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Neuerscheinung: “Die letzten Ursachen”

Die letzten Ursachen - Buchcover ISBN 978-3-7392-1823-6
Die letzten Ursachen – Buchcover ISBN 978-3-7392-1823-6

Die Säulen naturwissenschaftlicher Welterkenntnis, Quantenphysik oder Relativitätstheorie basieren auf für Uneingeweihte viel zu abstrakten Formeln. Deshalb bedarf es der Naturphilosophie. Sie versucht die Strukturen der Natur mit Worten zu beschreiben, anschaulich zu erklären und zu deuten. Neue Erkenntnisse über Bewusstsein, Information und einen physikalischen Bereich jenseits von Raum und Zeit werden in „Die letzten Ursachen“ gemeinverständlich dargestellt. Neuerscheinung: “Die letzten Ursachen” weiterlesen

Woher wissen wir etwas über den Beginn des Universums?

Hat das Universum als heißer Urknall begonnen oder taut es aus einem extrem kalten und fast statischen Zustand langsam auf? Prof. Dr. Christof Wetterich, Physiker an der Universität Heidelberg, hat einen theoretischen Ansatz entwickelt, der das seit fast 100 Jahren gängige Standardmodell der kosmischen Expansion durch ein alternatives Bild ergänzt. Die Urexplosion hat danach nicht vor 13,8 Milliarden Jahren stattgefunden – der „Beginn des Universums“ dehnt sich vielmehr über einen unendlich langen Zeitraum in der Vergangenheit aus. Dabei nimmt die Masse aller Teilchen stetig zu. Statt zu expandieren, schrumpft das Universum über ausgedehnte Zeitabschnitte, wie der Heidelberger Wissenschaftler erläutert.

Den „Beginn des Universums“ beschreiben Kosmologen zumeist als Urknall. Je näher man zeitlich an den Urknall heranrückt, desto stärker krümmt sich die Geometrie von Raum und Zeit. Physiker nennen dies eine Singularität – der Begriff bezeichnet Gegebenheiten, deren physikalische Gesetze nicht definiert sind. Im Fall des Urknalls wird die Krümmung der Raumzeit unendlich groß. Kurz nach dem Urknall war das Universum extrem heiß und dicht. Aber auch ein anderes „Bild“ ist nach den Worten von Prof. Wetterich möglich: Wenn die Massen aller Elementarteilchen mit der Zeit wachsen und die Gravitationskraft schwächer wird, so könnte das Universum auch extrem kalt und langsam begonnen haben. Danach hat das Universum immer schon bestanden, und der früheste Zustand war fast statisch. Die Urexplosion dehnt sich über einen unendlich langen Zeitraum in der Vergangenheit aus. Der Wissenschaftler vom Institut für Theoretische Physik geht davon aus, dass sich die ersten heute indirekt beobachtbaren „Ereignisse“ vor 50 Billionen Jahren zugetragen haben – und nicht im Milliardstel eines Milliardstels einer Milliardstel Sekunde nach dem Urknall. „Eine Singularität gibt es in diesem neuen Bild des Kosmos nicht mehr“, so Prof. Wetterich.

Die Hypothese von Prof. Wetterich beruht auf einem Modell, das die Dunkle Energie und das frühe „inflationäre Universum“ durch ein einziges zeitlich veränderliches Skalarfeld erklärt. Danach wachsen alle Massen mit dem Wert dieses Feldes. „Dies erinnert an das kürzlich in Genf entdeckte Higgs-Boson. Dieses Elementarteilchen hat die Physiker in der Vorstellung bestätigt, dass Teilchenmassen von Feldwerten abhängen und damit veränderlich sind“, erläutert der Heidelberger Wissenschaftler. In Wetterichs Ansatz sind alle Massen proportional zum Wert des sogenannten Kosmonfelds, der im Laufe der kosmologischen Evolution zunimmt. „Natürliche Konsequenz dieses Modells ist das Bild eines Universums, das sich sehr langsam aus einem extrem kalten Zustand entwickelt und dabei über lange Zeitabschnitte schrumpft anstatt zu expandieren“, so Prof. Wetterich.

Das bisherige Bild des Urknalls wird damit allerdings nicht „ungültig“, wie Prof. Wetterich sagt. „Physiker sind es gewohnt, beobachtete Tatsachen in verschiedenen Bildern zu beschreiben.“ So kann Licht sowohl durch Teilchen als auch als Welle dargestellt werden. Wie der Heidelberger Wissenschaftler erläutert, lässt sich sein Modell äquivalent im Bild des Urknalls beschreiben. „Dies ist sehr nützlich für viele praktische Vorhersagen zu den Konsequenzen, die sich aus diesem neuen theoretischen Ansatz ergeben. Stellt man allerdings die Frage nach dem ,Beginn‘ des Universums, so scheint die Beschreibung ohne Singularität eine Reihe von Vorteilen zu bieten“, betont Prof. Wetterich. „Und für das oft geäußerte Unbehagen, dass es doch auch vor dem Urknall etwas gegeben haben muss, gibt es in der neuen Beschreibung keine Grundlage mehr.“

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

Wie ein expandierendes Universum erzeugt werden kann

Wenn man Raum und Zeit erhitzt, kann ein expandierendes Universum entstehen – ganz ohne Urknall. Diesen Phasenübergang zwischen einem leeren Raum und einem expandierenden Universum, das Masse enthält, konnte ein Forschungsteam nun berechnen. Dahinter liegt ein bemerkenswerter Zusammenhang zwischen Quantenfeldtheorie und Einsteins Relativitätstheorie.

Kochen mit Raum und Zeit

Aus dem Alltag kennen wir Phasenübergänge nur von Stoffen, die zwischen festem, flüssigem und gasförmigem Zustand wechseln. Allerdings können auch Raum und Zeit selbst solche Übergänge durchmachen, wie die Physiker Steven Hawking und Don Page schon 1983 zeigten. Sie berechneten, dass aus leerem Raum bei einer bestimmten Temperatur plötzlich ein Schwarzes Loch werden kann.

Lässt sich bei einem ähnlichen Prozess aber auch ein ganzes Universum erzeugen, das sich kontinuierlich ausdehnt, so wie unseres? Diese Frage stellte sich Daniel Grumiller vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien gemeinsam mit Kollegen aus Harvard, dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Universität Edinburgh. Das Ergebnis: Tatsächlich scheint es eine kritische Temperatur zu geben, bei der aus einem völlig leeren, flachen Raum ein expandierendes Universum mit Masse wird. „Die leere Raumzeit beginnt gewissermaßen zu kochen, es bilden sich Blasen, eine von ihnen expandiert und nimmt schließlich die gesamte Raumzeit ein“, erklärt Daniel Grumiller.

 Daniel Grumiller erhitzt die Raumzeit - zumindest am Papier. Foto: TU Wien
Daniel Grumiller erhitzt die Raumzeit – zumindest am Papier. Foto: TU Wien

Das Universum muss dabei rotieren – das Kochrezept für ein expandierendes Universum lautet also: Erhitzen und umrühren. Diese Rotation kann allerdings beliebig gering sein. Bei den Berechnungen wurden vorerst nur zwei Raumdimensionen berücksichtigt. „Es gibt aber nichts, was dagegen spricht, dass es in drei Raumdimensionen genauso ist“, meint Grumiller.

Das Phasenübergangs-Modell ist nicht als Konkurrenz zur Urknalltheorie gedacht. „In der Kosmologie weiß man heute sehr viel über das frühe Universum – das zweifeln wir nicht an”, sagt Grumiller. “Aber für uns ist die Frage entscheidend, welche Phasenübergänge in Raum und Zeit möglich sind und wie die mathematische Struktur der Raumzeit beschrieben werden kann“.

Auf der Suche nach der Struktur des Universums

Die Theorie ist die logische Fortsetzung  einer 1997 aufgestellten Vermutung, der sogenannten „AdS-CFT-Korrespondenz“, die seither die Forschung an den fundamentalen Fragen der Physik stark beeinflusst hat: Sie beschreibt einen merkwürdigen Zusammenhang zwischen Gravitationstheorien und Quantenfeldthorien – zwei Bereiche, die auf den ersten Blick gar nichts miteinander zu tun haben. In bestimmten Grenzfällen lassen sich Aussagen der Quantenfeldtheorie in Aussagen von Gravitationstheorien überführen und umgekehrt.  Zwei ganz unterschiedliche physikalische Gebiete werden so in Verbindung gebracht, aber es mangelte bisher an konkreten Modellen, die diesen Zusammenhang belegten.

Letztes Jahr wurde von Daniel Grumiller und Kollegen erstmals so ein Modell aufgestellt (der Einfachheit halber in bloß zwei Raumdimensionen). Das führte schließlich zur aktuellen Fragestellung: Dass es in den Quantenfeldtheorien einen Phasenübergang gibt, wusste man. Doch das bedeutete, dass es aus Konsistenzgründen auch auf der Gravitatations-Seite einen Phasenübergang geben muss.

„Das war zunächst ein Rätsel für uns“, sagt Daniel Grumiller. „Das würde einen Phasenübergang zwischen einer leeren Raumzeit und einem expandierenden Universum bedeuten, und das erschien uns zunächst äußerst unwahrscheinlich.“ Die Rechenergebnisse zeigten dann aber, dass genau diesen Übergang tatsächlich gibt. “Wir beginnen erst, diese Zusammenhänge zu verstehen“, meint Daniel Grumiller. Welche Erkenntnisse über unser eigenes Universum wir dadurch ableiten können, ist heute noch gar nicht absehbar. (Quelle: idw)

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Verrückte Quanten bereiten klassischer Physik Niederlage

Quantenphysikalische Teilchen können an mehreren Orten gleichzeitig sein und hinterlassen dabei sogar Spuren. Das haben Physiker der Goethe-Universität in einem verblüffenden Experiment nachgewiesen, das Albert Einstein vor mehr als 80 Jahren anregte. Damals konnte sein wichtigster Kontrahent, der Physiker Niels Bohr, ihm lediglich Argumente entgegensetzten. Jetzt geben die neuen Experimente dem Dänen Recht.

FRANKFURT. Einstein hat Zeit seines Lebens die quantenphysikalische Aussage bekämpft, dass Teilchen – solange man sie nicht beobachtet – an mehreren Orten gleichzeitig sein können. Sein wichtigstes Gegenargument war: Die geisterhaften Teilchen müssten durch Zusammenstöße mit anderen Teilchen entlang ihrer Bahn eine sichtbare Spur hinterlassen. Eben diese Spur hat Dr. Lothar Schmidt in der Arbeitsgruppe von Prof. Reinhard Dörner am Institut für Kernphysik der Goethe-Universität nun gemessen.

Das klassische Experiment, das auch heutigen Physikstudenten noch Kopfzerbrechen bereitet, ist die Streuung quantenphysikalischer Teilchen am Doppelspalt. Solange es unbeobachtet ist, scheint jedes einzelne Teilchen durch beide Schlitze des Spalts zu gehen. Es bildet – ähnlich wie Wasserwellen – ein Interferenzmuster hinter dem Spalt. Dieses verschwindet aber, sobald man eine Information über den Weg des Teilchens zu gewinnen versucht.

Einstein argumentierte, man müsse gar nicht nachsehen, wo das Teilchen ist, denn es verrate seinen Ort indirekt, indem es beim Passieren des Spalts einen Impuls überträgt: Ginge es durch den linken Schlitz, erfahre das Beugungsgitter einen minimalen Stoß nach links, und entsprechend nach rechts, wenn es durch den rechten Spalt geht. Bohr konterte, auch das Beugungsgitter verhalte sich wie ein quantenmechanisches System, das heißt, es müsse gleichzeitig in beide Richtungen abgelenkt werden.

Dass diese verrückt klingende Vermutung tatsächlich richtig ist, haben Dörner und seine Mitarbeiter jetzt durch die Streuung von Helium-Atomen an einem „Doppelspalt“ nachgewiesen. Mit den Modellen der klassischen Physik lassen sich die gemessenen Ergebnisse nicht beschreiben. „Da wir bei dieser Versuchsanordnung nicht beobachten, durch welches Loch das Teilchen gegangen ist, passiert genau das, was Bohr vorhergesagt hat: Der Doppelspalt rotiert gleichzeitig mit und gegen den Uhrzeigersinn“, erklärt Schmidt. (Quelle: idw).

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Die produktivsten Erfinder, Schriftsteller und Gelehrten aller Zeiten

Zeichnung von Leonardo da Vinci:  Helicopter und Flügel
Zeichnung von Leonardo da Vinci: Helicopter und Flügel


Leonardo da Vinci, der nach neuer Wertung »nebenher Maler und Bildhauer« war, im Hauptberuf aber Ingenieur, Physiker und Erfinder, ist auch den fruchtbarsten Schriftstellern aller Zeiten zuzurechnen.

Die Gesamtzahl seiner Buchwerke beträgt 120; viele davon sind untergegangen und teilen das Vergänglichkeitslos seiner Bildhauerarbeiten. Aber die Zahl der von Leonardo herrührenden Blätter mit Abhandlungen, Entwürfen und Berechnungen, soweit sie noch heute erhalten sind, geht immer noch in die Tausende!

Raimundus Lullus, (geboren 1235), Urheber der »Ars magna Lulli«, der man ehedem in der philosophischen Welt eine gewisse Bedeutung beimaß, betätigte sich als einer der kräftigsten Vielschreiber. Die Mindestzahl der von ihm herrührenden Schriften theologischen, philosophischen und alchimistischen Inhalts beträgt 500. Nach andern Quellen hat des Lullus Produktivität das Riesenmaß von 4000 Schriften erreicht.

Die Produktion des spanischen Dichters Lope de Vega ist in ihrer Üppigkeit weit über die Grenzen seiner Heimat sprichwörtlich geworden. Seiner eigenen Rechnung zufolge hat er bis zum Jahre 1631 weit über 1500 Komödien und 400 kleinere Bühnenspiele verfasst Ungefähr 500 davon sind erhalten, während die Mehrzahl verloren ging. Dazu kommt bei dem nämlichen Autor eine enorme Menge von Schriften erzählenden, lyrischen und didaktischen Inhalts, die in einer Madrider Ausgabe 21 weitere Bände füllten.

Auch Vegas genialer Landsmann Calderon hat mit seinen Gaben nicht gekargt. Er erreichte und überschritt mit seinen dramatischen Werken die Zahl 200.

Honoré de Balzac brachte es in seinem arbeitsreichen Leben bis auf 90 Romane und Novellen, die zusammen eine Bibliothek von 120 Bänden ausmachen.

Die Produktivität des älteren Alexandre Dumas wird von Eduard Engel in seiner Geschichte der französischen Literatur drastisch gekennzeichnet: Man hat berechnet, dass Dumas mehr als dreimal so viel zusammengeschrieben hat als Voltaire, dessen sämtliche Werke etwa hundert Bände umfassen. Scherzhaft wurde gesagt, aber man könnte es ebenso wohl im Ernst aussprechen: Niemand habe Dumas’ sämtliche Werke gelesen, nicht einmal – Dumas selber. Es gibt eine gut beglaubigte Anekdote, dass Dumas von einem der Romane, die seinen Namen trugen, unbefangen sagte: »Je l’ai signé, mais je ne l’ai pas lu.« Der Katalog seines Verlegers Lévy weist genau 300 Bände von Dumas dem Älteren aus, und dieser Katalog ist unvollständig!

Von den Gelehrten behauptet der große Mathematiker Leonhard Euler den Gipfel der Unbegreiflichkeit. Ihn feiert M. Cantors Monumentalwerk der Geschichte der Mathematik: „Man wird kaum ein Gebiet der reinen und angewandten Mathematik nennen können, in welchem Euler nicht tätig war, und Tätigkeit hieß bei ihm bahnbrechender Erfolg. Eine Gesamtausgabe alles dessen, was Euler geschrieben hat, würde mindestens 2000 Druckbogen stark werden.” Also nach der Größe gemessen mehr als 30 Bände größten Lexikonformats, worin Zeile auf Zeile die schwierigsten Probleme mit dem Maximum des Scharfsinns behandelt werden!

Auch unser Alexander von Humboldt kann sich in der Reihe der Hochproduzenten sehen lassen. Es genüge der Hinweis auf eine Notiz des Professors Leunis, der vom Jahre 1856 lakonisch meldet: »Humboldts sämtliche Werke kosten an 3000 Taler!« Das ist nach heutigem Wert mehr als 1 Million Euro.

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

Durchbruch bei Quantenteleportation: Quantenbits auf Knopfdruck übertragen

Deterministische Quantenteleportation eines photonischen Quantenbits. Jedes Qubit, das von links in den Teleporter fliegt, verlässt den Teleporter rechts mit einem Qualitätsverlust von nur etwa 20 Prozent – ein Wert, der klassisch, d.h. ohne Verschränkung, unerreichbar ist. Quelle: University of Tokyo
Deterministische Quantenteleportation eines photonischen Quantenbits. Jedes Qubit, das von links in den Teleporter fliegt, verlässt den Teleporter rechts mit einem Qualitätsverlust von nur etwa 20 Prozent – ein Wert, der klassisch, d.h. ohne Verschränkung, unerreichbar ist.
Quelle: University of Tokyo

Mithilfe quantenmechanischer Verschränkung räumlich getrennter Lichtfelder ist es Wissenschaftlern aus Tokio und Mainz gelungen, photonische Quantenbits außerordentlich zuverlässig zu teleportieren. Rund 15 Jahre nach den ersten Versuchen auf dem Gebiet der optischen Teleportation ist damit ein entscheidender Durchbruch gelungen.

Der Erfolg des in Tokio durchgeführten Experiments beruht auf einer Hybridtechnik, bei der zwei konzeptionell verschiedene, bisher unvereinbare Ansätze verknüpft werden. „Diskrete, digitale optische Quanteninformation kann dabei kontinuierlich und damit sozusagen auf Knopfdruck übertragen werden“, erklärt Univ.-Prof. Dr. Peter van Loock von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Van Loock hat als Physik-Theoretiker die experimentellen Physiker um Akira Furusawa von der Universität Tokio beraten, wie sie den Teleportationsversuch am effizientesten durchführen und eine erfolgreiche Quantenteleportation letztlich auch verifizieren können. Die Forschungsarbeiten wurden in dem renommierten Fachmagazin Nature am 15. August 2013 veröffentlicht.

Die Quantenteleportation ermöglicht den Transfer von beliebigen Quantenzuständen von einem Sender, als Alice bezeichnet, zu einem räumlich entfernten Empfänger, genannt Bob. Voraussetzung ist, dass sich Alice und Bob zunächst einen verschränkten Quantenzustand, z.B. in Form von verschränkten Photonen, über die Distanz teilen. Die Quantenteleportation ist von fundamentaler Bedeutung für die Verarbeitung von Quanteninformation (Quantencomputing) und die Quantenkommunikation. Insbesondere für die Quantenkommunikation gelten Photonen als optimale Informationsträger, da sie eine Signalübertragung mit Lichtgeschwindigkeit ermöglichen. Mit einem Photon kann man ein Quantenbit oder Qubit darstellen – analog zu einem Bit in der klassischen Informationsverarbeitung. Man spricht dann von „fliegenden Quantenbits“.

Erste Versuche zur Teleportation von einzelnen Photonen, die auch als Lichtteilchen bezeichnet werden, gehen auf den Wiener Physiker Anton Zeilinger zurück. In der Zwischenzeit wurden verschiedene Experimente durchgeführt, allerdings stieß die Teleportation eines photonischen Quantenbits mithilfe der herkömmlichen Methoden aufgrund von experimentellen Unzulänglichkeiten und grundsätzlichen Prinzipien an Grenzen.

Der Schlüssel für das Experiment in Tokio ist eine Hybridtechnik. Mit ihrer Hilfe ist es gelungen, experimentell eine vollkommen deterministische Quantenteleportation von photonischen Qubits zu erzielen, bei der die Teleportation mit außerordentlich hoher Zuverlässigkeit erfolgt. Die Genauigkeit der Übertragung liegt bei 79 bis 82 Prozent für vier unterschiedliche Qubits. Außerdem konnten die Qubits selbst bei einem geringen Grad der Verschränkung wesentlich effizienter teleportiert werden als in früheren Experimenten.

Verschränkung-on-Demand durch Lichtquetschung

Der Begriff der Verschränkung geht auf Erwin Schrödinger zurück und bezeichnet den Befund, dass zwei Quantensysteme, beispielsweise zwei Lichtteilchen, einen gemeinsamen Zustand einnehmen und in ihrem Verhalten auf stärkere Weise voneinander abhängen als es klassisch möglich ist. Bei dem Tokioter Experiment wurde durch die Verschränkung von vielen Photonen mit vielen Photonen eine kontinuierliche Verschränkung erzeugt, bei der nicht nur einzelne wenige Lichtteilchen, sondern die kompletten Amplituden und Phasen zweier Lichtfelder miteinander quantenkorreliert sind. Bisherige Experimente hatten dagegen jeweils nur ein einzelnes Photon mit einem anderen einzelnen Photon verschränkt – eine weniger effiziente Lösung. „Die Verschränkung von Photonen hat in dem Tokio-Experiment sehr gut funktioniert – praktisch auf Knopfdruck, sobald der Laser eingeschaltet wurde“, beschreibt van Loock, Professor für Theorie der Quantenoptik und Quanteninformation, den Versuch. Erreicht wurde diese kontinuierliche Verschränkung durch sogenanntes gequetschtes Licht, das im Phasenraum des Lichtfeldes die Form einer Ellipse annimmt. Ist die Verschränkung erzeugt, kann ein drittes Lichtfeld beim Sender angeheftet werden. Von dort können dann im Prinzip beliebige und beliebig viele Zustände an den Empfänger übertragen werden. „In unserem Experiment waren es genau vier ausreichend repräsentative Testzustände, die unter Benutzung der Verschränkung von Alice übermittelt wurden und bei Bob entsprechende Zustände erzeugt haben. Dank der kontinuierlichen Verschränkung ist es möglich, dass die photonischen Qubits deterministisch, also bei jedem Versuch, zu Bob übertragen werden“, ergänzt van Loock.

Frühere Experimente zur optischen Teleportation waren unterschiedlich angelegt und bis heute inkompatibel. Von physiktheoretischer Seite wurde zwar angenommen, dass die beiden unterschiedlichen Ansätze, die diskrete und die kontinuierliche Welt, zu verbinden sind. Dass es nun im Experiment mit der Hybridtechnik tatsächlich gelungen ist, stellt einen technologischen Durchbruch dar. „Jetzt nähern sich die beiden Welten an“, so van Loock.
( Quelle: idw. Veröffentlichung: Shuntaro Takeda et al. Deterministic quantum teleportation of photonic quantum bits by a hybrid technique. Nature, 15. August 2013. DOI: 10.1038/nature12366)
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Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Der Anfang des Lebens

Nach der Entstehung der Erde bildeten sich im Ur-Ozean aus einzelnen Molekülen nach und nach komplexe genetische Informationen. Physiker haben nun gezeigt, wie ein einfacher Temperaturgradient diesen Prozess in Gang gesetzt haben könnte.

Alles Leben fängt einmal klein an. So war es schon zu Beginn unseres Planeten, als sich aus einzelnen Atomen und kleinen Molekülen langsam komplexe Strukturen entwickeln konnten. Die wichtigste Verbindung war damals vermutlich die Ribonukleinsäure (RNA). Dieses lange Polymer kann ähnlich einem Enzym erste biochemische Reaktionen und seine eigene Synthese katalysieren. Zugleich ist es in der Lage, wie die erst später entstandene DNA genetische Informationen zu speichern.

Noch ist aber unklar, wie die allerersten RNA-Polymere entstanden sind. Die erste RNA-Struktur, welche RNA vervielfältigen kann wird auf eine Länge von mindestens 200 RNA-Bausteinen (Nukleotide) geschätzt, die sich ohne Katalysatoren zusammengesetzt haben müssen. Bisher konnten Wissenschaftler im Reagenzglas unter urzeitlichen Bedingungen aber nur Ketten von etwa 20 Nukleotiden bilden.

Gesteinspore als Mini-Labor

LMU-Physiker um Professor Dieter Braun und Professor Ulrich Gerland, die beide dem Exzellenzcluster „Nanosystems InitativeMunich” (NIM) angehören, haben nun gezeigt, wie die Physik das Problem der zu kurzen Polymere gelöst haben könnte – und sind damit dem Geheimnis über den Ursprung des Lebens ein gutes Stück näher gekommen.

Die Forscher entwickelten zunächst ein theoretisches Modell. Hiermit konnten sie zeigen, dass ein einfaches Temperaturgefälle ausreicht, um die nötigen Bausteine aufzukonzentrieren und selektiv die Bildung von langen Polymeren zu ermöglichen. Dabei gingen sie von einem realistischen Urzeit-Szenario aus: Eine mit Meerwasser gefüllte Gesteinspore liegt in der Nähe einer Wärmequelle, wie zum Beispiel einer heißen Tiefseequelle. Auf diese Weise ist die zugewandte Seite der Pore deutlich wärmer als die andere. Das so entstandene Temperaturgefälle erzeugt eine kreisförmige Bewegung der Flüssigkeit zwischen der heißen und der kalten Seite. Zusätzlich drückt es die darin enthaltenen Biomoleküle zur kalten Seite durch einen Effekt, der Thermophorese genannt wird.

„Die Bewegung der Flüssigkeit und die Thermophoresekombinieren sich zu einer thermalen Falle, dielange Polymere besser akkumuliert als kurzeund somit ein chemisches Ungleichgewicht bewirkt“, erklärt Christof Mast, Erstautor der Studie. „Da die Polymerisierung der Ketten allerdings auch von ihrer lokalen Konzentration abhängt, erhöht die Falle die Wahrscheinlichkeit, dass diese langen Polymere immer länger werden. Beide Effekte verstärken sich überexponenziell.“

Dem Urozean abgeschaut

Dieses Modell konnten die Münchner Physiker auch durch Experimente belegen: Dabei stellten sie die Pore in Form einer feinen Glaskapillare nach und sorgten für einen Temperaturgradienten von zehn Kelvin. Dem Meerwasser entsprach eine einfache Salzlösung. Statt RNA-Nukleotiden setzten siekurze DNA-Abschnitte als Bausteine ein, die reversibel miteinander polymerisieren können. DNA anstelle von RNA wurde verwendet, weil entsprechend der langen Evolutionsdauer im Urozean die Bildung von ausreichend langen RNA-Polymeren selbst unter optimalen Laborbedingungen hunderte Jahre dauern würde. Da sich die Polymerisation von RNA und der Versuchs-DNA jedoch prinzipiell nicht voneinander unterscheiden, bestätigte dieser Versuchsansatz das theoretische Modell im gleichen Maße.

„Die Physik hinter einem einfachen Temperaturgradient in einer Pore reicht also aus, auch die Polymerisation von sehr langen RNA Polymeren zu ermöglichen“, fasst Professor Dieter Braun die Ergebnisse zusammen. „Durch diese Forschungsarbeit ist ein wichtiger Zwischenschritt für den Ursprung des Lebens erstmalig demonstriert.“ (Quelle: idw)

Publikation:
Escalation of Polymerization in a Thermal Gradient.Christof B. Mast, SeverinSchink, Ulrich Gerland and Dieter Braun. PNAS online 30. April 2013

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

Physikprofessor Zeilinger schließt letztes Schlupfloch der spukhaften Fernwirkung

Ein Team um Anton Zeilinger, Professor für Experimentalphysik der Universität Wien und Direktor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der ÖAW, hat einen Versuch mit Photonen durchgeführt, bei dem nun ein wichtiges “Schlupfloch” geschlossen werden konnte.

Wenn wir einen Gegenstand beobachten, dann gehen wir davon aus, dass einerseits seine Eigenschaften schon vor der Beobachtung eindeutig feststehen und dass andererseits diese Eigenschaften unabhängig sind vom Zustand anderer, weit entfernter Objekte. Für Gegenstände unseres Alltags ist dem auch so. Für Quantenobjekte hingegen treffen diese scheinbar selbstverständlichen Annahmen nicht ohne weiteres zu. In den vergangenen 30 Jahren haben zahlreiche Experimente gezeigt, dass das Verhalten von Quantenteilchen – wie Atome, Elektronen oder Photonen – in klarem Widerspruch mit obiger Wahrnehmung stehen kann. Jedoch haben diese Experimente nie über alle Zweifel erhabene Antworten geliefert. Stets war es im Prinzip möglich, dass die beobachteten Teilchen eine Schwäche des Experiments “ausgenützt” hatten. Ein Team um Physiker Anton Zeilinger hat nun einen Versuch mit Photonen durchgeführt und dabei ein wichtiges “Schlupfloch” geschlossen. Die ForscherInnen haben damit den bisher vollständigsten experimentellen Nachweis erbracht, dass und wie die Quantenwelt unserer Alltagserfahrung widerspricht.

Die Quantenphysik liefert ein extrem präzises und fundamentales Werkzeug, um die Welt um uns bis in kleinste Details zu verstehen. Sie ist aber auch Grundlage für die moderne Hochtechnologie: Halbleiter (und damit Computer), Laser, Magnetresonanztomographen und andere Geräte basieren auf quantenphysikalischen Effekten. Dies kann jedoch nicht darüber hinwegtäuschen, dass nach mehr als einem Jahrhundert intensiver Forschung fundamentale Aspekte der Quantentheorie noch nicht vollkommen verstanden sind. Auch heute noch werden aus Laboratorien weltweit – jeder Intuition widersprechende Ergebnisse – gemeldet, die jedoch im Rahmen der Quantentheorie erklärt werden können.

Dem Rätsel der Quantenverschränkung auf der Spur

Die Wiener PhysikerInnen berichten nun aber nicht von einem neuen Effekt, sondern sind einem der grundlegendsten Phänomene der Quantenphysik, der sogenannten “Verschränkung”, tiefer auf den Grund gegangen. Die Konsequenzen der Quantenverschränkung sind verblüffend: Wenn man ein Quantenobjekt misst, das mit einem anderen verschränkt ist, dann, so sagt die Quantentheorie, ist der Zustand eines Teilchens von der Messung, die an dem anderen durchgeführt wird, abhängig. Dies ist auch der Fall, wenn die beiden Teilchen so weit voneinander entfernt sind, dass sie selbst im Prinzip nicht miteinander kommunizieren können (die Kommunikationsgeschwindigkeit ist grundlegend durch die Lichtgeschwindigkeit beschränkt). Eine große Aufgabe ist es, die Vorhersage der gegenseitigen Beeinflussung verschränkter Quantenteilchen in realen Experimenten zu testen.

Auf dem Weg zu einer abschließenden Antwort

Anton Zeilinger und den jungen WissenschafterInnen Marissa Giustina, Alexandra Mech, Rupert Ursin, Sven Ramelow und Bernhard Wittmann ist in einer internationalen Kooperation mit dem National Institute of Standards and Technology (USA), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (Deutschland) und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Deutschland) ein wichtiger Schritt gelungen, um einen endgültigen experimentellen Beweis zu erbringen, dass Quantenteilchen in der Tat mehr können als die klassische Physik ihnen erlaubt. Technologische Verbesserungen gemeinsam mit einem geeigneten Aufnahmeprotokoll ermöglichten den Forschenden, verschränkte Photonen mit einer bisher nicht dagewesenen Effizienz zu detektieren. “Die erzeugten Photonen können sich nicht mehr davor drücken, gemessen zu werden”, bringt es Zeilinger auf den Punkt.

Diese engmaschige Überwachung der Photonen ist wichtig, weil damit ein wesentliches “Schlupfloch” geschlossen wird. Bei bisherigen Experimenten dieser Art blieb stets die Möglichkeit offen, dass die gemessenen Lichtteilchen zwar die Gesetze der klassischen Physik verletzt hatten, dies aber nicht der Fall gewesen wäre, wenn alle im Experiment involvierten Teilchen hätten gemessen werden können. Diese Möglichkeit wird in dem neuen Experiment ausgeschlossen. “Viele Wissenschaftler haben sich bis jetzt gescheut, Experimente mit Photonen durchzuführen, weil diese zu einfach verloren gehen – genau dieses Problem haben wir jetzt im Griff”, erklärt Marissa Giustina, Erstautorin der aktuellen Publikation.

Noch ein Schritt zum krönenden Abschluss

Mit dem neuen Experiment von Marissa Guistina und ihren KollegInnen sind Photonen die ersten Quantenteilchen, für die – zwar nicht in einem einzigen, aber – in mehreren separaten Experimenten jede mögliche Hintertür geschlossen wurde. Die Krönung wäre jedoch noch ein einziges Experiment, in welchem den Photonen durch Mittel der klassischen Physik sämtliche mögliche Wege versperrt werden würde. Ein solches Experiment wäre auch für eine wichtige praktische Anwendung von grundlegender Bedeutung: Die sogenannte Quantenkryptographie beruht auf quantenmechanischen Prinzipien und gilt als absolut abhörsicher. Ein Lauschangriff ist aber im Prinzip möglich, solange “Schlupflöcher” bestehen. Nur wenn diese geschlossen sind, ist ein vollkommen sicherer Austausch von Nachrichten möglich.

“Ein Experiment ohne jedes Schlupfloch”, sagt Zeilinger, “ist eine große Herausforderung. Daran arbeiten einige Gruppen weltweit.” Diese Experimente werden nicht nur mit Photonen versucht, sondern auch mit Atomen, Elektronen und anderen Systemen, die quantenmechanisches Verhalten an den Tag legen. Das Experiment der Wiener PhysikerInnen zeigt aber deutlich das Potenzial, das in Photonen steckt, auf. Dank diesen Fortschritten gehen dem Photon die “Schlupfwinkel” aus und die PhysikerInnen sind näher denn je an einem Experiment, das belegt, dass die Quantenphysik wirklich so sehr gegen unsere Intuition und Alltagserfahrung verstößt, wie dies die Forschungsarbeiten der vergangenen Jahrzehnte nahelegen. (Quelle: idw).

Publikation
Bell violation using entangled photons without the fair-sampling assumption: Marissa Giustina, Alexandra Mech, Sven Ramelow, Bernhard Wittmann, Johannes Kofler, Jörn Beyer, Adriana Lita, Brice Calkins, Thomas Gerrits, Sae Woo Nam, Rupert Ursin, Anton Zeilinger. In: Nature (Advance Online Publication/AOP). April 14, 2013. DOI: 10.1038/nature12012

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

Ehernes Gesetz der Quantenphysik ausgetrickst

 

Blick in eine Ionenfalle Foto: C. Lackner/IQOQI
Blick in eine Ionenfalle
Foto: C. Lackner/IQOQI

Was nach den Regeln der Quantentheorie scheinbar nicht erlaubt ist, haben Physiker der Universität Innsbruck nun im Labor realisiert. Im Prototypen eines Quantencomputers konnte ein Team um Philipp Schindler, Thomas Monz und Rainer Blatt eine Quantenmessung vollständig rückgängig machen. Der Trick gelang ihnen mit Hilfe eines Rechenschemas für die Fehlerkorrektur in Quantencomputern.

Schon Generationen von Physikern beschäftigten sich mit Messungen in quantenmechanischen Systemen. Grund dafür sind deren nur schwer begreifliche Eigenschaften. „So ist eine Messung in der Quantenwelt nicht deterministisch“, sagt Philipp Schindler vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. „Auch wenn man den Zustand eines Quantenobjekts sehr genau kennt, lässt sich das Ergebnis einer Messung nicht vorhersagen.“ Wird ein Quantensystem aber gemessen, so ändert sich dadurch auch der Zustand des Systems. So liefert eine wiederholte Messung mit Sicherheit immer das gleiche Ergebnis. „Eine Messung verändert also das System unwiderruflich“, ergänzt Thomas Monz. In einem Prototypen eines Quantencomputers haben Physiker der Universität Innsbruck um Rainer Blatt nun mit Hilfe eines Fehlerkorrektur-Algorithmus eine Messung wieder rückgängig gemacht.

Auf den ersten Blick widerspricht dies den Grundlagen der Quantenmechanik, die genau das explizit verbietet. Bei genauerer Betrachtung löst sich der Widerspruch aber auf: Quanteninformation kann zum Beispiel in einem Teilchen als Überlagerung von zwei Zuständen („null“ und „eins“) gespeichert werden. Durch eine Messung wird dieses Quantenbit entweder auf „null“ oder „eins“ gesetzt und die Information aus der Überlagerung geht verloren. Durch quantenmechanische Verschränkung mehrerer Teilchen, lässt sich aber die Quanteninformation eines Teilchens auch auf mehrere Teilchen verteilen. Genau dies machen die Physiker im Labor der Universität Innsbruck. „Wir verteilen mit dem Fehlerkorrektur-Algorithmus die Quanteninformation eines einzelnen Teilchens auf drei Teilchen in einem Quantenregister. Die Messung erfolgt nur auf einem der drei Teilchen“, sagen Schindler und Monz. „Der Korrektur-Algorithmus ist dann in der Lage, die Information des gemessenen Teilchen mithilfe der zwei verbleibenden Teilchen zu rekonstruieren.“ Damit machen die Tiroler Physiker ihre Messung an dem einen Teilchen wieder rückgängig und umgehen so ein ehernes Gesetz der Quantenphysik.

Quelle: idw
Publikation: Undoing a quantum measurement. Philipp Schindler, Thomas Monz, Daniel Nigg, Julio T. Barreiro, Esteban A. Martinez, Matthias F. Brandl, Michael Chwalla, Markus Hennrich, Rainer Blatt. Physical Review Letters 110, 070403 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.070403

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Überlichtgeschwindigkeit: Schneller als Einstein erlaubt?

Heidelberg. Viele wissenschaftliche Erkenntnisse haben sich fest im Fundus der Allgemeinbildung verankert. So beispielsweise, dass Licht sich stets geradlinig ausbreitet oder sich ein Objekt höchstens mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann. Doch in unserem Universum trifft das nicht immer zu – und das wusste schon Einstein und war damit völlig einverstanden.

Seine Umwelt verstehen zu wollen, liegt in der Natur des Menschen. Um diesem Wunsch nachzukommen, bedienen wir uns unseres gesunden Menschenverstandes. Dies tun wir auch dann, wenn dieses Streben uns hinaus in die Weiten des Kosmos führt. Doch wenn wir versuchen, zur Erklärung kosmologischer Phänomene die uns aus dem Alltag vertrauten Vorstellungen über Raum und Zeit zu nutzen, stoßen wir rasch an unsere Grenzen. Denn eine ganze Reihe kosmischer Phänomene lässt sich mit dem Konzept eines unveränderlichen dreidimensionalen Raums nicht erklären. Das geht nur anhand einer formbaren vierdimensionalen Raumzeit. Dass sich auch dieses Konzept anschaulich verstehen lässt und wie es all die merkwürdigen Vorgänge im Kosmos erklärt, ist in der Titelgeschichte ‘Kosmologische Kuriositäten’ (Teil 1) der Februarausgabe von “Sterne und Weltraum” zu lesen.

Die Kosmologie ist die Wissenschaft, die unser Universum als Ganzes beschreibt. Ihr zu Grunde gelegt ist die Einsteinsche allgemeine Relativitätstheorie, in der der Physiker die Gravitation erklärt – jene Kraft, die als einzige über die riesigen Distanzen im Kosmos hinweg wirken kann. In seiner Theorie stellte Albert Einstein die Verbindung zwischen der Schwerkraft und der Raumzeit her. Seitdem ist die vierdimensionale Raumzeit als ein formbares dynamisches Gebilde zu verstehen.

Zu den Kuriositäten dieser Theorie gehört beispielsweise, dass sich Licht von Massen auf krumme Bahnen zwingen lässt. Im Weltraum breitet es sich also nicht unbedingt entlang gerader Linien aus! Ebenfalls kurios ist die Expansion unseres Universums. Doch was dehnt sich dabei eigentlich aus? Das Weltall mit all seinen Inhalten? Es ist der Raum, der mit der Zeit expandiert, nicht jedoch darin enthaltene Körper, die durch die Schwerkraft zusammengehalten werden. Unsere Erde etwa oder auch die Galaxien behalten ihre Größe bei.

Auch, dass sich manche Galaxien mit Überlichtgeschwindigkeit von uns entfernen, lässt die Kosmologie zu – und das widerspricht nirgends der Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit eine konstante Größe ist, die auch durch größte Beschleunigung nicht überschritten werden kann.

Zum Hintergrund: Albert Einstein entwickelte die allgemeine Relativitätstheorie völlig eigenständig in jahrelanger mühsamer Arbeit. Sie beschreibt die Wirkung der Schwerkraft durch das Konzept einer gekrümmten Raumzeit. Unser Universum dehnt sich aus, und das sogar immer schneller. Physiker bezeichnen dies als beschleunigte Expansion und verstehen darunter, dass die Abstände in unserem Universum mit der Zeit immer schneller anwachsen. Für den Nachweis dieses Expansionsverhaltens wurde 2011 der Nobelpreis für Physik verliehen.

Bestimmt wird diese Expansion des Universums von seinem Materie- und Energieinhalt. Dass Licht von Massen abgelenkt wird, kann sogar bei Sonnenfinsternissen durch astronomische Beobachtungen gemessen werden. Auch Gravitationslinsen im Universum zeigen die Wechselwirkung von Licht mit Massen auf: Bei diesen Objekten handelt es sich um kosmische Ansammlungen von Materie, die Licht von dahinter liegenden Quellen verzerren. (Quelle: Sterne und Weltraum, Februar 2013 )

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