Locality, Probability and the Relevance of History

In der weiten Landschaft der modernen Physik stehen zwei gewaltige Säulen nebeneinander, die jedoch oft so wirken, als sprächen sie unterschiedliche Sprachen. Die eine ist die Relativitätstheorie, die uns lehrt, dass nichts schneller als das Licht reisen kann und dass Ursachen ihren Wirkungen in einer strengen, lokalen Ordnung vorausgehen müssen. Die andere ist die Quantenmechanik, das Regelwerk der subatomaren Welt, das eine Realität beschreibt, in der Teilchen über gewaltige Distanzen hinweg auf eine Weise miteinander verknüpft sein können, die diese gleiche lokale Ordnung zu unterwandern scheint. Jahrzehntelang wurde diese Spannung durch ein berühmtes Rätsel namens Bells Theorem verschärft. Dieses Theorem legt nahe, dass, wenn das Universum den Regeln der Relativität folgt und wenn Teilchen vor unserer Messung definierte Eigenschaften besitzen, bestimmte statistische Muster in Experimenten niemals auftreten sollten. Dennoch treten diese Muster in Laboren auf der ganzen Welt auf. Das Universum scheint die Regeln der lokalen Ursache und Wirkung zu brechen, was Physiker dazu zwingt, sich entweder zwischen der Aufgabe der Vorstellung, dass Ursachen lokal sind, oder der Akzeptanz dessen zu entscheiden, dass das Universum seltsamer ist, als wir dachten.

Ein neues Paper des Philosophen Sebastian Horvat bietet eine andere Sichtweise auf dieses Rätsel. Anstatt zwischen Lokalität und dem seltsamen Verhalten von Quantenteilchen zu wählen, schlägt Horvat vor, dass unser Verständnis davon, wie die Geschichte die Zukunft beeinflusst, der Teil sein könnte, der angepasst werden muss. Er schlägt vor, dass der Konflikt nicht daraus resultiert, dass die Natur nicht-lokal ist, sondern dass wir angenommen haben, dass die Vergangenheit in einem spezifischen, technischen Sinne irrelevant für die Gegenwart ist. Indem er definiert, was es bedeutet, in einer probabilistischen Welt „lokal“ zu sein, argumentiert Horat, dass Quantenphänomene perfekt lokal bleiben können, ohne die Lichtgeschwindigkeit zu verletzen, vorausgesetzt, wir akzeptieren, dass die vollständige Geschichte darüber, wie eine Situation zustande kam, wichtiger ist, als wir zuvor glaubten.

Um den Wandel zu verstehen, muss man zuerst sehen, wie die alten Regeln geschrieben wurden. Lange Zeit glaubten Physiker, dass man die Zukunft exakt bestimmen könnte, wenn man alles wüsste, was in der unmittelbaren Vergangenheit eines Ereignisses geschah. Dies ist die Idee der funktionalen Determination: Die Gegenwart ist ein direktes Resultat der unmittelbaren Vergangenheit. Die Quantenmechanik ist jedoch nicht deterministisch; sie arbeitet mit Wahrscheinlichkeiten. Man kann nicht mit Gewissheit sagen, wo ein Elektron landen wird, sondern nur, wie wahrscheinlich es ist, an verschiedenen Stellen zu landen. Um dies zu berücksichtigen, schlug der berühmte Physiker John Bell eine modifizierte Regel vor. Er schlug vor, dass die Vergangenheit zwar vielleicht nicht das exakte Ergebnis bestimmt, aber die Wahrscheinlichkeit dieses Ergebnisses bestimmen sollte. In Bells Sicht sollte, wenn man den Zustand der unmittelbaren Vergangenheit kennt, die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses hier nicht davon abhängen, was weit entfernt an einem Ort geschieht, den das Licht nicht erreichen kann. Dies wurde zum Standardtest für „lokale Kausalität“.

Horvat argumentt, dass Bells Test, obwohl logisch, eine entscheidende Nuance übersieht, wenn er auf eine Welt der Wahrscheinlichkeiten angewendet wird. Er weist darauf hin, dass Bells Regel jedes mögliche Szenario isoliert betrachtet. Es wird gefragt: „Gegeben diese spezifische Vergangenheit, wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit dieser Zukunft?“ Aber Horvat schlägt vor, dass eine natürlichere Art, die Idee der lokalen Determination zu verallgemeinern, darin besteht, zu betrachten, wie Wahrscheinlichkeiten selbst über verschiedene mögliche Historien hinweg miteinander in Beziehung stehen. Seiner Ansicht nach sollte eine wahrhaft lokale Theorie sicherstellen, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilung eines Ereignisses durch die Wahrscheinlichkeitsverteilung von Ereignissen in seiner unmittelbaren Vergangenheit bestimmt wird. Es ist eine subtile, aber tiefgreifende Verschiebs: Anstatt dass Ereignisse andere Ereignisse oder Ereignisse Wahrscheinlichkeiten bestimmen, bestimmen die Verteilungen von Möglichkeiten die Verteilungen zukünftiger Möglichkeiten.

Wenn Horvat diese neue, flexiblere Definition von Lokalität auf die Daten anwendet, ergibt sich ein überraschendes Resultat. Die seltsamen Korrelationen, die in Quantenexperimenten beobachtet werden und die Bellschen Ungleichungen verletzen, brechen diese neue Regel nicht notwendigerweise. Die Verletzung tritt nur dann auf, wenn wir eine zusätzliche, verborgene Annahme aufrechterhalten: die Vorstellung, dass die Geschichte irrelevant für die Gegenwart ist. Diese Annahme, die Physiker oft als selbstverständlich hinnehmen, ist der Glaube, dass es für die Vorhersage der Zukunft keine Rolle spielt, welchen spezifischen Weg ein System genommen hat, sobald man seinen aktuellen Zustand kennt. Es ist der Glaube, dass der gegenwärtige Moment alle notwendigen Informationen enthält und die Vergangenheit nur eine vergessene Geschichte ist.

Horvat zeigt, dass der Konflikt verschwindet, wenn man diese Annahme aufgibt. Er schlägt vor, dass die zukünftige Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses von der Geschichte abhängen kann, wie der aktuelle Zustand erreicht wurde. Um dies zu visualisieren, stellen Sie sich vor, ein roter Würfel erscheint in einem Raum. Wenn Sie annehmen, dass die Geschichte irrelevant ist, würden Sie das zukünftige Verhalten allein basierend auf der Tatsache vorhersagen, dass er jetzt ein roter Würfel ist, ungeachtet dessen, wie er dorthin gelangt ist. Aber wenn die Geschichte relevant ist, könnte die Zukunft des Würfels davon abhängen, ob er von einer roten Pyramide oder einer roten Kugel kam. In der Quantenwelt ist der „rote Würfel“ ein Messergebnis, und seine „Geschichte“ umfasst die spezifische Kette von Ereignissen, die dazu geführt hat, dass die verschränkten Teilchen in dem Zustand sind, in dem sie sich befinden. Das Paper legt nahe, dass die Korrelationen, die wir sehen, keine magischen Verbindungen über den Raum hinweg sind, sondern das Resultat der Tatsache, dass der aktuelle Zustand eine Erinnerung an seinen spezifischen Ursprung in sich trägt.

Dies bedeutet nicht, dass Ursachen in der Zeit zurückreisen oder dass die Zukunft die Vergangenheit verändert. Vielmehr bedeutet es, dass die Wahrscheinlichkeit dessen, was als Nächstes geschieht, nicht allein durch den Schnappschuss der Gegenwart festgelegt ist, sondern durch den vollen Kontext, wie dieser Schnappschuss geformt wurde, verfeinert wird. Das Paper argumentiert, dass das Universum nicht „markovsch“ ist – ein technischer Begriff für Systeme, in denen die Zukunft nur von der Gegenwart abhängt. Stattdessen ist das Universum sensibel gegenüber seiner eigenen Geschichte. Die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses wird durch die Wahrscheinlichkeit der Ereignisse in seiner unmittelbaren Vergangenheit bestimmt, aber diese vergangene Wahrscheinlichkeitsverteilung selbst wird durch die tiefere Geschichte geformt. Dies ermöglicht es der Theorie, die Lichtgeschwindigkeit und die lokale Natur der Ursache und Wirkung zu respektieren und gleichzeitig die seltsamen Verbindungen zu erklären, die die Quantenmechanik offenbart.

Die Implikationen dieser Sichtweise sind bedeutend für unser Verständnis der Realität. Sie deutet darauf an, dass die „spukhafte Fernwirkung“, die Einstein so sehr missfiel, eine Illusion sein könnte, die durch das Ignorieren der Relevanz der Geschichte entsteht. Wenn wir akzeptieren, dass die Vergangenheit zählt, können wir die beruhigende Vorstellung bewahren, dass Ursachen lokal sind und nichts schneller als das Licht reist. Das Paper beansprucht nicht, jedes Rätsel der Quantenmechanik gelöst zu haben, noch liefert es eine vollständige neue Theorie des Universums. Stattdessen bietet es einen neuen logischen Rahmen, der den Widerspruch zwischen Relativität und Quantenmechanik auflöst. Es legt nahe, dass der Weg nach vorn nicht im Verlassen der Lokalität liegt, sondern in der Erkenntnis, dass die Geschichte darüber, wie wir hierher gelangt sind, essenziell dafür ist, zu verstehen, wohin wir gehen.

Letztendlich lädt uns diese Arbeit dazu ein, die Natur von Zeit und Kausalität neu zu überdenken. Sie schlägt vor, dass das Universum ein Wandteppich ist, bei dem die Fäden der Vergangenheit in die Wahrscheinlichkeiten der Zukunft eingewoben sind. Indem wir anerkennen, dass die Geschichte relevant ist, können wir die beiden großen Säulen der Physik versöhnen, ohne das fundamentale Prinzip zu opfern, dass Ursachen lokal sind. Das Paper lässt die Möglichkeit offen, dass eine lokale, realistische Theorie der Quantenwelt weiterhin erreichbar ist, sofern wir bereit sind, der vollständigen Geschichte der Vergangenheit zuzuhören und nicht nur dem Moment der Gegenwart.