Thesen zum Einfluss
wechselwirkungsfreier Quantenphänomene
Inhalt
1. These: Wechselwirkungsfreie Faktoren
2. These: Informationsgehalt der Wechselwirkungsposition
3. These: Potenzieller Effizienzvorteil
4. These: Einfluss auf die Entwicklung verschiedener
Komplexität
Entwicklung der menschlichen Gesellschaft
Einleitung
Vorgänge in der Quantenphysik stehen nicht selten im Widerspruch zu dem, was wir erwarten. Jedoch, dass es möglich ist, Informationen über ein Objekt zu erhalten, ohne dass auch nur ein Photon mit diesem wechselwirkt, scheint sogar eine Wirkung ohne Ursache zu ermöglichen.1 Zwar ist diese sogenannte „Wechselwirkungsfreie Quantenmessung“2 experimentell überprüft, doch die Erklärungen sind uneinheitlich. Zudem scheint es kaum weitergehende Untersuchungen über den Einfluss von wechselwirkungsfreien Vorgängen auf Entwicklungen in der Natur und technische Anwendungsmöglichkeiten zu geben.
Weil mich diese Wirkung ohne Wechselwirkung interessierte, stellte ich eigene Überlegungen an, wobei mir ein ungewöhnliches Effektivitätsphänomen auffiel, zu dem sich auch keine Literatur fand und die ich hiermit zur Diskussion stelle.
Aufgabe des Beitrages ist es, den Effektivitätsvorteil von Systemen aufzuzeigen, welche wechselwirkungsfrei gewonnene Informationen auswerten.
Dazu werden vier Thesen aufgestellt und erläutert, die darlegen, wann und wo wechselwirkungsfreie Vorgänge stattfinden, unter welchen Bedingungen der Effektivitätsvorteil auftritt und welchen Einfluss solche Systeme bei der Entwicklung von Molekülen, Lebewesen bis hin zur menschlichen Gesellschaft haben können.
Basis dieser Thesen sind die experimentelle Bestätigung, dass Hindernisse im Strahlengang eines Mach-Zehnder-Interferometers3 ohne Wechselwirkung nachweisbar sind und die Feststellung, dass wir auf Quantenebene von ähnlichen Vorgängen umgeben sind.
Da Experimente mit einzelnen Teilchen sehr aufwendig sind, werden die Thesen mit Gedankenexperimenten, Beispielen, Grafiken und anhand von bestätigten Beobachtungen verdeutlicht.
Die hier häufig verwendete Formulierung „wechselwirkungsfrei“ lässt eine Verletzung des Kausalitätsprinzips4 vermuten. Doch ist beispielweise die wechselwirkungsfreie Messung nicht nur experimentell bestätigt, sondern auch berechenbar. Als Erklärung wird in der Regel die Kopenhagener Interpretation5, die Transaktionsinterpretation6 oder die Viele-Welten-Interpretation,7 angewendet. Weil nur mit der Viele-Welten-Interpretation wechselwirkungsfreie Phänomene so erklärt werden können, dass die Wirkung eine Ursache behält, wird hier die Viele-Welten-Interpretation als Erklärungsmuster für die Widerspruchsfreiheit mit den heute bekannten Naturgesetzen angewendet.
Angeregt wurde diese Arbeit durch die Bücher „Die Physik der Welterkenntnis“ von David Deutsch und „Einsteins Schleier“ von Anton Zeilinger.
Vorgehensweise
Da die den Thesen zugrunde liegenden Beobachtungen am Doppelspaltversuchsaufbau und Mach-Zehner-Interferometer als gesichert gelten und Experimente mit einzelnen Teilchen oder gar Fullerenmolekülen sehr aufwendig sind, waren hier nur deren theoretische Herleitung und Begründung machbar.
Es wurde wie folgt vorgegangen:
1. Definierung von Formulierungen, die hier von zentraler Bedeutung sind
Anmerkung: Die zum Teil umständlichen Formulierungen waren leider erforderlich,
da wechselwirkungsfreie Phänomene im Widerspruch mit unseren Erfahrungen stehen
und hier übliche Begriffe wie Weg, Welle, Wirkung oder Zufall, zu ungenau sind.
So muss beispielweise aus der Formulierung hervorgehen, ob die Aussagen für
Teilchen gelten, die an einer Wechselwirkung beteiligt sein können oder für
Teilchen, die an einer Wechselwirkung beteiligt waren.
2. Begründung und Erläuterung der Thesen anhand veröffentlichter Beobachtungen, Gedankenexperimente, Herleitungen und Grafiken
Anmerkung: Die Überprüfung der zentralen Effektivitätsthesen durch
Experimente mit einzelnen Teilchen wäre mit heutiger Technik durchführbar.
3. Prüfung der Thesen auf Widerspruchsfreiheit mit der Viele-Welten-Interpretation
Anmerkung: Die
Viele-Welten-Interpretation ermöglicht Erklärungen für die hier beschriebenen
Vorgänge, die nicht im Widerspruch mit den bekannten Naturgesetzen stehen.
Definitionen
Wechselwirkungsfrei8 ist etwas, wenn kein Masse- oder Energieaustausch stattfindet. Da Energie bzw. Masse quantisiert sind, ist ein Vorgang nach Wechselwirkung mit einem Planckschen Wirkungsquantum9 nicht mehr wechselwirkungsfrei. Formulierungen - z.B. in der Medizin - wie „nahe wechselwirkungsfrei“ oder „fast wechselwirkungsfrei“ oder „praktisch wechselwirkungsfrei“ sind hier unzulässig.
Wechselwirkungswege sind
Strukturen, die so beschaffen sind, dass darüber Elementarteilchen10
bzw. daraus Zusammengesetztes miteinander in Wechselwirkung treten können.
Wechselwirkungsfreie Faktoren sind die Wechselwirkungswege, über die keine Wechselwirkung zustande kam und mit denen keiner, der an einer Wechselwirkung Beteiligten in Wechselwirkung stand.
Beispiele für wechselwirkungsfreie Faktoren sind die Spalten in Interferenzexperimenten und die Strahlenwege im Interferometer, die ein einzeln abgestrahltes und von einem Sensor gemessenes Teilchen nicht passiert hat.
Erklärung: Selbst
wenn im Sekundenabstand Photonen, Elektronen, Atome und Fullerenmoleküle11,12
durch eine Anordnung von zwei Spalten gesendet werden, verändert sich die
Wahrscheinlichkeitsverteilung der Wechselwirkungspositionen, wenn weitere Spalten
geöffnet werden. Da z.B. ein Fullerenmolkül entsprechend der hier bevorzugten
Viele-Welten-Interpretation in dem Universum, in dem die Messung stattfindet
nur durch einen Spalt geflogen sein kann, sind die alternativen Spalten
definitionsgemäß die wechselwirkungsfreien Faktoren. (Dass sich nicht
feststellen lässt, welchen Wechselwirkungsweg das Molekül genommen hat, ist
hier ohne Belang.)
Ein weiteres Beispiel für einen wechselwirkungsfreien Faktor ist beim Interferometer der Wechselwirkungsweg, über den ein einzeln abgestrahltes Photon nicht zum Wechselwirkungspunkt kam. Da leicht nachgewiesen werden kann, dass einzeln abgesendete und gemessene Photonen schon wegen der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit nicht beide Wechselwirkungswege durchqueren konnten, muss einer der Wege der wechselwirkungsfreie Faktor sein.
Erklärung zur Widerspruchsfreiheit auf Grundlage der Viele-Welten-Interpretation:
Entsprechend der Viele-Welten-Interpretation verzweigen sich bei jeder Quantenentscheidung alternative Entwicklungsvarianten unseres Universums innerhalb eines sogenannten Multiversums13. Somit findet zwar eine Wechselwirkung mit allen wechselwirkungsfreien Faktoren statt, aber nicht in der Entwicklungsvariante, in der unsere Beobachtung stattgefunden hat.
Interferenzexperimente sind Versuche, bei denen Teilchen über mindestens zwei Wechselwirkungswege eine Wechselwirkungsposition erreichen können. Die Beobachtung und Messung erfolgt in der Regel mit Leuchtschirmen bzw. Sensoren. Dabei variieren Teilchenart sowie Anzahl, Form, Abstände der möglichen Wege, der Abstand zum Beobachtungsschirm und die Anzahl der Teilchen je Zeiteinheit. Eine für die Überprüfung von wechselwirkungsfreien Quantenphänomenen wichtige Variante ist das Doppelspaltexperiment14 mit einzelnen Teilchen (s. Abb.1).
Abb. 1: Doppelspaltexperiment mit Angabe der
Wechselwirkungsverteilung.
Abb. 2: Doppelspaltexperiment mit Wechselwirkungsverteilung,
wenn nur ein Weg freigegeben ist.
Interferometerexperimente sind
Versuche, bei denen Teilchen durch eine Anordnung von halbreflektierenden und
vollreflektierenden Spiegeln so aufgeteilt und wieder zusammengeführt werden,
dass sie mit sich interferieren.
Abb. 3:
Ein Mach-Zehner-Interferometer, welches so eingestellt ist, dass alle einzeln
abgesendeten Teilchen am Ausgangsspiegel
nach rechts abgelenkt werden.
Wechselwirkungsfrei gewonnene Informationen sind Informationen über diejenigen Wechselwirkungswege, über die keine Wechselwirkung zustande kam und die gewonnen werden, ohne dass eine Wechselwirkung mit diesen Wegen stattfand. Sie werden beispielsweise durch Auswertung der Wechselwirkungspositionsdaten gewonnen, welche über andere Wege zustande kamen.
Die Thesen
1. These: Wechselwirkungsfreie
Faktoren
Ist eine Wechselwirkung auf unterschiedlichen Wechselwirkungswegen
möglich, dann beeinflussen wechselwirkungsfreie Faktoren den Wechselwirkungspunkt.
Diese These beruht auf folgenden Beobachtungen:
Beobachtung A: Die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Wechselwirkungspunkte von Photonen und Fullerenmolekülen auf dem Beobachtungsschirm bei Interferenzexperimenten ist unabhängig von der Anzahl der Teilchen je Zeiteinheit.15,16
Beobachtung B: Die Wahrscheinlichkeitsverteilung ist abhängig vom Abstand der Wechselwirkungswege zueinander, von deren Anzahl und vom Abstand zum Beobachtungsschirm.16
Beobachtung C: Gibt es nur einen Wechselwirkungsweg, tritt keine interferenzartige Wahrscheinlichkeitsverteilung der Wechselwirkungspunkte auf.16,17
Beobachtung D: Interferenzartige Wahrscheinlichkeitsverteilungen von Wechselwirkungen bei Interferenzexperimenten wurden bisher z.B. mit verschiedenen Photonen (elektromagnetische Wellen), Elektronen, Atomen und Fullerenmolekülen festgestellt. Die Formel, mit der diese Verteilung berechnet werden kann, ist für alle bisher getesteten Teilchenarten identisch.16 Naturgesetze oder Grenzen, ab denen keine Interferenzen mehr entstehen, wurden bisher nicht gefunden. Allerdings steigt der experimentelle Aufwand mit der Masse.16
Legt man die Viele-Welten-Interpretation zugrunde, ergibt sich Folgendes:
Ein z.B. im Minutentakt abgesendetes und am Sensor gemessenes(!) Fullerenmolekül kann nur eine Spaltöffnung passiert haben, da dieses Molekül nicht gleichzeitig zwei verschiedene Wechselwirkungswege nehmen konnte. Deshalb muss der Auftreffpunkt des Moleküls z.B. vom Abstand und Anzahl der Spalten mitbeeinflusst sein, welche das Fullerenmolekül nicht passieren konnte.
Da mit Wechselwirkungswegen, die nicht passiert wurden auch keine Wechselwirkung stattfinden kann, wurde die Veränderung wechselwirkungsfrei verursacht - zumindest innerhalb des Universums, in dem die Messung stattfand.
Daraus und aus der Annahme, dass innerhalb unseres Universums für alle Wechselwirkungen die gleichen Naturgesetze gelten, wie für die Wechselwirkungen in unseren Experimenten, folgt: Alle Wechselwirkungen, die auf mehreren Wechselwirkungswegen möglich waren, wurden von wechselwirkungsfreien Faktoren beeinflusst.
Nachfolgende Schlussfolgerungen aus den Beobachtungen sind für die Überprüfung der These nicht zwingend erforderlich, sollen aber der Vollständigkeit halber hier erwähnt werden:
- Wenn mehr als ein Wechselwirkungsweg physikalisch möglich war, ist es nach Beobachtung der Wechselwirkungsposition lediglich berechenbar, mit welcher Wahrscheinlichkeit der jeweilige Wechselwirkungsweg passiert wurde.
- Für einzelne Teilchen ist bei Interferenzexperimenten für jede Position auf dem Beobachtungsschirm die jeweilige Wechselwirkungswahrscheinlichkeit berechenbar, wenn die entsprechenden Informationen über die Wechselwirkungswege vorliegen.
2. These: Informationsgehalt der Wechselwirkungsposition
Die Positionsinformation einer einzelnen Wechselwirkung,
welche auf mehr als einem Wechselwirkungsweg möglich war, beinhaltet Informationen
über die Wechselwirkungswege, über die diese Wechselwirkung nicht stattfand.
Begründung: Auch wenn z.B. Fullerenmoleküle nacheinander durch ein Doppelspaltsystem gesendet werden, lassen sich auf Basis der Verteilung der Wechselwirkungspunkte z.B. die Anzahl der Spaltöffnungen und der Abstand errechnen, wobei die Genauigkeit mit der Anzahl der gemessenen Wechselwirkungspositionen steigt.16 Somit muss auch eine einzelne Wechselwirkungsposition einen Informationsanteil über die wechselwirkungsfreien Faktoren beinhalten.
3. These: Potenzieller
Effizienzvorteil
Die Auswertung wechselwirkungsfrei gewonnener
Informationen kann die Effizienz von Systemen erhöhen.
Beobachtung E: Bei einem auf Interferenz eingestellten Interferometer ändert sich die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Richtung der einzeln abgestrahlten Photonen am halbreflektierenden Ausgangsspiegel, wenn ein Hindernis in einen der beiden möglichen Wege gebracht wird. Dabei teilen sich die Teilchen im Idealfall zu gleichen Teilen am Ausgangsspiegel, wenn ein Hindernis im Weg ist und treten nur in einer Richtung aus, wenn kein Hindernis im Weg ist (Abb. 3).
Beobachtung F: Bei Doppelspaltexperimenten mit einzelnen Teilchen gibt es Gebiete auf dem Beobachtungsschirm, bei denen die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung sich von der unterscheidet, bei der nur ein Spalt geöffnet ist (Vergleiche Abb. 1 mit Abb. 2).
Auf Basis der Beobachtungen E soll nun die Effizienz von zwei technischen Systemen unter Bedingungen verglichen werden, bei denen nur wenige Teilchen zur Informationsgewinnung zur Verfügung stehen, wobei System-A keine wechselwirkungsfrei gewonnenen Informationen auswertet, während System-B diese auswertet. Dabei soll System-B in Analogie zur „wechselwirkungsfreien Messung“ eine Effizienzsteigerung begründen.
Aufgabe ist es, nicht reflektierende Batterien mit einer Greifvorrichtung bei möglichst wenig Fehlversuchen einzusammeln. Die Batterien befinden sich mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% der Zeit unregelmäßig für mindestens 0,1 Sekunde an einer für die Greifvorrichtung zugänglichen Position. Als einziges Mittel zur Anwesenheitsfeststellung der Batterie steht eine Teilchenquelle zur Verfügung, die unregelmäßig durchschnittlich jede Sekunde ein Photon aussendet. Verzögerungszeiten der Greifvorrichtung werden zur Vereinfachung nicht berücksichtigt und der Mindestabstand zwischen zwei Photonen beträgt 0,1 Sekunden.
System A besteht aus Greifvorrichtung, Schaltung, Teilchenquelle und Sensor, die so angeordnet sind, dass kein Photon gemessen wird, wenn sich eine Batterie im Strahlenweg befindet.
Abb. 4: System-A, wenn sich keine Batterie im
Wechselwirkungsweg befindet.
Da die Batterien keine Photonen reflektieren und wechselwirkungsfrei gewonnene Informationen nicht hinzugezogen werden dürfen, bleibt auch theoretisch nur die Möglichkeit nach dem Ausschlussprinzip die Effektivität zu erhöhen.
Somit liegen innerhalb von z.B. 10 Sekunden über einen Zeitraum von maximal einer Sekunde Informationen über die Position der Batterie vor - wenn der Sensor ein Photon misst, ist keine Batterie vorhanden und misst er keines, ist eventuell eine Batterie greifbar. Bleiben neun Sekunden, in der keine Informationen vorliegen. In dieser Zeit liegt die Wahrscheinlichkeit eines Treffers nur wenig über 50 Prozent. Somit muss die Greifvorrichtung so von der Auswerteelektronik ausgelöst werden, dass sie innerhalb des Zeitraumes, in dem kein Photon gemessen wird nach dem Zufallsprinzip versucht, eine Batterie einzusammeln.
Ergebnis: Es sind durchschnittlich ca. 1,9 Versuche erforderlich, um eine Batterie einzusammeln.
System-B besteht aus einer Interferometerspiegelanordnung, bei der sich am Ausgangsstrahlenteiler ein Sensor befindet, der jedes Mal einen Sammelvorgang auslöst, wenn ein Photon nach oben geht. Der Ausgangsstrahlteiler ist so eingestellt, dass alle Teilchen nach rechts abgelenkt werden, wenn der Strahlenweg frei ist. Der Strahlengang ist so eingerichtet, dass dieser blockiert wird, wenn sich eine Batterie im Fangbereich befindet.
Abb. 5: System-B mit Batterie im Wechselwirkungsweg Abb.
6: System-B ohne Batterie im Wechselwirkungsweg
|
Wahrschein-lichkeit |
Richtung nach Eingangsstrahlenteiler |
Batterie im Strahlengang? |
Wechselwirkung mit der
Batterie |
Kommen Photonen am
Ausgangsstrahlenteiler an, welchen Weg nehmen sie, warum. |
|
25% |
nach oben |
ja |
ja |
nein, wurden von der Batterie absorbiert |
|
25% |
nach oben |
nein |
nein |
ja, nach rechts wegen Interferenzfall |
|
25% |
geradeaus |
nein |
nein |
ja, nach rechts wegen Interferenzfall |
|
12,5% |
geradeaus |
ja |
nein |
ja, nach rechts, Zufall |
|
12,5% |
geradeaus |
ja |
nein |
ja, nach oben (zum Sensor!), Zufall |
|
Anmerkung: |
Der Eingangsstrahlenteiler lenkt die Photonen zu gleichen Teilen
nach oben und geradeaus. |
|
Bei Wechselwirkung wird das Photon absorbiert |
Der Eingangsstahlenteiler ist so justiert, dass er die Photonen im
Interferenzfall nach rechts ablenkt. Kommen die Photonen nur über einen Weg,
werden die Photonen zu gleichen Teilen nach oben und rechts gelenkt. |
Tabelle 1 - Prozentuale Aufteilung der Vorgänge im
System B mit Anmerkungen.
Ergebnis: 12,5 % aller Photonen lösen den Sammelvorgang aus. Weil sich dann in jedem Fall eine Batterie im Strahlenweg befindet, beträgt die Effektivität 100 Prozent. (Zudem werden potenziell beide Wechselwirkungswege gleichzeitig ausgewertet.)
Es handelt sich um eine Auswertung von wechselwirkungsfrei gewonnenen Informationen, weil:
- jedes Photon, welches den Sammelvorgang auslöst, nicht gleichzeitig mit der Batterie in Wechselwirkung stehen konnte.
- keine anderen Informationsquellen direkt oder indirekt Rückschlüsse ermöglichen, ob sich tatsächlich bei Sensorauslösung eine Batterie im Strahlenweg befindet.
- sich weder während, noch mindestens 0,1 Sekunden vorher oder hinterher ein anderes Photon im System befunden hat.
Anmerkungen:
Die vorgestellten Gedankenexperimente vergleichen die Effektivität nur bei den hier verwendeten Vorgaben. Bei anderen Vorgaben muss neu untersucht werden, ob und wie mit der Auswertung wechselwirkungsfrei gewonnener Informationen eine höhere Effektivität erreicht werden kann.
So ermöglichen andere Anordnungen von Strahlteiler, Spiegel bessere Effektivitätswerte. Aber auch Konstruktionen, die Interferenzeffekte z.B. an Gitter, Kanten und Spalten ausnutzen, bieten Lösungswege, da auch hier die Wechselwirkungsposition Rückschlüsse über die wechselwirkungsfreien Faktoren ermöglicht.
Entsprechend der Vorgaben zum Umfang wurde kein Gedankenexperiment auf Basis der Beobachtung E ausgearbeitet. Es sei nur erwähnt, dass in einem solchen Aufbau z.B. der Sensor lediglich messen muss, ob sich die Wechselwirkungsposition innerhalb von Wahrscheinlichkeitsgebieten befindet, die sich bei Änderungen der Wechselwirkungswege auch ändern.
4. These: Einfluss auf die Entwicklung
verschiedener Komplexität
Die Entwicklung von Systemen mit der Fähigkeit, wechselwirkungsfrei
gewonnene Informationen auszuwerten, ist ein Faktor bei der Entstehung des Lebens,
bei der Evolution und in der Entwicklung der menschlichen Gesellschaft.
Entwicklung der menschlichen Gesellschaft
Wenn es gelingt, z.B. Werkzeuge, Konsumprodukte, Quantencomputer, medizinische und wissenschaftliche Geräte zu entwickeln, die durch Auswertung von wechselwirkungsfrei gewonnenen Informationen einen Effektivitätsvorteil besitzen, hat das zwangsläufig Einfluss auf die weitere Entwicklung der menschlichen Gesellschaft - auch wenn sich nicht vorhersagen lässt welchen.
Effektivere Techniken ermöglichten in der Vergangenheit beispielsweise höhere Produktivität, neue Erkenntnisse durch genauere Messtechnik aber auch neue Waffen und Verteidigungssysteme, was wiederum zu gesellschaftlichen Veränderungen führte. Vermutlich wird dieser Zusammenhang auch für Effektivitätssteigerungen gelten, die auf der Auswertung von wechselwirkungsfrei gewonnenen Informationen beruhen.
Evolution
Da bisher wechselwirkungsfreie physikalische Phänomene bei Lebewesen offenbar nicht gesucht wurden und der Nachweis schwierig sein dürfte, gibt es keine verwertbaren Beobachtungen dazu. Die Begründung erfolgt deshalb theoretisch:
Ein wichtiger Faktor, der die Entwicklung eines Lebewesens beeinflusst, ist z.B. seine Effektivität bei der Wahrnehmung von Nahrung, Artgenossen, Konkurrenten und Feinden über Photonen. Diese Wahrnehmungssysteme beruhen letztlich darauf, dass sich Moleküle durch Wechselwirkung mit Photonen verändern und diese Veränderungen wiederum Reaktionen auslösen.
Der Effektivitätsvorteil von Systemen, die wechselwirkungsfrei gewonnene Informationen auswerten können, wurde hier schon anhand des System-B, für die Bedingung, dass nur wenige Photonen zur Verfügung stehen, aufgezeigt. Zur Vereinfachung soll deshalb die These anhand von Lebewesen begründet werden, die sich in Situationen befinden, bei denen nur wenige Photonen vorhanden sind.
Beispiele dafür sind Lebewesen in der Tiefsee, bei Nacht, unter der Erdoberfläche und/oder Lebewesen, bei denen wegen ihrer kleinen Körperoberfläche nur wenige Wechselwirkungen mit Photonen auftreten. Auch sei darauf hingewiesen, dass innerhalb jeder Zelle Wechselwirkungen auf Quantenebene eine Rolle spielen, die auf mehreren Wechselwirkungswegen zustande kommen können und somit potenziell auswertbare wechselwirkungsfrei gewonnene Informationen beinhalten.
So würde es sich beispielsweise für in der photonenarmen Tiefsee lebende Arten lohnen die Fähigkeit zu entwickeln, wechselwirkungsfrei gewonnene Informationen auszuwerten. Denn, wer am effektivsten die Stelle findet, an der z.B. Fangarme, Netze oder fallenartige Systeme den größten Nutzen haben, hat auch die besseren Entwicklungsmöglichkeiten.
Denkbare Wahrnehmungswerkzeuge wären zum Beispiel lichtempfindliche Moleküle in Zellen, die so im Körper des Lebewesens positioniert sind, dass durch strahlenteilende Oberflächen oder Mehrfachöffnungen Interferenzeffekte entstehen. Denn dort wechselwirkende Photonen enthalten auch effektiv auswertbare Wahrscheinlichkeitsinformationen über die Position von Feinden oder Nahrung. Dagegen ist bei direkter Wahrnehmung (s. System-A) wegen Photonenmangel die gezielte Reaktion nicht effizienter als der Zufall.
Es ist sogar denkbar, dass sich innerhalb von Zellen und Bakterien einzelne Moleküle in Reaktion auf wechselwirkungsfrei gewonnene Informationen so positionieren und/oder verändern, dass sie innerhalb der Zellstruktur effektiver sind - beispielsweise bei der Fotosynthese.
Nimmt man analog zu den erläuterten Systemen A und B an, dass die lichtempfindliche Zelle der Sensor und die Fangvorrichtung ein Fangarm ist und betrachtet man außerdem die Batterie als Nährstoffpartikel, der lediglich Energie für durchschnittlich 1,8 Fangversuche enthält, ergibt sich folgende Situation: Das Lebewesen wäre unter solchen Bedingungen nur überlebensfähig, wenn es wie System-B wechselwirkungsfrei gewonnene Informationen auswerten kann. Würde es wie System-A nur bei jedem zweiten Fangversuch erfolgreich sein, entstünde ein Energiedefizit.
Entstehung von Leben
Die Ursprünge des Lebens sind vermutlich auf Molekülebene zu finden, da komplexere Systeme unwahrscheinlicher spontan entstehen können. Es wird außerdem davon ausgegangen, dass auch bei Molekülen Effektivitätsvorteile, beispielsweise bei der Verkettung und Erhöhung des Energiegehaltes und der Stabilität, von Bedeutung für deren chemische Evolution sind. Somit ist zumindest denkbar, dass Moleküle, die in der Lage sind, wechselwirkungsfrei gewonnene Informationen auszuwerten, eher einen Aufbau erreichten, bei dem sich durch Zerfall identische und nahezu identische Teile, die ersten evolutionsfähigen Bausteine des Lebens, bildeten.
Gegenwärtig scheint die für die Simulation derartiger Vorgänge erforderliche Rechenleistung nicht zur Verfügung zu stehen.18 Deshalb sind dazu vorerst vermutlich lediglich Überlegungen, wie folgt möglich:
Einzelne Moleküle besitzen größenbedingt eine geringere Anzahl von wechselwirkungsfähigen Punkten und kommen mit weniger Teilchen und Molekülen in Kontakt als makroskopische Systeme. Gerade unter diesen Bedingungen entstehen - wie oben gezeigt - Effektivitätsvorteile, wenn wechselwirkungsfrei gewonnene Informationen ausgewertet werden.
Moleküle mit solchen Fähigkeiten hätten somit evolutionäre Vorteile und wären ein treibender Faktor bei der Entwicklung von reproduktionsfähigen Molekülen bzw. daraus zusammengesetzten Vorstufen des Lebens. Beispiele wären Moleküle, die sich durch Wechselwirkung mit „informationstragenden“ Teilchen so ändern, dass sie mit erhöhter Wahrscheinlichkeit geeignete Molekülbausteine einfangen.
Diskussion
Alle vier Thesen setzen eine Wirkung ohne Wechselwirkung voraus. Dies ist zwar experimentell bestätigt, aber es gibt verschiedene Interpretationen dieser Beobachtungen. Wie erläutert, wird hier der Viele-Welten-Interpretation der Vorzug gegeben, weil entsprechend dieser Interpretation die hier vorgestellten Thesen physikalisch widerspruchsfrei sind.
Sollte sich dennoch eine der Thesen als falsch erweisen, sind auch alle darauf aufbauenden Thesen ungültig. Ist jedoch insbesondere die dritte These zur Effizienz richtig, hat das eventuell nicht nur Bedeutung für verschiedene Entwicklungstheorien, sondern zeigt auch Wege für effektivere Techniken.
So wären beispielsweise schonende bildgebende Diagnosegeräte denkbar, da durch Auswertung von wechselwirkungsfrei gewonnenen Informationen Systeme möglich wären, die mit einer geringeren Strahlendosis auskommen. Auch bei den vielversprechenden Quantencomputern sind Techniken erforderlich, die Daten ohne Wechselwirkung auslesen können, damit der Überlagerungszustand nicht zerstört wird. Weiterhin könnte z.B. die sich entwickelnde Nanotechnik davon profitieren, da wegen der geringen Größe insbesondere der im System-B aufgezeigte Effektivitätsvorteil eher auftritt.
Carolin Breitling
Magdeburg, den 24.01.2007
Literaturverzeichnis
1 Zeilinger, Anton: Einsteins Schleier, Goldmann Verlag 2005. S. 196-199.
2 http://de.wikipedia.org/wiki/Wechselwirkungsfreie_Quantenmessung
3 http://de.wikipedia.org/wiki/Mach-Zehnder-Interferometer
4 http://de.wikipedia.org/wiki/Kausalit%C3%A4tsprinzip
5 Deutsch, David: Die Physik der Welterkenntnis, dtv München, 2000. S. 314.
6 http://www.npl.washington.edu/npl/int_rep/tiqm/TI_toc.html
7 http://de.wikipedia.org/wiki/Viel-Welten-Theorie - am 20.01.2007
8 http://de.wikipedia.org/wiki/Wechselwirkung#Physik
9 Zeilinger, Anton: Einsteins Schleier, Goldmann Verlag 2005. S. 16.
10 http://de.wikipedia.org/wiki/Elementarteilchen
11 http://de.wikipedia.org/wiki/Fullerene
12 Zeilinger, Anton: Einsteins Schleier, Goldmann Verlag 2005. S. 25-29.
13 Deutsch, David: Die Physik der Welterkenntnis, dtv München, 2000. S. 50.
14 http://de.wikipedia.org/wiki/Doppelspalt - am 20.01.2007
15 Zeilinger, Anton: Einsteins Schleier, Goldmann Verlag 2005. S. 26.
16 http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph12/simulationen/06doppelspalt/doppels_keimyung.htm
17 Zeilinger, Anton: Einsteins Schleier, Goldmann Verlag 2005. S. 31
18 http://news.rpi.edu/update.do?artcenterkey=1893
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Doppelspaltexperiment
mit Angabe der Wechselwirkungsverteilung. Seite 6
Abb. 2: Doppelspaltexperiment
mit Wechselwirkungsverteilung, wenn nur ein Weg freigegeben ist. Seite 6
Abb. 3: Ein
Mach-Zehner-Interferometer, welches so eingestellt ist, dass alle einzeln
abgesendeten Teilchen am Ausgangspiegel nach rechts abgelenkt werden. Seite 7
Abb. 4: System-A, wenn sich
keine Batterie im Wechselwirkungsweg befindet. Seite 9
Abb. 5: System-B mit Batterie im
Wechselwirkungsweg Seite 10
Abb. 6: System-B ohne Batterie
im Wechselwirkungsweg Seite 10