Quantenphysik: Wankt das “skeptische Dogma”?

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.

16 Kommentare zu “Quantenphysik: Wankt das “skeptische Dogma”?”


  1. 1 villain 11. Oktober 2011 um 14:05

    Schöner Beitrag!
    Wenn ich das richtig verstanden habe, werden Phänomene wie die Superposition dadurch aufgehoben, dass betreffendes Teilchen mit etwas anderem wechselwirkt.
    Wie kommt es dann, dass nicht nur die “elementarsten Elemetarteilchen”, wenn abgeschirmt von der Umwelt, Quantenphänomene aufweisen?
    Ein Proton besteht ja auch schon aus drei Quarks die miteinander in Wechselwirkung stehen.

  2. 2 Joachim 11. Oktober 2011 um 16:34

    Ja, schöner Beitrag.

    @villain: Wie empfindlich quantenmechanische Überlagerungen und Verschränkungen gegenüber äußeren Störungen sind hängt nicht hauptsächlich mit der Größe des System oder der Anzahl der Teilsysteme zusammen, sondern vor allem von der Anzahl der erreichbaren Quantenzustände. Ein Proton ist zwar oberflächlich betrachtet aus drei Quarks aufgebaut und tiefgründiger betrachtet sogar aus einem ganzen See aus Quarks, Antiquarks und Gluonen. Aber es ist sehr stark gebunden und man braucht sehr viel Energie um den ersten angeregten Zustand zu erreichen.

    Das ist auch der Grund, warum man das Doppelspaltexperiment mit recht großen Molekülen durchführen kann: So lange die Bindungen so stark sind, dass keine höheren Zustände angeregt werden, verhalten sich auch große Moleküle wie einfache Elementarteilchen.

  3. 3 YouMan 11. Oktober 2011 um 18:48

    Mir ist nicht ganz klar, wie die Aussage, dass “quantenphysikalische Vorgänge nicht auf unsere makroskopische Lebenswelt übertragen werden können” zu verstehen ist.
    Dass es sehr unwahrscheinlich bis unmöglich ist, makroskopische Gegenstände (wie Katzen) in eine Superposition (tod/lebendig) zu bringen, weil sie nicht ausreichend von ihrer Umwelt isoliert werden können, und die Superposition durch diese Interaktionen zusammenbricht, habe ich verstanden.
    Dass aber viele mikroskopische Quanteneffekte Auswirkungen auf die makroskopische Welt haben können, ist doch auch offensichtlich. Das Schillern von CDs oder Seifenblasen lässt sich nur durch Quanteneffekte erklären, um nur ein Beispiel von vielen zu nennen.
    Doch auch Quantenzufälle, die sich nur an einem einzelnen Teilchen abspielen, lassen sich, wenn man möchte, auf makroskopische Ebenen verstärken. So könnte man z.B. einen Quantenwecker bauen, der auf einem Quantenzufallsgenerator basiert (z.B. ein Lichtteilchen wird erzeugt und die Polatität gemessen), und auf Grund dieser 50:50 Chance jeden Tag eine Stunde früher oder später läutet. Die makroskopische Auswirkung dieses einen Lichtteilchens wäre wahrscheinlich enorm.
    Daher frage ich mich, was das “skeptische Dogma” eigentlich aussagen soll, bzw. wozu soll es dienen soll. Sicherlich nicht dazu, ein streng deterministisches Weltbild aufrecht erhalten zu wollen.
    Vielleicht ist diese “Dogma” einfach nur unglücklich formuliert (wobei “skeptisches Dogma” für mich ohnehin mehr nach Ironie klingt)
    Ich gebe aber gerne zu, mich noch zu wenig mit dem ganzen Thema beschäftigt zu haben.

  4. 4 Bernd Harder 11. Oktober 2011 um 18:53

    @YouMan:

    Ganz grob gesagt geht es darum, dass viele Esoteriker, Homöopathen, Parapsychologen etc. behaupten, das mitunter rätselhafte Verhalten einzelner Teilchen (Verschränkung, spukhafte Fernwirkung etc.) sei die Erklärung für “Phänomene” wie Gedankenlesen, Prophetie, homöopathisches Wirkprinzip etc.

    Das – in der Tat ironisch formulierte – “skeptische Dogma” besagt im Grunde, dass der Mensch, ein Gehirn, eine Uhr, ein Tisch o.ä. aber kein Teilchen ist, sondern eine Ansammlung davon – und diese verhält sich völlig anders als ein isoliertes Teilchen im Mikrokosmos.

  5. 5 Skeptikus 11. Oktober 2011 um 20:12

    Mehr davon, ich fänd es super, wenn sich das thematische Spektrum des sehr guten Blogs noch mehr erweitern würde. Dieser Beitrag geht genau in die richtige Richtung.

  6. 6 Bernd Harder 11. Oktober 2011 um 20:15

    @skeptikus: Ich bin zwar das letzte Universalgenie seit Leipnitz (der Philosoph, nicht der Keks), aber alles hat seine Grenzen …

  7. 7 äh-leibniz 11. Oktober 2011 um 21:15

    @ Bernd Harder
    Leipnitz? Keks und Philosoph schreiben sich “Leibniz”. Leipnitz war Schauspieler.

  8. 8 Bernd Harder 11. Oktober 2011 um 21:17

    @äh:

    Hey, jemand hat’s gemerkt!

  9. 9 Philippe Leick 11. Oktober 2011 um 22:27

    @ villain, Joachim & Skeptikus: Danke für die Blumen!

    @ Joachim: Vielen Dank für die Ergänzung.

    @ YouMan: Ein streng deterministisches Weltbild soll auf keinen Fall propagiert oder verteidigt werden. Der fehlende Determinsmus ist meines Wissens auch gar nicht der Aspekt der Quantenmechanik, der sie für Esoteriker interessant macht.

    Geräte wie der “Quantenwecker” werden übrigens tatsächlich gebaut, da quantenmechanische Prozesse die ideale Grundlage für das Erzeugen von Zufallszahlen sind. Um solche Vorgänge in ein makroskopisches Signal zu übersetzen, ist aber ein gezielter apparativer Aufwand erforderlich. Das Signal muss von einem “kleinen”, also quantenmechanischen System stammen – sobald eine größere Teilchengruppe ins Spiel kommt, wird ein Mittelwert gemessen, dessen Entwicklung deterministisch verläuft.

  10. 10 YouMan 12. Oktober 2011 um 15:38

    @Bernd und Philippe: Danke für die Rückmeldungen!

    Ok, verstehe ich also folgermaßen richtig?:
    1) innerhalb biologischer Systeme kann es auf mikroskopischer Ebene durchaus Quanteneffekte geben, die dann auf makroskopischer Ebene Auswirkungen haben können (Rotkehlchen-Navigation)
    2) Esoteriker&Co sehen die makroskopische Welt an sich irgendwie unspezifisch quantenmechanisch verschränkt, und bauen darauf ihre Erklärungsmodelle. Dagegen wendet sich das “skeptische Dogma”.

  11. 11 villain 12. Oktober 2011 um 19:08

    @Joachim
    Vielen Dank für die Erklärung!

  12. 12 Sam 12. Oktober 2011 um 20:50

    @YouMan

    Schau Dir mal das Zeichen gsnz oben links an, die Symboliken sagen dir hier im Raum was die Wahrheiten sein sollen. Wenn du wirklich verstehen willst, spring über deinen sprichwörtl. Schatten und lass der Empirie in dir die absolute Offenheit. Geh den Gedanken nach wie es ist wenn es so ist. Das Handwerkzeug der öffentl. Wissenschaft ist begrenzt und begrenzend.

    Alles Gute

    von Sam

  13. 13 Bernd Harder 12. Oktober 2011 um 21:01

    @Sam:

    Willkommen im Phantasia-Land!

  14. 14 YouMan 13. Oktober 2011 um 20:50

    @sam:
    Über das Zeichen habe ich mich nur ca. 1 Minute gewundert, dann habe ich rausgefunden, wofür es steht, und weshalb es hier zu finden ist.
    Auf den Sinn hinter deinem Geschwurbel über Wahrheiten, Schatten, Empirie und Offenheit komme ich leider auch nach längerem Nachdenken nicht.

  15. 15 Kurtilein 19. Dezember 2011 um 00:35

    Heyho :)

    Ein paar kleine Anmerkungen:

    Viele quantenmechanische Effekte spielen in der Alltagswelt und im Lebensraum keinerlei Rolle, das ist korrekt.

    Aber eine erwähnenswerte Ausnahme gibt es, und die wird auch in der Tier- und Pflanzenwelt massiv genutzt: Einige Teile der Quantenelektrodynamik. Hier geht es um polarisiertes Licht, Überlagerung von Photonen mit sich selbst, Lichtbeugung an Beugungsgittern.

    Viele Schmetterlingsflügel und Vogelfedern schillern in bestimmten Farben, ohne irgendeinen passenden Farbstoff zu haben. Es handelt sich um feine, halbdurchsichtige Schichten im Wellenlängenbereich des Lichts und von der Dicke her so angepasst, dass sie bestimmte Wellenlängen reflektieren, andere gelangen hindurch und werden von einer dahinterliegenden dunklen schicht absorbiert. Derselbe Effekt ist auch für die Regenbogenfarben in Seifenblasen und Ölpfützen verantwortlich. Pure quantenmechanik. Schneidet man die brilliant grün schimmernden Teile aus einer Pfauenfeder und pulverisiert sie, geht die Farbe verloren, es existiert kein grüner Farbstoff, es sind quantenmechanische Strukturen die beim pulverisieren zerstört werden.

    Ähnliches geht auch mit Beugungsgittern, hier werden unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedliche Richtungen reflektiert, die Farbe ändert sich je nach Betrachtungswinkel. Gibts sicher auch im Tier- und Pflanzenreich, hab leider grad kein konkretes Beispiel.

    Einige Augen im Tierreich verfügen auch über eingebaute Polarisationsfilter, Insekten sind das bekannteste Beispiel, es erlaubt die Sonne auch wenn sie hinter Wolken verborgen ist zur Navigation zu nutzen. Auch das erfordert quantenmechanische Strukturen.

    Und Geckos sowie viele Insektenfüße nutzen Van Der Waals-Kräfte um klebenzubleiben, wobei ich mir hier nicht sicher bin ob das nicht eher schon klassische Physik ist. Es erfordert zwar nanostrukturen, aber diese müssen sich in ihren Abmessungen nicht direkt an Parameter halten die die Quantenmechanik vorgibt um zu funktionieren.

    Der Artikel ist deshalb nicht wirklich falsch, nur etwas unvollständig. Beugungsgitter, Polarisationsfilter und wellenlängenabhängige Reflektion an dünnen Schichten sind ganz klar jenseits der klassischen Physik und fallen voll in die Quantenelektrodynamik. Da gibt es keine alternativen Erklärungen in der klassischen Physik, wie etwa beim elektrischen Strom oder Magnetismus. Die klassische Physik kann nicht erklären wie dick die Schicht in der Pfauenfeder sein muss, dass genau dieses Grün dabei rauskommt, nach der klassischen Physik sollte da garkein farbiges Licht rauskommen.

    MfG

  16. 16 Ralf 22. März 2013 um 22:47

    @Kurtilein
    Das wurde auch nicht im Artikel behauptet, sondern:
    Zitat

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

    Es ist vergleichbar mit der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Newton’schen Gravitation, die Newton’sche Gravitation ist auch eine gute Näherung für die Gravitation, doch sie kann nicht die Perihelverschiebung vom Merkur erklären, die Allgemeine Relativitätstheorie kann das.

    So ist das auch mit denen von Ihnen geschilderten Beispielen und der Quantenphysik.

    Die Physik schafft Modelle, die die hochkomplexe Wirklichkeit, mit mathematischen Mitteln beschreiben will.
    Aber erstaunlich ist schon, daß diese Modelle die Wirklichkeit so gut beschreiben, daß wir “Maschinen” bauen können, die dann auch funktionieren.

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