Hintergrundinformationen

Video: Die Entstehung des Kosmos.

Das Reich der Physik ist immer gut für Überraschungen. Und manche der Überraschungen beginnen mit Vermutungen namhafter Physiker. Eine in letzter Zeit häufiger geäußerte Vermutung ist die, dass Information ein Grundbaustein der Welt sei.

»Es stellt sich letztendlich heraus, dass Information ein wesentlicher Grundbaustein der Welt ist«, äußerte sich der durch ein medienwirksames Experiment der Quantenteleportation bekanntgewordene Prof. Dr. Anton Zeilinger in einem Interview. Vermutungen, die nicht weiter begründet sind, haben allerdings wenig Durchsetzungskraft. Sie werden zwar gelesen oder angehört, doch sie gehören praktisch zum Smalltalk der Wissenschaft.

Wenn eine Vermutung zu einer Hypothese oder sogar einer Theorie werden soll, dann braucht der Physiker Formeln. Er braucht das mathematische Werkzeug, damit er auf bequeme Weise Vorhersagen machen kann, die sich durch empirische Daten widerlegen oder bestätigen lassen. Allerdings sind Formeln nicht alles in der Physik. Das zeigt uns die Quantenmechanik. Die Vorhersagen der Quantenmechanik wurden zwar noch niemals widerlegt, aber Formeln können das Phänomen nicht plausibler machen, das als Welle-Teilchen-Dualität bekannt ist, und können schon gar nicht die nichtlokale Wechselwirkung von verschränkten Photonen erklären. Die Physiker haben sich an die Kuriositäten der Quantenmechanik gewöhnt und trösten sich mit exakten mathematischen Vorhersagen.

Ist Information eine Substanz?

Erst eine gute modellhafte Beschreibung der Wirklichkeit und der beobachteten Phänomene erlaubt es, Neuland zu entdecken. Alle, die sich vom allgemeinwissenschaftlichen und philosophischen Standpunkt aus für die Grundbausteine der Welt interessieren, finden Neuland in dem Fach-Büchlein mit dem Titel »Äquivalenz von Information und Energie«. Es beginnt mit einem physikalischen Modell für das Phänomen der Information, bevor in einem weiteren Kapitel der bei Physikern so beliebte mathematische Werkzeugkasten skizziert wird, ohne dabei den mathematischen Apparat der theoretischen Physik vorauszusetzen. Diese Vorgehensweise zeitigt ein überraschendes Ergebnis: Information ist keineswegs nur eine Angelegenheit der geistigen Ebene.

Eine der physikalisch relevanten Informationsarten ist eine Substanz, aus der sogar Elementarteilchen gebildet werden können. Die Anwendung der neu gewonnenen Erkenntnisse auf Einsteins allgemeine Relativitätstheorie führt zu der Folgerung, dass selbst Raum und Zeit aus Information entstanden sein können. Im Augenblick der Singularität des Urknalls als Energie vorhanden war, aber noch kein Raum und keine Zeit, konnte Energie nicht in Form von Massen, Feldern oder Strahlung vorliegen, sondern nur in Form von äquivalenter Information. Überraschender kann das Ergebnis kaum sein.

Mehr dazu in Äquivalenz von Information und Energie: Auf der Suche nach den Grundbausteinen der Welt. Von Klaus-Dieter Sedlacek.

Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz konnten erstmals Verteilung einzelner Atome im Bose-Einstein-Kondensat abbilden / Veröffentlichung in Nature Physics

Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist es gelungen, erstmals die räumliche Verteilung einzelner Atome in einem Bose-Einstein-Kondensat sichtbar zu machen. Bei Bose-Einstein-Kondensaten handelt es sich um kleine, sehr kalte Gaswolken, die aufgrund ihrer niedrigen Temperaturen nicht mehr durch die klassische Physik, sondern mit den Gesetzen der Quantenmechanik beschrieben werden müssen. Die ersten Bose-Einstein-Kondensate wurden 1995 von Eric A. Cornell, Carl E. Wieman und Wolfgang Ketterle erzeugt, die dafür bereits sechs Jahre später den Nobelpreis für Physik erhielten. Seither sind diese einzigartigen Gaswolken, die kältesten von Menschen erzeugten Objekte überhaupt, weltweiter Forschungsgegenstand.

Physiker um Dr. Herwig Ott von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Arbeitsgruppe Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM), haben nun eine neue Technik entwickelt, mit der einzelne Atome in einem Bose-Einstein-Kondensat abgebildet werden können. Darüber hinaus übertrifft die erreichte räumliche Auflösung der Darstellung alle bisherigen Methoden um ein Vielfaches. Die Forschungsergebnisse der durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Emmy Noether-Nachwuchsgruppe am Institut für Physik wurden unter dem Titel “High-resolution scanning electron microscopy of an ultracold quantum gas” in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

Möglich wurde dieser Durchbruch durch den Einsatz eines hochauflösenden Rasterelektronenmikroskops (REM), das mithilfe eines sehr feinen Elektronenstrahls die ultrakalte Atomwolke abtastet und so auch kleinste Strukturen sichtbar macht. “Die Übertragung der Elektronenmikroskopie auf ultrakalte Gase war ein technisches Wagnis”, berichtet Dr. Herwig Ott, Leiter der Emmy Noether-Nachwuchsgruppe, “denn hier mussten zwei sehr unterschiedliche Techniken zusammengeführt werden.” Hinzu kommt, dass sich Atome und Moleküle anders als in Festkörpern in Gasen vollkommen frei und ungeordnet durcheinander bewegen. Ein weiterer Vorteil dieses hochentwickelten Mikroskopieverfahrens besteht in der besseren räumlichen Auflösung im Vergleich zu optischen Verfahren, bei denen das Auflösungsvermögen durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts begrenzt ist. “Mit 150 nm Auflösung sind wir in der Lage, etwa 10mal genauer in diese Quantenobjekte hineinzublicken, als es uns bisher möglich war”, so Ott.

Ähnlich wie durch die Elektronenmikroskopie bisher unbekannte Bereiche unserer Welt für den Betrachter erkennbar wurden, eröffnen sich durch die in Mainz entwickelte Technik einzigartige Möglichkeiten, die mikroskopische Struktur der Quantengase zu untersuchen. Einen ersten wichtigen Meilenstein können die Mainzer Physiker bereits vorweisen: Es ist ihnen gelungen, die Struktur eines sogenannten optischen Gitters sichtbar zu machen. Optische Gitter sind Interferenzmuster aus Laserstrahlen, die auf die Atomwolke eingestrahlt werden und dieser ihre periodische Struktur aufzwingen. Dabei entstehen kristallähnliche Gebilde. Das Interessante dabei ist, dass die Bewegung der Atome eines Quantengases in einem optischen Gitter dem Verhalten von Elektronen in Festkörpern ähnelt. Quantengase sind daher in der Lage, die physikalischen Eigenschaften von Festkörpern zu simulieren und können so auch zur Klärung noch offener Fragestellungen in der Festkörperphysik beitragen. (Quelle: idw)

Video: Stimmt die Relativitätstheorie?

QUANTENGRAVITATION - Ein neues Quantenmodell von Raum und Zeit

Im Großen wird das Universum von der Gravitation beherrscht, aber im Kleinen zerfällt es in Quanten – wie passt das zusammen? Wie sind Raum und Zeit entstanden? Wie haben sie die glatte vierdimensionale Leere gebildet, die unserer physikalischen Welt als Bühne dient? Wie sehen sie im allerkleinsten Maßstab aus? Solche Fragen streifen die äußersten Grenzen der modernen Wissenschaft und treiben die Suche nach einer Theorie der Quantengravitation voran; sie wäre die lang ersehnte Vereinigung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie mit der Quantenphysik.

Die Relativitätstheorie beschreibt, wie die Raumzeit im Großen unzählige verschiedene Formen anzunehmen vermag und das hervorruft, was wir als Schwerkraft wahrnehmen. Hingegen beschreibt die Quantentheorie die physikalischen Gesetze im atomaren und subatomaren Maßstab, wobei sie Gravitationseffekte völlig ignoriert. Eine Theorie der Quantengravitation soll das Wesen der Raumzeit in den kleinsten Größenordnungen durch Quantengesetze beschreiben und womöglich durch gewisse fundamentale Bausteine erklären.

Seit einigen Jahren entwickeln drei Kosmologen – der Däne Jan Ambjørn, der Pole Jerzy Jurkiewicz und die Deutsche Renate Loll – ein viel versprechendes Modell des Quantenuniversums. In der Februarausgabe von Spektrum der Wissenschaft beschreiben sie ihr „fast peinlich simples“ Rezept: Man nehme ein paar einfache Zutaten, füge sie nach wohlbekannten Quantenregeln zusammen, rühre gut um, lasse den Teig rasten, und fertig ist die Quantenraumzeit. Der Prozess ist so unkompliziert, dass er sich auf einem Laptop simulieren lässt.

Um die Raumzeit zu modellieren, lassen sich die drei Forscher von einem Verfahren inspirieren, das in der Computergrafik gang und gäbe ist: Man legt dort über gekrümmte Flächen, etwa Körper oder Gesichter, ein Gitter aus kleinen Dreiecken. Im Fall der Raumzeit braucht man dafür allerdings nicht flache Dreiecke, sondern vierdimensionale Tetraeder. Aus diesem Mosaik entsteht, wenn man die einzelnen Bausteine gewissen Regeln unterwirft, fast von selbst ein Modell der gequantelten Raumzeit.

Die wichtigste Bauanleitung betrifft die Kausalität. In benachbarten Bausteinen müssen Ursache und Wirkung zeitlich in gleicher Richtung aufeinander folgen. Mit anderen Worten: Nachbarn haben den gleichen Zeitpfeil. Diese simple Vorschrift reicht aus, damit die Raumzeit sich im Großen von selbst zu einer vierdimensionalen Gesamtheit ordnet. Die Forscher vergleichen diese Selbstorganisation mit dem Verhalten eines Vogelschwarms, in dem die einzelnen Vögel nur den nächsten Nachbarn folgen – und doch verhält sich der Schwarm wie ein kompaktes Ganzes.

Interessanterweise ist dieses Modell zwar im Großen vierdimensional, wie es sich für die Raumzeit gehört, aber im Kleinen entpuppt sich die Anzahl der Dimensionen als variable, gebrochene Größe – als Fraktal. Solche selbstähnlichen Strukturen lassen offen, ob es kleinste „Atome“ der Raumzeit gibt oder ob die fraktalen Muster sich bis ins unendlich Kleine fortsetzen. Die Forscher hoffen, dies zu klären, wenn sie ihr fraktales Modell der leeren Raumzeit mit Materie füllen. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Februar 2009)

Ein völlig anderes Modell zur Erklärung des Zusammenhangs von Relativitätstheorie und Quantenphysik findet sich im Buch Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen. Dort wird aufgrund naturwissenschaftlicher Methoden und bisher unerklärlicher Quantenphänomene gefolgert, dass Bewusstsein der fundamentale Baustein von allem ist, was existiert. Desweiteren wird gezeigt wie sich die Einsteinsche Raumzeit als eine Folge von Bewusstsein darstellt.

Video: Quantenverschränkung

(openPR) - Kann die Wissenschaft einen Brückenschlag zur Religion anbieten? Diese Frage haben sich bereits Generationen von Naturwissenschaftlern und Philosophen ergebnislos gestellt. Neueste Ergebnisse aus der modernen Quantenphysik lassen jedoch darauf schließen, dass menschliches Bewusstsein auch außerhalb des Körpers existiert, was wiederum ein Hinweis auf eine unsterbliche Seele ist. Führende Physiker sprechen von einem Paradigmenwechsel, der unser Weltbild bereits in den nächsten Jahren von Grund auf revolutionieren könnte.
„Du kannst nicht von Gott reden, weil Gott eigentlich das Ganze ist. Und wenn er das Ganze ist, dann schließt es Dich mit ein.” Dieses Zitat stammt von keinem Theologen, sondern von dem Physiker Professor Dr. Hans-Peter Dürr, einem Schüler des Nobelpreisträgers Werner Heisenberg. Dürr, der langjähriger Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik in München war, zieht heute Bilanz über die Ergebnisse der modernen Quantenphysik und die daraus resultierenden Konsequenzen für unser gesamtes Weltbild. „Was wir Diesseits nennen, ist im Grunde die Schlacke, die Materie, also das was greifbar ist. Das Jenseits ist alles Übrige, die umfassende Wirklichkeit, das viel Größere”, zeigt er sich überzeugt.
Die Basis für die atemberaubende These liefert das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung. Bereits Albert Einstein ist auf diesen seltsamen Effekt gestoßen, hat ihn aber als „spukhafte Fernwirkung” später zu den Akten gelegt. Das Verschränkungsprinzip besagt Folgendes: Ändert ein Teilchen seinen Zustand, so erfolgt diese Änderung wie durch Geisterhand zum exakt gleichen Zeitpunkt auch bei dem anderen. Diese Verschränkung bleibt auch dann erhalten, wenn die wenn die Wechselwirkung weit in der Vergangenheit stattgefunden hat und die beiden Teilchen weit voneinander entfernt sind. Die moderne Wissenschaft geht seit kurzem davon aus, dass große Teile des Universums seit dem kosmischen Urknall vor 13.7 Milliarden miteinander verschränkt sind.

Das Gehirn als Welle

Diese fundamentale Eigenschaft des Universums hat wiederum dramatische Auswirkungen auf jedes einzelne Individuum. Das liegt daran, dass der menschliche Körper aus Organen, Zellen und Molekülen besteht, die ihrerseits von atomaren Teilchen gebildet werden. Da diese Teile auch Wellencharakter haben, lässt sich wiederum folgern, dass auch unser Gehirn über Welleneigenschaften verfügt. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass Teile der belebten und der unbelebten Welt miteinander verschränkt sind und auf subtile Weise miteinander kommunizieren.
Ein Physikerteam aus Genf unter der Leitung von Professor Nicolas Gisin hat im August 2008 erstmals die Geschwindigkeit des Informationsaustausches zweier miteinander verschränkter Teilchen messen können. In einer komplizierten Berechnung kamen sie zu dem Ergebnis, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der spukhaften Fernwirkung mindestens 100.000mal größer sein muss als die Lichtgeschwindigkeit. Demnach scheint sich die Theorie zu bestätigen, dass die „wahre” Ausbreitung der Information unendlich schnell - also simultan erfolgt.
Tief beeindruckt zeigte sich der englische Quantenphysiker Terence Graham Rudolph vom Londoner Imperial College. Die Nachricht aus Genf kommentierte er wie folgt: „Das Ergebnis zeigt, dass in der Quantenmechanik das in unserer Vorstellungskraft herrschende Raum-Zeit-Gefüge überschritten wird.” Mit anderen Worten: Die Konsequenzen des Versuches könnten die Fugen unseres Weltbildes nicht minder dramatisch erschüttern, wie zur Zeit der kopernikanischen Wende. So wird bereits darüber spekuliert, dass das Verschränkungsprinzip der Quantenphysik eine Pionierbrücke zwischen der Wissenschaft und der Spiritualität schlagen könnte.

Zusammenbruch eines Paradigmas

Für den amerikanischen Physiker Jack Sarfatti ist die Quantenverschränkung der Beweis dafür, dass Geist und Seele den Körper überdauern können. Der 1939 in New York geborene Wissenschaftler hat sich auch als Autor von populären Werken über Quantenphysik und Bewusstsein einen Namen gemacht. Sarfatti ist davon überzeugt, dass das Paradigma, welches Naturwissenschaften und Geisteswissenschaften trennt, in Kürze zusammenbrechen wird. „Nichts geschieht im menschlichen Bewusstsein, ohne dass irgendetwas im Universum darauf reagiert. Mit jedem Gedanken, jeder Handlung beschreiben wir nicht nur unsere eigene kleine Festplatte, sondern speichern auch etwas im Quantenuniversum ab, das unser irdisches Leben überdauert”, lautet sein Credo.

Sollten sich die Theorien der Quantenphysiker in weiteren Versuchen bestätigen, dann würden sich auch Naturwissenschaft und Religion fortan nicht mehr als Gegensätze gegenüberstehen. Vielmehr könnten sie sich komplementär ergänzen - geradewegs wie die zwei Seiten ein und derselben Münze. Buchtipp: Der Text enthält Auszüge aus dem Buch des Autors Rolf Froböse: Die geheime Physik des Zufalls: Quantenphänomene und Schicksal - Kann die Quantenphysik paranormale Phänomene erklären?. Edition BoD, Norderstedt 2008, herausgegeben von Vito von Eichborn, Preis: EUR 14.90.

Buchtipp:
Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen von Klaus-Dieter Sedlacek, Gebundene Ausgabe, 148 Seiten, Verlag: BoD, Norderstedt;  Preis EUR 18,95.

Der Kosmologe Lawrence Rudnick von der University of Minnesota traute seinen Augen nicht, als er die vom WMAP-Satelliten aufgenommene Hintergrundstrahlung genauer untersuchte. Er entdeckte etwas, was es eigentlich gar nicht geben darf: ein Superloch in der südlichen Himmelssphäre. Es könnte durch den Einfluss eines Paralleluniversums gebildet worden sein mutmaßt Rudnicks Kollegin, die Professorin Laura Mersini-Houghton von der University of North Carolina.

Die elektromagnetische Strahlung aus dem All, die von keinen bestimmten Himmelsobjekten stammt und die in allen Richtungen auftritt, bezeichnet man als kosmische Hintergrundstrahlung. Die Eigenschaften des Mikrowellenhintergrunds gelten als empirischen Beweis für die Entstehung unseres Universums in einem Urknall, weil die Vorhersagen der Urknalltheorie sehr gut mit den gefundenen Messwerten übereinstimmen. Die Hintergrundstrahlung hat eine Temperatur von ca. drei Grad über dem absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) und ist außerordentlich gleichförmig, in welche Richtung man auch schaut. Die Temperaturschwankungen in kleinen Bereichen betragen nur etwa 0,001 % und sind das Abbild der Dichteschwankungen der Materie aus der Frühzeit des Universums. Aus solchen Dichteschwankungen hat dann die Schwerkraft im Laufe von Milliarden Jahren die Sterne und Galaxien geformt.

Was Rudnick stutzig machte, ist ein kalter Fleck (»WMAP Cold Spot«) auf der Temperaturkarte der kosmischen Hintergrundstrahlung, die der WMAP-Satellit erstellt hat. Der kalte Fleck befindet sich mitten im Sternbild Eridanus und umfasst einen Winkel von 10 Grad am Himmel. Das entspricht der unvorstellbaren Größe von 900 Millionen Lichtjahren Durchmesser in 8 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Die Temperatur des Flecks ist um Größenklassen geringer, als nach der durchschnittlichen Temperaturschwankung sein dürfte. Die Wahrscheinlichkeit für eine Schwankung solchen Ausmaßes beträgt höchstens eins zu einer Milliarde und ist damit rund hundert Mal geringer, als sechs Richtige im Lotto zu erzielen.

Es gibt verschiedene exotische Erklärungen für das Phänomen, das es eigentlich nicht geben darf. Der kalte Fleck könnte beispielsweise eine Art Knoten in der Raumzeit sein. Die einfachste Erklärung jedoch, die in der Wissenschaft im Regelfall vorzuziehen ist, geht von einem gigantischen Leerraum aus, dessen Volumen das 1000-fache eines typischen Leerraums zwischen den Galaxien beträgt. Die der seriösen Wissenschaft angehörende Kosmologin Mersini-Houghton vermutet, das Superloch sei durch den Einfluss eines parallelen Universums entstanden. Sie hat die Existenz eines solchen Lochs bereits vor seiner Entdeckung, nämlich im Jahr 2006 vorausgesagt.

Mersini-Houghton geht wie der Großteil ihrer Kosmologen-Kollegen davon aus, dass der Urknall kein einzigartiges Ereignis war, sondern nur der Anfang eines Universums unter vielen, das sich ähnlich einer Blase im Schaumbad bildet. Und es gibt nahezu unendlich viele Blasen. Jede Einzelne enthält ein Universum mit eigenen Eigenschaften, eigenen Naturgesetzen und eigenen Naturkonstanten.

Es waren aber nicht die Kosmologen, sondern die Quantenphysiker, die als Erste beim Versuch die quantenphysikalischen Formeln zu interpretieren auf die Idee vieler Welten kamen. Nach der Viele-Welten-Interpretation der Quantenphysik, die ursprünglich von Hugh Everetts stammt, verzweigen sich die bereits existierenden Universen jedes Mal, wenn Messungen durchgeführt werden oder Entscheidungen fallen. Dadurch werden alle Alternativen, die laut Wellenfunktion der Quantenmechanik eine positive Wahrscheinlichkeit besitzen, in irgendwelchen parallelen Universen realisiert.

Von dem europäischen PLANCK-Satelliten, der in wenigen Monaten startet und dem Teilchenbeschleuniger LHC in Genf erhofft man sich weitere Erkenntnisse, welche die Existenz eines Paralleluniversums beim »WMAP Cold Spot« widerlegt oder bekräftigt. Die tatsächliche Entdeckung eines Paralleluniversums wäre die Bestätigung für zahlreiche bisher kontrovers diskutierte Hypothesen. Der Mathematiker Klaus-Dieter Sedlacek sieht beispielsweise in seinem kürzlich erschienenen Buch mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein« einen Zusammenhang zwischen der Viele-Welten-Interpretation der Quantenphysik und dem freien Willen des Menschen. Freier Wille setzt nach seiner Meinung voraus, dass es parallele Welten gibt. Denn wenn man davon ausgeht, dass die vierdimensionale Raumzeit der Einsteinschen Relativitätstheorie etwas Statisches, aber das Leben des Menschen nicht uhrwerkartig determiniert ist, müssen parallele Raumzeit-Universen existieren, damit es für den freien Willen eine freie Wahl unter Alternativen gibt, in die aufgrund von Entscheidungen verzweigt werden kann. Rudnicks Entdeckung des Superlochs im All kann auch für diese Hypothese eine Bestätigung sein.

Die “Baumhummer” von Neuguinea (Eurycantha, links) und der Lord Howe Insel (Dryococelus, rechts) weisen große Ähnlichkeit in Form und Verhalten auf, sind jedoch unabhängig voneinander entstanden.Fotos: Michael Whiting und Thomas Reischig

(pug) Die Evolution von Lebewesen kann offenbar unter ähnlichen Bedingungen zu gleichen Resultaten führen, auch wenn sie völlig unabhängig voneinander verläuft: So gehen zwei spezielle Formen flügelloser Insekten aus der Gruppe der Stab- und Gespenstschrecken, die als “Baumhummer” bezeichnet werden, nicht auf einen gemeinsamen Vorfahren zurück, obwohl sie sich in Gestalt und Verhalten verblüffend ähneln. Das hat der Evolutionsbiologe und Zoologe Dr. Sven Bradler von der Universität Göttingen zusammen mit neuseeländischen Kollegen in einer molekularbiologischen Studie zu den Verwandtschaftsverhältnissen nachgewiesen. Ihre Ergebnisse werden in den “Proceedings of the Royal Society B” veröffentlicht.
“Baumhummer” sind mit nur wenigen Dutzend Arten im Pazifik auf Papua-Neuguinea und Neukaledonien beheimatet. Ursprünglich waren sie auch auf der Lord Howe Insel östlich von Australien zu finden, bis nach der Strandung eines Dampfschiffes 1918 Ratten auf das Eiland gelangten und die einzigartige Tierwelt vernichteten. Der “Baumhummer” Dryococelus australis galt dort 1986 offiziell als ausgestorben, bis im Februar 2001 sensationell eine kleine Population wiederentdeckt wurde - nicht etwa auf Lord Howe, sondern auf einem kargen Felsen 23 Kilomter entfernt inmitten der Tasmanischen See. Bislang ist die Wissenschaft davon ausgegangen, dass die Verwandten dieses seltenen Insekts - der “Baumhummer” Eurycantha horrida - auf Neuguinea leben.

Die Forscher kommen jetzt zu einem anderen Ergebnis. Sie haben die verwandtschaftlichen Beziehungen von 79 Stab- und Gespenstschrecken mit Hilfe von DNA-Sequenzen untersucht. Nach ihrer Analyse gibt es keine Verbindungen zwischen den “Baumhummern” auf Lord Howe und Neuguinea, trotz großer Ähnlichkeit: Die Insekten sind flugunfähig, von gedrungener kräftiger Gestalt und verbergen sich tagsüber in bodennahen Hohlräumen. Die Männchen setzen ihre stark verdickten Hinterschenkel zur Verteidigung ein. Evolutiv sind sie aus grazilen, geflügelten Stabschrecken hervorgegangen. “Die Anpassung an einen vergleichbaren Lebensraum und der damit verbundene Selektionsdruck haben vermutlich zu dieser parallelen Entwicklung geführt”, erläutert Dr. Bradler. (Quelle: idw; Originalveröffentlichung:
T. R. Buckley, D. Attanayake, S. Bradler: Extreme convergence in stick insect evolution: phylogenetic placement of the Lord Howe Island tree lobster, Proc. R. Soc. B. doi:10.1098/rspb.2008.1552)

Kann die Quantenbiologie das Rätsel der Parallelentwicklung lösen?

Es ist mehr als unwahrscheinlich, daß ein Genom allein mittels zufällig erzeugter Mutationen, neue und funktionsfähige Mutanten hervorbringt. Dazu ist ein biologisches System zu komplex, als daß zufällige Prozesse innerhalb der auf der Erde zur Verfügung stehenden Zeit funktionsfähige Neuordnungen im Genom entstehen lassen können. Der Anpassungsdruck der Umwelt, den Dr. Bradler als Erklärung anführt, käme gar nicht zum Zug, wenn keine funktionsfähigen Mutationen in angemessener Zeit entstehen.
Eine Lösung kann möglicherweise die Quantenbiologie bieten. Diese neuere wissenschaftliche Disziplin untersucht die Auswirkungen quantenphysikalischer Prozesse auf lebende Zellen. Ihr Begründer, Friedrich Dessauer (* 19. Juli 1881; † 16. Februar 1963), forschte insbesondere an den Auswirkungen von Röntgenstrahlen auf Körperzellen. Die jüngsten Erkenntnisse in der Biologie deuten nun darauf hin, dass zwischen lebenden Zellen und ihrer Umgebung mehr Wechselwirkungen stattfinden, als nur die Einwirkung hochenergetischen Quanten auf die Moleküle und Gene der Zelle. Organismen scheinen in gleichem Maße mit ihrer Umgebung “verschränkt” zu sein, wie das von den entsprechenden Phänomenen der Quantenphysik her bekannt ist. Die Quantenverschränkung ist ein physikalisches Phänomen bei dem zwei Teilchen ein System bilden und auch über große räumliche Entfernung miteinander wechselwirken, ohne daß Information innerhalb der Raumzeit übertragen wird. Albert Einstein bezeichnete diese Art der Wechselwirkung als ’spukhafte Fernwirkung’.
Um die paralle Entwicklung der Baumhummer quantenbiologisch erklären zu können, bedarf es außerdem einer anderen Vorstellung vom Wesen der Realität als die derzeit vorherrschende. Der Mathematiker Klaus-Dieter Sedlacek sieht Bewusstsein als die Grundlage an von allem was existiert. Er hat in seinem Sachbuch: Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen aus bisher unerklärlichen Quantenphänomen und der Relativitätstheorie ein neues Gesicht der Wirklichkeit abgeleitet und einer Erklärung zugeführt. Evolution ist für ihn ein bewusster Prozeß, der durch Entscheidungen auf Quantenebene oder auch höherer Ebene in Gang gehalten wird. So darf man hoffen, dass demnächst eine neue Vorstellung vom Wesen der Realität mit der Quantenbiologie gemeinsam die Parallelentwicklung der Baumhummer zufriedenstellend erklären wird.

Supercomputer helfen, die Prozesse in Atomkernen und deren Masse zu verstehen. Die Kräfte zwischen drei Quarks im Nukleon, erklären den sichtbaren Anteil der Masse im Universum.Forschungszentrum Jülich / Seitenplan mit Material von NASA, ESA und AURA/Caltech)

Jülich, 21. November 2008 - Einem internationalen Forscherteam ist es erstmalig gelungen, die Masse der wichtigsten Bausteine der Materie - Protonen und Neutronen - auf theoretischem Weg zu berechnen. Das wichtigste Hilfsmittel der Physiker: der Supercomputer JUGENE am Forschungszentrum Jülich. Die aufwändigen Simulationen der Wissenschaftler bestätigen die Richtigkeit einer grundlegenden physikalischen Theorie, der Quantenchromodynamik. Die Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift “Science” veröffentlicht (21. Nov. 2008 Vol. 322, #5905).
Materie ist aus Atomen aufgebaut, Atome wiederum bestehen aus einem Kern aus Protonen und Neutronen, um den Elektronen kreisen. “Mehr als 99,9 Prozent der Masse der sichtbaren Materie stammt von den Protonen und Neutronen”, erläutert der gegenwärtig an der Bergischen Universität Wuppertal tätige ungarische Physiker Zoltan Fodor, der das Forschungsprojekt am Jülicher Supercomputer JUGENE geleitet hat. Diese Teilchen, von den Physikern unter dem Begriff “Nukleonen” zusammengefasst, sind aus jeweils drei Quarks aufgebaut.
Die Masse der drei Quarks ergibt zusammengerechnet jedoch nur etwa fünf Prozent der Masse eines Kernbausteins — woher also haben die Nukleonen ihre Masse? Die Antwort auf diese Frage findet sich in der berühmten Formel E = m × c2 von Albert Einstein: Energie und Masse sind zueinander äquivalent, und 95 Prozent der Nukleonenmasse haben ihren Ursprung in der Bewegungsenergie der Quarks und zwischen ihnen ausgetauschter Teilchen.
Solche Berechnungen sind jedoch ungeheuer kompliziert. Dank des Supercomputers JUGENE am Forschungszentrum Jülich konnten Fodor und seine Kollegen nun diese Hürde überwinden. 180 Billionen Rechenoperationen kann JUGENE in jeder Sekunde durchführen, damit ist er der schnellste Computer Europas. Als Ergebnis erhielten die Wissenschaftler schließlich Werte für die Massen der Nukleonen, die genau mit den in Experimenten gemessenen Werten übereinstimmen. “Damit haben wir gezeigt, dass die Quantenchromodynamik tatsächlich eine korrekte Beschreibung der starken Wechselwirkung ist”, freut sich Fodor.
“Der Ursprung des überwiegenden Teils der Masse der sichtbaren Materie ist dadurch also geklärt”, erklärt der Forscher weiter. Doch damit sind nicht alle Rätsel gelöst. - Quelle: idw

Kommentar:
Der Erfolg der naturwissenschaflichen Methode hat sich wieder auf imponierende Weise gezeigt. Aber Physik allein  kann nicht die Welt erklären, meint Prof. Harald Lesch in der 100. Sendung von Alpha Centauri (BR). Für die Erklärung der Welt bedarf es deshalb der Hinzuziehung weiter Disziplinen wie im kürzlich erschienenen Sachbuch Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen geschehen. Dort kann man nun eine beeindruckende Erklärung der Welt finden.

Video: Kann die Physik die Welt erklären?

Quantenzufall und die ’spukhafte Fernwirkung’ zwischen zwei quantenmechanisch verschränkten Teilchen kann nicht durch Wechselwirkungen innerhalb von Raum und Zeit (der Raumzeit) erklärt werden. Aber welche Erklärung gibt es dann?

Physiker, die im Weltbild der klassischen Physik des 19. Jahrhunderts verhaftet sind, gehen davon aus, dass sich die Welt ähnlich einem Uhrwerk verhält, nämlich deterministisch und im Prinzip berechenbar. Dies wird an einem Beispiel deutlich: Der Fall eines Würfels aus der Spielesammlung kann nach der klassischen Physik genau vorausgesagt werden, wenn die Randbedingungen bekannt sind, wenn man also weiß, aus welcher Höhe gewürfelt wird, wie genau der Würfel die Hand verlässt oder wie groß die Luftreibung ist usw. Weil allerdings die Rechnungen sehr kompliziert werden können und auch nicht immer alle Randbedingungen bekannt sind, kann man die Vorausberechnung in der Praxis dann doch nicht durchführen. Zufall entsteht hier nur deshalb, weil nicht alle Informationen bekannt sind, die zur Berechnung notwendig wären.

Im Gegensatz zu der deterministischen Variante des Zufalls stehen die Phänomene der Quantenphysik, deren Erklärung zu einer jahrzehntelangen Diskussion zwischen den Quantenphysikern führte. Werden beispielsweise einzelne Photonen (Lichtteilchen) durch einen Strahlteiler geschickt bei dem Sie zwischen zwei Wegen wählen können, dann kann die Entscheidung der Photonen für einen der beiden Wege nicht mehr mithilfe einer mathematischen Rechenvorschrift oder irgendeinem physikalischen Prinzip vorhergesehen werden. Die Entscheidung der Photonen für einen der beiden Wege wird von den Physikern als ‘Quantenzufall’ oder auch ‘Objektiven Zufall’ bezeichnet. Was ist das für eine Wirklichkeit, die objektiven, reinen Zufall, eben den Quantenzufall hervorbringt?

Alain Aspect wies bereits 1982 empirisch nach, dass eine momentane, praktisch zeitlose Wechselwirkung zwischen zwei verschränkten Photonen existiert. Verschränkung ist ein quantenmechanisches Phänomen, bei dem zwei Teilchen ein System bilden und über die räumliche Entfernung miteinander wechselwirken, auch wenn die Entfernung Milliarden Kilometer beträgt. Albert Einstein nannte das Phänomen ’spukhafte Fernwirkung’. Er bewies, dass alle Verbindungen und Wechselwirkungen innerhalb der Raumzeit durch Signale übertragen werden, die Zeit benötigen. Die Wechselwirkung, die eine momentane, praktisch zeitlose Verbindung erfordert, kann nicht innerhalb der Raumzeit stattfinden, solange die Einsteinsche Relativitätstheorie gültig ist.

Der fundamentale Prozess der Natur, der sich im Quantenzufall und in der Verschränkung manifestiert, muss deshalb außerhalb der Raumzeit stattfinden. Aber was existiert außerhalb der Raumzeit? Es bleibt kaum etwas anderes übrig als eine transzendente Wirklichkeit anzunehmen, in der die Raumzeit eingebettet ist. Diese transzendente Wirklichkeit hat nichts mit ähnlich klingenden Begriffen aus der Religion, Esoterik oder Philosophie zu tun. Es ist eine physikalische Wirklichkeit, denn in ihr finden offensichtlich Wechselwirkungen statt, die sich in quantenphysikalischen Experimenten manifestieren. Die Eigenschaften solch einer transzendenten Wirklichkeit hat der Mathematiker Klaus-Dieter Sedlacek in dem kürzlich erschienenen Buch mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen« beschrieben. Dieses ist auch für Nichtphysiker leicht verständlich. So beweisen letztendlich der Quantenzufall und die Existenz der ’spukhaften Fernwirkung’, dass es eine transzendente Wirklichkeit geben muss. - Manfred Sommerfeld