Quantenverschränkung und Leben – Prof. Vlatko Vedral

Quelle: (14) Quantum Entanglement and Life

Ich möchte euch von einer sehr kreativen Masterarbeit eines Physikers namens Andrew A. Cochran erzählen. Sie stammt aus der Mitte der sechziger Jahre, und da ich online nicht viel über ihn finden kann, vermute ich, dass er seine Forschungskarriere nicht fortgesetzt hat. Und das ist wirklich schade. Bevor ich jedoch näher auf Cochrans Ideen eingehe (veröffentlicht in Foundations of Physics, Band 1, Nr. 3, 1971), möchte ich zunächst ein wenig über den Zustand der Chemie klagen.

In der Schule mochte ich Chemie nicht, weil sie anhand einer Reihe von scheinbar willkürlichen Regeln vermittelt wurde. Zum Beispiel werden Elektronenorbitale als Blasen dargestellt, und wenn sich die Blasen eines Atoms mit denen eines anderen Atoms überlappen, bilden diese beiden Atome ein Molekül. Das ergab für mich überhaupt keinen Sinn. Erstens: Warum sind Elektronenorbitalen plötzlich Blasen (und keine Kreise oder Ellipsen)? Zweitens: Was bedeutet es, dass sie sich überlappen? Und schließlich: Warum stellt das eine molekulare Bindung dar?

Dann lernte ich Quantenphysik (zum ersten Mal richtig, als Student am Imperial College in London). Plötzlich ergab die Chemie Sinn und wurde tatsächlich zu einem faszinierenden Fach. Was mir einige Zeit später (nach meiner Promotion, ebenfalls am Imperial College) klar wurde, war, dass Atom- und Molekularphysik viel besser vermittelt (und formuliert) werden könnte, als dies in meinen Schulbüchern der Fall war.

Tatsächlich ist mir inzwischen klar geworden, dass die Klassifizierung molekularer Bindungen in der Chemie (kovalente, ionische und metallische) mithilfe der Quantenverschränkung treffender erfolgen könnte. Letztendlich beruhen alle molekularen Bindungen auf Quantenverschränkung, und was verschiedene Moleküle voneinander unterscheidet, ist der Grad der Verschränkung zwischen ihren gemeinsamen Elektronen. Wenn sich zwei Atome einander nähern, können Elektronen von jedem von ihnen zum anderen Atom „hüpfen“ (oder, in der Quanten-Fachsprache, „tunneln“). Die neuen Zustände der Elektronen, in denen sie zwischen den Atomen delokalisiert sind, sind energetisch günstiger, was zur Bildung von Molekülen führt. Die Blasen und Überlappungen von Blasen, über die ich mich in meiner Schulzeit beschwert habe, sind also tatsächlich allesamt verschiedene Formen der Quantenverschränkung.

Zurück zu Andrew Cochran. Ihn faszinierte (wie uns alle) die Tatsache, dass lebende Systeme nur aus einer Handvoll Elementen bestehen. Kohlenstoff und Wasserstoff machen etwa 80 Prozent aller organischen Moleküle aus, und wenn man Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel hinzunimmt, haben wir im Grunde 99 Prozent der Struktur aller Proteine, die das Gerüst für alle lebenden Systeme bilden. Warum gerade diese sechs Elemente? Was ist das Besondere an ihnen?

Und hier kommt Cochrans erstaunliche Hypothese ins Spiel. Er behauptet, dass diese sechs Elemente die niedrigsten Wärmekapazitäten aller Elemente aufweisen. Das bedeutet, dass die aus ihnen gebildeten Strukturen widerstandsfähiger gegenüber Störungen aus der Umgebung sind. Eine niedrige Wärmekapazität bedeutet, dass die Temperatur des Systems bei Erwärmung nicht stark ansteigt. Das ergibt Sinn, da man erwarten würde, dass die Natur in lebenden Systemen nach Stabilität strebt. Doch dies ist nur die eine Hälfte von Cochrans Hypothese. Die andere Hälfte besagt, dass Systeme mit geringer Wärmekapazität stärker quantenmechanisch sind.

Nun hatte Cochran eine einfache Erklärung dafür, warum das so ist (so einfach, dass sie falsch ist), aber ich werde Ihnen meine etwas ausgefeiltere Version präsentieren (die zumindest weniger falsch ist). Das führt mich zurück zu einer Arbeit, die ich vor langer Zeit gemeinsam mit Časlav Brukner durchgeführt habe. Die Idee bestand darin, makroskopische Größen wie die Wärmekapazität zu nutzen, um Quantenverschränkung in komplexen Systemen nachzuweisen. Warum hängt der Wert der Wärmekapazität mit Verschränkung zusammen? Der Grund dafür ist, dass die Wärmekapazität Aufschluss über die Korrelationen zwischen den Bestandteilen (in der Regel Atomen) komplexer Systeme gibt. Und das Interessante daran ist, dass niedrige Wärmekapazitäten nur erreicht werden können, wenn die Bestandteile verschränkt sind. Das ist meiner Interpretation nach im Wesentlichen der Grund für Cochrans Erkenntnis: Eine niedrige Wärmekapazität bedeutet, dass sich das System weitgehend in einem stark quantenmechanischen Zustand befindet. Tatsächlich gibt es einen dritten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass sich die Wärmekapazität gegen Null annähert, wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert. Wäre bei niedrigen Temperaturen keine Quantenverschränkung vorhanden, müsste der dritte Hauptsatz der Thermodynamik verletzt werden.

Nun, Cochran belässt es tatsächlich nicht dabei. Leider (aus meiner persönlichen Sicht) ist er ein Panpsychist und nutzt den Zusammenhang zwischen Quantität und Wärmekapazität, um zu argumentieren, dass (ich zitiere): „… Atome und die Elementarteilchen verfügen über einen rudimentären Grad an Bewusstsein, Willenskraft oder Selbstaktivität; die grundlegenden Merkmale der Quantenmechanik sind eine Folge dieser Tatsache; die quantenmechanischen Welleneigenschaften der Materie sind tatsächlich die bewussten Eigenschaften der Materie; und lebende Organismen sind eine direkte Folge dieser Eigenschaften der Materie.“ Mit anderen Worten: Er betrachtet die quantenmechanischen Welleneigenschaften der Materie (die für uns Verschränkung bedeuten) als Folge der Tatsache, dass Elementarteilchen einen „rudimentären Grad an Bewusstsein“ besitzen. Ich halte diese Schlussfolgerung für ungerechtfertigt und – zumindest was mich betrifft – für verkehrt herum.

Es könnte sinnvoller sein, die Dinge umgekehrt zu betrachten. Genauer gesagt benötigen Elemente, die lebende Systeme bilden, eine geringe Wärmekapazität, da dies eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber externen Störungen bedeutet. Gleichzeitig deutet eine geringe Wärmekapazität auf einen höheren Grad an Quantizität hin, was bedeutet, dass die Bestandteile stärker verschränkt sind. Wenn man – vielleicht etwas gewagt – spekulieren wollte, könnte man vermuten, dass Bewusstsein aus der Konzentration von Verschränkung in lebender Materie resultiert. Ich persönlich teile diese Ansicht nicht; dennoch führt sie zu einer faszinierenden Hypothese. Wenn eine geringe Wärmekapazität für das Bewusstsein unerlässlich ist, dann können unsere heutigen Computer (die im Wesentlichen klassisch sind) niemals bewusst werden (obwohl Silizium selbst eine geringe Wärmekapazität hat!). Hier liegt also ein Grund, aktuelle Maschinen der künstlichen Intelligenz zu quantisieren – ein Thema, das bereits Gegenstand vieler Diskussionen und Forschungen war – und eines, das ich in meinen zukünftigen Blogs weiter untersuchen möchte.