Die Quantenmechanik ist schuld am Klimawandel!

So ‒ nun da ich dank dieses catchy Titels eure Aufmerksamkeit habe, kann ich ja gleich mit der Tür ins Haus fallen und eines klarstellen: Die gute Quantenmechanik hat in Wahrheit überhaupt keine Schuld am Klimawandel. Diese liegt ausschließlich bei uns Menschen, egal wie man es dreht. Allerdings ‒ und da kann sich die Physik der atomaren und subatomaren Teilchen nicht hinausreden ‒ hat die Quantenmechanik beim Prozess der globalen Erwärmung ganz deutlich ihre Finger im Spiel. (Merkspruch: “Gäb’ es kein Quant, wär’n mehr Gletscher bekannt.”)
Warum der weltweite Klimawandel eine Erscheinung ist, die durch die Quantenmechanik hervorgerufen wird, und warum das vielleicht verwunderlich erscheinen mag, werde ich im folgenden Text illustrieren.

Bevor wir uns aber in die faszinierende Quantenwelt begeben: Regenbogen!

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(Headerbild-Credit: NASA History Office)

Heute schon ein Universum erschaffen?

Habt ihr schon einmal versucht, ein Universum zu erschaffen? - Nicht? Dann ist es höchste Zeit dafür!

Gehen wir es also an! Was wir zur Verfügung haben, sind einige fundamentale Parameter, an denen wir schrauben können, wodurch sich die physikalischen Gesetze ändern.

So sieht unser Universum auf richtig großen Skalen aus (Bildausschnitt aus der "Millennium Simulation").
Wäre doch super, wenn wir heute gedanklich auch ein solches Universum kreieren könnten - also ein Universum mit innerer Struktur, Sternen und Galaxien.
(Credit: Max Planck Institute for Astrophysics)

Versuch 1: Bang! - Wir zünden einen Urknall. Unser Universum beginnt zu existieren und bläht sich auf, angetrieben durch eine Art “negative, repulsive Gravitation”, welche durch einen hohen Wert des für die kosmische Inflation verantwortlichen “Inflaton-Feldes” verursacht wird. Masse in Form von Teilchen entsteht. Doch auf einen Schlag hört die Expansion der soeben in Erscheinung getretenen Raumzeit auf, unser Universum kollabiert in sich selbst und ist futsch.

Was ist schiefgelaufen? Nun, da das Universum verschwunden ist, ist das schwer zu eruieren. Möglicherweise wurde zu viel Materie produziert oder wir haben die Stärke der Gravitationkraft zu hoch gewählt, sodass all die im Universum befindliche Masse die Expansion abgebremst und eine Kontraktion eingeleitet hat.

Wie auch immer, probieren wir es einfach noch einmal!

Wo war der Urknall? - Oder: Warum sich die Welt vielleicht doch um dich dreht

"The universe has many different centers as there are living beings in it."
("Das Universum hat viele verschiedenen Mittelpunkte, gibt es doch lebendige Wesen darin.")

Diesen Satz formulierte Alexander Solzhenitsyn vermutlich zwar eher basierend auf gesellschaftlichen oder psychologischen Gesichtspunkten, aber warum sollten wir nicht tatsächlich die Frage stellen: Wo ist der Mittelpunkt des Universums? Wo hat der Urknall stattgefunden? Die Antwort wird überraschend sein!

"Akzeptiert man erst das Universum als etwas, das in ein
unendliches Nichts expandiert, welches wiederum etwas ist,
fällt einem das Tragen von Gestreiftem mit Kariertem leicht."
- A. Einstein

Das Universum hat ja mit dem Urknall begonnen und dehnt sich seither aus. Da es im Allgemeinen nun selten Sinn macht, entweder nur einen Zeitpunkt und keinen Ort anzusprechen oder umgekehrt (Sätze, wie z.B. "Ich war gestern um 10 Uhr." sind ohne zusätzliche Angaben immerhin sehr entbehrlich!), drängt sich natürlich die Frage auf, wo der Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren stattgefunden hat. Passierte er irgendwo in den Tiefen des Alls, völlig fern von jedem Ort, an den ein Mensch schon jemals ein Auge geworfen hat? Oder war bei der Entstehung des Kosmos doch irgendein christliches Element im Spiel und es entsprang dem Sternbild Jungfrau? Oder hat Solzhenitsyn vielleicht Recht und der Urknall fand in jedem Einzelnen von uns statt?

Faszinierenderweise lautet die Antwort "ja" - und zwar auf alle soeben gestellten Fragen!
In Kürze werde ich verständlich machen, wie das möglich ist (ich habe ein paar verdeutlichende Grafiken erstellt), doch vorerst müssen wir uns kurz erinnern, woher wir eigentlich wissen, dass das Universum einen Anfang hat.

Das hat euch besonders gefallen + status quo dieses Blogs

In diesem Blog ist es ja leider meinerseits etwas ruhig geworden. Der Grund für meine wenigen Beiträge in der letzten Zeit besteht ganz einfach darin, dass ich immer seltener Zeit finde zu schreiben. Wie ihr euch vielleicht vorstellen könnt, fließt in meine Artikel meistens viel Denkarbeit und Vorbereitungszeit. Es kann dabei schon vorkommen, dass ein Beitrag mehrere Wochen entwurfartig in meinem Kopf umhergeistert, bevor ich ihn in Realität umsetze - ein Prozess, in dem sich die Struktur und der Inhalt des Textes oft mehrmals ändern. In einer solchen Entstehungsphase ist es für mich natürlich dann immer wieder mal notwendig, dass ich vom Alltag Abstand nehmen und mich gedanklich ausreichend dem Grübeln über zukünftige Blogartikel widmen kann.
Leider war es in den letzten Monaten nur selten möglich, meinen Kopf für diese Art des Grübelns freizumachen, da vor allem mein Studium enorme Mengen an geistiger Hingabe erforderte.

Wie dem auch sei...
...der Grund für diesen kurzen Eintrag ist der folgende: Ich habe mein Blog-Projekt nicht auf Eis gelegt und es wird sich für euch weiterhin lohnen, in Zukunft immer wieder vorbeizuschauen. Die Frequenz, mit der ich Beiträge veröffentliche, ist zwar im Moment sehr unregelmäßig, doch das wird sich hoffentlich wieder einpendeln.

An dieser Stelle möchte ich bereits jetzt schon einen meiner nächsten Artikel ankündigen, für welchen ich erneut ein Beispiel aus der Welt der Physik gefunden habe, das die Naturgesetze der kleinsten Skalen mit Phänomenen unserer makroskopischen Welt verbindet. Konkret wird es um einen Zusammenhang zwischen Quantenmechanik und Weltklima gehen. Hoffentlich kann ich euch mit meiner Begeisterung für solche auf den ersten Blick undenkbare Verbindungen anstecken!
Der Text wird im Online-Magazin KIRTAG erscheinen (und natürlich auch hier im Blog verlinkt werden!). Er ist bereits abgeschickt und wartet auf seine Veröffentlichung.

Für alle, die nicht mehr länger auf den nächsten Post warten wollen, habe ich eine gute Nachricht: Ab sofort gibt es eine Übersicht über die beliebtesten Beiträge der letzten Jahre. Ihr findet sie in der Menüleiste bzw. gleich hier im Anschluss.
Jeweils für das Jahr 2013 und 2014 habe ich die Archive durchsucht und die fünf beliebtesten und meistgelesenen Artikel hervorgeholt. Zusätzlich gibt es für jedes Jahr fünf weitere Artikel, die ich persönlich empfehlen und noch einmal hochleben lassen möchte, bevor sie irgendwann endgültig in den Tiefen des Archivs verschwinden.
Viel Spaß beim Schmökern in diesen früheren Texten! Ich bin sicher, ihr findet den einen oder anderen Eintrag, den ihr bislang noch nicht kanntet!

• Beliebteste Beiträge 2013
• Beliebteste Beiträge 2014

Habt ihr außerdem Anregungen, Fragen, Kritikpunkte zu bestimmten Artikeln oder wollt ihr in Zukunft etwas über ein spezielles Thema lesen? Lasst es mich wissen - am besten durch ein Kommentar im Blog! Gerne könnt ihr mich natürlich auch auf anderen Wegen kontaktieren, Möglichkeiten gibt es ja genügend.

Wir lesen dann voneinander! Bleibt neugierig!

Die Suche nach der Weltformel lohnt sich! - Meine Antwort auf Prof. Taschners Presse-Beitrag

Sehr geehrter Herr Taschner!

Von der Überschrift “Die Suche nach der Weltformel ist keinen Groschen Einsatz wert” neugierig gemacht, habe ich Ihren Presse-Beitrag vom 8.4.2015 gelesen, in welchem Sie behaupten, die physikalischen Experimente am CERN hätten “nichts mit der Welt zu tun, in die wir hineingeboren wurden” und würden zu große Mengen an Steuergeldern verschlingen, ohne der Bevölkerung etwas zurückgeben zu können. Anstatt Geld “an den [sic] CERN zu verschleudern”, müsse Ihrer Meinung nach in “Physik mit Hand und Fuß” investiert werden - in Lehre und Forschung, die sich “mit Phänomenen auseinandersetzt, die uns wirklich betreffen”.

Der CMS-Detektor am Kernforschungszentrum CERN - eines jener
Forschungsprojekte, an dem Österreich stark beteiligt ist und dadurch beispielsweise
wesentlich zur Entdeckung des Higgs-Teilchens im Jahr 2012 beigetragen hat.
(Credit: CERN)

Ich muss zugeben, nach dem Lesen Ihrer so klaren Worte war ich - gelinde formuliert - völlig verblüfft. Selten hört man eine solch scharfe und allumfassende Kritik an moderner Wissenschaft von einem renommierten Mathematikprofessor der Technischen Universität Wien. Noch seltener aber kommt es vor, dass - wie im Fall Ihres Presse-Artikels - eine solche Kritik auf so vielen Ebenen so fehl am Platz, zum Teil falsch und zutiefst besorgniserregend ist. Mit Ihren Aussagen greifen Sie nämlich nicht nur die “Physiker am CERN”, sondern vielmehr den gesamten Geist der Naturwissenschaften an. Einen derartigen Rundumschlag und Frontalangriff auf die Physik und all ihre benachbarten Disziplinen angemessen und in der notwendigen Ausführlichkeit zu kommentieren, ist in dieser kurzen Form unmöglich. Ich kann es aber nicht unversucht lassen!

Quantenverschränkung und spukhafte Fernwirkung

Prof. Anton Zeilinger aka "Mr. Beam".
Ihm und seinem Team gelang 1977 erstmals
die Teleportation von Quantenzuständen.
(Credit: Jaqueline Godany)

Verglichen mit meinen bisherigen Blogartikeln ist der heutige anderer Natur.

Anstelle von langen Texten, in denen ich versuche, Phänomene und Erkenntnisse aus dem Bereich der Physik mit Worten zu beschreiben und verständlich darzustellen, tritt heute ein Video. (Allerdings biete ich dabei etwas mehr als nur ein schnell hier eingebettetes Video.)

Ich wollte immer schon über diesen einen kuriosen Effekt der quantenmechanischen Verschränkung schreiben - ein Phänomen, das man nutzen kann, um Quantenzustände zu teleportieren, Quantenkryptografie zu betreiben oder vielleicht sogar irgendwann einmal dazu, Quantencomputer zu bauen -, hatte jedoch nie Zeit, die nötigen grafischen Hilfsmittel zu erstellen, ohne die meine Erklärungen mit Sicherheit zu kompliziert geworden wären.

Nun hat in der Zwischenzeit Derek Muller vom YouTube-Kanal Veritasium ein Video veröffentlicht, in welchem er genau diesen Effekt der Quantenverschränkung erklärt - und das auf eine Weise, die ich in ihrer Klarheit und Einfachheit wohl nie in einem textbasierten Blogartikel übertreffen kann. Warum also noch darüber schreiben, wenn ich stattdessen auf das Video verweisen kann?

Da es sich bei meinem Blog um einen deutschsprachigen handelt und Dereks Erklärungen auf Englisch sind, habe ich übrigens Vorarbeit geleistet und diese auf Deutsch übersetzt. Falls gewünscht, könnt ihr bei diesem Video also ab sofort deutsche Untertitel einschalten. (Die Untertiteloptionen befinden sich im rechten Abschnitt der unteren Video-Menüleiste.)

Nun möchte ich euch aber nicht mehr länger vom Schauen dieses großartigen Videos abhalten.

Viel Vergnügen beim Kennenlernen eines äußerst verrückten, allerdings realen Quanteneffektes! Sagt mir danach, was ihr darüber denkt!

"Quantum Entanglement & Spooky Action at a Distance" von Veritasium:

Dunkle Materie - ein herausragendes Porträt

"Molecule Man" (Berlin, 2013)
(Credit: Avda, via Wikimedia Commons)

Alles, was wir jeden Tag um uns herum sehen, mag auf den ersten Blick unglaublich vielseitig und verschieden aussehen. Die Straße unterscheidet sich deutlich vom nächsten Mitmenschen, der auf ihr geht. Das Gebäude nebenan sieht so ganz anders aus als die Sonne. Dein elektronisches Gerät, das diesen Text soeben darstellt, scheint in erster Linie gar nichts mit der umgebenden Luft, die es zur Kühlung verwendet, zu tun zu haben.

Obwohl in unserer makroskopischen Welt natürlich grundverschieden, so sind all diese Dinge auf der kleinsten Ebene nicht wirklich unterschiedlich - sie alle bestehen aus den subatomaren Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik. Die Protonen und Neutronen in den Atomkernen werden aus drei noch kleineren Teilchen aufgebaut, den sog. "Quarks" (1). Neben den Quarks gibt es noch die sog. Leptonen, deren wohl berühmtester Vertreter das Elektron ist - jener Atombestandteil, der wesentlich die physikalischen und chemischen Eigenschaften von all dem Zeug in der Welt bestimmt. Quarks und Leptonen müssen noch durch jene Teilchen, die die vier Grundkräfte der Natur (2) kommunizieren, und durch das Higgs-Teilchen (3) erweitert werden, um das soeben erwähnte Standardmodell der Teilchenphysik zu bilden. Zählt man dessen Teilchen erst einmal ab, kommt man auf insgesamt 61 Stück (4). Das klingt einerseits nach einer großen Menge Teilchen, andererseits ist es doch erstaunlich, dass es uns gelungen ist, die gesamte uns bekannte, materielle Welt auf diese paar Teilchen zu reduzieren. (Falls jemand von dieser Kurzzusammenfassung des Standardmodells eben nichts verstanden hat, macht das nichts. Ab jetzt wirds schon wieder einfacher!)

Obwohl wir alles, was wir im Universum sehen können, nun zumindest im Prinzip kennen, können wir uns wohl kaum auf unserem Erfolg ausruhen, denn wir wissen heute, dass die physikalischen Modelle nur etwa 4,9 Prozent seines gesamten Materie- bzw. Energieanteils zu beschreiben vermögen.