Das Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon

Im Jahr 1935 veröffentlichten Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen (kurz: „EPR“) einen Artikel, in dem sie die damaligen Erkenntnisse der Quantenphysik anzweifelten. Ihr Ziel war es zu zeigen, dass die Quantenphysik unvollständig ist, d.h. dass sie die Realität nicht komplett beschreibt. 
Der kurze Artikel löste eine Debatte über die Grundlagen der Quantenphysik aus, welche noch bis heute andauert. Da er die Quantenphysik für eine lange Zeit prägte, ist dieser Artikel einer der zentralen Arbeiten der modernen Physik.  

Nun zur Argumentation von EPR. Als Erstes fordern sie, dass es grundlegende Prinzipien gibt, welche jede Theorie erfüllen muss. Sie leiten diese Prinzipien aus der klassischen Physik ab, sie heißen Realität und Lokalität.  

Unter Realität wird hier verstanden, dass die Eigenschaften von physikalischen Objekten klar festgelegt sind, unabhängig davon, was menschliche Beobachter über sie wissen oder denken.    
Unter Lokalität versteht man die Eigenschaft, dass ein Ereignis ein anderes Ereignis nur beeinflussen kann, wenn beide Ereignisse nah beieinander sind. Entscheidend ist dabei, dass sich alle Wirkungen und Informationen höchstens mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten können.    
Zudem fordern EPR, dass jede Theorie vollständig sein muss, also alle physikalischen Größen und Objekte (welche Realität besitzen) in der Theorie repräsentiert sein müssen. Dies ist eine sehr grundlegende Forderung, welche ebenfalls aus den klassischen physikalischen Theorien gut bekannt ist.   

EPR wenden sich nun der Quantenphysik zu, sie verweisen auf die Heisenbergsche Unschärferelation, welche besagt, dass nicht alle Eigenschaften eines Teilchens präzise bestimmt werden können. Wird beispielsweise der Impuls eines Teilchens genau gemessen, kann anschließend keine Aussage über den genauen Ort des Teilchens gemacht werden. Daher können Impuls und Ort nicht beide gleichzeitig die Eigenschaft der Realität erfüllen, da sie abhängig vom menschlichen Beobachter sind.
Daraus folgern EPR, dass zwei Größen entweder nicht gleichzeitig Realität besitzen können oder, dass die Quantenmechanik keine vollständige physikalische Theorie sein kann.   

Im zweiten Teil ihrer Argumentation führen EPR ein Gedankenexperiment durch, welches später als das EPR-Paradoxon bekannt wurde. Das Paradoxon ist in der unteren Abbildung dargestellt. 
Zu Beginn existieren zwei Teilchen deren Anfangszustand bekannt ist. Der Einfachheit halber definieren wir den Gesamtimpuls und den Anfangsort auf Null. Beide Teilchen bewegen sich auseinander. Sobald zwischen den Teilchen kein Informationsaustausch mehr stattfinden kann, wird der Ort von Teilchen A und der Impuls von Teilchen B gemessen. Mithilfe der Impulserhaltung kann nun der Impuls des Teilchens A aus dem Anfangsimpuls und dem Impuls von Teilchen B berechnet werden. Wir kennen nun den Ort und den Impuls von Teilchen A präzise, daher besitzen sowohl Ort als auch Impuls Realität. Dies steht (wie oben beschrieben) im Widerspruch zur Heisenbergschen Unschärferelation.  

Beide Größen können also gleichzeitig Realität besitzen, aber sind nicht beide gleichzeitig in der Quantenphysik repräsentiert. Daher folgern EPR, dass die Quantenphysik nicht vollständig sein kann.

Eine mögliche Lösung für eine neue Beschreibung der Quantenphysik, sind verborgene Variablen. Dabei wird angenommen, dass jedes Teilchen einen festen Satz von Variablen bei sich trägt, welcher die Ergebnisse aller möglichen Messungen vorhersagt. Ein solcher Ansatz würde die Anforderungen von EPR (Realität und Lokalität) erfüllen, wenn sie alle Phänomene der Quantenphysik korrekt beschreiben kann. Dieser Frage ging der britische Physiker John Bell nach, seine Überlegungen findest du im nächsten Abschnitt. 

Zur Bellschen Ungleichung

Kurzzusammenfassung

Einstein-Podolsky-Rosen Paradoxon Quantenphysik: x und p besitzen nicht gleichzeitig Realität
EPR: x und p können gleichzeitig Realität besitzen, daher ist die Quantenphysik nicht vollständig
EPR: Verwende lokale verborgene Variablen statt Quantenphysik
Bellsche Ungleichung


Durchführung des Experiments

Wenn du mehr über die Argumentation von EPR erfahren möchtest, kannst du dir den orginal Artikel "Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?" aus dem Jahr 1935 anschauen.