Kein Quark: Schüler weisen Elementarteilchen nach und testen die Relativitätstheorie

Eigentlich geht es hier ja um Esoterik, Bullshit und Spekulatives, die sich als Quantenphysik oder Relativität tarnen, aber auf der Suche danach stößt man ab und zu auf Dinge, die noch viel verblüffender sind, gerade weil sie zur tatsächlichen, seriösen Physik gehören. Wenn diese verblüffenden Dinge von sehr jungen Menschen gemacht werden, die (zumindest noch) keine Physiker sind, dann ist das einfach großartig.

Meine erste Faustregel zum Erkennen von Quantenquark ist ja folgende: Wenn es mit Mitteln unseres Alltags zugänglich ist, hat es sehr wahrscheinlich nichts mit Relativitätstheorie oder Quantenmechanik zu tun. Ab und zu gibt es Ausnahmen, und eine hat vor zwei Jahren Rowina Caspary geschafft, damals Schülerin in der zwölften Klasse eines Dresdner Gymnasiums. Im Rahmen einer „Besonderen Lernleistung“ am Netzwerk Teilchenwelt hat sie einen Detektor für Elementarteilchen aus ganz normalen Materialien gebaut, die man im Supermarkt bekommt. Die so entstandene Nebelkammer gehört zwar zu den ältesten Detektortypen der Teilchenphysik, aber auch zu den beeindruckendsten, weil sie ganz ohne elektronische Geräte die Spur eines Teilchens, das viel kleiner ist als ein einzelnes Atom, mit bloßem Auge sichtbar machen kann. Das sieht dann, bei perfekter Beleuchtung photographiert, so aus:

Das Bild (Quelle: Wikimedia) stammt aus dem Jahr 1929 und zeigt den ersten Nachweis eines Positrons und damit des ersten Antimaterieteilchens, das Paul Dirac erst ein Jahr vorher theoretisch vorhergesagt hatte. Die lange, gekrümmte Spur von links unten nach links oben ist der Weg des Positrons, und die horizontale Platte in der Mitte hat es unterwegs abgebremst, so dass man aus der Krümmung der Spur erkennen kann, dass es von unten nach oben geflogen sein muss.

Nicht nur sichtbar, sondern auch noch hörbar machen kann man Teilchen in einer Funkenkammer, wie man sie in größeren Physikausstellungen zu bewundern ist, zum Beispiel im Microcosm am CERN (jedenfalls vor dem aktuellen Umbau, hoffentlich ist sie noch da). Nur braucht man für so eine Funkenkammer einen Hochspannungsgenerator, jede Menge Edelgase für die Zwischenräume, höchst präzise montierte und isolierte Metallplatten und so weiter. Hier sieht man eine an der Universität Birmingham:

Wie funktioniert aber nun Rowina Casparys wunderbar einfache Nebelkammer? Wie mit allen Spurdetektoren kann man damit nur elektrisch geladene Teilchen nachweisen. Wenn die durch Materie, zum Beispiel durch Luft oder Dampf, hindurchfliegen, reißen ihre elektromagnetischen Kräfte Elektronen aus den Atomen, an denen sie vorbeikommen. Sie hinterlassen also eine Spur von freigesetzten Elektronen und positiv geladenen Atomrümpfen (Ionen), die Sekundenbruchteile brauchen, um sich wieder zusammenzufinden. In dieser Zeit kann man die Spur mit den richtigen Tricks sichtbar machen oder elektronisch nachweisen. In der heutigen Teilchenphysik macht man das meistens, indem man Signale der Elektronen durch Hochspannung verstärkt und elektronisch ausliest. Das geht schnell und lässt sich direkt im Computer weiterverarbeiten.

Viel eleganter geht das in der Nebelkammer: In einem dünnen Alkoholdampf, der gerade heiß genug ist, dass sich noch keine Tropfen niederschlagen, bilden sich die ersten Nebeltröpfchen genau entlang der Spur der vom Teilchen freigesetzten Elektronen, und diese Tröpfchen kann man im richtigen Licht sehen oder mit der Kamera für die Nachwelt festhalten. Um den Dampf genau an diesem Kondensationspunkt zu halten, gibt es zwei Möglichkeiten. In Verbindung mit einer Kamera kann man den Druck in der Kammer mit einem Kolben kurzzeitig verändern und genau in diesem Moment eine Aufnahme machen. Will man dagegen die Spuren mit dem Auge sehen, verwendet man eine Diffusionsnebelkammer, in der sich zwischen einer heißen Ober- und einer kalten Unterseite der Kammer in der Mitte eine Schicht mit gesättigtem Dampf bildet. Normalerweise verwendet man für so eine Diffusionsnebelkammer Heizdrähte, Trockeneis zum Kühlen und für den Dampf Aceton oder wenigstens Isopropanol. Das ist alles teuer, schwer zu bekommen und in Handhabung problematisch, also nicht unbedingt zum Vorführen im Klassenzimmer geeignet. Rowina Caspary hat in ihrer Arbeit gezeigt: Es geht auch mit Wärmflaschen, Kühlkompressen und Brennspiritus. Eine Bauanleitung nebst umfassenden Erläuterungen zu den physikalischen Hintergründen und Bildern von Aufbau und Ergebnissen findet sich in der schriftlichen Ausarbeitung zu den Messungen. Sie ist für jemanden, der noch nicht mal angefangen hat zu studieren, auch noch hervorragend geschrieben und beim Netzwerk Teilchenwelt herunterzuladen.

Mit der Messung von Elementarteilchen ist der Bezug zur Quantenphysik recht offensichtlich, aber ich hatte ja auch noch die Relativitätstheorie versprochen. Die spielt bei der Herkunft der beobachteten Teilchen eine Rolle. Die können einerseits aus radioaktiven Quellen stammen. Da man einzelne Teilchen sichtbar macht, genügen geringe Aktivitäten, zum Beispiel aus Uranglas oder uranhaltigen Natursteinen, die frei verkäuflich sind. Wenn man aber keine Quelle zur Verfügung hat, sind die häufigsten und wegen ihrer schnurgeraden Spuren auffälligsten Teilchen, die man beobachten kann, Myonen aus der kosmischen Strahlung.

Myonen sind sehr kurzlebig und entstehen bei Kollisionen anderer Teilchen, vor allem dann, wenn energiereiche Strahlung aus dem All auf die Atome der Erdatmosphäre trifft. Das passiert typischerweise in großen Höhen von zehn Kilometern und mehr. Weiter unten entstehen Myonen kaum, weil diese Strahlung selten tiefer in die Atmosphäre eindringen kann, ohne schon auf irgendein Atom aus der Luft getroffen zu sein. Deswegen ist man auf Flugreisen auch deutlich stärkerer Strahlung ausgesetzt als am Boden. Die meisten in den Kollisionen produzierten Teilchen werden dann auf ihrem Weg durch die Luft gestoppt. Nur Myonen sind für Elementarteilchen relativ schwer und fliegen daher von der Luft relativ ungestört direkt bis zum Boden weiter. Allerdings haben Myonen nur eine durchschnittliche Lebensdauer von etwa zwei Mikrosekunden. In zwei Mikrosekunden kann ein Teilchen, selbst wenn es fast Lichtgeschwindigkeit hat, nur etwa 600 Meter zurücklegen. Eigentlich hätten also so gut wie keine Myonen aus der Höhenstrahlung bis in Rowina Casparys Nebelkammer gelangen dürfen.

Wie auch oben im Film mit der Funkenkammer zu sehen ist (die geraden Spuren durch die ganze Kammer sind alles Myonen), kommen aber tatsächlich ziemlich viele dieser kurzlebigen Teilchen am Boden an. Möglich ist das nur durch die Relativitätstheorie: Durch ihre hohe Geschwindigkeit nahe an der Lichtgeschwindigkeit vergeht für die Myonen die Zeit langsamer, so dass deutlich weniger zerfallen, bevor sie den Boden erreichen. So liefert die coole, einfache Nebelkammer in Verbindung mit der Lebensdauer von Myonen auch noch einen Test der Relativitätstheorie.

Bleibt abschließend also noch die Frage, woher kennt man die Lebensdauer von langsamen Myonen, wenn sie doch immer nur in hochenergetischen Kollisionen erzeugt werden? Man misst mit einem sehr zeitempfindlichen Detektor, wann ein Myon in ein schweres Material hineinfliegt, in dem es dann abgebremst wird, und ein zweiter Detektor registriert, wann die Strahlung vom Zerfall des Myons aus dem Material herauskommt. Sehr viele Messungen ergeben ein Spektrum der jeweiligen Zeiten bis zum Zerfall und damit die durchschnittliche Lebensdauer. Und auch das hat ein Schüler beim Netzwerk Teilchenwelt nachgemessen, zwar nicht mit einem selbstgebastelten Detektor, sondern mit Geräten der TU Dresden, aber auch mit viel Begeisterung für die Physik, die bei den beiden jungen Forschern hoffentlich noch ein paar Jahre anhält, damit der Physik der Nachwuchs nicht ausgeht.

Dekohärenter Quantenunsinn aus der Welt der Homöopathen

Manchmal freut man sich auch als typischerweise skeptisch dreinblickender Skeptiker beim Lesen von Nachrichten.  Gestern zum Beispiel war in der Onlineausgabe der Deutschen ApothekerZeitung ausgiebig über die Gründung des Informationsnetzwerks der Homöopathiekritiker zu lesen. Was jetzt davon zu halten ist, dass es ausgerechnet die DAZ erwähnenswert findet, dass es für die Journalisten keine großzügigen Goodies gab, weiß ich auch nicht. Immerhin großartig, an dieser Stelle auf Dubium C30 aufmerksam zu machen. Das kann man nicht oft genug tun: Es enthält nur Zucker (genau wie die allermeisten Homöopathika) und ist kein Arzneimittel (genau wie alle Homöopathika).

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Neugierig macht mich dann aber am Ende des Artikels ein Hinweis des Netzwerkinitiators Norbert Aust: „Außerdem gäbe es häufig Behauptungen, dass Homöopathie über Quanteneffekte oder Tachyonen wirken würde.“ Das begegnet einem ja immer wieder mal, aber wenn Norbert das an dieser Stelle erwähnent, hat er wahrscheinlich einen aktuellen Anlass. Und in der Tat, auf seinem Beweisaufnahme-Blog muss man nicht lange suchen. In einem Post vom 23.12. kritisiert der Homöopath Prof. Michael Frass, dass Norbert Aust eine seiner Studien kritisiert hat und fabuliert dabei von einer Verschränkung von Patient, Arzt und Medikament. Zum Verständnis des Zitats, in der Studie wurden Patienten mit starken Atemproblemen alternativ mit Homöopathika oder Placebos behandelt, und die Einteilung der Patienten in die beiden Gruppen erfolgte durch einen Arzt (aber laut Studientext zufällig, was auch immer der Arzt dabei getan haben soll…). Mit der Entfernung des Atemschlauchs ist in diesem Fall gemeint, dass es dem Patienten besser geht, also das Ziel der Behandlung (oder Nichtbehandlung) erreicht ist.

[Aust:] Es wird ausgeführt, dass die Bestimmung des Zeitpunkts für die Entfernung des Atemschlauchs durch einen Arzt erfolgte, der ansonsten nicht an der Studie beteiligt war. Die Zuordnung der Patienten zu den Gruppen und die Zuteilung der Arznei bzw. des Placebos erfolgte auch durch einen nicht beteiligten Arzt. Was, wenn diese beiden Personen tatsächlich identisch waren? Namen werden in der Studie nicht genannt, somit ist es durchaus möglich, dass ein ansonsten unbeteiligter Arzt in Kenntnis der Gruppenzuordnung die Zeitpunkte der Extubation bestimmte und damit bewusst oder unbewusst einen Einfluss ausgeübt hat

[Frass:]  Da kann ich Sie beruhigen: der/die zuordnende Arzt/Ärztin waren nicht identisch. Manche KollegInnen verzichten auf Namensnennung, ganz einfach, weil sie nicht in einen Strudel der oft sehr heftig geführten Homöopathiediskussion gezogen werden wollen. Würde man Ihren Gedanken aufnehmen, so befände man sich unweigerlich auf dem Terrain der Quantenphysik und dem Thema Verschränkung zwischen Patient, Arzt und Medikament. Wollten Sie dorthin?

Zunächst mal ist es natürlich erschreckend, dass jemand, der „wissenschaftliche“ Studien über Homöopathie publiziert, außer angeblichen Quanteneffekten kein Problem dabei sähe, wenn der selbe Arzt, der vorher festgelegt hat, welcher Patient zur Placebogruppe gehört, hinterher entschiede, wann bei welchem Patienten eine Besserung eingetreten ist. Wenn man selbst Doppelblindstudien veröffentlicht, sollte man eigentlich auch verstanden haben, warum man das tut.

Recht geschickt stellt Frass es selbst ein wenig so hin, als käme der Gedanke mit der Verschränkung nicht von ihm, aber vom grundsoliden Diplomingenieur Norbert Aust kommt er ja definitiv nicht. Der Dachverband österreichischer Ärztinnen und Ärzte für Ganzheitsmedizin, dessen Präsident Frass ist, hat auch kein Problem damit, offizielle Fortbildungspunkte dafür zu vergeben, dass sich Ärzte Vorträge wie diese anhören:

  • Biophysikalische Informationstherapie und Schmerz. Schmerz als Ursache gestörten Informationstransfers. Die Biophysikalische Informationstherapie (BIT) stellt ein dem aktuellen Wissensstand der Bio- und Quantenphysik adäquates ganzheitliches Therapieverfahren dar. […]
  • „Vierpoliges Ordnungssystem“ – Der Mensch als offenes, nichtlineares System im Wechselwirkungsbereich von Separation und Integration. Burkhard Heim hat zusammen mit Walter Dröscher die „Erweiterte Allgemeine Quantenfeldtheorie“ entwickelt. B. Heim ging von einem zwölfdimensionalen Weltbild aus, das sich aus 3×4 Di-
    mensionen zusammensetzt. […]

Auf „Biophysikalische Informationstherapie“ und die Quantenfeldtheorie von Burkhard Heim wird sicherlich an anderer Stelle noch einmal einzugehen sein. Was hat es aber mit der angeblichen Verschränkung von Patient, Arzt und Medikament auf sich?

Verschränkung bezeichnet in der Physik einen Vorgang, bei dem zwei oder mehr Teilchen, die eine quantenmechanische Wechselwirkung eingegangen sind, in der Folge für eine gewisse Zeit einen gemeinsamen Zustand bilden. Sie sind also nicht wirklich zwei unabhängige Teilchen, sondern eigentlich ein komplexes Ganzes, auch wenn sie sich inzwischen voneinander entfernt haben. Für kleinste Teilchen ist das eigentlich völlig alltäglich. Solche Interaktionen und ihre Nachwirkungen passieren in der Quantenwelt ständig, und ihre Summe über viele Teilchen ergibt ganz einfach das, was wir als Chemie kennen.

Beachtenswert wird das Ganze eigentlich nur, wenn man unter relativ künstlichen Bedingungen solche Teilchen nach der Wechselwirkung von der Außenwelt abschirmt und die so im Labor isolierte Zweier- oder Dreierverschränkung systematisch beobachtet. Was man dann einem Teilchen antut, wirkt sich auf beide aus. Das Antun beschränkt sich allerdings in der Praxis meist auf das Durchfliegen eines Magnetsfelds, denn sobald eines der Teilchen in eine direkte Wechselwirkung mit irgendwelchen anderen Teilchen tritt, müssten auch diese Teil dieses gemeinsamen Zustands werden, womit dann alle äußeren Einflüsse auf alle diese Teilchen zusammenkommen. Das Ergebnis dieses Zusammenkommens ist einfach: Der nur bei isolierter Betrachtung besondere Zusammenhang zwischen den ursprünglichen beiden Teilchen wird durch die Vielzahl anderer Effekte überlagert und wird damit bedeutungslos. Die isolierte Betrachtung der beiden Teilchen ist gar nicht mehr möglich. Die Bezeichnung für diesen Vorgang ist Dekohärenz, und das Ergebnis dieser Dekohärenz ist, dass sich die Welt in der Größenordnung von Patienten, Ärzten und Medikamenten genau so verhält, wie es die klassische Physik beschreibt. Sobald Dekohärenz auftritt, verschwinden alle Effekte der Verschränkung.

Wann tritt aber nun diese Dekohärenz auf? Einzelne Photonen, also Lichtteilchen, können in solchen verschränkten Zuständen sogar in der Atmosphäre mehrere hundert Kilometer zurücklegen, was der Presse gerne effekthaschend als „Quantenteleportation“ verkauft wird. Das ist aber eigentlich nicht sonderlich überraschend, wenn man bedenkt, dass Licht sich ja gerade dadurch auszeichnet, dass es die Luft durchdringen kann, ohne unterwegs irgendwelche Wechselwirkungen einzugehen. Aus dem All könnten uns im Prinzip verschränkte Photonen von Sternen aus Lichtjahren Entfernung erreichen.

Patienten, Ärzte und Medikamente bestehen aber nicht in erster Linie aus Licht, sondern aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Die können über Licht wechselwirken, aber Informationsübertragung zwischen Menschen über Licht kennen wir schon. Dafür haben wir Augen, die zwar möglicherweise selbst höchst spannende Quanteneffekte enthalten aber eben nichts mit Homöopathie oder anderem Hokuspokus zu tun haben.

Nehmen wir einmal den noch allereinfachsten denkbaren Fall an, wie irgendetwas im Patienten mit irgendetwas im Arzt verschränkt sein könnte: Den Fall eines Elektrons. Wir behaupten also, im Körper des Arztes entstünde ein verschränkter Zustand von zwei Elektronen, von denen eins beim Arzt verbleiben, das andere irgendwie, zum Beispiel über das Medikament, den Patienten erreichen soll. Soll das Elektron durch die Luft fliegen, dann tritt Dekohärenz im Durchschnitt nach einem Millionstel einer Millionstel Sekunde ein. In dieser Zeit kann das Elektron maximal einige Zehntelmillimeter zurücklegen. Muss es unterwegs Haut, Kleidung, die Hilfsstoffe des Medikaments oder irgendwelches anderes Material durchdringen, dann verringert sich die mögliche Weglänge bis zur Dekohärenz grob um einen Faktor 1000. Eine sinnvolle Information zu übertragen, würde aber weitaus mehr als ein Elektron erfordern. Eine solche Informationsübertragung würde aber immer noch nicht bedeuten, dass Arzt und Patient in irgendeiner sinnvollen Form verschränkt wären, denn sowohl der Arzt als auch der Patient sind in sich vollkommen dekohärent. Eine bedeutungshaltige Verschränkung einzelner Teilchen gibt es zwar offenbar auch in biologischen Systemen, aber dort eben nur innerhalb einzelner, speziell dafür optimierter Großmoleküle.

Natürlich ist im Menschen alles irgendwie mit allem verbunden. Quantenmechanisch kann man das theoretisch auch als Verschränkung bezeichnen. Das ist ja eben das Wesen von Dekohärenz, dass der Zusammenhang von zwei Teilchen, den man ursprünglich beobachten will, durch immer mehr Verschränkung mit immer mehr Störfaktoren überlagert wird. Aber in der Summe über den ganzen Körper werden diese ganzen Verschränkungen eben wieder einfach zur klassischen Physik und Chemie.

Dekohärent ist damit leider auch das Geschwafel von Verschränkung in der Homöopathie. Wenn ich Norbert Austs Blog lese, fällt mir auf, er bleibt in seinen Formulierungen, jedenfalls für meine Verhältnisse, immer ausgesucht höflich. Wenn man sich mit solchem Unsinn auseinandersetzen muss, finde ich das bewundernswert.

Bilder vom Vortrag bei Skeptics in the Pub in Köln

Zu dem Vortrag bei Skeptics in the Pub in Köln gibt es inzwischen auch ein paar Fotos, veröffentlicht von Mark Benecke.

Die Folge von Marks unvermeidlicher Aufforderung: „Guckt mal skeptisch.“

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Dann durften wir aber auch freundlicher.12646663_1025017304185637_7134380251149385902_o

Die Personalpsychorunde, in der Mitte GWUP-Vorstand Rouven Schäfer, rechts die Referentin beim nächsten Skeptics in the Pub, Nadine Pfeiffer. 12658010_1025017714185596_9052605538521071672_o

Zum Abschluss des Vortrags der Hinweis auf eben diese nächste Veranstaltung am 15.3. sowie auf den Vortrag von Mark Benecke am 31.5.11935169_1025016937519007_6950039202432366294_o