Warum immer mehr Physiker zu denken beginnen, dass Raum und Zeit „Illusionen“ sind

Im vergangenen Dezember wurde der Nobelpreis für Physik für die experimentelle Bestätigung eines seit mehr als 80 Jahren bekannten Quantenphänomens verliehen: der Verschränkung. Wie von Albert Einstein und seinen Mitarbeitern im Jahr 1935 konzipiert, können Quantenobjekte auf mysteriöse Weise verwandt sein, selbst wenn sie durch große Entfernungen voneinander getrennt sind. Aber so bizarr das Phänomen auch klingen mag, warum verdient diese uralte Idee immer noch den renommiertesten Preis in der Physik?

Zufälligerweise berichtete ein anderes Team angesehener Wissenschaftler aus Harvard, MIT, Caltech, Fermilab und Google nur wenige Wochen vor der Ehrung der jüngsten Nobelpreisträger in Stockholm, dass sie eine Operation an Googles Quantencomputer durchgeführt hatten, die interpretiert werden konnte wie eine Punktion Wurmlöcher sind Tunnel durch das Universum, die als Abkürzung durch Raum und Zeit dienen können und von Sci-Fi-Fans geliebt werden, und obwohl der in diesem neuesten Experiment realisierte Tunnel nur in einem 2D-Universumsspiel existiert, könnte er ein Durchbruch für zukünftige Forschung sein auf dem neuesten Stand der Physik. .

Aber warum hat Verschränkung mit Raum und Zeit zu tun? Und wie könnte es für zukünftige Durchbrüche in der Physik wichtig sein? Das Konzept der Verschränkung, richtig verstanden, bedeutet, dass das Universum „monometrisch“ ist, wie Philosophen es nennen, und dass alles im Universum auf einer fundamentalen Ebene Teil eines einheitlichen Ganzen ist. Es ist eine definierende Eigenschaft der Quantenmechanik, dass ihre grundlegende Realität in Wellenbegriffen beschrieben wird, und das monadische Universum erfordert eine globale Funktion. Vor Jahrzehnten zeigten Forscher wie Hugh Everett und Dieter Zeh, wie aus einer solch umfassenden quantenmechanischen Beschreibung die Realität unseres täglichen Lebens hervorgehen könnte. Aber erst jetzt entwickeln Forscher wie Leonard Susskind oder Sean Carroll Ideen, wie diese verborgene Quantenrealität nicht nur die Materie, sondern auch das Gefüge von Raum und Zeit erklären könnte.

Verschränkung ist viel mehr als nur ein weiteres seltsames Quantenphänomen. Es ist das Wirkprinzip, warum die Quantenmechanik die Welt zu einer verschmilzt und warum wir diese grundlegende Einheit als viele getrennte Dinge erfahren. Gleichzeitig ist die Verstrickung der Grund dafür, dass wir scheinbar in der klassischen Realität leben. Es ist – im wahrsten Sinne des Wortes – der Leim und Schöpfer von Welten. Verschränkung bezieht sich auf Objekte, die aus zwei oder mehr Komponenten bestehen und beschreibt, was passiert, wenn das Quantenprinzip „alles, was wirklich passieren kann“ auf diese Komponentenobjekte angewendet wird. Der Verschränkungszustand ist demnach die Überlagerung aller möglichen Kombinationen, in denen sich die Komponenten des Komponentenobjekts befinden können, um das gleiche Gesamtergebnis zu erzielen. Auch hier ist es die wellenförmige Natur des Quantenfelds, die helfen könnte zu erklären, wie die Verschränkung tatsächlich funktioniert.

Stellen Sie sich an einem stürmischen Tag ein vollkommen ruhiges Glasmeer vor. Nun fragen Sie sich, wie kann ein solcher Pegel durch Überlagerung zweier individueller Wellenmuster erzeugt werden? Eine Möglichkeit besteht darin, dass die Überlagerung von zwei vollkommen ebenen Flächen wieder zu einem vollkommen ebenen Ergebnis führt. Eine andere Möglichkeit, dass eine ebene Fläche entsteht, besteht aber auch darin, dass zwei identische Wellenmuster durch eine halbe Schwingungsperiode so überlagert werden, dass die Wellenberge des einen Musters die Wellentäler des anderen aufheben und umgekehrt. Wenn wir nur den Umfang des Glaskörpers betrachten würden, da er das Ergebnis zweier Ausbuchtungen zusammen ist, gäbe es für uns keine Möglichkeit, die Muster der einzelnen Ausbuchtungen zu erkennen. Was völlig gewöhnlich erscheint, wenn wir über Wellen sprechen, hat noch bizarre Konsequenzen, wenn es auf konkurrierende Realitäten angewendet wird. Wenn Ihre Nachbarin Ihnen sagt, dass sie zwei Katzen hat, eine lebt und die andere tot, bedeutet das, dass entweder die erste oder die zweite Katze tot ist und die verbleibende Katze lebt – das wäre eine seltsame und gruselige Art, Haustiere zu beschreiben, und Sie wissen vielleicht nicht, wer von ihnen der Glückliche ist, aber Sie werden auf die Drift des Nachbarn kommen. Nicht so im Quantenbereich. In der Quantenmechanik weist dieselbe Aussage darauf hin, dass die beiden Katzen zu einer Überlagerung von Zuständen verschmolzen sind, darunter die erste Katze lebt und die zweite tot ist und die erste Katze tot ist, während die andere lebt, aber auch Möglichkeiten, bei denen beide Katzen halb sind lebend und halb tot, oder dass die erste Katze ein Drittel von ihnen lebt, während die zweiten Katzen zwei Drittel des verlorenen Lebens ausmachen. Bei einem quantitativen Katzenpaar lösen sich die Schicksale und Umstände der einzelnen Tiere im Falle des Ganzen vollständig auf. Ebenso gibt es im Quantenuniversum keine einzelnen Objekte. Alles, was existiert, wird zu einem einzigen „Eins“ zusammengefasst.

Die Quantenverschränkung offenbart ein ganz neues, riesiges Gebiet, das es zu erforschen gilt. Es definiert eine neue Grundlage für die Wissenschaft und stellt unsere Suche nach einer Theorie von allem auf den Kopf – um auf der Quantenkosmologie statt auf Teilchenphysik oder Stringtheorie aufzubauen. Aber wie realistisch ist ein solcher Ansatz für Physiker? Überraschenderweise ist es nicht nur realistisch – sie tun es tatsächlich. Forscher an der Spitze der Quantengravitation beginnen, die Raumzeit als Folge der Verschränkung zu überdenken. Immer mehr Wissenschaftler stützen ihre Forschung auf die Untrennbarkeit des Universums. Die Hoffnungen sind groß, dass sie durch diesen Ansatz endlich zu einem Verständnis von Raum und Zeit kommen, in den Tiefen ihrer Grundlagen, wirklich.

Ob der Raum durch Verschränkung zusammengehalten wird, die Physik durch abstrakte Objekte jenseits von Raum und Zeit beschrieben wird oder der Raum der Möglichkeiten durch die universelle Everett-Wellenfunktion repräsentiert wird oder alles im Universum auf ein einziges Quantenobjekt reduziert wird – all diese Ideen haben eine Gemeinsamkeit Geschmack des Monismus. Welche dieser Ideen die Zukunft der Physik prägen und welche irgendwann aussterben werden, ist derzeit schwer abzuschätzen. Interessant ist, dass die Ideen zwar ursprünglich im Kontext der Stringtheorie entwickelt wurden, aber der Stringtheorie entwachsen zu sein scheinen und Strings in der neuesten Forschung keine Rolle mehr spielen. Der rote Faden scheint nun zu sein, dass Raum und Zeit nicht mehr wesentlich sind. Zeitgenössische Physik beginnt nicht mit Raum und Zeit, um Dinge fortzusetzen, die in diesem bereits bestehenden Hintergrund angelegt sind. Stattdessen verstehen sich Raum und Zeit als Produkte einer grundlegenderen Projektionsrealität. Nathan Cyberg, ein Pionier der Stringtheoretiker am Princeton Institute for Advanced Study, ist nicht allein mit seiner Meinung, wenn er sagt: „Ich bin mir fast sicher, dass Raum und Zeit Illusionen sind. Dies sind rudimentäre Konzepte, die durch ersetzt werden etwas komplexer.“ Darüber hinaus spielt in den meisten Szenarien, die aufkommende Raumzeiten vorschlagen, die Verschränkung die Hauptrolle. Wie der Wissenschaftsphilosoph Rasmus Yaxland betont, bedeutet dies letztlich, dass es keine einzelnen Objekte mehr im Universum gibt; Dass alles mit allem verbunden ist: „Die Verstrickung anzunehmen, während die Welt Beziehungen herstellt, geht mit dem Preis einher, die Möglichkeit der Trennung aufzugeben.“ Aber vielleicht sollten diejenigen, die bereit sind, diesen Schritt zu tun, in der Verstrickung nach der grundlegenden Beziehung suchen, durch die sie entsteht wird das Potenzial dieser Welt (und vielleicht der ganzen anderen Welt) formen).“ Wenn also Raum und Zeit verschwinden, entsteht eine Einheit.

Im Gegenteil, aus der Perspektive des Quantenmonismus sind solche verblüffenden Folgen der Quantengravitation nicht weit entfernt. Schon in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist der Raum keine stationäre Phase mehr. Vielmehr ist es die Quelle der Materiemassen und ihrer Energie. Ähnlich wie die Sicht des deutschen Philosophen Gottfried W. Leibniz beschreibt es die relative Ordnung der Dinge. Wenn nun nach der quantitativen Einheit nur noch ein Ding übrig bleibt, gibt es nichts mehr zu ordnen oder zu ordnen, und am Ende bedarf es des Raumbegriffs auf dieser grundlegenden Beschreibungsebene nicht mehr. Er ist „der Eine“, ein einzelnes Quantenuniversum, das Raum, Zeit und Materie hervorbringt.

„GR = QM“, behauptet Leonard Susskind in einem offenen Brief an Forscher der Quanteninformatik kühn: Die Allgemeine Relativitätstheorie ist nichts anderes als Quantenmechanik – eine hundert Jahre alte Theorie, die mit großem Erfolg auf alles Mögliche angewendet wurde, aber nie wirklich war. Völlig verständlich. Wie Sean Carroll betont, „war es wahrscheinlich falsch, die Schwerkraft zu quantifizieren, und die Raumzeit hat die ganze Zeit in der Quantenmechanik gelauert.“ Für die Zukunft „sollten wir vielleicht versuchen, anstatt die Schwerkraft zu quantifizieren, die Quantenmechanik zu quantifizieren.“ Oder genauer, aber weniger aufregend, „die Schwerkraft innerhalb der Quantenmechanik finden“, schlägt Carroll in seinem Blog vor eine Theorie, die nicht in Raum und Zeit auftritt, sondern innerhalb einer grundlegenderen Realität von Anzeigegeräten, viele Sackgassen bei der Erforschung der Quantengravitation hätten vermieden werden können. tausend Jahre alte Philosophie in der Antike angenommen, im Mittelalter verfolgt, in der Renaissance wiederbelebt, in der Romantik herumgebastelt – die frühen Everett und Zee hätten sich eher auf sie bezogen, als sich an die Interpretation des einflussreichen Quantenpioniers Niels Bohr zu halten, der abbrach seine Mechanik Quantum in ein Werkzeug, wir werden auf dem Weg sein, die Grundlagen der Realität zu entmystifizieren.

Angepasst von Erstens: Wie eine uralte Idee die Zukunft der Physik birgt von Heinrich Bass. Copyright © 2023. Erhältlich bei Basic Books, einem Impressum der Hachette Book Group, Inc. Alle Rechte vorbehalten.