanistischen Ursachen hinter den Wahrscheinlichkeiten gäbe, führt das zu Theoremen, die durch Experimente widerlegt werden können. Und das deutet für mich darauf hin, dass unsere Vorstellung von Realität, wie wir sie aus dem Alltag und der klassischen Physik kennen, gelockert werden sollte." Die Realität selbst ist also grundsätzlich probabilistisch.

Der Autor illustriert seine Verwunderung: Auf die Frage, ob ein Atom zu einem Zeitpunkt vor der Beobachtung schon zerfallen oder noch ganz sei, antwortet Caslav Brukner: "Weder noch: Es gibt nichts vor der Beobachtung." Wenigstens zeigt er Verständnis: "Es ist sehr schwierig zu verstehen, was zwischen Messungen passiert. Aber das sagt uns auch die Quantenphysik nicht." © Daniel Schenz

Es gibt also eine ganz bizarre Beziehung zwischen Beobachtung und Realität. Wir könnten nun über Schrödingers Katze sprechen, aber das heben wir uns für später auf. Hier ist jedoch die Stelle, um mit einem weitläufigen Missverständnis aufzuräumen: Ein Atom ist vor der Messung nicht sowohl bereits zerfallen als auch noch ganz. In vielen populärwissenschaftlichen Texten findet man auch die Aussage, ein Lichtteilchen könne sich an zwei Orten gleichzeitig aufhalten. Brukner klärt auf: "Das ist meiner Meinung nach eine ungenaue Formulierung, die ich immer zu vermeiden versuche." Besser sei es zu sagen, der konkrete Zustand sei "weder noch" oder "nicht definiert" – er existiert nicht. Diesen "Nicht-Zustand" nennen Quantenphysiker*innen "Superposition".

"Ich habe nie etwas beobachtet, das an zwei Orten gleichzeitig wäre."
Caslav Brukner

Die Quantenphysik ist voller solcher Situationen. Und obwohl die Quantenphysik für die Beschreibung von subatomaren Phänomenen entwickelt wurde, gebe es laut Brukner keinen Beweis dafür, dass sie nur in diesem Maßstab gilt. Für ihn ist die Quantenphysik die Sprache der modernen Physik: "Quantenphysiker*innen denken, die Theorie ist so universell, dass sie versuchen, alle anderen physikalischen Theorien in den Begriffen der Quantenphysik neu zu formulieren und das Ergebnis dann experimentell zu überprüfen."

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Quantenphysik an der Schnittstelle zur klassischen Welt

Physiker*innen in den Gruppen von Markus Arndt und Markus Aspelmeyer an der Universität Wien interessieren sich für die Phänomene, die am Übergang von Quantenphysik zur "klassischen" Physik stehen. Während Arndts Gruppe daran arbeitet, die Größengrenze von Objekten, die sich in Superposition befinden, stets nach oben zu schieben, versucht die Gruppe um Aspelmeyer, eine Beziehung zwischen Gravitationstheorie und Quantentheorie herzustellen. Zusammen mit der Gruppe von Philip Walther bilden die Gruppen von Arndt, Aspelmeyer und Brukner die in engem Austausch stehende Quantum Optics, Quantum Nanophysics and Quantum Information Group.

Hören Sie dazu auch unseren Audimax-Podcast mit Anne-Catherine de la Hamette (Brukner-Gruppe) und Lee Rozema (Walther-Gruppe) über ihren Forschungsalltag.

Wenn die Zeit aufhört, definiert zu sein

Caslav Brukner arbeitet im Feld der "Quantengrundlagen". Dabei gehe es in erster Linie darum, die Gesetze der Quantenphysik selbst zu überprüfen. Insbesondere beschäftigen den Quantenphysiker und sein Team die fundamentalen Fragen, die bei der Verknüpfung von Quantentheorie und Gravitationstheorie auftreten. Denn ein wichtiger Teil der Gravitationstheorie ist die allgemeine Relativitätstheorie, die eine Beziehung zwischen Materie und der Geometrie von Raum und Zeit, der sogenannten "Raumzeit", herstellt. "Wenn nun aber Materie und daher die durch sie definierte Raumzeit in Superposition gebracht wird, dann sind auch insbesondere die zeitlichen Beziehungen zwischen den Ereignissen nicht definiert und können sogar zu einer sehr seltsamen Situation der Überlagerung verschiedener kausaler Ordnungen führen", beschreibt Brukner sein Forschungsinteresse. Er sucht nach einem neuen Formalismus, um solche Situationen beschreiben zu können.

Brukner tut nun, was Quantenphysiker*innen am liebsten tun, wenn sie miteinander diskutieren: Er steht auf, geht zur Tafel und skizziert die Idee des sogenannten "Quantenbezugssystems". Wenn man beispielsweise die Bewegung eines Photons nahe einer sich in Superposition befindlichen Masse beschreiben will, stößt man auf das Problem, dass die Raumzeit selbst nicht definiert ist – und das macht die Beschreibung der Bewegung unmöglich. Betrachtet man das Problem aber aus der Perspektive der Masse, stellt man erstens fest, dass die Masse nun klassisch ist, also beispielsweise einen definierten Ort hat. Zweitens ist nun das Photon in Superposition – das aber sei "Lehrbuch-Quantentheorie", wie der Physiker es nennt, sei also mit bereits bestehenden Methoden relativ einfach zu lösen.

Brukner erklärt die Nützlichkeit von Quantenbezugssystemen: "Man löst das Problem nicht direkt im äußeren Bezugssystem, in dem die Masse in Superposition ist. Aber wenn wir das Bezugssystem der Masse selbst einnehmen, wissen wir, was passiert." Dies ist die Übertragung einer Skizze, die Brukner im Verlauf des Gesprächs an die Tafel zeichnet. © Daniel Schenz

"Interessanterweise hat also die Frage, was in Superposition und was klassisch ist, keine absolute Antwort, sondern es sind relative Begriffe", sagt Brukner. "Die Hoffnung besteht darin, mit diesem Ansatz vielleicht neue physikalische Gesetze zu finden, die auch bei einem Wechsel von einem Quantenbezugssystem zum anderen die gleiche Form haben müssen."

Ein Labor im Miniformat

Als Physiker interessiert sich Brukner immer auch dafür, wie solche Gesetze getestet werden könnten. Im Fall von Gesetzen, die über verschiedene Quantenbezugssysteme Gültigkeit haben sollen, ginge das zum Beispiel mit "Laboratorien", die aus nur einem Atom oder einem Molekül bestehen. So ein kleines Teilchen kann immer noch mit seiner Umwelt interagieren – und somit eine "Beobachtung" durchführen – man kann es aber vor allem in Superposition bringen und damit Messungen in einem Quantenbezugssystem vornehmen, das von unserem verschieden ist.

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Wie kann man Superposition erzeugen?

Einer von vielen Wegen, Superposition zu erzeugen, ist, Photonen einzeln auf einen Schirm zu strahlen, der zwei parallele Spalten hat – einen sogenannten "Doppelspalt". In einiger Distanz hinter dem Doppelspalt ist ein Schirm, der aufzeichnet, wo das Licht auftrifft. Wenn man misst, durch welchen Spalt das Photon ging, schaut das Bild, das sich dort abzeichnet, anders aus, als wenn man das nicht misst – nur in zweiterem Fall tritt ein sogenanntes "Quanteninterferenzmuster" auf. Der Nobelpreisträger Anton Zeilinger von der Universität Wien erklärte dies einmal so: "Das Fehlen einer solchen [Welcher-Weg] Information ist das wesentliche Kriterium für das Auftreten von Quanteninterferenz" – jenes Musters, das durch die Superposition auftritt.

Und das wirft ganz neue grundsätzliche Fragen auf. Denn wenn man zwei voneinander unabhängige Laboratorien hat, könnten diese theoretisch getrennt voneinander jeweils eine andere Eigenschaft eines Systems in Superposition messen. Dieses Gedankenexperiment überrascht Brukner: "Denn nun ist es nicht mehr nur kontrafaktische Argumentation, ob eine Eigenschaft vor einer Messung existiert – beide werden gemessen! Zwar nicht in derselben Beobachtung, aber trotzdem scheint die Quantenmechanik zu sagen: Nein, man darf nicht annehmen, dass sie koexistieren, auch wenn sie getrennt voneinander gemessen werden."

Ein*e Beobachter*in (grün) misst den horizontalen Spin eines Teilchens, der vertikale Spin des Teilchens ist für sie*ihn in Superposition. Ein*e externe*r Beobachter*in (rot) kennt den Ausgang des Experiments nicht, misst aber den vertikalen Spin. Laut Quantentheorie sollten diese beiden Informationen objektiv gar nicht koexistieren dürfen. Der Autor illustriert hier auch den schwer begreiflichen Umstand, dass ein*e Beobachter*in, die eine für externe Beobachter*innen in Superposition befindliche Eigenschaft misst, sich aus deren Sicht ebenfalls in Superposition befindet – vergleichbar mit Schrödingers Katze. © Daniel Schenz

Also ist die Quantenphysik entweder nicht auf eine solche Situation anwendbar – warum auch immer – oder es gibt physikalische Gründe, warum sich Beobachter*innen nicht in Superposition bringen lassen.

Und damit ist die Katze aus dem Sack: Schrödinger kritisierte die Idee, dass ein physikalisches System "zwei Zustände zugleich" haben könne, mit einer Katze, deren Schicksal an den Zerfall eines Atoms gebunden ist. Zerfällt das Atom, wird über einen Mechanismus eine Katze vergiftet. Da der Zustand des Atoms aber, solange er nicht gemessen wird, nicht nur unbekannt, sondern tatsächlich unentschieden – in Superposition befindlich – ist, müsste sich ja auch das Leben der Katze in Superposition befinden. Oder ist die Perspektive der Katze selbst die Messung? Dieses Problem begründete über die vergangenen Jahrzehnte eine große Zahl an Interpretationen über die Frage, wie Beobachtung und Realität miteinander zusammenhängen.

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"Das scheint eine rein philosophische Frage zu sein, denn niemand kann praktisch eine*n Freund*in in Superposition bringen."
Caslav Brukner

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Nur wenige Türen weiter ist die Arbeitsgruppe von Philip Walther, die an Technologien für Quantencomputern arbeitet. Und mit der Entwicklung von Quantencomputern – die Superpositionen als zentralen Mechanismus nutzen – steht aber auch die Möglichkeit von darauf aufbauenden Künstlichen Intelligenzen im Raum. "Eine solche Quanten-KI könnte man dann darüber befragen, wie sie den Ausgang eines quantenphysikalischen Experimentes beschreiben würde – in Anbetracht der Tatsache, dass sie selbst eine quantenphysikalische Existenz ist", ist Brukner begeistert. Und damit, hofft er, könne man dann auch die Frage klären, ob Beobachter*innen in Superposition sein können.

Was eine Beobachtung ist und wie sie mit der Realität zusammenhängt, könnte also vielleicht geklärt werden, indem wir uns von der menschlichen Perspektive lösen. "Die Quantenphysik ist eine der präzisesten Theorien, um die Realität zu beschreiben. Allerdings," so Brukner, "verstehen wir nicht ganz, was sie für unsere Vorstellung von Realität bedeutet". (ds)

© Daniel Schenz
© Daniel Schenz
Caslav Brukner forscht zu den Themen Quanteninformationstheorie, Quanten-Nichtlokalität und informationstheoretische Grundlagen der Quantenmechanik, sowie zu Kausalität in Gravitation und Quantenphysik. Er ist seit Februar 2014 Professor für Quanteninformationstheorie und Grundlagen der Quantenphysik an der Universität Wien und seit 2021 Wissenschaftlicher Direktor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation Wien (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

Nach seinem Physikstudium an der Universität Belgrad und an der Universität Wien promovierte er 1999 im Fach Quantenphysik an der Technischen Universität Wien und habilitierte sich 2003 an der Universität Wien. Es folgten Stationen am Imperial College London, an der Tsinghua University in Peking und an der Universität Belgrad.

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