Als junge Doktorandin und angehende Paläontologin wollte Mary H. Schweitzer ihren Augen nicht trauen: Unter dem Mikroskop bemerkte sie in einer dünnen Scheibe vom Knochen eines Tyrannosaurus rex kleine rote Objekte. Die sahen genau aus wie rote Blutkörperchen. Aber nach damaliger Meinung der Forscher konnte das nicht sein. Organisches Material durfte sich niemals viele Jahrmillionen lang halten – schon gar nicht mehr als 65 Millionen Jahre, seit die letzten Dinosaurier von der Erde verschwanden.
Heute, fast 20 Jahre später, schildert die amerikanische Forscherin ihre Entdeckungen und den langen Kampf um Anerkennung in der Juni-Ausgabe von “Spektrum der Wissenschaft”. Sie arbeitet inzwischen als außerordentliche Professorin an der North Carolina State University in Raleigh und als Kuratorin am dortigen Naturkundemuseum. Ihr Bestiarium konnte sie vergrößern: Neben zwei T.-rex-Exemplaren, “Big Mike” und “Brex” aus Montana, umfasst es jetzt auch den Entenschnabeldinosaurier “Brachy”, genauer Brachylophosaurus canadensis. Dazu kommen ein kleiner Raubsaurier aus der Mongolei und ein früher Vogel. Auch die Sammlung organischer Reste ist gewachsen.
Nicht nur bewies Schweitzer inzwischen, dass uralte Knochen manchmal noch Reste roter Blutzellen und sogar die Farbstoffmoleküle enthalten, die Sauerstoff binden. Sie identifizierte auch Knochenzellen und Kollagenfasern. Und als sie fossile Knochen entkalkte, behielt sie etwas Ähnliches wie feine Blutgefäße zurück. An Vogelkrallen bestimmte sie Hornsubstanz, an dem mongolischen Raubsaurier Fasern von feinen Federn.
“Brex” war übrigens ein Weibchen. Schweitzer sah dem ersten Stückchen Knochen von ihm sofort an, dass dieses Tier gerade Eierschalen bildete. Bei Vogelweibchen verändern sich manche Knochenpartien während dieser Zeit, weil sie dann viel Kalzium bereitstellen müssen. Die gleiche lockere, ungeordnete Struktur wies dieser fossile Knochen auf – einschließlich der Kollagenfasern.
Schließlich gelang es der Forscherin und ihren Kollegen sogar, einige der Proteinreste zu sequenzieren, also die Abfolge der Bausteine zu bestimmen. Dabei kam heraus, dass diese Proteine am meisten denen von Vögeln ähneln. Die Vögel stammen ja tatsächlich von Dinosauriern ab. Manche Biologen zählen sie sogar noch zu deren Vertretern. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Juni 2011)
Forscher finden heraus, wie die Eisgeysire auf dem Mond den E-Ring um Saturn speisen und obendrein für leichten Schneefall sorgen
Der Saturnmond Enceladus ist verblüffend aktiv. Vor nicht allzu langer Zeit entdeckte man Hinweise auf einen Ozean unter seiner Kruste. Außerdem schleudern Eisgeysire in der Südpolregion Teilchen ins All. Dabei entkommen die schnellen Partikel der Anziehungskraft des Mondes, landen im E-Ring von Saturn und werden zum Großteil von Enceladus wieder eingesammelt; die langsameren Eisteilchen dagegen sorgen für leichten Schneefall in der Umgebung der Geysire. Das fanden Forscher des Max-Planck-Instituts für Kernphysik mit ihrem Staubdetektor an Bord der NASA/ESA-Raumsonde Cassini heraus. Dazu verglichen sie Modellrechnungen mit Messungen der Raumsonde (Icarus 206, 446-457, 2010).
Enceladus stößt Fontänen von mikroskopischen Eispartikeln und Wasserdampf aus, die den diffusen äußeren E-Ring um Saturn speisen. Durchflüge von oben nach unten durch diesen Ring ermöglichten Messungen seiner Dicke und Struktur. Das wichtigste Instrument war der Staubdetektor CDA des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik. “Die Daten lieferten unerwartete Details darüber, wie der Ring mit Material versorgt wird”, sagt Sascha Kempf. “Mit unseren Modellrechnungen und Simulationen konnten wir auch den Teilchenausstoß einzelner Eisgeysire ableiten.”
Sowohl die Produktionsraten der Eisgeysire als auch die dynamischen Eigenschaften der Eispartikel variieren erheblich. Die meisten der ausgestoßenen Teilchen werden von Enceladus während der folgenden zwei Umläufe um Saturn wieder eingesammelt, während die restlichen Teilchen vermutlich 50 bis 400 Jahre im Ring bleiben.
Bei ungefähr senkrechten Durchflügen durch den E-Ring fanden die Wissenschaftler auf den ersten Blick die erwartete glatte Glockenkurve für die Verteilung der Teilchen mit dem Maximum in der Mitte und Ausdünnen nach oben und unten. Unerwartete Spitzen in der Verteilung - vor allem in der Nähe von Enceladus - erwiesen sich bei genauerer Untersuchung nicht etwa als statistische Fluktuationen, sondern als echt: Sie spiegeln den Teilchenausstoß einzelner Eisgeysire wider. Die Aktivität jedes einzelnen Geysirs ist in der vertikalen Struktur des Rings abgebildet. Die Stärke der Spitzen zeigt, dass einige Geysire mehr ausstoßen als andere; dadurch verraten sich ihre Auswürfe auch noch in großer Entfernung.
Die Berechnungen der Teilchenflugbahnen ergaben, dass größere Partikel mit Durchmessern über 0,7 Mikrometer (tausendstel Millimeter) nur dauerhaft von Enceladus in den E-Ring entkommen können, wenn sie deutlich schneller sind als 207 Meter pro Sekunde - der Fluchtgeschwindigkeit von der Enceladusoberfläche. Dagegen werden kleinere Teilchen von den elektromagnetischen Kräften im rotierenden Magnetfeld des Saturns mitgerissen und können auf diese Weise leichter von Enceladus entkommen; dort vorhandene Ionen laden die zunächst neutralen Teilchen auf.
Das Modell liefert auch Aussagen darüber, wo und wie viel des Auswurfmaterials der Eisgeysire als “Schneefall” auf der Enceladusoberfläche niedergeht: Unabhängig von ihrer Größe landen die meisten Eispartikel in unmittelbarer Nähe der Schlote in der sogenannten Tigerstreifenregion im Südpolargebiet. Dort wächst die Schneedecke jährlich allerdings nur um einen halben Millimeter.
Frühere optische Messungen der Raumsonde Cassini ergaben, dass die Eiskörnchen auf der Enceladusoberfläche am Südpol erheblich größer sind als die von den Geysiren ausgestoßenen Teilchen. Außerdem nimmt ihre Größe mit zunehmendem Abstand von den Tigerstreifen ab. Das lässt sich durch physikalische Vorgänge auf der Oberfläche erklären: Kleine Körnchen wachsen durch Umkristallisieren oder Zusammenbacken unter dem Einfluss lokaler Wärme; andererseits schlagen Mikrometeoriten Körner aus der Eisoberfläche.
Weitere Messungen bei Durchflügen durch den E-Ring und nahen Vorbeiflügen an Enceladus während der verlängerten Cassini-Mission sollen den Forschern helfen, mögliche Variationen in der Aktivität der Eisgeysire zu entdecken. Sie schlagen vor, mit den Kameras und Spektrometern die Farben der einzelnen Fontänen zu analysieren, um die Größenverteilung der Eispartikel darin zu bestimmen. Quelle: idw, Foto:
Dünne Streifen von hellem, eisigem Material erstrecken sich über Tausende von Kilometern von den Eisgeysiren am Südpol des Enceladus in den E-Ring des Saturns. Diese Gegenlichtaufnahme im sichtbaren Licht wurde mit der Weitwinkelkamera der Raumsonde Cassini aus einer Entfernung von 2,1 Millionen Kilometern gewonnen. NASA/JPL/Space Science Institute
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)
Alternierende Schichten von schwarzen und orangefarbenen Eisen- und Silikatmineralen in 2,5 bis 2,6 Milliarden Jahre alten präkambrischen gebänderten Eisenformationen (Gamohaan Hill, in der Nähe von Kuruman, Northern Cape Province, Südafrika).Foto: Andreas Kappler
Wie riesige gebänderte Gesteinsformationen entstanden sind - Veröffentlichung in “Nature”
Vor allem in Südafrika und Australien gibt es mächtige, zwei bis 3,4 Milliarden Jahre alte geologische Formationen aus Eisenoxid und Siliziumdioxid. Manche von diesen sogenannten gebänderten Eisenformationen (englisch: Banded Iron Formations, BIFs) enthalten viele Milliarden Tonnen Eisenoxid und haben eine Ausdehnung von 100.000 Quadratkilometern. Diese Eisenerze decken nicht nur einen Großteil des Weltbedarfs an Eisen, sondern sind auch von besonderem Interesse für die Wissenschaft. Die Wissenschaftler erhoffen sich von der Erforschung dieser Gesteinsformationen Aufschluss über die Entwicklung der Atmosphäre und des Klimas sowie der Evolution von Mikroorganismen in der frühen Erdgeschichte. Wie die Ablagerungen mit den auffälligen Bänderungen entstanden sind, ist bislang unbekannt. Doch die Geomikrobiologen vom Zentrum für Angewandte Geowissenschaften der Universität Tübingen Nicole R. Posth und Florian Hegler unter der Leitung von Prof. Andreas Kappler können jetzt der Entstehungsgeschichte ein wichtiges Puzzleteil hinzufügen. Sie haben erstmals eine plausible Erklärung gefunden, auf welche Weise Mikroorganismen an der Bildung der Eisenerze beteiligt waren und wie sie auch zur Ablagerung der immer im Wechsel mit dem Eisen auftretenden Siliziumdioxid-Schichten beigetragen haben.
Das Eisen im Urozean stammte aus heißen Quellen am Ozeanboden und war als reduziertes, zweiwertiges Eisen im Wasser gelöst. Der Großteil des Eisens in den heutigen BIFs liegt jedoch als oxidiertes, dreiwertiges Eisen vor. Die Forscher wissen deshalb, dass das zweiwertige Eisen zur Ablagerung oxidiert werden musste. Im klassischen Modell zur Entstehung der BIFs wurde angenommen, dass die Oxidation durch Sauerstoff geschah, den frühe einzellige Lebewesen, die Cyanobakterien, durch ihren Stoffwechsel als Abfallprodukt gebildet hatten. Die Forschung der letzten Jahre hat gezeigt, dass zu diesem frühen Zeitpunkt in der Erdgeschichte vermutlich nur sehr wenig oder sogar kein Sauerstoff vorhanden war. Es wurde auch bezweifelt, dass es damals überhaupt schon Cyanobakterien gab. Die Bildung der ältesten BIFs kann also nicht durch Sauerstoff geschehen sein. Denn die ältesten bekannten gebänderten Eisenerze stammen bereits aus dem Präkambrium, sie sind bis zu vier Milliarden Jahre alt - das Alter der Erde wird auf 4,5 bis 4,6 Milliarden Jahre geschätzt.
Andreas Kappler und seine Arbeitsgruppe knüpften bei ihren Forschungen an eine Theorie an, die im Jahre 1969 zum ersten Mal veröffentlicht wurde: Danach sollten die Erze durch eisenoxidierende Bakterien entstanden sein, die zum Leben zwar Licht, aber keinen Sauerstoff benötigten. Allerdings wurden solche anaeroben phototrophen eisenoxidierenden Bakterien erst 1993 in der Natur entdeckt und konnten dann im Labor gezüchtet und untersucht werden. Mit Hilfe von Lichtenergie oxidieren sie zweiwertiges Eisen und setzen es zu dreiwertigem Eisen um - eben zu solchen rostigen Mineralen, wie sie in den BIFs enthalten sind. Die Tübinger Geomikrobiologen entdeckten nun, dass die Ausfällung von Eisen- und Silikatmaterialien in den BIFs natürlichen Temperaturschwankungen unterlag. Die Abhängigkeit von der Temperatur würde auch die bisher unerklärte alternierende Bänderung der Gesteinsformationen erklären: Die Eisenbakterien oxidieren zweiwertiges Eisen nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches. Wenn die Temperatur sinkt, werden weniger Eisenoxide gebildet. Im Gegenzug fällt in einer chemischen Reaktion das im Wasser gelöste Siliziumdioxid in Form von festem Silikat aus. Steigt die Temperatur erneut, werden die Eisenbakterien wieder aktiv und lagern die nächste Schicht Eisenminerale ab - und so weiter. Dadurch lässt sich die typische Wechsellagerung von Eisenoxid- und Silikatmineralien erklären.
Durch ihre Arbeiten können die Tübinger Wissenschaftler nicht nur erstmals erklären, wie Mikroorganismen an der Bildung der Bänderung der BIFs beteiligt sind. Die Forschungsergebnisse geben auch weitere Hinweise darauf, dass zu dieser frühen Zeit auf der Erde sauerstoffbildende Bakterien wie die Cyanobakterien nicht die wichtigste Rolle gespielt haben oder vielleicht noch gar nicht vorhanden waren. Damit hätte es auch noch keinen beziehungsweise nur wenig Sauerstoff in der Atmosphäre gegeben. Stattdessen dominierten vor einigen Milliarden Jahren andere Mikroben wie die von den Tübingern untersuchten Eisenbakterien die Ozeane. (Quelle: idw)
Enceladus, der sechstgrößte Trabant des Ringplaneten, steckt voller Überraschungen – und könnte Spuren von Leben bergen
Im Inneren des kleinen Saturnmonds Enceladus vermuten Planetenforscher organische Verbindungen, Kanäle oder gar Seen mit flüssigem Wasser. Energie, Kohlenstoffverbindungen, Wasser: die drei Voraussetzungen für Leben, wie wir es kennen. Die Erforschung dieses fremdartigen und fernen Orts bringt uns – nach unserem Nachbarplaneten Mars, dem Saturnmond Titan und dem Jupitermond Europa – eine weitere Welt im Sonnensystem nahe, die sich vielleicht für lebende Organismen eignet. Als die Raumsonde Cassini vor einigen Jahren die Südhalbkugel von Enceladus überflog, enthüllte sie eine Landschaft, die im Sonnensystem nicht ihresgleichen hat. Einen Eindruck von der Begeisterung, die dies unter Planetenforschern auslöste, vermittelt Carolyn Porco, Leiterin des Cassini-Kamerateams, in der Juniausgabe von Spektrum der Wissenschaft.
Bei Cassinis Wanderung über die Südpolregion fing der Staubanalysator winzige Partikel auf, die offenbar von dort emporgeschleudert worden waren. Zwei andere Instrumente entdeckten Wasserdampf sowie Anzeichen für Kohlendioxid, Stickstoff und Methan. Außerdem spürte die Infrarotkamera lokale Bodentemperaturen bis zu minus 90 Grad auf – weit mehr als die minus 200 Kelvin, die durch bloße Sonneneinstrahlung zu erwarten wären. Auf Fotos des Horizonts im Gegenlicht der Sonne sahen die Planetenforscher außerdem eine gewaltige Wolke kleiner Eispartikel, die sich um mehrere hundert Kilometer über den Südpol erhob.
Seither hat die Cassini-Sonde mehrere Vorbeiflüge an Enceladus absolviert und ist in wenigen Kilometern Höhe in dichtere Regionen der Eruptionsfahne vorgedrungen. Bei einer besonders engen Passage im März 2008 entdeckte Cassini zusätzlich zu Wasserdampf, Stickstoff, Kohlendioxid und Methan kleine Beimengungen anderer Kohlenstoffverbindungen wie Azetylen und Cyanwasserstoff sowie Spuren von Ethan, Propan, Benzol, Formaldehyd und anderen organischen Verbindungen. Woher nimmt Enceladus die Energie für seine geologische Aktivität? Irdisches Gestein enthält radioaktive Substanzen, die Wärme erzeugen. Zweifellos gilt für Enceladus das Gleiche, aber all sein Gestein reicht nicht aus, die beobachtete Wärme zu produzieren. Ansonsten kommen als plausible Wärmequelle nur Gezeitenkräfte in Frage. So wie die Schwerkraft von Sonne und Mond unseren Planeten ein wenig deformiert und das Wechselspiel von Flut und Ebbe hervorruft, knetet Saturns Gravitation Enceladus durch. Wegen dessen exzentrischer Bahn variiert sein Abstand von Saturn. Je näher er ihm kommt, desto mehr wird er deformiert. Diese Variation erzeugt innere Verschiebungen und somit Wärme.
Da Enceladus unter der Oberfläche fast sicher Wasser birgt, stehen wir vor der faszinierenden Möglichkeit, dass sich in dem kleinen Mond zumindest Vorstufen von Leben regen. Einem Ökosystem auf Enceladus würden auf der Erde am ehesten unterirdische vulkanische Schichen ähneln, in denen Wasser in völliger Finsternis heißes Gestein umspült. Hier findet man Organismen, die entweder Wasserstoff und Kohlendioxid aufnehmen, um daraus Methan zu erzeugen, oder Wasserstoff und Sulfate; Energie beziehen sie nicht von der Sonne, sondern aus der Erdwärme.
Ob so etwas auch auf Enceladus existiert? Dafür müsste eine Sonde auf dem Saturnmond landen und sein Innenleben noch genauer untersuchen. Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Juni 2009
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.
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