Seit 1964 kann man Außerirdischen den Unterschied zwischen einem Teilchen und einem Anti-Teilchen erklären. Aber dieser Unterschied bestätigt auch das merkwürdige Verhalten von weit entfernten Teilchen, dem bekannten EPR Paradoxon! Wie ist dies möglich?

 

 

Der Physiker Dirac hat aus „mathematischen“ Überlegungen vorhergesagt, dass zu den bekannten Teilchen, die unsere Welt hauptsächlich aufbauen, sogenannte Anti-Teilchen existieren, die die gleiche Masse wie das Teilchen besitzen, sich aber im Vorzeichen der Ladung unterscheiden. So gibt es zum Proton ein Anti-Proton, das exakt die gleiche Masse hat, aber nicht positiv geladen ist, sondern negativ. Das Photon, also das Lichtteilchen, ist ungeladen und masselos, daher ist das Anti-Teilchen gleich dem Teilchen.

 

Aber die TeilchenphysikerInnen kennen auch Teilchen, die zwar ungeladen sind, aber wo das Teilchen von dem Anti-Teilchen unterschieden werden kann, sogenannte neutrale Kaonen.

 

Betrachtet man ganz allgemein eine gewisse Reaktion, so zum Beispiel zwei Teilchen, die auf einander treffen, und zwei neue Teilchen erzeugen, dann kann man 3 Transformationen anwenden und man hat wieder eine Reaktion, die man in der Natur beobachten kann. Diese 3 Transformationen sind:

1.)    eine Spiegelung (Paritätstransformation P); d.h. man betrachtet die Reaktion im Spiegel oder anders ausgedrückt man geht von einem rechtshändigem Koordinatensystem in ein linkshändiges Koordinatensystem über.

2.)    ein Teilchen-Anti-Teilchen Austausch (Ladungskonjugation C); d.h. jedes Teilchen wird durch sein Anti-Teilchen und jedes Anti-Teilchen durch sein Teilchen ersetzt.

3.)     eine Zeitumkehr (T); d.h. man dreht die Zeitrichtung der  Reaktion um.

 

PhysikerInnen haben noch keine Reaktion gefunden, die diese 3 Transformationen (CPT) verletzen würde, d.h. nach Anwendung  aller 3 Transformation nicht wieder eine Reaktion ergeben,  die in der Natur vorkommt. Bis 1964 hat man aber auch angenommen, dass eine Anwendung von nur 2 Transformationen (CP), der Teilchen-Anti-Teilchen Austausch (C) und die Spiegelung (P), wieder zu einer Reaktion führt, die in der Natur realisiert ist. Genau bei diesen neutralen Kaonen ist dies nicht der Fall. Wie PhysikerInnen auch sagen: Bei diesen Teilchen ist die CP-Symmetrie verletzt oder anders einem Außerirdischen könnte man nun mitteilen, ob wir in einer Welt aus Teilchen oder einer Welt aus Anti-Teilchen leben, die bis dato keinen Unterschied hatte. Diese Verletzung der CP-Symmetrie ist jedoch klein! Dazu sei erwähnt, dass dieser Unterschied auch erklären könnte, warum beim Urknall, wo Materie und Anti-Materie in gleicher Menge erzeugt wurde, sich offensichtlich die Materie durchgesetzt hat.

 

Nun verlassen wir kurz die Teilchenphysik und widmen uns einem anderen Gebiet der Physik, der Quantenmechanik. Wie mancher Leser schon wissen wird, sind nun bahnbrechende Experimente, u.a. von einer Gruppe um Prof. Zeilinger in Österreich, gemacht worden. Dabei werden von einer Quelle zwei Teilchen erzeugt, die in entgegengesetzte Richtungen auseinander fliegen. Jetzt kann man auf der einen Seite das Teilchen „fragen“, in welcher Richtung es sich bezüglich einer bestimmten Achse „dreht“ oder gleichbedeutend welchen Spin es in Bezug auf eine bestimmte Quantisierungsachse hat. Man wird nun, wann immer das eine Teilchen sich in die eine Richtung bezüglich einer bestimmten Achse „dreht“, immer feststellen, dass das andere Teilchen bezüglich derselben Achse sich in die andere Richtung „dreht“. Das Paradoxon daran ist, dass für ein Quantenteilchen gilt, misst man die Drehrichtung bezüglich einer Bezugsachse, dann sind die Drehrichtungen bezüglich anderer Bezugsachsen unscharf (Heisenbergsche Unschärfe Relation), d.h. unbestimmt, andererseits kann man eine beliebige Bezugsachse wählen und immer wird sich bei der Messung das eine Teichen in die eine Richtung und das andere in die andere Richtung „drehen“.

 

Das Paradoxon wurde schon 1935 von Einstein, Podolsky und Rosen formuliert und ist deshalb auch als EPR-Paradox bekannt. Eine vorgeschlagene Lösung aus dem Paradoxon besteht darin, dass sich die Teilchen vorher abgesprochen haben. Dies wäre ein Ausweg, doch John Bell konnte 1964 (gleiches Jahr wie der Entdeckung der CP-Verletzung), zeigen, dass im Fall der Absprache eine gewisse Ungleichung gelten muss. Die Bell Ungleichung kann nun im Experiment getestet werden. Bei Photonen wurde genau dies gemacht und das Ergebnis ist, die Ungleichung wird verletzt, d.h. die Photonen konnten sich vorher nicht absprechen. Auch eine Kommunikation mit Lichtgeschwindigkeit konnte ausgeschlossen werden. Ja, aber was soll das heißen?

 

Scheinbar weiß das eine Teilchen, was der Experimentator am anderen Teilchen misst, und verhält sich dementsprechend, obwohl es das nicht vorher ausgemacht haben konnte und auch nicht währenddessen kommunizieren konnte! Dabei könnte theoretisch das eine Teilchen hier bei uns auf der Erde sein, während das andere in einer weit entfernten Galaxis ist!

 

PhysikerInnen nennen es nach dem Österreicher Schrödinger Verschränkung (English: entanglement)! Kein Mensch, der in einer klassischen Welt lebt, kann so etwas „verstehen“, aber man kann es mittels der Quantentheorie berechnen, die bis jetzt noch keinen Widerspruch zu irgendeinem Experiment gebracht hat. Man kann sich diese Eigenschaft genauerer anschauen und sie sich sogar zu Nutze machen (z.B. Quantencomputer, die viel schneller als unsere heutigen wären, oder Teleportation, etwas Ähnliches wie „Beamen“ bei Raumschiff Enterprise).

 

Nun haben wir zwei unterschiedliche Gebiete kennen gelernt und zwei verschiedene Konzepte, die CP-Symmetrie und das paradoxe Verhalten von verschränkten Teilchen. Wie hängen diese zusammen?

 

Nun ich habe von einer Bell Ungleichung erzählt, die mir ermöglicht zu testen, ob sich die Teilchen vorher abgesprochen haben oder nicht. Und es stellt sich heraus, dass falls eine solche CP-Verletzung existiert, dann bedeutet es, dass das paradoxe Verhalten auch für solche Teichen realisiert ist. Die neutralen Kaonen sind CP-verletzende Teilchen, daher gilt für sie solch ein paradoxes Verhalten. D.h. CP-Verletzung hat etwas mit Verschränkung zu tun!

 

Die Quantentheorie hat wieder einmal recht gehabt; sie ist zwar mathematisch“ wohldefiniert, aber die Interpretation bereitet empfindliche Kopfschmerzen. Dazu vielleicht noch, die PhysikerInnen glauben die Quantentheorie ist die fundamentale Theorie, aus der sich unsere klassische Welt herleiten lassen sollte, aber bis heute kann keiner eine vernünftige Antwort darauf geben, wie ein solcher Übergang von der Quantenwelt zur klassischen Welt ausschauen sollte!

 

Ein Film zum EPR-Paradoxon und eine für Nicht-PhysikerInnen (hoffentlich) verständliche Fassung rund um diese seltsamen Kaonen erhältlich unter: http://www.thp.univie.ac.at/~hies; wissenschaftliche Artikeln dazu wurden am Institut für Theoretische Physik an der Universität Wien gemacht (Phys. Rev. A 63, 062112 (2001); Phys. Lett. A 289, 21 (2001)).