Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon (EPR)

Das kurz bezeichnete EPR-Paradoxon ist nach Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen benannt, die dieses Phänomen im Rahmen eines Gedankenexperiments im Jahr 1935 vorstellten. Es zeigt, wie anders die Quantenphysik im Vergleich zur klassischen Physik funktioniert.

In der ursprünglichen Form ihres Gedankenexperiments ging es Einstein, Podolsky und Rosen darum, nachzuweisen, dass die quantenmechanische Beschreibung der physikalischen Wirklichkeit, die in diesem Paradoxon "auf den Punkt gebracht" werde, unvollständig sein müsse.

Laut Einstein ist eine Theorie (hier die Quantentheorie) erst dann vollständig, wenn jedes Element in der Theorie auch in der physikalischen Realität zu finden ist. Für das EPR-Experiment sind dies Impuls und Ort, beide sind Teil der physikalischen Realität.

Grundlage des Experiments, sind zwei Teilchen, die miteinander verschränkt sind. Das bedeutet, dass sie so miteinander verbunden sind, dass der Zustand des einen Teilchens sofort den Zustand des anderen beeinflusst, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Wenn also das eine Teilchen gemessen wird und seinen Zustand dadurch bekannt wird, ist auch sofort auch der Zustand des anderen Teilchens klar, ohne es direkt zu messen.

Diese unverzügliche Übertragung der Information, welchen Zustand das weit entfernte Teilchen hat, würde eine Geschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit bedeuten, die aber laut der speziellen Relativitätstheorie Einsteins ausgeschlossen ist.

Eine entscheidende Frage bei dem Experiment ist auch, ob Impuls sowie Ort gleichzeitig real sein können. Laut der Heisenbergschen Unschärferelation ist dies nicht möglich, weil nicht beides gleichzeitig genau gemessen werden kann. Darum argumentierten Einstein, Podolsky und Rosen, dass es "verborgene Variablen" geben müsse, die den Zustand der Teilchen schon vorher festlegen, ohne dass man sie messen muss.

Außerdem würde ein Grundprinzip der klassischen Mechanik, die Lokalität, verletzt. Und zwar dadurch, dass die Messung an einem Teilchen den Zustand eines anderen, räumlich entfernten Teilchens bestimmen soll. Das Prinzip der Lokalität besagt aber, dass nur Objekte in unmittelbarer Nähe zueinander einander beeinflussen können.

Diese Widersprüche brachte Albert Einstein dazu, in einem Brief an Max Born das Phänomen als "spukhafte Fernwirkung" zu bezeichnen:

Ich kann aber deshalb nicht ernsthaft daran glauben, weil die Theorie mit dem Grundsatz unvereinbar ist, daß die Physik eine Wirklichkeit in Zeit und Raum darstellen soll, ohne spukhafte Fernwirkungen.

Daraus folgern die Gedanken-Experimentatoren, dass die Quantenmechanik nicht die physikalische Realität so wiedergibt, wie sie sollte. Dass sie unvollständig sei und dass es verborgene Variablen geben müsse, die man noch nicht entdeckt hätte, aber die zu berücksichtigen seien.

Das Paradoxon zeigt also einen scheinbaren Widerspruch zwischen der Quantenmechanik und der klassischen Physik auf. Spätere praktische Experimente, die John Bell durchführte, um seine so genannte Bellsche Ungleichung zu widerlegen, haben jedoch gezeigt, dass die Quantenmechanik sehr wohl mit experimentellen Beobachtungen übereinstimmt und dass es tatsächlich keine verborgenen Variablen gibt. Die Verschränkung von Teilchen ist real und führt zu dieser "spukhaften Fernwirkung", wie Einstein es nannte.

Es wird deutlich, dass Teilchen in der Quantenmechanik auf eine Weise miteinander verknüpft sind, die unser klassisches Verständnis von Raum, Zeit und Kausalität herausfordert. Auch wenn es auf den ersten Blick paradox erscheint, bestätigt die experimentelle Forschung, dass die Quantenmechanik – so seltsam sie manchmal wirkt – die Natur korrekt beschreibt.

Dennoch: Auch wenn sich die Teilchenpaare instant beeinflussen, ist es nicht möglich, dass ein Beobachter, der einen verschränkten Zustand misst, dieses Ergebnis mit einem entfernten, anderen Beobachter schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zu kommunizieren. Siehe auch No-Communication-Theorem.

Quellen, Literaturverweise und weiterführende Links