Das Einstein-Podolsky-Rosen Experiment (EPR)

Einstein konnte sich nie mit der Quantentheorie abfinden.. Auf den bedeutenden Konferenzen der großen Physiker, wie z.B. den Solvay-Konferenzen, erdachte er Gedankenexperimente, um die Quantentheorie zu widerlegen. Er legte seine Einwände Bohr beim Frühstück vor, doch stets konnte dieser sie am Abend widerlegen.
Solvay-Konferenz in Brüssel 1927

Einstein vorne in der Bildmitte, die Quantenphysiker in der rechten Bildhälfte. Bohr in der zweiten Reihe ganz rechts. In der obersten Reihe u.a. Schrödinger und Heisenberg.

Dies änderte sich    im Jahre 1935, als Einstein nach seiner Emigration in die USA zusammen mit zwei seiner Studenten (Boris Podolsky und Nathan Rosen) ein Gedankenexperiment vorlegte, das die Quantenphysik mit ihren eigenen Vorhersagen widerlegte. Dazu brauchten EPR lediglich drei Prämissen, die man auch als "gesunden Menschenverstand" bezeichnen könnte. Diese Prämissen sind Lokalität, Realität und Vollständigkeit. Diese Prämissen werden selbstverständlich von einer klassischen Theorie erfüllt.

Die originale EPR-Arbeit von 1935 ist schwer verständlich. 30 Jahre lang blieb dieser Einwand Einsteins gegen die Quantentheorie unbeantwortet und unwiderlegt. Erst als John Bell 1964 mit seiner berühmten Ungleichung eine Möglichkeit aufzeigte, wie man die Vorhersagen der Quantentheorie  testen könnte, erwachte das Interesse am EPR Experiment erneut. Inzwischen ist das Experiment in verschiedenen Varianten immer wieder durchgeführt worden. Die Experimente zeigen: die Quantenphysik hat recht behalten. Sie ist eine vollständige Theorie. Doch der Preis ist hoch: die Auffassung des "gesunden Menschenverstandes" von Realität und Lokalität muss aufgegeben werden. Die Quantenphysik ist nichtlokal.

 Warum ist das so ? was ist die Kernaussage des EPR Experiments ?

Versuchsbeschreibung

EPR Versuchsaufbau 

Ergebnis des Experiments

Eine Quelle sendet (gleichzeitig) zwei Photonen in entgegengesetzten Richtungen aus. Die Quelle ist so beschaffen, dass die beiden Photonen bezüglich ihrer Polarisation verschränkt sind, d.h. wird die Polarisation des einen Photons durch einen Messvorgang bestimmt, ist damit sofort die Polarisation des anderen Photons senkrecht dazu festgelegt. Vor der Messung ist die Polarisation unbestimmt. Zur Messung der Polarisation werden z.B. Polarisationsfolien verwende, die in makroskopischer Entfernung voneinander aufgestellt sind. Hinter den Filtern befinden sich Detektoren, die anzeigen, ob ein Photon den Polarisator passiert hat oder nicht.

 

Bei paralleler Stellung der beiden Polarisatoren findet man stets: wenn das linke  Photon seinen Polarisator passiert, dann wird das rechte Photon absorbiert; und umgekehrt: wenn das linke Photon absorbiert wird, dann passiert das rechte Photon seinen Polarisator. Das geschieht für jede Stellung der Polarisatoren. Dies gilt auch dann noch, wenn  die Polarisatoren erst nach Erzeugung des Photonenpaares eingestellt werden. 

 

Erklärung durch die Quantenphysik 

Wenn das eine Photon seinen Polarisator passiert, dann wird es nach dem Messprinzip der Quantentheorie (Wesenszug 3) in diesen Zustand präpariert (es hat dann folglich die Polarisation in Richtung des Polarisators). Vorher war die Polarisation vollkommen unbestimmt. In dem Augenblick, wo die Polarisation des einen Photons durch die Wechselwirkung mit dem Polarisator festgelegt wird, ist auch die Polarisation des andere Photons instantan senkrecht dazu festgelegt. Das ist auch dann der Fall,  wenn die Stellung der Polarisatoren erst nach der Erzeugung des Photonenpaares eingestellt wird. Solche Versuche wurden tatsächlich durchgeführt. Einstein nannte dies eine "geisterhafte Fernwirkung". Sie ist heute über Entfernungen bis 10km nachgewiesen. Diese Experimente zeigen, dass die Quantenphysik nichtlokal ist. Die Messung am einen Photon hat unmittelbare Auswirkung auf das andere Photon, obwohl dieses makroskopisch weit entfernt ist und eine klassisch erklärbare Beeinflussung ausgeschlossen werden kann. 

Anzumerken bleibt, dass im Gegensatz zu manchen Presseberichten und science fiction Romanen damit keine Information mit Überlichtgeschwindigkeit übertragen werden kann. Dies liegt am Wesenszug 1 des stochastischen  Verhaltens der Quantenobjekte. Denn wie immer man auch den einen Polarisator einstellt, es besteht eine 50%-ige Wahrscheinlichkeit, dass das Photon den Polarisator passiert oder aber absorbiert wird. Es ist also gar nicht möglich, durch Einstellen des Polarisators eine sinnvolle Nachricht etwa im Dualsystem zu erzeugen. 

 

 

Landkarte vom Gebiet des Genfer Sees

In Genf wurden die Photonen in ganz normale Glasfaserkabel der Schweizer Telefongesellschaft "eingespeist". Die beiden Empfangsstationen waren in Bellevue bzw. Bernex aufgestellt. 

Hierzu ein Presseartikel der DPG (Deutschen Physikalischen Gesellschaft) unter dem Titel "Quantenverschwörung im Telefonkabel"    (pdf  Datei)

 

quantitative Beschreibung des EPR-Experiments mit Polarisatoren       http://www.ap.univie.ac.at/users/fe/Quantentheorie/EPR/
weitere Informationen an vielen Stellen unter Suchbegriff "EPR"  Internet (google - Suchmaschine)
Materialien zu EPR auf dieser website Schülerarbeitsblatt und ausführliches Skript zu EPR