Kann die Spezielle Relativitätstheorie die Seltsamkeiten der Quantenphysik erklären?

Die Physik hat schon seit einiger Zeit ein Problem. Ihre grundlegenden Theorien, die Allgemeine und die Spezielle Relativitätstheorie und die Quantenphysik, sind für sich genommen vielfach als korrekt nachgewiesen. Aber sie passen nicht zueinander – in Extremfällen, etwa in Schwarzen Löchern oder beim Urknall, wo man beide anwenden müsste, funktioniert das nicht. Die Quantenphysik scheint dabei die grundlegendere Theorie zu sein, deshalb geht die Wissenschaft davon aus, dass man die Relativitätstheorie anpassen müsste, zu einer Quanten-Relativität.

Aber das muss vielleicht gar nicht sein. Dr. Andrzej Dragan von der Fakultät für Physik der Universität Warschau (FUW) und Prof. Artur Ekert von der Universität Oxford (UO) haben in einem Paper eine Argumentation vorgestellt, die zu einem anderen Ergebnis führt. Die seltsamen Phänomene der Quantenmechanik lassen sich offenbar im Rahmen der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) erklären. Man muss sich nur für einen bestimmten, unorthodoxen Schritt entscheiden.

Albert Einstein gründete die Spezielle Relativitätstheorie auf zwei Postulate. Das erste ist als Galileisches Relativitätsprinzip bekannt und besagt, dass die Physik in jedem Inertialsystem (d.h. einem System, das entweder in Ruhe oder in einer gleichförmig-geradlinigen Bewegung ist) gleich ist. Das zweite Postulat stellte die Forderung nach einer konstanten Lichtgeschwindigkeit in jedem Bezugssystem.

„Einstein hielt das zweite Postulat für entscheidend. In Wirklichkeit ist aber das Relativitätsprinzip entscheidend. Bereits 1910 zeigte Vladimir Ignatowski, dass es nur auf seiner Grundlage möglich ist, alle Phänomene der Speziellen Relativitätstheorie zu rekonstruieren“, sagt Dr. Dragan.

Die Spezielle Relativitätstheorie ermöglicht drei mathematisch korrekte Arten von Lösungen: eine Welt von Teilchen, die sich mit Unterlichtgeschwindigkeit bewegen (normale Teilchen mit Ruhemasse), eine Welt von Teilchen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen (Photonen, ohne Ruhemasse), und eine Welt von Teilchen, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen. Diese dritte Option wurde von der Wissenschaft allerdings immer abgelehnt, da sie nichts mit der Realität zu tun zu haben scheint.

„Wir stellten die Frage: Was passiert, wenn wir – die Wirklichkeit vorerst vernachlässigend – alle Lösungen, auch die überlichtschnellen, ernst nehmen? Wir haben Ursache-Wirkungs-Paradoxa erwartet. Tatsächlich haben wir jedoch genau die Effekte gefunden, die den tiefsten Kern der Quantenmechanik bilden“, sagen Dragan und Ekert.

Zunächst betrachteten beide Theoretiker einen vereinfachten Fall: die Raumzeit mit allen drei Lösungsfamilien, die aber nur aus einer räumlichen und einer zeitlichen Dimension bestehen soll (1+1). Ein in einem Lösungssystem ruhendes Teilchen scheint sich in dem anderen System überlichtschnell (superluminal) zu bewegen, was bedeutet, dass die Superluminosität selbst relativ ist.

In einem so konstruierten Raum-Zeit-Kontinuum treten nicht-deterministische Ereignisse, wie man sie aus der Quantenphysik kennt, auf ganz natürliche Weise auf. Wenn in einem System am Punkt A ein superluminales Teilchen erzeugt wird, das sogar vollständig vorhersagbar ist und in Richtung Punkt B emittiert wird, wo es einfach keine Information über die Gründe für die Emission gibt, dann laufen aus der Sicht des Beobachters im zweiten System die Ereignisse von Punkt B zu Punkt A, sie gehen also von einem völlig unvorhersagbaren Ereignis aus. Es stellt sich heraus, dass ähnliche Effekte auch bei unterlichtschnellen Partikelemissionen auftreten.

Beide Theoretiker zeigen auch, dass nach der Berücksichtigung von superluminalen Lösungen die Bewegung eines Teilchens auf mehreren Bahnen gleichzeitig natürlich erscheint, und eine Beschreibung des Ereignisverlaufs die Einführung einer Summe kombinierter Wahrscheinlichkeitsamplituden erfordert, die auf die Existenz von Zustandsüberlagerungen hinweisen, ein Phänomen, das bisher nur mit der Quantenmechanik in Verbindung gebracht wurde.

Alles wird jedich komplizierter, wenn man auf die bekannte Raumzeit mit drei räumlichen Dimensionen und einer Zeitdimension (3+1) umschaltet, also unsere physikalische Realität. Das Relativitätsprinzip  bleibt dann in seiner ursprünglichen Form nicht erhalten – die unter- und überlichtschnellen Systeme sind unterscheidbar, was sie nicht sein sollten. Dieses Problem verschwindet jedoch, wenn man das Relativitätsprinzip so umformuliert: „Die Fähigkeit, ein Ereignis auf lokale und deterministische Weise zu beschreiben, sollte nicht von der Wahl eines Inertialsystems abhängen.“ Dann entstehen nur noch solche Lösungen, bei denen alle Schlussfolgerungen aus der Betrachtung in der vereinfachten (1+1)-Raumzeit gültig bleiben.

„Wir stellten übrigens die Möglichkeit einer interessanten Interpretation der Rolle der einzelnen Dimensionen fest. In dem System, das für den Beobachter überlichtschnell aussieht, scheinen einige Raum-Zeit-Dimensionen ihre physikalische Rolle zu verändern. Nur eine Dimension des superluminalen Lichts hat einen räumlichen Charakter – diejenige, entlang der sich das Teilchen bewegt. Die anderen drei Dimensionen scheinen sich in Zeitdimensionen zu verwandeln“, sagt Dragan.

Ein charakteristisches Merkmal der räumlichen Dimensionen ist, dass sich ein Teilchen in jede Richtung bewegen oder in Ruhe bleiben kann, während es sich in einer Zeitdimension immer in eine Richtung ausbreitet (im Alltag kennen wir das als „Alterung“). Drei Zeitdimensionen in einem (1+3)-System würden also bedeuten, dass ein darin befindliches Teilchen zwangsläufig dreimal gleichzeitig altert. Von einem unterlichtschnellen System (3+1) aus beobachtet, würde der Alterungsprozess so aussehen, als bewege sich das Teilchen wie eine Kugelwelle, was zu dem berühmten Huygens-Prinzip (jeder Punkt einer Wellenfront kann selbst als Quelle einer neuen Kugelwelle behandelt werden) und zum Korpuskularwellen-Dualismus führt (ein Teilchen kann zwei Wege gleichzeitig nehmen).

„Die ganze Seltsamkeit, die bei der Betrachtung von Lösungen in Bezug auf ein System auftritt, das überlichtschnell aussieht, erweist sich als nicht merkwürdiger als das, was die allgemein akzeptierte und experimentell verifizierte Quantentheorie seit langem sagt. Im Gegenteil, wenn man ein superluminales System berücksichtigt, ist es – zumindest theoretisch – möglich, einige der Postulate der Quantenmechanik aus der speziellen Relativitätstheorie abzuleiten, die normalerweise als nicht aus anderen, grundlegenderen Gründen akzeptiert wurden“, sagt Dr. Dragan.

Seit fast hundert Jahren wartet die Quantenmechanik auf eine tiefere Theorie, um die Natur ihrer geheimnisvollen Phänomene zu erklären. Falls sich die hier vorgetragene Argumentation als richtig erweist, wäre das im Nachhinein wohl ziemlich frustrierend, denn dann wäre die jahrzehntelang angestrebte Theorie schon aus den allerersten Arbeiten zur Quantentheorie bekannt gewesen. Aber nachher ist man natürlich immer schlauer. Der Konflikt zwischen der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenphysik wäre damit auch leider nach wie vor nicht gelöst. Es gäbe nur endlich eine Erklärung, warum die Welt sich auf der Mikroebene so seltsam verhält.

Die Entwicklung der Wahrscheinlichkeiten und die „unmöglichen“ Phänomene der Quantenmechanik könnten ihren Ursprung in der speziellen Relativitätstheorie haben, schlagen Physiker der Universitäten Warschau und Oxford vor. (Bild: FUW)

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BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris, 54, ist Physiker und beschäftigt sich beruflich und privat schon lange mit den spannenden Phänomenen des Alls. So ist er für den redaktionellen Teil eines Weltraum-Magazins verantwortlich und hat mehrere populärwissenschaftliche Bücher über Weltraum-Themen geschrieben. Er wäre gern Astronaut geworden, musste aber aus verschiedenen Gründen auf der Erde bleiben. Ihn fasziniert besonders das „was wäre, wenn“. Sein Ehrgeiz ist es deshalb, spannende Science-Fiction-Geschichten zu erzählen, die genau so passieren könnten – und vielleicht auch irgendwann Realität werden.