Zur Quantenphysik

(siehe dazu mein Buch "Physik für Enkel" im Verlag BoD)

 

Demokrit von Abdera, Zeitgenosse von Sokrates und Platon, prägte etwa 440 v.Chr. den Begriff «Atom» (atomos = un-teil-bar). Der Terminus Atom von Demokrit ist nicht mehr mit dem unseren identisch, vielmehr besteht aus heutiger Sicht eine Beziehung zu den Quanten. Der Aphorismus von Platon (ca. 428 – 348 v.Chr.) «Erkennen ist blosse Erinnerung», der uns von Aristoteles überliefert wurde, bedarf aus heutiger Sicht ebenfalls einer Neuinterpretation.

 

Aristoteles (384 -322 v.Chr.), Schüler von Platon, nannte die Erdkugel das Zentrum des Universums (geozentrisch), um das sich die 5 Elemente (Erde, Wasser, Luft, Feuer, Äther) ansammelten. Von ihm stammt die Aussage: „Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile“. Auch dieses Zitat muss neu interpretiert werden.

Mit Leonardo Pisano (ca. 1170 – 1240), bekannt als Fibonacci und bekannt durch seinen rekursiven Algorithmus a_n + a_n-1 = a_n+1 (z.B. 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21…) mit seiner Beziehung zur Evolution in der Tierwelt, begann ein neues Zeitalter für die Mathematik. Leonardo da Vinci (1452 – 1519) schliesslich entdeckte die spiralförmige Anordnung der Blätter und Blütenblätter langstieliger Pflanzen und gab ihnen eine mathematische Struktur (Divergenzwinkel ω = 137.5°), ganz in der Tradition von Pythagoras (ca. 570 – 510 v.Chr.), für den die Schöpfung auf einer mathematischen Struktur aufgebaut war, die heute in der Quantenphysik und in der Stringtheorie eine Renaissance erlebt.

 

Wiederum eine neue Epoche begann mit Johannes Gutenberg (1400 – 1468), dem Erfinder des modernen Buchdrucks, und Martin Luther (1483 – 1546), dessen Bibelübersetzung für die deutsche Schrift ein Segen war. Sein Postulat des freien Subjektes, des Individuums (als Pendant zu atomos) und des eigenen Gewissens markiert den Anfang zur Befreiung der Menschen aus der geistigen Knechtschaft des Klerus.

 

Johannes Kepler (1571 – 1630), protestantischer Theologe, Astronom und Mathematiker, entdeckte und berechnete die Ellipsenbahnen der Planeten. Auch propagierte er einen Strahlungsdruck (Impuls) des Lichts im sonnenabgewandten Schweif der Kometen.

 

Durch René Descartes (1596 – 1650) wurde die analytische Denkweise in die Physik eingeführt einerseits durch den systematischen Zweifel  für jede wissenschaftliche Hypothese, anderseits durch die fundamentale Unterscheidung zwischen der Res cogitans (Es als Neutrum!), der subjektiven Erkenntnis an sich und der Res extensa (räumliches Es), der Physis mit ihrer Objektivität an sich. Dieser Zerlegung verdanken wir die sprachliche Begriffsfassung in den Naturwissenschaften. Genial ist seine Urheberschaft für die Schreibweise der Exponenten (x^d) und für die analytische Geometrie mit ihren Koordinaten. Sein Prinzip der Abtrennung von Eigenschaften und des gleichzeitig sinnvollen wieder Zusammenfügens in einem rechtwinkligen Koordinatensystem war der Beginn der modernen Physik.

Isaac Newton (1643 – 1727) und Gottfried Wilhelm Leibniz (1646 – 1716) führten die Differential- und Integralrechnung ein, so dass wir heute Geschwindigkeit und Beschleunigung für jeden Zeitpunkt darstellen und berechnen können. Newton zeigte, wie Sonnenlicht nach seiner Zerlegung in die 7 Spektralfarben durch weitere Prismen nicht weiter aufspaltbar ist (weil der Lichtstrahl gequantelt ist!). Seine Erwähnung von «Lichtteilchen» (Photonen) wurde später durch Einstein experimentell bestätigt. Leibniz[1] entwickelte und veröffentlichte 1703 das erste Schema zum Binärsystem, entscheidend für die heutige Informatik; interessant ist seine Anmerkung: «Omnibus ex nihilo ducendis sufficit unum» («Um alles aus dem Nichts zu entwickeln genügt die Eins») und zu ergänzen ist: «und die Null!».

Daniel Bernoulli (1700 -1782), Arzt und Mathematiker, gab dem Atom ein «Gesicht»: Wenn ein Gas in einem Glasbehälter auf seine Hälfte zusammengepresst wird, steigt der Gasdruck auf das Doppelte, weil die darin sich bewegenden Atome nur den halben Weg bis zur Glaswand zurücklegen müssten und dadurch würden sich die Aufprallereignisse (Impulse) verdoppeln. Daraus schöpfte Amadeo Avogadro 1811 die Regel, dass gleiche Volumina verschiedener idealer Gase bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die gleiche Anzahl «Moleküle» enthalten (N_A ≈ 6.02 ∙ 10²³ mol^-1).

 

Thomas Young (1773 – 1829), ein englischer Augenarzt, liess 1807 monofarbiges Licht über zwei auf einer Platte eng bei einander liegende Spalten fallen. Dabei entstanden nur bei gleichzeitig geöffneten Spalten auf dem Auffangschirm helle und dunkle Flecken, «wie von Wellen». Er propagierte (wie zuvor Christian Huygens, 1629 – 1695), dass das Licht eine Welle in Analogie zur Wasserwelle sei - ein trügerischer Vergleich, so sind nach Richard Feynman (1918 – 1988)[2] «Wasserwellen das schlechteste Beispiel, da sie in keinerlei Hinsicht wie Schall oder Licht sind; sie zeigen alle Schwierigkeiten, die Wellen besitzen können.»[3] Von Young stammt der Begriff Energie, was bis anhin «Lebenskraft» genannt wurde.

 

Ernest Rutherford (1871 – 1937) erkannte 1903 in Cambridge im ausgestossenen α-Teilchen des Radiums (dieses wird zu Radon) eine Abspaltung mit dem Atomgewicht 4 (= Helium). Nun galt das bisher so bezeichnete Atom nicht mehr als unteilbar.

 

Hans Geiger (1882 bis 1945) entdeckte, dass α-Teilchen beim Durchtritt durch eine dünne Goldfolie gestreut wurden, aber im Mittel jedes achttausendste um 180° gedreht zurückprallte (vgl. die Reflexion von Photonen am Fensterglas und der dadurch entstehende Spiegeleffekt), so dass Ernst Rutherford 1909 daraus schloss, dass in allen Atomen ein extrem kleiner Nucleus, ein Atomkern sitzen muss, bestehend aus Protonen und Neutronen.

Joseph John Thomson verifizierte 1909 bei der Untersuchung der Kathodenstrahlen die von George Johnstone Stoney propagierten negativ geladenen Elektronen. Nun galten die Protonen und Elektronen als unteilbar, sie sind nun die neuen «Atome».

_______________________

Parallel zur Kernphysik entwickelte um 1900 Max Planck (1858 – 1947) seine Quantenhypothese. Nach der Theorie von James Clerk Maxwell (1831 – 1879) durchlaufen die elektromagnetischen Wellen in einem idealisierten schwarzen Backofen (gemäss Literatur) nur immer vollständige Schwingungszyklen mit den entsprechenden Amplituden und Wellenlängen. Als man versuchte, die von den heissen Wänden abgestrahlten Energien (Schwarzkörperstrahlung) mit den überlieferten Wellengleichungen der Thermodynamik zu berechnen, erhielt man unendliche Mengen von Wellenmustern und unendliche Energiebeträge. Das Gebäude der Wellentheorie war zusammengebrochen.

 

«In einem Akt der Verzweiflung» – wie er wörtlich schrieb - versuchte Max Planck die Energieemission und -absorption mathematisch nicht mehr kontinuierlich, sondern in definierten «Sprüngen» fliessen zu lassen. Er soll in Berlin (gemäss Literatur) seine Überlegungen wie nachfolgend beschrieben mitgeteilt haben. Die Wellenlängen des Wassers werden mit zunehmender Ufernähe zunehmend kürzer (!) und frequenter und die dabei durch Reibung verlorene Energie führt zur Erwärmung des Wassers. In Analogie dazu müsste z.B. in einem verspiegelten Raum der Rotanteil des Lichtes als Welle durch seine dabei erfolgte Wärmeabgabe zu blau (d.h. λ kürzer) wechseln, was nicht eintritt. Planck assoziierte nun kurze, hochfrequente Wellen mit einer grossen (= n₁) Menge einer Minimalenergie ɦ  (d.h. n₁·ɦ) und lange, niederfrequente Wellen mit einer kleinen Menge (= n₂) derselben Minimalenergie (folglich n₁·ɦ > n₂·ɦ). Damit postulierte er Energieportionen ΔE als Produkt eines ganzzahligen Vielfachens n des Wirkungsquantums h und der Frequenz f, verteilt auf «elektromagnetische Oszillatoren», die 1926 durch den Chemiker Gilbert Lewis mit dem Begriff Photonen bezeichnet wurden. Die abgegebene (Wärme-) Energie ΔE ist das Produkt aus dem Proportionalitätsfaktor h und den Frequenzen f, bzw. der Kreisfrequenz ω (= 2πf):

 

 Diese Formel begründete die Quantenmechanik.

 

Die aktuellen Daten zur Planck-Konstanten lauten: h ≈ 6.63 ∙ 10^-34 Js. Planck Spannung 10³⁹ Tonnen (= minimale String-Spannung), Planck-Länge ~10^-33 cm (gilt als absolut minimalste Ausdehnung in der Quantengeometrie (Stringtheorie), die selbst im Schwarzen Loch nicht unterboten werden kann)[4],  Planck-Zeit mit ~10^-44 Sekunden.

 

Einstein's berühmte Formel für die Konvergenz von Energie und Masse

E = m ∙ c²

 aus dem Jahr 1905 als Teil seiner Speziellen Relativitätstheorie über Raum und Zeit erweiterte die Quantenphysik.

 

Albert Einstein (14.03.1879 – 18.04.1955) beobachtete, dass langwelliges, niederfrequentes Licht beim Auftreffen auf einer Metalloberfläche kein Ereignis auslösen kann im Gegensatz zu kurzwelligem, hochfrequentem Licht, das Elektronen freisetzt (= photoelektrischer Effekt). Wird die Intensität der Lichtquelle erhöht, nimmt die Anzahl n der herausgeschlagenen Elektronen pro Zeiteinheit zu (E↑ ~ n↑/∆t). Wird die Frequenz f  der Lichtquelle erhöht, entsteht in kürzerer Zeit eine höhere Elektronendichte ( f ↑ ~ n/∆t↓), wird die Frequenz gesenkt, geht die Anzahl herausgeschlagener Elektronen gegen Null (f ↓~ n↓/∆t → 0). Einstein schloss ebenfalls 1905 an der Universität Zürich, dass Licht aus masselosen Photonen bestehen muss mit einem Energiegehalt proportional zur Planck-Konstanten h. Photonen des roten Lichtes besitzen diese Energie nicht (Frequenz zu tief).

Eindrücklich lassen sich Quanten durch den Compton-Effekt demonstrieren: Werden Elektronen durch hochfrequente Röntgenstrahlen getroffen, prallen sie in definiert gleicher Weise weg wie eine Billardkugel, welche von einer andern getroffen wird. (Welle und Polarisation sind Sekundär-Phänomene). Niels Bohr (1885 – 1962) postulierte deshalb gequantelte Energieniveaus der Elektronen in den atomaren Orbitalen (vgl. Periodensystem).

 

Den entscheidenden Geistesblitz hatte 1926 während eines Kuraufenthaltes in Arosa Erwin Schrödinger (1887 – 1961), Physikprofessor an der Universität Zürich (später in Dublin): Quanten lassen sich mittels einer komplexen Wellenfunktion orten. Für alle Partikel gilt: Mit dem Quadrat der Auslenkung (= Φ²) der Wellenfunktion ist die Anwesenheit eines Quants am wahrscheinlichsten. Dazu schrieb Einstein: «Der Gedanke Ihrer Arbeit zeugt von echter Genialität». Die deterministische Wellenfunktion von Schrödinger ist mit dem Makel behaftet, dass es Schrödinger nicht gelang, die Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein zu integrieren. Zur Wellenformel folgen nun 3 Beispiele vom Physik-Nobelpreisträger Richard Feynman[5].

 

Im 1. Experiment ist die Quelle eine echte Welle aus Wasser (Skizze weiter unten), das durch einen Motor zur Wellenbewegung veranlasst wird und zur Wand mit dem Doppelspalt strömt. Bei offenen Spalten entwickelt sich an jedem Spalt (Foto unten Seite links) eine neue Welle,

 

so dass sich die Folgewellen aus Spalt 1 und Spalt 2 überlagern und auf dem Auffangschirm zum typischen Interferenzbild mit den Amplituden P₁₂ (Skizze ganz rechts) führen. Wird einer der Spalten abwechselnd verschlossen, entsteht ein Muster mit der Amplitude P₁ oder P₂ (Kurve Mitte), also ohne Interferenz. (Anstelle der Intensität I wird hier äquivalent P = Probabilitas als Ausdruck für die Wahrscheinlichkeit verwendet). Zählt man die Intensitäten bei abwechselnd verschlossenem Spalt 1 und 2 - repräsentiert durch P₁ und P₂ in der Bildmitte - zusammen, so ist pro Zeiteinheit deren Summe kleiner als die Summe der Intensitäten im Interferenzbild rechts mit P₁₂, wo die beiden Wellenmuster «in Phase» sind, d.h. wo sie konstruktiv interferieren. Folglich:  P₁ + P₂ ≠ P₁₂, bzw. P₁₂ > P₁ + P₂ (Erklärung unten. Merke nebenbei: Wellen in einem Material sind eine Eigenschaft des betreffenden Materials selbst).

Die Fläche unterhalb der dunkelblauen Kurven reflektieren die Intensität oder die Ereignisdichte. Die rote Linie ist die absorbierende Wand oder die Fotoplatte oder der «Bildschirm».

 

Im 2. Experiment mit Bezug zur Gleichung von Schrödinger schiessen Elektronen aus einem heissen Draht geradlinig zwischen die Doppelspalten, dabei entsteht am Auffangschirm dasselbe Interferenz-Muster wie im Experiment (1) mit den Amplituden P₁₂ bei offenen Spalten (rechte Kurve) oder mit der Amplitude P₁ oder P₂ (Mitte) bei abwechselnd geschlossenen Spalten: Also identische Muster zwischen Experiment (1) und (2), aber es gibt Unterschiede! Wird im Experiment (1) die Intensität der Wasserwelle durch die Motorleistung variiert, ändert sich die Amplitude am Auffangschirm kontinuierlich und kann entsprechend der Motorleistung jede beliebige Grösse annehmen. Nicht so im Experiment (2) mit den Elektronen: Die Amplituden bleiben konstant trotz Variabilität (Temperaturänderung) der Elektronenquelle, wobei aber die Aufschlagsrate am Schirm (wie in einem Geigerzähler oder auf einem Fotofilm) entsprechend zu oder abnimmt. Wird ein Spalt verschlossen, steigt die Aufschlagsrate der Elektronen über den andern Spalt, erreicht aber nie die Höhe von P₁₂ des Interferenzbildes bei geöffneten Spalten. «Hier verhalten sich die Dinge wie nichts, das wir kennen, so dass es unmöglich ist, ihr Verhalten anders als auf analytische Weise zu beschreiben»[6].

 

Feynman berechnete zum obigen Beispiel die Auslenkung Φ² der Schrödinger-Gleichung als Entsprechung zur Interferenzkurve mit P₁₂. Vereinfacht lässt sich schreiben, dass die Aufschlagswahrscheinlichkeit P annähernd dem Quadrat von │Φ│entspricht, ausformuliert P₁ ≈│Φ₁│² bei geschlossenem Spalt 2 und P₂ ≈ │Φ₂│² bei geschlossenem Spalt 1 und (das ist entscheidend) P₁₂ ≈ │Φ₁+Φ₂│² bei geöffneten Spalten 1 und 2. «Die Mathematik ist dieselbe wie bei den Wasserwellen» im 1. Experiment.  Ersichtlich ist, dass P₁ + P₂ ≠ P₁₂ ist (siehe Skizze), weil │Φ₁│² +│Φ₂│² <│Φ₁+Φ₂│²», ähnlich wie a² + b² ≠ (a+b)², denn (a+b)² = a² + 2ab + b². «Viele Theorien sind ausgetüftelt worden, keine von ihnen hatte Erfolg».

 

Im 3. Experiment wird senkrecht zwischen Spaltwand und Auffangschirm eine starke, zunächst invariable Photonenquelle angebracht (in der Skizze bei Punkt 0). Jedes mal, wenn bei den immer offenen Spalten ein abgefeuertes Elektron auf dem Auffangbildschirm registriert wird, leuchtet gleichzeitig durch die Kollision des Elektrons mit einem Photon ein Blitz «entweder bei Loch 1 oder Loch 2, aber niemals bei beiden zugleich! Daraus schliessen wir, dass die Elektronen, wenn wir sie beobachten (Blitz), entweder durch das eine oder durch das andere Loch gehen». Auf dem Auffangschirm entsteht so das typische Muster des Beobachtereffektes (Skizze Mitte), als ob ein Spalt verschlossen wäre, mit den 2 unabhängigen überlappenden Kurven mit P₁ und P₂, also keine Interferenz. Hierzu nun die Theorie von Heisenberg.

 

Werner Heisenberg (1901 – 1976) formulierte 1927 zusammen mit seinem Lehrer Max Born (1882 – 1970) die Unbestimmtheitsrelation: Ort und Impuls Δx ∙ Δp oder Energie und Zeitpunkt ΔE ∙ Δt eines Quantenereignisses sind nie gleichzeitig genau bestimmt. Davon leitet sich der beschriebene Beobachtereffekt ab. In der erwähnten Anordnung (3) mit den immer offenen Spalten wird nun die Intensität der Photonenquelle heruntergeregelt. Erstaunlich ist, dass die Lichtblitze (Kollision Photon / Elektronen) an den Spalten immer die gleiche Intensität besitzen oder dann gleich ganz wegbleiben, doch die Gesamt-Aufschlagsrate der Elektronen auf dem Auffangschirm bleibt dieselbe. Einige Elektronen sind bei gedrosselter Lichtquelle «ungesehen», ohne Blitz vorbeigeflogen, weil das Herunterregeln der Lichtquelle die Emissionsrate der Photonen reduziert. «Es war eben gerade kein Photon da, als das Elektron vorbeikam». «Es ist unmöglich zu bestimmen, durch welches Loch letztere Elektronen geflogen sind».  Die Ungesehenen allein sind aber wie erwartet an der Bildung eines Interferenzmusters mit der Amplitude P₁₂ (Kurve rechts) beteiligt. «Wenn die Elektronen nicht gesehen werden, erhalten wir Interferenz» mit P₁₂ (Feynman).

^{___________________________}

Quanten verfügen (wie Schwarze Löcher) über 3 grundlegende Unterscheidungsmerkmale: Masse, elektrische Ladung (siehe unten) und Drehimpuls (Spin). Fermionen besitzen einen halbzahligen Spin (½ ħ und ³/₂ ħ) und bilden die Quanten der Masse. Dazu gehören 4 Klassen, eingeteilt in 3 Familien entsprechend dem Schema von Brian Greene[7]:

 

 

Die Familien 2 und 3 zerfallen in millionstel Sekunden und haben nur bei Lichtgeschwindigkeit oder extremen Temperaturen Bestand (z.B. am Ereignishorizont eines Schwarzen Loches). Bei einer Kollision zweier Quanten (= Impuls) derselben Art in der Fermionen-Klasse kann eine Quantenwelle umgedreht werden oder nicht (es ist unbestimmt). Wird sie umgedreht, «trifft jeder Berg der einen auf ein Tal der andern, sie löschen sich gegenseitig vollständig aus», die destruktive Interferenz verhindert das Auftreten eines Ereignisses (Chown)[8].

 

Da der halbzahlige Spin der Elektronen entweder rechtsdrehend oder linksdrehend sein kann, können sich 2 Elektronen mit unterschiedlichem Spin im selben Orbital aufhalten ohne sich auszulöschen. Dieses Pauli’sche Ausschliessungsprinzips (Wolfgang Pauli, 1900 – 1958, damals in Zürich) ist die Grundlage des Periodensystems.

 

Die masselosen Bosonen (sie besitzen einen ganzzahligen Spin), vermitteln die vier fundamentalen Kräfte: die elektromagnetische Kraft, die starke und die schwache Kernkraft, die Gravitonen sind noch hypothetisch:

 

Kraftteilchen (Bosonen)	Kraft (Spin ganzzahlig)
Gluon	stark
Photon	elektromagnetisch
Vektorboson	schwach
Graviton?	Gravitation

Modifiziertes Schema von Brian Greene

 

Bosonen interferieren bei gleicher Richtung immer konstruktiv (auch beim Impuls), weil sie einen ganzzahligen Spin besitzen. «Während Sonnenlicht (λ = 400 bis 800 nm) ein chaotisches Gemisch von Photonen unterschiedlicher Energie ist, erzeugt ein Laser eine nicht zu bremsende Flut von identischen Photonen, die in vollkommenem Gleichtakt widerstandslos durch den Raum preschen» (Chown).

Zu beachten ist, dass sich Photonen im Raum mit der konstanten «Bewegung in der Zeit» c fortbewegen (c ≈ 300'000 km/Sek.). Das hat zur Folge, dass die Zeit für alle Objekte bei grosser Geschwindigkeit gedehnt wird (verlangsamt) und deshalb die Photonen niemals altern.

 

Der Impuls p (= pellere) ist definiert als Masse mal Geschwindigkeit: p = m ∙ v. Im Produkt Ort mal Impuls Δx ∙ Δp eines Quants lassen sich beide Faktoren infolge Beugung am Messinstrument nie gleichzeitig genau festlegen: Das Produkt[9] Δx ∙ Δp ≥ ½ħ (oder ΔE ∙ Δt ≥ ½ħ) ist das Mass der Unbestimmtheits-relation (Heisenberg). Feynman erklärt es so: Trifft aus weiter Ferne ein absolut horizontaler Quantenstrahl von bestimmter Energie auf ein Loch von bestimmter Breite, dann ist der Horizontalimpuls p₀ scharf bestimmt und der Vertikalimpuls p_y ist null, also auch bestimmt. Wenn der Quantenzug aus dem Loch austritt, ist der Ort definiert, aber die Information über den Vertikalimpuls p_y ist nun unbestimmt, da das Teilchen «genau wie beim Licht» gebeugt wird, «das Trefferbild verbreitert sich». Da p_y und p₀ im Produkt vereint sind, geht auch die genaue Information über den Horizontalimpuls p₀ verloren. Wird das Loch verkleinert, verbreitert sich das Beugungsbild: Je genauer der Ort eines Partikels bestimmt wird, desto unbestimmbarer wird der Impuls, und umgekehrt.

Feynman: «Niemand hat jemals einen Weg gefunden oder auch nur erdacht, der um das Unbestimmtheitsprinzip herumführt». Heisenberg: «Die Teilung der Welt in das beobachtende und das zu-beobachtende System verhindert die scharfe Formulierung des Kausalgesetzes»[10] (Bild: Pokal oder 2 Gesichter?). Dazu eine Ergänzung von Brian Greene: «Überlässt man das System sich selbst, dann entwickeln sich die Wellenfunktionen nach exakten mathematischen Regeln in der Zeit»[11], deshalb ist die Quantenwelt trotz Unbestimmtheitsrelation deterministisch.

 

Zur Unbestimmtheitsrelation zeigt Greene eine Analogie auf: Wird ein bewegtes Objekt mit grosser Auflösung fotografiert, dann ist das Objekt auf dem Foto scharf geortet, die Bewegung aber lässt sich kaum ermessen, und umgekehrt[12].

Aus E = h∙ƒ und c = λ∙ƒ folgt:

E =h∙c/λ

 

Die Wellenlänge λ eines Photons ist umgekehrt proportional zu dessen Energie, was bei der geringen Energie der Photonen zu einer Ausdehnung von λ von nachweislich bis 1000 km führen kann. Eine «Untertunnelung» von Atomen geht für Photonen als Folge des flachen Quantenzuges mit Leichtigkeit von statten im Gegensatz zum Elektron mit seiner hohen Energie und einer Ausdehnung λ von nur 10^-12 m. Photonen besitzen eine «Nichtlokalität».

 

«Grosse Systeme wie Gegenstände oder Lebewesen stehen in ständiger (elektro-magnetischer) Wechselwirkung mit ihrer Umwelt und strahlen fortwährend Photonen ab, wie alle Gegenstände, deren Temperatur nicht am absoluten Nullpunkt (-273°) ist. Damit entweicht ständig Information über Quantenmöglichkeiten.»[13] Information in der kosmologischen Bedeutung umschrieb Stephen Hawking so: «die Annahme, dass jedes Teilchen und jede Kraft im Universum eine implizite Antwort auf eine Ja-Nein-Frage hat.» [14]

__________________

 

Carl Friedrich von Weizsäcker (1912 – 2007) hatte die Begriffe «Information» und «Strukturwissenschaft» als erster in die Quantentheorie eingeführt und ihr eine binäre Alternative, 1 Quibit zugrunde gelegt. Nach Görnitz gilt, «dass das Photon eine ungeheure Menge von dickgepackter Quanteninformation ist und dass der Spin nur eine von sehr vielen weiteren Eigenschaften eines Photons ist…» (z.B. die Polarisation). Nach seinen Angaben entsprächen einem Photon 10³⁰, einem Elektron 10³⁸ Quantenbits. Quanten sind Träger von Informationen, die zunächst unbestimmt sind in Bezug auf ihren Produktzustand. (Das Bild unten zeigt ein mögliches Schwingungsmuster, eine geometrische Darstellung eines Quants nach Eugenio Calabi und Shing-Tung Yau.)In der klassischen Physik verhalten sich bewegende Mehrkörpersysteme chaotisch und deterministisch, weil eine Veränderung der Anfangsbedingungen in einem Prozess implizit grosse Abweichungen auslösen kann: Für solch komplexe Systeme gilt die Unvorhersagbarkeit. Für das Quantenuniversum mit seinem deterministischen Algorithmus von Schrödinger gilt die Unbestimmtheit, doch durch die Beobachtung, d.h. durch die Messung und damit durch eine Trennung aus der grossen Fülle der quantischen Beziehungen wird eine einzige real, zum Fakt. Danach konstituieren sich die Quantenmöglichkeiten neu.

 

Eine Messung, ein Kontakt, eine Prüfung oder eine Wahl eines Quantenzustandes erzeugt ein neues Faktum. Der Zustand des realen Systems ändert sich sprunghaft («Quantensprung»). Zusammenfassend: «Als isoliertes System gehorcht das Quantensystem dem reversiblen Gesetz der Schrödinger-Gleichung für die Zeitentwicklung seiner Zustände» (Görnitz); nach der Messung entwickelt sich das Quantensystem gemäss der deterministischen Schrödinger-Gleichung in einem neuen Zustand weiter, so dass eine neue «Messung» oder Beobachtung neue Fakten und neue Möglichkeiten generiert.

 

Die Quantenwelt ist holistisch. Ihre Beziehungen werden nicht wie kontinuierlich sich ändernde Eigenschaften aufaddiert, sondern als quantische Möglichkeiten multipliziert oder potenziert. Damit Lebewesen holistisch, als Individuum existieren können, benötigen sie eine teilweise Abtrennung von der Umwelt (Descartes). Trotzdem stehen alle Lebewesen und jeder klassische Zustand in einer permanenten Wechselwirkung mit unendlich vielen Quantenzuständen.

 

 Information schafft auch Wissen. So erhalten wir über die Information Informationen, womit der Weg frei ist zur Selbsterkenntnis, zur Selbstreflexion. Information potenziert sich auf zu implizitem Wissen (Platon), was zum Bewusstsein des Menschen geführt haben mag (und nach dem anthropischen Prinzip führen musste).

 

Die Theorie von John Eccles[15] von 1986, dass der Vesikelausstoss an den präsynaptischen Membranen im Gehirn ein quantenphysikalischer Vorgang ist und dem Beobachter-Effekt unterliegt, gewinnt in diesem Zusammenhang neue Bedeutung; ebenso sei erinnert an Fred Alan Wolf [16], der schon 1989 schrieb, dass «Gehirn und Geist entsprechend der Quantenphysik funktionieren.» Die Quantenphysik ist formal deterministisch: Durch die Kenntnis ihrer Gesetze gewährt sie dem Menschen einen Blick in seine Herkunft, gibt ihm eine «Identität» (Stephen Hawking) und zeigt ihm Möglichkeiten auf für seine Zukunft. Der Beobachtereffekt und die Unbestimmtheitsrelation dagegen schaffen Zufall und Freiheit und eröffnen so den Zugang zur kreativen Gestaltung und zum Gebot der Selbstverantwortung. Die «implizite Antwort auf eine Ja-Nein-Frage» ist auch die Ja-Nein-Freiheit des Menschen: In der Informationsverarbeitung mit ihren Folgen zu implizitem Wissen und impliziter Ja-Nein-Freiheit liegt der Sinn des Universums.

_____________________

 In allen Bereichen des Leben spielt der Photonenimpuls die entscheidende Rolle. Der Impuls p = m ∙ v, bzw. p = m ∙ c  als Impuls der Quanten lässt sich auf folgende Weise als Äquivalenzformel darstellen:

 

Auf E = m ∙ c² und E = h ∙ ƒ und c =  λ · f  folgt:

 m ∙ c² = h ∙ c/λ → h ∙ c/λ = E, und

p = m ∙ c = h/λ

  

c und h sind konstant, λ ist umgekehrt proportional zu E bzw. p, bzw. p ~ 1/λ. Energiereichere Photonen haben somit eine kürzere Wellenlänge als energieärmere, die Photonen der Sonne, die auf der Erde Leben schaffen, sind somit hochfrequenter als die Photonen, die von der Erde abgestrahlt werden. Die Quanten-Informationen werden durch den übertragenen Impuls einer Messung gleich zu Fakten! Der Informationsübertrag ist jedoch immer ein Mittelwert: Richard Feynman[20]: «Z.B. hat dieser oder jener Philosoph gesagt, dass es elementar ist für die wissenschaftlichen Bemühungen, dass ein Experiment, das, sagen wir, in Stockholm ausgeführt wird und dann in Quito, die gleichen Resultate bringen muss. Das ist vollkommen falsch… Tatsache ist, dass sich das gleiche Ding nicht wiederholt, dass wir nur einen statistischen Durchschnitt dessen finden können, was sich ereignet.»

 

Unerwähnt bleibt in der ganzen Kiterature, dass die auditive Wahrnehmung ebenfalls ein Quantenphänomen abbildet. Allein Joachim-Ernst Berenth[29] schrieb: «In einer Oktave sind günstigenfalls 231 verschiedene, gerade noch registrierbare Tonwahrnehmungen möglich, aber unser Ohr besteht darauf sie >>zurechtzuhören<< auf die 7 Töne der Tonleiter und die Halbschritte zwischen ihnen. Die Abweichungen dürfen bis zu 40% betragen… aber unser Ohr zwingt uns mit sanfter Gewalt ihn als den Ton wahrzunehmen, der jeweils der >>richtige<< ist. Das Ohr quantelt.» «Jahrhunderte haben wir gelernt: Natura non saltat (Aristoteles und Leibniz)… Gerade in den entscheidenden Prozessen macht die Natur nur Sprünge». Natrura saltat.

 

Die Photonen und ihr Impuls schaffen Leben und «befeuern» die Evolution.

 

Autor: Urs Steiner, Dr. med.

Staldenstrasse 10, CH-6405 Immensee

Copyright

 Weiterführende Literatur:

1.) Görnitz Th., Quanten sind anders, 2006 Spektrum Verlag Heidelberg, ISBN 978-3-8274-1767-1;

2.) Görnitz&Görnitz, Von der Quantenphysik zum Bewusstsein, 2017 Springer Heidelberg, ISBN 978-3-662-49081-5