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Einsteins Gravitationswellen entdeckt

(11.02.2016) Idw. In diesem Jahr jährt sich Einsteins Vorhersage von Gravitationswellen zum hundertsten Mal. Und an diesem Donnerstag, um 16:30 Ortszeit, hat die amerikanische National Science Foundation eine Pressekonferenz im National Press Club in Washington, DC, einberufen, auf der Wissenschaftler von Caltech, MIT und dem Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) die neuesten Resultate von LIGOs Suche nach Gravitationswellen bekanntgeben werden.

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Was passiert wenn Makro- und Quantenwelt zusammentreffen?

Heidelberg. Was passiert mit den manchmal geheimnisvollen Phänomenen der Quantenphysik, wenn man immer größere und schwerere Objekte betrachtet? Darüber stritten einst schon Erwin Schrödinger und Albert Einstein. Neue Experimente mit Systemen großer Masse sollen jetzt Hinweise zur Klärung dieses fundamentalen Rätsels liefern.

Wie die Quantenphysiker Markus Aspelmeyer und Markus Arndt von der Universität Wien in der Oktoberausgabe von “Spektrum der Wissenschaft” berichten, könnten sie darüber hinaus in Laborexperimenten sogar bestimmte Vorhersagen der Quantengravitation auf der sonst unerreichbaren Planck-Skala überprüfen – jener Dimension, bei der Raum und Zeit an ihre klassischen Grenzen stoßen.

Diese Art der Forschung hat ihren Ursprung im Jahre 1935. Damals entwarf der Theoretiker Erwin Schrödinger ein scheinbar paradoxes Gedankenexperiment, das seitdem Quantenphysiker und Philosophen beschäftigt. Es geht um die fundamentale Frage, ob auch ein makroskopisches Objekt in unbeobachtetem Zustand mehrere sich eigentlich ausschließende Eigenschaften annehmen kann – ob etwa eine Katze zugleich lebendig und tot zu sein. Dahinter steht das Problem des Messprozesses in der Quantenphysik.

Bei der Beobachtung etwa in einem Laborversuch reduziert sich der vorher nach der Quantentheorie mehrdeutige Zustand verschiedener Möglichkeiten auf genau eine Wirklichkeit, also genau einen bestimmten Messwert. Die Physiker sprechen dann auch vom “Kollaps der Wellenfunktion”. Lange Zeit waren solche Versuche jedoch nur auf die allerkleinsten Objekte der Nature – Atome und kleine Moleküle – beschränkt. Seit einigen Jahren verbuchen Physiker nun aber große Fortschritte bei quantenphysikalischen Experimenten mit makroskopischen Objekten. Diese enthalten beispielsweise Millionen oder Milliarden von Atomen, etwa in kleinen schwingenden Hebeln oder Membranen. Die Antworten beeinflussen unser grundlegendes Verständnis von Wirklichkeit und Kausalität.

Wenn also Makro- und Quantenwelt im Labor zusammentreffen – was werden wir aus diesen Experimenten lernen? Eines ist sicher: Vorläufig wird Raum für verschiedene Deutungen der Resultate bleiben. Sollten alle Experimente bei hoher Masse und Komplexität lediglich die Vorhersagen der etablierten Quantenphysik bestätigen, bliebe der philosophische Erkenntnisstand aus Sicht des Quantenphysikers unverändert. Gleichwohl würden dann etliche alternative Vorstellungen über die Welt ausgeschlossen werden – etwa jene, die den Kollapsmodellen zu Grunde liegen.

Nicht weniger spannend ist eine andere Variante. Nehmen wir an, die Forscher würden im Labor auf reproduzierbare Abweichungen von den etablierten Vorhersagen der gängigen Quantentheorie stoßen. Dann wäre es eine Herausforderung, zu entscheiden, ob diese mit “neuer Physik” oder doch im Rahmen der gängigen Quantentheorie ablaufen. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Oktober 2012)

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

Wie die letzte große Lücke der Physik geschlossen werden kann

Sie ist die letzte große Lücke im Gebäude der Physik: eine Theorie, die Quantenphysik mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vereint. Claus Kiefer von der Universität Köln zeigt in der April-Ausgabe von Spektrum der Wisenschaft, wie Forscher das Problem lösen wollen, die Mikrowelt mit der Schwerkraft zu verschmelzen.

Im Januar 1957 trafen sich Forscher an der University of North Carolina in Chapel Hill zu einer aufregenden Konferenz. Fast alle bedeutenden Gravitationsphysiker jener Zeit hatten sich versammelt. Die eine Hälfte der Tagung befasste sich mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, der modernen Theorie der Gravitation, die darin als Geometrie von Raum und Zeit gedeutet wird. Sie beschreibt das Große und Ganze: von unserer direkten Umgebung über Sonnensystem, Sterne und Galaxien bis hin zum Universum.

Die zweite Hälfte der Tagung befasste sich mit Verallgemeinerungen von Einsteins Theoriegebäude unter Einbezug der Quantentheorie. Eine solche erweiterte Theorie nennen Fachleute Quantengravitation. Sie vereinigt Mikro- und Makrokosmos, da die Quantentheorie hauptsächlich für die Beschreibung von Molekülen, Atomen und Elementarteilchen zuständig ist. Wie der Kölner Physikprofessor Claus Kiefer in der April-Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft berichtet, konnte bisher trotz jahrzehntelanger Bemühungen noch keine allgemein anerkannte Theorie der Quantengravitation entwickelt worden. Allerdings existiert dafür eine Reihe mehr oder weniger aussichtsreicher Kandidaten. Wie die letzte große Lücke der Physik geschlossen werden kann weiterlesen

Beschenkt ein Gott seine Schöpfung mit Freiheit?

Video: Gott und die Wissenschaft

„Gott würfelt nicht” ist ein oft zitierter Ausspruch Albert Einsteins, der mit diesem Argument die Quantenmechanik ablehnte. Die Quantenmechanik beschreibt verschiedene Zustände von Elementarteilchen mithilfe von berechenbaren Wahrscheinlichkeiten – einzelne Ereignisse sind dabei nicht mehr präzise vorhersagbar. Einstein zum Trotz ist sie inzwischen ein anerkanntes Teilgebiet der Physik. Oft wird die Quantentheorie aber auch zur Beantwortung weltanschaulicher Fragen und als Grundlage philosophischer und theologischer Hypothesen herangezogen. Diese Praxis hinterfragt die LMU-Wissenschaftlerin Anna Ijjas in ihrem neuen Buch „Der Alte mit dem Würfel”. „Mittlerweile gibt es kaum noch ein metaphysisches Problem, das nicht unter Berufung auf die Quantentheorie angeblich gelöst wurde”, sagt die Theologin und Physikerin Ijjas, die in ihrem Buch untersucht, ob und inwiefern die Quantentheorie für theologische und philosophische Fragestellungen eine Rolle spielen kann. Dazu entwickelte sie eigens eine neue Methodik, anhand derer sie die Verbindung zwischen Quantenmechanik und Metaphysik hinterfragte.

Insbesondere interessierte sie, ob die der Quantenmechanik zugrunde liegende Theorie mit verschiedenen metaphysischen Modellen – wie etwa der Determinismus-Frage – logisch vereinbart werden kann. Anschließend untersuchte Ijjas die Relevanz der Quantenphysik für die Frage nach dem Verhältnis von Gehirn und Bewusstsein, dem Problem der Willensfreiheit und dem Wirken Gottes in der Welt. Dabei zeigt sich für Ijjas, dass zentrale theologische Aussagen mit der Theorie der Quantenphysik durchaus vereinbar sind – ein interdisziplinärer Dialog zwischen Naturwissenschaft und Theologie also möglich und sinnvoll ist. „Ich glaube, Einstein hat sich geirrt”, sagt Ijjas, „das Universum lässt eine gewisse Offenheit der Vorgänge zu. Aber die Quantenphysik gibt keinen Anlass zu glauben, dass die Welt von blindem Zufall regiert wäre. Vielmehr stellt eine kreatürliche Fähigkeit zur eigenen Entscheidung die Norm dar. Gott beschenkt seine Schöpfung mit Freiheit.” (göd) (Quelle:idw)

Löst dunkle Energie das Rätsel der Zeit?

Video: Woher kommt die Welt?

In unserem Universum läuft die Zeit immer nur in eine Richtung – aber muss das überall so sein?
Wer ein Ei zerschlägt, erwartet nicht, dass es sich von selbst wieder zusammenfügt, und wer ins Schwimmbecken hechtet, wird nie erleben, dass das Wasser ihn zurück aufs Trampolin schnellt. Solche Vorgänge sind irreversibel, das heißt zeitlich nicht umkehrbar. Die Asymmetrie der Zeit erfahren wir als das Natürlichste von der Welt – doch den Physikern und Kosmologen bereitet sie gehöriges Kopfzerbrechen.
Alle fundamentalen Gesetze der Physik sind nämlich zeitsymmetrisch, von den Formeln der Himmelsmechanik bis zu den Grundgleichungen der Quantentheorie. Die Mechanik schreibt nicht vor, ob die Erde so oder anders herum um die Sonne läuft, und auch die Quantenmechanik kennt keinen Unterschied zwischen Zukunft und Vergangenheit. Warum weist dann der Zeitpfeil immer nur in eine Richtung?

Darauf antworten die Physiker: das kommt von der Entropie. Sie ist ein Maß für die Unordnung eines Systems, und da ein sich selbst überlassenes System von selbst immer unordentlicher wird, nimmt die Entropie mit der Zeit zu. Zwar ist es physikalisch nicht prinzipiell ausgeschlossen, dass ein zerschlagenes Ei sich wieder ordentlich zusammensetzt – aber es ist extrem unwahrscheinlich. Sehr glücklich sind die Kosmologen mit dieser Erklärung für den Zeitpfeil nicht, denn eine ständig wachsende Entropie bedeutet, dass sie früher einmal extrem klein gewesen sein muss: Der Urknall muss ein unwahrscheinlich ordentlicher Zustand gewesen sein. Man wüsste gern einen physikalischen Grund dafür.

Der amerikanische Kosmologe Sean Carroll schlägt nun einen radikalen Ausweg aus dieser Verlegenheit vor. Wie er in der August-Ausgabe [2008] von Spektrum der Wissenschaft argumentiert, muss unser Universum nicht mit einem Zustand abnorm niedriger Entropie begonnen haben, wenn wir es als Teil eines Multiversums betrachten. In diesem Über-Universum entstehen spontan Babyuniversen, wobei die Zeit in manchen so gerichtet ist wie bei uns, in anderen entgegengesetzt – und im Mittel ist das Multiversum zeitsymmetrisch. Freilich muss Carroll eine hochspekulative Hypothese aufstellen, um die Bildung solcher Babyuniversen plausibel zu machen. Damit sie dauerhaft aus Fluktuationen der Raumzeit entstehen, beruft Carroll sich auf die Dunkle Energie – eine rätselhafte Kraft, mit der die Kosmologen erklären, warum unser Universum beschleunigt expandiert. Erst wenn über das Wesen der Dunklen Energie mehr bekannt ist, lässt sich sagen, ob sie eine Antwort auf das Rätsel der Zeit zu liefern vermag.

Jedenfalls, so tröstet Carroll, betreiben wir schon heute jedes Mal, wenn wir ein Ei zerschlagen, beobachtende Kosmologie. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, August 2008)

Über die Illusion der Zeit und die Lösung scheinbar unerklärlicher Phänomene findet man mehr im Buch Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen

Das neue Gesicht der Wirklichkeit

Der Theologe Adolf von Harnack (1851- 1930) hat die theoretischen Physiker als die wahren Philosophen des 20. Jahrhunderts bezeichnet. Die Notwendigkeit zu philosophieren ergab sich vor allem durch die Schlüsselposition, die der Beobachter in der Quantentheorie einnimmt. Im täglichen Leben wird niemand behaupten, dass der Mond nur dann am Himmel steht, wenn wir ihn anschauen. Aber in der Mikrowelt entscheidet sich das Ergebnis eines Experiments tatsächlich erst durch die Messung. Oder anders herum: Bevor eine quantenphysikalische Größe gemessen wird, hat sie keinen bestimmten Wert. Beispielsweise kann ein Elektron in einem von der Umgebung isolierten Atom sich gleichzeitig auf zwei verschiedenen Kreisbahnen um den Kern bewegen [man spricht von der ‘Überlagerung der Zustände’]. Damit besitzt es keinen bestimmten Energiewert – solange, bis der Physiker eine Messung vornimmt. Misst man direkt nach dieser Messung das Elektron noch einmal, kommt wieder der Wert aus der ersten Messung heraus. Denn durch die erste Messung ist der vorher unbestimmte Zustand eindeutig festgelegt worden.

In modernen Experimenten ist es bereits gelungen, Atome zu erzeugen, die sich gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen befinden. Unlängst gelang es sogar Forschern im US-amerikanischen Stony Brook, einen supraleitenden Strom zu erzeugen, der gleichzeitig in zwei verschiedenen Richtungen floss. Solche Versuche sind besonders knifflig, da man eine Möglichkeit finden muss, die überlagerten Zustände auf indirektem Weg nachzuweisen, denn eine direkte Messung würde die Überlagerung aufheben.

Der Einfluß des Beobachters ist in der Quantenwelt entscheidend. Wie aber sein „Eingreifen“ genau zu verstehen ist und wo die Grenze zwischen Alltags- und Quantenwelt tatsächlich liegt, ist bis heute nicht geklärt. Besitzt der Beobachter eine Sonderstellung, die ihn über die Materie erhebt, oder ist er selbst eine Überlagerung quantenmechanischer Zustände? In den Anfängen der Quantentheorie wurde von einigen Wissenschaftlern tatsächlich die „Geist-über-Materie“- Interpretation vertreten: das menschliche Bewusstsein sei, so behaupteten sie, nicht den Regeln der Quantenmechanik unterworfen, da diese nur für Materie gälten. Auf Grund dieser Sonderstellung könnten wir durch bloße Beobachtung bewirken, dass Objekte von unbestimmten Zuständen in ein konkretes Dasein treten. Solch eine Erklärung würde aber bedeuten, dass Messapparate alleine keine eindeutigen Ergebnisse bei einem Experiment produzieren könnten. Es wäre immer ein menschlicher Beobachter nötig, der diese Ergebnisse registriert und sie dadurch erst von der quantenmechanischen Überlagerung in die Eindeutigkeit der Alltagswelt überführt. Diese Interpretation der Quantenphysik hätte natürlich bizarre Konsequenzen: Ein Wissenschaflter könnte dann nämlich ein Messprotokoll – ohne es anzuschauen – vervielfältigen und an Physikinstitute in aller Welt verschicken. Die Ergebnisse auf den Papieren blieben solange vieldeutig, bis der erste Physiker sein Exemplar des Protokolls angesehen hätte. In diesem Augenblick wären auch die Ergebnisse auf allen anderen Kopien wie durch Zauberei festgelegt. Ein Effekt, der dem Fall der Zwillingsphotonen ähnelt, diesmal aber Objekte aus der Alltagswelt betreffen würde!

Einen noch phantastischer klingenden Vorschlag zur Interpretation des Messprozesses machte 1957 der amerikanische Physiker Hugh Everett. Er ging davon aus, dass der Beobachter sich in mehrere Kopien seiner selbst aufspaltet und dadurch jeden möglichen Ausgang eines Experiments sieht. Der Beobachter merkt nur deshalb nichts davon, weil jede Kopie nach der Beobachtung in ihrem eigenen, parallel existierenden Universum weiterlebt. Da für jedes denkbare Ergebnis jeder quantenmechanischen Wechselwirkung Kopien des jeweiligen Beobachters entstehen, existieren Everetts Theorie zufolge eine fast unendliche Zahl paralleler Universen nebeneinander.

Umstritten ist im Rahmen dieser Theorie die Frage, ob wir andere Universen besuchen könnten. Der britische Physiker David Deutsch bejaht dies und kommt zu dem überraschenden Schluss, dass Zeitreisen in Everetts „Viele-Welten-Theorie“ ohne Widersprüche möglich wären. Eines der wichtigsten Argumente gegen Ausflüge in die Vergangenheit ist nämlich, dass der Zeitreisende in der Vergangenheit seine eigene Geburt verhindern und somit ein Paradoxon erzeugen könnte. Dieses Argument ist aber in einem „Multiversum“ nicht stichhaltig: Denn ein Zeitreisender könnte sich in die Vergangenheit jedes parallelen Universums begeben und dort die Geburt seines „Doubels“ verhindern, ohne dass ein logischer Fehler auftreten würde.

Die meisten Physiker sind der Überzeugung, dass die beiden vorgestellten extremen Sichtweisen bei der Interpretation der Quantentheorie noch nicht der Weisheit letzter Schluss sind. Und letztendlich ist dies eben eine philosophische Diskussion. Bereits Niels Bohr vertrat die pragmatische Sichtweise, die Physik könne lediglich Aussagen über Dinge machen, die der Messung zugänglich sind. Über den Rest empfahl er zu schweigen. Oder, wie Wolfgang Pauli es formulierte: „Ob etwas, worüber man nichts wissen kann, doch existiert, darüber soll man sich … doch wohl ebensowenig den Kopf zerbrechen, wie über die alte Frage, wieviele Engel auf einer Nadelspitze sitzen können.“ (Quelle: Themenheft »Entdeckung des Zufalls«, BMBF, Dezember 2000)

Eine völlig neue Erklärung für das rätselhafte Verhalten der Photonen und für andere Phänomene der Quantenphysik findet sich im Buch Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen. Dort wird wohl zum ersten Mal der physikalische Nachweis geführt, dass Bewusstsein eine Energieart ist, auf der alles was existiert, aufbaut. Mit dieser Erkenntnis bekommt unsere Wirklichkeit eine neues Gesicht.

Die Entdeckung des Zufalls

Als Max Planck vor 100 Jahren mit einem Vortrag vor der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Berlin den Grundstein zur Quantentheorie legte, brachte er damit eine tiefgreifende Umwälzung des physikalischen Weltbilds in Gang. Hatten die Wissenschaftler bis dahin geglaubt, die Natur gleiche einem überdimensionalen Uhrwerk mit vorhersehbaren Abläufen, so wurden sie im Zuge der quantenmechanischen Revolution mit der Entdeckung des Zufalls konfrontiert.
Die Erkenntnis, dass es zum Beispiel für den Zeitpunkt des Zerfalls eines radioaktiven Atoms keinerlei Ursache gibt, war für die Physiker zu Beginn des 20. Jahrhunderts keineswegs erfreulich. Die sogenannte deterministische, klassische Physik hatte es ihnen ermöglicht, die Natur zu verstehen und Ereignisse wie Springfluten oder Mondfinsternisse vorherzusagen. Das gab ihnen über viele Jahrhunderte ein Gefühl von Sicherheit und Macht. Das Ende des Determinismus, der Vorhersagbarkeit, war daher nur schwer zu akzeptieren.
Dabei hatten statistische Theorien, die lediglich Aussagen über die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses machen, die Physiker in früheren Zeiten nicht beunruhigt. Man wusste, hochkomplexe Systeme wie Gase ließen sich nur über statistische Aussagen in den Griff bekommen. Denn es ist einfach unmöglich, die Orte und Geschwindigkeiten aller Teilchen eines Gases zu kennen. Würde aber ein „Superhirn” existieren, das über sämtliche nach dem Urknall entstandenen Teilchen Bescheid wüsste, dann müsste es den Lauf der Welt vorausberechnen können – so die damalige Meinung. Nun stellte sich heraus, dass dem Zufall in der Quantentheorie mit dieser Art von Allwissenheit nicht beizukommen war. Die sogenannte Unbestimmtheitsrelation machte es grundsätzlich unmöglich, Ort und Geschwindigkeit eines Gasatoms zur gleichen Zeit exakt zu messen.
Die Quantentheorie brachte aber nicht nur den Zufall ins Spiel. Es stellte sich heraus, dass quantenmechanische Dinge ein merkwürdig schemenhaftes Dasein führen, das erst durch eine Messung, also den Eingriff eines Beobachters, in einen eindeutigen Zustand überführt wird. Der Zustand eines Elektrons ist ohne eine Messung, die uns diesen Zustand offenbart, nicht nur nicht bekannt, sondern einfach nicht definiert. Hieraus ergab sich die Notwendigkeit, über erkenntnistheoretische Fragen nachzudenken. Denn nachdem sicher war, dass es keine vom Beobachter losgelöste Realität gibt, stellte sich die zentrale Frage, was wir dann überhaupt über die Natur wissen können. Was treibt ein Elektron, wenn ihm keiner zusieht? Auf diese Frage gibt es schlichtweg keine Antwort.
Die Quantenmechanik ist die am besten überprüfte und bestätigte Theorie überhaupt. Gleichzeitig sind ihre möglichen Konsequenzen wie Zeitreisen, „geisterhafte Fernwirkungen” oder die Quanten- Teleportation mit unserem an der Alltagswelt geschulten Verstand kaum zu erfassen. Die Quantentheorie bildet die Grundlage der gesamten modernen Physik, denn erst durch sie wurde ein tieferes Verständnis der Materie möglich. Mit ihrer Hilfe können wir beispielsweise erklären, warum Atome stabil sind, wie ein Laser funktioniert und warum Metalle den Strom besser leiten als die meisten Kunststoffe. Und nicht nur für die Elektronik, Optik oder Nanotechnologie ist die Quantenphysik entscheidend – auch die Vorgänge in der Chemie und Molekularbiologie sind letztlich auf Quanteneffekte zurückzuführen. „Bei der Interpretation der Quantentheorie mag es Schwierigkeiten geben”, schreibt der britische Elementarteilchenphysiker Robert Gilmore, „aber sie funktioniert zweifellos aufs beste.”
(Quelle: Themenheft »Entdeckung des Zufalls«, BMBF, Dezember 2000)

Buchtipp:
Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen

Wissen Sie was Vakuumenergie bedeutet? Hier jetzt die Erklärung!

Zitat aus einem Science Fiction- und Zeitreiseroman (der Buch-Titel lautet: “Professor Allman – Auf der Suche nach der Weltformel“):

„Wo ist das Problem? Bauen Sie doch einfache andere Energiegeneratoren ein, die genug Energie liefern!” Capiello sieht die Angelegenheit locker.
[Bella Blackbeard:] „Genau, das will ich machen, aber für die Vakuumenergiegeneratoren, die aus dem Quantenvakuum fast unbegrenzte Energiemengen extrahieren können, fehlt mir das Geld.”
Capiello nimmt schlürfend einen Schluck aus seinem Glas und rollt genießerisch mit den Augen, bevor er schulterzuckend antwortet: „Wenn Sie kein Geld dafür haben, dann müssen Sie es eben lassen! Können wir von etwas anderem reden?”
„Eben nicht, Capiello!” Bella Blackbeard knallt ihr Weinglas auf den transparenten Couchtisch …

Die Energie des „leeren Raumes“ bei vollständiger Abwesenheit von Materie wird als Vakuumenergie bezeichnet. Die Quantentheorie betrachtet ein Vakuum nicht als völlig leer. Es gibt die Vorstellung des sogenannten Quantenschaums (siehe dort), der aus Teilchen und Feldern besteht, die entstehen und sich wieder vernichten. Aufgrund dieses Umstands wird mitunter vermutet, dass die Vakuumenergie zur Energiegewinnung genutzt werden könnte. Das muss man sich ähnlich einer Wassermühle vorstellen, die das fließende Wasser eines Flusses zur Energiegewinnung nutzt. Nur in diesem Fall ist es nicht energiehaltiges Wasser, sondern das energiehaltige Vakuum. Physikalische Berechnungen lassen auf ein riesiges Energiepotential des Vakuums schließen.

Kommentar:
Was das Vakuum mit Bewusstsein zu tun hat,
wird im Sachbuch mit dem Titel “Unsterbliches Bewusstsein” erläutert. ISBN 978-3-837-04351-8