Das Verhalten von Quantenteilchen lässt sich durch eine Wellenfunktion beschreiben. Gleichzeitig bestimmt diese auch die Wahrscheinlichkeit, mit der bei einer Messung an einem mikroskopischen Partikel verschiedene Messergebnisse auftreten. Der philosophische Status dieser quantenmechanischen Wellenfunktion scheint zunächst ungeeignet als Gegenstand einer emotionalen Debatte. Doch eine aktuelle Studie beweist das Gegenteil: Wissenschaftler wollen mit mathematischen Methoden gezeigt haben, dass die Wellenfunktion real ist. Und die nach der Vorabveröffentlichung im November 2011 im Internet geführte Diskussion reicht von hellauf begeisterten bis zu geradezu hasserfüllten Beiträgen.

Anfang Mai erschien die Studie dann in der Fachzeitschrift Nature Physics [1] und die Autoren konnten sich nach Ablauf der Sperrfrist erstmals öffentlich dazu äußern. Die Mathematik ließe keine Zweifel daran, behaupten die Autoren, dass die Wellenfunktion nicht nur ein statistisches Werkzeug sei, sondern ein realer Zustand des quantenmechanischen Systems. "Die Leute haben eine emotionale Bindung zu bestimmten Positionen aufgebaut, die sie nun mit schwachen Argumenten verteidigen", sagt Jonathan Barrett, einer der Autoren und Physiker an der University of London. "Es ist besser, ein Theorem zu haben."

Hinter sich haben die Autoren einige der Hauptakteure auf dem Gebiet: So teilte der österreichische Physiker und Quantenmechanik-Pionier Erwin Schrödinger einst ihre Ansicht. Nach seinem berühmten Gedankenexperiment könnte eine quantenmechanische Katze tot und lebendig zugleich sein. Andere Physiker bevorzugten dagegen die konträre Sichtweise von Albert Einstein: Die Wellenfunktion spiegele lediglich das unvollständige Wissen eines Beobachters über ein System wider. Dieser Interpretation zufolge ist die Katze entweder tot oder lebendig – und der Experimentator weiß nicht, welcher der beiden Fälle tatsächlich vorliegt. Diese epistemische oder subjektive Interpretation, so argumentieren viele Physiker und Philosophen, erkläre besser, warum ein Kollaps der Wellenfunktion auftrete. Hierbei wird ein Quantenzustand grundlegend verändert, indem man ihn misst.

Barrett und seine Kollegen folgen dem Ansatz von John Bell. Der Physiker zeigte 1964, dass die Quantenmechanik eine weitere, der Intuition widersprechende Konsequenz hat: Messungen an einem Teilchen können den Zustand eines anderen, entfernten Teilchen beeinflussen – und das schneller als die Lichtgeschwindigkeit es erlauben sollte. Die als bellsche Ungleichung bekannt gewordene Argumentation zählt zu den so genannten No-go-Theoremen: Sie belegt, dass Theorien die Vorhersagen der Quantenmechanik nicht reproduzieren können, wenn darin nichts schneller als das Licht sein darf.

Barrett und seine Kollegen wenden für ihr Theorem die gleiche Strategie an: Theorien, in denen die Wellenfunktion die mangelnde Kenntnis über den Zustand eines Systems verkörpert, sollten die Vorhersagen der Quantenmechanik ebenfalls nicht reproduzieren. Da sich die Quantenmechanik bisher sehr bewährt hat, geht das Theorem also davon aus, dass solche epistemischen Theorien falsch sind. "Ich hoffe, unser Theorem wird einen Platz neben der bellschen Ungleichung einnehmen", sagt Barrett.

In der Realität verankert

Wenn die Wellenfunktion lediglich das Unwissen des Beobachters wiederspiegelt, sagt Koautor Terry Rudolph vom Imperial College London, dann könnten verschiedene Wellenfunktionen dieselbe zu Grunde liegende Realität repräsentieren. Der Physiker nimmt als Beispiel einen präparierten Würfel, mit dem man entweder gerade Zahlen – also 2, 4 oder 6 – oder aber Primzahlen – 2,3 oder 5 – würfelt, jeweils mit der Wahrscheinlichkeit 1/3. Der reale Zustand "2" lässt sich mit beiden Varianten erzeugen und somit legt man derselben Realität zwei verschiedene Wahrscheinlichkeitsmodelle zu Grunde. Der aktuellen Studie zufolge darf dieselbe Realität aber nicht unterschiedlichen Quantenzuständen entsprechen.

Das neue Theorem fußt jedoch auf einer umstrittenen Annahme: Quantensystemen liegt demnach ein realer physikalischer Zustand zu Grunde, der unabhängig von einem Betrachter existiert. Christopher Fuchs vom Perimeter Institute im kanadischen Waterloo entwickelt selbst eine epistemische Interpretation der Quantenmechanik. Die Wellenfunktion repräsentiert vermutlich eher die Unwissenheit des Experimentators über die Messergebnisse, meint er, als die zu Grunde liegende physikalische Realität. Das Theorem schließe das nicht aus.

Auf einfache und saubere Art und Weise nehme das Theorem eine große Frage in Angriff, meint dagegen Matt Leifer vom University College London, der sich mit Quanteninformation beschäftigt. Am Ende könne es so nützlich sein wie die bellsche Ungleichung, die sich beispielsweise in Anwendungen der Quanteninformationstheorie und Kryptographie bewährt. "Niemand dachte bisher darüber nach, ob das neue Theorem einen praktischen Nutzen haben könnte – aber ich wäre nicht überrascht, wenn es so wäre", so Leifer.

Da es mit der Quantenmechanik nicht kompatibel ist, wirft das Theorem zudem eine folgenschwere Frage auf: Ist die Quantenmechanik möglicherweise falsch? Jeder geht zwar davon aus, dass sie uneingeschränkt gilt. Ausgeschlossen ist es aber dennoch nicht, dass sie eines Tages wieder verworfen wird. Barrett möchte nun zusammen mit Experimentalphysikern die Vorhersagen prüfen, die sich bei der Theorie und den epistemischen Interpretationen, mit denen sie im Widerspruch steht, unterscheiden. "Wir erwarten nicht, dass die Quantenmechanik diesen Test nicht besteht", meint Barrett, "durchführen sollten wir ihn trotzdem".

Dieser Artikel erschien unter dem Titel "A Boost for Quantum Reality" in Nature 485, S. 157-158, 2012