Einsteins Paradoxon „Spooky Action at a Distance“ ist älter als gedacht

Einsteins Ausdruck gruselige Fernwirkung ist zum Synonym für eine der berühmtesten Episoden in der Geschichte der Physik geworden – seinen Kampf mit Bohr in den 1930er Jahren um die Vollständigkeit der Quantenmechanik.

Einsteins Waffen in dieser Schlacht waren Gedankenexperimente, die er entworfen hatte, um aufzuzeigen, was seiner Meinung nach die Unzulänglichkeiten der neuen Theorie waren.

Das bekannteste davon ist das EPR-Paradoxon, das 1935 angekündigt und nach seinen Erfindern Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen benannt wurde.

Es handelt sich um ein Teilchenpaar, das durch die seltsame Quanteneigenschaft der Verschränkung (ein Wort, das viel später geprägt wurde) verbunden ist. Verschränkung tritt auf, wenn zwei Teilchen so tief miteinander verbunden sind, dass sie dieselbe Existenz teilen. In der Sprache der Quantenmechanik werden sie durch dieselbe mathematische Beziehung beschrieben, die als Wellenfunktion bekannt ist.

Verschränkung entsteht auf natürliche Weise, wenn beispielsweise zwei Partikel am selben Punkt und im selben Moment im Raum erzeugt werden.

Verschränkte Teilchen können sich im Raum weit voneinander lösen. Aber trotzdem impliziert die Mathematik, dass eine Messung an einer Messung die andere unmittelbar beeinflusst, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen.

Einstein und Co wiesen darauf hin, dass dies nach der speziellen Relativitätstheorie unmöglich sei und die Quantenmechanik daher falsch oder zumindest unvollständig sein müsse. Einstein nannte es bekanntlich gruselige Fernwirkung.

Das EPR-Paradoxon verblüffte Bohr und wurde erst 1964, lange nach Einsteins Tod, gelöst. Der CERN-Physiker John Bell löste es, indem er sich die Verschränkung als eine völlig neue Art von Phänomen vorstellte, das er als nichtlokal bezeichnete.

Der Grundgedanke dabei ist, über die Übertragung von Informationen nachzudenken. Durch die Verschränkung kann ein Teilchen ein anderes augenblicklich beeinflussen, jedoch nicht so, dass klassische Informationen schneller als Licht transportiert werden können. Dies löste das Paradoxon mit spezieller Relativitätstheorie, ließ jedoch einen Großteil des Mysteriums intakt. Heutzutage wird die kuriose Natur der Verschränkung in Labors auf der ganzen Welt intensiv untersucht.

Aber das erzähle nicht die ganze Geschichte, sagt Hrvoje Nikoli vom Rudjer Boskovic Institut in Kroatien. Heute enthüllt er, dass, obwohl die Geschichte dieses Paradoxon 1935 erstmals aufgezeichnet hat, Einstein viel früher, im Jahr 1930, unwissentlich darüber gestolpert ist.

Zu dieser Zeit arbeitete er an einem anderen Paradoxon, das er 1930 auf der 6. Solvay-Konferenz in Brüssel vorstellte. Dieses Problem konzentrierte sich auf die Heisenbergsche Unschärferelation zwischen Energie und Zeit, die besagt, dass man nicht beides mit hoher Genauigkeit messen kann.

Um dies in Frage zu stellen, entwickelte Einstein das folgende Gedankenexperiment. Stellen Sie sich eine Box vor, die sich schnell öffnen und schließen lässt und ein Ensemble von Photonen enthält. Im geöffneten Zustand emittiert die Box ein einzelnes Photon.

Die Emissionszeit kann mit beliebiger Genauigkeit gemessen werden – es ist nur die Zeitdauer, für die die Box geöffnet war. Dies schränkt laut Quantenmechanik die Auflösung ein, mit der man die Energie des Photons messen kann.

Aber Einstein wies darauf hin, dass auch dies mit beliebiger Genauigkeit gemessen werden kann, nicht durch Messung des Photons, sondern durch Messung der Energieänderung der Box bei der Emission des Photons, die gleich der Energie des Photons sein muss. Daher sei die Quantenmechanik inkonsistent, sagte er.

Einsteins großer Rivale Bohr rätselte lange und intensiv, kam aber schließlich zu dem folgenden Argument. Er sagte, dass Einsteins eigene allgemeine Relativitätstheorie die Antwort lieferte.

Da die Zeitmessung in einem Gravitationsfeld erfolgt, muss der Zeitablauf, in dem die Box geöffnet ist, auch von der Position der Box abhängen.

Die Positionsunsicherheit ist ein zusätzlicher Faktor, den Einstein nicht berücksichtigt hatte, und dies, so Bohr, löste das Paradox. Einstein wurde zum Packen geschickt.

Dies ist natürlich keine sehr zufriedenstellende Antwort für das moderne Auge. Dies impliziert zum einen, dass die Quantenmechanik die Konsistenz der allgemeinen Relativitätstheorie erfordert, eine Idee, die moderne Physiker rundweg ablehnen würden.

Nikoli sagt, dieses Problem sei aus heutiger Sicht nie zufriedenstellend analysiert worden. Bis jetzt.

Er sagt, dass die richtige Auflösung darin besteht, an die Gesamtenergie des Systems zu denken, die aus der Energie der Box und der Energie des Photons besteht. Die Gesamtenergie ist konstant und wird von einer einzigen mathematischen Einheit bestimmt, selbst nachdem das Photon emittiert wurde.

Also müssen die Box und das Photon verschränkt sein.

Dies wirft sofort das Problem auf, auf das Einstein später im EPR-Paradox gestoßen ist. Eine Messung an der Box beeinflusst sofort das Photon und umgekehrt – gruselige Fernwirkung.

Aus diesem Grund entspricht das Photonen-Paradoxon dem EPR-Paradoxon, sagt Nikoli. Hätte Einstein es bemerkt, hätte er Bohr aufhalten können.

Das ist eine interessante historische Fußnote. Bohrs Triumph über Einstein bei dieser Gelegenheit gilt allgemein als sein größter.

Aber jetzt ist leicht zu erkennen, dass die Dinge wesentlich anders hätten ausfallen können, wenn Einstein seine Argumentation in Bezug auf die Verschränkung umformuliert hätte.

So ist Geschichte gefälscht!

Ref: arxiv.org/abs/1203.1139 : EPR vor EPR: Ein erneutes Einstein-Bohr-Gedankenexperiment aus dem Jahr 1930

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