Bell's go theorem: regaining local causality with a new notion of realism

Im Herzen der Quantenphysik liegt ein Rätsel, das Wissenschaftler seit Jahrzehnten beschäftigt: Wie können zwei Teilchen, die über riesige Distanzen voneinander entfernt sind, scheinbar augenblicklich wissen, was das andere tut? Dieses Phänomen, bekannt als Verschränkung, widerspricht unserer alltäglichen Erfahrung von Ursache und Wirkung. Jahrelang war die Standarderklärung, dass das Universum „nicht-lokal“ sein müsse, was bedeutet, dass etwas schneller als das Licht zwischen den Teilchen reist, um ihr Verhalten zu koordinieren, oder dass das Universum so manipuliert ist, dass es diese Verbindung vor uns verbirgt. Diese Schlussfolgerung ergibt sich aus einem berühmten Resultat namens Bellscher Theorem, das nahelegte, dass, wenn wir davon ausgehen, dass die Teilchen definierte Eigenschaften besitzen, bevor wir sie messen (ein Konzept namens Realismus), und dass nichts schneller als das Licht reist (lokale Kausalität), die Statistiken ihres Verhaltens einem strengen Limit folgen müssten. Quantenexperimente durchbrechen dieses Limit konsequent und zwingen Physiker dazu, sich entweder dafür zu entscheiden, die Idee einer realen, unabhängigen Welt aufzugeben, oder zu akzeptieren, dass die Natur räuberische, schneller als das Licht wirkende Einflüsse zulässt.

Eine neue Studie von Lorenzo Catani, Nesta van der Schaaf und Rui Soares Barbosa stellt das Fundament dieses Dilemmas infrage. Sie argumentieren, dass der Konflikt nicht daraus entsteht, dass die Natur „kaputt“ ist, sondern dass unsere mathematische Beschreibung der „Realität“ zu starr ist. Die Forscher schlagen ein neues Framework vor, in dem die Grundbausteine des Universums nicht aus festen, unabhängigen Punkten bestehen, die auf jede mögliche Frage eine vorbestimmte Antwort haben. Stattdessen schlagen sie vor, dass die Realität aus „Aufzeichnungen“ (Records) besteht – relationalen Informationseinheiten, die nur im Kontext einer spezifischen Messung existieren. Indem sie neu definieren, was es bedeutet, etwas „real“ zu sein, zeigen sie, dass es möglich ist, die seltsamen Korrelationen von Quantenteilchen allein durch lokale Ursachen zu erklären, ohne jegliche Signale, die schneller als das Licht sind, oder verborgene Verschwörungen. Ihre Arbeit verwandelt einen berühmten „Unmöglichkeitsbeweis“ in einen „Möglichkeitsbeweis“ und demonstriert, dass eine lokal-kausale Erklärung der Quantenmechanik nicht nur möglich ist, sondern explizit konstruiert werden kann.

Die Geschichte beginnt mit einem einfachen Gedankenexperiment, das zwei Freunde, Alice und Bob, betrifft, die an entgegengesetzte Enden der Erde geschickt werden. Jedem von ihnen wird eine Frage gestellt, und sie müssen eine Antwort geben. Wenn sie ihre Antworten später vergleichen, stellen sie fest, dass sie perfekt korreliert sind. In einer klassischen Welt ist die natürliche Erklärung, dass sie zuvor einen Plan vereinbart haben, eine vollständige Liste von Antworten für jede mögliche Frage, die ihnen gestellt werden könnte. Dieser gemeinsame Plan, der in ihrer gemeinsamen Vergangenheit festgeschrieben ist, erklärt die Korrelation, ohne dass eine Kommunikation zwischen ihnen nötig wäre. Die Quantenmechanik führt jedoch eine Wendung ein: Die Fragen, die Alice und Bob stellen können, sind „inkompatibel“, was bedeutet, dass sie nicht gleichzeitig gestellt werden können. Alice kann wählen, ob sie nach dem Spin eines Teilchens in einer bestimmten Richtung oder einer anderen fragt, aber sie kann nicht beides gleichzeitig fragen. Die Quantentheorie sagt voraus, dass die Korrelationen zwischen ihren Antworten stärker sein werden, als es ein vorab vereinbarter Plan jemals zulassen könnte.

Jahrzehntelang war der Konsens, dass diese stärkere als mögliche Korrelation bedeutete, dass die Freunde sich augenblicklich über die Distanz hinweg beeinflussen müssen, was die Lichtgeschwindigkeit verletzt, oder dass ihre Entscheidungen geheim vorbestimmt waren, um den Einfluss zu verbergen. Dies ist das Problem der „Feinabstimmung“ (Fine-Tuning): Das Universum müsste so präzise arrangiert sein, dass der Einfluss, der schneller als das Licht ist, für jedes Experiment völlig unsichtbar bleibt. Die Forscher in dieser Studie argumentieren, dass wir diese Feinabstimmung nicht akzeptieren müssen. Stattdessen schlagen sie vor, die Natur des „Plans“ selbst zu überdenken. In der Standardansicht ist ein Plan eine einzige, universelle Liste, die eine Antwort auf jede mögliche Frage zuweist, selbst auf jene, die niemals gemeinsam gestellt werden können. Das neue Framework lehnt diese Idee einer universellen Liste ab. Stattdessen ist die gemeinsame Vergangenheit ein Geflecht aus Aufzeichnungen.

Stellen Sie sich eine Aufzeichnung nicht als eine vollständige Antwort auf eine Frage vor, sondern als eine Möglichkeit, zu identifizieren, dass eine spezifische Frage gestellt wurde. Wenn Alice eine Frage stellt, die in zwei verschiedenen Szenarien vorkommt, besagt eine Aufzeichnung lediglich: „Dies ist dieselbe Frage in beiden Fällen.“ Sie weist nicht auf jede mögliche Frage gleichzeitig eine Antwort zu; sie verknüpft lediglich die spezifischen Instanzen, in denen diese Frage auftaucht. Diese Aufzeichnungen sind relational; sie existieren nur in der Beziehung zwischen den Szenarien, die sie verbinden. Entscheidend ist, dass diese Aufzeichnungen keine „Punkte“ in einem mathematischen Raum sein müssen, die alle Antworten gleichzeitig halten. Sie können „Teile“ eines Ganzen sein, die existieren, ohne aus Punkten gemacht zu sein. Dies ermöglicht es, dass dieselbe Frage in zwei verschiedenen, inkompatiblen Szenarien dieselbe ist, ohne zu erzwingen, dass diese Szenarien zu einer einzigen, allumfassenden Liste verschmelzen.

Durch den Aufbau eines mathematischen Modells basierend auf diesen Aufzeichnungen schufen die Forscher eine neue Art von lokaler Realität. In diesem Modell werden die Korrelationen zwischen Alice und Bob durch das Geflecht aus Aufzeichnungen erklärt, das sie aus ihrer Vergangenheit teilen. Wenn Alice eine Messung durchführt, hängt ihr Ergebnis nur von ihrer Einstellung und den Aufzeichnungen ab, die sie mit Bob teilt. Es ist kein Signal nötig, das zwischen ihnen reist, und es ist keine Notwendigkeit gegeben, dass das Universum einen Einfluss, der schneller als das Licht ist, verbirgt. Das Modell reproduziert erfolgreich die exakten Statistiken, die von der Quantenmechanik vorhergesagt werden, einschließlich der stärksten beobachtbaren Korrelationen in Experimenten. Tatsächlich zeigten die Forscher, dass ihre Modelle eine Bandbreite an Korrelationen erzeugen können, die von der klassischen Grenze bis zum mathematisch maximal zulässigen Wert reicht und somit den spezifischen Wert abdeckt, den die Quantenmechanik erreicht.

Der Schlüssel zu diesem Erfolg ist eine Abkehr von der klassischen Wahrscheinlichkeit. In unserer Alltagserfahrung summieren sich die Wahrscheinlichkeiten der Ergebnisse zweier getrennter Situationen auf eine unkomplizierte Weise. Aber in diesem neuen Framework ändern sich die Regeln der Addition, wenn man zwei inkompatible Situationen zusammen betrachtet. Die Wahrscheinlichkeiten müssen nicht in eine einzige, einheitliche Darstellung passen, weil die Situationen nicht gleichzeitig eintreten können. Dieses Scheitern der Standard-Wahrscheinlichkeitsregeln ist kein Fehler, sondern ein Merkmal, das es dem Modell ermöglicht, die starken Quantenkorrelationen zu erklären, ohne die Regeln der lokalen Kausalität zu verletzen. Die Forscher demonstrierten dies, indem sie explizite Modelle konstruierten, in denen das „Gewicht“ der geteilten Vergangenheit unter diesen Aufzeichnungen so verteilt ist, dass es den Quantenvorhersagen perfekt entspricht.

Diese Arbeit beansprucht nicht, alle Geheimnisse der Quantenmechanik gelöst zu haben, bietet aber eine tiefgreifende Änderung der Perspektive. Sie zeigt, dass die „Nicht-Lokalität“, die der Quantentheorie oft zugeschrieben wird, ein Artefakt dessen sein könnte, wie wir die Realität definieren, und nicht unbedingt ein fundamentales Merkmal der Natur ist. Durch den Ersatz der Idee unabhängiger, vorbestimmter Einheiten durch ein Geflecht relationaler Aufzeichnungen haben die Forscher gezeigt, dass eine lokal-kausale Erklärung möglich ist. Sie haben ein Theorem, das einst die lokale Realität auszuschließen schien, in ein Theorem verwandelt, das beweist, dass sie existieren kann. Die Lehre daraus ist, dass das Universum nicht verschwörerisch oder nicht-lokal sein muss, um quantenhaft zu sein; es muss lediglich in Begriffen von Aufzeichnungen verstanden werden, die das Wissbare miteinander verknüpfen, ohne eine einzige, unmögliche Liste aller möglichen Antworten zu erzwingen. Dies öffnet die Tür für ein neues Forschungsprogramm mit dem Ziel, die Quantentheorie in einer Weise neu zu formulieren, die sowohl realistisch als auch frei von Feinabstimmung ist, und bietet so ein klareres Bild der Welt, in der wir leben.