Eine neue Herangehensweise an das Problem der Quantengravitation, um das sich Wissenschaftler seit vielen Jahrzehnten ringen, kehrt zu den Grundlagen zurück und zeigt, wie sich die „Bausteine“, aus denen Raum und Zeit aufgebaut sind, „zusammensetzen“.
Wie sind Raum und Zeit entstanden? Wie haben sie die glatte 4D-Leere geschaffen, die als Hintergrund für unsere physische Welt dient? Wie sehen sie bei näherer Betrachtung aus? Fragen wie diese stellen sich an der Spitze der modernen Wissenschaft und treiben die Erforschung der Quantengravitation voran – die noch unvollendete Vereinigung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie mit der Quantentheorie. Die Relativitätstheorie beschreibt, wie Raum und Zeit im makroskopischen Maßstab unzählige Formen annehmen können, wodurch das entsteht, was wir Gravitation oder Gravitation nennen. Die Quantentheorie beschreibt die Gesetze der Physik auf atomarer und subatomarer Ebene, wobei die Auswirkungen der Schwerkraft vollständig ignoriert werden. Die Theorie der Quantengravitation muss in Quantengesetzen die Natur der Raumzeit auf den kleinsten Skalen – den Räumen zwischen den kleinsten bekannten Elementarteilchen – beschreiben und sie vielleicht durch einige fundamentale Komponenten erklären.
Der Hauptkandidat für diese Rolle wird oft als Superstring-Theorie bezeichnet, hat aber noch keine der brennenden Fragen beantwortet. Darüber hinaus deckte es, seiner eigenen internen Logik folgend, noch tiefere Schichten neuer exotischer Komponenten und Beziehungen zwischen ihnen auf, was zu einer erstaunlichen Vielfalt möglicher Ergebnisse führte.
WICHTIGSTE BESTIMMUNGEN
Es ist bekannt, dass die Quantentheorie und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie nicht zueinander passen. Physiker versuchen seit langem, sie zu einer einzigen Theorie der Quantengravitation zu verbinden, haben aber keinen großen Erfolg erzielt.
Der vorgeschlagene neue Ansatz führt keine exotischen Bestimmungen ein, sondern eröffnet einen neuen Weg, bekannte Gesetzmäßigkeiten auf einzelne Elemente der Raumzeit anzuwenden. Diese Elemente kommen zusammen wie Moleküle in einem Kristall.
Unser Ansatz zeigt, wie die uns bekannte vierdimensionale Raumzeit dynamisch aus grundlegenderen Komponenten hervorgehen kann. Darüber hinaus legt es nahe, wie diese Raumzeit im mikroskopischen Maßstab allmählich von einer glatten Kontinuität zu einer bizarren Fraktalität übergeht.
In den letzten Jahren hat sich unsere Arbeit zu einer vielversprechenden Alternative zu den ausgetretenen Pfaden der theoretischen Physik entwickelt. Nach dem einfachsten Rezept - man nehme ein paar Grundbausteine, setze sie nach bekannten Quantenprinzipien zusammen (ohne Exoten), gut mischen und stehen lassen - erhält man Quanten-Raumzeit. Der Prozess ist einfach genug, um auf einem Laptop-Computer simuliert zu werden.
Mit anderen Worten, wenn wir die leere Raumzeit (Vakuum) als eine Art nicht-materielle Substanz betrachten, die aus einer sehr großen Anzahl mikroskopisch kleiner strukturloser Elemente besteht, lassen wir sie nach den einfachen Regeln von miteinander interagieren die Gravitationstheorie und die Quantentheorie, dann werden sich diese Elemente spontan zu einem einzigen Ganzen organisieren, das in vielerlei Hinsicht genauso aussieht wie das beobachtbare Universum. Der Prozess ähnelt der Organisation von Molekülen zu einem kristallinen oder amorphen Festkörper.
Mit diesem Ansatz sieht die Raumzeit eher wie ein gewöhnlicher gemischter Braten aus als wie eine aufwändige Hochzeitstorte. Darüber hinaus ist unsere im Gegensatz zu anderen Ansätzen zur Quantengravitation sehr stabil. Wenn wir die Details unseres Modells ändern, ändert sich das Ergebnis kaum. Diese Resilienz lässt hoffen, dass wir auf dem richtigen Weg sind. Wenn das Ergebnis sensibel dafür wäre, wo wir jedes Stück unseres riesigen Ensembles platzierten, würden wir am Ende eine enorme Anzahl gleichermaßen wahrscheinlicher barocker Formen haben, was die Möglichkeit beseitigen würde, zu erklären, warum sich das Universum so entwickelt hat, wie es ist.
Ähnliche Mechanismen der Selbstorganisation und Selbstorganisation wirken in Physik, Biologie und anderen Wissenschaftsbereichen. Ein schönes Beispiel ist das Verhalten großer Vogelschwärme wie Stare. Einzelne Vögel interagieren nur mit einer kleinen Anzahl von Nachbarn; es gibt keinen Anführer, der ihnen erklären würde, was zu tun ist. Dennoch bildet und bewegt sich das Rudel als Ganzes und besitzt kollektive oder abgeleitete Eigenschaften, die im Verhalten einzelner Individuen nicht auftauchen.
Eine kurze Geschichte der Quantengravitation
Bisherige Versuche, die Quantenstruktur der Raumzeit als im Prozess der spontanen Entstehung entstehend zu erklären, brachten keinen nennenswerten Erfolg. Sie stammen aus der euklidischen Quantengravitation. Das Forschungsprogramm wurde Ende der 1970er Jahre gestartet. und wurde durch den Bestseller Brief History of Time des Physikers Stephen Hawking populär. Dieses Programm basiert auf dem Superpositionsprinzip, das grundlegend für die Quantenmechanik ist. Jedes Objekt, ob klassisch oder quantenmechanisch, befindet sich in einem bestimmten Zustand, der beispielsweise durch Position und Geschwindigkeit gekennzeichnet ist. Aber wenn der Zustand eines klassischen Objekts durch eine Reihe von Zahlen beschrieben werden kann, die nur ihm eigen sind, dann ist der Zustand eines Quantenobjekts viel reichhaltiger: Es ist die Summe aller möglichen klassischen Zustände.
Theorien der Quantengravitation
STRINGTHEORIE
Diese Theorie, die von den meisten theoretischen Physikern unterstützt wird, betrifft nicht nur die Quantengravitation, sondern alle Arten von Materie und Kräften. Es basiert auf der Vorstellung, dass alle Teilchen (einschließlich hypothetischer Schwerkraftträger) schwingende Saiten sind
LOOP QUANTUM SCHWERWICHT
Die Hauptalternative zur Stringtheorie. Es geht um eine neue Methode, die Regeln der Quantenmechanik auf Einsteins allgemeine Relativitätstheorie anzuwenden. Der Raum ist in diskrete "Volumenatome" unterteilt
Euklidische Quantengravitation
Ein durch den Physiker Stephen Hawking berühmt gewordener Ansatz basiert auf der Annahme, dass die Raumzeit aus einem gemeinsamen Quantendurchschnitt aller möglichen Formen entsteht. In dieser Theorie wird die Zeit als gleichbedeutend mit räumlichen Dimensionen betrachtet.
KAUSALE DYNAMISCHE TRIANGULATION
Dieser Ansatz, der Gegenstand dieses Artikels ist, ist eine moderne Version des euklidischen Ansatzes. Es basiert auf der Annäherung der Raumzeit durch ein Mosaik aus Dreiecken mit der anfänglichen Unterscheidung zwischen Raum und Zeit. Im Kleinen nimmt die Raumzeit eine fraktale Struktur an
So bewegt sich beispielsweise eine klassische Billardkugel entlang einer bestimmten Bahn, deren Position und Geschwindigkeit jederzeit genau bestimmt werden können. Bei einem viel kleineren Elektron liegen die Dinge anders. Seine Bewegung gehorcht Quantengesetzen, nach denen ein Elektron an vielen Orten gleichzeitig existieren und viele Geschwindigkeiten haben kann. Ohne äußere Einflüsse von Punkt A nach Punkt B bewegt sich das Elektron nicht geradlinig, sondern auf allen möglichen Bahnen gleichzeitig. Ein qualitatives Bild aller möglichen Wege seiner Bewegung, gesammelt, verwandelt sich in ein rigoroses mathematisches "Rezept" für die Quantenüberlagerung, formuliert von Nobelpreisträger Richard Feynman, und gibt einen gewichteten Durchschnitt aller individuellen Möglichkeiten.
Unter Verwendung des vorgeschlagenen Rezepts kann man die Wahrscheinlichkeit berechnen, ein Elektron in einem bestimmten Bereich von Positionen und Geschwindigkeiten zu finden, die von der direkten Bahn entfernt sind, auf der es sich nach den Gesetzen der klassischen Mechanik bewegen müsste. Eine charakteristische Eigenschaft des quantenmechanischen Verhaltens eines Teilchens sind Abweichungen von einer einzigen klaren Flugbahn, der sogenannten. Quantenfluktuationen. Je kleiner das betrachtete physikalische System ist, desto größer ist die Rolle von Quantenfluktuationen.
In der euklidischen Quantengravitation gilt das Prinzip der Superposition für das gesamte Universum als Ganzes. Die Überlagerung besteht in diesem Fall nicht aus unterschiedlichen Bahnen des Teilchens, sondern aus den möglichen Bahnen der zeitlichen Entwicklung des Universums, insbesondere der Formen der Raumzeit. Um das Problem auf eine Lösung zu reduzieren, betrachten Physiker normalerweise nur die allgemeine Form und Größe der Raumzeit und nicht jede denkbare Verzerrung davon (siehe: Jonathan J. Halliwell. Quantum Cosmology and the Creation of the Universe // Scientific American, Dezember 1991 ).
In den 1980er bis 1990er Jahren Die Forschung auf dem Gebiet der euklidischen Quantengravitation hat einen langen Weg zurückgelegt, verbunden mit der Entwicklung leistungsfähiger Computersimulationswerkzeuge. Die verwendeten Modelle repräsentierten die Geometrien der gekrümmten Raumzeit unter Verwendung von elementaren "Ziegeln", die der Einfachheit halber als dreieckig betrachtet wurden. Dreiecksnetze können gekrümmte Oberflächen effektiv annähern, weshalb sie häufig in der Computeranimation verwendet werden. Bei der Raum-Zeit-Modellierung sind diese elementaren „Bausteine“ Verallgemeinerungen von Dreiecken in Bezug auf den vierdimensionalen Raum und werden als 4-Simplices bezeichnet. So wie das Zusammenkleben von Dreiecken mit ihren Kanten gekrümmte 2D-Oberflächen erzeugt, erzeugt das Zusammenkleben der "Flächen" von 4D-Simplices (die 3D-Tetraeder sind) ein 4D-Raum-Zeit-Modell.
Die "Steine" selbst haben keine direkte physikalische Bedeutung. Wenn die Raumzeit unter einem superstarken Mikroskop betrachtet werden könnte, wären keine Dreiecke sichtbar. Sie sind nur Annäherungen. Die einzige Information, die physikalisch Sinn macht, ist in ihrem kollektiven Verhalten in der Vorstellung enthalten, dass jeder von ihnen auf Größe Null geschrumpft ist. In dieser Grenze spielt die Geometrie der "Ziegel" (sei es dreieckig, kubisch, fünfeckig oder irgendeine Mischung dieser Formen) keine Rolle.
Unempfindlichkeit gegenüber einer Vielzahl kleiner Details wird oft als Vielseitigkeit bezeichnet. Ein bekanntes Phänomen der statistischen Physik, die die Bewegung von Molekülen in Gasen und Flüssigkeiten untersucht: Moleküle verhalten sich unabhängig von ihrer Zusammensetzung nahezu gleich. Universalität ist mit den Eigenschaften von Systemen verbunden, die aus einer großen Anzahl einzelner Elemente bestehen, und manifestiert sich in einem Maßstab, der viel größer ist als der Maßstab einer einzelnen Komponente. Eine ähnliche Aussage für einen Vogelschwarm ist, dass die Färbung, Größe, Spannweite und das Alter einzelner Vögel nichts mit dem Verhalten des gesamten Schwarms zu tun haben. Auf makroskopischer Ebene zeigen sich nur sehr wenige mikroskopische Details.
zusammenzucken
Mit Hilfe von Computermodellen begannen Forscher der Quantengravitation, die Auswirkungen der Überlagerung von Raum-Zeit-Formen zu untersuchen, die mit den Methoden der klassischen Relativitätstheorie nicht untersucht werden können, insbesondere stark gekrümmt in sehr kleinen Entfernungen. Dieses sogenannte nicht störende Regime ist für Physiker am interessantesten, aber es ist fast unmöglich, es ohne den Einsatz von Computern zu analysieren.
BESCHREIBUNG DER FORM DES RAUMS
MOSAIK AUS DREIECKENUm zu bestimmen, wie sich der Raum selbst formt, müssen Physiker zunächst einen Weg finden, seine Form zu beschreiben. Sie beschreiben es in Form von Dreiecken und ihren hochdimensionalen Gegenstücken, deren Mosaik es ermöglicht, gekrümmte Formen anzunähern. Die Krümmung an einem bestimmten Punkt wird durch den Gesamtwinkel bestimmt, der von den Dreiecken subtrahiert wird, die diesen Punkt umgeben. Bei einer ebenen Fläche beträgt dieser Winkel genau 360°, bei gekrümmten Flächen kann er kleiner oder größer sein.
Leider haben Simulationen gezeigt, dass die euklidische Quantengravitation wichtige Verhaltenskomponenten nicht berücksichtigt. Alle nicht störenden Überlagerungen im vierdimensionalen Universum erwiesen sich als prinzipiell instabil. Die kleinen Quantenfluktuationen der Krümmung, die die verschiedenen überlagerten Universen charakterisieren, die zum Durchschnitt beitragen, heben sich nicht auf, sondern verstärken sich gegenseitig, wodurch der gesamte Raum zu einer kleinen Kugel mit unendlich vielen Dimensionen schrumpft. In einem solchen Raum bleibt der Abstand zwischen zwei beliebigen Punkten immer sehr klein, auch wenn sein Volumen riesig ist. In einigen Fällen geht der Raum ins andere Extrem über, wird extrem dünn und ausgedehnt, wie ein Polymer mit vielen Verzweigungen. Keine dieser Möglichkeiten ist unserem realen Universum ähnlich.
Bevor wir noch einmal zu den Annahmen zurückkehren, die die Physiker in eine Sackgasse geführt haben, betrachten wir eine Kuriosität des Ergebnisses. Die „Bausteine“ sind vierdimensional, aber zusammen bilden sie entweder einen Raum mit unendlich vielen Dimensionen (ein schrumpfendes Universum) oder einen zweidimensionalen Raum (ein Polymeruniversum). Als die Annahme großer Quantenfluktuationen im Vakuum den Geist aus der Flasche ließ, wurde es möglich, die grundlegendsten Konzepte wie Dimensionen zu ändern. Vielleicht hätte die klassische Gravitationstheorie, in der die Anzahl der Dimensionen immer als sicher angenommen wird, ein solches Ergebnis nicht vorhersehen können.
Eine Konsequenz mag für Science-Fiction-Fans etwas enttäuschend sein. Science-Fiction-Autoren verwenden oft das Konzept von Raum-Zeit-Tunneln, als ob sie es ermöglichen würden, weit voneinander entfernte Bereiche näher zusammenzubringen. Sie bestechen durch die vielversprechende Möglichkeit der Zeitreise und Signalübertragung mit Lichtgeschwindigkeit. Trotz der Tatsache, dass nichts dergleichen jemals beobachtet wurde, geben Physiker zu, dass solche Tunnel im Rahmen der noch nicht geschaffenen Theorie der Quantengravitation rehabilitiert werden könnten. Angesichts des negativen Ergebnisses von Computersimulationen der euklidischen Quantengravitation erscheint die Existenz solcher Tunnel äußerst unwahrscheinlich. Raum-Zeit-Tunnel haben so viele Variationen, dass sie die Superposition dominieren müssen, wodurch sie instabil wird, sodass das Quantenuniversum niemals über eine kleine, aber hochgradig vernetzte Gesamtheit hinauswachsen kann.
ANWENDUNG DER QUANTENREGELN AUF DIE RAUMZEIT
DURCHSCHNITTDie Raumzeit kann sehr viele verschiedene Formen annehmen. Gemäß der Quantentheorie ist die Form, die wir am ehesten sehen, eine Überlagerung oder ein gewichteter Durchschnitt aller möglichen Formen. Beim Zusammensetzen von Formen aus Dreiecken weisen Theoretiker jedem von ihnen ein Gewicht zu, abhängig von der spezifischen Art und Weise, wie diese Dreiecke beim Konstruieren einer bestimmten Form verbunden sind. Die Autoren fanden heraus, dass Dreiecke bestimmte Regeln befolgen müssen, damit der resultierende Durchschnitt mit dem beobachteten realen Universum übereinstimmt, insbesondere eingebaute „Pfeile“, die die Richtung der Zeit anzeigen
Was könnte die Wurzel des Problems sein? Auf der Suche nach Lücken und „losen Enden“ im euklidischen Ansatz stießen wir auf eine Schlüsselidee – eine Komponente, die für die Möglichkeit, unseren gemischten Braten zuzubereiten, unbedingt erforderlich ist: Der Code des Universums muss das Prinzip der Kausalität enthalten, d.h. die Struktur des Vakuums muss die Möglichkeit einer eindeutigen Unterscheidung von Ursache und Wirkung bieten. Kausalität ist ein integraler Bestandteil der klassischen partikularen und allgemeinen Relativitätstheorie.
Kausalität ist in der euklidischen Quantengravitation nicht enthalten. Die Definition von „euklidisch“ bedeutet, dass Raum und Zeit als gleichwertig angesehen werden. Die in der euklidischen Superposition enthaltenen Universen haben vier räumliche Dimensionen statt einer zeitlichen und drei räumlichen. Da die euklidischen Universen kein separates Zeitkonzept haben, haben sie keine Struktur, die es erlaubt, Ereignisse in einer bestimmten Reihenfolge anzuordnen. Die Bewohner solcher Universen können nicht die Konzepte von „Ursache“ und „Wirkung“ haben. Hawking und andere euklidische Wissenschaftler haben gesagt, dass "Zeit imaginär" ist, sowohl im mathematischen als auch im umgangssprachlichen Sinne. Sie hofften, dass Kausalität als makroskopische Eigenschaft aus mikroskopischen Quantenfluktuationen entstehen würde, die einzeln keine Anzeichen einer kausalen Struktur aufweisen. Doch die Computersimulation machte ihre Hoffnungen zunichte.
EINE VÖLLIG NEUE DIMENSION IM RAUM
Im normalen Leben ist die Raumdimension die minimale Anzahl von Dimensionen, die erforderlich sind, um die Position eines Punktes zu bestimmen, wie z. B. Länge, Breite und Höhe. Diese Definition basiert auf der Annahme, dass der Raum kontinuierlich ist und den Gesetzen der klassischen Physik unterliegt. Und wenn sich der Raum nicht so einfach verhält? Was, wenn seine Form von Quantenprozessen bestimmt wird, die sich im gewöhnlichen Leben nicht manifestieren? In solchen Fällen müssen Physiker und Mathematiker einen differenzierteren Begriff der Dimension entwickeln. Die Anzahl der Dimensionen muss nicht einmal unbedingt eine ganze Zahl sein, wie im Fall von Fraktalen – Strukturen, die in allen Maßstäben gleich aussehen.
ALLGEMEINE DIMENSIONALE DEFINITIONEN
Hausdorff-Dimension
Die Anfang des 20. Jahrhunderts formulierte Definition. Der deutsche Mathematiker Felix Hausdorff geht von der Abhängigkeit des Volumens V der Region von ihrer linearen Größe r aus. Im gewöhnlichen dreidimensionalen Raum ist V proportional zu $r^3$. Der Exponent in dieser Beziehung ist die Anzahl der Messungen. "Volumen" kann als anderer Indikator für die Gesamtgröße angesehen werden, wie z. B. Fläche. Im Fall der Sierpinski-Dichtung ist V proportional zu $r^(1,5850)$. Dieser Umstand spiegelt die Tatsache wider, dass diese Figur nicht die gesamte Fläche ausfüllt
Spektrale Dimension
Diese Definition charakterisiert die Ausbreitung eines Objekts oder Phänomens in der Umwelt im Laufe der Zeit, sei es ein Tintentropfen in einem Gefäß mit Wasser oder eine Krankheit in einer Bevölkerung. Jedes Wassermolekül oder Individuum in einer Population hat eine bestimmte Anzahl von nächsten Nachbarn, die die Geschwindigkeit der Tintendiffusion oder der Ausbreitung von Krankheiten bestimmen. In einer 3D-Umgebung wächst die Größe einer Tintenwolke proportional zur Zeit mit 3/2. Bei Sierpińskis Tampon muss die Tinte durch die geschwungene Form sickern, damit sie sich langsamer ausbreitet – proportional zur Zeit hoch 0,6826, was einer spektralen Dimension von 1,3652 entspricht
Anwendung von Definitionen
Im allgemeinen Fall ergeben unterschiedliche Arten der Dimensionsberechnung unterschiedliche Anzahlen von Dimensionen, da sie von unterschiedlichen Merkmalen der Geometrie ausgehen. Bei einigen geometrischen Formen ist die Anzahl der Dimensionen nicht konstant. Insbesondere kann die Diffusion bis zu einem konstanten Grad eine komplexere Funktion als die Zeit sein.
Bei der Modellierung der Quantengravitation liegt der Schwerpunkt auf der spektralen Dimension. Eine kleine Menge einer Substanz wird in einen elementaren Baustein des Quanten-Raum-Zeit-Modells eingebracht. Von diesem Ziegelstein breitet es sich zufällig aus. Die Gesamtzahl der Raum-Zeit-Bausteine, die diese Substanz in einem bestimmten Zeitraum erreicht, bestimmt die spektrale Dimension
Anstatt die Kausalität zu vernachlässigen, wenn wir getrennte Universen verbinden, in der Erwartung, dass sie aus der kollektiven Weisheit der Superposition hervorgehen würden, haben wir uns dafür entschieden, die Kausalität in einem viel früheren Stadium einzubeziehen. Wir nannten unsere Methode dynamische Triangulation. Wir haben jedem Simplex einen Zeitpfeil zugeordnet, der von der Vergangenheit in die Zukunft zeigt. Dann haben wir die kausale „Klebe“-Regel eingeführt: Zwei Simplexe müssen so geklebt werden, dass ihre Pfeile ausgerichtet sind. Das Zeitkonzept in den zusammenzuklebenden Simplizes muss dasselbe sein: Die Zeit muss mit konstanter Geschwindigkeit in Richtung dieser Pfeile fließen, ohne anzuhalten oder umzukehren. Der Raum muss im Laufe der Zeit seine Gesamtform behalten, darf nicht in einzelne Teile zerfallen und darf keine Raum-Zeit-Tunnel bilden.
Nachdem wir diese Strategie 1998 formuliert hatten, zeigten wir an extrem vereinfachten Modellen, dass die Regeln zum Kleben von Simplizes zu einer makroskopischen Form führen, die sich von der euklidischen Quantengravitation unterscheidet. Das war ermutigend, bedeutete aber nicht, dass die akzeptierten Kleberegeln ausreichten, um die Stabilität des gesamten vierdimensionalen Universums zu gewährleisten. So hielten wir den Atem an, als unser Computer 2004 fast bereit war, uns die ersten Berechnungen der kausalen Superposition vierdimensionaler Simplizes zu liefern. Wird sich diese Raumzeit in großen Entfernungen wie ein ausgedehntes vierdimensionales Objekt verhalten und nicht wie eine verschrumpelte Kugel oder ein Polymer?
Stellen Sie sich unsere Freude vor, als sich herausstellte, dass die Anzahl der Dimensionen des berechneten Universums 4 (genauer 4,02 ± 0,1) betrug. Dies war das erste Mal, dass die Anzahl der Dimensionen gleich der beobachteten aus den Grundprinzipien abgeleitet wurde. Die Einführung des Kausalitätskonzepts in das Quantengravitationsmodell ist heute der einzig bekannte Weg, mit den Instabilitäten der Überlagerung von Raum-Zeit-Geometrien umzugehen.
Raumzeit im Allgemeinen
Diese Simulation war die erste einer laufenden Reihe von Computerexperimenten, in denen wir versuchen, die physikalischen und geometrischen Eigenschaften der Quantenraumzeit durch Computersimulationen abzuleiten. Unser nächster Schritt bestand darin, die Form der Raumzeit in großen Entfernungen zu untersuchen und ihre Übereinstimmung mit der realen Welt zu überprüfen, d.h. Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Im Fall von störungsfreien Modellen der Quantengravitation, die keine A-priori-Annahme über die Form der Raumzeit enthalten, ist ein solcher Test sehr schwierig – so sehr, dass dies bei den meisten Ansätzen zur Quantengravitation, einschließlich der Stringtheorie, mit Ausnahme von Sonderfällen der Fall ist , reicht der erzielte Erfolg für die Durchführung nicht aus.
TIEFE IN DIE RAUMZEIT
Nach den Berechnungen der Autoren nimmt die spektrale Dimension der Raumzeit von vier (an der Grenze des großen Maßstabs) auf zwei (an der Grenze des kleinen Maßstabs) ab, und die kontinuierliche Raumzeit bricht auseinander und wird zu a verzweigtes Fraktal. Ob diese Schlussfolgerung bedeutet, dass die Raumzeit letztendlich aus lokalisierten „Atomen“ besteht, oder ob sie aus mikroskopischen Strukturen aufgebaut ist, die sehr lose mit dem üblichen Begriff der Geometrie verbunden sind, können die Physiker noch nicht verstehen.
Wie sich herausstellte, ist es für das Funktionieren unseres Modells von Anfang an notwendig, die sogenannte kosmologische Konstante einzuführen - eine unsichtbare und immaterielle Substanz, die auch ohne andere Formen von Materie und im Raum enthalten ist Energie. Diese Notwendigkeit ist eine gute Nachricht, da Kosmologen die Existenz dieser Konstante experimentell bestätigt haben. Darüber hinaus entsprach die erhaltene Form der Raumzeit der de Sitter-Geometrie, d.h. Lösen von Einsteins Gleichungen für ein Universum, das nichts als die kosmologische Konstante enthält. Es ist wirklich bemerkenswert, dass das Zusammenfügen eines Ensembles mikroskopisch kleiner „Bausteine“ auf nahezu zufällige Weise – ohne Annahme von Symmetrie oder bevorzugter geometrischer Struktur – zu einer Raumzeit führte, die im Großen und Ganzen die hochsymmetrische Form von hat Das de Sitter-Universum.
Die dynamische Entstehung eines vierdimensionalen Universums von nahezu regelmäßiger geometrischer Form aus den Grundprinzipien ist zu einer zentralen Errungenschaft unserer Modellierung geworden. Die Frage, ob dieses herausragende Ergebnis im Rahmen von Vorstellungen über die Wechselwirkung einiger noch nicht etablierter „Atome“ der Raumzeit verstanden werden kann, ist das Ziel unserer laufenden Forschung. Da wir gesehen haben, dass unser Modell der Quantengravitation eine Reihe klassischer Tests bestanden hat, ist es an der Zeit, sich Experimenten anderer Art zuzuwenden – um die charakteristische Quantenstruktur der Raumzeit aufzudecken, die Einsteins klassische Theorie nicht enthüllen konnte. In einem dieser Experimente modellierten wir den Diffusionsprozess: Wir führten ein geeignetes Analogon eines Tintentropfens in eine Überlagerung von Universen ein und beobachteten, wie es sich ausbreitet und durch Quantenfluktuationen gestört wird. Das Ermitteln der Größe der Tintenwolke im Laufe der Zeit ermöglichte es uns, die Anzahl der Dimensionen im Raum zu bestimmen (siehe Seitenleiste).
Das Ergebnis war verblüffend: Die Anzahl der Messungen hängt von der Skala ab. Mit anderen Worten, wenn die Diffusion nur kurze Zeit andauerte, stellte sich heraus, dass die Anzahl der Raum-Zeit-Dimensionen anders war, als wenn der Diffusionsprozess lange andauerte. Selbst diejenigen von uns, die sich auf Quantengravitation spezialisiert haben, konnten sich kaum vorstellen, wie sich die Anzahl der Dimensionen der Raumzeit in Abhängigkeit von der Auflösung unseres „Mikroskops“ kontinuierlich ändern könnte. Offensichtlich ist die Raumzeit für kleine Objekte ganz anders als für große. Für kleine Objekte ist das Universum wie eine fraktale Struktur – eine ungewöhnliche Art von Raum, in dem das Konzept der Größe einfach nicht existiert. Es ist selbstähnlich, d.h. sieht in allen Maßstäben gleich aus. Das bedeutet, dass es keine Objekte charakteristischer Größe gibt, die so etwas wie eine Maßstabsleiste darstellen könnten.
Wie klein ist „klein“? Bis zu einer Größe von etwa $10^(–34)$m wird das Quantenuniversum als Ganzes durch die klassische vierdimensionale de Sitter-Geometrie gut beschrieben, obwohl die Rolle der Quantenfluktuationen mit abnehmender Entfernung zunimmt. Dass die klassische Näherung bis auf so kleine Distanzen gültig bleibt, ist überraschend. Daraus ergeben sich sehr wichtige Konsequenzen sowohl für die frühesten Stadien der Geschichte des Universums als auch für seine sehr ferne Zukunft. In diesen beiden Grenzen ist das Universum praktisch leer. Ganz am Anfang waren die Quantenfluktuationen so groß, dass Materie kaum nachweisbar war. Sie war ein winziges Floß auf einem wogenden Ozean. Milliarden von Jahren nach uns wird die Materie aufgrund der schnellen Expansion des Universums so verdünnt sein, dass sie eine sehr geringe Rolle oder gar keine Rolle mehr spielen wird. Unser Ansatz erlaubt es uns, die Raumform in beiden Grenzfällen zu erklären.
WAS IST URSACHE?
Kausalität ist das Prinzip, dass Ereignisse in einer bestimmten zeitlichen Abfolge und nicht in Unordnung auftreten, was es ermöglicht, zwischen Ursache und Wirkung zu unterscheiden. In der von den Autoren angenommenen Herangehensweise an die Quantengravitation erscheint der Unterschied zwischen Ursache und Wirkung als eine grundlegende Eigenschaft in der Natur und nicht als abgeleitete Eigenschaft.
Auf noch kleineren Skalen nehmen die Quantenfluktuationen der Raumzeit so stark zu, dass klassische Intuitionen über Geometrie völlig ihre Bedeutung verlieren. Die Anzahl der Dimensionen wird von den klassischen vier auf etwa zwei reduziert. Soweit wir das beurteilen können, bleibt die Raumzeit jedoch kontinuierlich und enthält keine Tunnel. Es ist nicht so exotisch wie der brodelnde Raum-Zeit-Schaum, den der Physiker John Wheeler und viele andere gesehen haben. Die Geometrie der Raumzeit gehorcht ungewöhnlichen und nichtklassischen Gesetzen, aber das Konzept der Entfernung bleibt anwendbar. Jetzt versuchen wir, in ein noch kleineres Gebiet vorzudringen. Eine Möglichkeit ist, dass das Universum unterhalb einer bestimmten Grenze selbstähnlich wird und auf allen Skalen gleich aussieht. Wenn dem so ist, dann besteht das Universum nicht aus Fäden oder Atomen der Raumzeit, sondern ist eine Welt endloser Langeweile: Eine Struktur, die direkt unter der Schwelle gefunden wird, wird sich einfach wiederholen, wenn sie tiefer in eine Region mit immer kleineren Dimensionen vordringt selbst ad infinitum.
Es ist schwer vorstellbar, wie Physiker mit weniger Bauteilen und technischen Mitteln auskommen können, als wir früher ein Quantenuniversum mit realistischen Eigenschaften aufbauen konnten. Wir haben noch viele Tests und Experimente vor uns, um zum Beispiel das Verhalten der Materie im Universum und ihren Einfluss auf ihre Gesamtform zu verstehen. Unser Hauptziel ist es, wie bei jeder Theorie der Quantengravitation, die beobachtbaren Folgen der mikroskopischen Quantenstruktur vorherzusagen. Dies wird das entscheidende Kriterium für die Richtigkeit unseres Modells als Theorie der Quantengravitation sein.
Übersetzung: I.E. Satsewitsch
ZUSÄTZLICHE LITERATUR
- Plancksche Geburt eines Quantum de Sitter-Universums. J. Ambjorn, A. Gorlich, J. Jurkiewicz und R. Loll in Physical Review Letters, Vol. 3, No. 100, Artikel-Nr. 091304; 7. März 2008. Vorabdruck verfügbar
- Der vollständige Leitfaden für Idioten zur Stringtheorie . Georg Musser. Alpha, 2008.
- Die Entstehung der Raumzeit oder Quantengravitation auf Ihrem Desktop. R. Loll in Classical and Quantum Gravity, Vol. 3, No. 25, Nr. 11, Artikel-Nr. 114006; 7. Juni 2008. Vorabdruck verfügbar
- Website von Renata Loll
Jan Ambjorn, Renate Löll und Jerzy Jurkewicz entwickelten 1998 ihren Ansatz zum Problem der Quantengravitation. Ambjorn ist Mitglied der Royal Danish Academy, Professor am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen und an der Universität Utrecht in den Niederlanden. Er gilt als Meister der thailändischen Küche – ein Umstand, den Verleger gerne zuerst anmerken. Renata Loll ist Professorin an der Universität Utrecht, wo sie eines der größten Forschungsteams zur Quantengravitation in Europa leitet. Zuvor arbeitete sie am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Holm (Deutschland). In seltenen Freizeitstunden wird Kammermusik gespielt. Jerzy Yurkiewicz ist Leiter der Abteilung für Theorie komplexer Systeme am Physikalischen Institut der Jagiellonen-Universität in Krakau. Zu seinen früheren Jobs gehört das Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen, wo er von der Schönheit des Segelns fasziniert war.
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 in den Beginn des 20. Jahrhunderts versetzt und einige der Probleme untersucht, 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, der Weg, auf dem alle möglichen Scharlatane und Unsinnlieferanten ihren philosophischen Unsinn vorantreiben.
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.
Brian Cox, Jeff Forshaw
Quantenuniversum. Wie kommt es, dass wir nicht sehen können
Wissenschaftliche Redakteure Vyacheslav Maracha und Mikhail Pavlov
Veröffentlicht mit freundlicher Genehmigung von Apollo's Children Ltd und Jeff Forshow and Diane Banks Associates Ltd.
Rechtliche Unterstützung für den Verlag leistet die Anwaltskanzlei Vegas Lex.
© Brian Cox und Jeff Forshaw, 2011
© Übersetzung ins Russische, Ausgabe in Russisch, Gestaltung. LLC "Mann, Ivanov und Ferber", 2016
* * *1. Etwas Seltsames kommt
Quantum. Dieses Wort spricht die Sinne an, verwirrt und fasziniert zugleich. Je nach Standpunkt ist dies entweder ein Beweis für die enormen Fortschritte der Wissenschaft oder ein Symbol für die Grenzen der menschlichen Intuition, die gezwungen ist, mit der unvermeidlichen Fremdartigkeit des subatomaren Bereichs zu kämpfen. Für einen Physiker ist die Quantenmechanik eine der drei großen Säulen, auf denen das Verständnis der Natur ruht (die anderen beiden sind Einsteins allgemeine und spezielle Relativitätstheorie). 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.
Das ist nicht nur beeindruckend, sondern überraschend, und wenn die Modellbildung das einzige Anliegen der Quantentheorie wäre, könnte man zu Recht fragen, wo das Problem liegt. Wissenschaft muss natürlich nicht nützlich sein, aber viele der technologischen und sozialen Veränderungen, die unser Leben revolutioniert haben, sind das Ergebnis der Grundlagenforschung moderner Wissenschaftler, die nur von dem Wunsch getrieben werden, die Welt um sie herum besser zu verstehen. Dank dieser von Neugier getriebenen Entdeckungen in allen Bereichen der Wissenschaft haben wir eine verlängerte Lebensdauer, internationale Flugreisen, die Freiheit von der Notwendigkeit, für unser eigenes Überleben Landwirtschaft zu betreiben, und ein breites, inspirierendes und aufschlussreiches Bild unseres Ortes in einer endlosen Welt Sternenmeer. Aber all das sind gewissermaßen Nebenprodukte. Wir erforschen aus Neugier, nicht weil wir die Realität besser verstehen oder bessere Schmuckstücke entwickeln wollen.
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.
Je mehr wir also über die elementare Natur des Universums erfahren, desto einfacher erscheint es uns. Allmählich werden wir alle Gesetze verstehen und wie diese kleinen Bausteine zusammenwirken, um die Welt zu formen. Doch so fasziniert uns die Einfachheit ist, die dem Universum zugrunde liegt, so müssen wir doch bedenken, dass die Grundregeln des Spiels zwar einfach sind, ihre Folgen aber nicht immer leicht zu berechnen sind. Unsere tägliche Erfahrung, die Welt zu kennen, wird durch die Beziehungen vieler Milliarden Atome bestimmt, und es wäre einfach dumm, zu versuchen, die Prinzipien des Verhaltens von Menschen, Tieren und Pflanzen aus den Nuancen des Verhaltens dieser Atome abzuleiten. Nachdem wir dies erkannt haben, schmälern wir seine Bedeutung nicht: Hinter allen Phänomenen verbirgt sich letztendlich die Quantenphysik mikroskopischer Teilchen.
Stellen Sie sich die Welt um uns herum vor. Sie halten ein Buch aus Papier - Holzschliff. 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 und Kohlendioxid neue Moleküle erzeugt Wasser und setzt einen unser Leben spendenden Sauerstoff frei.
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, die das Streulicht der Seiten in elektrische Impulse umwandeln können, die vom Gehirn interpretiert werden können, der komplexesten Struktur im Universum, die wir 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 Protonen und Neutronen selbst aus kleineren Einheiten bestehen, die Quarks genannt werden, und damit endet alles – zumindest glauben 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 besten Beschreibungen von drei dieser vier Kräfte – die starken und schwachen Kernkräfte, die innerhalb des Atomkerns existieren, und die elektromagnetische Kraft, die Atome und Moleküle zusammenhält – liefert die Quantentheorie. 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 oft daraus folgenden Schlüsse – da im Mikrokosmos etwas Seltsames passiert, dann sind wir in Nebel gehüllt – 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.
Der Zweck 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 in den Beginn des 20. Jahrhunderts versetzt und einige der Probleme untersucht, die die Physiker dazu zwangen, radikal von dem abzuweichen, was früher als Mainstream der Wissenschaft galt.
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 fundamentalen Modell 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 Freisetzungen, die unser Leben geben, ist Sauerstoff.
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.
Es muss zugegeben werden, 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 sagt, alles sei ungewiss. All dies ist zwar richtig, aber die daraus oft gezogenen Schlüsse – sobald im Mikrokosmos etwas Seltsames passiert, dann sind wir in einen Nebelschleier gehüllt – 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 gab es eine solche fieberhafte Aktivität, in der einige grundlegend bedeutende Entdeckungen in rasender 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 sowohl als Welle als auch als Teilchen. Das bedeutete das Ende der klassischen Physik – und das Ende der Entstehungszeit der Quantentheorie.
In diesem Buch führen die maßgeblichen Wissenschaftler Brian Cox und Jeff Forshaw die Leser in die Quantenmechanik ein – das fundamentale Modell der Welt. Sie erzählen, welche Beobachtungen Physiker zur Quantentheorie geführt haben, wie sie entwickelt wurde und warum Wissenschaftler ihr trotz aller Eigenartigkeit so sicher sind. Das Buch richtet sich an alle, die sich für Quantenphysik und den Aufbau des Universums interessieren.
Etwas Seltsames kommt.
Quantum. Dieses Wort spricht die Sinne an, verwirrt und fasziniert zugleich. Je nach Standpunkt ist dies entweder ein Beweis für die enormen Fortschritte der Wissenschaft oder ein Symbol für die Grenzen der menschlichen Intuition, die gezwungen ist, mit der unvermeidlichen Fremdartigkeit des subatomaren Bereichs zu kämpfen. Für einen Physiker ist die Quantenmechanik eine der drei großen Säulen, auf denen das Verständnis der Natur ruht (die anderen beiden sind Einsteins allgemeine und spezielle Relativitätstheorie). 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.
Das ist nicht nur beeindruckend, sondern überraschend, und wenn die Modellbildung das einzige Anliegen der Quantentheorie wäre, könnte man zu Recht fragen, wo das Problem liegt. Wissenschaft muss natürlich nicht nützlich sein, aber viele der technologischen und sozialen Veränderungen, die unser Leben revolutioniert haben, sind das Ergebnis der Grundlagenforschung moderner Wissenschaftler, die nur von dem Wunsch geleitet werden, die Welt um sie herum besser zu verstehen . Dank dieser von Neugier getriebenen Entdeckungen in allen Bereichen der Wissenschaft haben wir eine verlängerte Lebensdauer, internationale Flugreisen, die Freiheit von der Notwendigkeit, für unser eigenes Überleben Landwirtschaft zu betreiben, und ein breites, inspirierendes und aufschlussreiches Bild unseres Ortes in einer endlosen Welt Sternenmeer. Aber all das sind gewissermaßen Nebenprodukte. Wir erforschen aus Neugier, nicht weil wir die Realität besser verstehen oder bessere Schmuckstücke entwickeln wollen.
Inhalt
Etwas Seltsames kommt
An zwei Orten gleichzeitig
Was ist ein Teilchen?
Alles, was passieren kann, passiert wirklich
Bewegung als Illusion
Musik der Atome
Das Universum auf einem Stecknadelkopf (und warum wir nicht durch den Boden fallen)
Interdependenz
Moderne Welt
Interaktion
Leerer Raum ist nicht so leer Epilog: Der Tod der Sterne
Zum Weiterlesen.
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Laden Sie das Buch The Quantum Universe, How What We Can’t See Works, Cox B., Forshaw J., 2016 – fileskachat.com, schnell und kostenlos herunter.
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