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Experiment zur Vereinigung von Quantenmechanik und Relativitätstheorie


Die Vereinigung der Quantenmechanik mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist eine wichtige offene Frage der modernen Physik. Die allgemeine Relativitätstheorie, welche die Gravitation, den Raum und die Zeit beschreibt, tritt auf großen Skalen, also bei Sternen und Galaxien, zum Vorschein. Auf der anderen Seite machen sich die fragilen Quanteneffekte bei den kleinsten Teilchen bemerkbar. Deswegen ist es schwer, Effekte zu erforschen, wo beide Theorien zusammenwirken. Theoretische PhysikerInnen unter der Leitung von Časlav Brukner der Universität Wien schlagen ein neuartiges Experiment vor, um genau dies zu tun. Die Ergebnisse erscheinen nun im Journal “Nature Communications”.

Zeit in der allgemeinen Relativitätstheorie

Eine der wichtigsten Vorhersagen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist die Deformierung der Zeit. Die Theorie sagt voraus, dass Uhren in der Nähe eines massiven Objekts langsamer laufen, und dass sie schneller laufen, je weiter sie von der Masse entfernt sind. Dieser Effekt resultiert im sogenannten “Zwillingsparadoxon”: Wenn einer von zwei identischen Zwillingen auf einer höher gelegenen Ebene lebt, so altert er schneller als der andere Zwilling. Dieser Effekt wurde in klassischen Experimenten bestätigt, jedoch nicht im Zusammenhang mit Quanteneffekten, welches das Ziel des neuartigen Experimentes sein soll.

Quanteninterferenz und Komplementarität Experiment zur Vereinigung von Quantenmechanik und Relativitätstheorie weiterlesen

Supernovae-Explosion: Wie das Weltall vermessen wird

NASA / Tod Strohmayer, GSFC / Dana Berry, Chandra X-Ray Observatory
NASA / Tod Strohmayer, GSFC / Dana Berry, Chandra X-Ray Observatory

Vom genauen Mechanismus hängt es ab, wie gut wir das Verhalten unseres Universums verstehen
Manche Sterne beenden ihr Dasein mit einem enormen Knall: Binnen Stunden steigern sie ihre Helligkeit um das Millionen- oder gar Milliardenfache und leuchten für einige Tage so hell wie eine ganze Galaxie. Astronomen entdecken jedes Jahr mehrere hundert solcher Supernovae, die zumeist in entlegenen Winkeln des Universums aufleuchten.

Supernovae künden aber nicht nur vom gewaltsamen Ende eines Sterns, sondern erweisen sich auch als wichtige Hilfsmittel für die Vermessung des Weltalls. Denn ein spezieller Typ dieser Sternexplosionen, genannt Ia, erreicht stets die gleiche Maximalhelligkeit. Gelingt es, dieses Maximum zu beobachten, dann folgt aus der gemessenen Helligkeit der Supernova direkt ihre Entfernung. Denn so, wie der fernere zweier gleich heller Autoscheinwerfer einem Beobachter lichtschwächer erscheint, verhält es sich auch mit Supernovae: Je größer ihre Distanz zur Erde ist, umso weniger hell erscheinen sie.

Die Entfernungsbestimmung mit Supernovae vom Typ Ia klappt so gut, dass sie sich als Maßstab oder Standardkerze zur Auslotung des Universums verwenden lassen. Seit rund achtzig Jahren ist bekannt, dass sich das Weltall ausdehnt. Aber erst vor wenigen Jahren fanden die Astronomen heraus, dass sich diese Ausdehnung sogar beschleunigt– ein Befund, der sich anhand der Distanzen der Supernovae vom Typ Ia ergab. Um diese Beschleunigung zu erklären, mussten die Wissenschaftler die Existenz einer ominösen »Dunklen Energie« annehmen, die das Universum beschleunigt auseinandertreibt.

Wegen der kosmologischen Bedeutung dieses Supernova-Typs interessieren sich die Astronomen für die Ursachen und den Ablauf der Sternexplosionen. Zwei Arten von Explosionen sind bekannt, in denen jeweils so genannte Weiße Zwerge eine Rolle spielen. Weiße Zwerge bilden das Endstadium verbrauchter Sterne ähnlich unserer Sonne. Bei der einen Art saugt ein Weißer Zwerg Materie von seinem Partnerstern ab. Er macht dies solange, bis er sich gewissermaßen überfressen hat und er von einer thermonuklearen Explosion zerrissen wird. Dies passiert stets mit der gleichen Maximalhelligkeit. Bei der anderen Art bilden zwei Weiße Zwerge ein Doppelsternpaar und verschmelzen schließlich, wobei es ebenfalls zur Supernovaexplosion kommt. Hier hängt die Maximalhelligkeit von der jeweiligen Masse der Weißen Zwerge ab. Die Astronomen besaßen Hinweise darauf, dass die erste Art deutlich häufiger vorkommt und sich Supernovae vom Typ Ia deshalb als Standardkerzen verwenden lassen.

Neue Untersuchungen von Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching bei München belegen nun, dass nur fünf Prozent aller Supernovaexplosionen vom Typ Ia in elliptischen Galaxien auf Materie aufsammelnde Weiße Zwerge zurückgehen. Offenbar geht der größte Teil der gewaltigen Sternexplosionen auf die Vereinigung zweier Weißer Zwerge zurück, wie der Physiker Jan Hattenbach im aktuellen Mai-Heft der Zeitschrift “Sterne und Weltraum” berichtet. Dieser Befund schränkt allerdings die Verwendung der Supernovae vom Typ Ia als Standardkerzen ein. Denn nun erwarten die Astronomen, dass die Maximalhelligkeiten wegen der unterschiedlichen Massen der Weißen Zwerge bei ihrer Verschmelzung unterschiedlich ausfallen. Spannend ist jetzt, wie sich diese Erkenntnis auf die Messung der beschleunigten Expansion des Raums auswirkt. Quelle: Sterne und Weltraum, Mai 2010 – Bild: Zwei weiße Zwerge, die sich zunehmend enger umkreisen, verschmelzen schließlich was eine Supernova-Explosion zur Folge hat. (c) NASA / Tod Strohmayer, GSFC / Dana Berry, Chandra X-Ray Observatory

Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantenphysik gelungen?

Video: Stimmt die Relativitätstheorie?

QUANTENGRAVITATION – Ein neues Quantenmodell von Raum und Zeit

Im Großen wird das Universum von der Gravitation beherrscht, aber im Kleinen zerfällt es in Quanten – wie passt das zusammen? Wie sind Raum und Zeit entstanden? Wie haben sie die glatte vierdimensionale Leere gebildet, die unserer physikalischen Welt als Bühne dient? Wie sehen sie im allerkleinsten Maßstab aus? Solche Fragen streifen die äußersten Grenzen der modernen Wissenschaft und treiben die Suche nach einer Theorie der Quantengravitation voran; sie wäre die lang ersehnte Vereinigung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie mit der Quantenphysik.

Die Relativitätstheorie beschreibt, wie die Raumzeit im Großen unzählige verschiedene Formen anzunehmen vermag und das hervorruft, was wir als Schwerkraft wahrnehmen. Hingegen beschreibt die Quantentheorie die physikalischen Gesetze im atomaren und subatomaren Maßstab, wobei sie Gravitationseffekte völlig ignoriert. Eine Theorie der Quantengravitation soll das Wesen der Raumzeit in den kleinsten Größenordnungen durch Quantengesetze beschreiben und womöglich durch gewisse fundamentale Bausteine erklären.

Seit einigen Jahren entwickeln drei Kosmologen – der Däne Jan Ambjørn, der Pole Jerzy Jurkiewicz und die Deutsche Renate Loll – ein viel versprechendes Modell des Quantenuniversums. In der Februarausgabe von Spektrum der Wissenschaft beschreiben sie ihr „fast peinlich simples“ Rezept: Man nehme ein paar einfache Zutaten, füge sie nach wohlbekannten Quantenregeln zusammen, rühre gut um, lasse den Teig rasten, und fertig ist die Quantenraumzeit. Der Prozess ist so unkompliziert, dass er sich auf einem Laptop simulieren lässt.

Um die Raumzeit zu modellieren, lassen sich die drei Forscher von einem Verfahren inspirieren, das in der Computergrafik gang und gäbe ist: Man legt dort über gekrümmte Flächen, etwa Körper oder Gesichter, ein Gitter aus kleinen Dreiecken. Im Fall der Raumzeit braucht man dafür allerdings nicht flache Dreiecke, sondern vierdimensionale Tetraeder. Aus diesem Mosaik entsteht, wenn man die einzelnen Bausteine gewissen Regeln unterwirft, fast von selbst ein Modell der gequantelten Raumzeit.

Die wichtigste Bauanleitung betrifft die Kausalität. In benachbarten Bausteinen müssen Ursache und Wirkung zeitlich in gleicher Richtung aufeinander folgen. Mit anderen Worten: Nachbarn haben den gleichen Zeitpfeil. Diese simple Vorschrift reicht aus, damit die Raumzeit sich im Großen von selbst zu einer vierdimensionalen Gesamtheit ordnet. Die Forscher vergleichen diese Selbstorganisation mit dem Verhalten eines Vogelschwarms, in dem die einzelnen Vögel nur den nächsten Nachbarn folgen – und doch verhält sich der Schwarm wie ein kompaktes Ganzes.

Interessanterweise ist dieses Modell zwar im Großen vierdimensional, wie es sich für die Raumzeit gehört, aber im Kleinen entpuppt sich die Anzahl der Dimensionen als variable, gebrochene Größe – als Fraktal. Solche selbstähnlichen Strukturen lassen offen, ob es kleinste „Atome“ der Raumzeit gibt oder ob die fraktalen Muster sich bis ins unendlich Kleine fortsetzen. Die Forscher hoffen, dies zu klären, wenn sie ihr fraktales Modell der leeren Raumzeit mit Materie füllen. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Februar 2009)

Ein völlig anderes Modell zur Erklärung des Zusammenhangs von Relativitätstheorie und Quantenphysik findet sich im Buch Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen. Dort wird aufgrund naturwissenschaftlicher Methoden und bisher unerklärlicher Quantenphänomene gefolgert, dass Bewusstsein der fundamentale Baustein von allem ist, was existiert. Desweiteren wird gezeigt wie sich die Einsteinsche Raumzeit als eine Folge von Bewusstsein darstellt.