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!

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:

Wisst ihr, was das Erstaunliche an der Welt ist?

Eine Erkenntnis, welche unsere Leben für immer veränderte. Ein Gedanke, der uns in einer komplexen, oft nur schwer begreifbaren Welt Hoffnung schöpfen lässt. Eine Einsicht, so bedeutend und folgenreich, dass sie als eine der größten Errungenschaften menschlichen Geistes zu bezeichnen nur angemessen ist.

Der folgende Text ist der Beginn meines ersten Beitrags für das Online-Magazin "Kirtag" - ein ambitioniertes Projekt aus meiner Heimatgegend. Da ich nun offiziell zum Kirtag-Team dazugehöre, werden dort auch in Zukunft immer wieder Artikel von mir zu sehen sein.

Viel Vergnügen beim Lesen!

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Wir befinden uns in der Mitte eines kleinen, überschaubaren Universums. Auf einer begrenzten Scheibe versuchen wir, uns so recht und schlecht ein angenehmes Leben einzurichten. Jeder unserer verantwortungsvollen Kapitäne hat es im Gefühl, wann er sein Schiff wenden und wieder zum Heimathafen steuern soll. Freilich, manch einen juckt es schon, einmal den Rand kennenzulernen und darüber hinauszuschauen. Aber man hat uns ja „wissen“ lassen: Kommt man an Grenzen, tun sich Abgründe auf. Ach, du lieber Gott! Es ist ein Kreuz mit dem Ende der Welt. Und eines weiß man selber ganz sicher: Man will um alles auf der Welt nie eine Kreuzschifffahrt mitmachen müssen…

Es ist tatsächlich noch gar nicht allzu lange her, dass man so über die eigene Existenz gedacht hat, und es ist erstaunlich, dass es diese Einstellung mancherorts noch immer gibt. (Da meine ich aber nicht, dass eine Kreuzschifffahrt zum Speiben ist.)

Nun gut, den „Rand“ der Welt – die Grenze des uns Bekannten – erweitern wir mit jedem Tag: Unser Wissen wächst seit dem Babyalter, sei es im individuellen Fall oder in jenem der gesamten Menschheit.
Obwohl wir bis heute erstaunlich viel über die Welt gelernt haben,... Weiterlesen »

 

Entwicklung der Quantenphysik XI: Worum ging es nun eigentlich? - Ein Resümee

Puh... es war ein langer Weg bis hierher!

Angefangen hat alles mit dem Problem der Ultraviolett-Katastrophe der Hohlraumstrahlung und Planck's Quantenhypothese. Licht war plötzlich nicht mehr eine Welle, sondern bekam einen Teilchencharakter. Dann ging es richtig los, als Louis de Broglie vorschlug, auch "Teilchen" (wie z. B. Elektronen) durch Materiewellen zu beschreiben. Die Folgen waren weitreichend: Man entdeckte, dass sich die Welt auf fundamentaler Ebene nur mehr durch Wahrscheinlichkeiten ausdrücken lässt. Außerdem gibt es prinzipielle Grenzen in der Bestimmbarkeit gemäß der Heisenberg'schen Unbestimmtheitsrelation. Das klassisch-deterministische Universum von Newton und seinen Zeitgenossen, das bereits durch Einsteins Relativitätstheorie in seinen Grundfesten erschüttert wurde, entpuppte sich als eine zu oberflächliche Naturbeschreibung. Auch in der Atomvorstellung gab es revolutionäre Erkenntnisse - so sind die Elektronenbahnen um den Atomkern in Bohrs Atommodell gequantelt, sodass es für die Elektronen "verbotene" Bereiche gibt, in denen sie sich nicht aufhalten können. Der Doppelspaltversuch mit all seinen Variationen zeigt wohl am deutlichsten, welche Kuriositäten in der mikroskopischen Quantenwelt herrschen: Man kann ihn in Begriffen der klassischen Physik (also unserer "Hausverstandsphysik") nicht erklären.

(Credit: Zach Weiner, SMBC)

Über viele Jahre haben wir mehrere Interpretationen dieser für uns so absonderlich wirkenden Quantenmechanik erarbeitet, die sich bislang als konsistent mit der Natur erwiesen haben. Die am meisten verbreitete und in den meisten Lehrstätten unterrichtete ist die sog. "Kopenhagener Interpretation". Sie erlaubt uns, die Natur mit bisher unerreichter Genauigkeit zu beschreiben und hat nebenbei eine Revolution im technologischen Fortschritt ausgelöst. Moderne Technik wäre ohne die grundlegenden Erkenntnisse vieler Wissenschafter des vorherigen Jahrhunderts nicht denkbar!

Wie wir in dieser Artikelserie gesehen haben, kann die Quantenphysik ehemals paradoxe Phänomene, wie z. B. die Ultraviolett-Katastrophe, die Stabilität der Atome, die Elektronenbeugung oder den photoelektrischen Effekt, zufriedenstellend erklären. (Es gibt eine Erweiterung dieser "neuen Physik", die sog. "Quantenelektrodynamik" oder kurz "QED". Die Quantenelektrodynamik befindet sich bislang in vollkommener Übereinstimmung mit den Experimenten. Obwohl man sie ohne jahrelanger Beschäftigung mit Mathematik und Physik wohl nicht vollständig verstehen kann, möchte ich Interessierten Richard Feynmans Buch "QED: Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie" ans Herz legen. Feynman beschreibt dieses/sein Konzept der QED auf eine Weise, die so anschaulich ist, dass ich sogar etwas damit anfangen konnte, als ich das Buch bereits vor meinem Physikstudium gelesen hatte.)
Die Quantenphysik vermag also alle Erscheinungen der Elektronenhüllen der Atome und damit die Atom- und Molekülphysik auf befriedigende Weise zu beschreiben. Erst bei der Untersuchung der Kernstruktur und der Elementarteilchen wird ihre Beschreibung lückenhaft. (Es ist übrigens auch noch nicht gelungen, allgemeine Relativitätstheorie, also die Gravitation, und die Quantenphysik erfolgreich zu vereinen. Falls das jemandem von euch eines Tages gelingt, könnt ihr wohl gleich die Koffer packen, um euch den Nobelpreis aus Stockholm abzuholen.)

Doch was ist nun eigentlich das Besondere an der Quantenphysik? Was ist ihre "zentrale Aussage"?
Wir haben bisher ja sehr viele kuriose Phänomene kennengelernt, sodass wahrscheinlich untergegangen ist, was die Quantenphysik eigentlich auszeichnet.
In vielen Quellen wird die Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation als die grundlegende Aussage der Quantenphysik bezeichnet. Das stimmt nicht, denn sobald man akzeptiert, dass man "Teilchen" durch Wellen beschreiben kann, folgt die Unbestimmtheitsrelation (und zwar aus dem klassischen Fourier-Theorem). Obwohl diese Relation weitreichende und philosophische Fragen aufwirft, ist sie also in dem Sinne nicht "so besonders", wie einem oftmals glaubhaft gemacht wird.

Somnium - der erste Sci-Fi-Roman

Habt ihr euch schon einmal gefragt, wann zum ersten Mal ein Science-Fiction-Text geschrieben wurde und wer somit der Schöpfer dieses Genres war? - Ich nämlich bisher nicht.
Aber vor kurzem habe ich in Carl Sagans Buch "Cosmos" über eben dieses erste Science-Fiction-Werk gelesen. Ob man nun ein Sci-Fi-Fan ist oder nicht - die Geschichte um dieses Buch und die Handlung des Werkes sind durchaus interessant, denke ich, und haben außerdem eine gewisse kulturelle Bedeutung.

"Somnium" (lat. für Traum) heißt dieser kurze Text und wurde von niemand anderem geschrieben als von Johannes Kepler um 1610. (Von ihm stammen die berühmten Keplerschen Gesetze für die Bewegung von Planeten, die wohl jeder irgendwann schon mal lernen musste.) Veröffentlicht wurde es allerdings erst 1634 (überdies in kürzerer Form als gedacht) aufgrund verschiedener Umstände, auf die ich später noch kurz eingehen werde.

(Ich werde übrigens die von Daniel A. Di Liscia (Kepler-Kommission der Bayerischen Akademie der Wissenschaften) überarbeitete Version der deutschen Übersetzung von Ludwig Günther (1889) mit dem Titel "Keplers Traum vom Mond" verwenden, welche von Rainer Zenz 2013 digitalisiert und gestaltet wurde. Kurzum: Ich behandle diese Version, welche laut Impressum gemeinfrei ist.)


Ausgangspunkt für Keplers "Somnium" ist das kopernikanische Weltbild, das die Sonne in den Mittelpunkt des Universums rückt und das sich zu Keplers Zeit noch nicht vollständig gegen das vorherrschende geozentrische (ptolemäische) Weltbild durchsetzen konnte. Der evangelische Theologe, Mathematiker und Astronom Johannes Kepler war allerdings von dessen Gültigkeit überzeugt und konnte - im Gegensatz zu den wohl meisten seiner Zeitgenossen - den folgenden, durchaus sinnvollen Gedanken fassen: Wir Menschen auf der Erde sind an die Beschleunigung in Richtung des Erdmittelpunkts gewohnt und spüren auch die Bewegung der Erde um die Sonne nicht. Deshalb unterliegen wir der Illusion, wir würden uns in Ruhe befinden. Mögliche Bewohner anderer Welten (z. B. des Mondes) würden das gleiche von sich behaupten - nämlich dass auch sie sich in Ruhe befinden. Eben diesen Gedanken wollte Kepler in seinem "Somnium" einem breiteren Publikum bewusst machen, sodass das heliozentrische (= kopernikanische) Weltbild an Anerkennung gewinnen konnte.

Buchumschlag mit Tuschezeichnungen von Galileo Galilei, 1610

Sind gerade Zahlen böse?

Die folgende, sehr simple Methode zeigt, wie man beliebige Zahlen miteinander multiplizieren kann, indem man nur addiert, halbiert und verdoppelt. Dieses Verfahren funktioniert allerdings nur, wenn die geraden Zahlen "böse" sind. Viele alte Kulturen bedienten sich dieser Technik und hatten unter anderem deshalb eine schlechte Meinung von geraden Zahlen.