Hintergrundinformationen

Entdecken wir bald die Geschwister der Sonne?
Die Sonne ist eine Einzelgängerin, was fast ein bißchen schade ist. Denn befände sich das Sonnensystem in einem Sternhaufen mit Hunderten oder gar Zehntausenden Familienmitgliedern, würden sich am Nachthimmel dicht an dicht strahlende Lichter drängen. Manche unserer stellaren Nachbarn wären sogar am Tage leicht mit bloßem Auge zu entdecken. Tatsächlich aber sind Astronomen im Umkreis von 10 Lichtjahren auf gerade einmal elf Sonnen gestoßen.

Nun jedoch hat sich der niederländische Astronom Simon F. Portegies Zwart, wie er in der Titelgeschichte von Spektrum der Wissenschaft (März-Ausgabe 2009) berichtet, auf eine Reise in die ferne Vergangenheit begeben. Denn immer mehr Indizien sprechen dafür, so der Forscher von der Universität Amsterdam, dass die Sonne erst allmählich in ihre abgeschiedene Lage geriet: Auch unser Zentralgestirn könnte einst gemeinsam mit vielen anderen in einem ganzen Schwarm von Sternen geboren worden sein. Dessen Mitglieder hätten sich dann zwar im Lauf von Milliarden von Jahren allmählich über die Galaxis zerstreut. Doch einige dieser stellaren Geschwister der Sonne sollten sich, so hofft er nun, selbst heute noch in unserer Nachbarschaft finden lassen.

Den bislang überzeugendsten Beleg dafür, dass unsere Sonne tatsächlich solche engen Verwandten besitzt, hatten Forscher im Jahr 2003 entdeckt. In Meteoriten aus der Frühzeit des Sonnensystems stießen sie auf das Isotop Nickel-60, das Zerfallsprodukt des radioaktiven Eisen-60. Doch eigentlich hatten sie mit dem Fund von Eisen-60 gerechnet, weil nur dieses die entdeckten chemischen Verbindungen eingehen kann. Ihre Schlussfolgerung: Einst gelangte das radioaktive Eisen unmittelbar nach seiner Synthese in unser gerade erst im Entstehen begriffenes Sonnensystem und wurde dort in die Meteoriten eingebaut. Erst anschließend zerfiel es zu Nickel-60, sonst wären die gefundenen Verbindungen gar nicht erst entstanden. Das aber bedeutet, dass all dies in einem kosmisch gesehen extrem kurzen Zeitraum in der Größenordung der Eisen-60-Halbwertszeit geschehen sein muss: in rund 2,6 Millionen Jahren.

Das Eisen gelangte also aus der unmittelbaren Nachbarschaft ins Sonnensystem, und als wahrscheinlichste Quelle gilt ein explodierter Stern: eine Supernova, in vielleicht weniger als einem Lichtjahr Entfernung! Geriet also ein massereicher Stern zufällig in die Umgebung der jungen Sonne, um just dort zu explodieren? Das ist so unwahrscheinlich, dass Portegies Zwart und andere Forscher nun annehmen, dass die junge Sonne und der explodierte Stern vielmehr ein und demselben dicht gepackten Sternhaufen angehörten, der aus etwa 1500 bis 3500 Sternen bestand und einen Durchmesser von drei bis zehn Lichtjahren besaß.

Aus seinen bisherigen Überlegungen zieht der niederländische Astronom faszinierende und weitreichende Schlüsse. Die Sonne umkreist das galaktische Zentrum mit einer Geschwindigkeit von 234 Kilometer pro Sekunde und hat es seit seiner Entstehung rund 27 Mal umrundet. Mit ihr müssten aber ihre stellaren Geschwister unterwegs sein, die einst im selben Sternhaufen entstanden waren und sich wie die Sonne im Lauf der Zeit von diesem lösten. Zwar hat sich der ursprüngliche Sternschwarm langsam zu einem gestreckten Bogen ausgebreitet, der sich mittlerweile über die Hälfte einer Umlaufbahn erstrecken dürfte. “Meine Berechnungen zeigen aber, dass sich innerhalb eines Radius von 300 Lichtjahren um unsere gegenwärtige Position noch immer etwa 50 Geschwister der Sonne aufhalten”, so Portegies Zwart. “Sucht man in bis zu 3000 Lichtjahren Entfernung, könnte man sogar auf 400 solcher Sterne stoßen!”

Einer seiner Studenten fahndet nun bereits in einem Katalog von Sternen, die der europäische Satellit Hipparcos in den frühen 1990er Jahren ausfindig gemacht hat. Doch die größten Hoffnungen setzt Portegies Zwart auf den Satelliten Gaia, den die europäische Raumfahrtorganisation Esa 2012 starten will: Binnen fünf Jahren und mit höchster Genauigkeit soll er die Raumpositionen und Geschwindigkeiten von etwa einer Milliarde Sterne messen. Diese “Volkszählung” wird nahezu alle Sterne erfassen, die sich in einem Radius von mehreren tausend Lichtjahren um die Sonne aufhalten. In diesen Daten können die Forscher dann nach Sternen Ausschau halten, die sich in der Nähe der vergangenen und künftigen Bahn der Sonne befinden, und anschließend deren Zusammensetzung überprüfen. Sie sollte jener der Sonne ähneln, da die einstige Supernova natürlich nicht nur das junge Sonnensystem, sondern auch andere Sternsysteme im Haufen mit schweren Elementen angereichert hat.

“Identifizieren wir auch nur einen einzigen Geschwisterstern der Sonne”, sagt der Forscher, “würde uns dies wertvolle Informationen über die Frühzeit des Sonnensystems verschaffen - eine Epoche, über die wir bislang kaum etwas wissen.” Und nicht zuletzt bieten die Geschwister der Sonne exzellente Voraussetzungen für die Suche nach lebensfreundlichen Planeten. Auch wenn die Sonne heute relativ isoliert durchs Weltall treibt: Viele ihrer Besonderheiten - und nicht zuletzt die Tatsache, dass ihr Licht auch auf einen bewohnten Planeten fällt - lassen sich nur im Kontext ihrer Familiengeschichte begreifen.
Quelle: Spektrum der Wissenschaft, März 2010, Foto: © N. Walborn (NASA/STScI), J. Maíz-Apellániz (NASA/STScI) und R. Barbá (La Plata Observatory, Argentina)

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: 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.

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)

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 )

»Alles nur graue Theorie!« So lautet eine häufig geäußerte Meinung über die Quantenphysik. Ergänzend wird hinzugefügt: »Mit dem Alltag hat das nichts zu tun!« Die Meinung ist populär, zeugt aber von Unkenntnis der tatsächlichen Verhältnisse. Die Wissenschaftler sind nicht ganz unschuldig an dem Unwissen, weil sie es versäumt haben, die Allgemeinheit auf verständliche Weise über die Quantenphysik aufzuklären und auf deren enorme wirtschaftliche Bedeutung hinzuweisen. Mehr als ein Drittel der Weltwirtschaft hängt von Produkten ab, die mithilfe der Quantenphysik entwickelt wurden. weiter…

Dass Menschen eine Menge aus vier oder weniger Objekten stets fehlerfrei schätzen, ist seit 1871 bekannt. Es war der englische Ökonom W.S. Jevons, der das Bohnen-Experiment durchführte und die Ergebnisse im Wissenschaftsjournal Nature publizierte. Ab fünf und mehr Bohnen konnten seine Versuchspersonen die genaue Menge nur dann nennen, wenn sie länger in die Schachtel sehen und die Bohnen zählen durften.

Mengen aus weniger als fünf Gegenständen auf einen Blick erfassen und voneinander unterscheiden: Mit dieser Fähigkeit steht der Mensch nicht alleine da. Auch Affen, Tauben und andere Wirbeltiere können das, wie spätere Untersuchungen gezeigt haben.

Sogar Honigbienen sind dazu in der Lage. Das berichten Forscher vom Biozentrum der Universität Würzburg mit Kollegen aus Canberra (Australien) im Online-Journal PLoS ONE. “Damit haben wir erstmals nachgewiesen, dass auch wirbellose Tiere zahlenkompetent sind”, sagt Professor Jürgen Tautz von der Würzburger Beegroup.

Ablauf der Experimente

Wie die Wissenschaftler das herausfanden? Sie ließen ihre Bienen zu zwei nebeneinander stehenden Tafeln fliegen, die optisch unterschiedlich gestaltet waren. Auf der einen Tafel waren zwei Objekte abgebildet, auf der anderen nur eines.

Jede Tafel hatte außerdem ein Loch, durch das die Bienen fliegen konnten. Hinter der Tafel mit den zwei Objekten drauf fanden sie stets eine Belohnung, nämlich ein Schälchen mit zuckersüßem Wasser. Schnell hatten sie gelernt, wo das Futter versteckt war, und flogen nur noch zur Tafel mit den zwei Objekten.

Nun stellten die Forscher die Bienen auf die Probe. Sie veränderten die Anordnung der Tafeln sowie Anzahl, Farbe und Form der darauf abgebildeten Objekte.

Ergebnis: Die Bienen flogen immer zu der Tafel, auf der zwei Objekte zu sehen waren. Ob die Tafel rechts oder links stand, ob es sich bei den Gegenständen um rote Äpfel oder gelbe Punkte handelte, war ihnen egal - nur zwei mussten es sein. Zwei Objekte bedeuten Futter, das hatten die Bienen zuvor gelernt. Die richtige Tafel konnten sie auf Anhieb identifizieren.

Diesen Versuch spielten die Forscher wieder und wieder durch. Sie trainierten die Bienen mal auf Tafelpaare mit zwei und drei Objekten, dann auf welche mit drei und vier Objekten. Immer fanden die Bienen schnell heraus, zu welcher Tafel sie fliegen mussten. Erst bei Tafelpaarungen mit vier und fünf oder höheren Objektmengen scheiterten sie.

Vorteil für die Bienen

Kleine Mengen korrekt zu schätzen - worin könnte die biologische Bedeutung dieser Leistung für den Bienen-Alltag liegen? Vielleicht machen die Insekten davon Gebrauch, um schnell die Zahl der Blüten an einem Zweig oder die Zahl anderer Bienen auf einer Blüte abschätzen zu können. Und um sich dann ebenso schnell zwischen den Optionen “Landen” oder “Durchstarten” zu entscheiden.

Wozu die Bienen diese neu entdeckte Fähigkeit wirklich nutzen, das erforscht der Würzburger Doktorand Mario Pahl. Er hält sich zurzeit in Canberra auf - dort ist jetzt Sommer, und so kann er im Freiland mit Bienen experimentieren.

Antike Hochkulturen: Bruch zwischen vier und fünf

Auf eine kulturelle Besonderheit weist Professor Hans Joachim Gross, Mitglied der Beegroup und emeritierter Inhaber des Würzburger Lehrstuhls für Biochemie, angesichts des neuen Forschungsergebnisses hin: In vielen antiken Hochkulturen gibt es einen auffallenden Bruch beim Übergang von der Zahl 4 zur Zahl 5.

In der frühesten römischen Antike beispielsweise wurden die Ziffern 1 bis 8 so geschrieben: I, II, III, IIII, V, VI, VII, VIII. Im antiken Südarabien schrieben die Menschen I, II, III, IIII, U, UI, UII, UIII. Und bei den Maya in Mittelamerika sahen die Zahlen von 1 bis 8 so aus:*, **, ***, ****, I, *I, **I, ***I.

“In diesen Hochkulturen mit einem entwickelten Kalender- und Rechnungswesen hat man bewusst oder unbewusst gefühlt oder verstanden, dass Objektzahlen bis vier ohne zu zählen richtig und fehlerfrei erkannt werden und dass bereits bei fünf Punkten oder Strichen gezählt werden muss. So hat man für die Zahl fünf eigene, neue Zeichen erfunden”, so die Wissenschaftler.

Schneller rechnen: Eigene Zeichen für fünf und zehn

Der Mensch von heute? Wenn er mit Strichlisten zählt, dann macht er bis zur Zahl vier jeweils einen Strich (I, II, III, IIII). Aber statt IIIII für fünf zu schreiben, streicht er einfach die IIII mit einem Querstrich durch - und hat damit ein neues Zeichen geschaffen, das ihm das Abzählen von fünf Strichen erspart.

“Die Erfindung eines eigenen, neuen Zeichens für die Fünf beziehungsweise die Zehn macht es dem Menschen möglich, auch Zahlen wie VII und VIII auf einen Blick als sieben oder acht zu erkennen - ohne zählen zu müssen”, sagen die Forscher. Auf diese Weise könne man erheblich schneller rechnen. Dasselbe gelte für XII, XIII oder XXII etc.

“Number-based visual generalisation in the honeybee”, Hans J. Gross, Mario Pahl, Aung Si, Hong Zhu, Jürgen Tautz & Shaowu Zhang, PLoS ONE 4(1): e4263. doi:10.1371/journal.pone.0004263. Online publiziert am 28. Januar 2009

Weitere Informationen: Prof. Dr. Jürgen Tautz, T (0931) 31-84319, tautz@biozentrum.uni-wuerzburg.de, und Prof. Dr. Hans Joachim Gross, T (0931) 31-84027, http://www.beegroup.de

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.