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Massenaussterben: Die Ursachen der größten Katastrophen

Im Laufe der Evolution sind in den letzten 500 Millionen Jahren immer wieder Tier- und Pflanzenarten in großer Zahl ausgestorben. Kann bereits das Aussterben weniger oder einzelner Arten zu Kettenreaktionen mit solchen verheerenden Folgen führen? Göttinger Forscher am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und der ETH Zürich haben eine mathematische Theorie entwickelt, das unter Verwendung von Fossiliendaten eine Antwort geben kann. Die Theorie zeigt, dass Kettenreaktionen bei der unterschiedlichen Entwicklung der Artenvielfalt im Meer und an Land eine Rolle gespielt haben können. Sie kann dabei helfen, heutige und zukünftige Artensterben zu verstehen.

Bei den fünf größten Massenaussterben in der Erdgeschichte starben jeweils mehr als drei Viertel aller Arten aus, doch danach erholte sich die Artenvielfalt immer wieder. Als Ursachen werden Katastrophen von globaler Größenordnung vermutet, wie z.B. große Meteoriteneinschläge oder Vulkanausbrüche. Aber zum Glück führte nicht jede Naturkatastrophe im Laufe der Erdgeschichte zu einem Massenaussterben, und umgekehrt werden auch diese nicht nur durch globale Naturkatastrophen hervorgerufen.

Das mathematische Modell der Wissenschaftler geht davon aus, dass Arten entweder auf Grund von geänderten Umweltbedingungen aussterben oder durch das Aussterben bestimmter anderer Arten, die für sie unentbehrlich sind. Wenn sich beispielsweise das Klima erwärmt oder abkühlt oder wenn sich die durchschnittliche Niederschlagsmenge oder die Bodenbeschaffenheit ändert, sind dadurch Tiere und Pflanzen bedroht, die sich nicht schnell genug anpassen können oder keinen neuen Lebensraum finden. Wenn dadurch plötzlich einige wichtige Arten fehlen, können andere ebenfalls aussterben, die von ihnen abhängig waren: Das kann geschehen, wenn eine Tierart seine bevorzugte Beute oder Futterpflanze verliert, oder wenn einer Pflanze plötzlich das Insekt fehlt, das sie bestäubt oder der Vogel, der ihre Samen verbreitet.

„Wenn es viele Arten gibt, die von wenigen Arten abhängig sind, ist das Ökosystem instabil. Wenn dann wichtige „Schlüsselarten“ durch veränderte Umweltbedingungen aussterben, kann das eine Kettenreaktion auslösen und zu einem Massenaussterben vieler Arten führen“, erklärt Frank Stollmeier vom Göttinger Max-Planck-Institut. Wenn es dagegen wenige Arten gibt, die von vielen verschiedenen Arten abhängig sind, ist das Ökosystem stabil; veränderte Umweltbedingungen könnten dann zwar viele einzelne Arten auslöschen, aber nicht innerhalb einer großen Kettenreaktion.

 Artenvielfalt im Meer und an Land

Damit kann das Modell auch erklären, warum sich die Artenvielfalt im Meer in den letzten 600 Millionen Jahren anders entwickelt hat als auf dem Land: Nachdem die ersten größeren Lebensformen im Meer entstanden waren, stieg die Artenvielfalt dort zunächst stark an und erreichte vor etwa 450 Millionen Jahren einen Wert, den sie für lange Zeit nicht mehr überschritt. Erst vor etwa 200 Millionen Jahren stieg die Anzahl der Meeresarten nach einem Massenaussterben wieder stark an. An Land dagegen begann der erste Anstieg der Artenvielfalt erst viel später, vor etwa 450 Millionen Jahren. Seitdem ist die kontinentale Artenvielfalt rasant gewachsen und hat die Vielfalt im Meer sogar übertroffen.

Eine zentrale Rolle bei dieser unterschiedlichen Entwicklung spielt in dem Modell das Verhältnis zwischen der Wahrscheinlichkeit, dass eine Art durch Umwelteinflüsse ausstirbt, und der Wahrscheinlichkeit, dass eine neue Art entsteht. Dieses Verhältnis sollte laut dem Modell im Meer höher sein. Eine Analyse von Fossilien-Datenbanken hat in der Tat ergeben, dass Arten im Meer tatsächlich eher aussterben als an Land. Ein Grund dafür könnte sein, dass es im Meer weniger verschiedene Lebensräume gibt als an Land: „Wenn im Meer eine neue Art entsteht, die nicht ideal an Umwelt angepasst ist, hat sie kaum eine Chance, einen neuen Lebensraum zu finden, in dem sie überleben könnte. An Land ist das eher möglich, da es dort sehr viele unterschiedliche Lebensräume gibt“, erklärt Jan Nagler, der die Studie leitete und jetzt an der ETH Zürich arbeitet. Wenn nun die Aussterbewahrscheinlichkeit deutlich kleiner ist als die Wahrscheinlichkeit, dass neue Arten entstehen, bleibt das Ökosystem stabil und die Artenvielfalt wächst schnell. Im umgekehrten Fall wächst die Artenvielfalt langsamer und das Ökosystem wird häufiger instabil.

Dies erklärt, warum die Artenvielfalt im Meer über so lange Zeit stagnierte. Wahrscheinlich war das Ökosystem dort über eine lange Zeit instabil: Es hatten sich zu viele Arten entwickelt, die von wenigen Schlüsselarten abhängig waren, so dass schon das Aussterben von einigen Arten zu einer fatalen Kettenreaktion führte. Somit wurde die Flora und Fauna anfällig für Massenaussterben, die das Wachstum verhinderten. Erst als das Ökosystem einen stabilen Zustand erreicht hatte, in dem weniger Arten von vielen abhingen, konnte die Vielfalt weiter ansteigen.

Das mathematische Modell wurde zwar entwickelt, um die Entwicklung der Artenvielfalt in der Vergangenheit zu erklären, doch es kann auch dazu beitragen, das heutige oder zukünftige Artensterben besser zu verstehen. Es gibt Anzeichen dafür, dass ein neues Massenaussterben begonnen hat, für das der Mensch wahrscheinlich maßgeblich mit verantwortlich ist. Schon 20 bis 40 Prozent der heute bekannten Arten gelten als vom Aussterben bedroht. Leider weiß man empirisch nur wenig darüber, wie sie voneinander abhängen und welche Folgen das Aussterben einer bestimmten Art auf andere hat. Das mathematische Modell ist daher sehr nützlich, um die Prinzipien des Artensterbens zu verstehen, die auch in der aktuellen Situation wirksam sind. (Quelle: idw)

Generalangriff der Philosophie auf die naturwissenschaftliche Weltsicht

Der amerikanische Philosoph Thomas Nagel bläst in seinem neuen Buch mit dem Titel „Geist und Kosmos“ (ISBN 978-3518586013 ) zum Generalangriff auf die etablierte naturwissenschaftliche Weltsicht. Ihr Problem, so seine These, ist grundsätzlicher Natur: Das, was den menschlichen Geist auszeichnet – Bewusstsein, Denken und Werte –, lässt sich nicht reduzieren, schon gar nicht auf überzeitliche physikalische Gesetze.

Hat Thomas Nagel recht oder passt seine eigene Weltsicht nicht zur Realität?

Zur Beantwortung der Frage möchte ich hier mein eigenes Weltbild als Naturwissenschaftler kurz skizzieren. Mein Weg zur Erklärung von Information, Bewusstsein, Sinn, Bedeutung, aber auch Dingen wie Krankheit oder die Phänomene der Quantenphysik, basiert auf einer strikten Trennung der abstrakten geistigen von der physikalischen Welt, da jede Vermischung beider Welten zu Ergebnissen führt, die weder real sind noch zur Naturwissenschaft gehören, sondern allein in der abstrakten geistigen Welt angesiedelt sind.

Beispielsweise gehören mathematische Formeln, exakte geometrische Formen, Gottheiten oder “unmögliche Dinge” wie eckige Kreise und eierlegende Wollmilchsäue zur abstrakten geistigen Welt. Ein Großteil der Objekte der Philosophie gehört dorthin. In der geistigen Welt existiert alles, was man nur denken kann.

Zum Bereich der realen physikalischen Welt gehört alles, was sich prinzipiell messen oder beobachten lässt, d. h. Wechselwirkungen mit anderen Objekten eingeht. Das Kriterium “Wechselwirkungen” hilft uns zu unterscheiden, was in die eine, was in die andere Welt gehört. Beispielsweise können eierlegende Wollmilchsäue in der freien Natur nicht fotografiert werden, d.h. sie können keine Photonen aussenden, die zu Wechselwirkungen mit dem Foto-Chip führen. Würde jemand mit einem Fotoapparat losziehen, um Bilder von der Wollmilchsau-Spezies zu schießen, würde man ihn zu Recht für dumm oder verrückt erklären, weil er die Realität nicht von der geistigen Welt zu unterscheiden vermag. Wenn es allerdings um die Anbetung von Gottheiten geht, dann ist die Gemeinschaft der Gläubigen geneigt, die Entitäten ihres eigenen Glaubens für real zu halten, die der Andersgläubigen aber für irreal.

Wie Schrödingers Katze die abstrakte mit der realen Welt vermischt

Die Vermischung von realer und geistiger Welt findet man nicht nur im geisteswissenschaftlichen oder theologischen Bereich, sondern genauso bei jenen Quantenphysikern, die Schrödingers Wellenfunktion als eine Beschreibung der Wirklichkeit ansehen. Zur Erinnerung: Schrödingers Wellenfunktion ist eine mathematische Formel zur Beschreibung des Zustands von Quanten vor ihrer Messung. Wäre die Wellenfunktion eine Beschreibung der Wirklichkeit, dann wäre Schrödingers Katze, die in einem Gedankenexperiment zusammen mit einem Mordinstrument in eine Kiste eingesperrt ist, vor dem Öffnen der Kiste gleichzeitig tot und lebendig.

Schrödingers Katze ist ein gutes Beispiel für die Vermischung der abstrakten Welt mit der realen physikalischen (siehe auch: „Der Widerhall des Urknalls“ ISBN 978-3848212255, S. 113). Die Wellenfunktion gehört als mathematische Formel zur abstrakten geistigen Welt, die Katze in der Kiste zur realen physikalischen. Die Vermischung der beiden Welten in einer physikalischen Theorie führt zu etwas, was in der realen Welt völliger Unsinn, in der abstrakten geistigen Welt ein erlaubtes gedankliches Konstrukt ist. Man muss sich nur im Klaren darüber sein, dass die Ergebnisse der Theorien, die beide Welten miteinander vermischen, nicht zur realen Welt gehören. Um es noch mal ganz deutlich zu sagen: Die gleichzeitig tote und lebendige Katze von Schrödingers Gedankenexperiment gehört nicht der realen Welt an.

Wie abstrakte und reale Welt miteinander verbunden sind

Zwischen der abstrakten und der physikalischen Welt gibt es nur eine Verbindung: Das sind die Prozesse. Dabei definiere ich einen Prozess in Übereinstimmung mit der DIN IEC 60050-351 als die Gesamtheit von aufeinander einwirkenden Vorgängen in einem System, durch die Materie, Energie oder Information umgeformt, transportiert oder gespeichert wird.“ Beispielsweise sind Computerprogramme Prozesse. Der Programmcode gehört zur abstrakten geistigen Welt. Die Ausführung des Programmcodes gehört zur physikalischen Welt, weil jede Durchführung eines Programmschritts eine Wechselwirkung darstellt.

Thomas Nagel ist wohl nicht bewusst, dass Prozesse die Verbindung zwischen der abstrakten geistigen und der realen Welt darstellen. Es mag völlig richtig sein, dass “Werte” nicht zur naturwissenschaftlichen Welt gehören, doch wenn Werte (= Ziele) in Prozesse (= Programme) eingebaut werden, dann verbinden sie die abstrakte Welt mit der physikalischen. Das Gleiche gilt für “Denken”. Denken formt Information um oder speichert sie. Denken kann deshalb als ein Prozess angesehen werden und der Denkprozess verbindet die abstrakte mit der realen Welt, indem etwas ausgeführt wird. Abstrakte Information wird umgeformt und physikalisch gespeichert.

Was ist aber mit dem Bewusstsein? Allgemein wird Bewusstsein als eine Entität angesehen, die je nachdem, aus welcher Fakultät der Wissenschaftler stammt, entweder einer nicht fassbaren, d. h. abstrakten, oder einer realen materialistischen, d. h. physikalischen Welt zugeordnet wird. Theologen und Geisteswissenschaftler neigen eher dazu, Bewusstsein als eine Entität der geistigen Ebene anzusehen. Dagegen ist nach meiner Überzeugung Bewusstsein ein Prozess (wie ich unter anderem in meinem Büchlein mit dem Titel “Synthetisches Bewusstsein ISBN 978-3842368033”) beschrieben habe. Damit verbindet es beide Welten, die abstrakte geistige und die physikalische.

Nagel hat insoweit recht, dass alle drei Entitäten, die den menschlichen Geist auszeichnen, sich nicht auf physikalische Gesetze reduzieren lassen. Aber sie lassen sich auf Prozesse reduzieren, die eine Verbindung zwischen der physikalischen und der abstrakten Welt darstellen.

Kann Krankheit auf überzeitliche physikalische Gesetze reduziert werden?

Wir können das bisher Gesagte anwenden und testen, indem wir einmal untersuchen, wo Krankheit einzuordnen ist. Ist Krankheit etwas abstrakt Geistiges oder ist es eine Entität der naturwissenschaftlichen Weltsicht? Nagel würde jetzt sagen: „Krankheit lässt sich nicht reduzieren auf überzeitliche physikalische Gesetze.“

Ich sehe Krankheit als ein Abweichen von der Regelhaftigkeit der Lebensvorgänge. Das Ausmaß dieses Abweichens bestimmt, ob es sich um Krankheit handelt oder nicht. Das Ausmaß ist ein abstrakter geistiger Wert. Lebensvorgänge sind Prozesse, denn in einem biologischen System, auf das sich der jeweilige Lebensvorgang bezieht, wird Materie, Energie oder Information umgeformt, transportiert oder gespeichert. Wenn es bei einem der Systemelemente zu Abweichungen kommt, dann kann das als Krankheit gelten. Weil Lebensvorgänge Prozesse sind, sehe ich Krankheit ebenfalls als einen Prozess. Da in Prozessen regelmäßig Information umgeformt, transportiert oder gespeichert wird, liegt in der Beobachtung und Einordnung der sich verändernden Information einer der Schlüssel zum tieferen Verständnis für das Wesen der Krankheit. Wie Information sich auf den Krankheitsprozess auswirkt, werde ich in einem meiner nächsten Beiträge untersuchen. – Klaus-Dieter Sedlacek

Buchtipps:

 

Warum Mai-Geborene Glückspilze sind

Hamburg (ots) – Der Geburtsmonat eines Menschen hat nachweislich Einfluss auf seine Entwicklung, Gesundheit, Charakter und Beruf, berichtet die Zeitschrift P.M. MAGAZIN in ihrer Februar-Ausgabe. Eine große Rolle spielen dabei die äußeren Einflüsse, denen ein Kind zum Zeitpunkt der Geburt und in den Monaten zuvor im Mutterleib ausgesetzt ist.

Ausgewählte Merkmale für jeden Geburtsmonat:
– Januar: höheres Risiko für Schizophrenie, Epilepsie und Alzheimer; tendenziell Frühaufsteher
– Februar: höheres Risiko für Essstörungen und Pollenallergien
– März: überdurchschnittlich früh einsetzende Wechseljahre bei Frauen; höheres Risiko für Alkoholismus und Kindheit-Diabetes
– April: höhere Kinderzahl und Körpergröße bei Männern; tendenziell geringerer Intelligenzquotient
– Mai: überdurchschnittlich viele Selbstmorde; erhöhtes Multiple-Sklerose-Risiko; eher Nachtmenschen
– Juni: geringes Geburtsgewicht; viele Nobelpreisträger
– Juli: häufiger starke Kurzsichtigkeit; geringere Kinderzahl bei Frauen
– August: erhöhtes Risiko für Hausstauballergien; tendenziell Nachtmenschen
– September: höheres Risiko für Asthma, geringeres Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen
– Oktober: höheres Risiko für Hunde- und Katzenallergie; überdurchschnittlich späte Menopause bei Frauen
– November: geringes Risiko für Autoimmunerkrankungen wie Multiple Sklerose; hohe durchschnittliche Lebenserwartung (gut neun Monate mehr als bei Mai-Geborenen)
– Dezember: höheres Risiko für Morbus Crohn; besonders viele Kinder bei Frauen

Ein wichtiger Einflussfaktor ist die Menge Vitamin D im Blut des Neugeborenen. Vitamin D wird mithilfe von Sonnenstrahlen in der Haut gebildet und spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Immunsystems und des Gehirns. Forscher der Universität Oxford haben herausgefunden, dass im Mai geborene Kinder 20 Prozent weniger Vitamin D in ihrem Nabelschnurblut aufweisen als Kinder, die im November geboren wurden und deren Mütter in sonnenstarken Monaten schwanger waren. Dieser Mangel könnte erklären, so die Forscher, weshalb Mai-Babys ein um 13 Prozent höheres Multiple-Sklerose-Risiko tragen als November-Kinder.

Frappierende Unterschiede zeigten Untersuchungen zur Lebenserwartung. Das Universitätsklinikum Greifswald hat in einer Mammutstudie die Daten von über sechs Millionen registrierten Sterbefällen zwischen 1992 und 2007 in Deutschland ausgewertet. Das Ergebnis: Die im November geborenen Menschen leben im Schnitt am längsten, Mai-Kinder am kürzesten. Der Lebenswerwartungs-Unterschied zwischen den November- und Mai-Geborenen beträgt bei Frauen 9,6 Monate, bei Männern 9,4 Monate.

Auch bei Allergien lassen sich Unterschiede je nach Geburtsmonat feststellen. Kinder, die im Februar oder März geboren werden, sind in den ersten Lebensmonaten besonders vielen Gräser- und Birkenpollen ausgesetzt – und werden auch häufiger auf genau diese allergisch reagieren. Wohingegen Kinder, die zwischen August und Oktober geboren werden, überdurchschnittlich oft an Hausstauballergie leiden – sie kommen wenige Monate vor Wintereinbruch zur Welt und verbringen dann die Zeit vorwiegend drinnen.

Am Ende zählt aber auch, wie zufrieden wir mit unserem Leben sind. Bei dieser Frage geben sich die Herbstkinder überraschend verhalten. In einer Umfrage des schwedischen Psychiaters Jayanti Chotai und des britischen Psychologen Richard Wiseman mit fast 30.000 Teilnehmern waren ausgerechnet die November-Geborenen am wenigsten der Ansicht, Glück im Leben zu haben. Die Mai-Kinder sahen sich als die größten Glückspilze.

Die produktivsten Erfinder, Schriftsteller und Gelehrten aller Zeiten

Zeichnung von Leonardo da Vinci:  Helicopter und Flügel
Zeichnung von Leonardo da Vinci: Helicopter und Flügel


Leonardo da Vinci, der nach neuer Wertung »nebenher Maler und Bildhauer« war, im Hauptberuf aber Ingenieur, Physiker und Erfinder, ist auch den fruchtbarsten Schriftstellern aller Zeiten zuzurechnen.

Die Gesamtzahl seiner Buchwerke beträgt 120; viele davon sind untergegangen und teilen das Vergänglichkeitslos seiner Bildhauerarbeiten. Aber die Zahl der von Leonardo herrührenden Blätter mit Abhandlungen, Entwürfen und Berechnungen, soweit sie noch heute erhalten sind, geht immer noch in die Tausende!

Raimundus Lullus, (geboren 1235), Urheber der »Ars magna Lulli«, der man ehedem in der philosophischen Welt eine gewisse Bedeutung beimaß, betätigte sich als einer der kräftigsten Vielschreiber. Die Mindestzahl der von ihm herrührenden Schriften theologischen, philosophischen und alchimistischen Inhalts beträgt 500. Nach andern Quellen hat des Lullus Produktivität das Riesenmaß von 4000 Schriften erreicht.

Die Produktion des spanischen Dichters Lope de Vega ist in ihrer Üppigkeit weit über die Grenzen seiner Heimat sprichwörtlich geworden. Seiner eigenen Rechnung zufolge hat er bis zum Jahre 1631 weit über 1500 Komödien und 400 kleinere Bühnenspiele verfasst Ungefähr 500 davon sind erhalten, während die Mehrzahl verloren ging. Dazu kommt bei dem nämlichen Autor eine enorme Menge von Schriften erzählenden, lyrischen und didaktischen Inhalts, die in einer Madrider Ausgabe 21 weitere Bände füllten.

Auch Vegas genialer Landsmann Calderon hat mit seinen Gaben nicht gekargt. Er erreichte und überschritt mit seinen dramatischen Werken die Zahl 200.

Honoré de Balzac brachte es in seinem arbeitsreichen Leben bis auf 90 Romane und Novellen, die zusammen eine Bibliothek von 120 Bänden ausmachen.

Die Produktivität des älteren Alexandre Dumas wird von Eduard Engel in seiner Geschichte der französischen Literatur drastisch gekennzeichnet: Man hat berechnet, dass Dumas mehr als dreimal so viel zusammengeschrieben hat als Voltaire, dessen sämtliche Werke etwa hundert Bände umfassen. Scherzhaft wurde gesagt, aber man könnte es ebenso wohl im Ernst aussprechen: Niemand habe Dumas’ sämtliche Werke gelesen, nicht einmal – Dumas selber. Es gibt eine gut beglaubigte Anekdote, dass Dumas von einem der Romane, die seinen Namen trugen, unbefangen sagte: »Je l’ai signé, mais je ne l’ai pas lu.« Der Katalog seines Verlegers Lévy weist genau 300 Bände von Dumas dem Älteren aus, und dieser Katalog ist unvollständig!

Von den Gelehrten behauptet der große Mathematiker Leonhard Euler den Gipfel der Unbegreiflichkeit. Ihn feiert M. Cantors Monumentalwerk der Geschichte der Mathematik: „Man wird kaum ein Gebiet der reinen und angewandten Mathematik nennen können, in welchem Euler nicht tätig war, und Tätigkeit hieß bei ihm bahnbrechender Erfolg. Eine Gesamtausgabe alles dessen, was Euler geschrieben hat, würde mindestens 2000 Druckbogen stark werden.” Also nach der Größe gemessen mehr als 30 Bände größten Lexikonformats, worin Zeile auf Zeile die schwierigsten Probleme mit dem Maximum des Scharfsinns behandelt werden!

Auch unser Alexander von Humboldt kann sich in der Reihe der Hochproduzenten sehen lassen. Es genüge der Hinweis auf eine Notiz des Professors Leunis, der vom Jahre 1856 lakonisch meldet: »Humboldts sämtliche Werke kosten an 3000 Taler!« Das ist nach heutigem Wert mehr als 1 Million Euro.

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Ältester Kalender der Welt entdeckt

English: Artist illustration about the assumed oldest calendar described in source. Bild: Unbekannt CC-by
English: Artist illustration about the assumed oldest calendar described in source. Bild: Unbekannt CC-by

Banchory (Vereinigtes Königreich), 16.07.2013 – Auf einem Feld bei Crathes Castle nahe Banchory in Aberdeenshire, Schottland, haben Archäologen etwas entdeckt, von dem sie überzeugt sind, dass es sich um den ältesten bisher bekannten Kalender der Welt handelt. Der Kalender entstand in der Mittelsteinzeit vor rund 10.000 Jahren und ist damit 5000 Jahre älter als der bisher älteste bekannte Kalender aus Mesopotamien.

Wissenschaftler wurden schon 2004 durch auf Luftaufnahmen erkennbaren, auffälligen Pflanzenwuchs auf die steinzeitlichen Bodenartefakte aufmerksam. Die Anlage wurde zwischen 2004 und 2006 von Archäologen der Universitäten Birmingham, St Andrews, Leicester und Bradford ausgegraben. Der Kalender besteht aus insgesamt zwölf Pfostenlöchern, in denen wahrscheinlich Holzpfähle standen. Hinzu kamen noch drei kleine Pfostenlöcher in der Mitte der Anlage. Die Pfostenanordnung markierte die Mondphasen und damit die Mondmonate. Die beiden zentralen Pfostenlöcher sind dabei so ausgerichtet, dass sie mit einem kleinen Pass, dem sogenannten „Slug Road Pass“, zwischen zwei Hügeln in Verbindung stehen. Mit der Hilfe von Computerrekonstruktionen konnten die Wissenschaftler nun feststellen, dass der Pass mit dem Zeitpunkt des Sonnenaufgangs zur Zeit der Wintersonnenwende in den Mittelpfosten des Kalenders übereinstimmt. Das System konnte damit nicht nur Mondmonate anzeigen, sondern auch eine Orientierung durch die Sonne im Jahr ermöglichen, die als Korrektur des Mondkalenders für eine zuverlässigere Zeitmessung diente.

Der Kalender wirft noch zahlreiche Fragen auf. Das Bauwerk legt nahe, dass die Menschen einer Sammler- und Jägergesellschaft eine Zeitmessung benötigten, aber welcher Organisationsstruktur unterlag diese Gesellschaft? Wer organisierte eventuelle Versammlungen an diesem Ort zu einem Zeitpunkt, der 5000 Jahre vor der Errichtung der ersten Steinkreise auf den britischen Inseln lag, und welche Auswirkungen auf die Gesellschaft hatte die Einführung einer Zeitmessung? Dieser Kalender dürfte nicht der einzige seiner Art sein, meinte der Vince Gaffney, Leiter der Untersuchungen bei Crathes Castle. So wurden bei Stonehenge schon im Jahr 1966 Pfostenlöcher entdeckt, deren Funktion zu diesem Zeitpunkt allerdings unklar blieb. Es dürfte im Laufe der Zeit noch weitere Entdeckungen dieser Art geben, meinte Gaffney. (Quelle: Wikinews, CC-by)

Physikprofessor Zeilinger schließt letztes Schlupfloch der spukhaften Fernwirkung

Ein Team um Anton Zeilinger, Professor für Experimentalphysik der Universität Wien und Direktor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der ÖAW, hat einen Versuch mit Photonen durchgeführt, bei dem nun ein wichtiges “Schlupfloch” geschlossen werden konnte.

Wenn wir einen Gegenstand beobachten, dann gehen wir davon aus, dass einerseits seine Eigenschaften schon vor der Beobachtung eindeutig feststehen und dass andererseits diese Eigenschaften unabhängig sind vom Zustand anderer, weit entfernter Objekte. Für Gegenstände unseres Alltags ist dem auch so. Für Quantenobjekte hingegen treffen diese scheinbar selbstverständlichen Annahmen nicht ohne weiteres zu. In den vergangenen 30 Jahren haben zahlreiche Experimente gezeigt, dass das Verhalten von Quantenteilchen – wie Atome, Elektronen oder Photonen – in klarem Widerspruch mit obiger Wahrnehmung stehen kann. Jedoch haben diese Experimente nie über alle Zweifel erhabene Antworten geliefert. Stets war es im Prinzip möglich, dass die beobachteten Teilchen eine Schwäche des Experiments “ausgenützt” hatten. Ein Team um Physiker Anton Zeilinger hat nun einen Versuch mit Photonen durchgeführt und dabei ein wichtiges “Schlupfloch” geschlossen. Die ForscherInnen haben damit den bisher vollständigsten experimentellen Nachweis erbracht, dass und wie die Quantenwelt unserer Alltagserfahrung widerspricht.

Die Quantenphysik liefert ein extrem präzises und fundamentales Werkzeug, um die Welt um uns bis in kleinste Details zu verstehen. Sie ist aber auch Grundlage für die moderne Hochtechnologie: Halbleiter (und damit Computer), Laser, Magnetresonanztomographen und andere Geräte basieren auf quantenphysikalischen Effekten. Dies kann jedoch nicht darüber hinwegtäuschen, dass nach mehr als einem Jahrhundert intensiver Forschung fundamentale Aspekte der Quantentheorie noch nicht vollkommen verstanden sind. Auch heute noch werden aus Laboratorien weltweit – jeder Intuition widersprechende Ergebnisse – gemeldet, die jedoch im Rahmen der Quantentheorie erklärt werden können.

Dem Rätsel der Quantenverschränkung auf der Spur

Die Wiener PhysikerInnen berichten nun aber nicht von einem neuen Effekt, sondern sind einem der grundlegendsten Phänomene der Quantenphysik, der sogenannten “Verschränkung”, tiefer auf den Grund gegangen. Die Konsequenzen der Quantenverschränkung sind verblüffend: Wenn man ein Quantenobjekt misst, das mit einem anderen verschränkt ist, dann, so sagt die Quantentheorie, ist der Zustand eines Teilchens von der Messung, die an dem anderen durchgeführt wird, abhängig. Dies ist auch der Fall, wenn die beiden Teilchen so weit voneinander entfernt sind, dass sie selbst im Prinzip nicht miteinander kommunizieren können (die Kommunikationsgeschwindigkeit ist grundlegend durch die Lichtgeschwindigkeit beschränkt). Eine große Aufgabe ist es, die Vorhersage der gegenseitigen Beeinflussung verschränkter Quantenteilchen in realen Experimenten zu testen.

Auf dem Weg zu einer abschließenden Antwort

Anton Zeilinger und den jungen WissenschafterInnen Marissa Giustina, Alexandra Mech, Rupert Ursin, Sven Ramelow und Bernhard Wittmann ist in einer internationalen Kooperation mit dem National Institute of Standards and Technology (USA), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (Deutschland) und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Deutschland) ein wichtiger Schritt gelungen, um einen endgültigen experimentellen Beweis zu erbringen, dass Quantenteilchen in der Tat mehr können als die klassische Physik ihnen erlaubt. Technologische Verbesserungen gemeinsam mit einem geeigneten Aufnahmeprotokoll ermöglichten den Forschenden, verschränkte Photonen mit einer bisher nicht dagewesenen Effizienz zu detektieren. “Die erzeugten Photonen können sich nicht mehr davor drücken, gemessen zu werden”, bringt es Zeilinger auf den Punkt.

Diese engmaschige Überwachung der Photonen ist wichtig, weil damit ein wesentliches “Schlupfloch” geschlossen wird. Bei bisherigen Experimenten dieser Art blieb stets die Möglichkeit offen, dass die gemessenen Lichtteilchen zwar die Gesetze der klassischen Physik verletzt hatten, dies aber nicht der Fall gewesen wäre, wenn alle im Experiment involvierten Teilchen hätten gemessen werden können. Diese Möglichkeit wird in dem neuen Experiment ausgeschlossen. “Viele Wissenschaftler haben sich bis jetzt gescheut, Experimente mit Photonen durchzuführen, weil diese zu einfach verloren gehen – genau dieses Problem haben wir jetzt im Griff”, erklärt Marissa Giustina, Erstautorin der aktuellen Publikation.

Noch ein Schritt zum krönenden Abschluss

Mit dem neuen Experiment von Marissa Guistina und ihren KollegInnen sind Photonen die ersten Quantenteilchen, für die – zwar nicht in einem einzigen, aber – in mehreren separaten Experimenten jede mögliche Hintertür geschlossen wurde. Die Krönung wäre jedoch noch ein einziges Experiment, in welchem den Photonen durch Mittel der klassischen Physik sämtliche mögliche Wege versperrt werden würde. Ein solches Experiment wäre auch für eine wichtige praktische Anwendung von grundlegender Bedeutung: Die sogenannte Quantenkryptographie beruht auf quantenmechanischen Prinzipien und gilt als absolut abhörsicher. Ein Lauschangriff ist aber im Prinzip möglich, solange “Schlupflöcher” bestehen. Nur wenn diese geschlossen sind, ist ein vollkommen sicherer Austausch von Nachrichten möglich.

“Ein Experiment ohne jedes Schlupfloch”, sagt Zeilinger, “ist eine große Herausforderung. Daran arbeiten einige Gruppen weltweit.” Diese Experimente werden nicht nur mit Photonen versucht, sondern auch mit Atomen, Elektronen und anderen Systemen, die quantenmechanisches Verhalten an den Tag legen. Das Experiment der Wiener PhysikerInnen zeigt aber deutlich das Potenzial, das in Photonen steckt, auf. Dank diesen Fortschritten gehen dem Photon die “Schlupfwinkel” aus und die PhysikerInnen sind näher denn je an einem Experiment, das belegt, dass die Quantenphysik wirklich so sehr gegen unsere Intuition und Alltagserfahrung verstößt, wie dies die Forschungsarbeiten der vergangenen Jahrzehnte nahelegen. (Quelle: idw).

Publikation
Bell violation using entangled photons without the fair-sampling assumption: Marissa Giustina, Alexandra Mech, Sven Ramelow, Bernhard Wittmann, Johannes Kofler, Jörn Beyer, Adriana Lita, Brice Calkins, Thomas Gerrits, Sae Woo Nam, Rupert Ursin, Anton Zeilinger. In: Nature (Advance Online Publication/AOP). April 14, 2013. DOI: 10.1038/nature12012

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Warum Zeit unumkehrbar ist

Nutze die Zeit
Nutze die Zeit

“Wie spät ist es?” Für uns ist es selbstverständlich geworden, die Zeit im Alltag genau zu kennen. Aber kennen wir damit das Wesen der Zeit?

Die uns im Alltag geläufigen Zeitbegriffe sind mit wiederkehrenden kosmischen Vorgängen verknüpft: Die Drehung unserer Erde definiert den Tag, der Mondzyklus den Monat und die Umlaufbewegung der Erde um die Sonne das Jahr. Von Menschenhand erschaffene Messinstrumente erlauben es uns, diese Zeiträume in beliebig kleine Einheiten zu zerlegen – in Stunden, Minuten und Sekunden. Und mit Atomuhren können wir die Zeit sogar auf Milliardstel genau messen. Aber verstehen wir damit auch ihr Wesen?

Sicherlich nicht, denn es gibt eine Merkwürdigkeit: Die Zeit kennt nur eine Richtung, und sie verstreicht einfach – ob wir es wollen oder nicht.

“Zeit ist weit mehr als ein praktisches Werkzeug, und es ist eine äußerst spannende Herausforderung, ihr Wesen zu hinterfragen”, so der Astrophysiker Andreas Müller. In der November-Ausgabe der Zeitschrift Sterne und Weltraum beschreibt er die Zeit als ein vielfältiges Phänomen, das – sollten die modernen, noch spekulativen Ansätze korrekt sein – sogar verschwinden kann.

“Unser Verständnis dieses Begriffs müssen wir davon abhängig machen, auf welcher räumlichen Skala wir uns bewegen”, erklärt der Forscher. Im Mikrokosmos, der Welt der kleinsten Teilchen, müssen wir die Möglichkeit von Zeitquanten in Betracht ziehen. Blicken wir dagegen in die Weiten unseres Universums, dann konfrontiert uns die Erforschung von fernen Galaxien mit Einsteins kontinuierlicher Raumzeit.

Die Forscher des 19. Jahrhunderts lernten, das Vorwärtsschreiten der Zeit mit Hilfe der Thermodynamik zu verstehen und entdeckten dabei ihre enge Verwandtschaft mit der “Entropie”. Diese auch als “Schwester der Zeit” bezeichnete Größe beschreibt die Unordnung von Systemen im Universum.

Ein fundamentales Gesetz besagt, dass die Entropie in einem abgeschlossenen System nur gleich bleiben oder zunehmen kann. So wird eine Porzellantasse, die von einem Tisch zu Boden fällt, in viele Scherben zerspringen. Umgekehrt werden wir jedoch niemals beobachten, dass sich ein Haufen Scherben zu einer Tasse vereinigt. Die Abfolge der beiden Zustände “Tasse auf dem Tisch” und “Scherbenhaufen” ist also unumkehrbar.

Dass die Zeit nur eine Richtung kennt, lässt sich jedoch nicht nur mikrophysikalisch mit den Gesetzen der Thermodynamik begründen, sondern auch makrophysikalisch an der Entwicklung des sich beständig ausdehnenden Universums ablesen. Da diese kosmische Expansion direkt der zeitlichen Entwicklung folgt, lässt sie sich als Indikator für eine “kosmische Zeit” betrachten.

Hier deutet sich bereits an, dass es mehr als nur einen Zeitbegriff gibt. Galilei und Newton betrachteten die Zeit als absolut, sie sollte überall im Universum gleichermaßen ablaufen. Einstein erkannte jedoch, dass die Zeit relativ ist und dass sie untrennbar mit dem Raum verknüpft ist. Und die Quantenphysik eröffnete den Physikern eine neue Sicht auf den Zeitbegriff, dessen Erforschung bis heute nicht abgeschlossen ist. (Quelle: Sterne und Weltraum, November 2012; Foto: KDSedlacek)

Mehr zum Wesen der Zeit:

 

Gottes- oder Higgs-Teilchen: Urknallexperiment erfolgreich.

Am europäischen Forschungszentrum für Elementarteilchenphysik CERN in Genf sind heute die neuesten Ergebnisse der Suche nach dem Higgs-Teilchen vorgestellt worden. In den Daten des Large Hadron Colliders (LHC) wurden deutliche Anzeichen für ein neues Teilchen beobachtet, welches das seit langem gesuchte Higgs-Teilchen sein könnte, dem eine Schlüsselrolle in der Elementarteilchenphysik zukommt. An den Messungen mit dem Großdetektor ATLAS sind die Physiker der Universität Bonn mit vier Professoren und ihren Arbeitsgruppen beteiligt. Sie haben den Pixeldetektor für dieses Experiment entwickelt und sind in Betrieb und Datennahme stark involviert.
In mehreren randvoll mit Wissenschaftlern gefüllten Auditorien am CERN in Genf wurde heute morgen im Rahmen eines Sonderseminars der neueste Stand der Suche nach dem ominösen Higgs-Teilchen vorgestellt. Dem bis heute nur postulierten Higgs-Teilchen kommt in der Teilchenphysik eine Schlüsselrolle zu: Es ist ein zentrales Element in der Standardmodell genannten Theorie und ist dafür verantwortlich, dass die Elementarteilchen ihre Masse erhalten. Die Messdaten des LHC zeigen deutliche Anzeichen für die Existenz eines neuen Teilchens mit einer Masse von 126 Giga-Elektronenvolt, das heißt ca. 130-mal so schwer wie ein Proton, welches das Higgs-Teilchen sein könnte.

Die Ergebnisse von ATLAS und CMS, den beiden großen Experimenten am LHC, zeigen konsistente und sehr signifikante Hinweise auf das neue Teilchen. „Erste Hinweise auf das Higgs-Teilchen in den Daten des LHC gab es bereits vor einem halben Jahr, doch es war noch zu früh, um von einer Entdeckung zu sprechen”, sagt Prof. Dr. Norbert Wermes vom Physikalischen Institut der Universität Bonn. Jetzt sind mehr als doppelt so viele Daten aufgezeichnet und untersucht worden. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Ergebnisse der Messung durch eine Fluktuation des Untergrundes erklärt werden könnten, ist kleiner als eins in einer Million.

Ob es sich tatsächlich um das Higgs-Teilchen handelt, oder ob man gar etwas gänzlich Unerwartetem auf der Spur ist, kann erst durch weitere Untersuchungen mit mehr Messdaten entschieden werden. In jedem Fall würde es sich um eine bahnbrechende Entdeckung handeln. „Teilchenphysiker aus aller Welt haben jahrzehntelang auf diesen Tag hingearbeitet und nun scheint er endlich gekommen zu sein”, sagt Prof. Jochen Dingfelder von der Universität Bonn. „Die Entdeckung des vorhergesagten Higgs-Teilchens ist ein großartiger Erfolg für die Teilchenphysik”, sagt Prof. Wermes.

Die im ATLAS-Experiment arbeitenden deutschen Gruppen an 13 Universitäten und Forschungseinrichtungen haben an dieser Entdeckung maßgeblichen Anteil. Die Physiker der Universität Bonn haben in Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen aus Dortmund, Siegen und Wuppertal sowie internationalen Partnern den Pixeldetektor entwickelt und wesentlich zum Bau des so genannten Innendetektors für Teilchenspuren des Experiments beigetragen. Sie sind bereits seit 1993 an Planung, Bau und Betrieb des Experimentes beteiligt. Der Pixeldetektor sitzt nur wenige Zentimeter entfernt von der Kollisionszone der LHC-Strahlen und fungiert in gewissem Sinne als Lupe für die Urknallreaktionen, in denen das neue Teilchen jetzt gefunden wurde.

Vier Arbeitsgruppen um die Professoren Ian C. Brock, Klaus Desch, Jochen Dingfelder und Norbert Wermes werten die Messungen des ATLAS-Experimentes am LHC aus. „Neben der Suche nach dem Higgs-Teilchen wird in Bonn auch an Suchen nach noch unentdeckten Phänomenen und Elementarteilchen sowie der Untersuchung des schwersten uns bekannten Elementarteilchens, des Top-Quarks, aktiv gearbeitet”, berichtet Prof. Ian Brock.

Der LHC wird planmäßig noch bis Ende dieses Jahres Daten liefern, bevor er für eine längere Zeit abgeschaltet und für den Betrieb bei höherer Energie bereit gemacht wird. Diese Daten werden helfen, das Higgs-Teilchen noch dingfester zu machen und seine Identität besser zu verstehen „Der LHC hat eines seiner Hauptziele erreicht”, sagt Prof. Klaus Desch. „Die Arbeit fängt jetzt aber erst richtig an. Wir müssen verstehen, ob die Beobachtung mit der Theorie der Teilchenphysik in Einklang ist, und die Eigenschaften des Higgs-Teilchens möglichst detailliert untersuchen.” Die kommenden Monate und Jahre versprechen für die Erforschung der Teilchenwelt spannend zu werden. (Quelle: idw, Bild: KDS)

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