Albert Einstein © REUTERS/Lucy Nicholson

Die Welt der Quantenphysik ist sonderbar. Da gibt es Teilchen, die sich gleichzeitig entlang unterschiedlicher Pfade bewegen; spukhafte Korrelationen, bei denen weit voneinander entfernte Teilchen in ihren Eigenschaften miteinander verknüpft sind; Überlagerungszustände, wobei erst eine Messung entscheidet, ob sich ein Teilchen letztlich für dieses oder jenes Dasein entscheidet.

Albert Einstein, andere Physiker und Philosophen haben die Quantenmechanik – eine Teildisziplin der Quantenphysik – wegen dieser seltsamen Eigenschaften stets abgelehnt. Sie hofften, es ließe sich eine weniger merkwürdige Theorie aufstellen. Bisher ohne Erfolg. Und jetzt hat auch noch das gegnerische Lager einen wichtigen Punkt gemacht: Niederländischen Wissenschaftlern der TU Delft gelang ein Experiment, mit dem sie die Unausweichlichkeit der Quantenmechanik eindrucksvoll demonstriert haben (Nature, Hensen et al., 2015). Zwar ist die Quantenmechanik seit Jahrzehnten hervorragend bestätigt, aber alternative Theorien mit einem alltagstauglicheren Weltbild waren zumindest logisch möglich. Bei allen bisherigen Experimenten zu den Grundlagen der Quantenphysik waren nämlich sogenannte Schlupflöcher offen geblieben.

Die beiden wichtigsten sind das "Lokalitätsschlupfloch" und das "Nachweisschlupfloch". Dahinter verbirgt sich die Möglichkeit, die beobachteten Phänomene mit einer anderen Theorie ebenfalls zu erklären. So könnte bei weit voneinander entfernten Teilchen, die quantentypisch korrelierte Eigenschaften aufweisen und von der Quantenmechanik als holistisches System behandelt werden, etwa ein Signal von einem zum anderen gelaufen sein; das ist das Lokalitätsschlupfloch. Dies ist zwar höchst unwahrscheinlich, aber logisch und naturgesetzlich nicht ausgeschlossen. Ein solches Signal dürfte sich nach der Relativitätstheorie höchstens mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.

Beide Schlupflöcher zugleich gestopft – das gab's noch nie

Das Nachweisschlupfloch besteht darin, dass man vielleicht nur einen Teil der Teilchen misst, weil der Detektor nicht perfekt funktioniert. Die gemessenen Teilchen zeigen dann den von der Quantenmechanik geforderten engen Zusammenhang, während diejenigen, die der Detektor nicht eingefangen hat, womöglich anderen Gesetzmäßigkeiten gehorchen. Die Quantentheorie gäbe dann nur eine partielle Beschreibung des Mikrokosmos und eine andere Theorie könnte sie ersetzen.

In bisherigen Experimenten war es gelungen, diese Schlupflöcher zu schließen – aber stets nur eines der beiden. Die Forscher der TU Delft konnten nun beide gleichzeitig stopfen. Sie arbeiteten hierzu in zwei Laboren, die mehr als einen Kilometer auseinander lagen und durch ein Glasfaserkabel verbunden waren. Dank der Entfernung blieb ein kurzes Zeitfenster von wenigen Millionstel Sekunden, in dem sie Messungen an Elektronen durchführen konnten, die im Kristallgitter von Diamanten eingefangen waren. Wie sie beim Vergleich der Korrelationen zwischen den Elektronen feststellten, waren die Vorhersagen der Quantenmechanik voll bestätigt. 

Was ein verliebtes Paar im Restaurant mit Physik zu tun hat? Das folgende Animationsvideo erklärt, wie das aktuelle Experiment funktioniert:

Gleichzeitig verletzten die Ergebnisse die nach dem Quantentheoretiker John Stewart Bell benannte Bellsche Ungleichung. Sie setzt eine obere Korrelationsgrenze für Nicht-Quanten-Theorien und erlaubt eine experimentelle Unterscheidung zwischen Theorien wie der Quantenmechanik und möglichen Alternativen. Man spricht bei solchen Versuchen deshalb auch von Bell-Experimenten.

Alternative Theorien, wie sie etwa einst Einstein vorschwebten, sind mit den Ergebnissen nicht verträglich. Solche Alternativen sollen das Realitätsverständnis unserer Alltagswelt auch im Mikrokosmos so gut wie möglich bewahren. Hierzu gehört einerseits die Annahme, dass kausale Einflüsse lokal sind – sich also höchstens mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzen. Andererseits gehen sie davon aus, dass die Eigenschaften physikalischer Objekte "real vorliegen", was bedeutet, dass sie ihre Werte auch unabhängig von jeglicher Messung besitzen.