Können zwei Versionen der Realität gleichzeitig existieren? Physiker sagen, sie können - auf der Quantenebene also.
Kürzlich führten Forscher Experimente durch, um eine jahrzehntealte theoretische physikalische Frage zu Duellrealitäten zu beantworten. Dieses knifflige Gedankenexperiment schlug vor, dass zwei Personen, die dasselbe Photon beobachten, zu unterschiedlichen Schlussfolgerungen über den Zustand dieses Photons gelangen könnten - und dennoch wären beide Beobachtungen korrekt.
Zum ersten Mal haben Wissenschaftler die im Gedankenexperiment beschriebenen Bedingungen wiederholt. Ihre Ergebnisse, die am 13. Februar im Preprint-Journal arXiv veröffentlicht wurden, bestätigten, dass selbst wenn Beobachter unterschiedliche Zustände im selben Photon beschrieben, die beiden widersprüchlichen Realitäten beide wahr sein könnten.
"Sie können beide überprüfen", sagte Studienmitautor Martin Ringbauer, Postdoktorand am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbrück in Österreich, gegenüber Live Science.
Wigners Freund
Diese verwirrende Idee war die Idee von Eugene Wigner, der 1963 den Nobelpreis für Physik erhielt. 1961 hatte Wigner ein Gedankenexperiment eingeführt, das als "Wigners Freund" bekannt wurde. Es beginnt mit einem Photon - einem Lichtteilchen. Wenn ein Beobachter in einem isolierten Labor das Photon misst, stellt er fest, dass die Polarisation des Partikels - die Achse, um die es sich dreht - entweder vertikal oder horizontal ist.
Bevor das Photon gemessen wird, zeigt das Photon jedoch beide Polarisationen gleichzeitig an, wie es die Gesetze der Quantenmechanik vorschreiben; es existiert in einer "Überlagerung" zweier möglicher Zustände.
Sobald die Person im Labor das Photon misst, nimmt das Teilchen eine feste Polarisation an. Aber für jemanden außerhalb dieses geschlossenen Labors, der das Ergebnis der Messungen nicht kennt, befindet sich das nicht gemessene Photon immer noch in einem Überlagerungszustand.
Die Beobachtung dieses Außenstehenden - ihre Realität - weicht daher von der Realität der Person im Labor ab, die das Photon gemessen hat. Laut der Quantenmechanik wird jedoch keine dieser widersprüchlichen Beobachtungen als falsch angesehen.
Veränderte Zustände
Wigners umwerfender Vorschlag war jahrzehntelang nur ein interessantes Gedankenexperiment. In den letzten Jahren ermöglichten wichtige Fortschritte in der Physik Experten, Wigners Vorschlag auf die Probe zu stellen, sagte Ringbauer.
"Theoretische Fortschritte waren erforderlich, um das Problem auf eine überprüfbare Weise zu formulieren. Dann brauchte die experimentelle Seite Entwicklungen bei der Steuerung von Quantensystemen, um so etwas zu implementieren", erklärte er.
Ringbauer und seine Kollegen testeten Wigners ursprüngliche Idee mit einem noch strengeren Experiment, das das Szenario verdoppelte. Sie bezeichneten zwei "Laboratorien", in denen die Experimente stattfinden würden, und führten zwei Paare verschränkter Photonen ein, was bedeutete, dass ihre Schicksale miteinander verbunden waren, so dass die Kenntnis des Zustands des einen automatisch den Zustand des anderen anzeigt. (Die Photonen im Setup waren real. Vier "Personen" im Szenario - "Alice", "Bob" und jeweils ein "Freund" - waren nicht real, sondern repräsentierten Beobachter des Experiments.)
Die beiden Freunde von Alice und Bob, die sich "in" jedem der Labors befanden, maßen jeweils ein Photon in einem verwickelten Paar. Dies löste die Verschränkung und kollabierte die Überlagerung, was bedeutete, dass das von ihnen gemessene Photon in einem bestimmten Polarisationszustand existierte. Sie zeichneten die Ergebnisse im Quantenspeicher auf - kopiert in die Polarisation des zweiten Photons.
Alice und Bob, die sich "außerhalb" der geschlossenen Labors befanden, hatten dann zwei Möglichkeiten, ihre eigenen Beobachtungen durchzuführen. Sie konnten die Ergebnisse ihrer Freunde messen, die im Quantenspeicher gespeichert waren, und so zu denselben Schlussfolgerungen über die polarisierten Photonen gelangen.
Sie könnten aber auch ein eigenes Experiment zwischen den verschränkten Photonen durchführen. Wenn in diesem als Interferenzexperiment bekannten Experiment die Photonen als Wellen wirken und immer noch in einer Überlagerung von Zuständen existieren, sehen Alice und Bob ein charakteristisches Muster aus hellen und dunklen Rändern, bei denen sich die Spitzen und Täler der Lichtwellen addieren sich gegenseitig aufheben oder aufheben. Wenn die Partikel ihren Zustand "gewählt" haben, sehen Sie ein anderes Muster als wenn sie es nicht getan hätten. Wigner hatte zuvor vorgeschlagen, dass dies zeigen würde, dass sich die Photonen noch in einem verschränkten Zustand befanden.
Die Autoren der neuen Studie stellten fest, dass die von Wigner beschriebenen Ergebnisse auch in ihrem doppelten Szenario zutrafen. Alice und Bob konnten zu Schlussfolgerungen über die Photonen gelangen, die korrekt und beweisbar waren und sich dennoch von den Beobachtungen ihrer Freunde unterschieden - die laut der Studie auch korrekt und beweisbar waren.
Die Quantenmechanik beschreibt, wie die Welt in einem so kleinen Maßstab funktioniert, dass die normalen Regeln der Physik nicht mehr gelten. Über viele Jahrzehnte haben Experten, die das Gebiet studieren, zahlreiche Interpretationen dessen angeboten, was das bedeutet, sagte Ringbauer.
Wenn die Messungen selbst jedoch nicht absolut sind - wie diese neuen Erkenntnisse nahe legen -, stellt dies die Bedeutung der Quantenmechanik in Frage.
"Es scheint, dass Messergebnisse im Gegensatz zur klassischen Physik nicht als absolute Wahrheit angesehen werden können, sondern relativ zu dem Beobachter verstanden werden müssen, der die Messung durchgeführt hat", sagte Ringbauer.
"Die Geschichten, die wir über die Quantenmechanik erzählen, müssen sich daran anpassen", sagte er.
