Hintergrundinformationen

Was ist Realität? Warum läuft Zeit immer nur in eine Richtung? Was bedeutet Kausalität, also die eindeutige Zuordnung von Ursache und Wirkung? Antworten auf diese Fragen der modernen Naturphilosophie liefert die Quantenphysik. Aber auch in der Biologie spielt beispielsweise die Frage nach der Kausalität eine grundlegende Rolle.

Allerdings wirft die Frage nach der Kausalität in der Genetik Fragen auf, die sich nur philosophisch beantworten lassen. So fand das Problem, das die Rolle der Gene im Organismus betrifft, erst kürzlich eine befriedigende Lösung. Gene gelten als Informationsträger, die den Aufbau der Proteine in einem Organismus bestimmen. Zur Herstellung von Eiweißstoffen bedarf es jedoch einer äußerst komplexen biochemischen Maschinerie, zu der auch so genannte Ribosome sowie Hunderte von Enzymen gehören.

Deshalb schreibt die Entwicklungssystemtheorie allen Bestandteilen einer lebenden Zelle die gleiche kausale Rolle zu. Diese Ansicht lässt sich rein empirisch (also nur durch Experimente) nicht widerlegen, sondern nur durch philosophische Überlegungen. Die Lösung des Problems gelang durch Unterscheidung zwischen aktuellen und potenziellen Einflussgrößen: Die einen variieren tatsächlich, die anderen könnten es zwar, tun es aber nicht. Zusätzlich ist es nötig, den Begriff der so genannten kausalen Spezifität einzuführen. Sie ist erfüllt, wenn jede Ursache eine eindeutige Wirkung hat und jede Wirkung nicht zu viele verschiedene Ursachen. Mit diesen beiden Begriffen lässt sich die besondere kausale Rolle der Gene bei der Proteinsynthese begründen.

Ein Beispiel betrifft die Ontogenese: die Entwicklung vom Embryo zum ausgewachsenen Organismus. Als Hauptkontrollgene dafür gelten so genannte Homöobox-Gene, die Forscher zuerst bei der Taufliege und später bei vielen anderen Organismen einschließlich des Menschen identifiziert haben. Dabei sind an der Embryonalentwicklung eines Tiers Tausende verschiedener Faktoren beteiligt. Sie beginnt in einer befruchteten Eizelle, die nicht bloß aus Genen besteht, sondern ein chemisch äußerst komplexes Gemisch von diversen Nukleinsäuren, Proteinen, kleineren Molekülen und Fetten ist. Der Einwand “Aber die Gene steuern die Entwicklung” ist aus streng kausaltheoretischer Sicht nicht zulässig; denn “steuern” setzt einen Steuermann voraus – ein absichtlich handelndes Wesen, das es offensichtlich nicht gibt.

Noch tiefer reichen die Fragen in der Physik. Naturphilosophie versucht da nicht weniger als die Grundlagen der Natur zu klären – etwa, was Objekte, Raum und Zeit, Kausalität, Zeitrichtung und Naturgesetze sind. Die Quantenphysik erfordert es, die klassische atomistische Sicht der Natur durch eine holistische Perspektive zu ersetzen. Wie der Übergang von quantenmechanischen Phänomenen zu klassischen Eigenschaften genau abläuft, ist dabei eine offene Frage. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Juni 2011)

Buchtipp:
Supervereinigung: Wie aus nichts alles entsteht. Ansatz einer großen einheitlichen Feldtheorie

Wer vor einem Spiegel steht, hat sicher kein Problem, sich selbst von seinem Spiegelbild zu unterscheiden. Auf unsere Bewegungsmöglichkeiten hat der Spiegel keinen Einfluss. Bei quantenphysikalischen Teilchen ist das komplizierter. In einer aufsehenerregenden Forschungsarbeit in den Laboren der Universität Heidelberg gelang es Heidelberger Physikern gemeinsam mit Forschern der Technischen Universität München sowie der Technischen Universität Wien, ein Gedankenexperiment von Einstein im Labor weiterzuführen und den Unterschied zwischen einzelnen Teilchen und ihren Spiegelbildern verschwimmen zu lassen. Die Ergebnisse des Experimentes wurden nun im Fachjournal „Nature Physics“ veröffentlicht.

Wenn ein Atom spontan in eine bestimmte Richtung ein Lichtteilchen aussendet, erfährt es einen Rückstoß in die Gegenrichtung. Misst man das Lichtteilchen, kennt man daher auch den Bewegungszustand des Atoms. Das Forscherteam platzierte Atome wenige Millionstel Meter vor einem vergoldeten Spiegel – in diesem Fall gibt es für ein Lichtteilchen, das zum Beobachter gelangt, zwei mögliche Wege: Es kann direkt vom Atom zum Beobachter gekommen sein, oder es wurde in die entgegengesetzte Richtung ausgesandt, ist auf den Spiegel getroffen und dann zum Beobachter gelangt. Wenn man zwischen diesen beiden Fällen nicht unterscheiden kann, befindet sich das Atom in einer Überlagerung beider Wege.

„Bei einem sehr kleinen Abstand zwischen Atom und Spiegel kann zwischen den beiden Möglichkeiten ganz prinzipiell nicht mehr unterschieden werden“, erklärt Jiri Tomkovic, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Markus Oberthaler an der Universität Heidelberg. Ursprungsteilchen und Spiegelbild sind physikalisch nicht mehr voneinander zu trennen. Das Atom bewegt sich gleichzeitig auf den Spiegel zu und vom Spiegel weg. Was paradox klingt und für makroskopische Teilchen unmöglich ist, kennt man in der Quantenphysik schon lange.

„Diese Unsicherheit über den Bewegungszustand des Atoms bedeutet nicht, dass wir nicht genau genug gemessen haben“, betont Prof. Dr. Jörg Schmiedmayer von der TU Wien. „Das ist eine grundlegende Eigenschaft der Quantenphysik: Das Teilchen befindet sich in beiden Bewegungszuständen gleichzeitig, es ist in einem Überlagerungszustand.“ Im Experiment werden die Bewegungszustände, die das Atom gleichzeitig einnimmt – hin zum Spiegel und weg vom Spiegel – durch sogenannte Bragg-Streuung an einem Gitter aus Laserlicht wieder kombiniert. Dadurch lässt sich beweisen, dass sich das Atom tatsächlich in einem Überlagerungszustand befand.

Dies erinnert an das berühmte Doppelspaltexperiment, in dem ein Teilchen auf eine Platte mit zwei Öffnungen geschossen wird – und aufgrund seiner quantenmechanischen Welleneigenschaften durch beide Öffnungen gleichzeitig tritt. Schon Einstein machte sich darüber Gedanken, dass das nur dann möglich ist, wenn durch keine mögliche Messung entschieden werden kann, welchen Weg das Teilchen genommen hat, auch nicht durch Vermessung von winzigen Bewegungen der Doppelspalt-Platte. Sobald durch irgendein Experiment auch nur theoretisch feststellbar wäre, für welchen Weg sich das Teilchen entschieden hat, ist es vorbei mit der Quanten-Überlagerung. „In unserem Fall spielen die Lichtteilchen eine ähnliche Rolle wie ein Doppelspalt“, meint Prof. Oberthaler von der Universität Heidelberg. „Wenn das Licht prinzipiell darüber Auskunft geben kann, in welche Richtung sich das Atom bewegt, dann ist auch der Zustand des Atoms festgelegt. Nur wenn das grundsätzlich unentscheidbar ist, befindet sich das Atom in einem Überlagerungszustand, der beide Möglichkeiten vereint.“ Und genau diese Unentscheidbarkeit wird durch den Spiegel gewährleistet.

Auszutesten, unter welchen Bedingungen solche Quanten-Überlagerungen zu erkennen sind, ist eine wichtige Forschungsfrage in der Quantenphysik: Nur so lassen sich diese Effekte auch gezielt nutzen. Die Idee für dieses Experiment wurde von Jörg Schmiedmayer und Markus Oberthaler bereits vor einigen Jahren entwickelt. „Das Faszinierende daran ist“, so die Forscher, „die Möglichkeit, einen Überlagerungszustand einfach durch die Anwesenheit eines Spiegels zu erzeugen, ganz ohne Eingriff durch äußere Felder.“ Das Teilchen und sein Spiegelbild geraten ganz von selbst in eine quantenphysikalische Beziehung zueinander – ganz ohne aufwendiges Zutun der Wissenschaftler. (Quelle: idw. Bild: Kommt das Licht direkt vom Atom oder von seinem Spiegelbild? Ein Spiegel erzeugt eine quantenmechanische Überlagerung. Copyright: TU Wien)

Video: Einführungsveranstaltung zur Ringvorlesung “Die Welt des Komplexen: Emergenz, Evolution und Kausalität” am 23.10.2007

FRANKFURT. Komplexität zieht sich als Leitmotiv durch nahezu alle heutigen Naturwissenschaften und gewinnt zunehmend an Bedeutung. Am Anfang der wissenschaftlichen Revolution der Neuzeit stand das Bestreben, das Naturgeschehen durch wenige und möglichst einfache Gesetzmäßigkeiten erfassen und verstehen zu können.

Dieses Programm im Sinne des Reduktionismus war von spektakulären Erfolgen gekrönt und hat die Welt entscheidend verändert. Die Suche nach fundamentalen Bausteinen und Gesetzmäßigkeiten hat auch heute nichts von ihrer Bedeutung verloren. Dennoch ist nicht zu übersehen, dass die real existierenden Objekte der Naturbeschreibung in der Regel alles andere als einfach sind. Nahezu überall stößt man auf komplexe Systeme, die sich aus miteinander wechselwirkenden Subeinheiten zusammensetzen und bei denen das Ganze mehr ist, als die Summe seiner Teile. Das Verständnis derartiger komplexer Systeme, charakterisiert durch Begriffe wie Strukturbildung, Selbstorganisation und Emergenz neuer Eigenschaften, gehört zu den zentralen Herausforderungen an die modernen Wissenschaften.

Die Biologie steht vor der Herausforderung, die Funktion und die Organisationsprinzipien der aus Evolutionsprozessen hervorgegangenen komplexen Systeme im lebenden Organismus aufzuklären. Dies gilt für die Funktion einzelner Biomoleküle oder Molekülkomplexe und für molekulare Netzwerke und Regelkreise innerhalb der Zelle (metabolische und Proteom-Genom-Netzwerke), für das Zusammenspiel von Zellen in Organen oder für das Immunsystem.

In den Neurowissenschaften steht das wohl komplexeste in der Natur existierende System im Zentrum der Untersuchungen, das Gehirn. Die Analyse des Aufbaus und der Funktionsprinzipien der riesigen, eng verflochtenen Netze von Neuronen im Gehirn, die letztlich für die kognitiven, mentalen und psychischen Prozesse bei Mensch und Tier verantwortlich sind, macht rapide Forschritte, wenn auch der Weg zu einem detaillierten Verständnis noch sehr weit ist.

In der Physik, die als erste der Naturwissenschaften den Weg zu einem quantitativen und theoretisch-mathematisch fundierten Verständnis beschritten hat, standen zunächst einfache, gut analysierbare Teilsysteme im Vordergrund. Spätestens mit der Entwicklung der nichtlinearen Dynamik und der Chaostheorie im 20. Jahrhundert wurde jedoch auch hier die Rolle der Komplexität klar. Das gilt für fast alle Vielteilchensysteme, ja selbst das Vakuum weist im Rahmen der Quantentheorie Züge großer Komplexität auf.

Die Rolle der Komplexität in der Chemie folgt schon aus ihrer Verankerung in der Physik, da chemische Moleküle Paradebeispiele für Vielteilchensysteme darstellen. Struktur, Funktion und Dynamik großer Makromoleküle sind im Grenzbereich zwischen Chemie, Physik und Biologie angesiedelte Fragestellungen. Von den supramolekularen chemischen Strukturen, die die Grundlage vieler Prozesse in der lebenden Zelle bilden, gibt es einen nahtlosen Übergang zum aktuellen Gebiet der atomaren Cluster und Nanostrukturen mit großem technischem Anwendungspotenzial. Quelle: idw
Mehr zum Thema:
Emergenz: Strukturen der Selbstorganisation in Natur und Technik

Wenn man eine drohende Katastrophe schon nicht vorausberechnen kann, dann kann man wenigstens Statistik betreiben. Die einzelne Wasserwelle, die an die Küste schwappt, ist weder vorhersagbar noch besonders interessant – es sei denn, sie wäre höher als der Deich, und das kommt glücklicherweise selten vor. Es müssten sich schon die Effekte, die die kleinen Wellen verursachen, alle mit dem gleichen Vorzeichen zur gleichen Zeit zusammentun, damit eine solche Katastrophe eintritt.

Einige dieser Effekte sind bekannt und ohne weiteres berechenbar: Das sind Ebbe und Flut. Von den anderen nehmen wir an, dass sie vom Zufall verursacht sind, und zwar alle von derselben Sorte Zufall. Über diesen Zufall stellt man Vermutungen an, gleicht diese mit der bisher beobachteten Realität ab und kommt so zu einer brauchbaren Prognose. Nicht wann die nächste Sturmflut kommt und wie hoch sie ausfällt, aber immerhin Aussagen der Art, dass eine Sturmflut von mehr als acht Metern Höhe im Durchschnitt nur alle hundert Jahre zu erwarten ist.

Das ist alles wohletablierte Mathematik. Carl Friedrich Gauß (1777–1855) hat, neben anderen mathematischen Großtaten, dafür die theoretische Grundlage gelegt, und wir durften immerhin fast zehn Jahre lang das wesentliche Ergebnis, nämlich die gaußsche Glockenkurve samt Formel, mit uns herumtragen – in Gestalt des letzten Zehnmarkscheins. Der Ärger ist nur: Die Realität hält sich nicht an die Theorie. Ein Ereignis, sagen wir ein Hochwasser, ist umso seltener, je höher es ist. Aber die Gauß-Kurve sagt darüber hinaus, die ganz großen Hochwässer müssten geradezu absurd selten sein. Was nicht der Fall ist, denn sie kommen ja vor.

Darauf stellen sich die nahe liegenden Fragen: Was ist falsch an der Theorie? Und wie kann man es besser machen? Die erste Frage ist schnell beantwortet: Unter den Annahmen, die der Gauß-Verteilung zu Grunde liegen, ist auch die Linearität. Zwei verschiedene Effekte addieren sich einfach auf. Das ist zwar für Wasserwellen der Fall – in der Experimentierwanne des Physikers. Im Ozean mit seinem zuweilen gebirgigen Meeresboden und der großen Ausdehnung stimmt das offensichtlich nicht mehr. Seit man auf Satellitenbildern sogar die Höhe einzelner Wellenkämme bestimmen und auszählen kann, ist erwiesen, dass die Monsterwellen, die ganze Schiffe zerbrechen können, kein Seemannsgarn sind. Bei Erdbeben scheint es sogar einleuchtend, dass die doppelte Gesteinsverschiebung zwar die doppelte Spannung im Gestein aufbaut, aber die Entladung dieser Spannung, das heißt das Erdbeben, vielleicht viel schlimmer als nur doppelt so stark ausfällt.

Die zweite Frage ist viel schwieriger. Wenn das Phänomen nichtlinear ist, kommen viel mehr theoretische Modelle in Frage, als man durch Abgleich mit den Daten aussortieren kann. Vielleicht bleibt eine große Wasseranhäufung lange genug bestehen, um eine über sie hinweglaufende Welle wie eine Sammellinse zu bündeln, mit dramatischen Wirkungen im Brennpunkt der Linse. Bei den Erdbeben kommt man immerhin zu Aussagen der Art, dass ein Erdstoß das Gestein in dieser Region so weit entlastet hat, dass der nächste eine Weile auf sich wird warten lassen. Aber eine Theorie mit überprüfbaren Vorhersagen ist das in beiden Fällen noch nicht.

Wie Frank Grotelüschen in der neuesten Ausgabe von “Spektrum der Wissenschaft” berichtet, verfallen die Wissenschaftler in dieser Situation auf mehrere Auswege. Erstens Statistiken, die kein theoretisches Modell voraussetzen, sondern nur Datenreihen aus der Vergangenheit intensiv analysieren. Man passt Kurven mit freien Parametern diesen vergangenen Daten an und hofft, dass die unbekannten Mechanismen hinter dem Phänomen sich nicht wesentlich geändert haben. Das lässt die Warnung vor einer Katastrophe angesagt erscheinen, wenn die aktuellen Daten genauso aussehen wie die Daten vor der letzten Katastrophe. In Zeiten des Klimawandels kann man sich allerdings nicht einmal auf die Konstanz der zu Grunde liegenden Mechanismen verlassen.

Zweitens “Spielzeugmodelle”. Da studiert man tatsächlich statt echter Erdbeben Lawinen an Sandhaufen, die von oben mit frischem Sand berieselt werden. Das ist auf den zweiten Blick gar nicht so albern: In beiden Fällen bauen sich Energien auf, die sich plötzlich wieder entladen. Die Größe der Sandlawinen verteilt sich nach einem Muster, für das man sogar, weil Sandhaufen vergleichsweise einfache physikalische Systeme sind, eine Theorie findet. Das ergibt wieder eine Schar von Kurven mit freien Parametern; und vielleicht gelingt es ja, auf diesem Wege sogar eine brauchbare Erdbebenprognose zu erstellen. Allerdings muss man dafür warten, bis ausreichend extreme Ereignisse eingetreten sind. Die sind zwar nicht so selten, wie die klassische Theorie vorhersagt, aber immerhin so selten, dass es sehr schwierig ist, daran die richtigen von den falschen Theorien zu unterscheiden. Seien wir froh darüber. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Januar 2010 - Abb. Temari09 (flickr) cc-by-sa )

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…

Das Konzept der Quantenteleportation - der “spukhaften” vollständigen Übertragung des Zustandes eines Quantensystems an einen beliebigen anderen Ort - wurde experimentell zunächst zwischen zwei verschiedenen Lichtstrahlen verwirklicht. Später gelang es auch, die Eigenschaften eines gespeicherten Ions auf ein anderes gleichartiges Objekt zu übertragen. Ein Team von Wissenschaftlern um Prof. Ignacio Cirac am MPQ sowie um Prof. Eugene Polzik am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen hat jetzt gezeigt, dass die Quantenzustände eines Lichtpulses auch auf ein makroskopisches Objekt, ein Ensemble aus 1012 Atomen, transferiert werden können.  Damit ist erstmals die Teleportation zwischen Objekten unterschiedlicher Natur gelungen, die einerseits “fliegende” (Licht) bzw. “stationäre” Medien (Atome) repräsentieren. Das hier vorgestellte Ergebnis ist nicht nur für die Grundlagenforschung interessant, sondern vor allem auch für die praktische Anwendung bei der Realisierung von Quanten-Computern oder der Übermittlung verschlüsselter Daten (Quantenkryptographie).

Seit Beginn der 90er Jahre hat die Erforschung der Quantenteleportation bei theoretischen und experimentellen Physikern Hochkonjunktur. Bei der Übermittlung von Quanteninformationen tritt ein grundsätzliches Problem auf: Nach der Heisenbergschen Unschärferelation lassen sich zwei komplementäre Eigenschaften eines Quantenteilchen - etwa Ort und Impuls - nicht gleichzeitig präzise messen. Die gesamte Information des Systems muss also übertragen werden, ohne dass man sie vollstän-dig kennt. Doch die Natur der Teilchen hält auch die Lösung für dieses Problem bereit: Sie liegt in der Möglichkeit, zwei Teilchen miteinander so zu “verschränken”, dass deren Eigenschaften perfekt korre-liert sind. Misst man eine bestimmte Eigenschaft an einem der “Zwillingsteilchen”, so ist damit die entsprechende Eigenschaft des anderen automatisch und mit sofortiger Wirkung festgelegt.

Mit Hilfe verschränkter Teilchen lässt sich eine erfolgreiche Quantenteleportation in etwa folgendermaßen durchführen: Man erzeugt ein Hilfspaar von miteinander verschränkten Teilchen, die jeweils an “Alice” bzw. “Bob” verschickt werden. (Die Bezeichnungen “Alice” und “Bob” haben sich eingebürgert, um das Versenden von Quanteninformationen von A nach B zu beschreiben). Alice verschränkt nun das Objekt, das sie teleportieren will, mit einem der Hilfsteilchen, und misst anschließend den gemeinsamen Zustand (Bell Messung). Das Ergebnis schickt sie auf klassischem Weg an Bob. Der wendet es auf sein Hilfsteilchen an und “zaubert” daraus - das Teleportationsobjekt.

Handelt es sich bei solchen “Gebrauchsanleitungen” um bloße Gedankenspiele? Die große Herausforderung für theoretische Physiker besteht darin, Konzepte auszuarbeiten, die sich auch in die Praxis umsetzen lassen. Das hier beschriebene Experiment, das von einem Forscherteam um Prof. Eugene Polzik am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen durchgeführt wurde, geht auf einen Vorschlag von Prof. Ignacio Cirac, geschäftsführender Direktor am MPQ, und seinem Mitarbeiter Dr. Klemens Hammerer (damals ebenfalls MPQ, seit kurzem Universität Innsbruck) zurück.

Zunächst wird das “Zwillings-Pärchen” erzeugt, indem ein starker Lichtpuls auf ein mit Cäsiumgas (etwa 1012 Atome) gefülltes Glasröhrchen geschickt wird. Die magnetischen Momente der Gasatome werden in einem homogenen Magnetfeld ausgerichtet. Auch das Licht hat eine Vorzugsrichtung: es ist polarisiert, d.h. das elektrische Feld schwingt nur in einer Richtung. Unter diesen Bedingungen treten Licht und Atome miteinander in Wechselwirkung, so dass der nach dem Gang durch das Gas austretende Lichtpuls, der an Alice geschickt wird, mit dem Ensemble von 1012 Cäsiumatomen, das sich bei Bobs Aufenthaltsort befindet, “verschränkt” ist.

Alice mischt den ankommenden Puls mit Hilfe eines Strahlteilers mit dem Objekt, das sie teleportieren will: einem schwachen, nur wenige Photonen enthaltenden Lichtpuls. Die resultierenden Lichtpulse an den beiden Ausgängen des Strahlteilers werden mit Photodetektoren gemessen, und die Messergebnisse werden an Bob gesandt.

Aufgrund der Messergebnisse weiß Bob, was zu tun ist, um die Teleportation abzuschließen und die ausgewählten Quantenzustände des Lichtpulses, Amplitude und Phase, auf das atomare Ensemble zu übertragen. Dazu legt er ein niederfrequentes Magnetfeld an, das den kollektiven Spin (Eigendrehimpuls) des Systems zum Schwingen bringt. Dieser Vorgang lässt sich vergleichen mit der Präzession eines Kreisels um seine Hauptachse: Die Auslenkung des Kreisels korrespondiert mit der Amplitude des Lichtes, während der Nulldurchgang der Phase entspricht.

Um nachzuweisen, dass die Teleportation erfolgreich war, wird nach 0,1 Millisekunden ein zweiter starker Puls polarisiertes Licht auf das atomare Ensemble geschickt, der dessen Zustand gewissermaßen “ausliest”. Aus diesen Messwerten können die theoretischen Physiker die so genannte “Fidelity” berechnen, eine Gütezahl, die angibt, wie gut der Zustand des teleportierten Objektes mit dem Original übereinstimmt. (Eine Gütezahl von 1 entspricht einer perfekten Übertragung, während der Wert Null bedeutet, dass gar keine Übertragung statt gefunden hat.). Im vorliegenden Experiment beträgt die Gütezahl 0,6 und liegt damit deutlich über dem Wert von 0,5, der bestenfalls auf klassischem Weg, z.B. durch Übermittlung der Messwerte per Telefon, ohne Beteiligung von verschränkten Teilchen, zu erreichen wäre.

Anders, als es der geläufigen Vorstellung von “Beamen” entspricht, ist hier nicht ein Teilchen von einem Platz verschwunden und an einem anderen Platz wieder aufgetaucht. “Es geht bei der Quantenteleportation um Kommunikationsmethoden mit Anwendung in der Quantenkryptographie, der Verschlüsslung von Daten, und nicht um neuartige Verkehrswege”, betont Dr. Klemens Hammerer. “Die Bedeutung des Experimentes liegt darin, dass erstmals eine Teleportation zwischen Atomen, die stationäre Quantenspeicher darstellen, und Licht, das man für die Übertragung von Informationen über weite Strecken braucht, gelungen ist. Damit ist ein wichtiger Schritt getan, Quantenkryptographie, d.h. absolut sichere Kommunikation über lange Distanzen, etwa zwischen München und Kopenhagen, zu ermöglichen.” [O.M.] (Quelle: idw)

Der Nobelpreisträger Max Planck (1858-1947) war einer der Pioniere der Quantenphysik und deshalb nicht verdächtig einem esoterischen Weltbild anzuhängen. Er vermutete hinter der Kraft, welche die Atomteilchen in Schwingung bringt und die Materie zusammenhält »einen bewussten, intelligenten Geist«. Diesen hielt er für den »Urgrund aller Materie«. Das waren seine Worte auf einem Vortrag, den er 1944 in Florenz hielt. Er sagte außerdem noch, dass es »keine Materie an sich gibt«.

Das materialistische Weltbild des 19. Jahrhunderts, dessen Nachbeben wir bis heute spüren, sah Materie als etwas an, das aus ewigen, unteilbaren und unvergänglichen Atomen aufgebaut ist. Über das, was es mit der angeblichen Unteilbarkeit von Atomen auf sich hat, weiß die Allgemeinheit zumindest seit Hiroshima Bescheid. Was die Allgemeinheit weniger weiß ist, dass die Atomspaltung nicht nur mit Zerstörung gleichzusetzen ist, sondern einhergeht mit Erkenntnissen, denen wir das Handy, den CD-Player, den PC und den Scanner in den Supermarktkassen verdanken. Wie von Zauberhand erscheinen nach dem Scannen der Ware Preise auf dem Kassendisplay. Welchen Vorstellungen von der Materie verdanken wir diese Errungenschaften unserer Wissenschaft, die einen mittelalterlichen Magier zum größten Zauberer seiner Zeit gemacht hätten, wenn er sie nur hätte vorführen können?

Für die heutige Physik gehört alles zur Materie, was aus Elektronen und Quarks und zwar aus Up-Quarks und Down-Quarks aufgebaut ist. Das muss man erst einmal verinnerlichen: Materie ist alles, was aus nur drei elementaren Bestandteilen besteht! Egal ob Gold, Blei, Wasserstoff oder Kohlenstoff. Egal ob ein Holzstuhl oder ein Hamburger. Alles besteht nur aus drei sogenannten Elementarteilchen: den Elektronen und zwei Sorten Quarks.

Elektronen kann man leicht erzeugen und beobachten. Die alten Röhrenfernseher liefern ein Zeugnis davon. Bei den Quarks ist das anders. Noch nie hat jemand Quarks beobachten, geschweige denn vorführen können. Und dennoch sollen die Protonen und Neutronen im Kern des Atoms aus diesen Quarks bestehen. Die Physiker schließen auf die Existenz von Quarks aufgrund von Beobachtungen, die sie machen, wenn sie in den Teilchenbeschleunigern wie CERN Protonen des Atomkerns mit anderen Teilchen und hoher Geschwindigkeit zusammenstoßen lassen. Das ist so, als würde man davon ausgehen, dass ein Fliegengewichtsboxer, der ein Schwergewicht K. O. schlägt, ein Hufeisen in seinem Boxhandschuh versteckt habe. Bevor man nicht in den Boxhandschuh reinschauen kann, weiß man es aber nicht.

Noch seltsamer mutet einem die Vorstellung von Materie an, wenn man weiß, dass Atome fast ausschließlich aus leerem Raum bestehen. Der Atomkern, in dem man die Protonen mit den Quarks finden kann, macht höchstens den zehntausendsten Teil des Atomdurchmessers aus. Der Raum um den Kern herum ist der Bereich, für den es eine größere Wahrscheinlichkeit gibt, dass man dort ein Elektron findet. Aber das gilt nicht als sicher. Die Regeln der Quantenphysik besagen, dass man das Elektron eines bestimmten Atoms genauso gut auch in New York oder sonst wo im Weltall finden kann, wenn auch mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit. Aber unmöglich ist es nicht.

Völlig unerklärlich ist, dass Atome, Elektronen oder Protonen bei bestimmten Untersuchungen überhaupt nichts Materielles mehr an sich haben. Sie scheinen Welleneigenschaft zu besitzen und auf dem Beobachtungsschirm tauchen Wellenmuster auf. So verflüchtigt sich auf einmal das noch verbliebene Materielle an der Materie. Wenn es »keine Materie an sich gibt«, wie Planck sagte, was ist es dann, was die Materie ausmacht? Ist es eine Art Geist?

Eine Form von Geist, der in der Materie steckt, ist Information. Das kann man sich klar machen, wenn man ein Beispiel betrachtet, das drei Bausteine zum Gegenstand hat und damit dem Aufbau der Atome aus drei Elementarteilchen entspricht. Beispielsweise kann man sich zwei Kinder, einen Jungen und ein Mädchen vorstellen. Sie besitzen einen Eimer voll mit Lego-Bausteinen. Es sind drei Sorten Steine, nämlich solche mit zwei, vier und acht Noppen. Aus diesen Steinen baut das Mädchen ein kleines Puppenhaus mit zwei Zimmern, Möbeln, Ofen usw. Der Junge baut dagegen eine große Burg mit mächtigen Mauern, Zinnen, Toröffnung und Graben.

Die Frage ist nun, worin sich Puppenhaus und Burg unterscheiden? Beide Bauwerke sind aus den gleichen Steinen hergestellt. Die einzige Unterscheidung zwischen Puppenhaus und Burg ist die Zahl und Anordnung der Steine. Das gleiche gilt für unsere Welt, in der die unterschiedlichen Elemente Gold, Blei, Wasserstoff oder Kohlenstoff usw. sich nur in der Zahl und Anordnung der Elementarteilchen unterscheiden. Da alle Materie aus den Elementen aufgebaut ist, unterscheidet sich alles, was materiell existiert nur durch die Zahl und Anordnung der Elementarteilchen.

Die Anordnung ist nichts anderes als Information. Die Formen, anhand denen man erkennt, ob es sich um ein Puppenhaus oder eine Burg handelt, sind Informationen und auch die unterschiedlichen Formen und Muster der materiellen Welt sind alles Informationen. Aber Information ist sicher nicht der Geist, den Planck meinte. Denn Information ist nichts Lebendiges. Information ist passiv. Planck sprach dagegen von einem bewussten, intelligenten Geist und ein bewusster Geist ist etwas Lebendiges.

Einen Hinweis auf diesen bewussten Geist finden wir in der Interpretation der physikalischen Experimente mit Quanten. Quanten sind winzige Energiepakete, die sich je nach Art der Messung als Wellen oder Teilchen zeigen. Wegen dieses Verhaltens gelten Atome, Elektronen, Photonen (Lichtteilchen) und dergleichen - gleichgültig, ob die Objekte zur Materie zählen oder nicht - alle als Quanten. Zu einem der wichtigsten Experimente der Quantenphysik gehört jenes, bei dem man Lichtteilchen oder Elektronen auf eine Wand schickt, in der sich ein kleiner Doppelspalt befindet. Dahinter fängt man auf einem Beobachtungsschirm auf, was durch die Spalte hindurchkommt. Auf diese Weise beobachtet man das Verhalten der Quantenobjekte und kann es interpretieren.

Um Bewusstsein bei Quanten feststellen zu können, muss man wissen, anhand welcher Kriterien man Bewusstsein überhaupt feststellen kann. Bewusstsein ist kein Untersuchungsgegenstand der Quantenphysik. Deshalb findet man in dieser Disziplin keine geeigneten Kriterien zur Erkennung von Bewusstsein. Hier muss die Psychologie aushelfen. Die Psychologie hat mithilfe geeigneter Kriterien schon bei zahlreichen Tierarten Bewusstsein nachgewiesen. Das Hauptkriterium zur Erkennung einer primären Form von Bewusstsein, das allerdings noch nicht das höhere Ich-Bewusstsein einschließt, ist erstens die Fähigkeit, sich auf unerwartete Veränderungen der Wirklichkeit einzustellen und zweitens ein nicht sicher vorhersehbares, eigengesteuertes Verhalten.

Das ist aber genau das, was man an dem Verhalten von Lichtteilchen oder anderen Quanten feststellen kann, die offensichtlich selbst entscheiden, welchen Weg sie an einem Strahlenteiler durchlaufen oder welche Polarisierung sie bei einer Polarisationsmessung annehmen. Es gibt keine Formeln oder physikalischen Gesetze, anhand derer man dieses Verhalten vorausberechnen könnte. Man hat nur die Möglichkeit das Verhalten mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorauszusagen. Sicherheit gibt es aber nicht. Und das entspricht beim Kriterium für primäres Bewusstsein, dem nicht sicher vorhersehbaren, eigengesteuerten Verhalten.

Immer wenn Lichtteilchen sich unbeobachtet glauben, bilden sie ein Wellenmuster auf dem Beobachtungsschirm beim Doppelspaltexperiment. Sie sind allerdings sehr eigenwillig: Wenn man nämlich einzelnen Quanten nachspürt, um mehr zu erfahren, verschwindet das Wellenmuster und es bleiben nur noch zwei Streifen übrig. Das gleiche gilt, wenn man abwechselnd einen der Spalte schließt, um mit Sicherheit sagen zu können, durch welchen Spalt ein bestimmtes Lichtteilchen gegangen ist. Die Quanten stellen sich auf alle Veränderungen der Wirklichkeit sofort ein. Ein Psychologe würde aus dem eigenwilligen Verhalten schließen, dass Quanten primäres Bewusstsein zeigen.

Planck kannte natürlich die grundlegenden Experimente der Quantenphysik einschließlich des Doppelspalt-Experiments. So ließ ihn möglicherweise das in den Experimenten offengelegte Verhalten der Materie zu dem Schluss kommen, dass ein bewusster, intelligenter Geist der »Urgrund aller Materie« ist. - Klaus-Dieter Sedlacek

Der Text enthält zum Teil Inhalte aus dem Sachbuch mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein – Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen« (ISBN 978-3837043518 )

Projezierte Dichte der Dunklen Materie in einer simulierten Galaxie mit der Größe der Milchstraße. Myriaden von Klumpen aus Dunkler Materie kreisen in dem Halo der Galaxie. Ihre dichten Zentren strahlen energiereiche Gammastrahlung ab, die durch gegenseitige Vernichtung von Teilchen der Dunklen Materie erzeugt wird.Bild: Max-Planck-Institut für Astrophysik

Supercomputer berechnen, wo Astrophysiker gezielt suchen müssen

Ein internationales Team von Astrophysikern, das Volker Springel vom Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) in Garching leitet, hat jetzt mithilfe eines der größten Supercomputer Europas gezeigt, wohin das neueste Satellitenobservatorium der Nasa blicken muss, um die geheimnisvolle Dunkle Materie im Universum zu entdecke.

Das Fermi-Teleskop, das schon seit einigen Monaten den Himmel nach Gammastrahlen durchsucht, könnte in den nächsten Jahren ein schwaches Glimmen der Dunklen Materie aufspüren. Während deren Gravitationswirkung bereits vor über 75 Jahren entdeckt wurde, bleibt die Dunkle Materie bis heute für alle Teleskope unsichtbar, obwohl sie rund 85 Prozent aller kosmischen Materie ausmacht. Unter den richtigen Bedingungen könnte diese neue Art von Elementarteilchen genügend Gammastrahlen produzieren, um vom Fermi-Teleskop entdeckt werden zu können. Darüber hinaus soll der Teilchenbeschleuniger “Large Hadron Collider” (LHC) in der Nähe von Genf Belege dafür finden.

Aber wohin soll das Fermi-Teleskop ausgerichtet werden, um die Gammastrahlen-Signatur der Dunklen Materie zu sehen? Astrophysiker aus Deutschland, Großbritannien, Kanada und den Niederlanden, die sich zum “Virgo-Konsortium” zusammengeschlossen haben, simulierten jetzt mithilfe eines extrem leistungsfähigen Supercomputers am Leibniz-Rechenzentrum in Garching die Entstehung der Strukturen Dunkler Materie, die eine Galaxie wie unsere Milchstraße umgeben. Solche Halos sind mehr als eine Billion Mal so massiv wie unsere Sonne und stellen die Grundeinheiten der kosmischen Struktur dar.

Der Halo der Milchstraße entstand vermutlich durch eine Reihe gewaltiger Kollisionen viel kleinerer Klumpen, die aus dem Urknall hervorgingen, und dann verschmolzen. Die meisten davon wurden auseinandergerissen, aber einige haben den Prozess überstanden. Die größten davon beherbergen heute bekannte Satellitengalaxien wie die Magellanschen Wolken oder die Sagittarius-Zwerggalaxie. Andere Klumpen waren zu klein, als dass Sterne aus ihnen hätten entstehen können. Astronomen vermuten aber, dass sie sich immer noch im Halo unserer Galaxie verbergen, wenngleich kein Teleskop sie bisher entdeckt hat.

Gammastrahlen werden in Regionen mit einer hohen Dichte von Dunkler Materie erzeugt, wenn die Teilchen zusammenstoßen und zerstört werden. Viele Kosmologen gehen bisher davon aus, dass das Fermi-Teleskop nach Gammastrahlen aus den Trabanten der Milchstraße suchen solle, da deren Zentren sehr dicht sind. Die Simulationen des Virgo-Teams zeigen aber, dass dies nicht der beste Ort für die Suche ist. Die sorgfältigen Berechnungen der Wissenschaftler belegen, dass Signale am leichtesten in Regionen der Milchstraße entdeckt werden könnten, die zwar innerhalb der Umlaufbahn der Sonne um das galaktische Zentrum, aber nicht zu nah an diesem liegt.

Auf der Suche nach Gammastrahlen

Genau ins Zentrum zu blicken, wäre eine schlechte Strategie für das Fermi-Teleskop. Das Signal könnte dabei durch Gammastrahlen von anderen Quellen, wie beispielsweise den Überbleibseln von Supernovae oder von Gaswolken gestört werden, in denen sich Sterne bilden. Stattdessen empfehlen die Wissenschaftler, 10 bis 30 Winkelgrade außerhalb des Zentrums zu suchen. Die Dunkle Materie sollte dort in einem sich gleichmäßig verändernden und charakteristischen Muster leuchten.

“Wenn das Teleskop tatsächlich die vorausberechnete Emission aus dem gleichmäßigen inneren Halo der Milchstraße entdeckt, dann könnte es, wenn wir Glück haben, auch Gammastrahlen aus kleinen (und ansonsten unsichtbaren) Klumpen von Dunkler Materie sehen, die zufällig besonders nah an der Sonne liegen”, sagt Volker Springel, der die Rechnerkalkulation überwachte. Diese Klumpen werden deutlich lichtschwächer sein als der Haupthalo, könnten aber dennoch entdeckt werden. Die bekannten Satellitengalaxien würden ebenfalls in Gammastrahlen sichtbar sein, obwohl ihre Entdeckung aufgrund ihres größeren Abstandes noch schwieriger ist.

Die Simulation benötigte insgesamt 3,5 Millionen Rechnerstunden. “Mitunter glaubte ich, sie wird nie fertig”, sagt Volker Springel.

“Diese Berechnungen erlauben uns endlich, zu sehen, wie die Verteilung der Dunklen Materie nahe der Sonne aussehen sollte”, erklärt Simon White, Direktor am Max-Planck-Institut für Astrophysik. “Das Rätsel um die Dunkle Materie zu lösen, wäre eine der größten wissenschaftlichen Leistungen unserer Zeit. Es ist bemerkenswert, dass sogar theoretische Fortschritte auf einem so wichtigen Gebiet jetzt in internationaler Zusammenarbeit erzielt werden”, sagt Carlos Frenk, Direktor des Institute for Computational Cosmology an der Durham University. (Quelle: idw)