Hugh Everett versuchte natürlich, seine „Viele-Welten“-Theorie mit anderen Physikern zu diskutieren, erhielt aber nur Überraschung oder Gleichgültigkeit als Antwort. Ein Physiker, Bryce DeWitt von der University of Texas, sprach sich sogar gegen Everetts Theorie aus und sagte: „Ich kann mich einfach nicht gespalten fühlen.“ Aber diese Reaktion erinnerte Everett an die Reaktion der Kritiker von Galileo, die sagten, dass sie die Bewegung der Erde nicht spürten. (Im Laufe der Zeit trat Devitt an Everetts Seite über und wurde einer der führenden Befürworter dieser Theorie.)
Mehrere Jahrzehnte lang lag die Viele-Welten-Theorie im Dunkeln. Sie schien einfach zu fantastisch, um wahr zu sein. John Wheeler, Everetts Princeton-Berater, kam schließlich zu dem Schluss, dass das Konzept zu viel „Übergepäck“ enthielt. Doch irgendwann kam Everetts Theorie plötzlich in Mode und erfreut sich nun ernsthaften Interesses in der Welt der Physik. Tatsache ist, dass Physiker derzeit versuchen, die Quantentheorie auf den letzten bisher „unquantisierten“ Bereich anzuwenden: das Universum selbst. Und der Versuch, das Unbestimmtheitsprinzip auf das gesamte Universum als Ganzes anzuwenden, erweckt natürlich das Konzept des Multiversums zum Leben.
Der Begriff „Quantenkosmologie“ scheint auf den ersten Blick terminologisch widersprüchlich zu sein: Immerhin beschäftigt sich die Quantentheorie mit der winzigen Welt der Atome, die Kosmologie mit dem Universum als Ganzem. Aber bedenken Sie: Zur Zeit des Urknalls war das Universum viel kleiner als ein Elektron. Jeder Physiker wird zustimmen, dass das Elektron vom Standpunkt der Quantentheorie betrachtet werden sollte; Das bedeutet, dass das Elektron durch eine probabilistische Wellengleichung (die Dirac-Gleichung) beschrieben wird und in mehreren parallelen Zuständen existieren kann. Aber wenn das Elektron quantisiert werden sollte und das Universum einmal kleiner als das Elektron war, dann muss das Universum auch quantisiert sein und in parallelen Zuständen existieren. Daher führt diese Theorie natürlich zu der Idee einer Pluralität von Welten.
Die auf das gesamte Universum angewandte Kopenhagener Interpretation von Niels Bohr steht jedoch vor ernsthaften Schwierigkeiten. Im Allgemeinen benötigt die Kopenhagener Interpretation, obwohl sie in jedem Graduiertenkurs in Quantenmechanik gelehrt wird, einen "Beobachter", dessen Beobachtungen tatsächlich den Kollaps der Wellenfunktion verursachen. Es stellt sich heraus, dass der Beobachtungsprozess absolut notwendig ist, um die Makrowelt in einem bestimmten Zustand zu fixieren. Aber wie kann man „außerhalb“ des Universums sein und das Universum von außen beobachten? Wenn das Universum durch eine bestimmte Wellenfunktion beschrieben wird, wie kann dann ein „außenstehender“ Beobachter einen bestimmten Zustand des Universums bestimmen und diese Funktion zum Zusammenbruch zwingen? Darüber hinaus betrachten einige Wissenschaftler die Unmöglichkeit, das Universum "von außen" zu beobachten, als einen kritischen, sogar fatalen Mangel der Kopenhagener Interpretation.
Im Konzept der "Mehreren Welten" wird dieses Problem sehr einfach gelöst: Das Universum existiert einfach gleichzeitig in vielen parallelen Zuständen, die durch die Hauptwellenfunktion, bekannt als die Wellenfunktion des Universums, bestimmt werden. Nach der Quantenkosmologie entstand das Universum als Quantenfluktuation des Vakuums, d.h. wie eine winzige Blase aus Raum-Zeit-Schaum. Die meisten neugeborenen Raum-Zeit-Schaumuniversen erleben einen Urknall und dann sofort ein großes Knirschen. Das bedeutet, dass selbst in der „Leere“ unaufhörliche Aktivität brodelt, winzige Universen erscheinen und sofort wieder verschwinden, aber das Ausmaß dieser Ereignisse ist zu klein für unsere groben Instrumente. Eines Tages kollabierte eine der Raum-Zeit-Schaumblasen aus irgendeinem Grund nicht wieder und verschwand in ihrem eigenen Big Squeeze, sondern dehnte sich weiter aus. Das war unser Universum. Wenn Sie Alan Gut zuhören, stellt sich heraus, dass unser gesamtes Universum ein großes Freebie ist.
In der Quantenkosmologie beginnen Physiker mit einem Analogon der Schrödinger-Gleichung, die die Wellenfunktionen von Elektronen und Atomen beschreibt. Sie verwenden auch die DeWitt-Wheeler-Gleichung, die auf die „Wellenfunktion des Universums“ einwirkt. Normalerweise ist die Schrödinger-Wellenfunktion für jeden Punkt in Raum und Zeit definiert, sodass wir die Wahrscheinlichkeit berechnen können, an jedem beliebigen Punkt in Raum und Zeit ein Elektron zu finden. Aber die "Wellenfunktion des Universums" ist auf der Menge aller möglichen Universen definiert. Wenn sich herausstellt, dass diese Wellenfunktion für ein bestimmtes Universum groß ist, bedeutet dies, dass sich das gegebene Universum höchstwahrscheinlich in diesem Zustand befindet.
Hawking unterstützt genau diese Sichtweise. Er argumentiert, dass unser Universum etwas Besonderes ist, es ist einzigartig und unterscheidet sich von allen anderen Universen. Wenn die Wellenfunktion unseres Universums groß ist, dann ist sie für die meisten anderen fast Null. Es stellt sich heraus, dass es eine von Null verschiedene, aber sehr kleine Wahrscheinlichkeit gibt, dass andere Universen außer unserem im Multiversum existieren können, aber unser Universum existiert mit einer maximalen Wahrscheinlichkeit. Generell versucht Hawking auf diese Weise das Phänomen der Inflation logisch zu begründen. In diesem Weltbild ist ein Universum, in dem der Inflationsprozess beginnt, einfach wahrscheinlicher als ein Universum, in dem nichts dergleichen passiert, also hat in unserem Universum ein solcher Prozess stattgefunden.
Die Theorie über die Entstehung unseres Universums aus der „Leere“ des Raum-Zeit-Schaums erscheint auf den ersten Blick völlig unbeweisbar; dennoch stimmt es mit einigen einfachen Beobachtungen überein. Erstens haben viele Physiker auf die verblüffende Tatsache hingewiesen, dass die Summe positiver und negativer elektrischer Ladung in unserem Universum Null ist – zumindest innerhalb des experimentellen Fehlers. Es scheint uns natürlich, dass die Gravitation die dominierende Kraft im Weltraum ist, aber das liegt nur daran, dass sich die negativen und positiven Ladungen genau gegenseitig aufheben. Wenn es auf der Erde auch nur das geringste Ungleichgewicht zwischen positiven und negativen Ladungen gäbe, würden elektrische Kräfte möglicherweise die Anziehungskräfte der Gravitation überwinden, die die Erde zusammenhalten, und unseren Planeten einfach auseinanderreißen. Das genaue Gleichgewicht zwischen den gesamten positiven und negativen Ladungen lässt sich insbesondere dadurch leicht erklären, dass das Universum aus „dem Nichts“ entstanden ist und „nichts“ eine elektrische Ladung von Null hat.
Zweitens hat unser Universum keinen Spin. Kurt Gödel hat viele Jahre versucht zu beweisen, dass unser Universum rotiert, indem er die Spins verschiedener Galaxien analysiert und summiert hat, aber heute sind Astronomen davon überzeugt, dass der Gesamtspin unseres Universums Null ist. Auch diese Tatsache lässt sich leicht durch die Tatsache erklären, dass das Universum aus „Nichts“ entstanden ist und „Nichts“ einen Nullspin hat. Drittens würde die Entstehung des Universums aus dem Nichts erklären helfen, warum der Gesamtgehalt an Energiematerie darin so gering und vielleicht sogar gleich Null ist. Wenn Sie die positive Energie der Materie und die negative Energie der Schwerkraft addieren, dann heben sie sich anscheinend genau auf. Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie sollte, wenn das Universum geschlossen und endlich ist, die Gesamtmenge an Materie-Energie darin genau Null sein. (Wenn das Universum offen und unendlich ist, ist dies nicht unbedingt wahr, aber die Inflationstheorie zeigt immer noch, dass die Gesamtmenge an Materie-Energie in unserem Universum extrem gering ist.)
All dies lässt eine interessante Frage offen. Wenn Physiker die Existenz mehrerer Arten von Paralleluniversen nicht ausschließen können, ist es dann möglich, mit ihnen Kontakt aufzunehmen? Besuche sie? Oder waren vielleicht schon Kreaturen aus anderen Universen in unserer Welt?
Ein Kontakt mit anderen Quantenuniversen, die nicht mit unserem synchron sind, scheint höchst unwahrscheinlich. Der Grund dafür, dass unser Universum die Synchronität mit anderen Universen verloren hat, liegt darin, dass unsere Atome ständig mit anderen Atomen der umgebenden Welt kollidieren. Jedes Mal, wenn die Wellenfunktion des Atoms kollidiert, schrumpft es leicht; was bedeutet, dass die Zahl der Paralleluniversen abnimmt. Jede Kollision reduziert die Anzahl der möglichen Optionen. Billionen solcher atomaren „Mini-Kollaps“ erzeugen die Illusion, dass alle Atome in unserem Körper vollständig zusammengebrochen und in einem bestimmten Zustand eingefroren sind. Einsteins „objektive Realität“ ist nur eine Illusion aufgrund der Tatsache, dass die große Anzahl von Atomen in unserem Körper ständig miteinander kollidieren; und mit jeder solchen Kollision nimmt die Anzahl möglicher Universen ab.
Diese Situation kann mit einem defokussierten Bild in einem Kameraobjektiv verglichen werden. Ebenso sieht im Mikrokosmos alles veränderlich und ungewiss aus. Aber sobald Sie den Fokus der Kamera leicht korrigieren, erscheinen neue Details im Bild; mit jeder einstellung wird das bild insgesamt schärfer und schärfer. So reduzieren immer wieder Billionen winziger Kollisionen von Atomen mit benachbarten Atomen die Anzahl möglicher Universen. So bewegen wir uns reibungslos von einem veränderlichen Mikrokosmos zu einem stabilen Makrokosmos.
Daher sinkt die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung mit einem anderen, unserem ähnlichen Quantenuniversum, wenn es nicht gleich Null ist, schnell zusammen mit einer Zunahme der Anzahl von Atomen in Ihrem Körper. Aber es gibt Billionen und Aberbillionen von Atomen in jedem von uns, sodass die Chance, eine Verbindung zu einem anderen Universum herzustellen, das von Dinosauriern oder Außerirdischen bewohnt wird, verschwindend gering ist. Es kann berechnet werden, dass es viel länger dauern wird, auf ein solches Ereignis zu warten, als das Universum existieren wird.
Wir können also den Kontakt mit parallelen Quantenuniversen nicht vollständig ausschließen, aber es ist offensichtlich, dass dieses Ereignis äußerst selten sein wird – schließlich hat unser Universum die Kohärenz mit ihnen verloren. Aber in der Kosmologie begegnen wir auch einer anderen Art von Paralleluniversen: dem Multiversum, das aus Universen besteht, die wie Seifenblasen in einem Schaumbad nebeneinander existieren. Der Kontakt mit einem anderen Universum innerhalb des Multiversums ist eine ganz andere Geschichte. Dies ist sicherlich ein schwieriges Problem, aber es ist möglich, dass die Zivilisation es lösen kann.
Um ein Loch im Raum zu öffnen oder den Raum-Zeit-Schaum zu vergrößern, wird, wie wir bereits besprochen haben, eine Energie benötigt, die größenordnungsmäßig mit der Planck-Energie vergleichbar ist, bei der alle bekannten physikalischen Gesetze im Allgemeinen zusammenbrechen. Raum und Zeit sind bei dieser Energie instabil, was die Möglichkeit eröffnet, unser Universum zu verlassen (vorausgesetzt natürlich, dass andere Universen existieren und wir nicht im Prozess des Übergangs sterben).
Diese Frage kann im Allgemeinen nicht als rein akademisch bezeichnet werden, da intelligentes Leben im Universum eines Tages unweigerlich mit dem Problem des Todes des Universums konfrontiert sein wird. Am Ende könnte sich die Theorie des Multiversums als Rettung für alles intelligente Leben in unserem Universum herausstellen. Kürzlich empfangene Daten vom WMAP-Satelliten bestätigen die Tatsache, dass sich das Universum mit Beschleunigung ausdehnt, und es ist möglich, dass wir es eines Tages alle tun werden mit dem Tod in Form des sogenannten Großen Frosts bedroht werden. Mit der Zeit wird das gesamte Universum schwarz werden; Alle Sterne am Himmel werden erlöschen und nur tote Sterne, Neutronensterne und Schwarze Löcher werden im Universum verbleiben. Sogar die Atome unseres Körpers können anfangen zu zerfallen. Die Temperaturen werden fast auf den absoluten Nullpunkt fallen und Leben wird unmöglich.
Wenn sich das Universum diesem Punkt nähert, könnte eine fortgeschrittene Zivilisation, die dem endgültigen Tod ihrer Welt gegenübersteht, durchaus darüber nachdenken, in ein anderes Universum zu ziehen. Diese Kreaturen werden keine andere Wahl haben – erfrieren oder diese Welt verlassen. Die Gesetze der Physik werden ein Todesurteil für jedes intelligente Leben sein – aber dieselben Gesetze können intelligenten Wesen auch eine schmale Lücke bieten.
Eine solche Zivilisation muss die Energie riesiger Beschleuniger und Laserstrahlen nutzen, deren Leistung dem gesamten Sonnensystem oder sogar einem Sternhaufen entspricht, und sie an einem einzigen Punkt konzentrieren, um die legendäre Planck-Energie zu erhalten. Vielleicht reicht das aus, um ein Wurmloch oder einen Weg in ein anderes Universum zu öffnen. Es ist möglich, dass die Zivilisation die ihr unterworfene kolossale Energie nutzt, um ein Wurmloch zu erschaffen und durch dieses in ein anderes Universum zu gelangen, ihr eigenes Universum zu verlassen, um zu sterben und ein neues Leben in einem neuen Haus zu beginnen.
Je nach Standpunkt ist die Quantentheorie entweder ein Beweis für die enormen Fortschritte der Wissenschaft oder ein Symbol für die Grenzen der menschlichen Intuition, die gezwungen ist, sich mit der Fremdartigkeit des subatomaren Bereichs auseinanderzusetzen. Für einen Physiker ist die Quantenmechanik eine der drei großen Säulen, auf denen das Verständnis der Natur aufbaut (neben Einsteins allgemeiner und spezieller Relativitätstheorie). Für diejenigen, die schon immer einmal zumindest etwas im grundlegenden Modell des Aufbaus der Welt verstehen wollten, erklären die Wissenschaftler Brian Cox und Jeff Forshaw in ihrem Buch „The Quantum Universe“, das beim MIF erschienen ist. T & P veröffentlichen eine kurze Passage über das Wesen der Quanten und die Ursprünge der Theorie.
Einsteins Theorien befassen sich mit der Natur von Raum und Zeit und der Schwerkraft. Die Quantenmechanik kümmert sich um alles andere, und man kann sagen, dass sie, egal wie emotional ansprechend, verwirrend oder faszinierend sie auch sein mag, nur eine physikalische Theorie ist, die beschreibt, wie sich die Natur tatsächlich verhält. Aber auch gemessen an diesem sehr pragmatischen Kriterium besticht es durch Genauigkeit und Aussagekraft. Es gibt ein Experiment aus dem Bereich der Quantenelektrodynamik, der ältesten und am besten verstandenen modernen Quantentheorie. Es misst, wie sich ein Elektron in der Nähe eines Magneten verhält. Theoretische Physiker haben jahrelang mit Stift und Papier und später mit Computern hart daran gearbeitet, genau vorherzusagen, was solche Studien enthüllen würden. Praktiker erfanden und führten Experimente durch, um mehr Details aus der Natur herauszufinden. Beide Lager lieferten unabhängig voneinander Ergebnisse mit einer Genauigkeit ähnlich der Messung der Entfernung zwischen Manchester und New York mit einem Fehler von wenigen Zentimetern. Es ist bemerkenswert, dass die von den Experimentatoren erhaltenen Zahlen vollständig den Ergebnissen der Berechnungen der Theoretiker entsprachen; Messungen und Berechnungen stimmten vollkommen überein.
Die Quantentheorie ist vielleicht das beste Beispiel dafür, wie das, was für die meisten Menschen unendlich schwer zu verstehen ist, äußerst nützlich wird. Es ist schwer zu verstehen, weil es eine Welt beschreibt, in der sich ein Teilchen tatsächlich an mehreren Orten gleichzeitig aufhalten und sich von einem Ort zum anderen bewegen und dabei das gesamte Universum erforschen kann. Es ist nützlich, weil das Verständnis des Verhaltens der kleinsten Bausteine des Universums das Verständnis von allem anderen stärkt. Es setzt unserer Arroganz Grenzen, denn die Welt ist viel komplexer und vielfältiger, als es scheint. Trotz all dieser Komplexität haben wir festgestellt, dass alles aus vielen winzigen Teilchen besteht, die sich nach den Gesetzen der Quantentheorie bewegen. Diese Gesetze sind so einfach, dass sie auf die Rückseite eines Umschlags geschrieben werden können. Und die Tatsache, dass nicht eine ganze Bibliothek benötigt wird, um die tiefe Natur der Dinge zu erklären, ist an sich schon eines der größten Mysterien der Welt.
Stellen Sie sich die Welt um uns herum vor. Angenommen, Sie halten ein Buch aus Papier in der Hand – gemahlener Zellstoff. Bäume sind Maschinen, die in der Lage sind, Atome und Moleküle zu nehmen, sie zu zerlegen und sie in Kolonien aus Milliarden von Einzelteilen neu zu organisieren. Sie tun dies dank eines Moleküls namens Chlorophyll, das aus über hundert Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen besteht, die auf besondere Weise gekrümmt und mit einigen weiteren Magnesium- und Wasserstoffatomen verbunden sind. Eine solche Kombination von Teilchen ist in der Lage, Licht, das 150.000.000 km von unserem Stern entfernt ist – eine Atomkammer mit einem Volumen von einer Million Planeten wie die Erde – einzufangen und diese Energie tief in die Zellen zu transportieren, wo sie aus Kohlendioxid neue Moleküle erzeugt und Wasser und setzt einen Sauerstoff frei, der unser Leben gibt.
Es sind diese Molekülketten, die die Überstruktur bilden, die die Bäume, das Papier in diesem Buch und alles Leben zusammenhält. Sie sind in der Lage, ein Buch zu lesen und die Wörter zu verstehen, weil Sie Augen haben und sie das Streulicht der Seiten in elektrische Impulse umwandeln können, die vom Gehirn interpretiert werden können, der komplexesten Struktur im Universum, die wir überhaupt kennen. Wir haben festgestellt, dass alle Dinge auf der Welt nichts anderes sind als eine Ansammlung von Atomen, und die unterschiedlichsten Atome bestehen nur aus drei Teilchen – Elektronen, Protonen und Neutronen. Wir wissen auch, dass die Protonen und Neutronen selbst aus kleineren Einheiten bestehen, die Quarks genannt werden, und sie das Ende von allem sind – zumindest denken wir das jetzt. All dies basiert auf der Quantentheorie.
So zeichnet die moderne Physik ein Bild des Universums, in dem wir leben, mit außergewöhnlicher Einfachheit; Elegante Phänomene treten irgendwo auf, wo sie nicht sichtbar sind, und lassen die Vielfalt des Makrokosmos entstehen. Vielleicht ist dies die bemerkenswerteste Errungenschaft der modernen Wissenschaft – die Reduzierung der unglaublichen Komplexität der Welt, einschließlich der Menschen selbst, auf eine Beschreibung des Verhaltens einer Handvoll winziger subatomarer Teilchen und vier Kräfte, die zwischen ihnen wirken. Die Quantentheorie liefert die besten Beschreibungen für drei dieser vier Kräfte – die starken und schwachen Kernkräfte, die innerhalb des Atomkerns existieren, und die elektromagnetische Kraft, die Atome und Moleküle zusammenhält. Nur die Gravitationskraft – die schwächste, aber vielleicht bekannteste Kraft von allen – hat derzeit keine befriedigende Quantenbeschreibung.
Wir müssen zugeben, dass die Quantentheorie einen etwas seltsamen Ruf hat und hinter ihrem Namen viel echter Unsinn steckt. Katzen können gleichzeitig lebendig und tot sein; Teilchen befinden sich gleichzeitig an zwei Orten; Heisenberg behauptet, alles sei ungewiss. All das ist zwar richtig, aber die daraus oft gezogenen Schlussfolgerungen – passiert einmal etwas Seltsames im Mikrokosmos, dann hüllt uns ein Nebelschleier – sind definitiv falsch. Übersinnliche Wahrnehmung, mystische Heilungen, vibrierende Armbänder, die vor Strahlung schützen, und wer weiß, was sich unter dem Deckmantel des Wortes „Quantum“ noch regelmäßig ins Pantheon des Möglichen einschleicht. Dieser Unsinn wird verursacht durch die Unfähigkeit, klar zu denken, Selbsttäuschung, echtes oder vorgetäuschtes Missverständnis oder eine besonders unglückliche Kombination aus all dem. Die Quantentheorie beschreibt die Welt genau mit mathematischen Gesetzen, die so spezifisch sind wie die von Newton oder Galileo. Deshalb können wir das Magnetfeld eines Elektrons mit unglaublicher Genauigkeit berechnen. Die Quantentheorie bietet eine Beschreibung der Natur, die, wie wir erfahren werden, eine enorme Vorhersage- und Erklärungskraft hat und sich auf alles erstreckt, von Siliziumchips bis hin zu Sternen.
Wie so oft provozierte das Aufkommen der Quantentheorie die Entdeckung von Naturphänomenen, die mit den wissenschaftlichen Paradigmen jener Zeit nicht beschrieben werden konnten. Für die Quantentheorie gab es darüber hinaus viele solcher Entdeckungen unterschiedlicher Art. Eine Reihe unerklärlicher Ergebnisse sorgte für Aufregung und Verwirrung und löste schließlich eine Periode experimenteller und theoretischer Innovationen aus, die den populären Begriff „Goldenes Zeitalter“ wirklich verdient. Die Namen der Hauptfiguren sind für jeden Physikstudenten für immer fest verankert und werden bis heute in den Universitätslehrgängen am häufigsten genannt: Rutherford, Bohr, Planck, Einstein, Pauli, Heisenberg, Schrödinger, Dirac. Vielleicht wird es nie wieder eine Periode in der Geschichte geben, in der so viele Namen mit der Größe der Wissenschaft in Verbindung gebracht werden, während sie sich auf ein einziges Ziel zubewegen – die Schaffung einer neuen Theorie der Atome und Kräfte, die die physische Welt regieren. Ernest Rutherford, der in Neuseeland geborene Physiker, der den Atomkern entdeckte, schrieb 1924 im Rückblick auf die vorangegangenen Jahrzehnte der Quantentheorie: „1896 … markierte den Beginn dessen, was man treffend als das heroische Zeitalter der Physik bezeichnet. Nie zuvor in der Geschichte der Physik hat es eine solche fieberhafte Aktivität gegeben, in der einige grundlegend bedeutende Entdeckungen in halsbrecherischer Geschwindigkeit durch andere ersetzt wurden.
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Der Begriff "Quanten" tauchte 1900 dank der Arbeit von Max Planck in der Physik auf. Er versuchte, die von erhitzten Körpern ausgehende Strahlung – die sogenannte „Strahlung eines vollständig schwarzen Körpers“ – theoretisch zu beschreiben. Übrigens wurde der Wissenschaftler zu diesem Zweck von einer Firma angeheuert, die sich mit elektrischer Beleuchtung beschäftigt: So öffnen sich manchmal aus den prosaischsten Gründen die Türen des Universums. Planck fand heraus, dass die Eigenschaften der Schwarzkörperstrahlung nur durch die Annahme erklärt werden können, dass Licht in kleinen Energieportionen emittiert wird, die er Quanten nannte. Das Wort selbst bedeutet "Pakete" oder "diskret". Anfangs dachte er, es sei nur ein mathematischer Trick, aber Albert Einsteins Arbeit über den photoelektrischen Effekt aus dem Jahr 1905 stützte die Quantenhypothese. Die Ergebnisse waren überzeugend, da kleine Energiemengen gleichbedeutend mit Teilchen sein könnten.
Die Idee, dass Licht aus einem Strom kleiner Kugeln besteht, hat eine lange und illustre Geschichte, die bis zu Isaac Newton und der Geburt der modernen Physik zurückreicht. Doch 1864 schien der schottische Physiker James Clark Maxwell in einer Reihe von Arbeiten, die Albert Einstein später als „die tiefgreifendste und fruchtbarste, die die Physik seit Newton gekannt hat“, alle bestehenden Zweifel endgültig auszuräumen. Maxwell zeigte, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist, die sich im Weltraum ausbreitet, daher hatte die Idee von Licht als Welle einen einwandfreien und scheinbar unbestreitbaren Ursprung. In einer Reihe von Experimenten, die Arthur Compton und seine Kollegen an der Washington University in St. Louis durchführten, gelang es ihnen jedoch, Lichtquanten von Elektronen zu trennen. Beide verhielten sich eher wie Billardkugeln, was eindeutig bestätigte, dass Plancks theoretische Annahmen in der realen Welt eine solide Grundlage hatten. 1926 wurden Lichtquanten Photonen genannt. Der Beweis war unwiderlegbar: Licht verhält sich gleichzeitig als Welle und als Teilchen. Das bedeutete das Ende der klassischen Physik – und das Ende der Entstehungszeit der Quantentheorie.
Bereits im Alter von drei Jahren überraschte Michael Talbot seine Eltern. Er sprach lange und weigerte sich, Mr. und Mrs. Talbot Papa und Mama zu nennen. Das wunderbare Kind bevorzugte keine Säfte; Soda oder Milch und ... starker schwarzer Tee. Er saß im Lotussitz auf dem Boden und nippte an Tee aus einer Schüssel.
Michael „versuchte“ sich an Hellsehen, reiste aus dem Körper heraus, kommunizierte mit Außerirdischen. Er erinnerte sich: „Während meines Studiums am College fuhr ich eines Tages ein Auto und sah eine fliegende Untertasse. Ich hielt an, ging auf die Straße hinaus und starrte das außerirdische Schiff etwa fünf Minuten lang an. Dann ging ich weiter. Normalerweise dauerte der Weg von der Stelle, wo ich das UFO gesehen hatte, bis zum Haus eine halbe Stunde. Stellen Sie sich vor, wie überrascht ich war, als meine Familie mich angegriffen hat: „Wo bist du hin?!“. Es stellte sich heraus, dass fast ein ganzer Tag vergangen war!
In der Hoffnung, eine rationale Erklärung für die paranormalen Phänomene zu finden, die ihn verfolgten, wandte er sich der Wissenschaft zu. Michael suchte auf ungewöhnliche Weise nach Antworten: „Statt gesundem Menschenverstand habe ich tiefere intuitive Fähigkeiten eingesetzt. Auf den ersten Blick wanderte ich ziellos an den Regalen der Bibliothek vorbei. Ich wartete auf das richtige Buch, um mich zu „rufen“. Und ich verspürte wirklich den Drang aufzuhören. Meine Hand ging nach oben, nahm ein Buch aus dem Regal und öffnete es irgendwo in der Mitte. Erst danach sah ich mir den Titel an – es war die Zeitschrift Physics Today, Ausgabe September 1970, mit dem Artikel „Quantum Mechanics and Reality“ des Physikers Bruce de Witt.
Die bekannte These wurde in dem Artikel bewiesen: Die Welt um uns herum ist unsere materialisierte, wir sehen nur das, woran wir denken, was wir sehen wollen. De Witt schrieb, dass die Quantenphysik die Abhängigkeit der Realität vom menschlichen Verstand entdeckt habe. Die Veröffentlichung traf Talbot und er wurde ein echter Fan der Quantenphysik, die subatomare Teilchen - Quanten - untersucht. Dieselben Quanten kommunizieren auf erstaunliche Weise miteinander, wie Zwillinge, die sich in großer Entfernung fühlen, Informationen werden sofort von Quant zu Quant übertragen! Als sich das Phänomen bestätigte, stürzten die Physiker ihr Idol Einstein beinahe vom Sockel, denn laut Relativitätstheorie gibt es nichts auf der Welt, was sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen könnte, aber „augenblicklich“ bedeutet nur „ schneller als die Lichtgeschwindigkeit“!
Den Widerspruch löste der Physiker David Bohm. Er bewies, dass Quanten keine Informationen durch Zeit und Raum übertragen, sie leben einfach in einer Dimension, in der Informationen überall und gleichzeitig vorhanden sind, dh Informationen nicht lokal, sondern im Gegenteil vollständig und umfassend sind. Bohm machte den sensationellen Vorschlag, dass das Verhalten von Quanten auf mysteriöse Weise mit ... dem Denken von Wissenschaftlern und denen, die sie beobachten, zusammenhängt. Quanten verhalten sich in dem Moment, in dem sie beobachtet werden, ordentlich, „anständig“, aber sobald der Forscher für eine Minute abgelenkt ist, kehrt das ursprüngliche Chaos in die Welt der subatomaren Teilchen zurück! Echte Quanten zu sehen, ist laut David Bohm so unmöglich wie das wahre Selbst im Spiegel zu sehen. Wenn man sich dem Spiegel nähert, bereitet man sich unbewusst darauf vor, sein Spiegelbild zu treffen, und wird dadurch so reflektiert, wie man es erwartet, sich selbst zu sehen.
Aber wie schaffen es Quanten, Experimentatoren vorherzusagen? Darauf antwortet Bohm so: Die Gehirne von Wissenschaftlern und allen anderen Menschen (sowie alles im Universum im Allgemeinen) bestehen auch aus subatomaren Teilchen. Die Quants leben in der Welt der totalen Information, also kostet es diejenigen von ihnen, die beobachtet werden, nichts, herauszufinden, was die Quants von ihnen wollen, die das Gehirn des Beobachters ausmachen :)
Subatomare Teilchen sorgten für eine weitere Überraschung der Physiker. Es stellte sich heraus, dass sie, wenn sie in großer Zahl gruppiert werden, aufhören, sich wie Individuen zu verhalten und ein echtes kollektives Bewusstsein zeigen.
Bohm kam zu dem Schluss, dass in jedem Quant die gleiche Information kodiert ist und es ausreicht, das gesamte Universum zu reproduzieren! Mit anderen Worten, das Universum als Ganzes ist in gefalteter Form in jedem seiner mikroskopisch kleinen Teile enthalten (einschließlich der DNA jeder Person). Etwas Ähnliches wurde vom Buddha gesagt und vom romantischen Dichter William Blake aus dem 18. Jahrhundert in lyrischer Form ausgedrückt:
In einem Moment - um die Ewigkeit zu sehen,
Die weite Welt ist in einem Sandkorn,
In einer einzigen Handvoll - Unendlichkeit
Und der Himmel ist in einer Tasse einer Blume ..
Die Quantentheorie beschreibt ein Universum, in dem sich ein Teilchen gleichzeitig an mehreren Orten aufhalten und sich sofort von einem Ort zum anderen bewegen kann. Dieses Konzept setzt unserer Arroganz eine Grenze, denn die Welt ist viel komplexer und vielfältiger, als es scheint. Die Gesetze der Quantentheorie sind jedoch so einfach, dass sie auf die Rückseite eines Briefumschlags geschrieben werden können.
Funktionsweise der Audiokomprimierung
Die Zerlegung einer Welle in ihre Bestandteile Sinuswellen ist die Grundlage der Audiokompressionstechnologie. Stellen Sie sich Schallwellen vor, die Ihre Lieblingsmelodie bilden. Diese komplexe Welle lässt sich in ihre Bestandteile zerlegen. Eine absolut genaue Wiedergabe des Originaltons erfordert viele einzelne Sinuswellen, von denen jedoch viele weggelassen werden können, was die Wahrnehmung der Qualität der Audioaufnahme überhaupt nicht beeinträchtigt.
„Leere“ Atome
Von innen ist das Atom etwas Seltsames. Stellt man sich auf ein Proton und schaut von dort in den inneratomaren Raum, sieht man nur Leere. Die Elektronen werden zu klein sein, um sie zu sehen, selbst wenn sie sich auf Armeslänge befinden, aber das ist auch unwahrscheinlich. Steht man „auf dem Proton“ vor der Küste Englands, dann liegen die vagen Grenzen des Atoms irgendwo auf den Farmen Nordfrankreichs.
Ein Universum von der Größe einer Grapefruit
Ein angenehmer Bonus bei der Arbeit mit elementaren Materiefragmenten, die keine Größe haben, besteht darin, dass wir uns leicht vorstellen können, dass das gesamte sichtbare Universum einst zu einem Objekt von der Größe einer Grapefruit oder sogar eines Stecknadelkopfs komprimiert wurde. So schwindelig solche Gedanken auch sein mögen, es gibt keinen Grund, eine solche Komprimierung für unmöglich zu erklären.
Quantensprung
Stellen Sie sich vor, wir stecken Elektron 1 in Atom 1 und Elektron 2 in Atom 2. Nach einer Weile wird die Aussage „Elektron 1 ist noch in Atom 1“ keinen Sinn mehr machen. Es kann auch in Atom 2 sein, denn es besteht immer die Möglichkeit, dass das Elektron einen Quantensprung gemacht hat. Alles, was passieren kann, passiert, und Elektronen könnten in einem Augenblick um das gesamte Universum herumfliegen.
Higgs-Bosonen
Peter Higgs schlug vor, dass der leere Raum voller Teilchen ist. Sie interagieren ständig und ohne Pause mit allen massiven Teilchen im Universum, verlangsamen selektiv ihre Bewegung und erzeugen Masse. Das Ergebnis der Wechselwirkungen zwischen gewöhnlicher Materie und einem mit Higgs-Teilchen gefüllten Vakuum ist, dass die formlose Welt vielfältig wird, bewohnt von Sternen, Galaxien und Menschen.
Zwei englische Physiker, von denen der eine Elementarteilchen studiert (Brian Cox), der andere Professor am Department of Theoretical Physics der University of Manchester (Jeff Forshaw) ist, führen uns in das fundamentale Modell der Welt ein.
Mit einer verständlichen Sprache, zahlreichen Zeichnungen und guten Analogien konnten die Autoren die schwer verständlichen Konzepte der Quantenphysik erklären.
Brian Cox, Jeff Forshaw:
Das Ziel dieses Buches ist es, die Quantentheorie zu entmystifizieren, ein theoretisches Konstrukt, das zu viele verwirrt hat, darunter sogar die Pioniere der Branche. Wir beabsichtigen, eine moderne Perspektive zu verwenden, indem wir die im Laufe der Jahrhunderte der Rückschau und Theorieentwicklung gelernten Lektionen verwenden. Zu Beginn der Reise werden wir jedoch zum Beginn des 20. Jahrhunderts vorspulen und einige der Probleme untersuchen, die die Physiker dazu zwangen, radikal von dem abzuweichen, was früher als Mainstream der Wissenschaft galt.
1. Etwas Seltsames kommt
Die Quantentheorie ist vielleicht das beste Beispiel dafür, wie das, was für die meisten Menschen unendlich schwer zu verstehen ist, äußerst nützlich wird. Es ist schwer zu verstehen, weil es eine Welt beschreibt, in der sich ein Teilchen tatsächlich an mehreren Orten gleichzeitig aufhalten und sich von einem Ort zum anderen bewegen und dabei das gesamte Universum erforschen kann. Wir fanden heraus, dass alles aus vielen winzigen Teilchen besteht, die sich nach den Gesetzen der Quantentheorie bewegen. Diese Gesetze sind so einfach, dass sie auf die Rückseite eines Umschlags geschrieben werden können. Und die Tatsache, dass nicht eine ganze Bibliothek benötigt wird, um die tiefe Natur der Dinge zu erklären, ist an sich schon eines der größten Mysterien der Welt.
2. An zwei Orten gleichzeitig
Die ungewöhnlichsten Vorhersagen der Quantentheorie zeigen sich normalerweise im Verhalten kleiner Objekte. Da aber große Objekte aus kleinen bestehen, bedarf es unter Umständen der Quantenphysik, um die Eigenschaften eines der größten Objekte im Universum, der Sterne, zu erklären.
3. Was ist ein Teilchen?
Nachdem wir festgestellt haben, dass die Beschreibung des Elektrons in vielerlei Hinsicht das Verhalten von Wellen nachahmt, müssen wir genauere Konzepte der Wellen selbst entwickeln. Beginnen wir damit, zu beschreiben, was in einem Wassertank passiert, wenn sich zwei Wellen treffen, vermischen und gegenseitig stören. Stellen wir die Wellenhochs als Uhren mit einem 12-Uhr-Zeiger und die Wellentiefs als Uhren mit einem 6-Uhr-Zeiger dar. Wir können auch Wellenpositionen zwischen dem Minimum und dem Maximum darstellen, indem wir Uhren mit Zwischenzeiten zeichnen, wie im Fall der Phasen zwischen Neu- und Vollmond.
4. Alles, was passieren kann, passiert wirklich
Heisenbergsche Unschärferelation
In seiner ursprünglichen Arbeit konnte Heisenberg die Beziehung zwischen der Genauigkeit der Messung der Position und des Impulses eines Teilchens erkennen. Die Heisenbergsche Unschärferelation ist einer der am meisten missverstandenen Teile der Quantentheorie, ein Weg, auf dem alle möglichen Scharlatane und Unsinnlieferanten ihren philosophischen Unsinn treiben.
Ableitung der Heisenbergschen Unschärferelation aus der Ziffernblatttheorie
Drei Zifferblätter, die die gleiche Uhrzeit anzeigen und sich auf derselben Linie befinden, beschreiben das Teilchen, das sich im ersten Moment irgendwo im Bereich dieser Zifferblätter befindet. Uns interessiert, wie groß die Wahrscheinlichkeit ist, zu einem späteren Zeitpunkt ein Teilchen am Punkt X zu finden.
Eine kurze Geschichte der Planckschen Konstante
Planck zerstörte die ersten Steine in der Grundlage von Maxwells Lichtkonzept und zeigte, dass die Energie des Lichts, das von einem erhitzten Körper ausgestrahlt wird, nur beschrieben werden kann, wenn es in Quanten emittiert wird.
Zurück zur Heisenbergschen Unschärferelation
Die von uns entwickelte Theorie der Quantenmechanik besagt, dass ein Sandkorn, wenn es irgendwann platziert wird, später irgendwo anders im Universum landen kann. Aber es ist offensichtlich, dass dies bei echten Sandkörnern nicht der Fall ist. Die erste zu beantwortende Frage lautet: Wie oft drehen sich die Zeiger der Uhr, wenn wir ein Teilchen mit der Masse eines Sandkorns in einer Sekunde etwa 0,001 mm weit bewegen?
5. Bewegung als Illusion
Nachdem wir die Anfangsgruppe mit Hilfe von Uhren eingestellt hatten, die unterschiedliche und nicht die gleiche Zeit zeigten, kamen wir zur Beschreibung eines sich bewegenden Teilchens. Interessanterweise können wir eine sehr wichtige Verbindung zwischen verschobenen Uhren und Wellenverhalten herstellen.
Wave-Pakete
Ein Teilchen mit einem bekannten Impuls wird durch eine große Gruppe von Zifferblättern beschrieben. Genauer gesagt wird ein Teilchen mit genau bekanntem Impuls durch eine unendlich lange Gruppe von Uhren beschrieben, was ein unendlich langes Wellenpaket bedeutet.
6. Musik der Atome
Jetzt können wir unser gesammeltes Wissen anwenden, um die Frage zu lösen, die Rutherford, Bohr und andere Wissenschaftler in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts verwirrte: Was genau passiert im Inneren des Atoms? …Hier werden wir zum ersten Mal versuchen, mit Hilfe unserer Theorie die Phänomene der realen Welt zu erklären.
Atomkiste
Wir scheinen uns eine richtige Sicht der Atome erarbeitet zu haben. Aber trotzdem stimmt etwas nicht. Es fehlt das letzte Puzzleteil, ohne das die Struktur von Atomen, die schwerer als Wasserstoff sind, nicht erklärt werden kann. Prosaischer gesagt, wir erklären auch nicht, warum wir nicht tatsächlich durch den Boden fallen, was unserer wunderbaren Naturtheorie Probleme bereitet.
7. Das Universum auf einem Stecknadelkopf (und warum wir nicht durch den Boden fallen)
Materie kann nur stabil sein, wenn Elektronen dem sogenannten Pauli-Prinzip gehorchen, einem der erstaunlichsten Phänomene in unserem Quantenuniversum.
8. Interdependenz
Bisher haben wir uns intensiv mit der Quantenphysik isolierter Teilchen und Atome beschäftigt. Unsere physische Erfahrung ist jedoch mit der Wahrnehmung vieler zusammen gruppierter Atome verbunden, und deshalb ist es an der Zeit zu verstehen, was passiert, wenn sich Atome zusammengruppieren.
9. Moderne Welt
Der Transistor ist die wichtigste Erfindung der letzten 100 Jahre: Die moderne Welt ist auf der Halbleitertechnologie aufgebaut und geprägt.
10. Interaktion
Beginnen wir mit der Formulierung der Gesetze der ersten offenen Quantenfeldtheorie – der Quantenelektrodynamik, abgekürzt als QED. Die Ursprünge dieser Theorie reichen bis in die 1920er Jahre zurück, als Dirac besonders erfolgreich darin war, Maxwells elektromagnetische Theorie auf eine Quantenbasis zu stellen.
Das Problem der Messung in der Quantentheorie
Wir können in dem Glauben voranschreiten, dass sich die Welt durch die Messung irreversibel verändert hat, obwohl nichts dergleichen tatsächlich passiert ist. Aber all das ist nicht so wichtig, wenn es um die ernsthafte Aufgabe geht, die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, dass beim Aufbau eines Experiments etwas passiert.
Antimaterie
Elektronen, die sich zeitlich rückwärts bewegen, sehen aus wie "Elektronen mit positiver Ladung". Solche Teilchen existieren und werden "Positronen" genannt.
11. Leerer Raum ist nicht so leer.
Das Vakuum ist ein sehr interessanter Ort voller Möglichkeiten und Hindernisse auf dem Weg der Teilchen.
Standardmodell der Teilchenphysik
Das Standardmodell enthält eine Heilung für die Krankheit mit hoher Wahrscheinlichkeit, und diese Heilung ist als Higgs-Mechanismus bekannt. Wenn es wahr ist, dann sollte der Large Hadron Collider ein weiteres natürliches Teilchen entdecken, das Higgs-Boson, wonach sich unsere Ansichten über den Inhalt des leeren Raums dramatisch ändern sollten.
Ursprung der Masse
Die Frage nach dem Ursprung der Masse ist insofern besonders bemerkenswert, als die Antwort darauf wertvoller ist als unser offensichtlicher Wunsch zu wissen, was Masse ist. Lassen Sie uns versuchen, diesen ziemlich mysteriösen und seltsam konstruierten Satz genauer zu erklären.
Epilog: Tod der Sterne
Wenn sie sterben, enden viele Sterne als superdichte Kugeln aus nuklearer Materie, die mit vielen Elektronen verschlungen ist. Das sind die sogenannten Weißen Zwerge. Dies wird das Schicksal unserer Sonne sein, wenn ihr in etwa 5 Milliarden Jahren der Kernbrennstoff ausgeht.
Zum Weiterlesen
Wir haben viele andere Werke bei der Erstellung dieses Buches verwendet, und einige von ihnen verdienen besondere Erwähnung und Empfehlung.
Cox B., Forshaw D. Das Quantenuniversum.
Wie kommt es, dass wir nicht sehen können. M.: MIF. 2016.
