Neues von der Unschärfe.

“Das Atom ist kein Ding!” –  Heisenbergs Entdeckung, dass die Bahn eines Elementarteilchens erst dadurch entsteht, dass man nach ihr Ausschau hält, war schockierend. Licht erschien als im Raum ausgebreitetes Wellenphänomen, wenn es als Frequenz beobachtet wurde – beobachtete man aber konkrete Teilchen, schien Licht aus einzelnen Photonen, und nicht aus Wellen zu bestehen.  Im unbeobachteten Zustand existieren sowohl Teilchen als auch Wellen  in einer Art “Wahrscheinlichkeitswolke”, einem virtuellen Set von Möglichkeiten “zwischen Idee und Faktum” (Heisenberg), das erst im Augenblick der Beobachtung aus seinem halb-realen Dämmerzustand in eine konkrete Form springt. Plötzlich fand sich so die “objektive”, harte   Wissenschaft Physik erkenntnistheoretisch auf einer Ebene mit dem idealistischen Bischof  und Wissenschaftler Berkeley, der 1710 sein “esse est percipii” –  Sein heißt Wahrgenommen werden – verkündet hatte. Die Heisenbergsche Unschärferelation, nach der ein Beobachter  die physikalische Realität niemals ganz erkennen kann, sondern das Meßinstrument (die Wahrnehmung, das Bewußtsein) des Beobachters darüber entscheidet, welcher Zustand der Realität sich manifestiert, hat einen  ganzen Berg erkenntnistheoretischer Probleme aufgeworfen, oder besser gesagt: ins Rutschen gebracht. Denn die Physiker haben darüber ihre Grundlage verloren, den Halt in der Wirklichkeit. Sie wurden aus einem jahrtausende alten, dualistischen Denkmuster gerissen, der Annahme einer außerhalb des Bewußtseins existierenden “objektiven Realität.”

Auch wenn das Ganze dramatischer ist als wir es einmal in diesem Scherzgedicht zum Ausdruck gebracht haben, war es nicht der einzige “Tiefschlag” den die Entdeckung der Quantenwelt dem materiellen  Bauklötzchen-Weltbild versetzte, sie ignorierten auch das von Einsteins Relativitätstheorie postulierte absolute Tempolimit des Universums: die Lichtgeschwindigkeit. Vielmehr zeigte die Verschränkheit der Quantenwelt, das Quantenteilchen unmittelbar Informationen austauschen können, auch wenn sie Lichtjahre voneinander entfernt sind. Diese “gespenstische Fernwirkung” hat Einstein bis an sein Lebensende zu schaffen gemacht, doch 1965 wurde sie von John Bell mathematisch  und 1982 von Alain Aspect experimentell nachgewiesen. Einstein hatte seine Überlegungen dazu in den 1930er Jahren angestellt, um Heisenbergs Unschärferelation zu widerlegen – der Versuch, eine Paradoxie der Quantenwelt zu beseitigen hatte dann zu einer neuen Paradoxie – der “Nicht-Lokalität” geführt….

….und dieser Spuk offenbar auch dazu, dass dieser Beitrag halb-fertig publiziert wurde, nämlich ohne Überschrift und ohne den Hinweis, dass jetzt Hinweise darauf gefunden wurden, wie diese beiden Paradoxien zusammenhängen. Und dass die nachfolgende Pressemitteilung der Universität Cambridge  (Sperrfirst 17.11., 19 Uhr) auf einen kommenden Artikel dazu verweist.

Heisenberg Uncertainty Principle sets limits on Einstein’s “spooky action at a distance”, new research finds.

Researchers have uncovered a fundamental link between the two defining properties of quantum physics. Stephanie Wehner of Singapore’s Centre for Quantum Technologies and the National University of Singapore and Jonathan Oppenheim of the United Kingdom’s University of Cambridge published their work today in the latest edition of the journal Science.

The result is being heralded as a dramatic breakthrough in our basic understanding of quantum mechanics and provides new clues to researchers seeking to understand the foundations of quantum theory.  The result addresses the question of why quantum behaviour is as weird as it is—but no weirder.

The strange behaviour of quantum particles, such as atoms, electrons and the photons that make up light, has perplexed scientists for nearly a century. Albert Einstein was among those who thought the quantum world was so strange that quantum theory must be wrong, but experiments have borne out the theory’s predictions.

One of the weird aspects of quantum theory is that it is impossible to know certain things, such as a particle’s momentum and position, simultaneously. Knowledge of one of these properties affects the accuracy with which you can learn the other. This is known as the “Heisenberg Uncertainty Principle”.

Another weird aspect is the quantum phenomenon of non-locality, which arises from the better-known phenomenon of entanglement. When two quantum particles are entangled, they can perform actions that look as if they are coordinated with each other in ways that defy classical intuition about physically separated particles.

Previously, researchers have treated non-locality and uncertainty as two separate phenomena. Now Wehner and Oppenheim have shown that they are intricately linked. What’s more, they show that this link is quantitative and have found an equation which shows that the “amount” of non-locality is determined by the uncertainty principle.

“It’s a surprising and perhaps ironic twist,” said Oppenheim, a Royal Society University Research Fellow from the Department of Applied Mathematics & Theoretical Physics at the University of Cambridge.  Einstein and his co-workers discovered non-locality while searching for a way to undermine the uncertainty principle.  “Now the uncertainty principle appears to be biting back.”

Non-locality determines how well two distant parties can coordinate their actions without sending each other information.  Physicists believe that even in quantum mechanics, information cannot travel faster than light. Nevertheless, it turns out that quantum mechanics allows two parties to coordinate much better than would be possible under the laws of classical physics. In fact, their actions can be coordinated in a way that almost seems as if they had been able to talk. Einstein famously referred to this phenomenon as “spooky action at a distance”. However, quantum non-locality could be even spookier than it actually is. It’s possible to have theories which allow distant parties to coordinate their actions much better than nature allows, while still not allowing information to travel faster than light.  Nature could be weirder, and yet it isn’t – quantum theory appears to impose an additional limit on the weirdness.

“Quantum theory is pretty weird, but it isn’t as weird as it could be.  We really have to ask ourselves, why is quantum mechanics this limited? Why doesn’t nature allow even stronger non-locality?” Oppenheim says.

The surprising result by Wehner and Oppenheim is that the uncertainty principle provides an answer. Two parties can only coordinate their actions better if they break the  uncertainty principle, which imposes a strict bound on how strong non-locality can be.

“It would be great if we could better coordinate our actions over long distances, as it would enable us to solve many information processing tasks very efficiently,” Wehner says. “However, physics would be fundamentally different. If we break the uncertainty principle, there is really no telling what our world would look like.”

How did the researchers discover a connection that had gone unnoticed so long? Before entering academia, Wehner worked as a ‘computer hacker for hire’, and now works in quantum information theory, while Oppenheim is a physicist. Wehner thinks that applying techniques from computer science to the laws of theoretical physics was key to spotting the connection. “I think one of the crucial ideas is to link the question to a coding problem,” Wehner says. “Traditional ways of viewing non-locality and uncertainty obscured the close connection between the two concepts.”

Wehner and Oppenheim recast the phenomena of quantum physics in terms that would be familiar to a computer hacker. They treat non-locality as the result of one party, Alice, creating and encoding information and a second party, Bob, retrieving information from the encoding. How well Alice and Bob can encode and retrieve information is determined by uncertainty relations.  In some situations, they found that and a third property known as “steering” enters the picture.

Wehner and Oppenheim compare their discovery to uncovering what determines how easily two players can win a quantum board game: the board has only two squares, on which Alice, can place a counter of two possible colours: green or pink.  She is told to place the same colour on both squares, or to place a different colour on each. Bob has to guess the colour that Alice put on square one or two. If his guess is correct, Alice and Bob win the game.  Clearly, Alice and Bob could win the game if they could talk to each other: Alice would simply tell Bob what colours are on squares one and two. But Bob and Alice are situated so far apart from each other that light – and thus an information-carrying signal – does not have time to pass between them during the game.

If they can’t talk, they won’t always win, but by measuring on quantum particles, they can win the game more often than any strategy which doesn’t rely on quantum theory.  However, the uncertainty principle prevents them from doing any better, and even determines how often they lose the game.

The finding bears on the deep question of what principles underlie quantum physics. Many attempts to understand the underpinnings of quantum mechanics have focused on non-locality. Wehner thinks there may be more to gain from examining the details of the uncertainty principle. “However, we have barely scratched the surface of understanding uncertainty relations,” she says.

The breakthrough is future-proof, the researchers say. Scientists are still searching for a quantum theory of gravity and Wehner and Oppenheim’s result concerning non-locality, uncertainty and steering applies to all possible theories – including any future replacement for quantum mechanics.

4 Comments

  1. Erst mal Dank an Mathias Bröckers für diese interessante – und sehr wichtige! – Diskussion. Wichtig, weil es hier nicht um schnöde ‘Theorie’ geht, sondern um UNSER LEBEN.

    Die Tatsache, daß man nichts festhalten/festnageln kann, erinnert an junge Hunde, die (vergeblich) versuchen, ihren Schwanz zu erwischen und sich dabei – oft mit viel Ausdauer – fortlaufend im Kreise drehen (junge Hunde, deren Schwanz so lang ist, daß sie ihn mühelos erreichen können, spielen selbstverständlich nicht mit ihrem Schwanz. Warum sollten sie das auch tun?).

    Aus Sicht der Logik, ist die Welt so, wie ein Hund der vergeblich seinem kurzen Schwanz nachjagt.

    a) Denn die Annahme einer ‘objektiven’ Schöpfung (und eines Schöpfergottes) ist unter logischem Gesichtspunkt völlig unbefriedigend: Wenn es einen ‘Anfang’ gegeben haben soll, wie dies die Vertreter der Schöpfungslehre behaupten, dann wäre dies der Anfang des ‘Seins’. Vor dem Anfang des ‘Sein’ kann es demnach nur das ‘Nicht-Sein’ gegeben haben. Wie soll da ein Schöpfergott vor Beginn des Seins aus dem Nicht-Sein entstanden sein?
    Wenn jetzt die Vertreter der Schöpfungsansicht behaupten, ihr Schöpfergott ‘sei ja schon immer da gewesen’, dann muß man Ihnen zunächst vorhalten, daß sie sich selbst widersprechen. Denn den von ihnen behaupteten Anfang – in der Bibel z. B.: “Am A n f a n g schuf Gott Himmel und Erde” – hat es also nie gegeben! Bevor man weiter diskutiert (hier mit einem Christen), sollte man diesen dazu bringen, zuzugeben, daß hier ein ganz erheblicher und geradezu grausiger Redaktionsfehler im Bibeltext vorliegt, der unbedingt sofort gestrichen werde muß, weil er einfach f a l s c h und w a h r h e i s w i d r i g ist.
    An die gestrichene Stelle von “Am Anfang schuf Gott …” sei nunmehr einzufügen: “Die Welt hatte nie einen Anfang und Gott existierte schon immer. I r g e n d w a n n e i n m a l (!) schuf Gott plötzlich Himmel und Erde.”

    Sodann hätte man sein Gegenüber darauf hinzuweisen, daß es für die Frage “Woher kommt die Welt” völlig egal ist, ob die Welt einen Anfang hatte oder keinen, oder ob in ihr schon immer ein Schöpfergott vorkam oder nicht. Denn dieses “Woher” meint den k a u s a l e n Ursprung.

    Die Frage des kausalen Ursprungs wäre allenfalls dann obsolet, wenn es keine Kausalitäten gäbe. Etwa wie ein ewiger kosmischer Billardtisch, der mit seinen Kugeln unvergänglich/ewig im Ruhezustand verbleibt.
    Das ist aber nicht unsere Welt. Denn hier prasselt es ja nur so von Kausalitäten/Impulsen. Und da ist eben die Frage: Woher kommen die Impulse. Und wenn es ‘am Anfang’ nur ein Impuls war (der z. B. eine Welt mit einem ewigen und handelnden(!) Gott geschaffen hat): Woher kam denn der Impuls bzw. diese Kausalität? Die Frage bleibt auch bestehen, wenn man annähme, ein weiterer, höherrangiger Gott habe diese Welt mit diesem Gott, der dann Himmel und Erde schuf, erschaffen. Denn dann wäre zu fragen, woher käme denn dann nun d i e s e r höherrangige Gott?

    Wenn der Gesprächspartner sich nun darauf einläßt, daß Kausalitäten/Impulse auch ursachelos entstehen könnten, sollte man nicht widersprechen, sondern das Gespräch abbrechen. Denn das kann man nicht widerlegen. Vielleicht trifft es sogar zu – was weiß man schon? Nur: Eine vernünftige argumentative Erörterung ist nur auf der Grundlage der Ratio, der Vernunft der Logik möglich. Wenn das was die Welt bewegt ursachelos ist, lohnt sich rationale Überlegungen doch gar nicht. Dann sollte man lieber auf die nächste Party gehen oder sich an seine Hausarbeit machen.

    Gotama hat ja auch nicht behauptet, daß seine Lehre o b j e k t i v wahr bzw. beweisbar sei, sondern er hat nur ausgeführt, daß er “etwas Besseres nicht gefunden” habe.
    Dies entspricht der Annahme von logisch Diskutierenden, daß auf die Logik (die Kausalitäten) verlaß ist. Diese Annahme ist aber nur ein Axiom und nicht beweisbar. Eben eine Grundannahme, die nicht abgeleitet und demnach auch nicht bewiesen werden kann.

    Wenn das Gespräch fortgeführt wird, sollte man seinen Gesprächspartner nun darauf hinweisen, daß alles, was er für objektiv existierend hielt – “Erde”, “Himmel” usw. – ausschließlich von seinem Sechssinn (s. o.) fortlaufend hergestellt wird. Wenn er dann meint: Nein, nein, er spräche ja von der objektiven Erde und vom objektiven Himmel, dann wäre er zu fragen, woher er denn überhaupt Kenntnis von der Existenz einer objektiven Welt habe. Darüber hinaus könnte sie ihn doch sogar dann völlig egal sein, wenn diese tatsächlich existierte. Denn sie träte in seinem diesem Leben doch nie und nimmer auf, da wir ausschließlich ein Erleben im Sinnenbereich erfahren.

    Er wäre dann darauf hinzuweisen, daß man mit “Himmel” und “Erde” genau den “Himmel” und die “Erde” meinte, die der Gesprächspartner am Anfang des Gesprächs ebenfalls gemeint habe: Eben die sinnlich erfahrbare. Wenn der Gesprächspartner n u n begreife, daß die Welt, über die man diskutiere, ausschließlich sein Sinnenprodukt ist, könne der Gesprächspartnern nun nicht einfach behaupten, er habe ja eine ganz andere Welt gemeint, eben eine “objektive” (also eine, die er noch nie in seinem Leben erlebt hat). Dies wäre ein taktische Auswechselung des Gesprächsobjekts (“die Welt”) mitten in der Diskussion, gegen welche man sich verwahre. Der Gesprächspartner möge bei der “Welt” bleiben, die er zu Anfang des Gesprächs gemeint habe.

    Da die Welt ausschließlich Produkt des Sechssinnes ist, ist also auch ein Schöpfergott, wenn man von ihm Kenntnis hat, ein hierarchisch dem Sechssinn u n t e r g e o r d n e t e s Produkt – und damit wiederum n i c h t “Schöpfer”, sondern s e l b s t vom Sechssinn erschaffen.

    b) Wenn ist schon keine “Schöpfung” gibt – wieso erleben wir dann eine Welt?
    Die Welt kann – obwohl ungeschaffen – dann existieren, wenn sie insgesamt NICHT IST.

    Wie kann die Welt zugleich SEIN und NICHT-SEIN? Nehmen wir ein Beispiel: Gerade wie eine lange Zahlenkolonne oder ein großer Zahlenkranz von beliebig vielen Plus- und Minuszahlen unter dem Summierungsstrich “null” sein kann – m. a. W. ‘nach außen’ (unter dem Summierungsstrich) nicht existiert, bzw. nie erschaffen werden mußte – kann es nach ‘innen’ ein ganzer Kosmos sein. Da man sozusagen eine der Zahlen oberhalb des Summenstrichs ‘ist’, existieren für einen auch alle andern Zahlen bzw. alle anderen Phänomene des Systems, obwohl die Welt insgesamt – sozusagen: ‘nach außen’ – ein Nicht-Sein ist. Man muß diese Welt also als ein ‘gespreiztes Nicht-Sein’ verstehen.

    Dieses “gespreizte Nicht-Sein” ist aber substanzlos, d. h. letztlich ist es auch nicht nach Freude oder Glück wirklich ausbeutbar. Es rechnet sich auf Dauer (der unzähligen Wiedergeburten) nicht.

    c) Diese vernünftige Konzeption eines ‘gespreizten Nichts-Sein’ löst auch ein weiteres Problem: Das a priori (“von vornherein”)-Problem.
    Denn bei einem a priori, müßte man sofort fragen: ‘Und woher kommt das denn nun’?’
    “Die Welt IST” wäre ein a priori, das nicht sein kann. Aber auch: “Die Welt IST NICHT” wäre ein a priori, das nicht sein kann.

    Denn wie wir gesehen haben, müßte man immer sofort fragen: Woher kommt das denn nun.
    Wenn man jedoch schlußfolgert, daß es kein a priori gibt oder gab, dann wäre die Welt deshalb, weil sie zugleich sowohl ist wie auch nicht ist (oder umgekehrt: Weder ‘ist’ noch ‘nicht-ist’). Die widerlogische Annahme eines a priori kann nun vermieden werden.

    O-Ton Gotama (Buddha):
    SN XII, 15 (Samyutta Nikaya- Kaccayanagotta)
    “‘Alles ist’., das, Kaccàyana, ist das eine Extrem. ‘Alles ist nicht’, das ist das andere Extrem. Diese beiden Extreme vermeidend verkündet der Erhabene die Lehre des Mittleren Weges: Aus dem Nichtwissen als Ursache entstehen die Gestaltungen, aus den Gestaltungen als Ursache entsteht Bewußtsein …(usw.) “.

    d) Ein Schöpfungsgläubiger könnten nun behaupten, sein Schöpfergott sei mitnichten Bestandteil der vom Sechssinn geschaffen ‘Welt’. Vielmehr sei er als Schöpfer doch “über” ihr oder außerhalb von ihr. Denn auch die Sechssinnwelt sei ja letztlich vom ihm erschaffen worden. In diesem Fall wäre der Gesprächspartner darauf hinzuweisen, daß diese Sechssinnwelt ja nach außen gerade nicht existiert. Das ‘gespreizte Nicht-Sein’ ist eben nach außen n i c h t gespreizt und deshalb dort nur noch ‘NICHT-SEIN’.

    Schluß) Dieses “gespreizte Nicht-Sein” bringt es mit sich, daß wir nie den Finger auf etwas legen können (wie beim Hundeschwanz). Deswegen schaffen wir uns übergeordnete, und lediglich v e r m e i n t l i c h e “Dinge”. Die können wir dann natürlich anfassen. Sie sind aber letztlich ILLUSION – wie der Wagen des König Milinda:
    http://www.palikanon.com/diverses/milinda/milinda01.html

     
  2. Alles esoterischer Dummschwatz. Unsere Lebenwirklichkeit wird durch die klassische Physik bestimmt.

    Viele Grüße aus Kopenhagen,
    M.N.

     
  3. @Mini Nuke am 18.11.2010 um 22:59 Uhr

    “Alles esoterischer Dummschwatz. Unsere Lebenwirklichkeit wird durch die klassische Physik bestimmt.”

    Nur 500 Jahre früher wäres Du mit diesem Spruch ein eiserner Verfechter des Ptolemäischen Weltbildes (Alles kreist um die Erde) gewesen. Nochmals 500 Jahre früher hättest Du behauptet, die Erde sei eine Scheibe.

    Laß Dich, bester Mini Nuke, in Kopenhagen nicht von den Anhängern des Niels Bohr erwischen! Die Dänen sind – zu Recht – mächtig stolz auf ihn.

    Hier ein paar Zitate von A. Einstein:
    Albert Einstein Zitate
    · Man hat den Eindruck, daß die moderne Physik auf Annahmen beruht, die irgendwie dem Lächeln einer Katze gleichen, die gar nicht da ist.
    · Mathematische Theorien über die Wirklichkeit sind immer ungesichert – wenn sie gesichert sind, handelt es sich nicht um die Wirklichkeit
    · Seit die Mathematiker über die Relativitätstheorie hergefallen sind, verstehe ich sie selbst nicht mehr.
    · Technischer Fortschritt ist wie eine Axt in den Händen eines pathologischen Kriminellen.
    · Um eine Einkommensteuererklärung abgeben zu können, muß man ein Philosoph sein. Für einen Mathematiker ist es zu schwierig.
    · Everything should be made as simple as possible, but not simpler.

     

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