Phillip Hopkins
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Viele Wissenschaftler sind der Meinung, dass große Quanteneffekte wie die Verschränkung, bei denen Teilchen, die durch große Entfernungen voneinander getrennt sind, ihre Zustände auf mysteriöse Weise miteinander verbinden, nicht für Lebewesen funktionieren sollten. Ein neues Papier argumentiert jedoch, dass es bereits - dass Wissenschaftler bereits 2016 eine Art Schrödingers Katze geschaffen haben - nur mit quantenverschränkten Bakterien gegeben hat.
Normalerweise beschreiben wir die Quantenphysik als ein Regelwerk, das das Verhalten extrem kleiner Dinge regelt: Lichtteilchen, Atome und andere unendlich kleine Objekte. Die größere Welt auf bakterieller Ebene (die auch unsere Skala ist - das chaotische Reich des Lebens) sollte nicht annähernd so seltsam sein.
Das wollte der Physiker Erwin Schrödinger sagen, als er das berühmte Katzengedankenexperiment seines berühmten Schrödinger vorschlug, wie Jonathan O'Callaghan in Scientific American betonte. In diesem Gedankenexperiment würde eine Katze in einer Kiste einem radioaktiven Partikel ausgesetzt sein, das sogar die Wahrscheinlichkeit hatte, zu verfallen oder nicht. Bis zum Öffnen der Kiste würde die arme Katze gleichzeitig lebendig und tot sein, was Schrödinger eindeutig absurd erschien. Es gibt nur etwas in der Quantenwelt, das in unserer Welt keinen Sinn ergibt. [Wie Quantenverschränkung funktioniert (Infografik)]
Wissenschaftler sind sich jedoch nicht einig, wo die Grenze zwischen der gewöhnlichen und der Quantenwelt liegt - oder ob sie überhaupt existiert. Chiara Marletto, Physikerin an der Universität Oxford und Mitautorin des kürzlich am 10. Oktober im Journal of Physics Communications veröffentlichten Artikels, sagte, es gebe keinen Grund zu der Annahme, dass die Größe von Quanteneffekten begrenzt sei.
"Ich bin daran interessiert, die Grenze zu untersuchen, an der keine Quantenregeln mehr gelten", sagte sie. "Einige Leute sagen, dass die Quantentheorie keine universelle Theorie ist, sie gilt also nicht für ein Objekt im Universum, sondern wird irgendwann zusammenbrechen. Mein Interesse ist es zu zeigen, dass dies tatsächlich nicht der Fall ist."
Zu diesem Zweck gingen Marletto und ihre Kollegen zurück und schauten sich einen Artikel an, der 2017 in der Zeitschrift Small veröffentlicht wurde und einige begrenzte Quanteneffekte in Bakterien zu zeigen schien. Sie bauten ein theoretisches Modell dessen auf, was in diesem Experiment der Universität von Sheffield wirklich vor sich gegangen sein könnte, und es zeigt, dass sich diese Bakterien tatsächlich mit leichten Partikeln verwickelt haben könnten.
Hier ist, warum das so eine radikale Idee ist:
Schau dich an und dann die Person neben dir. Sie sind physisch getrennte Wesen, richtig?
Die Quantenmechanik sagt uns jedoch, dass dies nicht der Fall sein muss. Teilchen oder Ansammlungen von Teilchen können ineinander "verwickelt" werden, so dass ihre Wellenformen miteinander verflochten sind. Kein Teilchen kann verstanden oder beschrieben werden, ohne auch das andere zu beschreiben. Durch Messen eines physikalischen Merkmals eines Partikels wird die Wellenform beider Partikel "kollabiert". Trennen Sie die Partikel durch Tausende von Kilometern, und Sie können den physischen Zustand eines Partikels sofort erkennen, indem Sie nur den anderen messen.
Nach der aktuellen Quantentheorie sind diesem Effekt keine Grenzen gesetzt. Was für ein Proton funktioniert, sollte für einen Elefanten funktionieren. In der Praxis sind größere Systeme jedoch weitaus schwieriger zu verwickeln. Und Wissenschaftler haben darüber diskutiert, ob Lebewesen einfach zu komplex sind, um sie zu verwickeln. Sie würden Schwierigkeiten haben, zwei Elefanten zu verwickeln, aus dem gleichen Grund, aus dem Sie Schwierigkeiten haben würden, diesen Elefanten das Paar Eiskunstlauf auf olympischem Niveau beizubringen: Es gibt kein spezifisches Naturgesetz, das besagt, dass es unmöglich ist, aber die meisten Menschen würden zustimmen, dass es nicht möglich ist.
Und doch sagte 2017 ein Forscherteam der Universität von Sheffield in England, sie hätten einen Zustand der sogenannten Quantenkopplung in photosynthetischen Bakterien geschaffen. Sie platzierten ein paar hundert Bakterien in einem winzigen, verspiegelten Raum und reflektierten das Licht. (Basierend auf der Länge des Miniraums blieb im Laufe der Zeit nur eine bestimmte Wellenlänge des Lichts bestehen, die als Resonanzfrequenz bezeichnet wird.) Im Laufe der Zeit schienen sechs der Bakterien eine begrenzte Quantenverbindung zum Licht zu entwickeln. Die Resonanzfrequenz des Lichts in dem winzigen Raum schien sich also mit der Frequenz zu synchronisieren, mit der Elektronen in die photosynthetischen Moleküle der Bakterien ein- und aus der Position sprangen. (Weitere Informationen zu diesem Effekt finden Sie unter diesem Link.)
Marletto sagte, dass ihr Modell zeigt, dass dieser Effekt wahrscheinlich mehr als nur Quantenkopplung beinhaltet. Wahrscheinlich war etwas noch seltsamer als das, was diese Experimentatoren beschrieben hatten, sagte sie
Die Bakterien, die sie und ihre Kollegen zeigten, verwickelten sich wahrscheinlich in das Licht. Dies bedeutet, dass die Gleichungen, die zur Definition jeder der Wellenformen - sowohl des Lichts als auch der Bakterien - verwendet werden, zu einer Gleichung werden. Keiner ist ohne den anderen lösbar. (Laut der Quantenmechanik können alle Objekte sowohl als Teilchen als auch als Welle beschrieben werden. In "großen" Objekten wie Bakterien sind die Wellenformen jedoch praktisch nicht zu sehen oder zu messen.)
Wie Schrödingers sprichwörtliche Katze in einer Kiste schien das ganze System in einer unsicheren Unterwelt zu existieren: Die Lichtteilchen scheinen gleichzeitig die Bakterien getroffen und verfehlt zu haben.
Dies beweise jedoch nicht, dass die Bakterien und das Licht definitiv verwickelt waren - es gibt andere mögliche Erklärungen, die die klassische Physik betreffen, und diese wurden noch nicht ausgeschlossen, sagte sie.
"Was in diesem Experiment fehlt, ist die Fähigkeit, die Verstrickung auf tiefere Weise zu bestätigen", sagte sie.
Bei Quantenexperimenten werden häufig physikalische Merkmale eines verschränkten Teilchens gemessen, um herauszufinden, ob diese Merkmale das andere Teilchen beeinflussen. In diesem Fall hätte dies bedeutet, die physikalischen Eigenschaften der Bakterien zusammen mit den physikalischen Eigenschaften des Lichts zu messen. Das war in diesem Experiment nicht möglich, aber Marletto sagte, dass bereits Experimente entworfen werden, die eine echte Verstrickung demonstrieren könnten.
Noch interessanter, sagte sie, sei die Frage, ob die Bakterien die Verschränkung auf eine für sie nützliche Weise nutzen, obwohl die Beantwortung dieser Frage viel mehr experimentelle Arbeit erfordern würde.
"Es ist möglich, dass die Bakterien durch natürliche Selektion Quanteneffekte ausgenutzt haben", sagte sie.
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