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.

Theorien müssen sich den neuen Erkenntnissen beugen

Das oben gezeigte Video erklärt das Konzept von Lokalität und Quantenverschränkung sowie das neue Experiment.

"Unser Experiment zeigt jedoch eine starke Evidenz gegen ein solches intuitives und geläufiges Bild von der Natur", sagt Ronald Hanson, der die Studie geleitet hat. Eine besondere Schwierigkeit derartiger Experimente besteht darin, dass man sich bei der Auswertung der Versuche nur bedingt auf die Gültigkeit der anerkannten Naturgesetze stützen kann. Schließlich möchten Forscher ja herausfinden, ob nicht etwa bislang unbekannte Naturgesetze die beobachteten Phänomene besser beschreiben könnten. Sie müssen sich stattdessen überlegen, welchen Prinzipien die noch nicht entdeckten Gesetze gehorchen könnten.

Dabei bleiben einige logisch mögliche Kombinationen übrig. Da nunmehr Theorien, die im obigen Sinne zugleich "lokal" und "realistisch" sind, endgültig als ausgeschlossen gelten können, verbleiben nur noch Ansätze, die auf mindestens eine dieser beiden Voraussetzungen verzichten. Sowohl die verschiedenen Interpretationen zur Quantenmechanik als auch neue Theorien zum Mikrokosmos müssen sich diesen Erkenntnissen beugen.

Der Quantenphysiker Harald Weinfurter von der LMU München, der an der Studie nicht beteiligt war, sieht das Experiment als großen Fortschritt, um solche Fragen zu klären. Die gleichzeitige Widerlegung beider Schlupflöcher ist eine Leistung, an der Quantenphysiker seit Jahrzehnten arbeiten. "Alle unsere vorhergehenden Experimente konnten jeweils nur einen der Aspekte abdecken", sagt Weinfurter. Aber gleichzeitig bleiben auch hier minimale Lücken offen, die künftig mit weiteren Versuchen und besserer Statistik geschlossen werden müssen. Neue lokal-realistische Entwicklungen jedoch sind davon nicht zu erwarten. Vielmehr dürften künftige Experimente immer engere Grenzen ziehen.

"Netze, mit denen wir die Welt einfangen"

Und auch die wenigen verbliebenen Schlupflöcher – etwa zur Bedeutung des freien Willens, wenn ein Mensch persönlich die Messung durchführt – geben kaum noch Anlass zur Vermutung, der Quantenkosmos ließe sich mit Theorien beschreiben, deren Begriffe näher an unseren alltäglichen Anschauungen liegen als die eigentümlichen Gesetze der Quantenphysik.

Karl Popper hat einmal das Bonmot geprägt: "Wissenschaftliche Theorien sind Netze, mit denen wir die Welt einfangen." Spätestens nach den jüngsten Ergebnissen muss man sich hier wohl der Replik des Wissenschaftsphilosophen Michael Redhead anschließen: "Wir müssen wohl der Tatsache ins Auge sehen, dass uns die Quantenmechanik einen ziemlich sonderbaren Fisch an Land gezogen hat."