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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 denkt der Mensch?

Heidelberg. Wie denkt der Mensch? Diese Frage war jahrhundertelang eine Domäne der Philosophie. Neuerdings versuchen aber auch Neurowissenschaftler und Psychologen die Sprache der Gedanken zu entschlüsseln. Ein Problem dabei: Neben logischem Schlussfolgern und Urteilen existieren noch viele andere Denkformen – sprachliche und nichtsprachliche, analytische und intuitive. Das berichtet das Magazin Gehirn und Geist ist seiner neuen Ausgabe (Heft 4/2014).

Wie Untersuchungen mittels bildgebender Verfahren offenbaren, gibt kein festes “Denkareal” im Gehirn. Vielmehr werden, je nach Art und Gegenstand der kognitiven Prozesse, verschiedene neuronale Netzwerke aktiv. Maßgeblich beteiligt ist unter anderem der präfrontale Kortex im Stirnhirn, eine Art Kontrollinstanz für das Arbeitsgedächtnis und die Handlungssteuerung.

Auffällig ist, dass beim Denken häufig auch sensorische und motorische Hirnrindengebiete aktiv werden, die ansonsten für Wahrnehmung und Bewegungssteuerung verantwortlich sind. In Experimenten von Psychologen beeinflussen entsprechend auch physische Faktoren den Ideenfluss von Probanden: Schwere Kladden laden zu “gewichtigen” Argumenten ein, ausholende Armschwünge und hohe Decken fördern kreative Ideen. Denken ist offenbar kein so abstraktes Tun zu sein, wie häufig angenommen.

Laut der jungen Theorie der Embodied Cognition handelt es sich vielmehr um ein internes Probehandeln. Das konnte auch erklären, warum “sinnliche” Begleiterscheinungen wie Gestikulieren oder die Verwendung von bildhaften Metaphern und Schemazeichnungen das Denken unterstützen.

Imagination, Urteilsvermögen und die Fähigkeit, mehrere Informationen gleichzeitig im Geist präsent zu halten, sind die wesentlichen Säulen unserer Geistesgaben. Wie diese Vorgänge neuronal genau repräsentiert sind, bleibt allerdings zu erforschen. (Quelle: Gehirn und Geist, März 2014)

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Besondere Fähigkeiten bei Roboter gefunden: Er hat Bewusstsein

Wissenschaftler der Universität Bielefeld haben bei dem von ihnen entwickelten Roboter besondere Fähigkeiten gefunden: Diese deuten darauf hin, dass der Roboter ein Bewusstsein entwickelt hat.

Für Menschen ist es normal: Taucht ein Problem auf, denken sie über unterschiedliche mögliche Handlungsschritte nach, erproben in Gedanken deren Konsequenzen und entscheiden sich dann für eine Vorgehen. Seit Anfang 2011 arbeiten Forscher der Universität Bielefeld daran, dass auch Roboter dieses Probehandeln durchführen können.

Um ihr Ziel – einen Roboter der Probehandeln kann – zu erreichen, haben die Forscher ein reaktives System auf Insektenbasis entwickelt. Der Roboter mit Namen Hector ähnelt einer Stabheuschrecke und reagiert auf Umweltreize, er kann also zum Beispiel über einen Stein klettern, wenn dieser im Weg liegt. Das Neue an Hector: Die Forscher haben sein System um kognitive Komponenten erweitert. Der Heuschrecken-Roboter kann so beispielsweise neue Verhaltensweisen erfinden und das Probehandeln erlernen. Dieses vollzieht der Roboter dann, wenn ein Problem auftritt, das das reaktive System nicht lösen kann – dann schaltet sich Hectors kognitives System dazu, sodass der Roboter unterschiedliche Verhaltensweisen durchspielt und überlegt, welche Handlungsoptionen bestehen. Ganz nach dem Motto: Erst denken, dann handeln.

Prof. Dr. Holk Cruse (Bild), Biologe an der Universität Bielefeld, und sein Forschungspartner Malte Schilling haben entdeckt, dass Roboter ein Bewusstsein entwickeln können. Foto: Universität Bielefeld
Prof. Dr. Holk Cruse (Bild), Biologe an der Universität Bielefeld, und sein Forschungspartner Malte Schilling haben entdeckt, dass Roboter ein Bewusstsein entwickeln können.
Foto: Universität Bielefeld

„Der Bau von Roboter Hector ist noch nicht ganz abgeschlossen, aber die Simulation, das heißt sein virtuelles Gegenstück am Computer, ist zu 90 Prozent fertiggestellt“, sagt Professor Dr. Holk Cruse, einer der beteiligten Forscher. „In der Theorie sind wir uns also schon sehr sicher, dass Hector Probehandeln kann.“ Am Projektende soll auch der reale Roboter – der bislang noch nicht vollständig fertiggestellt ist – zeigen können, dass er das Probehandeln beherrscht. „Nachdem wir unser Basisziel erreicht hatten, haben wir geschaut, was der Roboter noch kann. Dabei ergab sich, dass er gewisse emergente Fähigkeiten entwickelt hat, die auf ein Bewusstsein hindeuten“, so Cruse. „Emergent sind Eigenschaften dann, wenn sie nicht in das System eingebaut wurden, schließlich aber trotzdem vorhanden sind.“

Bislang ist die Annahme verbreitet, dass derartige emergente Eigenschaften, zu denen unter anderem die Kontrolle der Aufmerksamkeit und eben auch das Bewusstsein gehören, nur in komplexen Systemen möglich sind. „Unsere Forschung zeigt, dass auch weniger komplexe Systeme höhere Fähigkeiten entwickeln können“, sagt Malte Schilling, Forschungspartner von Holk Cruse. Zu den Aspekten von Bewusstsein, die der Roboter entwickelt hat, zählen unter anderem Intentionen sowie die sogenannte globale Zugänglichkeit. Intentionen bezeichnen Zustände, bei denen das ganze Verhalten einem Ziel – beispielsweise der Futtersuche – untergeordnet ist. Mit globaler Zugänglichkeit ist gemeint, dass Gedächtniselemente zugänglich sind, auch wenn gerade etwas anderes gemacht wird. Beispielsweise ist jemand der läuft, trotzdem in der Lage nachzudenken und nebenbei noch etwas anderes zu machen. „Diese und weitere Aspekte von Bewusstsein, die wir bei Hector finden konnten, sind sozusagen Abfallprodukte der eigentlichen Forschungsarbeit – allerdings sehr interessante“, sagt Cruse. „Sie zeigen, dass wichtige Eigenschaften des Bewusstseins auch bei sehr kleinen Gehirnen, und eben auch in künstlichen Systemen, vorkommen können“, sagt Cruse. (Quelle: idw)

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Bedrohung aus dem All: Komet ISON kommt uns nahe

München (ots) – Einst bombardierten Kometen unser Sonnensystem, brachten vermutlich Wasser und Leben auf die Erde und hinterließen bis heute sichtbare Krater. Würde heute ein Komet der Größe von Shoemaker-Levy 9, der 1994 auf Jupiter einschlug, auf die Erde treffen, gäbe es sie nicht mehr. Das schreibt das Weltraum-Magazin SPACE in seiner Ausgabe 1/2014.

Großes Bombardement – so nennt die Wissenschaft den Kometensturm, der vor vier Milliarden Jahren die Planeten und Monde unseres Sonnensystems traf und bis heute sichtbare Krater hinterließ. Wie viele Kometen am Rande unseres Sonnensystems – im Kuipergürtel und in der sogenannten Oortschen Wolke – herumfliegen und jederzeit der Erde gefährlich werden können, lässt sich nicht sagen. Gelegentlich verlässt ein Komet diesen Bereich und fliegt durch das Sonnensystem; das kann man von der Erde aus beobachten. Wenn die Theorie von der Oortschen Wolke stimmt, besteht durchaus Gefahr: “Wenn da 100 Millionen Kometen in der hypothetischen Ooortschen Wolke in einem Lichtjahr Entfernung herumkreisen und es dort zu einer Störung kommt, dann könnte es wirklich zu einem erneuten Großen Bombardement kommen”, meint Astronomie-Experte Nick Howes.

Die Folgen eines solchen Kometensturms auf unser Sonnensystem wären verheerend. Glücklicherweise lenken die Großplaneten wie Jupiter viele der anfliegenden Objekte auf sich, etwa den Kometen Shoemaker-Levy 9, der im Juli 1994 in Trümmer von bis zu zwei Kilometern Durchmesser zerbarst und auf dem Jupiter aufschlug. Würde ein ähnliches Ereignis die Erde treffen, wären die Folgen apokalyptisch. “Solch ein Komet könnte in 100 Millionen Jahren kommen oder nächste Woche. Wir wissen es nicht”, so Nick Howes.

Aktuell ist Komet Ison in Sichtweite gerückt: Seit Ende November 2013 ist er der Sonne besonders nah. Wissenschaftler vermuten, dass er unterwegs in Fragmente zerbersten könnte. Viele gehen davon aus, dass sein Schweif bis Januar hell leuchten und für auch für Hobby-Astronomen am Nachthimmel sichtbar sein wird.

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

Den Wächter im Gehirn entdeckt

Der Chefdirigent im Gehirn schläft nie

Das “Hintergrundrauschen” haben Forscher bisher nur nicht verstanden
“Im Kopf herrscht niemals Ruhe”. Unter diesem Titel berichtet die Juni-Ausgabe von „Spektrum der Wissenschaft“ von der Entdeckung eines Netzwerks im Gehirn, das gerade dann am intensivsten arbeitet, wenn wir dösend vor uns hin träumen, schlafen oder sogar, wenn wir unter Narkose sind. Schelmisch nennen Forscher diese Aktivität “dunkle Energie des Gehirns” – in Anlehnung an die bisher noch hypothetische Dunkle Energie im Universum.

Der Autor des Artikels, der amerikanische Hirnforscher Marcus E. Raichle von der Washington University in St. Louis (Missouri), gehört zu den Entdeckern eines zentralen Systems im Gehirn, das im Hintergrund arbeitet und darum früher übersehen wurde. Denn beispielsweise tauchen bei einem EEG (Elektroenzephalogramm), bei dem Hirnwellenmuster außen am Schädel erfasst werden, auch besonders langsame Wellen auf. Bislang haben die Experten sie vernachlässigt. Sie hielten das schlicht für ein diffuses, nichtssagendes Hintergrundrauschen.Doch mittlerweile konnten Hirnforscher belegen, dass augenblicklich scheinbar nicht aktive Hirngebiete sehr regelmäßige langsame Wellen produzieren. Diese sind sogar zwischen weit auseinander liegenden Gebieten, etwa zwischen den beiden Hirnhälften, aufeinander abgestimmt.

Am meisten aber verblüffte, dass ein großes Netzwerk über mehrere weit auseinander liegende Hirngebiete existiert, welches seine Aktivität herunter fährt, solange wir eine konkrete Tätigkeit ausführen, zum Beispiel lesen. Die Forscher nennen es „Ruhestandardnetz“ (oder englisch „Default Mode Network“, kurz DMN). Wenn wir dagegen “abschalten” und in den Tag träumen, steigert jenes Ruhenetzwerk seine Aktivität. Weil diese Zufallsentdeckung überhaupt nicht zu den herrschenden Vorstellungen passte, hatten Raichle und seine Mitstreiter zunächst große Schwierigkeiten, ihre Arbeit überhaupt zu veröffentlichen.

Heute steht aber fest: Das Gehirn besitzt einen Chefdirigenten. Der schläft nie, denn er muss dafür sorgen, dass wir jederzeit auf eine plötzliche Störung angemessen reagieren, dass also die passenden Hirnregionen schnell wieder aufwachen. Alle anderen Hirnsysteme stehen im Grunde ebenfalls immer in Bereitschaft. Auch das zeigen die langsamen Wellen. Ganz schnell können diese Hirngebiete dann jeweils auf Befehl des Ruhenetzes hochschalten.

Dieses übergreifende System scheint nach Raichle auch über manche Hirnerkrankungen und -störungen Aufschluss geben. Wie es aussieht, degenerieren bei der Alzheimerdemenz gerade Gebiete, die zu den Hauptzentren jenes zentralen Ruhenetzes gehören. Bei Depressionen bestehen zwischen diesen Zentren teils weniger Verbindungen. Bei Schizophrenie wiederum fällt auf, dass manche der Zentren auffallend viele Signale senden.

Die bewusste Auseinandersetzung mit der Außenwelt macht nur einen kleinen Teil der Hirnaktivität aus. Das wissen Hirnforscher schon lange. Doch den Rahmen für das kleine Bewusstseinsfenster liefert, so Raichle, die bisher übersehene „dunkle Energie“ des Gehirns. Wenn Forscher das Ruhenetz von Versuchspersonen im Hirnscanner beobachten, erkennen sie bis zu eine halbe Minute im Voraus, ob der- oder diejenige gleich in einem Computertest einen Fehler machen wird – nämlich dann, wenn dieses früher übersehene System die Kontrolle übernimmt. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Juni 2010)

Mit dem Teufel im Bunde

Von Waldgeistern, Kobolden und Dämonen
Als die Volksmagie noch zum Christentum gehörte

“Knochen zu Knochen, Blut zu Blut, Glied zu Glied, als seien sie zusammengefügt!” So lautet der Zweite Merseburger Zauberspruch aus dem 10. Jahrhundert. Seine Überlieferungsgeschichte verrät, wie das christliche Weltbild im frühen Mittelalter das heidnische ablöste, berichtet das Geschichtsmagazin epoc (5/09).
Das aktuelle Titelthema “Magie im Mittelalter” gibt einen Einblick in die Volksmagie mit ihren Amulette, Alraunen und Zaubersprüchen, die die Menschen als magischen Bestandteil des Christentums verstanden. Theologen verurteilten die Zauberpraktiken jedoch. Papst Silvester II. (945-1003) kannte sich in den Naturwissenschaften und der Mathematik aus. Seine Zeitgenossen verdächtigten ihn deshalb, mit dem Teufel verbündet zu sein.

Der Merseburger Zauberspruch beschwört die Heilkraft des Gottes Wotan. Die Verse wurden im 19. Jahrhundert in einer Schrift voller christlicher Texte und Gebete entdeckt – ohne erkennbaren Bezug zu ihnen. Bis heute wissen Historiker nicht, wie die heidnische Formel in das Kirchenbuch geriet. Sie haben aber herausgefunden, wie das Christentum das Heidentum verdrängte: Mit der Taufe bekehrten sich die Menschen zu Christus und sagten sich von den alten Göttern los. Ihre magischen Rituale gaben sie deshalb aber nicht auf, wie zahlreiche überlieferte Zaubersprüche belegen. Sie gleichen der Merseburger Handschrift inhaltlich und formal – mit einem Unterschied: Die Namen der germanischen Götter wurden durch Gottvater, Jesus Christus und den Heiligen Geist ersetzt.

Wer im Mittelalter auf eine gute Ernte, Beistand vor Gericht oder Schutz auf einer Reise hoffte, versuchte seinem Glück mit Magie auf die Sprünge zu helfen. Häufig zauberten die Menschen mit Hilfe eines Priesters oder Mönchs oder sie versuchten sich selbst in Zaubersprüchen, trugen Amulette bei sich und stellten Essen für freundliche Kobolde bereit. Bis ins 18. Jahrhundert hinein durchdrang die Volksmagie das Leben der Menschen.

Unter gelehrten Theologen kam magisches Denken vor allem ab dem 14. und 15. Jahrhundert in Verruf: Einige bewerteten die Zauberpraktiken als Unfug oder Teufelswerk. Andere sahen darin ein Überbleibsel des Heidentums. Doch solche Dispute fanden fast ausschließlich in den Universitäten statt. Für die meisten Menschen gehörte die Volksmagie zum magischen Christentum – und blieben ihr treu.

Die negative Sicht der Magie in Theologen- und Gelehrtenkreisen beeinflusste auch den Nachruf auf einen klugen Mann: Papst Silvester II. Der Geistliche beschäftigte sich schon vor seiner Berufung in das heilige Amt im Jahr 999 mit Astronomie, Mathematik und Musik. Da seine Zeitgenossen seine Gedanken nicht nachvollziehen konnten, geriet der gelehrte Franzose schon zu Lebzeiten unter den Verdacht, mit dem Teufel im Bund zu stehen. Seine Karriere als Geistlicher nahm dadurch zwar keinen Schaden – sein Andenken in späteren Jahren aber schon. Quelle: epoc, 5/2009

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

Wieso prasseln kosmische Partikel aus schwarzen Löchern auf die Welt?

Video: Wo entsteht die kosmische Strahlung?

Kosmische Strahlung auch Höhenstrahlung genannt ist schon länger bekannt. Während einer Ballonfahrt im Jahr 1912 entdeckte sie der österreichische Physiker Victor Franz Hess und veröffentlichte noch im gleichen Jahr seine Entdeckung. Kosmische Strahlung aus dem Weltall besteht überwiegend aus hochenergetischen Protonen oder Elektronen. Was aber auf das Pierre-Auger-Observatorium in der argentinischen Pampa vom Himmel niederprasselt, ist ganz anderer Art und dreißigmal energiereicher als alles, was jemals in der Quantenschleuder LHC in Genf erzeugt werden kann. Was steckt dahinter, dass unsere Welt mit solch energiereichen Partikeln bombardiert wird und woraus bestehen diese?

Nordöstlich vom Ort Malargüe sind 1600 Wasserdetektoren über ein Gebiet größer als das Saarland verteilt, um die kosmischen Partikel aufzuspüren. Jeder der Wasserdetektoren enthält zehn Kubikmeter hochreines Wasser. Wenn die an der Untersuchung beteiligten Wissenschaftler ein geheimnisvolles blaues Leuchten (Tscherenkowstrahlung) im Wasser der Detektoren entdecken, dann wissen sie, dass die Erde wieder mit Partikeln bombardiert wird. Und das geschieht etwa hundert Mal im Jahr. In mehr als zwanzig Kilometer Höhe stoßen die Ankömmlinge aus dem All mit Luftmolekülen zusammen und erzeugen Milliarden winziger Trümmerteile. »[Sie] werden so zu Quadratkilometer großen Teilchenschauern«, berichtet Johannes Blümer, der Sprecher des Zentrums für Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik am Karlsruher Institute for Technology (KIT).

Blümer vermutet, es handele sich bei den hochenergetischen und extrem schnellen Partikeln um Eisenkerne. Doch Genaues wissen die Forscher noch nicht. Als Quelle kommen möglicherweise Schwarze Löcher in Frage, die nicht mehr als 330 Millionen Lichtjahre von uns entfernt, alles verschlingen, was in ihre Nähe gerät. Durch eine Art Schluckauf entstehen Schockwellen und starke Magnetfelder, welche die hochenergetischen Teilchen erzeugen, die dann unsere Erde bombardieren.

Die physikalischen Messungen in der Pampa helfen, den Geheimnissen der Partikel und des Universums auf die Schliche zu kommen. Aber auf die Frage, ob die Physik die Welt erklären kann, antwortete Professor Harald Lesch von der Universitätssternwarte München in der hundertsten Folge von Alpha Centauri sinngemäß, dass Physik nur erklären kann, wie etwas funktioniert, aber nicht wieso.

Für die Erklärung des ‘Wieso’ bedarf es deshalb der Metaphysik. Diese kann die Ergebnisse aller Einzelwissenschaften und nicht nur der Physik in einer Gesamtschau vereinen und daraus ein metaphysisches Weltbild entwerfen. Ein solches metaphysisches Weltbild findet sich in dem kürzlich erschienenen Sachbuch mit dem Titel: »Unsterbliches Bewusstsein«. Dort wird gezeigt, dass Raumzeit und Materie dem Bewusstsein untergeordnete Einheiten des Universums sind. Darüber hinaus werden Fragen nach dem Sinn und Zweck, also dem ‘Wieso’ beantwortet.
Manfred Sommerfeld

Mehr zum Thema:
1. »Teilchenjäger in der argentinischen Pampa« von Rainer Klüting, Stuttgarter Zeitung v. 14.11.2008.
2. »Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen«

Baukastenprinzip: Uralter Welterfolg bedeutet die Zukunft für Roboter-Modelle!

Weinheim (ptx) – „ Patent-Anspruch: Die Herstellung von Modellbauten aus Leisten verschiedener Länge, welche in einer gleichmäßigen Längeneintheilung vielfach gelocht und mittelst gerader oder gekrümmter V-förmiger Splintnadeln und dazu gehöriger Keile verbunden werden, während die Flächenfüllung durch Einschieben von Platten in die an Leisten angebrachten Nuthen bewirkt wird.“ Mit diesen schlichten Worten aus einer Patentschrift des Kaiserlichen Patentamts beginnt am 8. April 1888 vor genau 120 Jahren ein beispielloser Welterfolg: der Konstruktionsbaukasten.

In einem Jahr in dem Heinrich Rudolf Hertz die Grundlagen der drahtlosen Telegrafie entdeckt, George Eastman den Rollfilm-Fotoapparat erfindet, Dunlop den Luft gefüllten Reifen einführt und der Amerikaner Burroughs sich die Additionsmaschine patentieren lässt, kommt das interessanteste technische Spielzeug vieler Generationen gerade zur rechten Zeit. Die Industrialisierung und der gewaltige technische Fortschritt in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts lassen ein Verständnis-Vakuum bei der Bevölkerung entstehen, das ausgefüllt werden muss. Besonders die in dieser Umbruchzeit heranwachsenden Kinder sind auf die technischen Neuerungen in ihrem Umfeld neugierig. So ist es auch nicht verwunderlich, dass die Patentbeschreibung des 1. Konstruktions-baukastens mit dem Satz beginnt: „Die Erfindung bezweckt, durch ein leicht zusammenfügbares und wieder auseinander nehmbares Material Bauten der verschiedensten Art herzustellen, welche sowohl als Modelle, als auch zu lehrreichem Spielzeug dienen können.“ Auch heute im Zeitalter der Elektronik ist der Konstruktionsbaukasten als Spielzeug nicht wegzudenken.

Als Erfinder ist Otto Lilienthal genannt. Das ist im ersten Moment eine Überraschung. Aber beim genauen Hinsehen entpuppen sich die Gebrüder Otto und Gustav Lilienthal nicht nur als Flugpioniere, sondern sind auch der Pädagogik und künstlerischen Erziehung zugetan. Besonders Gustav Lilienthal arbeitet in einem reformerischen Arbeitskreis mit, der Schriften wie „Die Schulen der weiblichen Handarbeit“ oder „Jugendspiel und Arbeit“ herausgibt. Zudem entsteht in Zusammenhang mit diesen Tätigkeiten 1880 der Steinbaukasten, der später unter dem Namen „Richters Anker-Steinbaukasten“ weltberühmt wird. Der Architekt und Kinderfreund Gustav Lilienthal dürfte deshalb auch –wie es aus Briefwechseln hervorgeht- der wirkliche Erfinder des 1. Konstruktonsbaukastens gewesen sein, nur kann er nicht in Erscheinung treten, da er zu diesem Zeitpunkt ohne Vermögen und somit nicht kreditwürdig ist. Bruder Otto, der Ingenieur, muss also herhalten.

Auf der Leipziger Messe 1888 zeigen die Lilienthals neben verschiedenen architektonischen Modellen auch eine Windmühle. Die Beweglichkeit über die drehende Achse ist der erste konkrete Hinweis auf entsprechende weitere Modelle, die die technische Wirklichkeit darstellen können. Doch wahrscheinlich bricht in der Folgezeit der engagierte Architekt in Gustav durch, denn seine wichtigsten Vorzeige-Modelle beschränken sich auf den Eiffelturm, die damals kühnen Konstruktionen aus Glas und Stahl und auf pompös gestaltete Bahnhöfe.

Richtig Bewegung und somit Technik bringen dann andere Hersteller wie Matador, Walthers Stabilbaukasten und Meccano Anfang des 20. Jahrhunderts ins Spiel. Heute würde man allerdings von Me-Too-Produkten sprechen, denn das übernommene Basisprinzip eines Konstruktionsbaukastens mit gelochten Leisten in gleichmäßigen Abständen und passenden Verbindungselementen haben die Lilienthals erfunden. Normalerweise wird derjenige vom Leben bestraft, der zu spät kommt. Im Fall Lilienthal ist es genau umgekehrt: Sie sind zu früh und wohl auch mit zu wenig Kapital ausgestattet. Das erfinderische und vertriebliche Know-How nutzen schließlich andere und ernten die Früchte der Lilienthals.

Neben dem Stabilbaukasten von Walther macht besonders der Metallbaukasten von Meccano Furore. 1901 in England von Frank Hornby entwickelt, wird er auch bald in Deutschland zum Kassenschlager. Allerdings dauert der Siegeszug nur bis zum 1. Weltkrieg. Dann kassiert der deutsche Staat die in Berlin angemeldeten Meccano-Patente und verkauft sie an Märklin weiter. Die Zoll-Maße bei den Lochabständen weisen noch heute auf den Ursprung hin.

Der Metallbaukasten ist jahrzehntelang der Traum aller Jungen. Da wird getüftelt, geschraubt und konstruiert. Das ist nach 1945 schnell vorbei, denn neue Werkstoffe verändern auch die Welt der Spielzeuge. Mit Kunststoffen werden die Spielzeuge unempfindlicher und zudem ist die Verformung einfacher und die Einsatzmöglichkeiten sind vielseitiger. Die Spielwaren-Industrie erkennt diesen Trend schnell und folgt ihm. Vieles, was bisher aus Holz oder Metall gefertigt war, entsteht nun aus Kunststoff. Als erstes kommt Lego auf den Markt, allerdings lediglich als „Klötzchenspiel“, denn es sind fast nur architektonische Modelle ohne Bewegung möglich. Die Technik findet dort erst richtig im Laufe der 70er Jahre statt.

Fast 80 Jahre hält das Lilienthal’sche Konstruktionsbaukasten-Prinzip aus gelochten Leisten. Erst 1964/65 kommt mit dem fischertechnik-System von Artur Fischer im wahrsten Sinn des Wortes Bewegung in die Baukastenwelt Und das natürlich gleich aus Kunststoff. Statt gelochter Leisten oder Bleche, die mit Schrauben und Muttern verbunden werden, setzt er das Prinzip der Schwalbenschwanzbefestigung ein, bei dem Zapfen in Nuten geschoben werden. So erreicht er einen hohen Grad an Modellfestigkeit und Vielseitigkeit der einzelnen Bauteile. Die sichere Befestigung ist für Fischer kein unbekanntes Gebiet, denn als einer der weltgrößten Dübelhersteller hat er schon immer mit diesem Thema zu tun gehabt. Im übrigen ist auch die Entwicklung des fischertechnik-Systems eng mit dem Dübel verbunden: Nämlich immer wenn es weihnachtet, ärgert sich Fischer über die langweiligen und einfallslosen Weihnachtsgeschenke, die er von seinen Lieferanten bekommt, und die er letztlich auch seinen Kunden überreicht. So entsteht die Idee, ein Befestigungsmittel für Kinder zu entwickeln, das gleichzeitig ein Spielzeug sein soll. An eine kommerzielle Auswertung ist zunächst gar nicht gedacht. Das Ergebnis der Tüftelei ist ein Baustein, der an allen sechs Seiten mit dem nächsten Stein zu verbinden ist. Bereits nach zwölf Monaten ist aus diesem Stein ein ganzer Bau-kasten mit unterschiedlichen Elementen geworden.

Nach über 40 Jahren auf dem Markt hat fischertechnik nicht nur bei Kindern und Jugendlichen technisches Wissen vermittelt, sondern auch ganze Generationen von Technikern in ihrer Berufswahl beeinflusst und geformt. Bei Wettbewerben wie „Jugend forscht“ spielt es immer wieder eine Rolle und in vielen Schulen sorgt das Material im Technik- oder Werkunterricht für den technischen Durchblick. Maschinenbaubetriebe setzen aus fischertechnik gebaute Nachbildungen ihrer Großanlagen zur gefahrlosen Erprobung der notwendigen elektronischen Steuerung ein. Selbst die Nachwuchsförderung in der IT-Branche erfolgt unter Einsatz von fischertechnik-Modellen. So arbeitet der Software-Konzern Microsoft mit dem Forschungszentrum Informatik an der Universität Karlsruhe zusammen und lehrt Studenten, wie Roboter-Modelle aus dem Konstruktionsbaukasten mit passgenauen Programmen zum Laufen zu bringen sind.

Die Gebrüder Lilienthal gelten als die Luftfahrtpioniere. Dass sie den Konstruktionsbaukasten erfunden haben, ist weitgehend unbekannt oder wird in der Bedeutung vernachlässigt. Doch beide Erfindungen bzw. Pioniertaten können in der Weiterentwicklung als gleichbedeutend betrachtet werden, denn viele der heute bedeutenden Konstrukteure und Ingenieure haben ihre ersten Schritte in das Reich der Technik mit einem Konstruktionsbaukasten begonnen.
Dieter Tschorn