Bellsche Ungleichung

Einstein glaubte bis zu seinem Tod 1955, dass die Quantenmechanik unvollständig sei. Die scheinbare Fernwirkung verschränkter Teilchen musste seiner Meinung nach durch verborgene Variablen erklärt werden, lokale Eigenschaften, die wir nur noch nicht kennen. 1964 formulierte der irische Physiker John Stewart Bell eine Ungleichung, mit der sich diese Frage experimentell entscheiden ließ.

Bells Idee: Wenn verborgene Variablen existieren, dann können die Messergebnisse an verschränkten Teilchen bestimmte statistische Grenzen nicht überschreiten. Wenn die Quantenmechanik recht hat, werden diese Grenzen verletzt.

Ab 1972 führten Experimente (zunächst Freedman und Clauser, dann Alain Aspect 1982, und schließlich lückenlose Tests 2015) zunehmend eindeutige Ergebnisse: Die Bellsche Ungleichung wird verletzt. Die Quantenmechanik hat recht, verborgene Variablen im Einsteinschen Sinne existieren nicht.

Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger erhielten 2022 den Nobelpreis für Physik für ihre experimentellen Arbeiten zur Bellschen Ungleichung. Die Bestätigung, dass die Natur tatsächlich nichtlokal ist, gehört zu den tiefgreifendsten Erkenntnissen der modernen Physik und bildet die theoretische Grundlage für Quantenkryptografie und Quantencomputing.

Was Bell 1964 formulierte, war im Grunde ein Schiedsrichter zwischen Einstein und Bohr, zwei Positionen, die seit den 1920er Jahren gegeneinander standen. Einstein bestand auf einem vollständigen Bild der Realität, bei dem jeder Zustand bereits feststeht, bevor wir messen. Bohr sagte, die Frage nach dem Zustand vor der Messung sei sinnlos. Bell fand heraus, dass man das experimentell entscheiden kann. Das ist selten in der Physik. Meist sind philosophische Streitigkeiten über die Interpretation nicht empirisch auflösbar.

Die 2015er Experimente, die sogenannten loophole-free Bell tests (durchgeführt von Hensen et al. in Delft), schlossen die letzten Schlupflöcher früherer Messungen. Das Ergebnis: Die Natur verhält sich so, als gäbe es eine instantane Verbindung zwischen verschränkten Teilchen, egal wie weit sie entfernt sind. Keine Information reist dabei schneller als Licht, das ist wichtig. Aber die Korrelationen sind real und lassen sich nicht durch verborgene lokale Eigenschaften erklären.