Ein Beitrag von Dr. Philippe Leick.

Das Thema „Leben in der Quantenwelt“ ziert den Titel der September-Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft.

Im Artikel widmet sich der Autor Vlatko Vedral unter anderem der Frage, ob Quanteneffekte in lebenden Organismen eine Rolle spielen.

Als Beispiel führt er die Fähigkeit von Rotkehlchen an, sich anhand des Erdmagnetfeldes zu orientieren. Die Idee mag zwar spekulativ sein, aber Hinweise verdichten sich, dass quantenmechanische Verschränkungen dabei eine Rolle spielen und in speziellen Molekülen, die sich in den Augen der Vögel befinden, für die ungewöhnlich hohe Zeit von zirka 100 µs erhalten bleiben.

Die technischen Details findet man leicht verständlich erklärt im Science-Blog Hier wohnen Drachen.

Als weiteres Beispiel erwähnt er die sehr hohe Effizienz der Photosynthese, die (bisher) mit den Mitteln der klassischen Physik nicht erklärt werden kann; auch hier könnte ein quantenmechanischer Interferenzeffekt das Rätsel möglicherweise lösen.

Skeptiker wiederum werden ununterbrochen mit angeblicher Quantenmechanik konfrontiert: Quantenmedizin, Quantenheilung, Quantenastrologie, Quantenmystik … Die Liste lässt sich endlos fortsetzen.

Zu fast jedem esoterisch angehauchten Effekt dürfte es eine Theorie geben, die sich auf die Quantenmechanik beruft, um ihn zu erklären. Viel ist in der Regel nicht davon zu halten, schließlich ist wohlbekannt, dass „quantenphysikalische Vorgänge nicht auf unsere makroskopische Lebenswelt übertragen werden können“.

Gerät dieses „skeptische Dogma“ aufgrund neuer Ergebnisse nun ins Wanken? Eine flüchtige Lektüre der Zusammenfassung des Spektrum-Artikels könnte dies nahelegen, heißt es dort doch unter anderem:

Die Quantenmechanik gilt allgemein als Theorie für mikroskopisch kleine Gegenstände – Moleküle, Atome, subatomare Teilchen. Doch viele Physiker glauben heute, diese Theorie treffe auf alles zu, ob groß oder klein.“

Dabei handelt es sich jedoch um eine ziemlich ungenaue und etwas reißerische Aussage.

Wie im Artikel selbst auch klargestellt wird, wissen Physiker seit den Anfangstagen der Quantenmechanik, dass eine strikte Trennung zwischen klassischer und Quantenwelt nicht sinnvoll ist. Vedral schreibt, dass …

… heute [nur] wenige Physiker glauben, dass die klassische Physik den gleichen Rang wie die Quantenmechanik beanspruchen darf; sie ist nur eine nützliche Näherung für eine Welt, die in allen Größenordnungen Quanteneigenschaften aufweist.“

Wer diese „wenigen Physiker“ sein sollen, bleibt aber das Geheimnis des Autors – mir ist kein einziger bekannt.

Auch im Skeptiker wurde meines Wissens nie derart pauschal argumentiert. Es ist aber möglich, dass solche Eindrücke als Begleiterscheinung der Vereinfachungen, die notwendig sind, um die Materie einem breiten Publikum anschaulich näher zu bringen, entstehen können.

Zum Beispiel heißt es in meinem eigenen Beitrag über die schwache Quantentheorie und die Homöopathie:

Trotz der Bedeutung und Erfolge der Quantenmechanik ist die klassische Physik – von manchen als reduktionistisch und materialistisch verschrien – aber nach wie vor das richtige Werkzeug, um Vorgänge aus dem Bereich des alltäglichen Lebens, der Biologie oder der Medizin zu beschreiben.“

An anderer Stelle aber auch:

Die Bedeutung der Quantenmechanik für unser alltägliches Leben darf nicht unterschätzt werden, da fundamentale Eigenschaften der Materie sich nur erklären lassen, wenn die zugrunde liegenden Bausteine quantenmechanisch betrachtet werden. Ohne Quantenmechanik wäre die Existenz stabiler Atome ebenso unverständlich wie die elektrischen Eigenschaften von Metallen und Halbleitern oder die rote Farbe eines glühenden Stück Eisens.

Die Liste ließe sich endlos fortsetzen, aber Effekte wie Verschränkung oder Komplementarität sind darin nur indirekt enthalten. Deren Größenordnung ist durch die Planck-Konstante gegeben, die schon bei mittelgroßen Molekülen gegenüber den relevanten physikalischen Eigenschaften vernachlässigt werden kann.“

Tatsächlich ist eine sorgfältige Differenzierung hilfreich zwischen dem, was H.E. Wiseman und J. Eisert in ihrem lesenwerten Beitrag „Nontrivial quantum effects in biology: A skeptical physicists’ view“ triviale und nichttriviale Quanteneffekte nennen.

Nichttrivial sind nach ihrer Definition nur solche Effekte,

… die Biologen von der Notwendigkeit überzeugen würden, fortgeschrittene Vorlesungen über Quantenmechanik zu belegen und alles über Operatoren und Hilberträume usw. zu lernen.“

Die Nomenklatur ist etwas unglücklich, denn natürlich können auch die „trivialen“ Quanteneffekte hochspannend und anspruchsvoll sein.

Was ist aber unter dieser Trennung genau zu verstehen?

„Trivial“ wäre nach Wiseman und Eiserts Definition alles, das zwar auf fundamentaler Ebene nur quantenmechanisch erklärt werden kann, sich aber mühelos in die klassische Physik, Chemie oder Biologie integrieren lässt. Die oben angeführten Beispiele gehören in diese Kategorie – Elektroingenieure nehmen z.B. die Leitfähigkeit eines Metalls als gegeben an und arbeiten damit, ohne ständig nach der fundamentalen Ursache zu fragen.

„Nichttrivial“ wären dagegen solche Effekte, bei denen ein makroskopisches System, z.B. das menschliche Gehirn, explizit quantenmechanisches Verhalten aufweist.

Wiseman und Eisert diskutieren einige dieser Effekte, u.a. Penrose & Hameroffs umstrittenen Vorschlag, dass quantenmechanische Superpositionen in den Mikrotubuli des Gehirns eine wichtige Rolle spielen, kommen dabei aber zu dem Ergebnis, dass keiner dieser Effekte plausibel ist.

Das eingangs erwähnte „skeptische Dogma“ bezieht sich natürlich nur auf nichttriviale makroskopische Quanteneffekte. Doch erstmal bleibt die Frage, inwiefern es noch zu halten ist.

Durch die Beispiele in Vedrals Artikel wird es jedenfalls nicht schwer erschüttert.

Sicher, experimentelle Physiker haben in den letzten Jahren Quanteneffekte in immer größeren Molekülen nachgewiesen. Mit der Größe des Systems nimmt aber auch der Aufwand zu, der zur Abschirmung von der Umgebung aufgewendet werden muss. Und Verschränkungen in einzelnen Molekülen, die bei Raumtemperatur 100 µs erhalten bleiben, sind zwar für Physiker extrem beeindruckend – aber nach menschlichen Maßstäben bleibt diese Dekohärenzzeit immer noch unermesslich kurz.

Auch lässt sich ohne weiteres argumentieren, dass Vedrals Beispiele immer noch in die Kategorie trivialer Effekte fallen, da die relevanten Vorgänge auf einzelne Moleküle beschränkt bleiben.

Esoterische Spekulationen über „Quantenheilung“ oder ähnliches können die Geduld strapazieren. Wenn wieder von der Verschränkung zweier Personen die Rede ist und daraus eine „telepathische“ gedankliche Verbindung zwischen ihnen hergeleitet wird, lässt sich schnell entgegnen, dass solche Quantenphänomene in der makroskopische Welt nicht vorkommen.

Streng genommen handelt es sich dabei um eine Heuristik und nicht um ein Naturgesetz; Heuristiken müssen nur „meistens richtig“ sein. Genauer wäre es in solchen Fällen zu fragen, wie diese Verschränkung denn entsteht und warum sie nicht durch Wechselwirkung mit der Umgebung verloren geht. Präzise und kohärente Antworten auf solche Fragen sind mir nicht bekannt.

Da es nie universelle Gültigkeit beansprucht hat, ist das „skeptische Dogma“ nicht gefährdet. Es gibt keine harte Grenze zwischen klassischer und quantenmechanischer Welt.

Grundsätzlich ist die klassische Physik eine mehr oder weniger gute Näherung der Quantenmechanik. Für eine Vielzahl an Phänomenen aber eine ungeheuer nützliche Näherung.