In der Natur und in der Technik ... überall haben wir es mit quantenmechanischen Effekten zu tun!

Unser Alltag wird von der Anwendung der Quantenphysik geprägt und das, ohne dass die Meisten von uns etwas davon ahnen.

Einfach zum Nachdenken.

Man kann sich fragen: Was hat unsere Lunge mit dem Laser gemein? Oder, was hat die Atomuhr mit der Solarzelle, mit dem elektronischen Wecker, der Sie morgens weckt gemeinsam? Das gleiche was auch unsere PCs, der DVD-Player, unser Handy und auch viele andere Geräte unseres täglichen Lebens verbindet. Die darin wirkende Quantenmechanik. 

Alle diese natürlichen, organischen Geschehnisse aber auch Abläufe in vielen technischen Geräten machen sich die Gesetze der Quantenmechanik zunutze. Die technischen Anwendungen der Quantentheorie finden wir in medizinischen Diagnosegeräten von der Kernspintomografie bis hin zu den Geräten für die Potenzialmessung. ...

Wie kann man sich den Messvorgang, das Beobachten in der Quantenphysik am besten vorstellen?

»Bewusstsein und Realität scheinen zusammenzuhängen!«

- PROF. DR. A. ZEILINGER, QUANTENPHYSIKER, UNIV. WIEN

Vereinfacht kann man sagen: Bei jedem Messprozess also beim Beobachten eines Quantenphysikalschen Zustands bzw. Geschehens, gibt es eine nachweisliche, physikalische Wechselwirkung zwischen gewissen Eigenschaften des Messobjektes und der beobachtenden Person.

Das klingt fast gespenstisch: Der Beobachter hat also Einfluss auf die Beobachtung! Eine bewusste Entscheidung – nämlich die Entscheidung, dass der Weg des Teilchens gemessen werden soll – verändert das Verhalten des Teilchens! Ist unser Denken, unser Bewusstsein am Ende auf geheimnisvolle Weise mit den Quantenteilchen verbunden? Das ist nachgewiesen: Erst die Überprüfung bzw. die Beobachtung fixiert das Ergebnis.

Eine optische Täuschung hilft dabei, uns den Beobachtungs-Prozess vorzustellen.

Wie geht das? Fixiert man in diesem optischen Täuschungsrechteck einen der weißen Kreise, sieht man in einigen benachbarten Kreisen schwarze Punkte aufblitzen. Blickt man auf einen dieser schwarzen Punkte, möchte man ihn beobachten, wird dieser sofort wieder weiß und bleibt es auch solange wir die Beobachtungsrichtung nicht ändern. Dies ist eine schöne, anschauliche Analogie zur Einflussnahme des Messvorgangs auf ein Quantensystem. Die Beobachtung verändert das Beobachtete.Versuchen Sie es!
Quelle: IPN-Forschung

Quantenphysik, Doppelspalt-Experiment vereinfacht dargestellt (inkl. Video)

Wie wirklich ist die Wirklichkeit? 
Gemäß einer bekannten Theorie der Quantenphysik ändert sich das Verhalten eines Teilchens, je nachdem ob es einem Beobachter unterliegt (also beobachtet wird) oder nicht. Das bedeutet letztendlich, dass die Realität eine Art von Illusion ist und nur dann existiert, wenn wir hinsehen. Zahlreiche Quanten-Versuche wurden in der Vergangenheit durchgeführt und zeigten, dass dies tatsächlich der Fall ist. Ein weiteres Quanten-Phänomen zum Nachdenken finden sie hier:

Stellen Sie sich vor …
… ein Auto fährt -wenn es keiner sieht- in eine Tiefgarage gleichzeitig sowohl durch die Ausfahrt wie auch durch die Einfahrt ein. Schaut hingegen jemand zu, entscheidet sich das Auto spontan nur für eine von beiden Möglichkeiten (siehe Bild).

»Quantenkreuzung. Biegen Sie in beide Richtungen ab.«

Was bizarr klingt und höchstwahrscheinlich zu einem Verkehrschaos führen würde, ist beispielsweise für Elektronen gang und gäbe. Das konnten Forscher mit dem berühmten Doppelspalt-Experiment spektakulär nachweisen und zeigen.
Siehe dazu das Video Doppelspalt-Experiment! ... 

Quantenverhalten von großen organischen Molekülen nachgewiesen (und es geht doch!)

In der Quantenmechanik gab es schon 2011 einen wichtigen Rekord, das Quantenverhalten von maßgeschneiderten organischen Makromolekülen nachzuweisen. Vielen Skeptikern war (und ist) dieses gelungene Experiment ein "Dorn im Skeptiker-Auge". 

Künstlerische Darstellung der komplexesten und massivsten Moleküle (PFNS-10, TPP-152)
mit denen Quanteninterferenz nachgewiesen werden konnte Illustration: Mathias Tomandl

Ein ganz besonderer Rekord im Nachweis quantenphysikalischer Eigenschaften von Nanopartikeln gelang Quantennanophysikern der Universität Wien schon 2011. In Kooperation mit Chemikern aus der Schweiz und den USA kam es zu einen bemerkenswerten Nachweis: Erstmals wurde das Quantenverhalten von Molekülen aus mehr als 400 Atomen nachgewiesen. Dabei stellen die WissenschafterInnen mit dem "Molekularen Oktopus" – angelehnt an die Gestalt der verwendeten Moleküle – einen wichtigen Aspekt des Gedankenexperiments "Schrödingers Katze" nach. ... 

Mysteriösen Spuk-Effekt kann man auch bei Elektronen erzeugen (Forschung)

"Einsteins Spuk" gibt es tatsächlich und man kann ihm sogar sichtbar machen (siehe Video): Die rätselhafte Fernwirkung zweier miteinander verschränkter Teilchen, die auch nach einer Trennung verbunden bleiben.

Und es gibt sie doch, die Verschränkung in Bereich der Materie!

Das heißt: Lichtteilchen können augenblicklich (ohne Zeitverzögerung) in mysteriöser Weise miteinander in Wechselwirkung treten – auch, wenn sie Lichtjahre voneinander entfernt sind. Rätselhaft ist, wie die Information von einem Teilchen zum anderen gelangt.
Ein Forscherteam der Universität Wien rund um Physiker Prof. Dr. Anton Zeilinger zeigt mit Hilfe eines neuartigen Aufnahmeverfahrens (siehe Video) in Echtzeit, wie sich eine Messung an einem Lichtteilchen auf ein mit ihm verschränktes Partnerteilchen auswirkt.

Videolink: https://www.youtube.com/watch?v=7Rtqbygk7Qk

Diese Arbeit wurde in den Labors des Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften durchgeführt und die Ergebnisse in "Scientific Reports", der Open-Access-Zeitschrift des Herausgebers des renommierten Fachjournals "Nature", publiziert. ... 

Die Wunder der Quantenphysik leichter verstehen (Verschränkung)

Stellen Sie sich vor …

Verschränkte Würfel | © IPN

… man könnte Spiel-Würfel quantenmechanisch miteinander verschränken. Selbst über Lichtjahre voneinander entfernt, bestünde ein unsichtbares Informations-Band zwischen ihnen. Jeder Wurf würde stets eine zufällige Augenzahl ergeben; allerdings würden beide Würfel wie gezinkte Würfel immer das gleiche Ergebnis liefern. Fällt der eine auf die Sechs, so fällt auch der andere auf die Sechs und das zum gleichen Augenblick.

Ein Wunder, sagen Sie? Genau dieses Phänomen zeigen zum Beispiel Lichtteilchen, die Physiker bereits über mehrere hundert Kilometer miteinander verschränken konnten.

Verschränkung: Der Härtetest auf den Kanaren: Zwei verschränkte Lichtteilchen zeigten auch 144 Kilometer voneinander entfernt die „spukhafte Fernwirkung“. Der Effekt könnte in Zukunft z.B. eine vollkommen abhörsichere Kommunikation ermöglichen. ... 

Hohe Effizienz bei der Photosynthese durch Quantenphysikalische Überlagerung

Weiterer Quanteneffekt in der Natur nachgewiesen
Quantenmechanischen Wellenzustände sorgen für eine extrem effiziente und schnelle Umwandlung des Sonnenlichts in chemische Energie. 

Pflanzen beziehen die Energie, die sie zum Wachstum benötigen, aus dem Sonnenlicht. Bei diesem Prozess, der Photosynthese, wandeln sie die Energie der Lichtteilchen in chemische Energie um. Diese dient zum Aufbau von Kohlenstoffverbindungen und damit zur Energiespeicherung und zum Wachsen der Pflanze. Bislang war aber noch völlig unverstanden, auf welche Weise die Natur zumindest bei den ersten Schritten dieses komplexen biochemisch-physikalischen Vorgangs eine fast perfekte Effizienz erreicht. Nahezu jedes Lichtteilchen, das auf die grünen Chlorophyll-Moleküle im Blattgrün trifft, führt zu Entstehung getrennter elektrischer Ladungen, die die Energie für den weiteren Vorgang liefern. Ein internationales Forscherteam um Rienk van Grondelle von der Freien Universität Amsterdam hat nun herausgefunden, dass typische Quanteneffekte für einen raschen und hocheffizienten Ablauf der Photosynthese sorgen. Wie sie im Fachblatt „Nature Physics“ schreiben, könnten solche Mechanismen auch für künftige Technologien zur Energiespeicherung interessant sein. „Das Sonnenlicht regt zunächst eine Gruppe von Chlorophyll-Molekülen an“, sagt Erstautorin Elisabet Romero von der Amsterdamer Arbeitsgruppe. Gemeinsam mit Kollegen der Moskauer Staatlichen Universität und der Universität Lund in Schweden haben die Forscher verfolgt, wie die extrem schnellen Anregungsprozesse sich dann weiter entwickeln. Hierzu bestrahlten sie Proben, die sie aus Spinat gewannen, mit einer Reihe ultrakurzer Laserpulse. So konnten sie nachverfolgen, wie sich das gesamte System über die Zeit verhielt. Die Lücke zwischen den Beobachtungen konnten die Forscher mit Hilfe von Berechnungen und Computersimulationen schließen. ...

Die meisten Algen beherrschen die Quantenmechanik

In der Natur kommen Quantenmechanische Effekte öfter vor, als allgemein gedacht. Zum Beispiel treten im Photosynthesekomplex von Schwefelbakterien verschränkte Quantenzustände auf.

Die Quantenphysik spielt bei biologischen Vorgängen offenbar eine viel größere Rolle, als man es bis heute für möglich gehalten hat. So benützt eine bestimmte Meeresalge die quantenmechanisch kohärenten Anregungen ihrer Pigmentmoleküle bei der Photosynthese.

Photosynthese quantenmechanisch verschränkt
Doch auch die quantenmechanische Verschränkung ist bei der Photosynthese wichtig, wie Modellrechnungen zeigen, die Forscher um Dr. Graham Fleming von der UC Berkeley durchgeführt haben.

Bild: Das FMO-Protein transportiert Anregungsenergie von der Lichtantenne zum Reaktionszentrum. 

Dabei sind die im Protein sitzenden Chromophoren (grün) in verschränkten Quantenzuständen. 

(©: Mohan Sarovar et al., Nature Physics)

Dr. Fleming und seine Kollegen haben den Lichtsammelkomplex des grünen Schwefelbakteriums Chlorobium tepidum untersucht. Das untersuchte Bakterium nimmt Photonen mit seinen lichtsammelnden Chlorosom-Antennen auf und leitet die dabei frei werdende Anregungsenergie in elektronischer Form zu einem Reaktionszentrum weiter, wo dann die eigentliche Photosynthese stattfindet. Der Energietransport von der Antenne zum Reaktionszentrum verläuft dabei durch den sogenannten Fenna-Matthews-Olson- oder FMO-Komplex, der aus drei gleichen Proteinen mit jeweils sieben Bakteriochlorophyll-Molekülen oder Chromophoren besteht. ...