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Quantenbiologie

Quantenmechanik: Licht verhält sich wie Teilchen und Wellen - Quelle: Pixabay

Die Quantenbiologie ist ein Teilgebiet der Biophysik. Sie befasst sich mit der Wirkung von Quanten auf lebende Zellen und untersucht die energetischen Prozesse und Veränderungen, die dabei im Bereich der Atome und Moleküle auftreten.
Friedrich Dessauer (1881-1963) übertrug als erster im Jahr 1922 die Plancksche Quantentheorie auf biologische Prozesse und gilt als Begründer der Quantenbiologie. Er untersuchte die Auswirkung von Röntgenstrahlen auf Körperzellen. Prozesse, bei denen quantenbiologische Effekte vermutet werden, sind die Photosynthese, der Geruchssinn und die Orientierung von Zugvögeln (Magnetsinn).

Das Problem mit dem Licht
Das von Isaac Newton (1643–1727) aufgestellte Teilchenmodell der Lichtstrahlung erklärte die geradlinige, allseitige Ausbreitung von Licht und die Bildentstehung an z. B. Linsen. Das auf Christian Huygens (1629–95) zurückgehende Modell „Licht als Welle“ lieferte eine Erklärung für die Beugung und Interferenz.

Der photoelektrische Effekt
Lange Zeit ließ sich der photoelektrische Effekt, bei dem Elektronen (Photonen) bei Bestrahlung mit Licht aus Metalloberflächen herausgelöst werden, weder mit dem Teilchen- noch mit dem Wellenmodell erklären. Die Lösung für dieses Problem fand schließlich Albert Einstein. Er erkannte, dass eine mathematische Formel, die Max Planck (1858–1947) verwendet hatte, um das Rätsel der Wärmestrahlung zu erklären, richtig war und erklärte darauf aufbauend den photoelektrischen Effekt. Hierfür erhielt Einstein 1922 den Nobelpreis, denn er bewies, was Planck vermutet hatte: Licht besteht aus Photonen.

Quantenmechanik
Der scheinbare Widerspruch zwischen dem Teilchen- und Wellencharakter von Licht wird in der Quantenmechanik aufgelöst. Erwin Schrödinger (1887–1961) gilt als Vater der Quantenmechanik. Er stellte 1926 die Wellengleichung auf. Nach der Orbitaltheorie umfasst ein Orbital (Elektronenwolke) den Raum in der Atomhülle, in dem die Aufenthaltswahrscheinlichkeit für ein Elektron am Größten ist. Außerdem beinhaltet jedes Orbital einen bestimmten Energiebetrag zu. Die Elektronen besetzen die Orbitale so, dass das Atom im Grundzustand stets über den geringsten Energiebetrag verfügt. In einem Orbital findet maximal ein Elektronenpaar mit entgegengesetztem Spin Platz.
1927 erweiterte Werner Heisenberg (1901–76) die Schrödinger-Gleichung und postulierte die Unschärfe- bzw. Unbestimmtheitsrelation, nach der es unmöglich ist, Aufenthaltsort und Impuls (Masse mal Geschwindigkeit) von Elektronen gleichzeitig zu bestimmen.

Zukunftsvision: Quatencomputer
Heutige Computer basieren auf Bits, die entweder den Zustand „0“ oder „1“ (also Strom an oder Strom aus) besitzen. Quantencomputer funktionieren völlig anders. Sie basieren auf sogenannten Quantenbits, die zwei Zustände gleichzeitig haben können. Quantencomputer eigenen sich besonders gut, um bestimmte Probleme der Informatik, z.B. die Suche in extrem großen Datenbanken deutlich effizienter zu erledigen. Jedoch lassen sich bisherige Algorithmen nicht einfach auf Quantencomputer übertragen.
Der Quantencomputer ist gegenwärtig ein überwiegend theoretisches Konzept. Es gibt aber viele Vorschläge, wie ein Quantencomputer realisiert werden könnte, und in kleinem Maßstab wurden bereits einige dieser Konzepte im Labor erprobt.


Science Slam: Von Physikern und Flittchen und Quantencomputern

Ergänzung (23.09.2017): Quantenspiegelungen - verständliche Erklärung quantenmechanischer Modelle
Physik-Didaktiker der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster haben allgemein verständliche Visualisierungen von quantenphysikalischen Wellenmodellen entwickelt. Die Materialien richten sich an Schülerinnen und Schüler der Oberstufe sowie an naturwissenschaftlich Interessierte. Der Heidelberger Verlag Spektrum der Wissenschaft präsentiert das Forschungsprojekt "Quantenspiegelungen" auf seinem Videoportal "SciViews". Wer bis zum 18. Oktober 2017 auf http://beta.quantenspiegelungen.de an einer Umfrage teilnimmt, erhält kostenfreien Zugang zum gesamten Online-Angebot des Projekts und nimmt an einem Gewinnspiel teil.

Quellen: