Tief im Herzen der Physik gibt es eine glückliche Vermutung. Es war eine unglaublich gute Vermutung, die sich im Laufe der Zeit und durch Experimente bewahrheitet hat und heute ein grundlegendes Prinzip der Quantenmechanik ist.
Man nennt es die Bornsche Regel, und obwohl sie für Vorhersagen verwendet wird, versteht niemand wirklich, wie sie funktioniert. Aber ein kühner neuer Versuch, sie umzuschreiben, könnte der Durchbruch sein, auf den wir gewartet haben, um sie endlich vollständig zu verstehen.
Die Physiker Lluís Masanes und Thomas Galley vom University College London haben sich mit Markus Müller von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften zusammengetan, um einen neuen Weg zu finden, dieses Grundgesetz der Physik zu beschreiben.
Sie sind nicht die ersten, die nach tieferen Wahrheiten dieses verblüffendsten aller Quantenprinzipien suchen. Und, seien wir ehrlich, sie werden auch nicht die letzten sein. Aber wenn es eine Lösung gibt, wird sie wahrscheinlich einen einzigartigen Ansatz wie den ihren erfordern.
Um zu verstehen, was so besonders an der Bornschen Regel ist, müssen wir zunächst ein wenig zurückgehen.
Es ist zu einem Klischee geworden, zu sagen, dass die Quantenmechanik seltsam ist. Mit Katzen, die gleichzeitig lebendig und tot sind, und Teilchen, die Informationen durch Raum und Zeit teleportieren, sind wir daran gewöhnt, das Fundament der Physik als eine Zaubershow zu sehen.
Große Namen wie Schrödinger, Heisenberg und Einstein werden oft gerühmt, aber es ist der deutsche Physiker und Mathematiker Max Born, dem das monumentale Kopfzerbrechen, das die Quantenmechanik bereitet, wirklich zu verdanken ist.
Um seinen Beitrag zu verstehen, müssen wir uns nur das heiße Durcheinander ansehen, in dem sich die Physiker in den frühen 1920er Jahren befanden. Man hatte gerade herausgefunden, dass die Struktur des Atoms aus einem dichten, positiv geladenen Kern besteht, der von kleineren, negativ geladenen Teilchen umgeben ist.
Warum das ganze System nicht zusammenbrach, war die große Frage, die man sich stellte, bis der französische Physiker Louis de Broglie einen kühnen Vorschlag machte: So wie Lichtwellen Teilchennatur haben, könnten diese negativen Elektronen in der Luft bleiben, wenn sie ebenfalls wellenförmig wären.
Die Dualität des Lichts war schon schwer genug zu schlucken. Aber feste Materie so zu beschreiben, als wäre sie eine Welle auf dem Ozean, war einfach nur verrückt. Dennoch zeigten Experimente, dass es gut passte.
Dann, im Jahr 1926, kam Born mit einem einfachen Vorschlag – er zog Erkenntnisse aus der Mathematik seiner Kollegen heran, zeigte, wie diese Wellen die Wahrscheinlichkeit widerspiegelten, und kam auf eine Regel, die Beobachtungen mit Zufallsmaßen verband. Mit dieser Regel können Physiker die Position von Teilchen in Experimenten vorhersagen, indem sie die Wahrscheinlichkeiten nutzen, die sich in den Amplituden dieser Wellenfunktionen widerspiegeln.
Die Bornsche Regel basierte jedoch nicht auf einer Reihe von Axiomen oder tieferen Wahrheiten der Natur. In einem Vortrag, den er anlässlich der Verleihung des Nobelpreises für Physik im Jahr 1954 hielt, erklärte Born, dass das Aha-Erlebnis aus Einsteins Arbeit resultierte.
„Er hatte versucht, die Dualität von Teilchen – Lichtquanten oder Photonen – und Wellen verständlich zu machen, indem er das Quadrat der optischen Wellenamplituden als Wahrscheinlichkeitsdichte für das Auftreten von Photonen interpretierte“, sagte Born.
Es war eine inspirierte Vermutung, und zwar eine genaue. Aber es gab keine grundlegenden Axiome, keine fundamentalen Gesetze, die Born zu seiner Schlussfolgerung führten. Sie war rein prädiktiv und sagte nichts über tiefere Prinzipien aus, die eine Vielzahl von Möglichkeiten in eine einzige Wirklichkeit verwandeln.
Einstein hasste die Implikationen und behauptete, dass Gott nicht würfelt, und hielt die Quantenmechanik für eine unvollständige Theorie, die auf neue Teile wartete, um das Bild zu vervollständigen.
Nach fast einem Jahrhundert sind diese Teile so schwer fassbar wie immer. Und die Bornsche Regel ist immer noch das Herzstück der Theorie, die stillschweigend Vorhersagen macht, ohne das Geheimnis ihrer Wahl zu verraten.
Was wir brauchen, ist eine Neuformulierung des berühmten Gesetzes, die seine Vorhersagekraft beibehält und gleichzeitig weitere Wahrheiten andeutet. Also überarbeiteten Masanes, Galley und Muller die Formulierung der Regel auf der Grundlage einer Handvoll scheinbar trivialer Annahmen.
Erstens wiesen sie darauf hin, dass Quantenzustände nach Maßgabe von Größe und Richtung beschrieben werden.
Zweitens zeigten sie, wie diese Zustände gemäß der so genannten Unitarität beschrieben werden können. Dieser Fachausdruck bezieht sich auf die Information, die den Start- und Endpunkt eines Prozesses miteinander verbindet. (Um eine grobe Analogie zu verwenden: Wir wissen vielleicht nicht, wie wir von der Bar nach Hause gekommen sind, aber die Methode, die uns dorthin gebracht hat, beschreibt auch den Rückweg.)
Als Nächstes gingen sie davon aus, dass es für die Messung des Endzustands keinen Unterschied macht, wie wir die Teile eines komplexen Quantensystems gruppieren. Die Unterteilung eines Regenbogens in sieben Farben ist eine Entscheidung, die wir je nach Kontext treffen; die Natur kümmert sich nicht immer um bequeme Unterteilungen.
Schließlich behaupteten sie, dass die Messung eines Quantenzustands einzigartig ist. Schließlich mündet eine Unzahl von Möglichkeiten in eine solide Antwort.
Ausgehend von diesen einfachen Ausgangspunkten baute das Trio logisch auf die Bornsche Regel auf. Ihre Arbeit kann von jedermann auf der Website arxiv.org gelesen werden und hat bereits eine Diskussion ausgelöst.
Es ist keine Lösung an sich, wohlgemerkt, denn sie erklärt nicht, warum eine Welle von Möglichkeiten in die Realität kollabiert, die wir beobachten.
Sie zeigt stattdessen, wie grundlegende Annahmen zu demselben Gesetz führen können, und bietet eine neue Perspektive, wie man das Problem angehen kann.
Fürs Erste würfelt Gott immer noch fair und anständig. Vielleicht werden wir ihn so beim Schummeln erwischen.