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
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Emergenz: Strukturen der Selbstorganisation in Natur und Technik

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)

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 )

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)