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Intelligente Roboter: Horror oder Segen?

Heidelberg. Roboter – das sind doch diese geschwätzigen, blinkenden Blechdosen? Oder tumbe Maschinenmenschen, die nichts können, als mit sehr eckigen Bewegungen dem in sie einprogrammierten Killerbefehl zu folgen? Oder – außerhalb des Kinos – diese überaus beweglichen Geräte, die in der Autoproduktion schwere Arbeiten mit größter Präzision verrichten, aber statt eines Kotflügels mit Gleichmut auch einen Menschen lackieren oder anschweißen würden, der ihnen versehentlich in die Finger gerät?

Alles falsch. Die modernen Roboter sind überaus feinfühlig und krümmen niemandem ein Haar, es sei denn, das wäre ihre Aufgabe; denn sie haben einen perfekten Überblick über ihre Umgebung. So beschreibt es Gerd Hirzinger in einem umfangreichen Artikel in “Spektrum der Wissenschaft” – und er muss es wissen: Hirzinger war 20 Jahre lang Chef des Instituts für Robotik und Mechatronik in Oberpfaffenhofen, das seinerseits zum Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gehört.

Aus seinem Institut stammen so erstaunliche Entwicklungen wie das System MiroSurge, das in der minimal-invasiven Chirurgie die Instrumente präziser und zitterfreier führt, als der Arzt selbst es könnte. Der wiederum bewegt anstelle der Instrumente Handgriffe zur Fernsteuerung – aber die lassen ihn den Widerstand spüren, den das Gewebe auf die echten Instrumente ausübt. Zugleich sieht er auf dem großen Bildschirm, was die Mikrokamera vom Operationsfeld zeigt, und wird damit eingebettet in eine virtuelle Realität, in der er besser sehen und arbeiten kann als in der echten.

Die Roboter aus Hirzingers Werkstatt haben einen menschenähnlichen Oberkörper, und die neuesten Modelle können sogar auf zwei Beinen laufen. Wichtiger noch: Alle ihre “Muskeln” und “Gelenke” sind drehmomentgesteuert. Jede Bewegung wird wie beim Menschen von einem Paar antagonistischer (gegeneinander arbeitender) Muskeln ausgeführt und zugleich die dabei ausgeübte Kraft – genauer: das Drehmoment – gemessen. Dadurch kann der Roboter seine Kräfte so präzise dosieren, dass er ein rohes Ei oder eine gefüllte Kaffeetasse heil von A nach B bringt; und er lässt sich von einem erfahrenen Menschen die Hände führen und lernt dadurch diese Bewegung.

In der Autofabrik muss man ihn nicht mehr in den früher üblichen Käfig stecken; denn aus den beiden Digitalkameras in seinen “Augen” errechnet er in Echtzeit ein räumliches Bild seiner Umgebung und vermeidet mit dessen Hilfe jede Kollision.

Dieselbe Technik verhilft auch einem Elektroauto namens “ROboMObil”, sich ohne Fahrer unfallfrei durch den Verkehr zu bewegen; diesmal mit 18 rundum verteilten Kameras. Und von dort bis zum autonomen unbemannten Fluggerät – Flugzeug, Hubschrauber oder “Quadrocopter” (Rahmen mit vier Propellern) – ist es nicht mehr weit. Ein unter dem Hubschrauber montierter Greifarm liefert Lebensmittel und Verbandszeug an in Not geratene Bergsteiger oder repariert sogar eine Hochspannungsleitung.

Natürlich haben die Robotiker vom DLR derart komplexe Systeme nicht von Grund auf neu entworfen. Es gab einfachere Vorläufer, und deren Arbeitsplatz war – der Weltraum. Dringender als auf der Erde ist dort der Bedarf nach einem “Monteur”, der nicht essen oder atmen muss und dem extreme Hitze oder Kälte nicht viel ausmacht. Aber einigermaßen selbstständig arbeiten muss er schon können, vor allem auf dem Mars. Wenn ein Funksignal hin und zurück eine Viertelstunde unterwegs ist, würde eine Fernsteuerung von der Erde aus eine sehr zähe Veranstaltung.

Für den Einsatz im Weltraum haben die Techniker gelernt, jedes Gramm Gewicht einzusparen – die Kosten für den Transport per Rakete sind immens. Diese Erfahrungen machen sich nun auf der Erde bezahlt. Je leichter der Arm ist, desto eleganter kann der Roboter ihn schwingen. “Aber die Roboter nehmen uns doch die Arbeitsplätze weg!”
Gegen diesen häufig geäußerten Einwand weiß Hirzinger ein schlichtes Gegenargument anzuführen: Der Automobilindustrie, die massiv die mechanischen Helfer einsetzt, geht es hierzulande noch ganz gut, während die Unterhaltungselektronik-Industrie, die solches nie ernsthaft versucht hat, inzwischen fast vollständig nach Fernost abgewandert ist.

Und die Horrorszenarien aus der Science-Fiction, in denen die Roboter dank ihrer überlegenen Körperkraft und Intelligenz die Weltherrschaft übernehmen? Die sind so weit entfernt, dass es darüber nicht nachzudenken lohnt. Oft genügt ein geringfügiger Wechsel der Umgebungsbeleuchtung, um einen Roboter aus dem Konzept zu bringen. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Oktober 2013)

Buchtipp:
Synthetisches Bewusstsein: Wie Bewusstsein funktioniert und Roboter damit ausgestattet werden können

Weltrekord: Quantenteleportation über große Distanzen

Quantenteleportationsexperiment hat neuen Distanzrekord erzielt Foto IQOQI-Vienna

Physiker der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften haben mit einem Quantenteleportations-Experiment zwischen zwei kanarischen Inseln einen neuen Distanzrekord erzielt. Das Experiment ist ein wesentlicher Schritt in Richtung Satelliten-basierte Quantenkommunikation. Die Ergebnisse erscheinen aktuell im renommierten Fachmagazin “Nature” (Advance Online Publication/AOP).

Ein Team um Anton Zeilinger, Professor an der Universität Wien und Direktor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Akademie der Wissenschaften (ÖAW), hat erfolgreich Quantenzustände über eine Distanz von 143 km von La Palma nach Teneriffa übertragen. Dies entspricht der Luftlinie zwischen Wien und Graz. Der alte Rekord, aufgestellt von Forschern in China, lag bei 97 km und war gerade erst ein paar Monate alt. Die Ergebnisse des internationalen Forscherteams sind aktuell in der internationalen Fachzeitschrift “Nature” veröffentlicht worden.

Dem Quanteninternet einen Schritt näher

Den Wissenschaftern ging es aber nicht primär um diesen Rekord: Ihre Experimente ermöglichen eine höhere Datenrate als das chinesische Experiment und könnten damit die Grundlage für ein weltumspannendes Informationsnetzwerk schaffen, in welchem es quantenmechanische Effekte ermöglichen, Nachrichten mit größerer Sicherheit auszutauschen und bestimmte Berechnungen effizienter durchzuführen als dies mit konventionellen Technologien möglich ist. In einem solchen zukünftigen “Quanteninternet” wird die Quantenteleportation ein zentrales Protokoll für die Übermittlung von Information zwischen Quantencomputern sein.

In einem Quantenteleportations-Experiment können Quantenzustände – nicht aber Materie – zwischen zwei Parteien über an sich beliebige Distanzen ausgetauscht werden. Der Prozess funktioniert selbst wenn der Ort des Empfängers nicht bekannt ist. Ein solcher Austausch kann entweder dem Übermitteln von Nachrichten dienen, oder in künftigen Quantencomputern eingesetzt werden. In solchen Anwendungen müssen jedoch die Lichtquanten (oder Photonen), welche die Quantenzustände kodieren, zuverlässig über weite Distanzen transportiert werden, ohne dass ihr empfindlicher Quantenzustand zerstört wird. Das Experiment der Wiener Physiker, in welchem sie eine für Teleportation taugliche Quantenverbindung über deutlich mehr als 100 km hergestellt haben, eröffnet nun neue Horizonte.

Quantenteleportation über große Distanz nun möglich

Xiao-Song Ma, einer der verantwortlichen Mitarbeiter dieser Studie erklärt: “Eine Quantenteleportation über eine Distanz von 143 km durchzuführen war eine enorme technische Herausforderung”. Die Photonen mussten direkt durch die turbulente Atmosphäre zwischen den beiden Inseln geschickt werden. Der Einsatz von Glasfasern für Teleportations-Experimente ist über diese Distanzen nicht möglich – der Signalverlust wäre zu groß. Um ihr Ziel zu erreichen, mussten die Wissenschafter eine ganze Reihe von technischen Innovationen aufbieten. Unterstützung haben die Wiener Physiker dabei von einer Theoriegruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching (D) und von einer experimentellen Gruppe an der University of Waterloo (Kanada) erhalten. “Ein entscheidender Schritt zu unserer erfolgreichen Teleportation war eine Methode namens ‘Active Feed-Forward’, die wir zum ersten Mal in einem solchen Langstreckexperiment eingesetzt haben und dank der wir die Übertragungsrate verdoppeln konnten”, sagt Ma. Dabei werden parallel zur Quanteninformation konventionelle Daten geschickt, die es dem Empfänger wesentlich erleichtern, die transferierte Information zu entschlüsseln.

Nächster Schritt: Quantensatellit für weltumspannendes Experiment

“Unser Experiment zeigt, wie reif ‘Quantentechnologien’ heutzutage sind und wie nützlich sie für praktische Anwendungen sein können”, so Anton Zeilinger. Sein Blick ist nun nach oben gerichtet: “Der nächste Schritt ist Satelliten-basierte Quantenteleportation, womit dann Quantenkommunikation auf einer globalen Skala realisierbar sein sollte. Wir haben nun einen großen Schritt in diese Richtung genommen und werden unser Know-how in eine internationale Kooperation einbringen, an welcher auch unsere Kollegen von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften beteiligt sind. Das Ziel ist, einen gemeinsamen Quantensatelliten ins All zu schießen.”

Rupert Ursin, der seit 2002 mit Zeilinger an Langstreckenexperimenten arbeitet, ergänzt: “Hinsichtlich zukünftiger Experimente in denen wir entweder Signale zwischen der Erde und Satelliten austauschen oder von einem Satelliten zu einem anderen schicken werden, sind unsere neuesten Resultate sehr ermutigend.” Die Umlaufbahnen von Satelliten im sogenannten “Low-Earth Orbit” verlaufen zwischen 200 bis 1200 km über der Erdoberfläche. (Die Internationale Raumstation ISS, zum Beispiel, kreist in einer Höhe von rund 400 km.) “Auf dem Weg durch die Atmosphäre von La Palma nach Teneriffa sind unsere Signale um ein rund Tausendfaches abgeschwächt worden. Trotzdem haben wir es geschafft, ein Teleportations-Experiment durchzuführen. In Satelliten-basierten Experimenten werden die Strecken, die wir zurücklegen müssen, zwar länger sein, aber es wird weniger Atmosphäre zu durchqueren sein. Wir haben nun eine grundsolide Basis für solche Experimente geschaffen.” (Quelle: idw; Foto: IQOQI/Vienna – Quantenteleportationsexperiment hat neuen Distanzrekord erzielt)

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Marsrover Curiosity gelandet

Video: Unterhaltsame 3D-Animation zur Curiosity Marslandung

Am frühen Morgen des 6. August 2012 hat die US-Raumsonde Curiosity, zu deutsch Neugier, ihr Ziel erreicht: den Mars beim äquatornahen Einschlagkrater Gale auf der Südhalbkugel. Mit dem Eintritt der Sonde in die dünne Marsatmosphäre folgten höllische sieben Minuten.

Die Missionskontrolleure auf der Erde waren in dieser Phase aufs Zuschauen beschränkt, weil Funkbefehle 14 Minuten brauchen, bis sie den Mars erreichen. Nach vier Minuten Abbremsen war der Hitzeschild weißglühend und ein Fallschirm wurde herausgeschossen, um die Geschwindigkeit weiter zu reduzieren.

Dreißig Sekunden später wurde die Landestufe vom Hitzeschild getrennt und die restliche Abbremsung bis zum Stillstand auf der Oberfläche übernahmen Raketentriebwerke. Wegen der dünnen Atmosphäre ist eine weiche Landung mit Hilfe von Fallschirmen nicht möglich. Airbags können wegen Curiositys hoher Masse von 900 kg nicht eingesetzt werden.

Der Marsrover ist praktisch ein Feldlabor auf sechs Rädern, groß wie ein Personenwagen, wie es bislang jenseits der Erde noch nie zum Einsatz kam. Mit den Geräten lassen sich detaillierte chemische Analysen durchführen, um die Frage nach Leben auf dem Mars endgültig zu beantworten. Nach der Landung durchlief Curiosity seine Aktivierungssequenz, nahm unter anderem erste Bilder seiner Umgebung auf und machte sich auf den Weg zur Exploration.

Die Marssonde soll herausfinden, ob sich in den Gesteinen und Böden Spuren solcher organischen Stoffe finden, die eine Voraussetzung für Leben sind, wie wir es kennen. Bei früheren Missionen konnte man solche Spuren nicht zweifelsfrei finden. Die Sonde soll sich insbesondere im Landegebiet des Kraters Gale rund zwei Jahre aufhalten

Wenn alles glattgeht, wird uns Curiosity faszinierende Einsichten in die geologische Geschichte des Mars bieten. Auch visuell dürfte die Mission für eindrucksvolle Panoramaaufnahmen sorgen.

Buchtipps
Roman: Professor Allman und die verschwindende Realität: Zeitreiseroman mit wissenschaftlichem Hintergrund
Sachbuch: Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Roboter erobern die Haushalte

Foto cc-by-sa Manfred Werner - Tsui.jpg

In den nächsten Jahren werden Haushaltsroboter und automatisierte Lösungen für ältere Menschen zunehmend in die Haushalte einziehen und auch Pflegeaufgaben übernehmen. Deutschland eröffnen sich hierdurch aufgrund seiner guten Position in der Industrierobotik und Automation sowie anderen Basistechnologien große Potentiale auf dem Weltmarkt.

Dies sind Ergebnisse der neuen VDE-Studie „Mein Freund der Roboter“, die der Verband in München vorstellte. „Unsere Experten erwarten im Bereich Servicerobotik attraktive ökonomische Wachstumsraten, die zu neuen Arbeitsplätzen führen“, so VDE-Präsidiumsmitglied Dr.-Ing. Kurt Bettenhausen. Zum anderen trügen Serviceroboter dazu bei, die Herausforderungen des demografischen Wandels erfolgreich zu meistern und die Lücke zwischen einer kontinuierlich alternden Bevölkerung, einer rückläufigen Erwerbsbevölkerung und einem Mangel an Pflegekräften zu schließen.

Vor allem im Bereich der Rehabilitationsrobotik, wie zum Beispiel intelligente Rollstühle, kleine Roboterarme oder neuartige Beinprothesen erwartet der VDE in naher Zukunft große Fortschritte. Sie ermöglichen es heute schon alten, kranken oder behinderten Menschen, verlorene Mobilität und Selbständigkeit zurückzugewinnen. Einen kommenden Boom sieht der Verband in der Entwicklung von menschenähnlichen Robotern (Humanoide) als Haushaltshelfer für komplexe Aufgaben oder als persönlicher Assistent für ältere Menschen. „Bisher haben nur wenige Firmen in Japan, Korea und China erste humanoide Roboter auf den Markt gebracht. Wir erwarten jedoch für die nächsten zehn Jahre erhebliche Zuwachsraten in diesem Segment“, so Bettenhausen weiter. Gegenwärtig stammen zahlreiche Serviceroboter für den Privatbereich aus Asien.

Senioren ziehen Roboter dem Altenheim vor
Roboter sollen, so die Vision, gemeinsam mit den älteren Menschen den Alltag bewältigen und sie dabei unterstützen, länger möglichst eigenständig zu leben. Aber werden Serviceroboter von Senioren überhaupt akzeptiert? Der VDE-Studie zufolge steht die Mehrheit der Senioren (56 Prozent) Servicerobotern positiv gegenüber. 50 Prozent der Pflegekräfte befürworten den Einsatz von Robotern im privaten Bereich. Am beliebtesten sind Haushaltsroboter wie Staubsauger- und Wischroboter, aber auch futuristische Anwendungsszenarien wie der „roboterisierte Rollstuhl“. Allerdings zeigt die VDE-Studie auch, dass das gesellschaftliche und technologiepolitische Bekenntnis zum „Freund Roboter“ noch nicht so klar ausfällt wie in asiatischen Ländern, etwa Südkorea oder Japan. So lehnen 40 Prozent der Senioren die Servicerobotik im Alltag spontan ab. 60 Prozent der befragten Senioren empfinden Robotik als „unheimlich“.

Der Wunsch nach einer selbständigen Lebensführung ist jedoch ein starker Faktor für die Akzeptanz. So erreichte das futuristische Anwendungsszenario „roboterisierter Rollstuhl“ einen der höchsten Rankingplätze, obwohl die Vorbehalte gegenüber Systemen, die direkt mit den Menschen kommunizieren, kooperieren oder sie sogar berühren, am stärksten ausgeprägt sind. Der Nutzen – Mobilität, Orientierung, Unabhängigkeit, Selbständigkeit, Schutz der Intimsphäre – wird in diesen Fällen höher bewertet als die damit verbundenen akzeptanzhemmenden Faktoren. Die überwiegende Mehrheit der Befragten würde einen Serviceroboter zu Hause der Alternative Altenheim vorziehen. Am beliebtesten sind Roboter, die abgrenzbare Tätigkeiten im Haushalt autonom erledigen, insbesondere Staubsauger- und Wischroboter. Im Mittelfeld liegen die Szenarien „gesundheitliches Monitoring“, „Fitness-Coach“ und „Kommunikation und Anregung“, gefolgt von Fensterputz-Robotern, Therapieanwendungen und humanoiden Haushaltsrobotern für komplexe Tätigkeiten. (Quelle: idw; Foto: cc-by-sa Manfred Werner – Tsui)

Buchtipp:

Einsteins “spukhafte Fernwirkung” besteht ihren strengsten Test

Anton Zeilinger (Foto: Jaqueline Godany)

Albert Einstein äußerte Bedenken an der damals jungen Quantenmechanik. Von ihm als “spukhafte Fernwirkung” bezeichnet, hat die quantenmechanische Verschränkung dank der Forschungsgruppe um Rupert Ursin und Anton Zeilinger an der Universität Wien sowie am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation ihren bisher strengsten Test bestanden.

Die Idee

Albert Einstein hat in einem im Jahr 1935 veröffentlichten Artikel Bedenken an der damals jungen Quantenmechanik wegen ihrer verrückten Vorhersagen angemeldet. Eine der Besonderheiten geht auf den österreichischen Physiker Erwin Schrödinger zurück und behauptet, dass es verschränkte Teilchenpaare gibt, deren Wechselbeziehung auch über große Distanzen stärker ist als es klassische physikalische Gesetze erlauben. Diese quantenmechanische Verschränkung wurde seither in zahlreichen Versuchen getestet, wobei sich die Vorhersagen der Quantenphysik bisher stets bestätigt haben. Aber es blieb immer noch gewisse Lücke offen. Die Quantengruppe um Rupert Ursin und Anton Zeilinger an der Universität Wien sowie am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften hat nun auf den Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa das bislang überzeugendste Experiment durchgeführt.

Nichtsdestotrotz gibt es anhaltende Bemühungen, Versuchsergebnisse an verschränkten Teilchen nicht quantenphysikalisch, sondern innerhalb eines klassischen (lokal realistischen) Weltbildes zu beschreiben. Dann muss man aber den Teilchen verborgene Eigenschaften zuschreiben und ferner die Hypothese aufstellen, dass es zwischen den am Experiment eingesetzten Apparaten, der Quelle der Teilchen und den Teilchen selbst eine verborgene Kommunikation gibt.

Die Umsetzung

Die Forscher erzeugten auf La Palma quantenmechanisch verschränkte Paare von Lichtquanten. Von jedem Paar blieb ein Lichtquant in einer Glasfaser in La Palma, während das andere 144 Kilometer über den Atlantik nach Teneriffa geschickt und mit einem Teleskop der Europäischen Weltraumagentur ESA aufgefangen wurde. An beiden Orten wurden dann an den Teilchen Messungen durchgeführt, die erst im allerletzten Augenblick nach einem Zufallsprinzip festgelegt wurden.

Weil keine Information schneller als die Lichtgeschwindigkeit übertragen werden kann, gab es keine Chance, dass eine Seite wissen konnte, was an der anderen gemessen wurde. Ebenso wurde sichergestellt, dass die Quelle bei der Aussendung der Teilchen nicht wissen konnte, was an ihnen gemessen wird noch umgekehrt konnten die gewählten Messungen die Teilchen bei der Aussendung beeinflussen.

Durch den Einsatz modernster Technologien wurde es somit möglich, jeglichen potentiellen Informationsaustausch zwischen der Teilchenquelle und den Zufallsgeneratoren, die die Messgrößen auswählen, zu verhindern. “Durch eine sorgsame räumliche Anordnung aller Apparaturen und präzise zeitliche Abfolge der Teilchenpaarerzeugung, der Wahl der Messgrößen sowie der Messungen selbst konnten erstmals jedwede verborgene Kommunikation ausgeschlossen und die damit verbundenen Schlupflöcher geschlossen werden“, erklärt Johannes Kofler, Mitautor der Studie.

Die quantenmechanische Verschränkung, die von Albert Einstein als “spukhafte Fernwirkung” angezweifelt wurde, hat somit ihren bisher strengsten Test bestanden. Alle weiteren Experimente müssen nun auf den Ideen und Konzepten dieses Experiments aufbauen. “Diese Ergebnisse untermauern auch die Sicherheit der Quantenkryptographie und ähnlicher Verschlüsselungsverfahren”, so Anton Zeilinger [siehe Foto]. (Quelle: idw , Foto: Jaqueline Godany)

Lässt CERN „tote“ Materie lebendig werden?

Fluktuation im Universum - Bild cc-by-sa Argonne National Laboratory (flickr).jpg

Leben ist gekennzeichnet durch die prinzipielle Unvorhersagbarkeit des Verhaltens. Die Flugbahn eines Steins kann man vorhersagen. Für die Bahn des Vogelflugs gilt das nicht. Doch die Welt toter Materie ist im Kleinen ungeahnt lebendig.

Die Unterschiede zwischen der Welt im Großen und jener in den Dimensionen von Atomen oder kleiner können an einem Beispiel verdeutlicht werden. Ein Pendel der klassischen Physik, wie das Pendel einer alten mechanischen Uhr, hängt für alle Zeiten regungslos senkrecht herunter, wenn die Uhr nicht aufgezogen wird. Nicht so das Pendel von atomarer Größe. Denn in dieser Größenordnung gelten die Gesetze der Quantenmechanik. Danach ist das Pendel immer in Unruhe. Es fluktuiert um die Ruhelage herum, befindet sich jedoch nie exakt an deren Position. Unter Fluktuation versteht man hier eine permanente und zufällige Veränderung des Zustands oder der Lage, sodass man nie genau sagen kann, welche Auslenkung es gerade hat.

Es war kein Geringerer als der Physiker Werner Heisenberg (1901 – 1976), der diesen Umstand im Zusammenhang mit sogenannten Doppelspaltexperimenten entdeckte. In der Wissenschaft ist seine Entdeckung unter dem Namen Unschärferelation bekannt. Heisenberg bekam dafür im Jahr 1932 den Nobelpreis.

Ist Materie beseelt?

Eine der Aussagen der Unschärferelation ist es, dass kein Teilchen einen bestimmten Ort und eine bestimmte Geschwindigkeit gleichzeitig besitzen kann. Würde sich demnach das Pendel am Ort der Ruhelage befinden, könnte es nicht gleichzeitig die Geschwindigkeit null haben. Hätte es andererseits die Geschwindigkeit null, könnte es nicht gleichzeitig am Ort der Ruhelage sein. Die Konsequenz ist, dass das quantenmechanische Pendel weder an einem genau bestimmten Ort zu finden ist, noch eine genau bestimmte Geschwindigkeit besitzt. Es fluktuiert einfach um den Ort der Ruhelage herum und das für alle Ewigkeit. Niemals ist es in Ruhe. Sein Verhalten ist genauso unvorhersagbar, wie man es von etwas Lebendigem gewohnt ist. Kann man daraus auf eine Art Beseeltheit der Materie und der Naturkräfte schließen? Lässt CERN „tote“ Materie lebendig werden? weiterlesen

Verursachen Zeitquanten rätselhaftes Rauschen?

Video: Gravitationswellen

Leben wir in einem holographischen Universum? Sind Zeit und Raum körnig und kann man von einem Quantenrauschen der Raumzeit sprechen? Der amerikanische Physiker Craig Hogan ist fest davon überzeugt, Beweise dafür in den Daten des deutsch-britischen Gravitationswellendetektors GEO600 gefunden zu haben – das ist seine Erklärung für ein rätselhaftes Rauschen in den Detektordaten, dessen Ursache bislang ungeklärt ist.

Der Gravitationswellendetektor wurde von 1995 bis Ende 2001 in Ruthe (Sarstedt) bei Hannover aufgebaut. Ob sich Craig Hogans Vermutungen bestätigen lassen, soll in den kommenden Monaten mit neuen Experimenten direkt am Detektor untersucht werden:

Um die Theorie des holographischen Rauschens zu testen, wird die Frequenz der höchsten Empfindlichkeit von GEO600, also der Ton, den der Detektor am besten hören kann, schrittweise hin zu immer höheren Tönen verschoben. Normalerweise ist die Frequenz so eingestellt, dass beste Chancen bestehen, explodierende Sterne oder verschmelzende schwarze Löcher beobachten zu können.

Stellt sich heraus, dass das rätselhafte Rauschen bei höheren Frequenzen dem bei niedrigeren Frequenzen entspricht, ist dies noch kein Beweis für Hogans Hypothese. Es würde aber weitergehende Untersuchungen besonders motivieren. Dann wird die Empfindlichkeit von GEO600 durch den Einbau von ‘gequetschtem Vakuum’ sowie eines Modenfilters in einer neuen Vakuumkammer verbessert. Die Technologie des ‘gequetschten Vakuums’ wurde in Hannover besonders verfeinert und würde im Rahmen der Untersuchungen weltweit erstmals zum Einsatz in einem Gravitationswellendetektor kommen.

“Wir sind wirklich gespannt, welche neuen Erkenntnisse wir im Laufe des Jahres über das mögliche holographische Rauschen erhalten werden”, sagt Prof. Dr. Karsten Danzmann, Direktor des Hannoveraner Albert-Einstein-Instituts. “GEO600 bietet derzeit weltweit als einziges Experiment die Möglichkeit, die umstrittene Theorie zu überprüfen. Im Gegensatz zu den anderen großen Laserinterferometern reagiert GEO600 durch die eingesetzte Signal Recycling Methode bauartbedingt empfindlich auf Seitwärtsbewegungen des Strahlteilers. Das ist eigentlich unbequem, aber wir brauchen das Signal Recycling, um die kürzere Armlänge im Vergleich zu den anderen Detektoren zu kompensieren. Aber holographisches Rauschen erzeugt genau so ein Seitwärtssignal und so wird der Nachteil in diesem Fall zum Vorteil. Wir befinden uns sozusagen im Mittelpunkt eines Wirbelsturms in der Grundlagenforschung.”

Auf der Suche nach der Körnigkeit der Zeit
Den kleinstmöglichen Bruchteil einer Entfernung bezeichnen Physiker als die ‘Planck-Länge”. Sie beträgt 1,6·10-35 m – das ist unvorstellbar klein und unmessbar. Auch die etablierten physikalischen Theorien gelten bei dieser Größenordnung nicht mehr. Nun überprüfen Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und der Leibniz Universität Hannover eine Theorie des US-amerikanischen Physikers Craig Hogan, der davon überzeugt ist, in den Daten des Gravitationswellendetektor GEO600 die Zeitquanten rauschen zu hören. Quelle: idw

Einzigartiger Blick in bisher unbekannte Bereiche der Quantenwelt

Blick in das Herzstück des Elektronenmikroskops
Foto: QUANTUM, Universität Mainz

Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz konnten erstmals Verteilung einzelner Atome im Bose-Einstein-Kondensat abbilden / Veröffentlichung in Nature Physics

Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist es gelungen, erstmals die räumliche Verteilung einzelner Atome in einem Bose-Einstein-Kondensat sichtbar zu machen. Bei Bose-Einstein-Kondensaten handelt es sich um kleine, sehr kalte Gaswolken, die aufgrund ihrer niedrigen Temperaturen nicht mehr durch die klassische Physik, sondern mit den Gesetzen der Quantenmechanik beschrieben werden müssen. Die ersten Bose-Einstein-Kondensate wurden 1995 von Eric A. Cornell, Carl E. Wieman und Wolfgang Ketterle erzeugt, die dafür bereits sechs Jahre später den Nobelpreis für Physik erhielten. Seither sind diese einzigartigen Gaswolken, die kältesten von Menschen erzeugten Objekte überhaupt, weltweiter Forschungsgegenstand.

Physiker um Dr. Herwig Ott von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Arbeitsgruppe Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM), haben nun eine neue Technik entwickelt, mit der einzelne Atome in einem Bose-Einstein-Kondensat abgebildet werden können. Darüber hinaus übertrifft die erreichte räumliche Auflösung der Darstellung alle bisherigen Methoden um ein Vielfaches. Die Forschungsergebnisse der durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Emmy Noether-Nachwuchsgruppe am Institut für Physik wurden unter dem Titel “High-resolution scanning electron microscopy of an ultracold quantum gas” in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

Möglich wurde dieser Durchbruch durch den Einsatz eines hochauflösenden Rasterelektronenmikroskops (REM), das mithilfe eines sehr feinen Elektronenstrahls die ultrakalte Atomwolke abtastet und so auch kleinste Strukturen sichtbar macht. “Die Übertragung der Elektronenmikroskopie auf ultrakalte Gase war ein technisches Wagnis”, berichtet Dr. Herwig Ott, Leiter der Emmy Noether-Nachwuchsgruppe, “denn hier mussten zwei sehr unterschiedliche Techniken zusammengeführt werden.” Hinzu kommt, dass sich Atome und Moleküle anders als in Festkörpern in Gasen vollkommen frei und ungeordnet durcheinander bewegen. Ein weiterer Vorteil dieses hochentwickelten Mikroskopieverfahrens besteht in der besseren räumlichen Auflösung im Vergleich zu optischen Verfahren, bei denen das Auflösungsvermögen durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts begrenzt ist. “Mit 150 nm Auflösung sind wir in der Lage, etwa 10mal genauer in diese Quantenobjekte hineinzublicken, als es uns bisher möglich war”, so Ott.

Ähnlich wie durch die Elektronenmikroskopie bisher unbekannte Bereiche unserer Welt für den Betrachter erkennbar wurden, eröffnen sich durch die in Mainz entwickelte Technik einzigartige Möglichkeiten, die mikroskopische Struktur der Quantengase zu untersuchen. Einen ersten wichtigen Meilenstein können die Mainzer Physiker bereits vorweisen: Es ist ihnen gelungen, die Struktur eines sogenannten optischen Gitters sichtbar zu machen. Optische Gitter sind Interferenzmuster aus Laserstrahlen, die auf die Atomwolke eingestrahlt werden und dieser ihre periodische Struktur aufzwingen. Dabei entstehen kristallähnliche Gebilde. Das Interessante dabei ist, dass die Bewegung der Atome eines Quantengases in einem optischen Gitter dem Verhalten von Elektronen in Festkörpern ähnelt. Quantengase sind daher in der Lage, die physikalischen Eigenschaften von Festkörpern zu simulieren und können so auch zur Klärung noch offener Fragestellungen in der Festkörperphysik beitragen. (Quelle: idw)

Werkzeugeinsatz und typisch menschliche Verhaltensweisen bei Schimpansen

Hamburg (ots) – Hamburg, 26. Juni 2008. Fongoli-Schimpansen fertigen Speere zur Jagd und zum Töten anderer Tiere an. Das zeigen Untersuchungen der amerikanischen Anthropologin Jill Pruetz, über deren Forschungen NATIONAL GEOGRAPHIC DEUTSCHLAND in der Juli-Ausgabe berichtet (EVT 27.6.2008). Pruetz beobachtet seit einigen Jahren im Senegal, wie Fongoli-Schimpansen Stöcke mit ihren Zähnen anspitzen, um damit Zwergaffen oder sogar Buschbockkitze aufzuspießen. Dabei sind die Weibchen in der Herstellung und Verwendung von Werkzeugen geschickter und gewissenhafter als die Männchen. Das legt für andere Wissenschaftler die Schlussfolgerung nahe, dass vermutlich auch unsere weiblichen Vorfahren den Einsatz von Werkzeugen vorangetrieben haben.

Pruetz konnte weitere kulturelle Besonderheiten bei den Fongoli-Schimpansen nachweisen. Im Gegensatz zu ihren Artverwandten baden sie gerne in Wasserlöchern und ziehen sich am Nachmittag in kühle Höhlen zurück. Außerdem stellte sie fest, dass Schimpansen böse werden, wenn man sie auslacht. Die extremste Form der Abneigung scheint für sie Ausspucken zu sein – und diese wenden sie nur beim Menschen an. Außerdem zeigen sie einige andere Verhaltensweisen, die man als typisch “menschlich” bezeichnen könnte: Schimpansen stehen nachts auf und sich etwas zu essen holen; sie küssen sich, geben sich die Hand und pulen am Wundschorf, bevor er sich von selber löst.

Wie man vom Verhalten der Schimpansen darauf schließen kann, ob das individuelle Bewusstsein des Menschen den persönlichen Tod überlebt, wird im Sachbuch “Unsterbliches Bewusstsein” ISBN 978-3-8370-4351-8 von Klaus-Dieter Sedlacek näher ausgeführt.

Kommt 2029 das Ende der Welt durch die Kollision mit einem Asteroiden?


Stickney Krater, der größte Krater auf dem Marsmond Phobos, der durch einen Asteroiden verursacht wurde.

Hamburg (ots) – Von rund 5400 Asteroiden und Kometen, die die Sonne umkreisen, sind 950 als potenziell gefährlich eingestuft worden, weil sie mit der Erde zusammenstoßen könnten. Das berichtet NATIONAL GEOGRAPHIC DEUTSCHLAND in der August-Ausgabe (EVT 25.7.2008). Einer dieser Himmelskörper ist “Apophis”, der sich der Erde 2029 bis auf 33.796 Kilometer nähern soll. Wenn er weiter auf Distanz zur Erde bleibt, könnte er bereits sieben Jahre später, beim nächsten Vorbeiflug, auf Kollisionskurs geraten. Die Wahrscheinlichkeit dafür wird derzeit auf 1:45.000 geschätzt. Dieses Risiko ist immerhin 444-mal größer, als in Deutschland vom Blitz erschlagen zu werden.

Die meisten der kleineren Asterioden, die zwar keine weltweiten Katastrophen auslösen, aber bei einem Einschlag immerhin Großstädte ausradieren könnten, sind noch gar nicht erfasst. Statistisch gesehen stürzen diese kleineren Objekte alle paar Hundert Jahre auf die Erde. So zuletzt am 30. Juni 1908, als ein Objekt von der Größe eines 15-stöckigen Hauses über Sibirien explodierte und auf einer Fläche von mehr als 2000 Quadratkilometern Bäume in Brand setze oder umknickte. Diese Explosion ließ noch viele Tausend Kilometer weiter in Europa den Nachthimmel hell erleuchten.

Wissenschaftler arbeiten zurzeit nicht nur daran, den Zeitpunkt einer Katastrophe vorherzusagen, sondern wollen helfen, sie zu verhindern. Je nach Vorbereitungszeit gibt es unterschiedliche Szenarien, wie die Abwehr eines Asteroiden aussehen könnte. Raumfahrzeuge könnten ihn von seinem Kurs abdrängen, oder die Wucht einer Atombomben-Explosion könnte den Asteroiden auf eine ungefährlichere Flugbahn bringen. Ob diese Varianten der Asteroidenabwehr aber tatsächlich funktionieren würden, könnte erst der praktische Einsatz erweisen – falls die Vorwarnzeit reicht.