WISSEN DER ZUKUNFT - Magazin Wissen TOPPX

Mehrere astronomische Experimente haben in jüngster Zeit mysteriöse Komponenten von Elementarteilchen im Universum gemessen. Doch der Ursprung der Elektronen und Positronen blieb bislang im Dunkeln. Ist wirklich, wie einige Physiker spekulieren, dunkle Materie die Ursache für diese Strahlung?

Ein internationales Astrophysikerteam um die Bochumer Juniorprofessorin Dr. Julia Becker und den Dortmunder Physiker Prof. Dr. Dr. Wolfgang Rhode haben jetzt eine einfache Erklärung gefunden:
Gigantische Sterne, mindestens fünfzehnmal so schwer wie unsere Sonne, senden bei ihrem Tod in einer finalen Explosion die Elementarteilchen aus.
Der auf Basis dieser Theorie berechnete Fluss an Elektronen und Positronen stimmt mit dem in den astronomischen Experimenten beobachteten und bislang rätselhaften Signal überein. Wie sie die Beobachtungen mit ihrer Theorie der schweren Sternexplosionen erklären, erläutert die sechsköpfige Gruppe von internationalen Forschern in der Physical Review Letters (Ausgabe 7. August 2009).

Elementarteilchen aus dem Universum

In mehreren astronomischen Experimenten wurde kürzlich von der Beobachtung einer mysteriösen Komponente von Elektronen und Positronen aus dem Universum berichtet. Die Quellen dieser Elementarteilchen kann von den Experimenten selbst nicht identifiziert werden: Kosmische Magnetfelder lenken sie von ihren Bahnen ab und verwischen ihre Spur. Seit der Veröffentlichung der Messungen wurden viele Versuche unternommen, den Ursprung dieser Teilchenstrahlung zu erklären. Unter anderem wurde die These aufgestellt, ein solches Signal sei einzig durch die so genannte dunkle Materie erklärbar - eine Materieart, deren Ursprung bisher noch völlig unbekannt ist. “Aber die Natur hat vielleicht eine viel einfachere Erklärung für die beobachteten Teilchen”, sagt Julia Becker, die mit einem Forscherteam von Instituten aus Deutschland, den USA und Schweden zusammenarbeitet. Das Team erklärt die Teilchenstrahlung mit Explosionen von gigantischen Sternen, die mehr als das 15-fache der Masse unserer Sonne besitzen.

Das dramatische Ableben der schwersten Sterne

Ein sterbender Stern mit hoher Masse schleudert die meiste Materie, Plasma genannt, in einer finalen Explosion von sich. Die Folge ist, dass das ausgestoßene Plasma unausweichlich auf die den Stern umgebende Materie zuläuft - den sog. Sternenwind. Dieser bildet sich um die massiven Sterne, da sie schon in einem früheren Stadium einen Teil ihrer Hülle abgeben, bevor sie in der letzten Explosion vergehen. “Bei der Kollision der schnellen Materie aus der finalen Explosion mit dem Plasma früherer Ausstoßungen entstehen dann sog. Schockfronten, ähnlich wie man sie etwa auch bei Überschallflugzeugen beobachten kann”, erklärt der Dortmunder Astrophysiker Wolfgang Rhode: “Fliegt ein Flugzeug schneller als der Schall, wird die das Flugzeug umgebende Luft mit einer Geschwindigkeit nach außen gedrängt, die die Schallgeschwindigkeit überschreitet. Es kommt zum Überschallknall, der sich in Form einer Schockfront ausbreitet.” Als Schockfront bezeichnet man die sprunghafte Änderung der Dichte des Mediums an sich - dort, wo das Flugzeug die Materie wegschiebt, entsteht eine hohe Dichte, während auf der anderen Seite des Schocks die niedrige Dichte der ungestörten Atmosphäre herrscht. Genau dasselbe geschieht, wenn ein Plasma mit hoher Geschwindigkeit in ein langsameres Plasma gedrückt wird, wie es bei den Explosionen der gigantischen Sternen der Fall ist.

Elektronen und Positronen aus schweren Sternexplosionen

Wie nun in den Schockfronten der schweren Sternexplosionen Elektronen und Positronen beschleunigt werden, erklären die Forscher in ihrem Artikel: Indem sich das Plasma seinen Weg durch den Sternenwind bahnt, entstehen zwei unterschiedliche Regionen, in welchen sich jeweils unterschiedliche Schocks bilden. Auf fast der gesamten Oberfläche sind die Magnetfelder des Sterns senkrecht zu der Geschwindigkeit der Schockfront ausgerichtet. Hier entsteht ein niederenergetisches Signal von Elektronen und Positronen. Gleichzeitig ist das Magnetfeld an den Polen des ehemals rotierenden Sterns parallel zur Geschwindigkeit des Schocks ausgerichtet. Hierdurch wird hochenergetische Elektronenstrahlung erzeugt. Beide Komponenten sind in dem beobachteten Spektrum der Elektronen und Positronen sichtbar und die Messungen können mit dem Modell des Forscherteams hervorragend erklärt werden. “Für die dunkle Materie heißt das, dass sie Elektronen und Positronen nicht in gleichem Maße produziert wie die Riesensterne und dass man sie daher an anderer Stelle suchen muss”, folgert Dr. Becker. Quelle: idw

Was sich wie ein Delikt anhört, nämlich das »Tunneln« ist ein ganz normaler quantenphysikalischer Vorgang. Erstmals ist es nun gelungen Elektronen live zu beobachten, wie sie die Atome verließen, von denen sie gefangen gehalten wurden (Heraustunneln).

Der Tunneleffekt erklärt unter anderem, wie es zur Kernfusion in der Sonne kommt oder auch die Funktionsweise des Raster-Tunnelmikroskops, mit dem man bis zu 100-Millionenfach vergrößern kann. Der Fernsehprofessor der Physik, Harald Lesch, demonstriert in der Bildungssendung Alpha Centauri eindrucksvoll, was es mit diesem Phänomen »Tunneleffekt« auf sich hat. Zu Beginn schwebt er durch die Tafelwand der Fernsehkulisse, so wie ein Geist, den keine Barriere von einem Spuk abhalten kann. Gleich darauf nimmt er wieder eine feste Gestalt an und erklärt, dass der Zuschauer seine Vorführung mit Vorsicht genießen soll. Mit dieser Warnung hat er wohl recht. Denn wenn ein Zuschauer es ihm gleich tun wollte, würde er nur Beulen und blaue Flecke davontragen. Die Wahrscheinlichkeit, dass Menschen durch Wände gehen können, ist verschwindend gering. Nur mikroskopischen Quantenobjekten wie Elektronen oder Protonen gelingt dieses Kunststück mit deutlich höherer Wahrscheinlichkeit.

Man kann den Effekt am Beispiel einer Kugel erklären, die ein Mensch mit Schwung einen Hügel hochrollen lässt. Wenn die Energie, welche der Kugel mitgegeben wird, nicht genügt, rollt die Kugel immer wieder zurück, anstatt die Kuppe zu überwinden und ins nächste Tal zu gelangen. In der Quantenphysik besteht dagegen für Quantenobjekte die Möglichkeit den Potentialwall, wie der Hügel genannt wird, zu durchtunneln. In einem Augenblick befindet sich das Quantenobjekt noch vor dem Potentialwall und im nächsten Augenblick schon dahinter im nächsten Tal. Es ist ein sprunghafter Übergang ohne Zwischenzustände.

Heraustunneln von Elektronen aus Atomen

Noch niemand konnte bisher das Quanten-Tunneln in Echtzeit beobachten. Dieses Kunststück ist nun Physikern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik gelungen. Sie haben das Heraustunneln von Elektronen aus einem Atom erstmals in live verfolgt. Die elektrischen Kräfte innerhalb eines Atoms halten normalerweise jene Elektronen fest, die sich in seinem Inneren aufhalten. Die Kräfte bilden den Potentialwall, den es zu überwinden gilt, wenn sich ein Elektron aus dem Atom herauslösen soll.

Der Trick der Max-Planck-Physiker bestand darin, mit Hilfe von Attosekunden-Laserblitzen die Elektronen näher an den Rand ihres Atomgefängnisses zu bringen. Eine Attosekunde ist milliardster Teil einer milliardstel Sekunde und damit unvorstellbar kurz. Der Laserblitz vergrößert die Wahrscheinlichkeit, dass die Elektronen aus ihrem Atomgefängnis entkommen können. Und tatsächlich, nach einem zweiten Laserblitz, der die Breite des Potentialwalls ein wenig verringerte, nutzen die Elektronen die Gelegenheit, um herauszutunneln.

Atome, denen ein Elektron fehlt, sind positiv geladen. Als die Physiker im Anschluss an das Experiment die positiv geladenen Atome zählten, waren sie nicht schlecht überrascht, dass zahlreiche Elektronen entkommen waren. Noch interessanter ist aber die Feststellung, dass der Zeitbedarf für das Heraustunneln praktisch kaum messbar ist, sodass die Physiker annehmen, der Tunnelprozess benötige überhaupt keine Zeit. Die Erkenntnisse sollen helfen, bessere Röntgenlaser für die medizinische Therapie zu entwickeln.

Tunneleffekt und Hirnforschung

In der Hirnforschung kann das quantenmechanische Tunneln möglicherweise eine Erklärung für die Geschwindigkeit von bewussten Denkprozessen liefern. Die einzelnen Neuronen des Gehirns werden durch Schnittstellen verbunden, die Synapsen heißen. Diese besitzen einen winzigen Spalt, der überwunden werden muss, wenn ein Signal von Neuron zu Neuron übertragen werden soll. Die herkömmliche Theorie besagt nun, dass zur Übertragung von Signalen an den Synapsen, das ursprünglich elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt werden muss. Die Theorie kann aber nicht die Geschwindigkeit von bewussten Denkprozessen erklären. Wie jeder weiß, der schon mal einen Akku am Stromnetz geladen hat, benötigt die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische erhebliche Zeit. Würde die herkömmliche Theorie stimmen, müsste Denken schneckengleich langsam sein. Weil das der Erfahrung widerspricht, nehmen einige Hirnforscher an, dass der extrem schnelle quantenmechanische Tunneleffekt zur Überwindung des synaptischen Spalts eine Rolle spielt. Sollte man das experimentell bestätigen können, hätte man gleichzeitig eine Verbindung von Bewusstsein zur Welt der Quanten mit all ihren seltsamen Phänomenen gefunden. - Klaus-Dieter Sedlacek - (Foto: R.Motti via flickr.com)

Der Autor ist Verfasser des Buchs mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein, Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen« in dem aufgrund quantenphysikalischer Phänomene die Existenz von Bewusstsein auch außerhalb des Gehirns nachgewiesen wird.

Video: Die Quantenphysik

In einer Art molekularem Doppelspaltexperiment haben Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts (FHI) der Max-Planck Gesellschaft in Zusammenarbeit mit Forschern vom California Institute of Technology in Pasadena/USA erstmals an Elektronen nachgewiesen, dass diese gleichzeitig Eigenschaften von Welle und Teilchen besitzen und quasi per Knopfdruck zwischen beiden Zuständen hin- und hergeschaltet.

Vor hundert Jahren begann man den in der Naturphilosophie postulierten dualen Charakter der Natur auch auf der Ebene elementarer physikalischer Vorgänge schrittweise zu erkennen. Albert Einstein war der erste, der 1905 diese Konsequenz aus Plancks Quantenhypothese zog. Er ordnete dem eindeutig als elektromagnetische Welle bekannten Photon Teilchencharakter zu. Dies ist die Quintessenz seiner Arbeit zum Photoeffekt. Später war es vor allem deBroglie, der 1926 erkannte, dass alle uns als Teilchen bekannten Bausteine der Natur - Elektronen, Protonen etc. - sich unter bestimmten Bedingungen wie Wellen verhalten.
Die Natur in ihrer Gesamtheit ist also dual; kein einziger ihrer Bestandteile ist nur Teilchen oder Welle. Niels Bohr führte zum Verständnis dieser Tatsache 1923 das Korrespondenz-Prinzip ein, das vereinfacht besagt: Jeder Bestandteil der Natur hat sowohl Teilchen- als auch Wellencharakter und es hängt nur vom Beobachter ab, welchen Charakter er gerade sieht. Anders gesagt: Es hängt vom Experiment ab, welche Eigenschaft - Teilchen oder Welle - man gerade misst. Dieses Prinzip ist als Komplementaritätsprinzip in die Geschichte der Physik eingegangen.

Albert Einstein war diese Abhängigkeit der Natureigenschaften vom Beobachter Zeit seines Lebens suspekt. Er glaubte, es müsse eine vom Beobachter unabhängige Realität geben. Doch die Quantenphysik hat die Tatsache, dass es keine unabhängige Realität zu geben scheint, im Laufe der Jahre einfach als gegeben akzeptiert, ohne sie weiter zu hinterfragen, da alle Experimente sie immer wieder und mit wachsender Genauigkeit bestätigt haben.

Bestes Beispiel ist das Young’sche Doppelspaltexperiment. Bei diesem Doppelspaltexperiment lässt man kohärentes Licht auf eine Blende mit zwei Schlitzen fallen. Auf einem Beobachtungsschirm hinter der Blende zeigt sich dann ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Streifen. Das Experiment kann aber nicht nur mit Licht, sondern auch mit Teilchen wie z. B. Elektronen durchgeführt werden. Schickt man einzelne Elektronen nacheinander durch den offenen Young’schen Doppelspalt, erscheint auf der dahinterstehenden Photoplatte ein streifenförmiges Interferenzmuster, das keinerlei Information über den Weg, den das Elektron genommen hat, enthält. Schließt man jedoch einen der beiden Spalte, so erscheint auf der Photoplatte ein verwaschenes Abbild des jeweils offenen Spaltes, aus dem man den Weg des Elektrons direkt ablesen kann. Eine Kombination aus Streifenmuster und Lagebild ist in diesem Doppelspaltexperiment jedoch nicht möglich, dazu bedarf es eines molekularen Doppelspaltexperiments.

Obwohl jedes Elektron einzeln durch einen der beiden Spalte zu laufen scheint, baut sich am Ende ein wellenartiges Interferenzmuster auf, als ob sich das Elektron beim Durchgang durch den Doppelspalt geteilt hätte, um sich danach wieder zu vereinen. Hält man aber einen Spalt zu oder beobachtet man, durch welchen Spalt das Elektron geht, verhält es sich wie ein ganz normales Teilchen, das sich zu einer bestimmten Zeit nur an einem bestimmten Ort aufhält, nicht aber an beiden gleichzeitig. Je nachdem also, wie man das Experiment ausführt, befindet sich das Elektron entweder an Ort A oder an Ort B oder an beiden gleichzeitig.
Das diese Doppeldeutigkeit erklärende Bohrsche Komplementaritäts-Prinzip fordert aber zumindest, dass man nur eine der beiden Erscheinungsformen zu einer gegebenen Zeit in einem gegebenen Experiment beobachten kann - entweder Welle oder Teilchen, aber nicht beides zugleich. Entweder ist ein System in einem Zustand des wellenartigen “Sowohl-als-auch” oder aber des teilchenartigen “Entweder-oder” in Bezug auf seine Lokalisierung.

In jüngster Zeit hat eine Klasse von Experimenten ergeben, dass diese verschiedenen Erscheinungsformen der Materie ineinander überführbar sind, das heißt, man kann von einer Form in die andere schalten und unter bestimmten Bedingungen wieder zurück. Diese Klasse von Experimenten nennt man Quantenmarker und Quantenradierer. Sie haben in den letzten Jahren an Atomen und Photonen und seit jüngstem auch an Elektronen gezeigt, das es ein Nebeneinander von “Sowohl-als-auch” und “Entweder-oder” für alle Formen der Materie gibt, also eine Grauzone der Komplementarität. Es gibt demzufolge experimentell nachweisbare Situationen, in denen die Materie sowohl als Welle aber auch als Teilchen gleichzeitig in Erscheinung tritt.

Beispiele dafür sind die Atom-Interferometrie, wo dieses Verhalten 1997 erstmalig bei Atomen, d.h. zusammengesetzten Teilchen, gefunden wurde. In der Ausgabe [nature, 29. September 2005] berichten die Berliner Max-Planck-Forscher gemeinsam mit Forschern vom California Institute of Technology in Pasadena/USA nun von molekularen Doppelspaltexperimenten. Diese beruhen darauf, dass sich Moleküle mit identischen und damit spiegelsymmetrischen Atomen wie ein von der Natur aufgebauter mikroskopisch kleiner Doppelspalt verhalten. Dazu gehört Stickstoff, wo sich jedes Elektron - auch die hochlokalisierten inneren Elektronen - an beiden Atomen gleichzeitig aufhält. Ionisiert man nun ein solches Molekül etwa mit weicher Röntgenstrahlung, führt diese Eigenschaft zu einer wellenartig streng gekoppelten Emission eines Elektrons von beiden atomaren Seiten, genauso wie im Doppelspaltexperiment mit Einzelelektronen.

Die Experimente wurden von Mitarbeitern der Arbeitsgruppe “Atomphysik” des FHI an den Synchrotronstrahlungslaboren BESSY in Berlin und HASYLAB bei DESY in Hamburg durchgeführt. Die Messungen mittels einer Multi-Detektoranordnung für kombinierten Elektronen- und Ionen-Nachweis fanden hinter so genannten Undulator-Strahlrohren statt, die weiche Röntgenstrahlung mit hoher Intensität und spektraler Auflösung liefern. Quelle: idw

Wenn sich jedes Elektron an zwei Orten gleichzeitig aufhalten kann, wie im vorletzten Absatz angeführt, dann hat das Folgen für unser Weltbild. Welche Folgen das sind, ist im Sachbuch mit dem Titel  Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen näher beschrieben.

-
(idw). Die Eigendrehung der Elektronen - der “Spin” - liegt in der heutigen Elektronik noch brach. Könnte man ihn als Informationsträger nutzen, würde sich die Rechenleistung elektronischer Bauteile schlagartig vervielfachen. Bochumer Physikern ist es zusammen mit Kollegen aus Dortmund, St. Petersburg und Washington jetzt gelungen, den Elektronenspin auszurichten, zum kontrollierten “Torkeln” zu bringen und auszulesen. Mittels optischer Impulse konnten sie die Spins der Elektronen auch jederzeit beliebig neu ausrichten.
“Das ist der erste, wichtige Schritt zu einer Adressierung dieser ‘quanten bits’, die in künftigen Datenübertragungssystemen und Rechnern Einzug halten werden”, freut sich Prof. Dr. Andreas Wieck. Die Forscher berichten in NATURE Physics.

Komplexe Rechenoperationen auf kleinstem Raum

Die gesamte heutige Elektronik gründet sich auf elektrische Ladung: Wenn eine Speicherzelle (Bit) elektrische Ladung enthält, entspricht dies logisch “1″, ist keine Ladung enthalten, entspricht dies logisch “0″. Aber Elektronen enthalten nicht nur Ladung - sie drehen sich auch wie ein Kreisel um die eigene Achse und erzeugen so ein Magnetfeld, ähnlich dem der Erde. Durch das Anlegen eines äußeren Magnetfelds kann man dieses Kreiseln beschleunigen oder verlangsamen, den “Kreisel” zum Torkeln bringen und seine Achse in fast beliebige Winkel kippen. Wenn man diese vielfältigen Möglichkeiten als Informationsträger nutzt, kann man mit einem Elektron sehr viel mehr Information als nur “0″ und “1″ speichern. Darüber hinaus können benachbarte Elektronen, da sie wie zwei Pinwand-Magnete Kräfte aufeinander ausüben, in verschiedene Konfigurationen gebracht werden, was die Datenspeicherung und -verarbeitung noch komplexer gestalten kann. Solche so genannten Quantenbits (”qubits”) können schon in geringer Anzahl von nur einigen zig qubits anstelle einiger Millionen Bits sehr komplexe Rechenvorgänge ausführen.

Spins einsperren in Indium-Arsenid-Inseln

Natürlich ergibt ein einzelnes Elektron nur wenig messbare Wirkung. Dadurch sind Einzel-Elektronenmessungen nur mit höchstempfindlichen Instrumenten unter großen Schwierigkeiten durchführbar. Eine Spezialität des internationalen Forscherteams ist es daher, rund eine Million Elektronen in jeweils fast genau gleiche Indium-Arsenid-Inseln (”Quantendots”) einzusperren und ihre Wirkung zu addieren. Diese “ensemble”-Messungen ergeben um sechs Größenordnungen stärkere Signale, die einfach aufzuzeichnen und sehr robust sind. “Entgegen den Vorurteilen vieler internationaler Konkurrenten verhalten sich dabei alle beteiligten Elektronenspins genau gleich und die mikroskopischen Effekte können daher sehr einfach gemessen werden”, so Wieck.

Quantendots optisch schalten

In der in “NATURE” veröffentlichten Studie ist es nun gelungen, diese Elektronenspins nicht nur auszurichten, sondern auch optisch mit einem Laserpuls zu beliebigen Zeitpunkten in eine gewünschte Richtung zu drehen und diese Richtung mit einem weiteren Laserpuls auszulesen. Dies ist der erste wichtige Schritt, um qubits zu “adressieren” und zu beeinflussen. “Das Interessante ist dabei, dass diese Elektronen in Festkörper eingeschlossen sind, man also nicht wie z.B. bei der Quantenoptik aufwändige Höchstvakuumtechnik und allseitigen Lichteinschluss braucht, um sie dauerhaft in einem Bauelement halten zu können”, unterstreicht Prof. Wieck. Das Höchstvakuum wird nur einmal bei der Herstellung der Quantendots in Bochum benötigt, danach ist das Halbleitersystem gegen Lufteinfluss versiegelt, langlebig und zuverlässig wie alle heute schon verwendeten Transistoren und Speicherzellen.

Die Diagramme zeigen das “Torkeln” der Spins (Amplitude der Schwingung, nach oben aufgetragen) nach einem Ausrichtungs-Laserpuls in Abhängigkeit der Zeit. Eine Schwingungsperiode entspricht einem vollen “Torkel”-Umlauf. Wie zu erwarten, nimmt die Stärke (Amplitude) mit der Zeit bei allen roten Kurven ab. Nach 1,2 Nanosekunden (ns) wird ein Laser-Kontrollpuls eingestrahlt, der die Ausrichtung der Spins schlagartig verändert, was man an der Phase der blauen und schließlich grünen Kurve sehen kann: Sie ist genau in Gegenphase zur schwarzen unteren Kurve, die ohne Kontrollpuls aufgenommen wurde. Zusätzlich schaukelt sich dieses Torkeln in Gegenphase bei 2,4 ns auf, sodass das Signal dann besonders groß wird, was die Auslesung erheblich erleichtert.

Titelaufnahme

A. Greilich, Sophia E. Economou, S. Spatzek, D. R. Yakovlev, D. Reuter, A. D. Wieck, T. L. Reinecke & M. Bayer: Ultrafast optical rotations of electron spins in quantum dots. In: NATURE Physics, 22.3.2009, DOI 10.1038/NPHYS1226

Video: Gedaechtnis Giganten

»Solange wir das Savant-Syndrom nicht erklären können, können wir uns selbst nicht erklären«, meint Professor Darold Treffert, Chef der psychiatrischen Abteilung am St. Agnes Hospital in Fond du Lac (Wisconsin). Er ist seit mehr als 40 Jahren damit beschäftigt, inselbegabte Menschen, wie die Savants auch genannt werden, zu untersuchen. Inselbegabte sind oft behindert und hilfsbedürftig, verblüffen aber mit einem unglaublichen Gedächtnis, phänomenalen Rechenleistungen oder genialen künstlerischen Werken. Erklärungsversuche für Inselbegabung und Bewusstsein gibt es, aber können sie auch überzeugen?

Einer der alle anderen Inselbegabten übertrifft, ist Kim Peek. Schätzungsweise zwei Millionen Menschen haben ihn bei seinen öffentlichen Auftritten an Universitäten bestaunt. Kim hat sich den Inhalt von 7600 Sachbüchern Wort für Wort gemerkt. Dazu kennt er Detailinformationen ganzer Regionen: alle Städte, alle Straßen, alle Fahrpläne, dazu jeden Namen mit Adresse und Telefonnummer aus allen Telefonbüchern, die ihm jemals in die Hände gekommen sind. Nur mit Romanen fängt er nichts an. Dagegen ist für ihn die Wiedergabe der Baseball-Ergebnisse der letzten 40 Jahre und der Daten der meisten klassischen Musikstücke, wie Erstaufführung, Komponist oder Geburtsort des Komponisten eine leichte Übung. Aber wenn Kim sich selbst anziehen soll oder die Schuhe zubinden, dann scheitert er.

Kims Kopf ist von Geburt um ein Drittel größer, als der normaler Menschen. Eine enzephalografische Untersuchung zeigt aber in der Mitte seines Gehirns eine gähnende Leere. Ihm fehlt die Verbindung beider Hirnhälften und sein Kleinhirn ist verkümmert. Dagegen ist seine Leistung beim »Scannen« von Büchern, wie er es nennt, mehr als olympiareif. Er zieht beispielsweise die Telefonbücher ganz nah an seinen Augen vorbei. Die linke Seite am linken, die rechte am rechten Auge. So schafft er es, acht Seiten in 53 Sekunden zu scannen. Das sind weniger als 7 Sekunden pro Seite und ist damit schneller als der Scanner am heimischen PC. Wenn man glaubt, so schnell kann sich kein Mensch den Seiteninhalt merken, täuscht man sich. Kim kann es und er vergisst fast nichts.

»Kein Modell über Gehirnfunktionen ist komplett, bevor es nicht Kim mit einbezieht«, sagt Professor Treffert. Aber wie kann man die Leistungen der Inselbegabten erklären? Der Prozess der Signalübertragung im Gehirn funktioniert mithilfe von Nervenzellen. Diese nutzen eine Kombination aus elektrischen und chemischen Signalen, um miteinander zu kommunizieren. Wenn eine Zelle ihre elektrische Spannung ändert, führt das zur Freisetzung chemischer Botenstoffe. Diese wirken auf die nachfolgende Zelle ein. Daraufhin reagiert die nachfolgende Zelle ebenfalls mit einer Spannungsänderung und Freisetzung von Botenstoffen. Durch die Nutzung der chemischen Botenstoffe ist das ein schneckengleicher Prozess und nicht zu vergleichen mit der Hochgeschwindigkeit der Prozessoren heutiger Heimcomputer.

Den meisten Inselbegabten scheint eine gewisse Schädigung der linken Gehirnhälfte gemeinsam zu sein. Möglicherweise gibt es deshalb eine Überkompensation durch die rechte Gehirnhälfte, die für künstlerische, visuelle Fähigkeiten und konkrete Fakten zuständig ist. Was eine Überkompensation aber nicht zu erklären vermag, ist die hohe Geschwindigkeit der Gedächtnisleistungen eines Kim Peek. Und wenn man schon eine vollständige Erklärung für die Gehirnfunktion haben will, dann kann man das Bewusstsein nicht außen vor lassen. Denn eines scheint sicher: Ohne Bewusstsein wäre keine der Geistesleistungen der Inselbegabten möglich.

Als interdisziplinäre Arbeitsrichtung von Biologie und der Physik gehört es zum Aufgabenbereich der Quantenbiologie, geeignete quantenmechanische Erklärungsmodelle für die Gehirnfunktionen und Bewusstsein zu finden. Zu den bisherigen Erfolgen der Quantenbiologie zählt die Erklärung des Sehprozesses. Danach ist Sehen ein rein quantenmechanischer Prozess. Die Lichtteilchen (Photonen), die ins Auge fallen, werden von den zahlreichen Elektronen innerhalb der Netzhaut absorbiert. Das löst eine biochemische Kettenreaktion aus, die am Ende zu einem elektrischen Signal führt, welches im Gehirn weiterverarbeitet wird.

Was für die Erklärung des Sehprozesses vollbracht wurde, ist für die Beschreibung der Gehirnfunktion erst ansatzweise in Sicht. Zu sehr haben sich klassische Erklärungsmodelle ohne Quantenmechanik in den Köpfen der Forscher festgesetzt, als dass von heute auf morgen eine Änderung möglich wäre. Lieber werden unerklärliche Messwerte als sogenannte Messfehler in Kauf genommen, als dass vom klassischen Modell abgewichen wird. Ein Beispiel für eine klassische, aber falsche Erklärung ist das, was in dtv-Lexikon der Physik aus dem Jahre 1970 über die Elektrolyse (z. B. Wasserspaltung) steht: » [...] Die Stromleitung innerhalb des Elektrolyten besteht in der Wanderung der positiven und negativen Ionen, die unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zu den Elektroden gelangen [...]«

Wenn alle Ionen, d. h. also elektrisch geladene Atome oder Moleküle sich tatsächlich einen Weg durch den flüssigen Elektrolyten bahnen müssten, wäre die hohe Effizienz des Vorgangs nicht zu erklären. Zumindest bei der Wasserspaltung stimmt die klassische Erklärung nicht, wie Jan Sperling in seiner Dissertation 1999 an der Freien Universität Berlin nachwies: »Es besteht keine Möglichkeit, die anomalen Abweichungen der Messwerte [...] klassisch widerspruchslos zu erklären. Dagegen ist, unter Einbeziehung von Quantenkorrelation [...] ein direkter Zusammenhang [...] ableitbar.«

Ist aber die Quantenmechanik und Quantenbiologie einschließlich ihrer unerklärlichen ’spukhaften Fernwirkung’, wie Albert Einstein die Quantenkorrelation bezeichnete, tatsächlich die letzte Erklärungsebene für Gehirnfunktionen und Bewusstsein, so wie im 19. Jahrhundert die angeblich unteilbaren Atome eine letzte Erklärungsebene für die physikalische Welt waren? Quantenmechanik ist in Wirklichkeit nur ein abstrakter mathematischer Formalismus, wenn auch dessen Vorhersagen beeindruckend gut bestätigt werden. Aber möchte man einem Formalismus tatsächlich den Status der letzten physikalischen Erklärungsebene zugestehen? Der Autor und Verfasser des Sachbuchs Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen beantwortet die Frage, indem er eine weitere Erklärungsebene hinzufügt. Für ihn sind es Bewusstseinseinheiten, welche die letzte physikalische Erklärungsebene darstellen: »Bewusstsein ist der fundamentale Baustein von allem was existiert«. Auf der Basis dieser Bewusstseinseinheiten beschreibt er das ‘wahre Gesicht der Wirklichkeit’. So kommt man zu dem Schluss, dass die Quantenbiologie zwar die richtige wissenschaftliche Disziplin ist, um ein komplettes Modell der Gehirnfunktionen und des Bewusstseins zu liefern, dass dieses Modell aber noch einer weiteren physikalischen Erklärungsebene bedarf, wenn man sich nicht mit einem rein mathematischen Formalismus als Erklärung zufriedengeben möchte.

Video: Wo entsteht die kosmische Strahlung?

Kosmische Strahlung auch Höhenstrahlung genannt ist schon länger bekannt. Während einer Ballonfahrt im Jahr 1912 entdeckte sie der österreichische Physiker Victor Franz Hess und veröffentlichte noch im gleichen Jahr seine Entdeckung. Kosmische Strahlung aus dem Weltall besteht überwiegend aus hochenergetischen Protonen oder Elektronen. Was aber auf das Pierre-Auger-Observatorium in der argentinischen Pampa vom Himmel niederprasselt, ist ganz anderer Art und dreißigmal energiereicher als alles, was jemals in der Quantenschleuder LHC in Genf erzeugt werden kann. Was steckt dahinter, dass unsere Welt mit solch energiereichen Partikeln bombardiert wird und woraus bestehen diese?

Nordöstlich vom Ort Malargüe sind 1600 Wasserdetektoren über ein Gebiet größer als das Saarland verteilt, um die kosmischen Partikel aufzuspüren. Jeder der Wasserdetektoren enthält zehn Kubikmeter hochreines Wasser. Wenn die an der Untersuchung beteiligten Wissenschaftler ein geheimnisvolles blaues Leuchten (Tscherenkowstrahlung) im Wasser der Detektoren entdecken, dann wissen sie, dass die Erde wieder mit Partikeln bombardiert wird. Und das geschieht etwa hundert Mal im Jahr. In mehr als zwanzig Kilometer Höhe stoßen die Ankömmlinge aus dem All mit Luftmolekülen zusammen und erzeugen Milliarden winziger Trümmerteile. »[Sie] werden so zu Quadratkilometer großen Teilchenschauern«, berichtet Johannes Blümer, der Sprecher des Zentrums für Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik am Karlsruher Institute for Technology (KIT).

Blümer vermutet, es handele sich bei den hochenergetischen und extrem schnellen Partikeln um Eisenkerne. Doch Genaues wissen die Forscher noch nicht. Als Quelle kommen möglicherweise Schwarze Löcher in Frage, die nicht mehr als 330 Millionen Lichtjahre von uns entfernt, alles verschlingen, was in ihre Nähe gerät. Durch eine Art Schluckauf entstehen Schockwellen und starke Magnetfelder, welche die hochenergetischen Teilchen erzeugen, die dann unsere Erde bombardieren.

Die physikalischen Messungen in der Pampa helfen, den Geheimnissen der Partikel und des Universums auf die Schliche zu kommen. Aber auf die Frage, ob die Physik die Welt erklären kann, antwortete Professor Harald Lesch von der Universitätssternwarte München in der hundertsten Folge von Alpha Centauri sinngemäß, dass Physik nur erklären kann, wie etwas funktioniert, aber nicht wieso.

Für die Erklärung des ‘Wieso’ bedarf es deshalb der Metaphysik. Diese kann die Ergebnisse aller Einzelwissenschaften und nicht nur der Physik in einer Gesamtschau vereinen und daraus ein metaphysisches Weltbild entwerfen. Ein solches metaphysisches Weltbild findet sich in dem kürzlich erschienenen Sachbuch mit dem Titel: »Unsterbliches Bewusstsein«. Dort wird gezeigt, dass Raumzeit und Materie dem Bewusstsein untergeordnete Einheiten des Universums sind. Darüber hinaus werden Fragen nach dem Sinn und Zweck, also dem ‘Wieso’ beantwortet.
- Manfred Sommerfeld

Mehr zum Thema:
1. »Teilchenjäger in der argentinischen Pampa« von Rainer Klüting, Stuttgarter Zeitung v. 14.11.2008.
2. »Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen«