2.3. Gibt es objektiven Zufall?

0:02 Da ist die Quantenmechanik eben genau gut dafür, weil sie einem genau das liefert. Die hat Zufall eingebaut in ihre Grundpostulate. Das ist radikal anders der Quantentheorie und das ist auch zum Beispiel der Spruch von Einstein Gott würfelt nicht. Was wir wissen ein Podcast des österreichischen Wissenschafts von FWF.

0:46 Hi und willkommen zu einer neuen Folge von was wir wissen. In diesem Podcast nehmen wir euch mit in die Forschung. In jeder Folge versuchen wir ein großes Thema, mithilfe unterschiedlicher Wissenschaftlerinnen zu verstehen. Wir sind Thomas Zauner und Francesca Grantholfo. Das ist die dritte Folge unserer Staffel.

1:03 was wir wissen über den Zufall! Wir haben in der letzten Folge ja eine sehr philosophische Frage aufgemacht Gibt es objektiven Zufalls? Genau Und das führen uns auch schon zu einem meiner Lieblingsthemen: die Quantenphysik. Ich freu mich schon. Wir wollen heute wissen, was ist objektiver Zufall? Wieso ist es wichtig den vom Zufall im Alltag zu unterscheiden und wie kann man den Zufall eigentlich nutzen.

1:24 Ja dann lass uns doch gleich Hör einstatten! Und am besten fangen wir wieder mit einer Definition von Zufällen an. Ich habe für diese Folge mit Markus Müller gesprochen. Er ist theoretischer Physiker am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Wien. dann sehe ich vielleicht in vierzig Prozent der Fälle das eine Ergebnis und sechzig Prozent des andere.

1:48 Dann würde man sagen, dass das erst mal die Wahrscheinlichkeitstheorie das Experiment beschreibt. Und von da versucht man sich eben weiter zu hangeln und weiter zu arbeiten. Man benutzt also Wahrscheinlichkeitstheorie um den Zufall zu beschreiben. Gut! Das klingt jetzt ziemlich ähnlich. zur Definition, wie wir auch von der Wahrscheinlichkehr theoretikerin Savajus in der letzten Folge gehört haben?

2:09 Meine Interviewpartnerin für diese Folge ist die Quantenphysikerin Beatrix Hiesmayr von der Interdisciplinary Transformation University und Universität Wien. Und ihre Definition ist auch recht ähnlich! Aber es hängt nur nicht damit zusammen, ob ich etwas vorher sagen kann – hundertprozentig oder nicht?

2:26 Das ist ja mal so dieser laufe Formulierung. Wenn wir eben hundert prozentig vorhersagen können, dann ist das in der Regel... vorgegeben und nicht zufällig. Wenn wir aber sozusagen nur sagen können, mit fünfzig-fünfzig Prozent oder welcher auch immer etwas passiert und wir von vornherein nichts sagen können bei diesem Event wird es genau so sein dann ist der Zufall im Spiel.".

2:51 Ja ich bin schon sehr gespannt was du mit Beatrix Hiesmayr alles besprochen hast! Ich habe ja im Studium sogar ein paar tolle Vorlesungen bei ihr zur Quantensphysik gemacht. Also alles werden wir heute fix nicht besprechen können, weil ich habe mich fast zwei Stunden mit Hismair unterhalten. Das war wirklich ein extrem spannendes Gespräch in dem wir auch viel gemeinsam philosophiert haben und was sich dabei richtig spannend findet.

3:11 die klassische Physik kennt eigentlich gar keinen richtigen Zufall. also klar Wir können jetzt nicht immer alles hundertprozentig vorhersagen. das haben wir in der letzten Folge schon besprochen wo wir viel über Würfel und Wahrscheinlichkeiten geredet haben. also vielleicht kurz zur Erinnerung an dieser Stelle Würfel haben ja bekanntlich sechs Augenzahlen und wenn man ewig lange würfeln würde, dann würde jede Augenzahl gleich oft vorkommen.

3:33 Also bei circa siebzehn Prozent der Würfe sieht man eine eins, bei noch mal circa sieben Prozent der Würfe sieht ein zwei usw. Wir wissen also wie oft die jeweiligen Augenzahlen ca. vorkomen, wenn man sehr, sehr lange würfelt! Wir können aber nichts über den nächsten Wurf vorher sagen – zumindest in der Praxis.

3:50 Theoretisch könnte man das nämlich schon berechnen…. Wenn ich ganz genau weiß, alle Anfangsbedingungen nennen wir das. Wie ich den Würfel losgelassen habe? Den Luftwiderstand alles runter rum! Wenn ich das im Prinzip alles weiß sollte ich im Prinzip hundertprozentig vorher sagen können welche Augenzahlen rauskommt.

4:09 Das hat jetzt natürlich sehr wenig mit einem Würfelspiel im echten jedem zu tun. Ich stell mir das ca. so vor wenn ich in einem win stillen Labor gefilmt werde wie ich einen Würfel aufhebe und wieder los lasse Und anhand des Videos zum Beispiel messen kann, in welchem Winkel habe ich losgelassen? mit welcher Geschwindigkeit trifft der Würfel auf den Tisch und dann könnte ich theoretisch verhersagen welche Augen zahl' ich Würfler.

4:34 Das ist ja quasi das Gegenteil von Zufall! Richtig die klassische Physik ist deterministisch. also man geht davon aus dass alles vorhersagbar sein würde wenn man Faktoren wie Position und Geschundigkeit aller involvierten Teilchen kennen würde. Die Art von absoluten Zufall, die es in der Krankenwechine gibt, kommt in der klassischen Physik so gesehen eigentlich gar nicht vor.

4:55 Ja und wenn man das wirklich so perfekt berechnen könnte hat das finde ich einen richtigen coolen Namen Laplaceschen Dämon. Weißt du woher der Name kommt? Von Laplace einem französischem Mathematiker und Wissenschaftler im neunzehnten Jahrhundert. Er hatte die Idee, dass man den ganzen Kosmos in die Vergangenheit und in die Zukunft perfekt berechnen könnte wenn man nur die Position und Geschwindigkeit eines jeden Teilchen kennen würde.

5:21 Aber so ein Dämon ist natürlich unmöglich. einerseits weil man so viele Daten einfach nicht messen könnte und ganz grundsätzlich wegen der Quantenmechanik. aber darauf kommen wir eh gleich noch zu sprechen. Okay, also in gewisser Weise ist das ein bisschen so wie mit dem mathematischen Zufall bei einem Kartenspiel.

5:37 Für unseren Alltag hat es wenig Relevanz aber wissenschaftlich ist es ein wichtiges Gedankenexperiment um den Zufalls besser zu verstehen. Genau! Also die wissenschaftliche Grundannahme des laplacschen Dämons ist dass die klassische Physik deterministisch ist. Wir können Sachen theoretisch vorher sagen deshalb sind sie nicht zufällig Ok.

5:55 und jetzt können wir zur Quantenphysik kommen weil hier funktioniert das anders als in der klassischen Physik. Das ist radikal anders in der Quantentheorie und das ist auch zum Beispiel der Spruch von Einstein. Gott würfelt nicht, ihm hat es überhaupt nicht gefallen dass es eben nicht deterministisch auf den Mikro-Level ist das ganze sondern wenn man sich zb ein Lichterchen anschaut und man lässt es auf eine dünne Materie treffen dann können im Prinzip drei Dinge passieren Das Lichtteilchen wird absorbiert vom Material und ist weg.

6:32 Oder es kann reflektiert werden, wie zum Beispiel bei einem Spiegel oder es kann durchgelassen werden. Und nehmen wir mal nur das es durch gelassen wird und reflektieren werden kann kann nicht vorhergesagt werden, was passiert. Es wird eins vom Weiden passiert aber für ein einzelnes Foto kann ich nichts sagen, was passieren wird.

6:52 Ich kann es ja wohl sagen mit welcher Wahrscheinlichkeit eben abhängig von Material beim Spiegelwitz mit hoher Wahrscheinlichität reflektiert werden. Aber ich kann nicht fürs Einzelne Event etwas her sagen. und das war Einstein total zu wieder. Das ist so der quantenmechanische Zufall. Also nochmal kurz heruntergebrochen für die Nicht-Physikerinnen In der Quantenphysik beschäftigen wir uns mit winzigen Teilchen, wie eben zum Beispiel mit Atomen oder Photonen – also Lichtteilchen.

7:19 Wenn wir diese Photonen unter genau den gleichen Bedingungen im Experiment auf eine Fläche wie einen Spiegel schießen, dann können sie reflektiert und durchgelassen werden. Wir können dem Experiment mitzählen und messen, wie oft welches Ergebnis rauskommt. Dadurch können wir auch die Wahrscheinlichkeit für jedes Ergebnis berechnen.

7:36 Aber die Quantenphysik geht davon aus, dass es keine zugrunde liegenden Faktoren gibt mit denen wir vorhersagen können welches der beiden Ergebnisse rauskommt. Also so ein allwissender Dämon ist in der Quantenphysik nicht möglich. um das jetzt kurz mit der klassischen Physik zu vergleichen Wenn ich einen Tennisball auf einem Spiegel werfe dann prallt der Ball entweder ab oder der Spiegl zerbricht Je nach Kraft, Winkel etc.

7:59 könnt dich theoretisch berechnen welches Szenario heraus kommt? also ich nicht aber Ekaterina Sava-Huss vielleicht. Im atomaren und subatomaren Bereich kann ich das aber nicht berechnen. Also wenn wir auf die kleinste physikalische Ebene gehen, verhalten sich Teilchen unterschiedlich – aber wir wissen auf einer grundsätzlichen Ebene nicht warum!

8:19 Als studierter Physiker fehlte da jetzt was in meiner Erklärung Thomas? Eigentlich nicht. dann finde ich gut Wow, das hätte ich mir in der Schule nie gedacht, dass ich mal Quantenphysik erklären kann. Es hängt mich aber trotzdem auch voll aus! Also in Wahrheit beides – es hängt sich aus, dass es in der klassischen Physik quasi keinen Zufall gibt weil wir theoretisch alles berechnen können und nach mehr hängt's mich aus, daß wir in Experimenten beweisen können, dass ist ziemlich sicher keine verborgenen Faktoren gibt die bestimmen wann ein Lichtteilchen abrollt und wann es durch den Spiegel durchgeht.

8:49 Aber die Quanten für Sick wird ja noch viel spookier. Es gibt nämlich auch verschränkte Teilchen und Thomas, ich glaube da musst du mir jetzt gleich helfen weil ein Interview und bisschen Online-Recherche reichen glaube ich nicht um wirklich zu verstehen was das bedeutet in Beatrix Hiesmeyers Worten?

9:05 Ja also es ist super schwierig und es ist ein Begriff der auch erst nach vielen arbeiten, damit es Sinn ergibt. Ich sage mal so typische Weise ein ganzes Jahr lang wo man das definierte hat man schnell eine mathematische Definition. aber was sie dann physikalisch bedeutet ist komplex sowie der Begriff Wirtschaft.

9:28 natürlich kann man Wirtschaft auch in einem Satz erklären aber das trifft nicht alles. also was ich verstanden habe wenn zwei Teilchen verschränkt sind und man Experimente mit ihnen durchführt dann korrelieren die Ergebnisse. Also, obwohl das Verhalten der Teilchen eigentlich zufällig ist sind die Ergebnisse der verschränken Teilchen voneinander abhängig.

9:48 Aber Thomas kannst du erklären wie Teilchen überhaupt in einen verschränkten Zustand kommen? Oder ist es eh einfach so komplex ohne Physikstudium? Puh ich probiere's! Der Punkt ist dass man in der Quantenmechanik ein Teilchen mathematisch mit seinem Zustand beschreibt. und Zustande ist hier nicht einfach irgendein Wort sondern das hat eine ganz genaue mathematische und physikalische Definition.

10:09 Der Zustand beschreibt einfach welche Eigenschaft ein Teilchen hat, wie es sich bewegt wo ist etc. Und bei Verschränkungen ist das Besondere dass zwei Teilchen einen gemeinsamen Zustand haben. Das heißt dass man die involvierten Teilchen nur mit dem gemeinsamen Zustand beschreiben kann und nicht einzulnd.

10:27 Das hat zur Folge dass eine gewisse Masse wie ein zusammenhängendes System funktionieren selbst wenn die beiden Teilchen enorm weit voneinander entfernt sind und man glauben würde dass sie sich gar nicht gegenseitig beeinflussen könnten. Das ist richtig spooky. Voll, also das bringt mich jetzt eh zum nächsten Punkt.

10:43 ein vereinfachtes Beispiel! Zwei Lichtteilchen werden in einem Experiment verschränkt. Jetzt trennt man sie örtlich voneinander und führt wieder das Experiment von vorhin mit dem Spiegel durch. Aber sagen wir dass eine Lichtteilche bleibt hier in Wien Und das andere Lichtteilchens da schicken wir ganz ans andere Ende der Welt zb nach Neuseeland.

11:01 Also die sind wirklich weit weg voneinander. Jetzt wird das Experiment mit dem Spiegel zuerst in Wien durchgeführt und wir können eben gar nichts darüber sagen, ob das Lichtteilchen abprallen oder durchgehen wird. Weil es ist ja absolut der Zufall wie wir vorhin schon festgestellt haben. Sagen wir mal das verschränkte Lichtteilchein in Wien prallt ab.

11:19 jetzt wird das verschränkte Teilchen in Neuseeland auf den Spiege geschossen Und auf einmal können wir schon vorher sagen was passiert. Es wird auch abprahlen weil die Teilchen eben verschränkt sind. Dieser Zusammenhang kann aber auch gegengleich sein. Also es kann auch sein, dass wenn das Teilchen in Wien abprallt, das Teilchein in Neuseeland durchgeht.

11:37 Das hängt davon ab wie die Teilchen verschränkt wurden. Beatrix Hiesmayr hat's mir so erklärt. Der Punkt ist Wenn das eine Teilchen ja sagt, sagt das andere nein. Was bedeutet? Dann ist die Information im Gesamtsystem eindeutig. Weil wenn das eine Ja sagt, zeigt das andere Nein. Aber... ...das einzelne Teilchen gefragt Das sagt völlig zufällig ja oder nein.

12:03 Und das Schlimmste ist, ich kann es nicht nur mit Ja und Nein. Ich kann eben andere Richtungen drehen dazu. Andere Fragestellung. Da ist es auch immer wieder perfekt! Sie sind immer gegengleich... Oder gleich? Das spielt keine Rolle. Aber was bei den einzelnen Teilchen passiert, ist total zufälich. Was ich mich übrigens erst jetzt frage, funktioniert das nur mit zwei Teilchen?

12:29 Ja, das geht auch. Aber es wird dann noch viel komplizierter! Okay... Dann bleiben wir doch einfach mal beim einfachen Beispiel. also Wir wissen, dass experimentelle Ergebnisse von verschränkten Teilchen zusammenhängen. Wir wissen aber nicht wie das funktioniert weil wir können nie das Ergebnis eines einzelnen verschränkten Teilchens verhersagen sondern nur von einem zweiten wo wir schon das Ergebnis des ersten Teilchends kennen.

12:52 und für mich als Laie gibt es jetzt zwei Möglichkeiten Erstens. Die Quantenphysik ist gar nicht zufällig, sondern wir kennen nur die zugrunde liegenden Faktoren nicht – zum Beispiel! Die Teilchen könnten sich ja davor sozusagen ausgemacht haben im Prozess der Verschränkung wie sie auf den Spiegel reagieren werden.

13:09 oder zweitens das erste Teilchen in Wien reagiert zuvällig und dass irgendeinem Grund weiß was das zweite Teilchen an Neuseeland passiert ist und reagiert dann dementsprechend. Das wäre dann aus meiner Sicht Telepartie auch wenn es natürlich kein wissenschaftlicher Begriff ist. Fangen wir noch weitere Möglichkeiten ein, Thomas?

13:26 So leinhaft sind deine Vermutungen gar nicht. Weil auch Physikerinnen haben sich im Grunde sehr ähnliche Möglichkeiten überlegt und die dann experimentell getestet. Das funktioniert ja in der Physik so wie in den meisten experimentellen Wissenschaften. Man stellt eine Theorie auf – und dann versucht man diese Theorie zu widerlegen!

13:42 Wenn man die Theorie nicht wiederlegen kann…. …und die Ergebnisse immer mit den dazugehörigen Annäumen übereinstimmen... ...dann geht man davon aus dass dieser Theorie soweit man weiß stimmt. Genau genommen muss man jetzt hier deine beiden Theorien zusammenfassen zu etwas, das lokale Realismus genannt wird.

13:59 Man kann die beiden Theorie nämlich nicht unabhängig voneinander testen. Lokaler Realismus heißt einerseits dass es verborgernde Faktoren gibt, die das Verhalten der Teilchen bestimmen wie du gesagt hast also daß sie sich die Ergebnisse vor ausgemacht haben. Das würde dann aber eigentlich eine Idee des absoluten Zufalls widersprechen weil das Ergebnis ja schon im Vorhinein ausgemacht wäre zumindest für die Teilchen wenn auch nicht für uns.

14:23 Und andererseits heißt lokaler Realismus, dass diese verborgenen Faktoren zwischen zwei verschränkten Teilchen nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit hin und her kommuniziert werden können. Die Grenze der Lichtgeschwindigkeit kommt aus der Relativitätstheorie von Einstein die sehr gut experimentell belegt ist und sagt das sich nicht schneller as mit Licht ausbreiten kann.

14:43 Wenn du also vom Telepathie sprichst müsste das schneller als mit Lichtgeschwindigkeit passieren. Sehr cleverer Experimente haben eben gezeigt, dass die Annahme des lokalen Realismus nicht hält. Wenn man nämlich so etwas wie das Experiment mit dem Spiegel in Wien und Marseeland ganz genau zeitgleich durchführt kommt trotzdem raus, dass diese Ergebnisse wie vorher erklärt zusammenhängen also gleich oder gegengleich sind.

15:11 wenn die Information über das Ergebnis von einem Experiment zum anderen mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden würde würde die Informationen aber erst ankommen Nachdem du dein Ergebnis schon gemessen hast. Das kann so nicht funktionieren! Diese Erklärung geht jetzt aber nicht in alle Details rein, das ist eigentlich noch viel komplizierter... ...aber wir haben ja leider auch kein ganzer Semester Zeit um es genau aufzudröseln.

15:34 Aber klar ist der lokale Realismus ist wiederlegt. Das ist eigentlich richtig spooky wenn man sich dann anfängt philosophisch darüber Gedanken zu machen was das für unser Verständnis von Realität bedeutet. Wer mehr dazu wissen möchte kann auf YouTube nach Bell-Tests suchen, wie die Glocke auf Englisch.

15:53 Da gibt es viele super Erklärungen zu diesem Thema. Okay Thomas ich muss jetzt ehrlich sagen da steigt mein Kopf aus! Ich hab's mir von mehreren Physikerinnen erklären lassen aber also weiter komme ich einfach nicht mit... Ich komm vielleicht ein bisschen weiter aber ich stecke dann auch aus und so geht das auch vielen Quantenphysikerinnen.

16:12 Also falls es euch beim Zuhören auch so geht keine Sorge es liegt nicht an euch. Das, was wichtig ist sich daraus mitzunehmen, ist aber Folgendes. Wir haben über Jahrhunderte die Gesetze der klassischen Physik erforscht und experimentell bewiesen – also so Sachen wie Schwerkraft! Dann ist vor etwa hundert Jahren auf einmal die Quantenphysik dahergekommen und stellt einfach alles auf den Kopf.

16:32 Zumindest im atomaren und subatomaren Bereich. für die kleinsten Bausteine des Universums, Quantenteilchen gelten nicht die gleichen Regeln wie in der Welt, die wir um uns herum wahrnehmen. Ja das ist ein so spannendes Thema... Denn es gibt ja auch keine klare Grenze bis wohin die Quantenphysik greift und ab wo dann die klassische Physik einsetzt.

16:52 Wir wissen aber, je größer die Masse von einem untersuchten System ist desto weniger ausgeprägt sind die quantenechanischen Effekte und Eigenschaften. Und da gibt es ja ganz viele komische Effekten. nicht nur dass sich die Teilchen absolut zufällig verhalten und der Verschränkung nicht intuitiv erklären können.

17:06 man kann zum Beispiel nicht gleichzeitig mit hoher Präzision den Ort oder Geschwindigkeitreis Teilchen messen. Je genau man die Position misst, desto ungenauer wird die Messung der Geschwindigkeit des Teilchens und auch umgekehrt. Und dann gibt es noch die Überlagerung also das Quantenteilchen Zustände haben können, die eine Mischung aus zwei anderen Zuständen sind quasi gleichzeitig Kopf-und Zahl als Ergebnis eines quantenmechanischen Münzwurfs.

17:31 Das kennen wir ja vom berühmten Gedankenexperiment mit Schrödinger's Katze, die gleichzeitig tot und lebendig ist. Also in der Quantenphysik beworchten wirklich viele Phänomene, die es laut klassischer Physik gar nicht geben dürfte. Danke für diese Ergänzung. Für alle, die da jetzt nicht mitgekommen sind hat Beatrix Hießmeier noch eine schöne Metapher mitgegeben, die es vielleicht ein bisschen greifbarer macht.

17:51 Eigentlich stellen wir uns die Welt so vor wie wir's mit dem Lego kennengelernt haben. Wir haben unsere Bausteine und wenn man den Baustellen kann können wir uns Haus bauen, Schloss bauen also auch immer. eben das Haus besteht aus Einzelteilen Und das sagt quasi dass die Summe der Einzeltheile nicht das ganze ist.

18:09 Das heißt, ich kann mir das Haus nicht vorstellen, bestehend aus Einzelteilen. Weil die Summe dieser Einzeltheile ist nicht das Ganze. Die Information ist im Ganzensystem aber nicht in den einzelnen Blöcken und das ist dieses verwirrende... Ich habe keine bessere Erklärung oder niemand hat eine bessere Ernährung dafür.

18:30 Die Welt scheint so zu sein. Sie ist eben nicht wie mit Lego-Steinen aufgebaut. Ich kann jedes Einzelteil sozusagen zusammengeben und das ergibt mir das Ganze, wie wir es aus dem Alltag gewöhnt sind. Sondern es wird quasi was Neues! Das ganze ist eben nicht die Summe der Einzelteile. Also am Unterlevel habe ich den Zufall aber oben drauf weiß ich alles.

18:56 Also die Quantenphysik widerlegt jetzt nicht die klassische Physik an sich, sondern wir sind halt draufgekommen dass die physikalischen Gesetze auf der Quantenebene anders funktionieren als in der Welt die wir im Alltag beobachten. Auch wenn wir noch nicht wirklich verstehen warum Und das muss man auch gar nicht unbedingt um die Quantenfysik zu nutzen.

19:15 Das habe ich mit meinem Interviewpartner Markus Müller besprochen. Oft ist es so, dass man gerne gute Zufallszahlen hätte. Natürlich kann man jetzt eine Münze werfen und manchmal Kopfzahl finden und dann sieht das irgendwie zufällig aus. Aber die Frage ist ja vielleicht kann jemand anders das besser vorhersagen?

19:32 Wenn demso ist hat man möglicherweise ein Problem. Naja aber haben wir nicht vorhin gesagt nur einen Laplascher-Demon könnte den Münzer vorher sagen. also wenn ich jetzt nicht im Wien still in der Basel sehe wo alles mit Kameras überprüft wird naja Nur ein laplassischer Dämon kennt theoretisch alle Faktoren und Gegebenheiten, um es mit hundertprozentiger Sicherheit vorherzusagen.

19:52 Aber wenn du immer die gleiche Münze wirfst, um eine Zufallsentscheidung zu treffen dann könnte man das schon auch statistisch untersuchen. Vielleicht findet man heraus dass die Münze nicht Wahrscheinlichkeiten von fünftig-fünfzig hat sondern sechzigvierzig für Kopf und Zahl. Dann wäre der Münzwurf nicht mehr so zufällig wie man ihn eigentlich gern hätte.

20:11 Und das kann ein Problem sein. Es gibt ja aus den siebziger Jahren Geschichten, wo Leute in Casinos gehen und das Roulette sich angucken und es leicht und uneben halten. Tatsächlich besser vorhersagen können was passiert dass man denken würde damit ein Haufen Geld machen. Also möchte man das ausschließen.

20:30 Pragmatisch. vielleicht möchte man für Verschlüsselungen zum Beispiel Kryptografie und sowas möchte man wirklich zufällige Zufalls zahlen haben. Ich möchte also wirklich, wirklich sicher gehen, so gut es irgendwie geht dass niemand das vorher sagen kann. Und da ist die Quantenmechanik eben genau gut dafür weil sie einem genau das liefert.

20:47 Die hat Zufall eingebaut in ihre Grundpostulate und ihr erlaubt einem dann wie bei diesem Bell-Experiment zum Beispiel Szenarien aufzubauen wo man beweisen kann dass das niemand vorhersagen kann was passiert. Es sei denn der hätte irgendwelche magischen Möglichkeiten. Okay vielleicht bin ich jetzt etwas naiv aber kann ein Computer keine Zufallsign generieren?

21:06 Können schon, aber da reden wir dann von Pseudo-Zufall. Weil das Programm, dass diese Zufallszahlen generiert muss ja auch irgendwie programmiert werden. Hm... Aber wenn ich jetzt zum Beispiel Solitär am Rechnerspiel, was ich übrigens glaube ich das letzte Mal in den Jahrzehntausenden gemacht habe, aber dann ist das Kartendeck ja auch jedes mal anders gemischt?

21:25 Also wie funktioniert es konkret? Warum ist das kein Zufall? Gutes Beispiel mit Solitär! Da ist es wichtig, dass das Kartendeck gut gemisht ist. Wie das Kartendeck dann beim neuen Spiel angeordnet wird das bestimmt ein Algorithmus. Also sagen wir, die Spielkarten werden von eins bis zweiundfünfzig durchnummeriert und dann gibt es einen Algorithmus der diese Spielkarte neu sortiert und diese Reihenfolge durcheinander bringt.

21:47 Das ist quasi eine fixe Formel dafür, die wir am Computer programmieren können. Damit wird das Kartendeck bei jedem Spielanfang immer anders angeordnet. Für dich als Spielerin ist das vom echten Zufall nicht zu unterscheiden weil du willst ja nur Weil du willst hier nur die Zeit vertreiben und brauchst einfach nur ein digitales Kartendec, bei dem man jetzt nicht vorher sagen kann welche Karte als nächstes aufgedeckt wird.

22:10 Aber wenn zum Beispiel eine Programmiererin statt dir spielt dann könnte sie vielleicht drauf kommen nach welchem Prinzip der Algorithmus funktioniert also nach welcher Formel sozusagen das Kartendeck noch angeordnet wird. damit könnt ihr sich voraus sagen welche Karten es nächstes wie wahrscheinlich aufgedekt wird.

22:26 Also ich weiß jetzt nicht Ob das beim Solitär spielen überhaupt wirklich ein Vorteil wäre, aber zum Beispiel beim digitalen Pokern um Geld wäre das schon viel heikler. Da geht es nicht mehr nur um den Zeitvertreib sondern teilweise auch echt viel Geld. Absolut! Manche Menschen verdienen sich ja im Lebensunterhalt durchs Online-Pokern... Aber wenn wir jetzt mal nicht von Kartendecks sprechen?

22:46 Es muss hier schon ziemlich gute Wege geben zufallszahlen oder Codes zu generieren, oder...? Weil zum Beispiel Passwortmanager müssen ja sehr viele zufällige Passwörter erstellen und die sollten dann auf keinen Fall vorhersagbar sein, weil das würde ja den Zweck verfehlen. Absolut! Das Ganze kann natürlich schon noch mal viel gefinklter sein als das was ich vorhin geschrieben habe.

23:06 also kann sich zb der Algorithmus auch auf Daten beziehen die nichts mit dem zu tun haben was erstellt wird. Also einfach ein Programm das am Computer läuft das startet mit einem Art SART sieht oder so, was einfach das Datum ist und die Uhrzeit. Und dann wird eine Funktion immer eingesetzt und gerechnet, gerechnet und gerechnet und dann spuckt es einem Zufallszahlen aus.

23:25 Die sehen noch alle zufällig aus kann auch gewisse Zufallstests machen. Das erfüllt das dann aber im Grunde steht das fest. Das heißt wenn jemand die Regelmäßigkeit drin erkennen könnte, könnte er genau vorhersagen, dass der Computer ein Pseudo-Zufalls zahlen erzeugt und das natürlichen Sicherheitsrisiko gerade.

23:42 wenn man dann Verschlüsseldaten anhand von sowas verschlüsseln würde zum Beispiel, dann wäre das eben nicht so sicher. Und in dem Fall reden wir eben nicht nur von einem laplaceschen Dämon der das nur theoretisch wissen könnte sondern solche Programme können und werden in der Praxis geknackt weil es eben kein echter objektiver Zufall ist sondern eine zugundeliegende Logik hat egal wie schwerkennbar die ist.

24:04 Also sind die Passwörter die mir meinen Passwortmanager generiert doch nicht die sicheste Wahl? Also nach heutigen Sicherheitsstandards ist ein Passortmanager auf jeden Fall die sicherste und auch praktisch der Wahl. Da gibt es ganz viele Mechanismen, die die Sicherheit gewährleisten. Das heißt aber nicht dass sie für immer unknackbar sind.

24:22 Aber aktuell muss man sich als Privatperson eher keine Sorgen machen. Und da gibt es jetzt zwei Zusammenhänge mit der Quantenphysik. Erstens, Quantencomputer. Die könnten manche unserer aktuellen Sicherheitsstandards rasant so Nichte machen. Ah, über Quantencomputer habe ich mich mit Beatrix Hiesmeyer auch unterhalten.

24:39 Also Quantencomputer – das Wichtigste was man mal wissen sollte ist er funktioniert anders als ein klassischer Computer. der nützt nämlich die Quantengesetze aus dass Teilchen im rechts und links gleichzeitig sein können oder Null-und-Eins gleichzeitig sein können. Klassischer Computer ist entweder Null oder Eins Aber ein Quantencomputer kann beides gleichzeitig sein und er kann eben auch diese Verschränkungen haben.

25:04 Das ist das eine Teilchen sozusagen genau weiß, was beim anderen gemessen wurde. Und das ist zum Beispiel, was ein Quantenkomputer ausnützt? Ein klassischer Computer muss einen Schritt nach dem anderen machen und der Quantenkomputer kann sozusagen parallel diese Schritte machen weil er Null-und-Eins gleichzeitig ist.

25:21 oder Algorithmus ist dann so gestaltet dass die richtige Ergebnis wahrscheinlicher wird als die Anderen. Wieder, die Quantentheorie ist eine Wahrscheinlichkeitstheorie. Den Zufall wird man nicht los.". Um das jetzt auf die Kryptografie zurückzubringen stelle ich mir das ca. Sofa wie in einem Heißfilm so Oceans Eleven-mäßig Das dann immer zuerst mal gehörte wie konnte man überhaupt einen Safe ran?

25:45 Da braucht es da natürlich irgendwelche bildgewaltigen Manöver von Räuberinnen Die sich durch ein Netz an Laserstrahlen turnen müssen. Aber wenn sie dann mal zum Safe gekommen sind, war es zumindest früher in den Filmen so dass man einfach einen Zahlenschloss knacken musste um den Safe zu öffnen. Also einfach ist das natürlich nicht aber eine geschickte Räuberin bekommt das in den Filmen zumindest immerhin indem sie ganz vorsichtig am Zahnschluss dreht und quasi hört ob es richtig oder falsch klickt.

26:11 also das wäre jetzt im Vergleich ein Passwortmanager den wir ohne Quantencomputer versuchen zu knackten? Ja und das macht doch was Sinn Weil bei einem Passwort-Manager gibt es auch ganz viele Hürden, bis man mal zum Tresor kommt. Das sind halt dann keine Deserstrahlen sondern digitale Hürde! Und wie würdest du die Filmszene jetzt anpassen um den Quantencomputer darzustellen?

26:31 Ja jetzt wird's ein wenig Will Thomas... Weil das Schloss muss ihr das Gleiche bleiben. Aber das, was sich ändert ist dass die Räuberin nicht langsam eine Zahl des Codes nach der anderen herausfinden muss sondern sie kann quasi zeitgleich alle Zahlen am Schloss ausprobieren und weiß deshalb sehr schnell was da Code is'.

26:49 Also um das filmisch darzustellen brauchen wir zum Heistream noch ein zusätzliches Schaunred dazu. vielleicht so Science Fiction mit Zeitreisen, Paralleluniversen oder einfach eine Portion Magie? Das klingt schon nach einem wilden Film. Aber als Vergleich passt das einigermaßen! Krankenkommuters sind nämlich manchen unserer gängigsten Verschlüsselungsverfahren auf jeden Fall überlegen.

27:12 Ich würde jetzt nicht mit Magie beschreiben, aber du bist ja die Regisseurin dieses Heist-Scifi-Zauberfilms. Wir können die Quantmechanik aber nicht nur nutzen um als Schlösser schneller zu knacken sondern wir können auch ganz neue Hattake-Schlössers damit bauen und aus Grundprinzip davon sind eben echte Zufallszahlen.

27:31 Alle vorherragende Quantentheorie die man macht sind erst mal nicht deterministisch, sondern nur Wahrscheinlichkeiten von Ergebnissen. Ich sag hier steht mein Gerät. das präpariert mir jetzt so einen Zustand von zwei Photon oder von allen Photonur und dann mache ich eine Messung. zum Beispiel schicke ich das durch ein Polarisator und frage ob es klickt oder nicht.

27:51 Die Vorhersage ist immer probabilistisch also außer einen ganz besonderen Spezialfällen Und jetzt je nachdem. Also könnte man das schon direkt nutzen eigentlich um Zufallszahlen zu erzeugen. Dann könnte man noch ein bisschen mehr Paranoid sein und sagen, wer weiß ich denn? Dass der Prolisator das macht was sich will.

28:08 Vielleicht habe ich ihn unter der Hand irgendwo gekauft bei jemandem die mich nicht vertraut oder bei der NSA bestellt. Und jetzt möchte ich trotzdem immer noch irgendwie zertifizierten Zufall haben muss ein bisschen komplizierteren Aufbau machen wie bei diesen Bell-Experimenten aber da schafft man es dann auch.

28:23 Da weiß man einfach egal. also wenn ich alles luste was es in der Welt zu wissen gäbe könnte ich trotzdem nicht vorhersagen Wie genau man aus diesen Zufallszahlen jetzt ein gutes Schloss baut. Das erfordert noch sehr viel mehr Arbeit! Die zufälligen Zahlen sind dann quasi der Schlüssel für das Schloss.

28:42 Wenn die von einer Heckerin nicht vorhergesagt werden können, tut es sich schwerer damit den Schloss zu knacken. Man kann auch die Verschränkung von zwei Teilchen nutzen um einen solchen Schlüssel zwischen zwei Personen zu verteilen. Damit können sie ihre Kommunikation verschlüsseln. Die Nachrichten können dann mit dem gemeinsamen Schlüssel wieder eröffnet werden.

29:05 Bei diesem Verfahren kann man sich dann sicher sein, dass niemand anderes als diese zwei Personen den Schlüssel hat. Wenn der Schlüssel beim Verteilen jemand dazwischen abgefangen hätte würde das aufgrund der Verschränkung nämlich auffallen und dann wirft man den gehackten Schlüssel weg und macht einen neuen.

29:22 Aber das genau zu erklären wäre jetzt ein bisschen zu kompliziert. Ah ja, das würde jetzt ein bisschen zu kompliziert, Thomas. Okay! Ich finde, dass war alles schon ziemlich kompliziert. Deshalb muss ich das noch mal kurz als Heistfilm übersetzen und so schauen ob ich es eh verstanden habe. Also Version eins war ja ein Raub mit konventionellem Safe und einer Räuberin, die viel Expertise und Wissen hat.

29:43 Und dadurch mit einem wenig Glück den Safe knacken kann. Klassisches Schloss – klassische Räiberin! Version zwei war ein Raup mit einem konventionellen Safe aber die Räuberin hat Fähigkeiten, die diesen Schloss schwer überlegen sind. Das Knacken ist quasi ein Kinderspiel. Kassisches Schloss, aber Quantenräuberin.

30:01 Jetzt haben wir noch Version drei in der das Schloss eigentlich nicht geknackt werden kann weil der Schlüssel auf absolutem Zufall passiert und nicht auf einem vorherrsagbaren Algorithmus. Das wäre dann Quanten-Schloss und klassische Räuberin! Wie jetzt die Situation Quantenschloss vs Quantenräuberin ausgehen würde, das übersteigt mein Vorstellungsvermögen...

30:21 Ja also ich muss ehrlich sagen klingt ja eigentlich nach einem coolen Film. Als Metaphe funktioniert es auch aber ich glaube jetzt haben wir sie auch schon ausgeretzt. Okay okay, dann bleibt das Drehbuch für Quantenräuberin erstmal in einer Schublade liegen. Ich glaube, wir haben jetzt auch ganz gut klären können wie man den zertifizierten Zufall nutzen kann.

30:39 Aber ich muss schon sagen es fühlt sich irgendwie sehr unbefriedigend an dass wir noch so wenig davon verstehen und darüber wissen. Ja das ist ähnlich wie auch mit der Wahrscheinlichkeitstheorie. Die Quantenphysik ist für wissenschaftliche Verhältnisse noch recht jung. die physikalischen Gesetze der klassischen Physik gibt es zum Beispiel ja schon seit dem siebzehnten Jahrhundert.

30:57 da hatten wir einfach viel mehr Zeit Ideen zu testen, zu verwerfen und zu verbessern. In der Quantenphysik ist es nicht nur eine Frage der Zeit, sondern auch einer Frage der Technologie. Ohne die können wir die Quantenmechanik gar nicht richtig erforschen! Ja und da muss ich jetzt gerade wieder an die Fahre gefolge denken weil da haben wir ja über Moleküle gesprochen.

31:15 ganz kurz zur Erinnerung das sind so winzige kleine Bausteine in unserem Körper die eine Rolle dabei spielen wenn sich unsere DNA verändert also bei Mutationen bis sie verkürzt gesagt hört's gern nochmal rein falls ihr sie noch nicht gehört habt Diese Moleküle könnten wir ja ohne die passende Technologie auch gar nicht erforschen.

31:32 Und jetzt frage ich mich gerade, ist die Quantenphysik auch wirksam in uns Menschen? Ja und nein! Also wir bestehen aus Atomen, die Molekühle bilden... ...und die wiederum sind die Baustellen, aus denen sie bestehen. Die Atom- und Molekül funktionieren mit Quantenmechanik eigentlich. Wenn man in unserem Körper also nur wenige Teilchen auf der kleinsten Ebene erforscht wird dann muss man schon die Quantenmechanik dazu nutzen.

31:58 Aber spezielle Effekte wie Verschränkungen spielen im Körper nach allem, was wir wissen keine Rolle. Im Labor wo wir Verschrankung beobachten passiert das meistens im Vakuum und bei sehr niedrigen Temperaturen. Im Körper ist es einfach zu warm und alles ist zu voll mit Teilchen wie Wasser so dass diese Effekten gar nicht erst auftreten können.

32:17 Die Quanten-Mechanik verwäscht sich sozusagen schnell sobald man viele warme Teilchen auf einem Haufen hat sowie im Körper. Dann regiert wieder die klassische Physik. Aber das heißt, in unserem Körper ist irgendwie gleichzeitig die Quantenphysik und die klassischen Physik wirksam Und auf den ersten Blick passen diese zwei Theorien nicht wirklich zusammen.

32:38 aber Wir können beide Theorienen nachweisen. also irgendwie müssen sie ja gleichzeitig funktionieren können und dazu hat Beatrix Hiesmeier noch einen spannenden Gedanken mit mir geteilt. Wir glauben... Also die meisten Physiker würden unterschreiben. Das heißt aber nicht dass es richtig ist dass die Quantentheorie die fundamentale Theorie ist.

32:56 Wenn sie die fundamentare Theorie isst, dann muss aus ihr die klassische Physik rauskommen weil wir wirklich uns angestrengt haben in den letzten hundert Jahren da wirklich Sie zu widerlegen. das ist natürlich keine Bestätigung des die Theories. man kann eine Theorienie bestätigen man kann sich immer nur wieder legen es könnte jetzt immer noch irgendein Experiment daher kommen und sagen Quantentheorie passt nicht, die meisten würden jubeln.

33:23 Thomas, würdest du auch jubeln? Ja auf jeden Fall! Das wäre eine Riesensensation. In der Wissenschaft freut man sich ja auch wenn man herausfindet dass seine Theorie falsch ist. das ist nämlich auch ein Erkenntnisgewinn. Es gibt ja den Ansatz shut up and calculate. Wir müssen die Quantenphysik nicht so grundlegend philosophisch verstehen um sie zu erforschen.

33:43 Auch ohne dem kann man die Quantenphysik erforsche und für Anwendungen nutzen. Also das ist dann auch ein bisschen die Unterscheidung zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung. Die eine will ja grundlegende Fragen klären, die andere eher Lösungen finden. Ich persönlich fände es sehr unzufriedenstellend an Anwendungen zu forschen ohne eine grundlegenden Erklärung zu haben.

34:03 Und so geht scheinbar auch vielen Physikerinnen laut Hiesmayr Wir wollen eine gute Interpretation haben, eine logische vernünftige Theorie. Es gibt ja zig Interpretations der Quantentheorie und Vertreter von diesen Interpretationen, die eben genau das so stört. Also jeder hat da mit anderen Dingen Schwierigkeiten an diese Interpretationsen, weil man sich schafft die Probleme irgendwo anders hin.

34:27 Aber sie haben dann schlussendlich immer bleibt etwas übrig was sie eben nicht so schön ist. aber manchmal kann man dann leichter mit dem leben als mit was anderem. also ich glaube es ist ein sehr menschliches Bedürfnis das so zu haben. Aber das andere, Dinge zu verstehen so wollen. Ich glaube es ist auch ein urmenschliches und das will man in jedem.

34:48 jeder Forscher möchte. Das sind seine Gebiete natürlich aber jeder hat seine Grenzen. wir Physiker haben unsere Grenzen und auch unsere Modelle funktionieren eigentlich nur bei bestimmten Systemen kleinen systemen gut während Biologen eben komplex oder Mediziner komplexe Menschen vor sich haben. die können unsere Method gar nicht anwenden weil ja mehr unmöglich das zu machen.

35:13 Also deswegen haben die Wissensgebiete verschiedene Methoden, aber ich glaube auch, dass wir jetzt in einer sehr spannenden Zeit leben, wo diese Interdisziplinarität wirklich den Boost geben wird wenn wir diese verschiedenen Sachen schaffen zusammenzubringen.". Das kann ich gut nachvollziehen und ich glaube, dass sich da noch viel Neues finden lässt vor allem Interdisziplinärität.

35:38 Was ich an diesem Thema und auch dieser ganzen Folge extrem spannend finde, es ist alles eigentlich sehr logisch und rational. Aber manche Tatsachen wollen wirklich nur extrem schwer in meinen Kopf hinan. Also ich finde sie leichter Telepathie zu akzeptieren als Quantenphysik. aber eine wirklich spannende Sache hat mir Beatrix Hiesmeier noch erzählt weil die Quantenphysik ist ja so wie die Wahrscheinlichkeitstheorie auch noch sehr jung.

36:01 also meistens wenn man sich die Geschichte anschaut der Wissenschaftler oder der Physik, dann sieht man dass es meistens eine Generation gebraucht hat bis dann sozusagen okay jetzt gibt sowas komisches. Jetzt ok was können wir damit machen? Müssen wir akzeptieren! Oder diese Entwicklungen die wir jetzt haben mit dem Handy, wir können jederzeit mit jedem kommunizieren auf der ganzen Erde egal wo ich meine... Die die jetzt so um die Achtzig sind oder sie haben eine Wahnsinnsentwicklung durchgemacht.

36:31 also da ändern sich die Möglichkeiten und damit auch wie man denkt. Und genauso erhoffen wir das jetzt mit den Quantentechnologien, die wachsen schon auf. Man lernt es schon sehr früh kennen und das Gehirn ist ja umso jünger man ist noch plastischer und passt sich dann dem Ganzen und diesen Möglichkeiten auch an.

36:51 und wer weiß wo denn die neuen Ideen entstehen? Wir können also festhalten wie beide Thomas sind gleichzeitig zu jung und zu alt, um die Quantenphysik zu verstehen. Es gibt sie noch nicht lang genug dass sich das als so generationales Wissen gefestigt hat. aber wir beide sind wahrscheinlich auch schon ein bisschen zu alt als dass unsere Gehirne sich noch an diese Infos anpassen könnten.

37:14 Vielleicht sind wir Schrödinger's Generationen gleichzeitig zu Alt und zu Jung! Ok ich glaube das kennen wir heute nicht mehr toppen es wird Zeit mal abzurunden. mir brummt eh schon der Kopf. Passt Francesca du wolltest ja wissen Was ist objektiver Zufall? Wieso ist es wichtig, den vom Zufallen im Alltag zu unterscheiden und wie kann man denn zufall eigentlich nutzen.

37:37 Oh Mann wieso muss ich heute das Resümee machen? du bist doch der Physiker! Aber gut man soll sich ja challengen. also um zu verstehen was der objektive oder zertifizierte Zufahl ist müssen wir uns noch mal generell die Definition von Zufalls anschauen. Und in der Physik scheint es recht klar zu sein ZufAll ist etwas was man nicht vorhersagen kann.

37:56 Also man weiß vielleicht wie wahrscheinlich etwas ist, aber nicht ob und wann es passieren wird. So einen Zufall gibt es in der klassischen Physik theoretisch nicht! In der Praxis können wir ganz vieles nicht sicher vorhersagen weil uns die richtigen Bedingungen oder Technologien dafür fehlen. Aber wenn man alle relevanten Faktoren kennen würde – wie eben ein Laplaschen Dämon das in der Theorie könnte… dann könnte man eigentlich alles was wir alltäglich an physikalischen Prozessen beobachten vorher sagen Jetzt haben wir im letzten Jahrhundert die Quantenphysik entdeckt und sind draufgekommen, das funktioniert irgendwie anders.

38:28 Soweit wir wissen agieren Quantenteilchen komplett random! Wir kennen keine zugrunde liegende Logik und wir haben auch noch keine relevanten Faktoren entdeckt mit denen man voraussagen könnte wie sich Quantenteils verhalten werden. Das haben wir jetzt als objektiven Zufall beschrieben. Wieso ist es jetzt wichtig, diese zwei Arten von Zufall zu unterscheiden?

38:47 Für unseren Alltag ist es in den allermeisten Fällen egal ob etwas objektiv zufällig ist oder nur subjektiv zufällig weil ich persönlich das Ergebnis nicht vorher sagen kann. Also eben zum Beispiel bei Karten- oder Würfelspielen ist fürs Spielerlebnis egal ob wir jetzt vom Subjektiven oder Objektiven zuversprechen.

39:05 aber wenn es wirklich um was geht, wie zum Beispiel beim Puckern um Geld. Dann ist das natürlich blöd, wenn jemand die zugrunde liegende Logik erkannt hat und so ausnutzen kann! Und das Ganze gilt jetzt eben nicht nur für Spiele sondern auch für ganz andere Anwendungen – wie z.B. beim Verschlüsseln von Nachrichten.

39:20 Da macht es einen riesigen Unterschied ob die Zahlen, die generiert werden, nur subjektiv zufällig sind also auf computergenerierten Pseudo-Zufall passieren oder objektivzufällig. Bei zweiterem kann nämlich wirklich niemand vorhersagen, was die Zahlen sein werden. Okay das war jetzt ganz schön viel, was wir in dieser Folge besprochen haben.

39:41 Lange Zusammenfassung ich hoffe du hast da jetzt nichts mehr hinzuzufügen. Thomas hat alles gestimmt? Ja eine sehr gute Zusammenfassung von einigen sehr komplexen Themen. Da fällt mir nicht weiter dazu an. Super dann sind wir am Ende dieser Folge angekommen. Alles nicht so leicht zu verdauen und so geht es uns ja auch im echten Leben.

40:00 Zufälle oder Schicksalsschläge können einen ja ordentlich aus der Bahn hauen. Warum das so ist, schauen wir uns in zwei Wochen an! Kleiner Spoiler: es wird auch um Harry Potter gehen. Als Zeitvertreib bis zur nächsten Folge kann ich euch aber auch das scilog Magazin des FWF empfehlen, da gibt es ganz viele Geschichten aus der Grundlagenforschung.

40:16 Das findet ihr unter: scilog.fwf.ac.at Den Link dazu gibt es auch in den Shownotes. Und falls ihr Feedback oder Fragen habt: wir freuen uns, wenn ihr euch unter podcast@fwf.ac.at meldet. Oder ihr könnt uns gern auch einfach eine Bewertung hinterlassen und den Podcast mit anderen teilen. Danke euch und Ciao baba!

40:30 Ciao!