28.04.2020

Wenn sich Ursache und Wirkung nicht trennen lassen

Die theoretische Physikerin Yelena Guryanova erforscht im Rahmen eines Zukunftskolleg-Projekts an der ÖAW Ursache und Wirkung in der Quantenwelt. Denn auf der kleinsten Ebene verlaufen die Naturgesetze nach anderen Regeln als gewohnt.

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Wenn ein Osterei vom Tisch fällt und die Schale beim Aufprall auf dem Boden zerbricht, sind Ursache und Wirkung klar zuzuweisen. Sowohl die Alltagserfahrung als auch die klassische Physik sagen, dass jeder Effekt eine Ursache hat. Der zeitliche Ablauf ist klar und unverrückbar vorgegeben. In der dagegen „verrückt“ anmutenden Welt der Quantenphysik ist dieser Verlauf aber weniger fix. Experimente legen nahe, dass es im kleinsten Maßstab nicht immer möglich ist, Ursache und Wirkung so klar zu trennen.

Yelena Guryanova vom Wiener Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) koordiniert das Projekt “Emergenz der kausalen Ordnung in und jenseits der Quantentheorie”, das im Rahmen der vom Wissenschaftsfonds FWF und der ÖAW ins Leben gerufenen Zukunftskollegs gefördert wird. Worum geht es? „Wir versuchen in kleinen Schritten emergente Phänomene in Korrelationstheorien zu verstehen. Dabei analysieren wir unter anderem, welche Wahrscheinlichkeitsverteilungen in Experimenten auftreten können, wenn keine zusätzlichen Annahmen in Bezug auf den Versuchsaufbau gemacht werden. Interessant ist, wenn die Frequenz der Ergebnisse nicht dem Wert entspricht, den wir erwarten würden, wenn eine strikte kausale Struktur vorhanden wäre”, sagt Guryanova.

Theorie gesucht

In der Young Independent Researcher Group der ÖAW, in der Guryanova mitarbeitet, wird versucht, eine mathematische Theorie zu formulieren, die die Wahrscheinlichkeitsverteilungen solcher Versuchsergebnisse erklären soll. “Danach wollen wir sehen, ob wir auf dieser Basis Schlussfolgerungen über die kausale Struktur der Abläufe ziehen können”, sagt Guryanova. Experimentalphysiker/innen haben in den vergangenen Jahren unter anderem in Wien gezeigt, dass eine solche Struktur in Quantensystemen nicht immer eindeutig nachvollziehbar sein muss. Kausalität ist in diesem Fall aber strenger definiert, als im allgemeinen Sprachgebrauch.

Wir sind daran interessiert, die kausale Ordnung auf theoretischer Ebene zu retten

“Korrelationen sind kausal, wenn sie durch eine zeitliche Anordnung der beteiligten Ereignisse beschrieben werden können. Es gibt aber Korrelationen, denen keine zeitliche Ordnung zugewiesen werden kann”, sagt Guryanova. Das heißt nicht, dass das Konzept der Kausalität in der Quantenwelt keine Gültigkeit hat. “Wir sind daran interessiert, die kausale Ordnung auf theoretischer Ebene zu retten”, sagt Guryanova.

Wenn Ursache und Wirkung nicht klar getrennt werden können, hat das auch Implikationen für die Richtung des Zeitpfeils. Im Alltag bewegt sich alles von der Vergangenheit in die Zukunft, die Ursache kommt immer vor der Wirkung. Warum das so ist, ist eine offene Frage. “Die Gleichungen der Quantentheorie sind zeitsymmetrisch. Welche Richtung der Zeitpfeil hat, ist nicht relevant. In der Welt, die unserer Erfahrung zugänglich ist, ist das offensichtlich nicht so. Ein Grund dafür, dass wir die Zeit immer nur in eine Richtung fließen sehen, könnte die zunehmende Entropie sein”, sagt Guryanova.

Ursache, Wirkung, gestern und morgen

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie in einem System zunimmt. Das heißt, dass die nutzbare Energie in einem abgeschlossenen System zunehmend in nicht nutzbare Energie umgewandelt wird. “Der zweite Hauptsatz wurde noch nie verletzt. Kausalität und der Zeitpfeil könnten also mit der Entropie zusammenhängen”, sagt Guryanova. In welchem Umfang das auch für die Quantenwelt gilt, ist eine der Fragen, die die jungen Forscher/innen nun untersuchen wollen.

Wie Kausalität entsteht und warum der Zeitpfeil immer dieselbe Richtung hat, sind Fragen, die sich Wissenschaftler schon im antiken Griechenland gestellt haben.

Wie Kausalität entsteht und warum der Zeitpfeil immer dieselbe Richtung hat, sind Fragen, die sich Wissenschaftler schon im antiken Griechenland gestellt haben. Mit einer schnellen Antwort rechnet Guryanova deshalb nicht: “Das hat noch niemand so wirklich verstanden. Wir gehen kleine Probleme an und versuchen, interessante Strukturen zu finden.” Das Forschungsprojekt ist noch sehr jung, die Wissenschaftler/innen haben ihre Arbeit erst vor kurzem aufgenommen.

Effizientere Computer möglich

Das heißt aber nicht, dass die Arbeit der Physiker/innen keine praktischen Auswirkungen haben könnte. In der Gruppe wird ebenfalls untersucht, ob Prozesse mit undefinierbarer kausaler Ordnung neue Möglichkeiten der Informationsverarbeitung eröffnen könnten. Dazu wird ein neuer Formalismus entwickelt, der sogenannte Prozessmatrizen nutzt, um Berechnungen anzustellen. Sollte sich herausstellen, dass diese Methode Berechnungen erlaubt, die mit klassischen Computern, deren Prozesse immer klar zeitlich strukturiert sind, nicht möglich sind, könnten auf dieser Basis eines Tages neuartige Computer entstehen.

 

AUF EINEN BLICK

Die Zukunftskollegs sind ein Förderprogramm, das FWF und ÖAW gemeinsam entwickelt haben, um  Nachwuchstalenten (Postdocs) in kreativen Teams die fachübergreifende Zusammenarbeit zu ermöglichen. Die einzelnen Zukunftskollegs werden für eine Periode von maximal vier Jahren mit durchschnittlich 1,9 Millionen Euro pro Team aus Mitteln der Nationalstiftung für Forschung, Technologie und Entwicklung und des FWF gefördert. Das Programm startete 2018 und ging heuer bereits in die zweite Runde.

 


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