Zwei Photonen werden gemeinsam erzeugt und dann voneinander getrennt — eines nach Wien, das andere nach New York. Sobald man das Photon in Wien misst, steht im selben Moment das Ergebnis beim Photon in New York fest. Nicht eine Millisekunde später. Nicht mit Lichtgeschwindigkeit. Gleichzeitig. Unabhängig von der Entfernung. Albert Einstein nannte das 1935 „spukhafte Fernwirkung" und hielt es für den Beweis, dass die Quantenmechanik unvollständig sei. Er lag falsch. Die Physik hat in den letzten vierzig Jahren experimentell bewiesen, dass die Nicht-Lokalität real ist. 2022 gab es dafür den Nobelpreis.
Was Verschränkung ist
Verschränkung entsteht, wenn zwei Teilchen — etwa zwei Photonen oder zwei Elektronen — in einem gemeinsamen physikalischen Prozess erzeugt werden und dabei in einen gemeinsamen Quantenzustand geraten. Ab diesem Moment sind die beiden Teilchen nicht mehr unabhängig voneinander beschreibbar, sondern bilden ein einziges Quantensystem — egal wie weit man sie anschließend voneinander trennt.
Das Entscheidende: Solange niemand misst, ist der Zustand beider Teilchen nicht „unbekannt", sondern tatsächlich noch nicht festgelegt. Das Photon hat keinen bestimmten Spin, den wir nur nicht kennen. Es hat keinen. Der Zustand entsteht erst im Moment der Messung. Und wenn man eines der verschränkten Teilchen misst und sein Spin „oben" ergibt, dann ist der Spin des anderen Teilchens im selben Moment „unten" — egal ob das andere Teilchen einen Meter oder eine Milliarde Lichtjahre entfernt ist.
Einstein, Podolsky, Rosen: das EPR-Paper 1935
Albert Einstein war einer der Begründer der Quantenmechanik — und gleichzeitig einer ihrer schärfsten Kritiker. Er akzeptierte die mathematische Struktur, aber er glaubte nicht, dass sie die vollständige Beschreibung der Wirklichkeit sei. 1935 veröffentlichte er zusammen mit Boris Podolsky und Nathan Rosen ein Paper mit dem Titel „Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?" im Physical Review. Es wurde eines der meistzitierten Papers der Physikgeschichte.
Das Argument ist elegant: Wenn zwei verschränkte Teilchen bei der Messung immer korrelierte Ergebnisse liefern, dann gibt es nur zwei Möglichkeiten:
- Entweder die Teilchen tragen ihre Eigenschaften schon seit der Erzeugung mit sich — wie zwei Zettel in zwei versiegelten Umschlägen, auf denen beim Versiegeln schon „oben" und „unten" geschrieben wurde. Dann erfährt man beim Öffnen nur, was schon drinstand. Kein Spuk, keine Fernwirkung.
- Oder die Teilchen haben ihre Eigenschaften wirklich nicht, bis jemand misst — und die Messung des einen legt den Zustand des anderen instantan fest, über beliebige Entfernungen hinweg. Das wäre eine Verletzung der Lokalität, die Einstein für physikalisch unmöglich hielt.
Einstein war überzeugt, dass die erste Möglichkeit richtig ist. Die Teilchen müssen „versteckte Variablen" tragen — verborgene Eigenschaften, die die Quantenmechanik nur nicht beschreibt. Seine Schlussfolgerung: Die Quantenmechanik ist unvollständig. Sie gibt die richtigen Vorhersagen, aber sie erfasst nicht die ganze Wirklichkeit.
Einsteins Verhältnis zum Unerklärlichen war differenzierter, als die populäre Darstellung vermuten lässt. Er schrieb 1930 ein Vorwort zu Upton Sinclairs Telepathie-Buch Mental Radio und nahm die Daten des Rhine-Labors ernst. Aber er suchte nach einer physikalischen Erklärung, die klassisch denkbar wäre — nicht nach einer, die die Grundlagen der Physik umwerfen würde. Bei der Verschränkung nahm er dieselbe Haltung ein.
Dreißig Jahre Stille
Das EPR-Paper löste eine kurze Debatte aus — Niels Bohr antwortete noch im selben Jahr —, aber dann wurde es still. Dreißig Jahre lang galt die Frage „versteckte Variablen oder Nicht-Lokalität?" als philosophisch interessant, aber experimentell unentscheidbar. Die Quantenmechanik funktionierte in der Praxis so gut, dass die meisten Physiker die Grundlagenfrage ignorierten. „Shut up and calculate" wurde zur inoffiziellen Devise der Nachkriegsphysik.
John Bell: das Theorem, das alles änderte (1964)
1964 veröffentlichte der irisch-stämmige CERN-Physiker John Stewart Bell (1928–1990) ein kurzes, mathematisch präzises Paper mit dem Titel „On the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox". Es ist eines der wichtigsten Dokumente der Physik des 20. Jahrhunderts.
Bell zeigte: Wenn Einsteins versteckte Variablen existieren — wenn die Teilchen ihre Eigenschaften schon vor der Messung festgelegt haben —, dann müssen bestimmte statistische Korrelationen zwischen den Messergebnissen eine mathematische Obergrenze einhalten. Diese Obergrenze heißt die Bell-Ungleichung.
Die Quantenmechanik sagt vorher, dass diese Obergrenze verletzt wird. Die Korrelationen zwischen verschränkten Teilchen sind stärker, als es mit vorher festgelegten Eigenschaften möglich wäre.
Das ist der entscheidende Punkt: Bell machte aus einer philosophischen Frage ein experimentell testbares Kriterium. Entweder die Natur hält sich an die Bell-Ungleichung — dann hatte Einstein recht, und es gibt versteckte Variablen. Oder sie verletzt sie — dann gibt es keine versteckten Variablen, und die Nicht-Lokalität ist real.
Bell selbst war — bemerkenswert für einen Physiker dieser Präzision — ein Bewunderer von David Bohms Pilotwellen-Theorie. Er hat mehrfach öffentlich gesagt, dass sein Theorem ohne Bohms Arbeit nicht entstanden wäre.
Alain Aspect: das Experiment (1982)
Es dauerte fast zwanzig Jahre, bis die Technologie reif genug war, Bells Theorem experimentell zu testen. 1982 führte der französische Physiker Alain Aspect an der Universität Paris-Süd (Orsay) die entscheidende Versuchsreihe durch.
Aspect erzeugte Paare verschränkter Photonen und maß ihre Polarisation an zwei räumlich getrennten Detektoren. Die Innovation: Aspect schaltete die Messrichtung an jedem Detektor während des Fluges der Photonen um — schneller, als ein Lichtsignal von einem Detektor zum anderen hätte reisen können. Das schloss die Möglichkeit aus, dass die Teilchen sich über ein konventionelles Signal absprechen.
Das Ergebnis war eindeutig: Die Bell-Ungleichung wurde verletzt. Die Korrelationen waren stärker, als versteckte Variablen erlauben. Die Quantenmechanik hatte recht. Einstein hatte unrecht.
Die Teilchen hatten ihre Eigenschaften nicht vorher festgelegt. Der Zustand entstand erst bei der Messung. Und das Ergebnis der Messung am einen Teilchen bestimmte den Zustand des anderen — instantan, über jede Entfernung hinweg.
Die Schlupflöcher schließen: 2015
Aspects Experiment von 1982 ließ noch theoretische Schlupflöcher offen — winzige logische Möglichkeiten, dass das Ergebnis doch durch lokale Effekte erklärt werden könnte. 2015 führten drei unabhängige Teams in Delft (Ronald Hanson), Wien (Anton Zeilinger) und Boulder (Lynden Shalm) sogenannte loopholefreie Bell-Tests durch, die alle bekannten Schlupflöcher gleichzeitig schlossen.
Das Ergebnis blieb dasselbe: Die Bell-Ungleichung wird verletzt. Nicht-Lokalität ist real. Es gibt keine versteckten Variablen im Sinne Einsteins.
Der Nobelpreis 2022
Am 4. Oktober 2022 verlieh die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften den Nobelpreis für Physik an Alain Aspect (Frankreich), John F. Clauser (USA) und Anton Zeilinger (Österreich) — „für Experimente mit verschränkten Photonen, die die Verletzung der Bell-Ungleichungen nachweisen, und für Pionierarbeit in der Quanteninformationswissenschaft."
Der Nobelpreis bestätigte, was die Physik seit Aspects Experiment wusste, aber erst 2015 lückenlos bewiesen hatte: Die Nicht-Lokalität der Quantenmechanik ist eine experimentell gesicherte Tatsache. Zwei verschränkte Teilchen reagieren instantan aufeinander, unabhängig von der Entfernung, ohne dass ein Signal zwischen ihnen reist.
John Bell, dessen Theorem das Fundament aller drei Preisträger-Arbeiten war, starb 1990 und konnte den Preis nicht mehr erhalten. Viele Physiker halten das für eine der großen Ungerechtigkeiten der Nobel-Geschichte.
Schneller als Licht?
Die Korrelation zwischen verschränkten Teilchen ist nicht „sehr schnell" — sie ist instantan. Kein Signal reist von A nach B. Es gibt keine Verzögerung. Die Gleichzeitigkeit ist experimentell bestätigt: Wenn das Photon in Wien gemessen wird, steht der Zustand des Photons in New York im selben Moment fest.
Trotzdem kann man mit Verschränkung keine steuerbaren Nachrichten schneller als Licht senden. Der Grund: Man kann nicht kontrollieren, welches Ergebnis die Messung ergibt. Man bekommt zufällig „oben" oder „unten" — man kann nur hinterher feststellen, dass das Ergebnis in New York immer das Gegenteil von Wien war. Um diese Korrelation zu sehen, müssen die beiden Seiten ihre Ergebnisse vergleichen — und das erfordert klassische Kommunikation, die maximal mit Lichtgeschwindigkeit reist.
Die Physik hat also zwei Dinge gleichzeitig bewiesen:
- Es gibt instantane, nicht-lokale Verbindungen in der Natur.
- Diese Verbindungen lassen sich nicht zum Senden steuerbarer Nachrichten verwenden.
Einsteins Relativitätstheorie bleibt als Grenze für Signalübertragung bestehen. Aber die Vorstellung, dass weit entfernte Teile des Universums völlig unabhängig voneinander sind, ist experimentell widerlegt.
Was niemand weiß: was Nicht-Lokalität ist
Die Physik hat bewiesen, dass Nicht-Lokalität existiert. Sie hat nicht erklärt, was sie ist. Es gibt konkurrierende Interpretationen:
- Kopenhagener Deutung: Es gibt keine physikalische Realität unterhalb der Messung. Die Frage „was passiert zwischen den Messungen?" ist sinnlos.
- Bohm: Es gibt eine Pilotwelle, die beide Teilchen über beliebige Entfernung instantan verbindet. Nicht-Lokalität ist real und explizit. Bohms implizite Ordnung beschreibt eine tiefere Ebene, in der Trennung eine Illusion ist.
- Viele-Welten: Bei jeder Messung spaltet sich das Universum. Die Korrelation ist eine Eigenschaft der Verzweigungsstruktur, keine Fernwirkung.
- Wigner/von Neumann: Das Bewusstsein des Beobachters spielt eine konstitutive Rolle im Messprozess.
Keine dieser Interpretationen ist experimentell widerlegt. Keine ist experimentell bestätigt. Die Mathematik der Quantenmechanik funktioniert unabhängig davon, welche Interpretation man bevorzugt. Die Frage, was Nicht-Lokalität ontologisch bedeutet — was sie über die Struktur der Wirklichkeit sagt —, ist eine der offenen Grundfragen der Physik.
Verschränkung und Bewusstseinsforschung
Die experimentell gesicherte Nicht-Lokalität der Quantenmechanik hat Konsequenzen für die Frage, ob nicht-lokale Verbindungen auch jenseits der Teilchenphysik existieren:
- Wolfgang Pauli vermutete in der quantenmechanischen Nicht-Lokalität eine Brücke zu dem, was er in seiner Korrespondenz mit C.G. Jung „Synchronizität" nannte.
- Roger Penrose und Stuart Hameroff schlagen vor, dass Quantenprozesse in den Mikrotubuli der Neuronen eine Rolle beim Bewusstsein spielen.
- Das PEAR-Labor und das Global Consciousness Project haben statistisch signifikante Korrelationen zwischen menschlichem Bewusstsein und physikalischen Zufallsgeneratoren dokumentiert — Korrelationen, die an die nicht-lokalen Verbindungen der Verschränkung erinnern.
- Rupert Sheldrakes morphische Resonanz postuliert nicht-lokale Verbindungen zwischen Organismen derselben Art — ein Konzept, das vor der experimentellen Bestätigung der Quantenverschränkung undenkbar schien.
Keine dieser Verbindungen ist bewiesen. Verschränkung operiert bisher nur auf der Ebene einzelner Teilchen, nicht auf der Ebene von Gehirnen oder Organismen. Aber die Verschränkung hat eines verändert: Die Vorstellung, dass instantane, nicht-lokale Verbindungen „physikalisch unmöglich" seien, ist seit 2022 offiziell unhaltbar. Sie sind nicht nur möglich — sie sind ein Nobelpreis-bestätigtes Faktum.
Was das für die Bewusstseinsforschung bedeutet, ist offen. Dass es nichts bedeutet, ist unwahrscheinlich.
Quellen: Albert Einstein, Boris Podolsky & Nathan Rosen, „Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?", Physical Review 47, 1935, S. 777–780. John S. Bell, „On the Einstein Podolsky Rosen Paradox", Physics Physique Fizika 1 (3), 1964, S. 195–200. Alain Aspect, Jean Dalibard & Gérard Roger, „Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A New Violation of Bell's Inequalities", Physical Review Letters 49 (2), 1982, S. 91–94. B. Hensen et al., „Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres", Nature 526, 2015, S. 682–686. M. Giustina et al., „Significant-Loophole-Free Test of Bell's Theorem with Entangled Photons", Physical Review Letters 115, 2015, 250401. L.K. Shalm et al., „Strong Loophole-Free Test of Local Realism", Physical Review Letters 115, 2015, 250402. Nobelpreis-Komitee, „The Nobel Prize in Physics 2022", nobelprize.org. John S. Bell, Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, Cambridge University Press 1987.