Quantenverschränkung und spukhafte Fernwirkung

Prof. Anton Zeilinger aka "Mr. Beam".
Ihm und seinem Team gelang 1977 erstmals
die Teleportation von Quantenzuständen.
(Credit: Jaqueline Godany)

Verglichen mit meinen bisherigen Blogartikeln ist der heutige anderer Natur.

Anstelle von langen Texten, in denen ich versuche, Phänomene und Erkenntnisse aus dem Bereich der Physik mit Worten zu beschreiben und verständlich darzustellen, tritt heute ein Video. (Allerdings biete ich dabei etwas mehr als nur ein schnell hier eingebettetes Video.)

Ich wollte immer schon über diesen einen kuriosen Effekt der quantenmechanischen Verschränkung schreiben - ein Phänomen, das man nutzen kann, um Quantenzustände zu teleportieren, Quantenkryptografie zu betreiben oder vielleicht sogar irgendwann einmal dazu, Quantencomputer zu bauen -, hatte jedoch nie Zeit, die nötigen grafischen Hilfsmittel zu erstellen, ohne die meine Erklärungen mit Sicherheit zu kompliziert geworden wären.

Nun hat in der Zwischenzeit Derek Muller vom YouTube-Kanal Veritasium ein Video veröffentlicht, in welchem er genau diesen Effekt der Quantenverschränkung erklärt - und das auf eine Weise, die ich in ihrer Klarheit und Einfachheit wohl nie in einem textbasierten Blogartikel übertreffen kann. Warum also noch darüber schreiben, wenn ich stattdessen auf das Video verweisen kann?

Da es sich bei meinem Blog um einen deutschsprachigen handelt und Dereks Erklärungen auf Englisch sind, habe ich übrigens Vorarbeit geleistet und diese auf Deutsch übersetzt. Falls gewünscht, könnt ihr bei diesem Video also ab sofort deutsche Untertitel einschalten. (Die Untertiteloptionen befinden sich im rechten Abschnitt der unteren Video-Menüleiste.)

Nun möchte ich euch aber nicht mehr länger vom Schauen dieses großartigen Videos abhalten.

Viel Vergnügen beim Kennenlernen eines äußerst verrückten, allerdings realen Quanteneffektes! Sagt mir danach, was ihr darüber denkt!

"Quantum Entanglement & Spooky Action at a Distance" von Veritasium:

Dunkle Materie - ein herausragendes Porträt

"Molecule Man" (Berlin, 2013)
(Credit: Avda, via Wikimedia Commons)

Alles, was wir jeden Tag um uns herum sehen, mag auf den ersten Blick unglaublich vielseitig und verschieden aussehen. Die Straße unterscheidet sich deutlich vom nächsten Mitmenschen, der auf ihr geht. Das Gebäude nebenan sieht so ganz anders aus als die Sonne. Dein elektronisches Gerät, das diesen Text soeben darstellt, scheint in erster Linie gar nichts mit der umgebenden Luft, die es zur Kühlung verwendet, zu tun zu haben.

Obwohl in unserer makroskopischen Welt natürlich grundverschieden, so sind all diese Dinge auf der kleinsten Ebene nicht wirklich unterschiedlich - sie alle bestehen aus den subatomaren Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik. Die Protonen und Neutronen in den Atomkernen werden aus drei noch kleineren Teilchen aufgebaut, den sog. "Quarks" (1). Neben den Quarks gibt es noch die sog. Leptonen, deren wohl berühmtester Vertreter das Elektron ist - jener Atombestandteil, der wesentlich die physikalischen und chemischen Eigenschaften von all dem Zeug in der Welt bestimmt. Quarks und Leptonen müssen noch durch jene Teilchen, die die vier Grundkräfte der Natur (2) kommunizieren, und durch das Higgs-Teilchen (3) erweitert werden, um das soeben erwähnte Standardmodell der Teilchenphysik zu bilden. Zählt man dessen Teilchen erst einmal ab, kommt man auf insgesamt 61 Stück (4). Das klingt einerseits nach einer großen Menge Teilchen, andererseits ist es doch erstaunlich, dass es uns gelungen ist, die gesamte uns bekannte, materielle Welt auf diese paar Teilchen zu reduzieren. (Falls jemand von dieser Kurzzusammenfassung des Standardmodells eben nichts verstanden hat, macht das nichts. Ab jetzt wirds schon wieder einfacher!)

Obwohl wir alles, was wir im Universum sehen können, nun zumindest im Prinzip kennen, können wir uns wohl kaum auf unserem Erfolg ausruhen, denn wir wissen heute, dass die physikalischen Modelle nur etwa 4,9 Prozent seines gesamten Materie- bzw. Energieanteils zu beschreiben vermögen.

Finden, was man nicht sehen kann - mit Lupen, die man nicht bauen kann

Kennt ihr das, wenn einem irgendetwas oder irgendjemand die Sicht verstellt? Ihr seid bei einem Konzert, steht in der Menge und ärgert euch, weil ihr einfach nicht an eurem Vordermann vorbeischauen und nur selten einen längeren Blick auf die Lieblingssängerin auf der Bühne werfen könnt? Ihr wollt die Auslage eines Geschäfts auf der anderen Straßenseite betrachten, seht sie aber nicht, weil die Straßenbahn gerade davor hält? Ihr sitzt in einem Klassenzimmer oder Seminarraum und könnt einfach nicht lesen, was auf der Tafel steht, sondern nur den T-Shirt-Spruch des Kollegen in der ersten Reihe?

Zumindest mir ist es schon oft so ergangen. Und niemals hätte ich mir (vor meiner Beschäftigung mit der Physik) gedacht, dass es im Prinzip eine Möglichkeit in der Natur gibt, Objekte zu sehen, die von anderen verdeckt werden. Das Phänomen, welches ich hier meine, nennt man Gravitationslinseneffekte. Es handelt sich um einen im Grunde relativ simplen, aber dennoch sehr verrückten Mechanismus, von dem es verschiedene Varianten gibt. Zwei dieser Varianten, nämlich den starken und den schwachen Gravitationslinseneffekt, werde ich heute kurz vorstellen. Eines kann ich euch gleich jetzt verraten: Die tatsächlichen Bilder von astronomischen Beobachtungen sind beeindruckend und faszinierend!

Vom Apfelstrudel und dem Universum – die großartigste Geschichte

Apfelstrudel.

Was benötigen wir, um einen Apfelstrudel zuzubereiten? – Äpfel, das ist klar. Außerdem brauchen wir Zutaten, wie z.B. Mehl, Zucker, Butter, Eier, Backpulver, Rosinen (oder keine Rosinen – ein ewiger Disput),…
Wo kommen die Äpfel her? – Oh, ich weiß schon: vom Apfelbaum.
Der Apfelbaum, wiederum, ist angewiesen auf ausreichend Wasser, Erde, Luft und Sonnenlicht, nicht zu vergessen eine intakte “Anleitung” für seine Entwicklung und Funktionsweise in Form von DNA.
Woraus bestehen Wasser, Erde, Luft und DNA? – Hmm…schon etwas kniffliger, aber auch darauf habe ich eine Antwort: aus Molekülen.
Also gut, was braucht man nun, um Moleküle zu bilden? – Atome.
Und woraus bestehen Atome? – Die setzen sich aus Protonen und Neutronen (“Atomkernmaterial”) und Elektronen (“Atomhüllenmaterial”) zusammen.
Ein Apfelstrudel bedarf also, streng genommen, nichts weiter als einer ganzen Menge subatomarer Teilchen.

Doch woher kommen diese Teilchen? Wie sind all die Atome des Apfelstrudels entstanden?

Um diese Fragen soll es im Rest dieses Artikels gehen. Wie in meinem letzten Beitrag versprochen, möchte ich euch im Rahmen ihrer Beantwortung eine der faszinierendsten Geschichten näherbringen, die wir Menschen durch die bisherige wissenschaftliche Erforschung der Welt zu erzählen gelernt haben. Dabei werden wir sehen, auf welche fundamentale Weise jeder einzelne von uns mit dem Rest des Universums in Verbindung steht.

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Das Universum im Duschwasser

Wirbel in einer Wasserflasche.
(Credit: Robert D Anderson,
via Wikimedia Commons)

Wisst ihr, was eines der schönsten und reizvollsten Dinge an der Physik ist? - Ihre Gesetze gelten überall, sei es hier auf der Erde oder am anderen Ende des Universums (1), sei es gestern, heute oder in der Zukunft (2), sei es im kleinen Maßstab oder im großen. Genau diese Tatsache soll durch die Legende von Newton veranschaulicht werden, als ihm anscheinend ein Apfel auf den Kopf fiel und er erkannte, dass die selben Gesetze, die dessen Bewegung beschreiben, gleichermaßen für die Planetenbahnen gelten.

Ich möchte heute ein Beispiel dafür geben, wie die physikalischen Gesetze sowohl auf kleine als auch auf große Phänomene anwendbar sind: Wir werden das Wasser im Abfluss unserer Dusche betrachten und versuchen, Parallelen zu physikalischen Vorgängen auf viel größeren Skalen herzustellen, wobei wir sehen werden, dass unsere Beobachtungen schließlich überhaupt nichts mit dunkler Materie zu tun haben, wir daraus aber dennoch eine Menge lernen können.
Bereits verwirrt? - Dann lasst uns das ganze nochmal Schritt für Schritt durchgehen!