Hat Einstein sich geirrt? Zwei neue Quantenexperimente könnten eine der größten Debatten der Physik endgültig klären

Ein wissenschaftlicher Disput, der fast ein Jahrhundert alt ist, scheint nun kurz vor dem Abschluss zu stehen. Die Ergebnisse zweier neuer Quantenexperimente könnten klären, welche der beiden gegensätzlichen Theorien von Einstein und Bohr richtig war, und damit ein neues Kapitel in der Geschichte der Quantenphysik aufschlagen.

Albert Einstein ist eine der größten Persönlichkeiten der modernen Physik, dessen Theorien unser Verständnis des Universums und der Funktionsweise der Welt grundlegend verändert haben. Einem Artikel in Popular Mechanics zufolge scheint nun jedoch eine langjährige Debatte zwischen Einstein und Bohr über Quantenexperimente endlich beigelegt worden zu sein – und diesmal scheint Bohr Recht zu haben.

Die Wurzeln einer legendären Debatte

Die 1920er Jahre werden oft als ein goldenes Zeitalter der Wissenschaft angesehen. In diesem Jahrzehnt wurde Einsteins allgemeine Relativitätstheorie bestätigt, Penicillin entdeckt, die Existenz anderer Galaxien nachgewiesen und die theoretischen Grundlagen der modernen Quantenmechanik gelegt. Diese wissenschaftliche Revolution gab auch Anlass zu heftigen Debatten, von denen die berühmteste die Auseinandersetzung zwischen Albert Einstein und Niels Bohr war.

Im Mittelpunkt des Streits stand das so genannte Komplementaritätsprinzip. Diese Theorie besagt, dass ein Photon nicht gleichzeitig ein teilchenartiges und ein wellenartiges Verhalten zeigen kann. Mit anderen Worten: Wir können entweder messen, welchen Weg das Photon genommen hat, oder das Interferenzmuster beobachten, das es erzeugt – aber nicht beides gleichzeitig.

Einstein war da anderer Meinung. Er glaubte, dass mit einer speziellen Versuchsanordnung beide Eigenschaften gleichzeitig nachgewiesen werden könnten. Seine Idee beinhaltete eine federgelagerte Vorrichtung, die feststellen würde, welchen Spalt das Photon durchlaufen hat, während das Interferenzmuster weiterhin seine Wellennatur offenbaren würde. Bohr argumentierte jedoch, dass die quantenmechanische Unschärferelation dies unmöglich mache.

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Moderne Quantenexperimente könnten die Antwort liefern

Jahrzehntelang blieb die Frage unbeantwortet. Nun aber könnten zwei aufeinanderfolgende Quantenexperimente – eines am MIT und das andere an der University of Science and Technology of China (USTC) – die Debatte endlich beenden.

Der MIT-Forscher Wolfgang Ketterle und sein Team haben ein “idealisiertes” Doppelspaltexperiment durchgeführt. Sie verwendeten einzelne Atome als Schlitze und setzten extrem schwaches Licht ein, so dass jedes Atom nur ein einziges Photon streute. Das Ergebnis war eindeutig: Je mehr Informationen sie über den Weg des Photons erhielten, desto schwächer wurde das Interferenzmuster. Das ist genau das, was Bohr vorhergesagt hat – die beiden Eigenschaften schließen sich gegenseitig aus.

Am USTC haben die Forscher ein Rubidium-Atom mit einer optischen Pinzette gefangen und seinen Quantenzustand mit Lasern und elektromagnetischen Kräften kontrolliert. Sie streuten das Licht in zwei Richtungen und stellten erneut fest, dass die genaue Bestimmung des Weges des Photons jede Spur von wellenartigem Verhalten auslöscht. Einmal mehr wurde die Bohr’sche Theorie bestätigt.

Einstein hatte sich geirrt – aber was bedeutet das für die Zukunft?

Trotzdem ist es wichtig zu betonen, dass Einsteins scheinbare Niederlage in dieser Debatte ihn nicht weniger zu einem Genie macht. Die Wissenschaft schreitet durch Zweifel und Hinterfragen voran, und Einsteins kritischer Ansatz trug ebenfalls zu einem tieferen Verständnis der Quantenmechanik bei.

Chao-Yang Lu, einer der Leiter des chinesischen Forschungsteams, sagte, es sei atemberaubend zu beobachten, wie die Quantenmechanik auf einer so fundamentalen Ebene funktioniere. Wie er erklärte, war Bohrs Gegenargument brillant, aber fast ein Jahrhundert lang blieb das Gedankenexperiment rein theoretisch – bis die Technologie schließlich praktische Tests ermöglichte.

Die Forscher machen hier nicht Halt. Sie planen, diese neuen experimentellen Methoden zu nutzen, um weniger bekannte Phänomene der Quantenwelt zu erforschen, wie z.B. die Beziehung zwischen Dekohärenz und Verschränkung, die sich als entscheidend für die Entwicklung zukünftiger Quantencomputer erweisen könnte.