Gedankenexperimente: Teleportationen und Zeitreisen

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Von Jan M. Kurz (Initiative Humanismus)

„Beam mich hoch Scotty“, gilt als bekanntester Satz der Star-Trek Geschichte, wenngleich er in diesem Wortlaut niemals von einem der Charaktere verwendet wurde. Nichts desto trotz fand innerhalb kurzer Zeit ein beträchtlicher Anteil unterschiedlicher Science-Fiction Technologien Eingang in die Pop-Kultur. Eine Entwicklung, welche sinnbildlich durch diesen Satz verdeutlicht wird. Neben der altbekannten Teleportation, die ursprünglich schon von Anbeginn in den 60ern von Gene Roddenberry aus produktionstechnischen Gründen erfunden wurde, gibt es noch eine ganze Reihe weiterer faszinierender und allseits beliebter Technologien, die den Reiz der Zukunftsunterhaltung ausmachen. Davon zeugt beispielsweise die unglaubliche Vielzahl an Filmen, deren Handlung auf Zeitreisen basiert. Hier seien stellvertretend die Werke „Zurück in die Zukunft“, „Terminator“, „Planet der Affen“ und „Man in Black 3“ genannt. Sehr vielen Leuten sind nicht zuletzt daher Gedankenspiele wie das Großvater-Paradoxon ein Begriff.

Ein großer Teil des Reizes solcher exotischen Darstellungen von Technologie und Zukunft liegt sicherlich daran, dass es dem Leser oder Zuschauer an dieser Stelle oft schwerfällt, zwischen Wissenschaft und reiner Fiktion zu unterscheiden, was die eigene Fantasie umso mehr befeuert und antreibt. Denn wer würde nicht gerne selbst einmal in die Vergangenheit reisen, um altes Unrecht ungeschehen zu machen oder mit Lichtgeschwindigkeit der Zukunft entgegen rasen, um den Fortschritt und die Zivilisation einer neuen Ära zu erleben? Wie angenehm und aufregend doch das Leben sein könnte, wenn sich manche Gesetze der Physik einfach aus den Angeln heben ließen, aber wer weiß, eventuell ist das gar nicht einmal nötig und es wird eines Tages tatsächlich möglich sein, sich von Bord eines Raumschiffes aus auf einer Planetenoberfläche materialisieren zu lassen? Schließlich unterscheidet sich Sci-Fi durch ein grundlegendes Element von Weltraum-Fantasy: Wissenschaft, dem Grundpfeiler unserer Zivilisation, der unsere Spezies seit nunmehr über 6000 Jahren unheimlich weit vorwärts gebracht hat. Es bleibt die Hoffnung, dass unser Universum weitaus mehr physikalische Tricks und Abenteuer erlaubt, als man bei oberflächlicher Betrachtung annehmen könnte.

Werfen wir also mal einen Blick darauf, was die Erkenntnisse der Naturwissenschaft über die Realisierbarkeit dieser fantastischen Gedankenexperimente besagen und worin sich „Sci“ und „Fi“ laut aktuellem Kenntnisstand wirklich in die Quere kommen. Dabei sollen weniger konkrete technische Umsetzungen erläutert werden, als vielmehr prinzipielle Chancen und Grenzen.

Beginnen wir mit der Teleportation:

So schwierig es zwar auch sein mag sich den Kopf über solch unkonventionelle Transportmethoden wie die Teleportation zu zerbrechen: rein physikalisch spricht schon einmal nichts dagegen, denn die Naturgesetze und das Fundament des Kosmos erlauben sie nicht bloß, sie ermuntern sogar dazu. Diese Erkenntnis ist mit ihrer ersten experimentellen Bestätigung im Jahre 1993 allerding noch recht neu. Um ein Objekt an einem anderen Punkt in Zeit und Raum wiederherstellen zu können, benötigt man natürlich exakte Werte über dessen Zustand. Diese Daten müssen dermaßen präzise sein, dass die Zusammensetzung des Objektes vor der Teleportation bis ins aller letzte Detail bekannt ist um von A nach B übertragen werden zu können. Während dieser Signalübertragung selbst sollte logischerweise ebenfalls keine Information verloren gehen oder durcheinander geraten, denn wer braucht schon eine verkorkste Blaupause? Nun ergibt sich aber für diesen Scan ein unerbittliches Problem: da für eine ideale Genauigkeit die Position und der Impuls einzelner Atome oder Elementarteilchen festgehalten werden müssen, stoßen wir unweigerlich in das Territorium der Quantenphysik und ihrer Eigenheiten vor. Dank der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation, die sich aus dem Welle-Teilchen-Dualismus ergibt, sorgt die Quantenmechanik dafür, dass eine so genaue Messung zum einen immer unvollständig ausfällt und bringt während des Prozesses zusätzlich die Quantenzustände der gescannten Moleküle, Atome und anderen Teilchen in Unordnung. Das führt dann dazu, dass nach der Messung niemals mehr genau klar ist, wie das System vorher im Detail beschaffen war. Als Konsequenz gingen Physiker lange Zeit davon aus, dass die Informationsmenge zur Wiederherstellung eines gemessenen Systems für eine Teleportation prinzipiell nie ausreichen würde. Damit wäre sie völlig unmöglich.

Aber es gibt einen rettenden Ausweg. Das Geheimnis zur Lösung des Dilemmas liegt in einer Eigenschaft der Quantenmechanik namens Quantenverschränkung (engl.: Entanglement). Einfach gesprochen sorgt dieser Effekt dafür, dass zwei Quantenteilchen mehr Informationen mit einander teilen können, als in der klassischen Physik möglich wäre. Dieser spezielle Informationsüberschuss kann tatsächlich gezielt dazu genutzt werden, den obligatorischen Verlust bei der Messung zu kompensieren. Dies gelingt wie folgt: Alice möchte ein Elektron zu Bob teleportieren. Zusätzlich zu dem Elektron das teleportiert werden soll, besitzen Alice und Bob noch ein weiteres verschränktes Paar Elektronen. Alice nimmt nun gleichzeitig eine Messung an dem Teleport-Elektron und an ihrer Hälfte des verschränkten Paares vor. Der Zustand des verschränkten Partners bei Bob ändert sich dabei entsprechend. Sowohl das Elektron, wie auch die verknüpfte Hälfte werden bei dieser sogenannten Bell-Messung unwiderruflich zerstört. Das Ergebnis dieses Scans sendet sie, beispielsweise über einen Laser oder Radiowellen zu Bob. Obwohl die Messung am Teleport-Elektron und ihrer Hälfte nun unvollständig ausgefallen ist und für sich allein keine brauchbare Information enthält, kann Bob die erhaltene Information seiner eigenen Hälfte des verschränkten Elektrons hinzufügen. Bei diesem Prozess wird sich seine Hälfte des Paares in das Teleport-Elektron von Alice verwandeln. Das Elektron, welches ursprünglich bei der Bell-Messung von Alice gemeinsam mit ihrer verknüpften Hälfte zerstört wurde, taucht nun also wieder bei Bob aus dessen Hälfte auf. Mittlerweile gelingt eine solche Teleportation über Distanzen bis ca. 150 km nicht nur mit Elektronen und Photonen, sondern sogar mit einzelnen Atomen. Selbst mit größeren Molekülen, die aus dutzenden oder eventuell gar 100 Atomen bestehen, beispielsweise dem Fußballmolekül Fulleren, sollte dies möglich sein.

Zum Unglück der Star-Trek-Fans ist damit das Ende der Fahnenstange leider nahezu erreicht. Denn Quantenteleportation funktioniert wie der Name bereits besagt ausschließlich bei sehr kleinen Dingen. Eine weitere Eigenheit der Quantentheorie, die sogenannte Dekohärenz sorgt nämlich dafür, dass die unbedingt nötige Verschränkung größerer Objekte auch bei guter Isolierung scheitert und zusätzlich die Messung am Transportobjekt nicht mehr richtig funktioniert. Menschen wird man auf diese Art daher wohl nie transportieren können. Allerdings bietet die Quantenteleportation die Möglichkeit bereits in näherer Zukunft Computerchips und Speicherbausteine auf Quantenbasis zu konstruieren, sodass eines Tages Quantencomputer auch in kompakten Geräten zu finden sein dürften und mit etwas Glück einen Großteil der langsamen Elektrotechnik ersetzen. Der Chiphersteller IBM und amerikanische Geheimdienste sind bereits eifrig mit Forschung und Entwicklung beschäftigt. Sogar ein leistungsstarkes Internet kann durch diese Technologie entwickelt werden. Dieses Internet bräuchte nicht einmal mehr Kabel und Leitungen und könnte sich darum irgendwann auch über verschiedene Planeten des Sonnensystems erstrecken, beispielsweise zum Mars. Absolut abhörsicher und resistent gegen Hackerangriffe wäre es obendrein. Eine zukunftsträchtige Technologie. Anmerkung am Schluss: die Lichtgeschwindigkeit wird bei einer Teleportation niemals überschritten, weil der unvermeidbare Austausch der klassischen Information nur auf konventionellem Weg erfolgen kann, z.B. über Laser oder Radiowellen. Außerdem muss eine Hälfte der verschränkten Teilchen an den gewünschten Endpunkt geliefert werden, was ebenso maximal mit Lichtgeschwindigkeit passieren kann.

Zeitreisen:

Intuitiv könnte man annehmen, dass die Beantwortung der Frage, ob es einfacher sei in die Zukunft oder die Vergangenheit zu reisen ähnlich vage und kompliziert ausfallen wird, wie darauf, an welchem Ort sich denn ein Quantenpartikel vor Beginn einer Messung befinde. Glücklicherweise gelingt uns das in diesem Fall aber wesentlich einfacher. Die klare Ansage lautet: das Bereisen der Zukunft ist gegenüber der Vergangenheit ein Kinderspiel! Wie kommt das?

Die leichteste Art eine Reise in die Zukunft zu unternehmen – und die zugegebenermaßen trivialste Methode – ist, schlicht und ergreifend einfach abzuwarten und nichts zu tun. Bekanntermaßen bringen die Gesetze und Bedingungen unseres Universums den Zeitfluss automatisch mit sich. Dieses definitiv oft zu wenig beachtete, weil sehr unauffällige Phänomen wird in der Physik als Zeitpfeil bezeichnet. Dieser Zeitpfeil setzt sich aus 3 hierarchischen Komponenten zusammen. Die erste ist der psychologische Pfeil. Als subjektive Unterscheidung der Vergangenheit und Zukunft besagt er, dass man sich zwar an vergangene, nicht aber zukünftige Ereignisse erinnern kann. Nummer 2 ist thermodynamischer Natur: die Zukunft ist die Richtung, in welche die Entropie des Universums zunimmt. Systeme in denen ein thermodynamisches Gleichgewicht herrscht, kennen daher weder Zukunft noch Vergangenheit. Zeit ist dort nicht existent. Für dissipative Strukturen wie Lebewesen resultiert daraus letztendlich der psychologische Zeitpfeil. Im „ontologischen Keller“ befindet sich schließlich der kosmische Zeitpfeil. Er bewirkt eine kausale Entropiezunahme durch die Expansion des Universums. Zeit ist somit der Größenzuwachs des Kosmos, mit dem sein Gehalt an geordneter, hochwertiger Energie abnimmt und sein (nicht einsehbarer) Informationsgehalt, die Entropie zunimmt. Daher kann man auch sagen, die Zeit fließt in die Richtung, in der das Universum abkühlt.

Wenn man von Reisen in die Zukunft spricht, meint man aber in aller Regel nicht diese langsame, universelle Methode, sondern einen Trick, den Albert Einsteins berühmte Relativitätstheorie mit sich bringt. Er lässt sich auf zwei Arten ausnutzen. Eine Möglichkeit ist, sich mit sehr hoher Geschwindigkeit im interstellaren Raum fortzubewegen, beispielsweise einem Raumschiff. Je näher an der Lichtgeschwindigkeit man sich bewegt, desto langsamer vergeht die Zeit im bewegten Bezugssystem. Bei 99,96% der Lichtgeschwindigkeit beträgt der Faktor 3,4. Nach einer 20 jährigen Reise in diesem Tempo wären auf der Erde bereits 68 Jahre vergangen. Das Zwillings-Paradoxon der beiden 20 jährigen Brüder dürfte vielen Lesern ein Begriff sein. Wenn es in Zukunft gelänge, über technische Nutzung des neu entdeckten Higgs-Bosons die Masse eines Raumschiffes mit Hilfe des Higgs-Mechanismus drastisch zu reduzieren und eine geeignete Energiequelle wie Kernfusion zur Verfügung stünde, ließen sich solche Zeitreisen tatsächlich realisieren. Alternativ kann auch ein Aufenthalt in den starken Schwerefeldern massereicher Körper den individuellen Zeitfluss stark beeinflussen. Mit einem Raumschiff könnte man beispielsweise einige Zeit lang einen Neutronenstern oder gar ein schwarzes Loch umkreisen. Bei der Rückkehr zur Erde wäre ebenso wesentlich mehr Zeit vergangen, als im Bezugssystem des Raumschiffes der Fall war. Für eine praktische Durchführung bietet sich jedoch die erste Methode besser an.

Viel schwieriger wird es jedoch, wenn wir gegen den Zeitpfeil anschwimmen und einen Abstecher in die Vergangenheit unternehmen wollen. Um das zu erreichen sind schwere Bandagen nötig und die wenigen erfolgreichen Experimente zeigen bereits sehr enge Grenzen der Machbarkeit auf.

Zwar erlaubt die Relativitätstheorie Sprünge in die Vergangenheit ebenso wie in die Zukunft, die praktische Durchführung erscheint im Gegensatz zu letzteren allerdings sehr schwierig. Um in die Vergangenheit zu reisen benötigt man leider wesentlich mehr als einen DeLorean DMC-12 und einen Bleifuß. Die derzeit einzig bekannte Möglichkeit ein makroskopisches Objekt in die Vergangenheit zu befördern beinhaltet die Nutzung sogenannter geschlossener Zeitschleifen, welche in großem Maßstab nur durch exotische Objekte wie schnell rotierende schwarzer Löcher oder speziell konfigurierte stellare Staubwolken erschaffen werden könnten. Zudem treten bei einem Eintritt in die Vergangenheit einige Kontradiktionen auf (vgl. mit WB: Zeitreisen aus Sicht eines Physikers): angenommen der Zeitreisende führt in der Vergangenheit eine Handlung aus, welche seine eigene Existenz verhindert, indem er seine Eltern tötet. Dann wird er in der Zukunft nicht existieren können, sodass die Zeitreise nicht zustande kommt. Wenn die Reise sich nie ereignet kann er seine Eltern nicht umbringen und die Reise doch unternehmen und so weiter ad infinitum. Man spricht hier von einer Konsistenz-Paradoxie. Das zweite Problem sind Bootstrap-Paradoxien: wenn der Zeitreisende eine bestimmte Information in die Vergangenheit befördert, beispielsweise ein Kunstwerk oder Schriftstück, kann es passieren, dass eine Person dort anschließend dafür sorgt, dass diese in die Zukunft gelangt und dann vom Reisenden wieder in die Vergangenheit zurück gebracht wird. Das Problem: letztlich hat niemand dieses Gedicht, das Kunstwerk, die wissenschaftliche Theorie zu keinem Zeitpunkt je erschaffen. Wie kann sie also überhaupt existieren? Beide Paradoxa können sich während der Zeitreise sogar vermischen.

Diese logischen Widersprüche legen nahe, dass Ausflüge in vergangene Zeiten entweder völlig unmöglich sind und von den Naturgesetzen generell nicht zugelassen werden, oder dass solche Reisen zwar durchführbar sind, aber aufgrund eines Selbstkonsistenz-Prinzips der normalen Kausalität niemals schaden können. Weil alle Probleme dieses schwierigen Gedankenexperiments auf dem Transport physikalischer Information und deren Interaktion untereinander beruhen, ist dies ein idealer Untersuchungsgegenstand für die Quanteninformationstheorie. In einem neuen und hochkomplexen Experiment aus 2009 nutzte eine Gruppe von Wissenschaftlern um Seth Lloyd und Aephraim Steinberg ihre Erkenntnisse aus der Entwicklung von Quantencomputern um mit Hilfe eines Quantenschaltkreises eine geschlossene Zeitschleife im Labor zu simulieren und einzelne Photonen (Lichtquanten) damit in die Vergangenheit zu teleportieren. In dem Versuch wurden beide essentiellen Paradoxa aufgeklärt und die Existenz des von Stephen Hawking postulierten Selbstkonsistenz-Prinzips auf quantenmechanischer Grundlage erhärtet.

Bei dem Experiment wurde ein Photon einige Sekundenbruchteile in die Vergangenheit teleportiert. Die schaltkreisähnliche Vorrichtung wurde dabei so gesteuert, dass das Photon aus der Zukunft sein alter ego der Vergangenheit durch Wechselwirkung treffen sollte und dabei zerstören würde, ähnlich dem Großvater-Paradoxon. Während der Teleportation, also quasi beim Betätigen der Zeitmaschine verstarben in der Tat unzählige Lichtteilchen der Gegenwart. Dem zeitreisenden Photon gelang es jedoch niemals, sein früheres Ich zu zerstören und damit eine Kausalitätsverletzung zu produzieren. Das Photon betrat die Zeitschleife, durchlebte dabei einen Flug in die Vergangenheit und wurde dabei mit einer sogenannten Photonenkanone auf sich selbst ausgerichtet, um es zu zerstören oder zumindest abzulenken und am Betreten der Zeitkurve zu hindern. Aber egal wie genau man es ins Visier nahm, weder die Zerstörung noch das aus der Bahn werfen gelang. Denn immer wenn die Kanone so eingestellt wurde, dass die Selbstzerstörung garantiert war, klappte die Teleportation nicht mehr und eine zeitreise fand nie statt. Die Zeitmaschine ging in dem Moment quasi kaputt, sodass eine Zerstörung unmöglich wurde. Sofern nur eine Auslenkung erwirkt werden sollte, gelang der Transfer in die Vergangenheit zwar, aber eine winzige Quantenfluktuation schob die „alte“ Version des Photons immer aus dem Weg, sodass es nicht abgelenkt wurde und die Zeitschleife traf. Weder Konsistenz- noch Bootstrap-Paradoxien traten auf diese Weise auf. Beide Antinomien wurden vom Quantenzufall und Quantenverknüpfung erfolgreich verhindert.

Zwar ist es äußerst unwahrscheinlich, dass sich jemals größere Objekte als Quanten in die Vergangenheit befördern lassen werden, aber zumindest müsste man sich falls doch keine Sorgen darüber machen den Lauf der Geschichte zu verändern oder seine eigene Existenz zu vermasseln, weil der Zeitreisende nach der Teleportation in die Vergangenheit per Quantenverschränkung nach wie vor mit der eigentlichen Gegenwart in Kontakt steht. Normalerweise ist die Zukunft des Universums dank des intrinsischen Zufalls nicht determiniert, die Vergangenheit aber schon. Nach dem Zeitsprung sieht das anders aus. Da sich alles bereits ereignet hat, wird vom Quantenzufall genau die Bahn der Ereignisse erzwungen, die auch ohne Zeitreise passiert wären. Die Quantenphysik unterscheidet zwischen dem, was geschehen könnte, und dem, was geschehen ist. Reist man mithilfe der Quantenphysik in die eigene Vergangenheit zurück, sieht man nur, was konsistent ist mit der Welt, aus der man kommt.

J.M.K, 30.08.2014

 

Quellenverzeichnis:

 

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Eine Antwort auf Gedankenexperimente: Teleportationen und Zeitreisen

  1. Wilfried Müller sagt:

    Interessantes Thema. Weil es auf der völlig unanschaulichen Wunderwelt der Quanten- und Relativitätseffekte beruht, ist es für Nichtfachleute kaum möglich, Realität und Spekulatius auseinanderzuhalten.

    Mit der experimentellen Bestätigung 1993 sind wahrscheinlich die Experimente von Anton Zeilinger gemeint. Für konkrete Information siehe Einsteins Spuk, wo auch klar wird: Es gibt keine Teleportation von Materie, sondern nur von Information. Die Zeitreise von Materie zur eigenen Vergangenheit dürfte genauso illusorisch sein (wie es der Artikel ja auch sagt für "größere Objekte als Quanten"). Zeilinger redet von Zeitreise der Information, was aber auch auf die geschilderten Probleme führt. Wenn ein Photon in "seine eigene Vergangenheit" geschickt wird, dann düfte der Zeitbegriff dabei quantenmechanisch definiert sein und kaum was mit dem Alltag zu tun haben.

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