3.3 Das Verschränkungsprinzip

3.3 Das Verschränkungsprinzip

1.Die Verschränkung zweier Elektronen eines Cooper-Pares:

Verschränkung durch Wechselwirkung

„In der griechischen Antike wurde die Vorstellung von der Welt als ein in sich Ganzes (Kosmos) erstmals philosophisch begründet. Die Wurzeln liegen in der ionischen Naturphilosophie wie bei Heraklit, kommen aber erst bei Platon^[2] und Aristoteles („Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile“)^[3] zur Vollendung.

Jan Christiaan Smuts baute seine Theorie des Holismus auf der Grundlage des Gedankens einer schöpferischen Evolution auf. Dabei knüpfte er an Gedanken John Scott Haldanes an, der sich gegen den mechanischen Monismus ebenso wie gegen den vitalistischen Dualismus wendete und sich seinerseits auf Smuts bezog.^[7]

Smuts postulierte, dass „alle Daseinsformen […] danach streben, Ganze zu sein […] Das neue Ganze enthält dem Werkstoff nach in sich ältere Ganze, aber es selbst ist wesenhaft neu und geht über den Stoff oder die Teile, auf die es sich gründet, hinaus“, ein Phänomen, das er mit dem Namen „Emergenz“ (des Neuen) bezeichnete.^[8]

Der Vorgang der Ganzenbildung begründet nach Smuts die Evolution und mache die Welt zu einer fortschreitenden Reihe von Ganzen von ihren physikalischen Anfängen als Materie oder Energie bis zu ihren höchsten Schöpfungen als Leben. Die traditionelle Naturwissenschaft habe sich zu sehr mit der Zergliederung und der synthetischen Wiederherstellung des Lebenden und der nichtlebenden Dinge aus ihren analytisch gewonnenen Elementen befasst.“¹

Die bisherige gängige Auffassung der Verschränkung beruhte auf der vorherigen Wechselwirkung der dann verschränkten Quantenteilchnen.

Zur Verdeutlichung des quantenphysikalischen „Verschränkungsprinzips“ durch Wechselwsirkung nehme man z. B. zwei Elektronen, die miteinander wechselgewirkt haben (z.B. Elektronen aus Cooper – Paaren), die bei sehr tiefen Temperaturen bereits „inhärent verschränkt“ sind. Ein Elektron mit dem Elektronen Spin-Up (vgl. 1.2)² verbleibt im Labor, das zweite Cooper – Elektron mit Spin-Down ist auf Grund der inhärenten Wechselwirkung mit dem Elektron Spin-Up verschränkt (vgl. auch Abb. 1).
Das Elektron Spin-Down wird nun in einer „angemessenen“ Entfernung von Elektron Spin-Up positioniert (Die Entfernung von Elektron Spin-Up könnte z. B. auch Millionen Lichtjahre betragen). Dann wird das Elektron Spin-Up im Labor so manuliert, dass es seine Spinrichtung in Spin-Down verändert.

Das rätselhafte Ergebnis dieser Manipulation besteht nun darin, dass das weit entfernte zweite Elektron mit Spin-Down instantan, also unmittelbar, seinen Spin in die entgegengesetze Spinrichtung (also von Spin-Down zu Spin-Up) verändert, was bei einer Entfernung des ursprünglichen Spin-Down Elektrons, z. B. 2 Mio Lichtjahre, vom Spin-Up Elektron im klassischen Sinne nur durch eine Informationsübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit möglich wäre. Dies ist aber nach der Speziellen Relativitätstheorie Einsteins ausgeschlossen (Konstanz der Lichtgeschwindigkeit: 300.000 Km/sek).

Abb. 1. „Stellen Sie sich folgende Situation vor: ein Teilchen („Source“) mit dem Spin 0 zerfällt in zwei Teilchen (A und B), jeweils mit Spin ¹/₂. Auf Grund der Tatsache, dass der Drehimpuls des Spins während des Zerfalls erhalten werden muss, muss er wenn anfänglich der gesamte Drehimpuls des Spins 0 war, nach dem Zerfallsprozess immer noch 0 sein. Daher haben die Teilchen A und B einen gegensätzlichen Spin.
Nehmen Sie als Beispiel die Aufspaltung eines angeregten Wasserstoff-Moleküls in zwei Wasserstoff-Atome. Wenn der Zerfallsprozess den gesamten Drehimpuls nicht verändert, dann werden die Spins der Wasserstoff-Atome gegensätzlich korreliert sein. Wann immer man feststellt, dass eine Messung des Spins von A bezüglich der z-Achse positiv ist (wir bezeichnen diesen Zustand des Spins als │↑>), dann können wir schließen, dass der Spin des Teilchens B negative ist │↓>) und dies trifft unabhängig von dem Abstand zwischen den beiden Teilchen zu. Der Spin der beiden Teilchen ist dann verschränkt.“³

2. Eine quantenphysikalische Erklärung der Verschränkung

Die quantenphysikalische „Erklärung“ der Verschränkung eines Cooper Paars liegt darin, dass die beiden Elektronen, vor der Entstehung des Cooper – Paares zwar jeweils durch eine eigene Quantenwelle definiert waren, nach ihrer Verschränkung qua Wechselwirkung jedoch ein gemeinsames Quantenobjekt darstellen, das durch eine gemeinsame Quantenwelle bestimmt ist. Das Quantenphänomen der Verschränkung wurde durch Experimente mehrfach bestätigt.
Einstein bezeichnete „Quantenverschränkung“ bekanntlich als „spukhafte Fernwirkung“ und bemühte sich daher in seinem EPR – Experiment die nichtlokale Fernwirkung durch die Annahme verborgener Variablen zu vermeiden und die Quantentheorie als „unvollständig“ zu relativieren.⁴

Der irische Physiker J. S. Bell (1928 – 1990) bewies jedoch mit seiner „Ungleichung„, das Einstein mit seinem Konzept falsch lag. Bell zeigte, das wegen bestimmter Grundannahmen der Quantenmechanik ein Widerspruch zwischen der gleichzeitigen Gültigkeit von „Realismus“ und „Lokalität“ folgt: Entweder man gab das Prinzip des physikalischen Realismus auf, dass nämlich Messungen nur physikalische Eigenschaften ermitteln, die unabhängig vor der Messung existieren, oder man stellte die Lokalität physikalischer Ereignisse infrage.
Lokalität liegt dann vor, wenn die physikalische Beziehung zweier Ereignisse kausal möglich ist (Ursache und Wirkungszusammenhang).⁵

Genau dies ist jedoch bei dem Verschränkungsprinzip nicht der Fall, da z. B. der oben beschriebene instantante Spinwechsel kausal nicht möglich ist (Verletzung der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit).

Neuer Größenrekord in der Quantenphysik: Zwei Physikergruppen ist es erstmals gelungen, Objekte von fast makroskopischer Größe miteinander zu verschränken. Die beiden Forschergruppen erzeugten eine quantenphysikalische Kopplung zwischen zwei vibrierenden Objekten, die rund ein Dutzend Mikrometer groß waren. „Die Verschränkung dieser mechanischen Oszillatoren verschiebt die bisherige Grenze dieses quantenphysikalischen Phänomens und eröffnet neue Anwendungen, so die Forscher im Fachmagazin ‚Nature‘.“⁶

2. Die holistische Verschränkung durch Identität

Forschern der Polnischen Akademie der Wissenschaften (Institut für Kernphysik in Krakau) ist es gelungen, Verschränkung zwischen Teilchen nachzuweisen, die niemals miteinander in Kontakt standen. [1]⁷

Traditionell entsteht Verschränkung durch direkte physikalische Wechselwirkung der Teilchen (vgl. 1. Die Verschränkung zweier Elektronen eines Cooper-Pares: Verschränkung durch Wechselwirkung.) Die polnischen Physiker konnten jedoch zeigen, dass das Phänomen allein durch die Identität der Teilchen (z. B. identische Bosonen oder Fermionen) entsteht. [1, 2, 3] Hierbei enstanden sogenannte nichtlokale Korrelationen.

Nach den Gesetzen der Quantenmechanik müssen die Wellenfunktionen ununterscheidbarer Teilchen symmetrisiert werden.⁸ Diese mathematische Bedingung zwingt den Zustand des Systems in eine Verschränkung („Entanglement by Identity“), ganz ohne die Notwendigkeit einer vorherigen Interaktion zwischen den Partikeln. [1, 2]

Der amerikanische Quantenneurologe Sirajul Husain stellte fest: „Die beschriebenen quantenphysikalischen Phänomene und ihre theoretische und später auch experimentelle Verifizierung bedeuten, dass die Quantenmechanik tatsächlich auf Nicht – Lokalität beruht, es sei denn, man würde das unverzichtbare Prinzip des Realismus aufgeben. Somit scheint die Quantenphysik einen inneren nichtlokalen Zusammenhang zwischen Materieteilchen (Elektronen, Photonen, etc.) zu begründen (vgl. „Holismus„), aber dieser Holismus [vgl. 7.3.2 – 7.3.2.6] muss scheinbar, wie das oben erwähnte Experiment nahelegt, auch auf den Makrokosmos ausgedehnt werden, zumal makroskopische Objekte schließlich ja auch aus Quantenteilchen bestehen…

Eine epistemologisch plausible Erklärung der Nicht-Lokalität, so stellen wir fest, würde eine Untersuchung der scheinbar ‚bewussten‘ Natur der nicht-lokalen Korrelation [z.B.] zwischen zwei verschränkten Photonen erfordern, ohne jedoch die klassische Physik zu verletzen, paradoxerweise trotz der vorherrschenden empirischen Evidenz, die eine ‚Aktion über eine Distanz‘ bestätigt. Da in der Natur kein Signalsystem bekannt ist, das sich schneller als die die Lichtgeschwindigkeit bewegt, schlussfolgern wir, dass es einen neue vereinigende Kraft gibt, so wie das wohlbekannte Phänomen der ‚Ganzheit‚ [S. 75] bzw. alternativ die Einheit [S. 75] des Bewusstseins, die vielleicht für die nicht-lokale Korrelation über willkürliche Distanz]en verantwortlich ist.“⁹

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1. Artikel „Holismus“, in: Wiokipedia, [Digitale Ausgabe]. UR: https://de.wikipedia.org/wiki/Holismus ↩︎
2. Michael Hartwig, Cooper – Paare, 1998, Universität Frankfurt, S. 1 [Digitale Ausgabe], URL: https://itp.uni-frankfurt.de/~hees/faq-pdf/cooper.pdf ↩︎
3. ERC Storys – Wie man zwei Elektronen verschränkt … immer und immer wieder, Szabolcs Csonka, CORDIS, Forschungsergebnisse der EU, Europäisched Kommission, [Digitale Ausgabe], URL: https://cordis.europa.eu/article/id/90196-erc-stories-how-to-entangle-two-electrons-and-do-it-again-and-again/de ↩︎
4. Artikel „Bellsche Ungleichung“, in: Wikipedika, [Digitale Ausgabe], URL: https://de.wikipedia.org/wiki/Bellsche_Ungleichung ↩︎
5. Ib. ↩︎
6. Verschränkung wird (fast) makroskopisch: Forscher verschränken mechanische Oszillatoren in Mikrometer-Größe, in: SCINEXX, Das Wissensmagazin, 27. April 2018, [Digitale Ausgabe], URL: https://www.scinexx.de/news/technik/verschraenkung-wird-fast-makroskopisch/; vgl. Originalartikel der Forschungsgruppe in „Nature“, [Digitale Ausgabe], URL: https://www.nature.com/articles/s41586-018-0036-z ↩︎
7. „Quantum Entanglement of Independent Particles Without Any Contact – Evers“, in: .SciTechDaily., by Polish Academy of Sciences, April 8, 2020, [Digitale Ausgabe], URL: https://scitechdaily.com/quantum-entanglement-of-independent-particles-without-any-contact-ever/ Referenz: „Entangling three qubits without ever touching” by Pawel Blasiak and Marcin Markiewicz, 27 December 2019, Scientific Reports. DOI: 10.1038/s41598-019-55137-3 ↩︎
8. „Die symmetrischen Wellenfunktionen sind entscheidend in der Quantenmechanik, inbesondere der Bosonensysteme. Sie sind die Lösungen der Schrödingergleichung für Zustände, in denen die Teilchen nicht einander antreffen können. Dies bedeutet, dass die Wellenfunktionen keine Phasyenverschiebungen zwischen den Teilchen aufweisen. Die Symmetrie der Wellenfunktikonen ist ein grundlegendes Konzept der Quantenmechanik. „Die allgemeinen. Lösungen der Schrödinger-Gleichung. können eine bestimmte Symmetrie haben, oder auch nicht. Von allen Lösungen darf man für die Bosonensysteme nur die Lösungen verwenden, die zu symmetrischen Funktionen (über alle Variablen, inklusive Spin) gehören, für die Fermionensysteme nur jene, die den antisymmetrische Funktionen angehören“ ,Igor Sokolov, Vorlesungen, Quantenmechanik I WS 04/05, [Digitale Ausgabe], URL:https://people.physik.hu-berlin.de/~sokolov/QM1/QMall/node121.html ↩︎
9. Sirajul Husain,“Universal Field of Quantum Consciousness: An Ontological Nexus of Classical and Quantum Physics“, in: NeuroQuantology, September, 2010?, Vol 8, Issue 3, Page 279-286, here: p.279, [Digitale Ausgabes]: URL: https://www.researchgate.net/publication/273216505_Universal_Field_of_Quantum_Consciousness_An_Ontological_Nexus_of_Classical_and_Quantum_Physics ↩︎

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