Eine neue Vorstellung von Kausalität, eine neue Vorstellung von Wirklichkeit.

Quant

aus Der Standard, Wien, 3. Juni 2015, 05:30

Quantenphysiker: 
"Wir brauchen mehr Monty-Python-artige Physik"
US-Physiker Daniel Greenberger hat mit Michael Horne und Anton Zeilinger ein wichtiges System der Quantenphysik entwickelt

INTERVIEW TANJA TRAXLER

STANDARD: 1993 haben Sie ein Paper mit Greenberg und Greenbergest verfasst - wie kam es zu dieser auffälligen Koautorenschaft?

Greenberger: Wally Greenberg ist ein bekannter Feldtheoretiker. Wir haben einst beim selben Professor am MIT gearbeitet und eine Zeitlang zusammengewohnt. An unserem Türschild stand damals Greenberg, darunter Greenberger. Einmal haben wir eine Party gegeben, und danach stand Greenbergest darunter. So beschlossen wir, einmal ein Paper als Greenberg, Greenberger, Greenbergest zu schreiben. Wir haben in unterschiedlichen Bereichen gearbeitet, deswegen war das nicht sehr wahrscheinlich, aber zehn oder fünfzehn Jahre später war es so weit. Von einem guten Freund haben wir die Erlaubnis bekommen, Greenbergest als fiktives Fakultätsmitglied seiner Uni zu nennen. Und interessanterweise wird das Greenberg-Greenberger-Greenbergest-Paper immer wieder zitiert, es ist eine seriöse Arbeit.

STANDARD: Wie beurteilen Sie das Verhältnis von Humor und seriöser Wissenschaft. Wird derlei Scherzen genug Platz eingeräumt?

Greenberger: Humor wird in der Wissenschaft unterschätzt. Ich denke sehr gerne über Theorien nach, die wahr sein könnten, vielleicht aber rein spekulativ sind. Ich habe zum Beispiel eine Gravitationstheorie, die ich Tic-Tac-Toe-Theorie nenne. Man kann auch ernste Dinge mit einem ironischen Unterton machen. Humor wird in der Wissenschaft viel zu wenig genutzt, dabei kann er ein guter Begleiter von Skepsis sein. Häufig ist Humor in der Wissenschaft beliebig und nicht sehr witzig wie die humoristischen IG- Nobelpreise. Es sollte mehr ausgereiften Humor geben, wir brauchen mehr Monty-Python-artige Physik.

STANDARD: Eine Ihrer bekanntesten Arbeiten ist mit Michael Horne und Anton Zeilinger entstanden. In der Quantenphysik wurden lange Systeme betrachtet, in denen zwei Teilchen nicht voneinander getrennt beschrieben werden können - verschränkte Teilchen. Mit dem Greenberger-Horne-Zeilinger-(GHZ-)Zustand waren Sie die Ersten, die die Verschränkung von mehr als zwei Teilchen studiert haben - was ist das Besondere daran?

Greenberger: Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen haben in ihrer Auseinandersetzung mit verschränkten Zuständen etwas definiert, was sie ein "Element der Realität" nannten: Wenn man in einer Situation etwas über ein Teilchen sagen kann, ohne mit ihm zu interagieren, dann müsste dieses Teilchen ein Element der Realität sein - das ist ein klassisches Konzept, das sehr viel Sinn zu machen schien.

STANDARD: Was wäre ein Beispiel für so ein "Element der Realität"?

Greenberger: Betrachten wir den Fall, dass ich zwei Blätter Papier vor mir habe. Auf eines schreibe ich ein X, auf das andere ein Y. Diese Blätter gebe ich zwei Personen. Sobald die eine Person ihr Papier öffnet und ein X vor sich hat, weiß sie, dass die andere Person das Y bekommen hat, ohne deren Blatt zu öffnen. Einstein hätte gesagt, dass in dieser Situation das Y eine reale Eigenschaft des Papiers ist, schon in dem Moment, wenn ich die Blätter trenne. Die Quantenphysik leugnet das. Sie sagt, wenn man ein System hat, das verschränkt ist, in dem Sinn, dass es ein X und ein Y gibt, aber man nicht weiß, auf welchem Blatt was steht, ist der Zustand der einzelnen Blätter so lange unbestimmt, bis ich eines der Blätter ansehe. Bis zur Messung ist nur die Korrelation der Blätter definiert, aber nicht der individuelle Zustand eines Blattes.

STANDARD: Niels Bohr, der die quantenmechanische Sicht vertrat, und Albert Einstein, der an der klassischen Vorstellung festhielt, haben darüber eine lange Debatte geführt - warum?

Greenberger: Wir haben hier eine Situation, in der sowohl Einsteins Argument, dass die Blätter seit der Trennung einen definierten Zustand haben, als auch Bohrs Argument, dass sie das bis zur Messung nicht haben, korrekt scheinen - obwohl es vollkommen unterschiedliche Standpunkte sind. Lange hat man geglaubt, dass das nur eine philosophische Diskussion ist. Doch John Bell konnte zeigen, dass man experimentell zwischen klassischer und Quantenphysik unterscheiden kann. Als die Bell-Experimente durchgeführt wurden, gingen sie zugunsten der Quantenphysik aus.

STANDARD: Das GHZ-Experiment ist eine Weiterentwicklung der Bell-Experimente. Welche weiteren Erkenntnisse können gewonnen werden, wenn man eine Verschränkung mit mehr als zwei Teilchen betrachtet?

Greenberger: Was wir im GHZ-Experiment gezeigt haben, war, dass man mit drei Teilchen einen Zustand erzeugen kann, der unmöglich klassisch hergestellt werden kann. Und dieser quantenmechanische Zustand gehorcht der klassischen Vorstellung von Elementen der Realität: Wenn man zwei dieser Teilchen misst, kann man das dritte vorhersagen, ohne es zu messen - so, wie Einstein gefordert hatte. Das ist der Grund, warum der GHZ-Zustand so essenziell war: Man kann vorhersagen, ohne zu berühren. Und dennoch kann man so einen Zustand klassisch nicht erzeugen.

STANDARD: Was müssen wir aus diesem Ergebnis folgern?

Greenberger: Die Idee der klassischen Vorstellung von Kausalität - dass, das was an einem Ort passiert, durch etwas, das zu einem früheren Zeitpunkt passiert ist, bestimmt wird - gilt in der Quantenmechanik nicht länger. Die Theorie ist in dieser Hinsicht akausal. Übrigens: Als wir das gemacht haben, hatten wir keine Ahnung, wo das hinführen würde. Als wir es zum ersten Mal herausbekommen hatten, dachten wir, wir hätten einen Fehler gemacht, weil es so unmöglich schien.

STANDARD: Muss man mit der Quantenmechanik Kausalität vollkommen aufgeben?

Greenberger: Wir brauchen ein neues Konzept von Kausalität - und auch von Realität. Derzeit wissen wir nicht, was "real" oder "kausal" bedeutet - diese Worte haben in der Quantenmechanik unterschiedliche Bedeutungen in unterschiedlichen Kontexten. Das klassische Verständnis der Wissenschaft ist, dass der Wissenschafter das System in sehr sanfter Weise ansehen kann, ohne es zu stören. In der Quantenmechanik ist das nicht möglich. Die Ergebnisse hängen hier davon ab, wie man beobachtet.

STANDARD: Wäre es zum momentanen Zeitpunkt notwendig, auch über das philosophische Verständnis von physikalischen Konzepten nachzudenken?

Greenberger: Ja, ich glaube, das ist sehr wichtig, diese Dinge auch aus einer philosophischen Perspektive anzugehen. Dennoch gibt es eine starke Tendenz in der Physik, zu sagen, dass Philosophie dabei nicht helfen kann, weil die experimentellen Situationen nicht klar sind. Aber oft sind sie klar, und da gibt es viele wichtige philosophische Betrachtungen.

STANDARD: Wobei können philosophischen Einsichten wichtig sein?

Greenberger: Etwa beim Versuch, die Gravitation zu quantisieren und Quantenmechanik und Relativitätstheorie zu vereinheitlichen, beschäftigen sich die Leute mit sehr vielen mathematischen Problemen. Doch ich sage: Lange bevor man mathematische Probleme erreicht, stößt man auf physikalische, konzeptuelle Probleme. Wenn man versucht, Gravitation zu quantisieren, ohne sie auf der einfachsten Ebene zu verstehen, spannt man den Wagen vor das Pferd. Generell gilt sehr oft in der Quantenmechanik: Wir wissen zwar, wie wir sie verwenden können, aber dennoch verstehen wir sie nicht vollkommen. Wir können fantastische Experimente machen, die sehr genau sind, doch wenn wir unser Verständnis zu weit nach vorn jagen, fällt es auseinander. Das ist, was die Theorie so faszinierend macht.

STANDARD: Gibt es in anderen Feldern ähnliche Situationen?

Greenberger: In den letzten 40 Jahren haben wir fantastische Fortschritte in der Kosmologie gemacht. Doch der ultimativen Wahrheit sind wir noch nicht sehr nahe. Das Problem der Dunklen Materie und der Dunklen Energie bleibt bestehen, über 90 Prozent des Universums wissen wir nicht Bescheid. Wie kann mir da jemand in die Augen schauen und sagen: "Wir sind nahe dran, das Universum zu verstehen!"? Mir kommt vor, dass es in der Physik eine Tendenz gibt, zu selbstgefällig zu sein. Wir sollten eine skeptischere Haltung entwickeln. Ich denke, weder die Kosmologie noch die Quantenmechanik noch eine andere Theorie, mit der wir derzeit arbeiten, hat die Chance, eine ultimative Theorie zu sein. ...


Daniel Greenberger (82) ist Physikprofessor am City College New York, wo er bis heute Vollzeit forscht und lehrt. Nach Promotion am MIT war er u. a. an den Unis Berkeley, Oxford, Paris VIII, Uni Wien und TU Wien tätig. Derzeit verbringt er einen Monat am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW in Wien. Er arbeitet u. a. zu Grundlagen der Quantenphysik, Neutrinointerferometrie und Gravitation.