KAPITEL 1
Die Materie â das Einfache,
das schwer zu fassen ist
Nur wenige Orte in dieser Galaxie sind so kalt wie die mit verflĂŒssigtem Helium funktionierende KĂ€ltemaschine in Tom Rosenbaums Labor. Die Temperaturen in dieser Maschine â einer zimmergroĂen ringförmigen Anlage mit zahlreichen Zylindern â können bis wenige tausendstel Grad ĂŒber dem absoluten Nullpunkt, also â 273° Celsius, sinken. Das ist 3000 Mal kĂ€lter als die entferntesten Weltraumregionen. Zwei Tage lang zirkulieren flĂŒssiger Stickstoff und flĂŒssiges Helium in der KĂ€ltemaschine und dann lassen drei Pumpen, die stĂ€ndig gasförmiges Helium verdichten, die Temperatur auf die unterste Stufe sinken. Ohne irgendeine Art von WĂ€rme bewegen sich die Atome in der Materie nur noch im Schneckentempo. Bei diesen KĂ€ltegraden kĂ€me das Universum völlig zum Stillstand â die wissenschaftliche Version einer gefrorenen Hölle.
Der absolute Nullpunkt ist eine der Lieblingstemperaturen des Physikers Tom Rosenbaum. Mit seinen 47 Jahren gehörte der angesehene Physikprofessor an der University of Chicago und frĂŒhere Leiter des James Franck Institute zur Avantgarde der Experimentalphysiker, die gerne die Grenzen zur Unordnung in der Physik der kondensierten Materie untersuchte; dieses Fachgebiet untersucht die Eigenschaften von FlĂŒssigkeiten und Festkörpern, nachdem die ihnen zugrunde liegende Ordnung gestört wurde. Wenn man in der Physik wissen will, wie etwas sich verhĂ€lt, macht man es ihm am besten âungemĂŒtlichâ und schaut, was passiert. Und Unordnung stiftet man gewöhnlich, indem man es erwĂ€rmt oder einem Magnetfeld aussetzt, um festzustellen, wie es reagiert, wenn es âgestörtâ wird, und um zu ermitteln, welche Spinposition â oder magnetische Ausrichtung â die Atome annehmen.
Die meisten von seinen Kollegen in der Physik der kondensierten Materie interessierten sich weiterhin fĂŒr symmetrische Systeme wie etwa kristalline Feststoffe, deren Atome gleichmĂ€Ăig angeordnet sind (wie Eier in einem Karton); Rosenbaum jedoch zog es zu den seltsamen Systemen, die an sich ungeordnet waren â die die konventionelleren Quantenphysiker als âSchmutzâ abtaten. Im Schmutz, so glaubte Rosenbaum, lĂ€gen die unerforschten Geheimnisse des Quantenuniversums, ein unerforschtes Gebiet, das er gern bereiste. Er liebte die Herausforderungen, vor die ihn SpinglĂ€ser stellen, erstaunliche Mischformen von Kristallen mit magnetischen Eigenschaften, sich â physikalisch gesehen â langsam bewegende FlĂŒssigkeiten. Im Gegensatz zu einem Kristall, dessen Atome vollkommen gleich ausgerichtet sind, sind die Atome eines Spinglases unberechenbar und unregelmĂ€Ăig gefroren.
Mittels der extremen KĂ€lte konnte Rosenbaum die Atome dieser eigenwilligen Verbindungen so verlangsamen, dass er sie minutiös beobachten und ihre quantenmechanische Natur âherauskitzelnâ konnte. Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, wenn ihre Atome fast stillstehen, nehmen sie neue Verbundeigenschaften an. Rosenbaum war fasziniert von der neuen Entdeckung, dass Systeme, die bei Raumtemperatur ungeordnet waren, einen âkonformistischenâ Zug zeigen, sobald sie heruntergekĂŒhlt werden. Auf einmal beginnen diese individualistischen Atome an einem Strang zu ziehen.
Wenn man untersucht, wie sich MolekĂŒle als Gruppe unter verschiedenen Bedingungen verhalten, erfĂ€hrt man dabei viel ĂŒber die Beschaffenheit der Materie. FĂŒr meine eigene Entdeckungsreise erschien mir Rosenbaums Labor der geeignetste Ausgangspunkt. Dort, bei den niedrigsten Temperaturen, wo alles in Zeitlupe ablĂ€uft, könnte sich die wahre Natur der Grundbausteine des Universums offenbaren. Ich suchte Belege fĂŒr Möglichkeiten, wie die Bestandteile unseres materiellen Universums, die wir fĂŒr so völlig verstanden halten, grundlegend verĂ€ndert werden können. Auch fragte ich mich, ob man zeigen könne, dass Quantenverhalten (wie der Beobachtereffekt) auch auĂerhalb der subatomaren Welt, also in der Alltagswelt vorkommt. Rosenbaums Entdeckung in seiner KĂ€ltemaschine könnte entscheidende Hinweise liefern, wie jeder Gegenstand oder Organismus in der materiellen Welt â den die klassische Physik als unabĂ€nderliche Tatsache betrachtet, als endgĂŒltige Ansammlung, die sich nur durch die brachiale Gewalt Newtonâscher Physik verĂ€ndern lĂ€sst â durch die Energie eines Gedankens beeinflusst und letztlich geĂ€ndert werden kann.
Nach dem zweiten Gesetz der Thermodynamik können alle materiellen Prozesse im Universum nur von einem Zustand höherer in einen Zustand niedrigerer Energie ĂŒbergehen. Wir werfen einen Stein ins Wasser und die Wellen, die er auslöst, hören irgendwann auf. Eine Tasse heiĂer Kaffee kann nur kalt werden, wenn man ihn lange genug stehen lĂ€sst. GegenstĂ€nde gehen unweigerlich kaputt; alles bewegt sich nur in eine einzige Richtung, von der Ordnung zur Unordnung.
Doch das muss nicht zwangslĂ€ufig so sein, glaubte Rosenbaum. Neuere Entdeckungen ĂŒber ungeordnete Systeme legen nahe, dass bestimmte Materialien unter bestimmten Bedingungen den Entropiegesetzen widersprechen könnten und zusammenkommen, statt auseinanderzufallen. Konnte die Materie auch die umgekehrte Richtung einschlagen, von der Unordnung zu gröĂerer Ordnung?
Zehn Jahre lang hatten sich Rosenbaum und seine Studenten am James Franck Institute das in Bezug auf ein kleines StĂŒck Lithium-Holmium-Fluor-Salz gefragt. In Rosenbaums KĂ€ltemaschine lag ein perfekter Splitter eines rosafarbigen Kristalls, nicht gröĂer als eine Bleistiftspitze, in zwei Anordnungen von Kupferspulen eingehĂŒllt. Im Laufe der Jahre und nach vielen Experimenten mit SpinglĂ€sern hatte Rosenbaum diese faszinierenden kleinen Exemplare sehr lieb gewonnen, sie gehören zu den Substanzen mit dem stĂ€rksten natĂŒrlichen Magnetismus auf der Erde. Diese Eigenschaft bot die besten Voraussetzungen, um Unordnung zu untersuchen â doch erst, wenn er den Kristall absolut unkenntlich gemacht hatte.
Als Erstes hatte er sein Labor, das die Kristalle zĂŒchtete, angewiesen, Holmium mit Fluor und Lithium, dem ersten Metall im Periodensystem, zu verbinden. Das daraus resultierende Lithium-Holmium-Fluor-Salz âspielte mitâ und war vorhersagbar â eine höchst geordnete Substanz, deren Atome alle nach Norden zeigten, wie ein Meer mikroskopisch kleiner Kompasse. Rosenbaum hatte dann die ursprĂŒngliche Salzzusammensetzung zerstört, indem er die Labormitarbeiter einzelne Holmiumatome nacheinander herauslösen und durch Yttrium ersetzen lieĂ â ein silbernes Metall ohne eine solche natĂŒrliche Magnetwirkung. Das betrieben sie so lange, bis ein eigentĂŒmlicher Hybrid einer Verbindung herauskam, ein Salz mit der Bezeichnung Lithium-Holmium-Yttrium-Tetrafluorid.
Dadurch, dass Rosenbaum praktisch die Atome mit magnetischen Eigenschaften aus der Verbindung herausgelöst hatte, hatte er schlieĂlich eine Spinglas-Anarchie herbeigefĂŒhrt â die Atome dieses Frankensteinmonstrums zeigten, wohin sie wollten. Eine wesentliche Eigenschaft von Elementen wie Holmium manipulieren und so ungeniert bizarre neue Verbindungen herstellen zu können, das war ein wenig so, wie die Kontrolle ĂŒber die Materie selbst zu haben. Mit diesen neuen Spinglas-Verbindungen konnte Rosenbaum praktisch die Eigenschaften der Verbindung nach Belieben variieren; er konnte Atome dazu bringen, sich nach einem bestimmten Muster auszurichten oder in einem zufĂ€lligen Muster zu erstarren.
Doch seine Allmacht hatte auch Grenzen. Rosenbaums Holmiumverbindungen gehorchten in gewisser Hinsicht, in anderer jedoch nicht. Er konnte sie zum Beispiel nicht dazu bringen, sich an die Temperaturgesetze zu halten. Ganz egal, wie kalt Rosenbaum seine KÀltemaschine einstellte, die Atome widersetzten sich jeglicher geordneten Orientierung, wie eine Armee, die sich weigert, im Gleichschritt zu marschieren. Wenn Rosenbaum mit seinen SpinglÀsern Gott spielte, so waren die Kristalle Adam, der sich hartnÀckig weigerte, Gottes oberstem Gesetz zu gehorchen.
Eine junge Studentin namens Sayantani Ghosh, eine seiner âStardoktorandinnenâ, teilte Rosenbaums Neugier auf die seltsame Eigenschaft der Kristallverbindung. Sai, wie ihre Freunde sie nannten, eine gebĂŒrtige Inderin, hatte mit hervorragenden Noten in Cambridge ihren Abschluss gemacht und wollte 1999 in Tom Rosenbaums Labor promovieren. Praktisch sofort hatte sie sich profiliert, indem sie den Gregor-Wentzel-Preis gewann, den die physikalische FakultĂ€t der University of Chicago jĂ€hrlich an die besten Studenten im ersten Jahr des Promotionsstudiums vergibt, die auch studentische HilfskrĂ€fte sind. Die schlanke 23-JĂ€hrige, die auf den ersten Blick verlegen wirkte und sich hinter ihren vollen dunklen Haaren versteckte, hatte ihre Kommilitonen und Dozenten gleichermaĂen rasch durch ihre kĂŒhne AutoritĂ€t beeindruckt, die bei Studenten der Naturwissenschaften selten ist, und durch ihre FĂ€higkeit, komplexe Ideen so darzustellen, dass auch ein Student ohne Abschluss sie verstehen konnte. Seit seiner EinfĂŒhrung 25 Jahre zuvor hatte vor Sai erst eine einzige Frau diesen begehrten Preis gewonnen.
Nach den Gesetzen der klassischen Physik bringt ein Magnetfeld die magnetische Ausrichtung der Atome in einer Substanz durcheinander. Den Grad, in dem das geschieht, bezeichnet man als âmagnetische SuszeptibilitĂ€tâ. Bei einer ungeordneten Substanz tritt gewöhnlich folgendes Muster auf: Die Substanz richtet sich eine Zeitlang nach dem Magnetfeld aus, pendelt sich ein und lĂ€sst dann wieder nach, wenn die Temperatur sinkt oder eine magnetische SĂ€ttigung der Substanz erreicht ist. Dann können sich die Atome nicht mehr nach dem Magnetfeld ausrichten und bewegen sich deshalb langsamer.
Bei Sais ersten Experimenten reagierten die Atome im Lithium-Holmium-Yttrium-Salz, wie vorhergesagt, ganz aufgeregt auf das Magnetfeld. Doch als sie das Feld verstĂ€rkte, geschah etwas MerkwĂŒrdiges. Je weiter sie die Frequenz erhöhte, desto schneller drehten sich die Atome. Und, was noch erstaunlicher war, alle Atome, die sich in einem ungeordneten Zustand befanden, begannen die gleiche Ausrichtung aufzuweisen und als kollektives Ganzes zu agieren. Dann richteten sich kleine Gruppen von ungefĂ€hr 260 Atomen aus, bildeten âSchwingkreiseâ, die gemeinsam in die eine oder andere Richtung schwangen. Ganz egal wie stark das Magnetfeld war, das Sai einsetzte, die Atome blieben stur miteinander ausgerichtet und zogen sozusagen âan einem Strangâ. Diese Selbststeuerung hielt etwa zehn Sekunden lang an.
Zuerst dachten Sai und Rosenbaum, diese Effekte hingen mit der seltsamen Wirkung der noch vorhandenen Holmiumatome zusammen; denn sie sind als eine der wenigen Substanzen auf der Welt bekannt fĂŒr so lange anhaltende innere KrĂ€fte, dass Holmium mancherorts als etwas beschrieben und mathematisch dargestellt wird, das in einer anderen Dimension existiert. Wenngleich sie das PhĂ€nomen, das sie beobachtet hatten, noch nicht verstanden, schrieben sie ihre Ergebnisse nieder und veröffentlichten sie 2002 in der Zeitschrift Science.
Rosenbaum beschloss, ein anderes Experiment durchzufĂŒhren, um das Wesensmerkmal des Kristalls zu isolieren, aufgrund dessen dieser so starken Ă€uĂeren EinflĂŒssen widerstehen konnte. Die Versuchsanordnung ĂŒberlieĂ er seiner gescheiten jungen Doktorandin; er schlug lediglich vor, dass sie das geplante Experiment dreidimensional mathematisch am Computer simuliere. Bei Versuchen mit so winziger Materie mĂŒssen sich Physiker auf Computersimulationen stĂŒtzen, um die Reaktionen, die sie im Experiment beobachten, mathematisch zu bestĂ€tigen.
Sai entwickelte monatelang das Computerprogramm und erstellte ihre Simulation. Man wollte etwas mehr ĂŒber die MagnetfĂ€higkeit des Salzes herausfinden, indem man den Kristallsplitter zwei Arten von Störungen aussetzte: höheren Temperaturen und einem stĂ€rkeren Magnetfeld.
Sie bereitete die Probe vor, indem sie den Kristallsplitter auf einem kleinen, circa 3 mal 5 cm groĂen Kupferhalter befestigte und dann den winzigen Kristall mit zwei Spulen umwickelte: Die eine war ein Neigungsmesser, der die magnetische SuszeptibilitĂ€t und die Spinrichtung der einzelnen Atome messen sollte, die andere sollte jeglichen zufĂ€lligen Einfluss auf die Atome im Inneren ausschlieĂen.
Mithilfe einer Verbindung zu ihrem PC konnte sie die Voltzahl Ă€ndern sowie das Magnetfeld oder die Temperatur und auch alle Ănderungen aufzeichnen, wann immer sie eine Variable auch nur im Geringsten variierte.
Sie begann die Temperatur zu reduzieren, jeweils um den Bruchteil eines Grades, und dann das Magnetfeld zu verstĂ€rken. Zu ihrem Erstaunen richteten sich die Atome zunehmend aneinander aus. Dann erhöhte sie die Temperatur und entdeckte, dass sie sich erneut ausrichteten. Egal was sie tat, bei jedem Vorgang ignorierten die Atome die Eingriffe von auĂen. Obwohl sie mit Tom Rosenbaum die meisten magnetischen Komponenten der Verbindung herausgelöst hatte, wurde diese von selbst zu einem immer gröĂeren Magneten.
Das ist komisch, dachte sie. Und: Vielleicht sollte ich mehr Daten sammeln, um sicherzustellen, dass wir nicht auf etwas Fremdes im System gestoĂen sind?
Sie wiederholte ihr Experiment ĂŒber sechs Monate lang bis zum FrĂŒhling 2002, dann war ihre Computersimulation vollstĂ€ndig. Eines Abends stellte sie die Ergebnisse der Simulation in einem Diagramm dar und legte die Ergebnisse des tatsĂ€chlichen Experiments darĂŒber. Es war, als hĂ€tte sie nur eine einzige Linie gezeichnet. Auf dem Computerbildschirm war ein komplettes Duplikat zu sehen: Die Linie der Computersimulation lag genau ĂŒber der, die die Ergebnisse des realen Experiments darstellte. Sie hatte in dem kleinen Kristall kein Artefakt, sondern etwas Reales beobachtet, das sie jetzt in ihrer Computersimulation reproduziert hatte. Sie hatte sogar eingezeichnet, wo sich die Atome im Diagramm befinden sollten, wenn sie den ĂŒblichen physikalischen Gesetzen gehorcht hĂ€tten. Doch dort waren sie nun auf einer Linie â ein Gesetz fĂŒr sich.
SpĂ€t an diesem Abend schrieb sie Rosenbaum eine vorsichtige EMail: âIch muss Ihnen morgen FrĂŒh etwas Interessantes zeigen.â Am nĂ€chsten Tag untersuchten sie ihre Darstellung. Es gab keine andere Möglichkeit, wie sie beide erkannten: Die Atome hatten sie völlig ignoriert und orientierten sich an der AktivitĂ€t der Nachbaratome. Ganz egal, ob sie den Kristall einem starken Magnetfeld aussetzte oder die Temperatur erhöhte, die Atome setzten sich ĂŒber den Eingriff von auĂen hinweg.
Das lieĂ sich nur so erklĂ€ren, dass die Atome in dem Musterkristall sich im Inneren wie ein einziges riesiges Atom organisierten und verhielten. Alle Atome, so stellten sie etwas beunruhigt fest, mussten miteinander âverstricktâ oder âverschrĂ€nktâ sein.
* * *
Das PhÀnomen der Nicht-LokalitÀt
Einer der seltsamsten Aspekte der Quantenphysik ist ein Merkmal, das Nicht-LokalitĂ€t oder poetisch auch âQuantenverschrĂ€nkungâ genannt wird. Der dĂ€nische Physiker Niels Bohr entdeckte, dass subatomare Teilchen wie Elektronen oder Photonen, sobald sie einmal in Kontakt miteinander waren, sich gegenseitig weiterhin âerkennenâ und sich immer zeitgleich ĂŒber jegliche Entfernung hinweg gegenseitig beeinflussen, obwohl gewöhnliche Parameter fehlen, die nach Ansicht der Physiker Einfluss ausĂŒben könnten, wie ein Austausch von Energie oder ein Einwirken von KrĂ€ften. Wenn Teilchen verschrĂ€nkt sind, wird die Reaktion eines Teilchens â beispielsweise die magnetische Orientierung â das andere immer in die gleiche oder in die entgegengesetzte Richtung beeinflussen, unabhĂ€ngig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Erwin Schrödinger, einer der ursprĂŒnglichen MitbegrĂŒnder der Quantentheorie, glaubte, dass die Entdeckung der Nicht-LokalitĂ€t nicht weniger als das Definitionsmerkmal der Quantentheorie darstelle â ihre zentrale Voraussetzung und Aussage.
VerschrĂ€nkte Teilchen verhalten sich wie ein Zwillingspaar, das bei seiner Geburt getrennt wird, aber immer die gleichen Interessen und eine telepathische Verbindung aufrechterhĂ€lt. Beispiel: Ein Zwilling lebt in Colorado, der andere in London. Obwohl sie sich nie mehr begegnen, mögen beide die Farbe Blau. Beide werden Ingenieure. Beide fahren gern Ski; ja, wenn einer hinfĂ€llt und sich in Vail (Skiort in Colorado) das rechte Bein bricht, bricht sich auch der andere Zwilling im selben Moment das Bein, obwohl er ĂŒber 5000 Kilometer entfernt ist und gerade bei Starbucks Latte macchiato schlĂŒrft ...
Albert Einstein weigerte sich, die Nicht-LokalitĂ€t zu akzeptieren, und tat sie als âspukhafte Fernwirkungâ ab. Diese Art instantaner, also völlig zeitgleicher Verbindung setzt voraus, dass sich Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, so argumentierte er in einem berĂŒhmten Gedankenexperiment, das seiner eigenen Speziellen RelativitĂ€tstheorie widersprechen wĂŒrde. Seit Einstein diese Theorie aufgestellt hatte, wurde mit der Lichtgeschwindigkeit (299 792 ,458 Kilometer pro Sekunde) als Obergrenze berechnet, wie schnell ein Ding ein anderes beeinflussen kann: Dinge sollten andere nicht schneller beeinflussen können als die Zeit, die der erste Gegenstand brauchen wĂŒrde, um sich mit Lichtgeschwindigkeit auf den zweiten zuzubewegen.
Doch haben moderne Physi...