Hintergrundinformationen

Video: Rätselhafte Quantenwelt: Quantenverschränkung - Das Phänomen der Nichtlokalität

Eine neuartige Quelle von verschränkten Lichtteilchen haben Wiener PhysikerInnen um Philip Walther und Anton Zeilinger entwickelt. Diese erlaubt es erstmals nachzuweisen, dass ein verschränkter Zustand vorliegt, ohne diesen zu messen.

Verschränkung ist eine Eigenschaft der Quantenmechanik, die kaum mit dem alltäglichen, makroskopischen Verständnis der Welt vereinbar ist und kein Gegenstück in der klassischen Physik besitzt. Sind zwei Lichtteilchen (Photonen) miteinander verschränkt, so bleiben sie über beliebige Distanzen verbunden. Führt man eine Messung, z.B. des Polarisationszustandes, an einem der beiden Teilchen durch, so ändert sich auf “spukhafte Weise” auch der Zustand des anderen Teilchens.

Für die Realisierung von auf Verschränkung basierenden Technologien, wie optischen Quantennetzwerken und photonischen Quantencomputern, ist diese wissenschaftliche Arbeit der Wiener PhysikerInnen ein wichtiger Schritt.

Bisher hatte die Standardquelle für verschränkte Photonen einen entscheidenden Nachteil: Der Emissionszeitpunkt war unbekannt und es ließ sich damit nicht feststellen, wann die Teilchen die Quelle verlassen. Diese spontane Emission der Teilchenpaare führte zu diversen Problemen bei experimentellen Realisierungen. Möchte man z.B. einen Quantencomputer auf der Basis von Photonen bauen, hieße das, dass man nicht genau weiß, wann die sogenannten Quantenbits, in diesem Fall in Form von Photonen, vorhanden sind. In der Praxis bedeutet dies, dass nach jedem vermuteten Rechenschritt Photonen gemessen werden müssen, um festzustellen, ob dieser erfolgreich war.

Die von Wiener ForscherInnen realisierte Quelle von verschränkten Photonenpaaren, bei der die Emission der Paare angekündigt wird, macht eine Messung zur Anwesenheit der Teilchen überflüssig und ermöglicht eine Erweiterung des derzeitigen optischen Quantencomputers. Das Konzept dieser Quelle basiert auf zusätzlichen Hilfsteilchen, deren Messung eine Aussage über den Zustand der verbleibenden Teilchen ermöglicht. Im konkreten Fall des Wiener Experiments präparieren die ForscherInnen sechs Photonen in einem speziellen quantenmechanischen Zustand. Misst man nun vier dieser Photonen in einer festgelegten Konfiguration, so befinden sich die übrigen beiden Photonen in einem verschränkten Zustand. “Vier gleichzeitige Detektorklicks der vier Hilfsphotonen signalisieren also die Aussendung eines Paares verschränkter Photonen”, erklärt die am Experiment beteiligte Physikerin Stefanie Barz.

Neben der fundamentalen Bedeutung von verschränkten Systemen, liefern diese auch vollkommen neue Ansätze zur Informationsverarbeitung und zur abhörsicheren Kommunikation unter Ausnutzung von quantenmechanischen Prinzipien. Verschränkte Photonen bilden daher seit vielen Jahren einen Ausgangspunkt für zahlreiche Grundlagenexperimente zur Quantenmechanik und sind die Basis für experimentelle Realisierungen von Konzepten zur Quanteninformationsverarbeitung. So wurden bereits einfache Quantencomputer realisiert, die die Gesetze der Quantenmechanik ausnutzen, um eine schnellere und sicherere Informationsverarbeitung zu ermöglichen. (Quelle: idw)

Mit der weltweit ersten vollständigen Sequenzierung eines Braunalgengenoms gelang ein großer Sprung, um die Evolution für höheres Leben zu verstehen - Vielzelligkeit und Photosynthese.

Wie die international renommierte Fachzeitschrift “Nature” in ihrer aktuellen Ausgabe berichtet, entschlüsselten rund 100 Wissenschaftler und Techniker die Gesamtheit aller vererbbaren Informationen (Genom). Dabei haben sie ungefähr 214 Millionen Basenpaare analysiert und diese etwa 16.000 Genen zuordnen können. Die Biologen Dr. Klaus Valentin und Dr. Bank Beszteri vom Alfred-Wegener-Institut waren an dem Kooperationsprojekt beteiligt.
„Als Evolutionsforscher interessiert uns vor allem, warum sich die Welt so entwickelt hat, wie wir sie heute kennen“, erläutert Klaus Valentin. „Im Laufe der Erdgeschichte hat sich aus Einzellern fünfmal unabhängig voneinander komplexes vielzelliges Leben entwickelt. Aus diesen fünf Linien sind die Tiere, die Pflanzen, die Pilze, die Rotalgen und die Braunalgen unabhängig voneinander entstanden.“ Evolutionsforscher haben sich deshalb das Ziel gesetzt, aus jeder dieser Gruppen jeweils ein Genom vollständig zu entschlüsseln und nach vergleichbaren Erbinformationen zu suchen. „Für ein Braunalgengenom ist dieses Ziel nun erreicht. Die Entschlüsselung eines Rotalgengenoms ist bereits beendet, an der Auswertung arbeiten wir im Moment“, erläutert Valentin die weiteren Perspektiven vergleichender Genomforschung. „Solche Gene kommen auch bei Landpflanzen häufig vor, und wir vermuten, dass sie für die Entstehung vielzelliger Organismen eine große Bedeutung besitzen.“
Die Sequenzierung des Braunalgengenoms ist ein Meilenstein, um die Evolution der Photosysnthese zu rekonstruieren. „Wir wissen mittlerweile, dass die Photosynthese vor ca. 3,8 Milliarden Jahren von Cyanobakterien erfunden wurde“, erklärt Valentin den Ursprung dieser zentralen Fähigkeit pflanzlicher Organismen, Sonnenlicht in biologisch verwertbare Energie umzuwandeln und dabei Sauerstoff freizusetzen. „Grün- und Rotalgen konnten diese Fähigkeit entwickeln, nachdem ihre Vorfahren lebende Cyanobakterien in sich aufgenommen und die Photosynthese damit gewissermaßen gekapert haben - zum Vorteil beider Seiten, denn diese Symbiose brachte im Urmeer enorme Konkurrenzvorteile.“
„Interessanterweise“, sagt Klaus Valentin, „haben wir in Braunalgen einen hohen Anteil von Genen gefunden, die charakteristisch für Grünalgen sind, darunter auch für vielzellige Landpflanzen typischen Gene. Wie weit wir hier auf die Spur gemeinsamer Ursprünge vielzelligen Lebens gestoßen sind, müssen nun weitere Untersuchungen zeigen.“
„Vor dem Hintergrund des Klimawandels interessiert uns nun, wie anpassungstolerant Braunalgen an UV-Licht und steigende Temperaturen sind, wie gut sie sich also auf veränderte Lebensbedingungen einstellen können“, nennt Klaus Valentin weitere Aspekte der Forschung im Alfred-Wegener-Institut. „Die Vielfalt ihrer Stoffwechseleigenschaften ist enorm, aber kaum erforscht. Wenn wir die Fähigkeiten, die in ihrem Erbgut enthalten sind, besser kennen lernen, könnten sich daraus auch Ansatzpunkte für neue Produkte und Technologien ergeben.“ Quelle: idw; Foto:U.Schilling

Leben ist gekennzeichnet durch die prinzipielle Unvorhersagbarkeit des Verhaltens. Die Flugbahn eines Steins kann man vorhersagen. Für die Bahn des Vogelflugs gilt das nicht. Doch die Welt toter Materie ist im Kleinen ungeahnt lebendig.

Die Unterschiede zwischen der Welt im Großen und jener in den Dimensionen von Atomen oder kleiner können an einem Beispiel verdeutlicht werden. Ein Pendel der klassischen Physik, wie das Pendel einer alten mechanischen Uhr, hängt für alle Zeiten regungslos senkrecht herunter, wenn die Uhr nicht aufgezogen wird. Nicht so das Pendel von atomarer Größe. Denn in dieser Größenordnung gelten die Gesetze der Quantenmechanik. Danach ist das Pendel immer in Unruhe. Es fluktuiert um die Ruhelage herum, befindet sich jedoch nie exakt an deren Position. Unter Fluktuation versteht man hier eine permanente und zufällige Veränderung des Zustands oder der Lage, sodass man nie genau sagen kann, welche Auslenkung es gerade hat.

Es war kein Geringerer als der Physiker Werner Heisenberg (1901 – 1976), der diesen Umstand im Zusammenhang mit sogenannten Doppelspaltexperimenten entdeckte. In der Wissenschaft ist seine Entdeckung unter dem Namen Unschärferelation bekannt. Heisenberg bekam dafür im Jahr 1932 den Nobelpreis.

Ist Materie beseelt?

Eine der Aussagen der Unschärferelation ist es, dass kein Teilchen einen bestimmten Ort und eine bestimmte Geschwindigkeit gleichzeitig besitzen kann. Würde sich demnach das Pendel am Ort der Ruhelage befinden, könnte es nicht gleichzeitig die Geschwindigkeit null haben. Hätte es andererseits die Geschwindigkeit null, könnte es nicht gleichzeitig am Ort der Ruhelage sein. Die Konsequenz ist, dass das quantenmechanische Pendel weder an einem genau bestimmten Ort zu finden ist, noch eine genau bestimmte Geschwindigkeit besitzt. Es fluktuiert einfach um den Ort der Ruhelage herum und das für alle Ewigkeit. Niemals ist es in Ruhe. Sein Verhalten ist genauso unvorhersagbar, wie man es von etwas Lebendigem gewohnt ist. Kann man daraus auf eine Art Beseeltheit der Materie und der Naturkräfte schließen? weiter…

Video: How Do Your Superstitions Get Started? (Wie dein Aberglaube anfängt).

In der Antike wohnte Zeus, der mächtigste Gott der Griechen, auf dem Olymp. Heutige Neurowissenschaftler haben dagegen einen obersten Lenker im Hippocampus des menschlichen Gehirns aufgespürt. Haben sie die Wurzeln des Glaubens gefunden?

Ins Grübeln kamen die Forscher schon vor Jahrzehnten, als der US-amerikanische Psychologe Burrhus F. Skinner seine Untersuchungen zur Entstehung des Aberglaubens Ende der 1940er Jahre durchführte und veröffentlichte. Laut der Fachzeitschrift „Monitor on Psychology” ist Skinner der bedeutendste Psychologe des 20. Jahrhunderts.

Die Psychologie versteht unter Aberglauben keineswegs eine von den Dogmen der Kirche abweichende Glaubensform. Vielmehr gilt ein irrationales Regelwissen, das sich nicht objektiv bestätigen lässt, als Aberglaube. Irrationale Verhaltensformen zählen ebenfalls dazu. Zum Aberglauben gehört, dass Menschen an einem Freitag, den 13. nicht aus dem Haus gehen wollen, damit ihnen kein Unglück passiert oder dass sie glauben, ein persönlicher Talisman sei ursächlich für ihr Glück.

Aberglaube und Glaube hängen eng zusammen. Unter Glauben im nichtreligiösen Sinn versteht man, dass ein Sachverhalt hypothetisch für wahr gehalten wird. Das lässt im Gegensatz zum Aberglauben die Möglichkeit des Irrtums zu, ganz nach dem Motto: »Es könnte auch anders sein«. Glauben im religiösen Sinn lässt dagegen nicht zu, dass es auch anders sein könnte. Insofern gleichen religiös motivierter Glaube und die daraus folgenden Verhaltensformen dem unbestätigten Regelwissen, das in den nächsten Abschnitten näher beleuchtet wird. weiter…

Vor 2400 Jahren hielt der Philosoph Platon die Welt um uns her für eine Illusion. Wir würden wie die Gefangenen in seinem berühmten Höhlengleichnis nur die Schatten der wahren Welt sehen. Aber zu welchem Ergebnis kommt die moderne Quantenphysik?

Ist es die reale Welt, die wir sehen?

Als Erwin Schrödinger, einer der Väter der Quantenphysik, im Jahr 1926 die nach ihm benannte Wellengleichung aufstellte, änderte sich das Bild, das sich die Physiker von der Welt machten. Vorher funktionierte die Welt nach den herrschenden Modellvorstellungen ähnlich wie ein mechanisches Uhrwerk, nachher glich sie einem Meer, in dem der reine Zufall das Wasser zu Wellen formt.

Die Wellengleichung beschreibt Materie als Wellen. Wellen können sich neben anderen Eigenschaften auch überlagern. Das bedeutet, dass beispielsweise eine Katze, die durch eine Wellengleichung beschrieben wird, gleichzeitig tot und lebendig sein kann (bekannt als »Schrödingers Katze«). Eine Zombie-Katze, die halb tot und halb lebendig ist, erscheint als kein Wesen der Realität und so sah man zunächst die Wellengleichung als einen rein mathematischen Formalismus an, der nur dazu dienen sollte, Beobachtungsergebnisse über das Verhalten der kleinsten Bausteine unseres Universums, den Quanten, vorhersagen.

Gott würfelt nicht.

Die Vorhersagedaten für einzelne Atome, Moleküle, Elektronen oder Lichtteilchen waren zudem keine exakten Werte, sondern stellten nur die Wahrscheinlichkeit dar, ein bestimmtes Ergebnis zu erhalten. So, als wenn man vor dem Wurf einer Münze vorhersagen würde, dass diese mit 50 % Wahrscheinlichkeit auf der Zahlseite zum Liegen käme. Das tatsächliche Ergebnis ließ sich auf diese Weise nicht vorausberechnen. Das wirkte wie ein Schlag auf die Köpfe der Physiker. Sollte etwa der reine Zufall in die Physik Einzug halten? Dass es andererseits keinen Zweifel an der Richtigkeit der Vorhersagen der Schrödingergleichung gibt, beweist heutzutage die Existenz von Handys, DVD-Playern und Scannerkassen im Supermarkt. Denn ohne Schrödingers Wellengleichung gäbe es das alles nicht.

Der Ausspruch »Gott würfelt nicht!« wird Albert Einstein zugeschrieben. Er wollte es nicht wahrhaben, dass Wellen und der Zufall in der Welt des Kleinsten regieren und er wehrte sich vehement gegen die Vorstellung, den Wahrscheinlichkeitswellen in den Formeln der Quantenphysik eine physikalische Realität zuzugestehen. Genauso wie er, verneinten viele Physiker seiner Zeit die Existenz einer physikalischen Realität für Schrödingers Wahrscheinlichkeitswellen. Einzig den vorhergesagten Messwerten wurde Realität zugestanden.

Das Kriterium, das zwischen Realität und Illusion unterscheidet.

Um seine Sicht der Dinge abzusichern, stellte Einstein zusammen mit den Physikern Podolski und Rosen im Jahr 1935 ein Kriterium auf, mit dem entschieden werden kann, wann ein Element der physikalischen Realität existiert: das EPR-Realitätskriterium. Danach existiert sinngemäß dann ein Objekt der physikalischen Realität, wenn sich seine physikalischen Größen mit Sicherheit, also 100%-Wahrscheinlichkeit, voraussagen lassen, ohne das Objekt selbst manipulieren zu müssen. Beispielsweise kann die Astronomie die Stellung des Mondes am Nachthimmel mit Sicherheit voraussagen, ohne dass eine amerikanische Mondmission den Mond in die vorausgesagte Stellung schieben müsste. Deshalb ist der Mond nach dem EPR-Realitätskriterium ein Objekt der physikalischen Realität und nicht der Illusion oder sogar der Wahnvorstellung irrer Menschen.

Einstein war zweifellos gewitzt, als er das EPR-Kriterium zusammen mit seinen Physikerkollegen veröffentlichte, denn er wusste genau, dass Schrödingers Wellengleichung im Regelfall keine Wahrscheinlichkeitswerte von 100% für die zu messenden Elemente und Größen voraussagte. So konnte er beruhigt davon ausgehen, dass nach seinem Kriterium die in die Schrödingergleichung eingehenden Elemente keine physikalische Realität besäßen. Die uhrwerkartig funktionierende Welt sah er als gerettet an. Seiner Meinung nach war die quantenphysikalische Beschreibung unvollständig. Es sei nur nötig die »verborgenen Variablen« zu entdecken, welche vorhanden sein mussten. Er glaubte, die Welt sei durch diese verborgenen Variablen deterministisch gesteuert.

Ein Paradoxon beweist die Realität.

Einstein konnte aus dem Grund auch nicht glauben, dass es so etwas gäbe, was er als »Spukhafte Fernwirkung« abqualifizierte. Allein die Dinge entwickelten sich dramatischer, als er sich vorstellen konnte. Denn mithilfe bestimmter optischer Kristalle lassen sich heute sogenannte verschränkte Photonenpaare erzeugen, die auf eine unerklärliche Weise miteinander verbunden sind, auch wenn die Photonen in entgegengesetzte Richtungen abstrahlen und womöglich erst gemessen werden, nachdem sie makroskopische Distanzen zurückgelegt haben. Die Messung der Eigenschaft eines der Photonen führt dazu, dass das zweite Photon augenblicklich einen komplementären Zustand annimmt. Wenn beispielsweise bei einem der verschränkten Photonen zufällig eine waagrechte Polarisierung gemessen wird, dann nimmt das zweite viele Kilometer entfernte Photon augenblicklich eine senkrechte Polarisierung an, ohne dass sich die Photonen über lokale Signale miteinander verständigen könnten.

Das Verhalten verschränkter Photonen bedeutet, dass die Polarisierung des zweiten Photons mit Sicherheit (= 100% Wahrscheinlichkeit) vorhergesagt werden kann, nachdem das erste Photon gemessen wurde. Aufgrund des EPR-Realitätskriteriums existiert dann ein Objekt der physikalischen Realität, das dieser Polarisierung entspricht. Die Wahrscheinlichkeitswelle des zweiten Photons ist vor seiner Messung nicht nur eine mathematische Größe, sondern auch ein Objekt der physikalischen Realität. Es ist paradox, dass das EPR-Kriterium aufgestellt wurde, um zu zeigen, dass die Wahrscheinlichkeitswellen, die aus Schrödingers Gleichung folgen, keine physikalische Realität besitzen, aber die Anwendung des Kriteriums auf verschränkte Photonen genau das Gegenteil beweist (EPR-Paradoxon). So hat Einstein letztendlich dafür gesorgt, dass die Welt der Quantenphysik nicht nur eine Illusion ist, sondern die Realität. Wir »Normalsterbliche« haben das Ergebnis schon lange verinnerlicht, denn das Handy in der Tasche kann doch nicht Illusion sein oder? - Klaus-Dieter Sedlacek, Foto cc-by Anieteke (flickr)

Vor wenigen Jahrhunderten schleuderten sie noch Blitze gegen die Menschen. Heute ist ihr Zuständigkeitsbereich stark geschrumpft. Die Rede ist von den übernatürlichen Mächten. Sterben diese als Erklärungsmodell in der heutigen Zeit aus?

Als Erklärungsmodell sind übernatürliche Mächte immer dann gefragt, wenn es um scheinbar Unerklärliches oder um nicht beeinflussbare Dinge geht. Krankheiten, Naturkatastrophen, Geburt und Leben, die Kosmologie oder auch nur das Wetter waren zumindest in der Vergangenheit die Bereiche in denen überirdische Mächte im Denken der Menschen ihr Betätigungsfeld fanden. Denn Stürme, Regen oder sonstige Wetterphänomene ließen sich in früheren Zeiten nicht auf bekannte Ursachen zurückführen. Die anscheinend logische Schlussfolgerung in solchen Fällen war dann immer, dass nur eine übernatürliche Macht der Verursacher der Phänomene sein konnte. Göttliche Strafgerichte wie Überschwemmungen lehrten die Menschen, diese überirdischen Mächte zu fürchten. Eine gerechte Verteilung von Regen und Sonne, die zu reichen Ernten führte, empfanden die Menschen dagegen als Zeichen göttlicher Gunst.

Die Tage göttlicher Wettermacher waren aber spätestens seit der Einführung von Thermometer und Barometer gezählt. Im 17. Jahrhundert begannen sich neue Ansätze der Wetterforschung herauszubilden. Auf dem Gebiet der Meteorologie mussten die übernatürlichen Mächte der Wissenschaft weichen.

Ein weiteres Feld für Scharmützel zwischen rationalem Denken und Glauben an überirdische Mächte waren Schicksalsschläge und Krankheiten. Soweit es um die Heilung eines gebrochenen Beines oder einer Infektionskrankheit geht, werden heute Überirdische nicht mehr benötigt. Die moderne Medizin richtet es und die Bezeichnung »Halbgötter in Weiß« ist eher ironisch zu werten. Insofern mussten die übernatürlichen Mächte auch auf diesem Gebiet den Rückzug antreten. Die Wissenschaft füllt nun die entstandene Lücke aus.

Das Wissen der Götter in der modernen Naturwissenschaft

Die abendländischen Alchemisten, deren fortschrittliche Apparatetechnik eine wissenschaftliche Leistung war, bezogen angeblich geheimes Wissen von den Göttern. Die geheime Anleitung der Alchemisten, die »Tabula Smaragdina« wurde vermutlich im 11. Jahrhundert ins Lateinische übersetzt und soll vom griechischen Gott Hermes stammen. Im 17./18. Jahrhundert wurde die Alchemie allmählich von der modernen Chemie und Pharmakologie abgelöst.

Spätestens mit der Entstehung der Quantentheorie vor 100 Jahren und der Entdeckung des Periodensystems der Elemente, hörten die Götter mit der Unterstützung der alchemistischen Goldmacher auf. Denn nun wusste die Wissenschaft so viel über den Aufbau der Atome, dass die Herstellung von Gold durch alchemistische Methoden, als ein Ding der Unmöglichkeit entlarvt wurde.

Trotz der Niederlage für die übernatürlichen Mächte profitierte die Wissenschaft von den zahlreichen Errungenschaften der Alchemie. Diese sind unter anderem die Erfindung des Porzellans oder des Schwarzpulvers in Europa. Aber auch weniger Spektakuläres wie die Herstellung von Phosphoreszenz-Farbstoff oder die Entdeckung der Chemilumineszenzreaktion, die in der forensische Chemie Eingang fand, gelang den Alchemisten.

In der Wetterkunde, der Medizin, der Kosmologie und bei sonstigen unerklärlichen Phänomenen, überall mussten die ursprünglich überirdischen Mächte Niederlagen einstecken, zurückweichen und der wissenschaftlichen Welterklärung Platz machen. Umso erbitterter werden die scheinbar verbliebenen Bastionen von Gläubigen verteidigt. Mit Begierde stürzen sich die Verteidiger mystischer Mächte auf die tatsächlichen oder vermeintlichen Lücken in der Wissenschaft.

Sind die Arten durch Zufall entstanden?

Eines der Hauptargumente der Mystiker ist das Unwahrscheinlichkeitsargument. Es sei unwahrscheinlich, dass sich unser Universum durch Zufall entwickelt habe. Es sei unwahrscheinlich, dass biologische Moleküle durch Zufall entstanden sind. Oder es sei unwahrscheinlich, dass sich komplizierte menschliche Organe durch Zufall entwickelt haben. Dabei glauben die selbst ernannten Advokaten der Mystik, dass es nur zwei Alternativen gäbe: Schwarz oder Weiß, Zufall oder Schöpfer und nichts anderes. Wenn der Zufall zu Fall gebracht wird, dann gibt es nach dieser Denkweise nur noch den Schöpfer.

Das Dumme ist nur, dass die Evolutionsbiologen gar nicht behaupten, die Arten seien allein durch Zufall entstanden. Entsprechendes gilt für die Wissenschaftler anderer Fachbereiche, in denen evolutionäre Prozesse vorkommen. Die Evolutionsbiologie führt das Prinzip der ‘natürlichen Selektion’ an, welches die Natur anwendet, um bei harten äußeren Lebensbedingungen die fittesten Individuen überleben zu lassen. Dies führt genauso wie bei der Züchtung von Pflanzen oder Haustieren, nach und nach zu neuen Arten. Die natürliche Auswahl der Fittesten hat nichts mit blindem Zufall zu tun. Wie gut und manchmal auch rasend schnell dieses Prinzip besonders in der gezielten Anwendung funktioniert, beweist die Pharmaindustrie, die jährlich neue Impfstoffe gegen mutierte Grippeviren entwickelt. Ohne den Begründer der Evolutionstheorie, Charles Darwin, würden Pandemien regelmäßig auftreten und könnten nicht schon im Keim erstickt werden.

Ist der Organismus in der Eizelle vorgebildet?

Auch die Vorstellung, dass sich der Mensch nicht allmählich im Mutterleib entwickelt, sondern von ‘Gott’ geschaffen wird und der gesamte Organismus im Spermium bzw. in der Eizelle praktisch vorgebildet ist, verträgt sich nicht mit den Fakten. Zumindest seit es Mikroskope gibt, kann sich jeder Biologe oder Mediziner, vom Gegenteil überzeugen.

Der Evolutionsbiologe und Philosoph Ernst Haeckel zeigte bereits vor mehr als hundert Jahren, dass das Dogma der Präformation aus naturwissenschaftlicher Sicht nicht haltbar ist:

In engem Zusammenhange mit der Präformationslehre und in berechtigter Schlussfolge aus derselben entstand im 17. Jahrhundert eine weitere Theorie, welche die denkenden Biologen lebhaft beschäftigte, die sonderbare “Einschachtelungslehre”. Da man annahm, dass im Ei bereits die Anlage des ganzen Organismus mit allen seinen Teilen vorhanden sei, musste auch der Eierstock des jungen Keimes mit den Eiern der folgenden Generation darin vorgebildet sein, und in diesen wiederum die Eier der nächstfolgenden u. s w., in infinitum! Darauf hin berechnete der berühmte Physiologe Haller, dass der liebe Gott vor 6000 Jahren - am sechsten Tage seines Schöpfungswerkes - die Keime von 200000 Millionen Menschen gleichzeitig erschaffen und sie im Eierstock der ehrwürdigen Urmutter Eva kunstgerecht eingeschachtelt habe. (Ernst Haeckel: Die Welträtsel)

Mit Haeckel wendet sich das Argument der Unwahrscheinlichkeit gegen die Verteidiger der übernatürlichen Mächte selbst. Die Schöpfung der Keime durch den lieben Gott ist aus wissenschaftlicher Sicht mehr als unwahrscheinlich. Um daran zu glauben, bedarf es wenig nachvollziehbarer intellektueller Anstrengungen. Die übernatürlichen Mächte ziehen sich weiter zurück, aber aussterben werden sie wohl nie. Denn auch ein falsch angewendetes Argument der Unwahrscheinlichkeit findet immer neue Anhänger. - Klaus-Dieter Sedlacek - Foto: cc-by-sa radiant guy (flickr)

Schon etliche Sekunden bevor wir eine Entscheidung bewusst treffen, können erste Anzeichen der Absicht aus dem Gehirn ausgelesen werden. Dies zeigt eine aktuelle Studie von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig, der Charité - Universitätsmedizin Berlin sowie des Bernstein Zentrums für Computational Neuroscience Berlin.

Die Forscher um John-Dylan Haynes haben mithilfe der Magnetresonanztomographie Veränderungen im Gehirn untersucht, die einer bewussten Entscheidung vorausgehen. “Viele Prozesse im Gehirn laufen unbewusst ab - wir wären sonst schon mit alltäglichen Aufgaben der Sinneswahrnehmung und Bewegungskoordination völlig überfordert. Von unseren Entscheidungen aber glauben wir in der Regel, dass wir sie bewusst fällen. Diese Annahme ist mit unserer Studie in Frage gestellt”, sagt Haynes.

Die Testpersonen konnten sich frei entscheiden, ob sie mit der rechten oder der linken Hand einen Knopf betätigen. Anhand einer vor ihren Augen abgespielten Buchstabenfolge sollten sie anschließend angeben, zu welchem Zeitpunkt gefühlsmäßig ihre Entscheidung gefallen war. Ziel des Experiments war es, herauszufinden, wo im Gehirn solche selbstbestimmten Entscheidungen entstehen und vor allem ob dies geschieht, bevor es uns bewusst wird. Bereits sieben Sekunden vor der bewussten Entscheidung konnten die Wissenschaftler aus der Aktivität des frontopolaren Kortex an der Stirnseite des Gehirns vorhersagen, welche Hand der Proband betätigen wird. Zwar ließ sich die Entscheidung der Probanden nicht mit Sicherheit voraussagen, die Häufigkeit richtiger Prognosen lag aber deutlich über dem Zufall. Dies deutet darauf hin, dass die Entscheidung schon zu einem gewissen Grad unbewusst angebahnt, aber noch nicht endgültig gefallen war. Nach der Vorbereitung des Entscheidungsprozesses im frontopolaren Kortex, werden die Informationen zur Ausführung der Tätigkeit und zur Festlegung des Handlungszeitpunkts in andere Hirnbereiche übermittelt.

Mit ihrer Studie untersuchten die Wissenschaftler Situationen, in denen eine Entscheidung zu einem selbst gewählten Zeitpunkt stattfindet. “Bisher hat die Forschung in der Regel Prozesse betrachtet, bei denen der Proband sich sofort entscheiden muss. Viele interessante Entscheidungen erfolgen aber in einem eigenen, selbstgewählten Tempo”, erklärt Haynes. Die lange Zeitspanne, die seine Untersuchung umfasst, ist beispiellos. “Normalerweise untersucht man die Hirnaktivität einer Person, während sie eine Entscheidung trifft und nicht schon Sekunden vorher”, sagt Haynes. “Dass selbstgewählte Entscheidungen vom Gehirn schon so früh angebahnt werden, hat man bisher nicht für möglich gehalten.”

Schon vor über 20 Jahren ist es dem amerikanischen Neurophysiologen Benjamin Libet gelungen, ein Gehirnsignal, das sogenannte “Bereitschaftspotential” zu messen, das einer bewussten Entscheidung um einige hundert Millisekunden vorausgeht. Libets Experimente lösten eine heftige Debatte um die Willensfreiheit aus. Wenn Entscheidungsprozesse unbewusst ablaufen, so argumentierten einige Wissenschaftler, ist der freie Wille eine Illusion - das Gehirn entscheidet, nicht das “Ich”. Andere hingegen bezweifelten die Aussagekraft der Daten, vor allem wegen der kurzen Zeitspanne zwischen Bereitschaftspotential und bewusster Entscheidung.

Da Haynes und seine Kollegen die Vorbereitung der Entscheidung über weit längere Zeiträume beobachteten, konnten sie diese Zweifel an Libets Experimenten nun aus dem Weg räumen. Einen endgültigen Beweis gegen die Existenz eines freien Willens sehen sie darin nicht. “Nach unseren Erkenntnissen werden Entscheidungen im Gehirn zwar unbewusst vorbereitet. Wir wissen aber noch nicht, wo sie endgültig getroffen werden. Vor allem wissen wir noch nicht, ob man sich entgegen einer vorgebahnten Entscheidung des Gehirns auch anders entscheiden kann”, sagt Haynes.

weiter…

Video: GEO600

Leben wir in einem holographischen Universum? Sind Zeit und Raum körnig und kann man von einem Quantenrauschen der Raumzeit sprechen? Der amerikanische Physiker Craig Hogan ist fest davon überzeugt, Beweise dafür in den Daten des deutsch-britischen Gravitationswellendetektors GEO600 gefunden zu haben - das ist seine Erklärung für ein rätselhaftes Rauschen in den Detektordaten, dessen Ursache bislang ungeklärt ist.

Der Gravitationswellendetektor wurde von 1995 bis Ende 2001 in Ruthe (Sarstedt) bei Hannover aufgebaut. Ob sich Craig Hogans Vermutungen bestätigen lassen, soll in den kommenden Monaten mit neuen Experimenten direkt am Detektor untersucht werden:

Um die Theorie des holographischen Rauschens zu testen, wird die Frequenz der höchsten Empfindlichkeit von GEO600, also der Ton, den der Detektor am besten hören kann, schrittweise hin zu immer höheren Tönen verschoben. Normalerweise ist die Frequenz so eingestellt, dass beste Chancen bestehen, explodierende Sterne oder verschmelzende schwarze Löcher beobachten zu können.

Stellt sich heraus, dass das rätselhafte Rauschen bei höheren Frequenzen dem bei niedrigeren Frequenzen entspricht, ist dies noch kein Beweis für Hogans Hypothese. Es würde aber weitergehende Untersuchungen besonders motivieren. Dann wird die Empfindlichkeit von GEO600 durch den Einbau von ‘gequetschtem Vakuum’ sowie eines Modenfilters in einer neuen Vakuumkammer verbessert. Die Technologie des ‘gequetschten Vakuums’ wurde in Hannover besonders verfeinert und würde im Rahmen der Untersuchungen weltweit erstmals zum Einsatz in einem Gravitationswellendetektor kommen.

“Wir sind wirklich gespannt, welche neuen Erkenntnisse wir im Laufe des Jahres über das mögliche holographische Rauschen erhalten werden”, sagt Prof. Dr. Karsten Danzmann, Direktor des Hannoveraner Albert-Einstein-Instituts. “GEO600 bietet derzeit weltweit als einziges Experiment die Möglichkeit, die umstrittene Theorie zu überprüfen. Im Gegensatz zu den anderen großen Laserinterferometern reagiert GEO600 durch die eingesetzte Signal Recycling Methode bauartbedingt empfindlich auf Seitwärtsbewegungen des Strahlteilers. Das ist eigentlich unbequem, aber wir brauchen das Signal Recycling, um die kürzere Armlänge im Vergleich zu den anderen Detektoren zu kompensieren. Aber holographisches Rauschen erzeugt genau so ein Seitwärtssignal und so wird der Nachteil in diesem Fall zum Vorteil. Wir befinden uns sozusagen im Mittelpunkt eines Wirbelsturms in der Grundlagenforschung.”

Auf der Suche nach der Körnigkeit der Zeit
Den kleinstmöglichen Bruchteil einer Entfernung bezeichnen Physiker als die ‘Planck-Länge”. Sie beträgt 1,6·10^-35 m - das ist unvorstellbar klein und unmessbar. Auch die etablierten physikalischen Theorien gelten bei dieser Größenordnung nicht mehr. Nun überprüfen Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und der Leibniz Universität Hannover eine Theorie des US-amerikanischen Physikers Craig Hogan, der davon überzeugt ist, in den Daten des Gravitationswellendetektor GEO600 die Zeitquanten rauschen zu hören. Quelle: idw