Science-Fiction ist eine anschauliche Bestätigung dafür, dass Physik nicht nur für Wissenschaftler interessant sein kann, sondern auch für Menschen fernab von Forschungslabors. Natürlich sprechen sie in den Büchern und im Film nicht über wissenschaftliche Theorien, sondern präsentieren auf unterhaltsame und interessante Weise physikalische Fakten. In dieser Rezension ein Dutzend Geheimnisse aus dem Bereich der Physik, die Wissenschaftler noch erklären müssen.

1. Strahlen ultrahoher Energien

Die Erdatmosphäre wird ständig von hochenergetischen Partikeln aus dem Weltraum bombardiert, die als "kosmische Strahlung" bezeichnet werden. Während sie Menschen nicht viel Schaden zufügen, sind Physiker einfach fasziniert von ihnen. Die Beobachtung kosmischer Strahlung hat Wissenschaftlern viel über Astrophysik und Teilchenphysik beigebracht. Aber es gibt Strahlen, die bis heute ein Rätsel bleiben. 1962 sahen John D. Linsley und Livio Scarsi während des Volcano-Ranch-Experiments etwas Unglaubliches: einen ultrahochenergetischen kosmischen Strahl mit einer Energie von mehr als 16 Joule.

Wie viel das ist, verdeutlichen wir an folgendem Beispiel: Ein Joule ist die Energiemenge, die benötigt wird, um einen Apfel vom Boden auf den Tisch zu heben. All diese Energie war jedoch in einem Teilchen konzentriert, das hundertmillionenmal kleiner als ein Apfel war. Physiker haben keine Ahnung, wie diese Teilchen eine so unglaubliche Menge an Energie bekommen.

2. Inflationäres Modell des Universums

Das Universum ist in großen Maßstäben bemerkenswert einheitlich. Das sogenannte "kosmologische Prinzip" besagt, dass überall im Universum im Durchschnitt ungefähr die gleiche Menge an Materie vorhanden ist. Aber die Urknalltheorie legt nahe, dass es zu Beginn des Universums große Unterschiede in der Dichte gegeben haben muss. Es war also viel weniger homogen als das heutige Universum.

Das Inflationsmodell legt nahe, dass das Universum, das heute jeder sieht, aus einem winzigen Volumen des frühen Universums stammt. Dieses kleine Volumen expandierte plötzlich und schnell, viel schneller als das Universum heute expandiert. Grob gesagt sah es so aus, als würde ein Ballon plötzlich mit Luft aufgeblasen. Während dies erklärt, warum das Universum heute homogener ist, wissen die Physiker immer noch nicht, was diese „Aufblähung“ verursacht hat.

3. Dunkle Energie und dunkle Materie

Es ist eine erstaunliche Tatsache: Nur etwa 5 Prozent des Universums besteht aus dem, was Menschen sehen können. Vor Jahrzehnten bemerkten Physiker, dass Sterne an den äußeren Rändern von Galaxien das Zentrum dieser Galaxien schneller umkreisen als vorhergesagt. Um dies zu erklären, spekulierten Wissenschaftler, dass es in diesen Galaxien unsichtbare „dunkle“ Materie geben könnte, die die Sterne schneller drehen ließ .

Nach dem Aufkommen dieser Theorie führten weitere Beobachtungen des expandierenden Universums die Physiker zu dem Schluss, dass es fünfmal mehr dunkle Materie geben muss als alles, was Menschen sehen können (d. h. gewöhnliche Materie). Gleichzeitig wissen Wissenschaftler, dass sich die Expansion des Universums tatsächlich beschleunigt. Das ist seltsam, denn man würde erwarten, dass die Anziehungskraft der Materie („gewöhnlich“ und „dunkel“) die Expansion des Universums verlangsamen würde.

Um zu erklären, was die Gravitationsanziehung von Materie ausgleicht, haben Wissenschaftler die Existenz von „dunkler Energie“ vorgeschlagen, die zur Expansion des Universums beiträgt. Physiker glauben, dass mindestens 70 Prozent des Universums in Form von „dunkler Energie“ bestehen. Bis heute wurden die Teilchen, aus denen dunkle Materie besteht, und das Feld, aus dem dunkle Energie besteht, jedoch noch nie direkt im Labor beobachtet. Tatsächlich wissen Wissenschaftler nichts über 95 Prozent des Universums.

4. Das Herz eines Schwarzen Lochs

Schwarze Löcher sind eines der bekanntesten Objekte der Astrophysik. Sie lassen sich als Bereiche der Raumzeit mit so starken Gravitationsfeldern beschreiben, dass nicht einmal Licht von innen eindringen kann. Seit Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie bewiesen hat, dass die Schwerkraft Raum und Zeit „verzerrt“, wissen Wissenschaftler, dass Licht nicht immun gegen Gravitationseffekte ist.

Tatsächlich wurde Einsteins Theorie während einer Sonnenfinsternis bewiesen, die zeigte, dass die Schwerkraft der Sonne Lichtstrahlen von fernen Sternen ablenkt. Seitdem wurden viele Schwarze Löcher beobachtet, darunter das riesige im Zentrum unserer Galaxie. Aber das Geheimnis dessen, was im Herzen eines Schwarzen Lochs passiert, ist immer noch ungelöst.

Einige Physiker glauben, dass es eine "Singularität" geben könnte - einen Punkt unendlicher Dichte mit einer gewissen Masse, die auf unendlich kleinem Raum konzentriert ist. Es wird jedoch noch diskutiert, ob in Schwarzen Löchern, die alle Teilchen und Strahlung absorbieren, Informationen verloren gehen. Obwohl Hawking-Strahlung von Schwarzen Löchern stammt, enthält sie keine zusätzlichen Informationen darüber, was im Inneren des Schwarzen Lochs passiert.

5. Intelligentes Leben außerhalb der Erde

Menschen träumen seit Jahrhunderten von Außerirdischen, wenn sie in den Nachthimmel schauen und sich fragen, ob dort jemand leben könnte. Aber in den letzten Jahrzehnten wurden viele Beweise dafür gefunden, dass dies nicht nur ein Traum ist. Für den Anfang sind Exoplaneten viel häufiger als bisher angenommen, wobei die meisten Sterne Planetensysteme haben. Es ist auch bekannt, dass der zeitliche Abstand zwischen dem Erscheinen des Lebens auf der Erde und dem Erscheinen des intelligenten Lebens sehr gering ist. Bedeutet dies, dass sich an vielen Stellen Leben gebildet haben muss.

Wenn dem so ist, dann müssen wir das berühmte „Fermi-Paradoxon“ beantworten: Warum Menschen noch keinen Kontakt mit Außerirdischen hatten. Vielleicht ist Leben alltäglich, aber intelligentes Leben ist selten. Vielleicht entscheiden sich nach einer Weile alle Zivilisationen, nicht mehr mit anderen Lebensformen zu kommunizieren. Vielleicht wollen sie einfach nicht mit den Leuten reden. Oder seltsamerweise zeigt es vielleicht, dass sich viele außerirdische Zivilisationen selbst zerstören, kurz nachdem sie technologisch weit genug fortgeschritten sind, um zu kommunizieren.

6. Reise schneller als die Lichtgeschwindigkeit

Seit Einstein mit seiner speziellen Relativitätstheorie die gesamte Physik verändert hat, sind Physiker davon überzeugt, dass nichts schneller als Lichtgeschwindigkeit reisen kann. Tatsächlich besagt die Relativitätstheorie, dass, wenn sich eine Masse mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, dies enorme Energie erfordert. Dies zeigt sich in den zuvor erwähnten ultrahochenergetischen kosmischen Strahlen. Sie haben im Verhältnis zu ihrer Größe eine außergewöhnliche Energie, aber sie bewegen sich auch nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit.

Die Lichtgeschwindigkeit kaum zu begrenzen, könnte auch erklären, warum Kommunikationen von außerirdischen Zivilisationen unwahrscheinlich sind. Wenn sie auch durch diesen Faktor begrenzt werden, können die Signale Tausende von Jahren andauern. Im Jahr 2011 lieferte das OPERA-Experiment vorläufige Ergebnisse, die darauf hindeuten, dass sich Neutrinos schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.

Später bemerkten die Forscher einige Fehler in ihrem Versuchsaufbau, die bestätigten, dass die Ergebnisse falsch waren. Auf jeden Fall, wenn es eine Möglichkeit gibt, Materie oder Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zu übertragen, wird dies zweifellos die Welt verändern.

7. Art, Turbulenz zu beschreiben

Wenn Sie aus dem All auf die Erde zurückkehren, stellt sich heraus, dass es im Alltag viele Dinge gibt, die schwer zu verstehen sind. Für das einfachste Beispiel müssen Sie nicht weit gehen - Sie können zu Hause einen Wasserhahn öffnen. Wenn Sie es nicht vollständig öffnen, fließt das Wasser gleichmäßig (dies wird als "laminare Strömung" bezeichnet). Wenn Sie den Wasserhahn jedoch vollständig öffnen, beginnt das Wasser ungleichmäßig zu fließen und zu spritzen. Dies ist das einfachste Beispiel für Turbulenz. Turbulenzen sind in vielerlei Hinsicht noch immer ein ungelöstes Problem der Physik.

8. Supraleiter bei Raumtemperatur

Supraleiter sind eine der wichtigsten Vorrichtungen und Technologien, die Menschen jemals entdeckt haben. Dies ist eine besondere Art von Material. Wenn die Temperatur tief genug fällt, sinkt der elektrische Widerstand des Materials auf Null. Das bedeutet, dass es möglich ist, nach Anlegen einer kleinen Spannung an den Supraleiter einen großen Strom zu erhalten.

Theoretisch kann elektrischer Strom in einem supraleitenden Draht Jahrmilliarden ohne Verlust fließen, da seinem Strom kein Widerstand entgegensteht. In modernen gewöhnlichen Drähten und Kabeln geht ein erheblicher Teil der Leistung aufgrund des Widerstands verloren. Supraleiter könnten diese Verluste auf Null reduzieren.

Es gibt ein Problem: Selbst Hochtemperatur-Supraleiter müssen auf minus 140 Grad Celsius gekühlt werden, bevor sie ihre bemerkenswerten Eigenschaften zeigen. Das Abkühlen auf solch niedrige Temperaturen erfordert normalerweise flüssigen Stickstoff oder ähnliches. Daher ist es sehr teuer. Viele Physiker auf der ganzen Welt versuchen, einen Supraleiter herzustellen, der bei Raumtemperatur betrieben werden kann.

9. Materie und Antimaterie

In gewisser Weise wissen die Menschen immer noch nicht, warum etwas überhaupt existiert. Zu jedem Teilchen gibt es ein „Gegenteil“, das sogenannte Antiteilchen. Für Elektronen gibt es also Positronen, für Protonen Antiprotonen und so weiter. Wenn ein Teilchen jemals sein Antiteilchen berührt, vernichten sie sich und verwandeln sich in Strahlung.

Es überrascht nicht, dass Antimaterie unglaublich selten ist, da alles einfach vernichten würde. Manchmal kommt es in kosmischer Strahlung vor. Wissenschaftler können auch Antimaterie in Teilchenbeschleunigern herstellen, aber das kostet Billionen von Dollar pro Gramm. Im Allgemeinen ist Antimaterie jedoch (laut Wissenschaftlern) unglaublich selten in unserem Universum. Warum das so ist, ist ein echtes Rätsel.

Es ist nur so, dass niemand weiß, warum unser Universum von Materie und nicht von Antimaterie dominiert wird, weil jeder bekannte Prozess, der Energie (Strahlung) in Materie umwandelt, die gleiche Menge an Materie und Antimaterie produziert. Wilders Theorie legt nahe, dass es ganze Regionen des Universums geben könnte, die von Antimaterie dominiert werden.

10. Einheitliche Theorie

Im 20. Jahrhundert wurden zwei große Theorien entwickelt, die viel in der Physik erklärten. Eines davon war die Quantenmechanik, die detailliert beschrieb, wie sich winzige, subatomare Teilchen verhalten und interagieren. Die Quantenmechanik und das Standardmodell der Teilchenphysik haben drei der vier physikalischen Kräfte in der Natur erklärt: den Elektromagnetismus und die starken und schwachen Kernkräfte.

Die andere große Theorie war Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die die Schwerkraft erklärt. In der Allgemeinen Relativitätstheorie tritt Schwerkraft auf, wenn das Vorhandensein von Masse Raum und Zeit krümmt, wodurch Partikel bestimmten gekrümmten Bahnen folgen. Dies könnte Dinge erklären, die im größten Maßstab geschehen – die Entstehung von Galaxien und Sternen. Es gibt nur ein Problem. Die beiden Theorien sind unvereinbar.

Wissenschaftler können die Schwerkraft nicht auf eine Weise erklären, die in der Quantenmechanik sinnvoll ist, und die allgemeine Relativitätstheorie schließt die Auswirkungen der Quantenmechanik nicht ein. Soweit man das beurteilen kann, sind beide Theorien richtig. Aber sie scheinen nicht zusammenzuarbeiten. Physiker arbeiten seit langem an einer Lösung, die die beiden Theorien in Einklang bringen kann. Sie wird die „Grand Unified Theory“ oder einfach „Theory of Everything“ genannt. Die Suche geht weiter.

Und in Fortsetzung des Themas haben wir noch mehr gesammelt.

Jetzt das Interessanteste. Das Bild ist komplizierter geworden, aber Sie sollten keine Angst haben. Alles ist sehr einfach. Lassen Sie uns einen durchscheinenden Spiegel vor die Detektoren (3) und (4) stellen, wie wir ihn am Anfang verwendet haben. Als nächstes senden wir die reflektierten Photonen zu einem anderen durchscheinenden Spiegel (links von der Quelle im Diagramm). Ein „ruhendes“ Photon passiert mit 50% Wahrscheinlichkeit einen halbdurchlässigen Spiegel und tritt in den Detektor (3) oder (4) ein ODER wird mit 50% Wahrscheinlichkeit vom PS reflektiert, trifft auf den linken PS und trifft mit 50 % Wahrscheinlichkeit in (5) oder von 50 % bei 6). Wenn das "untätige" Photon auf den Detektor (3) oder (4) trifft, wissen wir, dass das ursprüngliche Photon von oben bzw. unten passiert ist. Im Gegensatz dazu wissen wir nicht, welchen Weg das Photon genommen hat, wenn Detektor (5) oder (6) gezündet haben. Ich betone noch einmal - wenn (3) oder (4) ausgelöst wird, haben wir Informationen darüber, welchen Weg das Photon gegangen ist. Wenn (5) oder (6) ausgelöst wird, gibt es keine solche Information. Mit diesem komplizierten Schema löschen wir die Information darüber, welchen Weg das Photon genommen hat.

Nun das erstaunlichste Ergebnis – wenn Sie auf dem Bildschirm die Punkte auswählen, die erschienen, als (3) oder (4) ausgelöst wurden – gibt es keine Interferenz, aber wenn Sie eine Teilmenge von Punkten auswählen, die erhalten wurden, als (5) oder (6 ) ausgelöst wurde, dann bilden sie ein Interferenzmuster ! Betrachten Sie dieses Ergebnis für einen Moment: Dem Photon ist es egal, ob wir es während des Experiments „berühren“ oder nicht. Mit Hilfe von Abwärtswandlern erhalten wir potenzielle Informationen darüber, wohin das Photon gegangen ist. Wenn es realisiert wird (Detektoren (3) oder (4)) - das Bild wird zerstört, aber wenn wir es vorsichtig löschen (Detektoren (5) oder (6) funktionieren), dann schaffen wir es, das Photon zur Interferenz zu überreden. Interferenzen werden nicht durch einen mechanischen Eingriff in das Experiment zerstört, sondern durch das Vorhandensein von Informationen. Wissenschaftler behaupten, dass solche Experimente nicht nur mit Photonen, Elektronen, sondern auch mit ganzen Molekülen durchgeführt wurden.

Die Gesetze unserer Welt sind sehr seltsam und manchmal kontraintuitiv. Auf makroskopischer Ebene mag es scheinen, als wäre mehr oder weniger alles klar. Aber sobald wir anfangen, uns mit Elementarteilchen zu beschäftigen, bricht unsere gesamte Alltagserfahrung zusammen. Und was uns auf der Planck-Skala erwartet, können sich selbst die wagemutigsten Science-Fiction-Autoren nicht vorstellen.

Es ist bekannt, dass Albert Einstein bis zu seinem Lebensende die Quantenmechanik mit ihren Unsicherheiten, stochastischen, zufälligen und chaotischen Prozessen nicht akzeptierte. Diese Ablehnung drückte sich in den Sätzen Einsteins aus: „Gott würfelt nicht“ und „Existiert der Mond nur, weil eine Maus ihn anschaut?“. Jene. Einstein vertrat eine klare Position des Determinismus physikalischer, einschließlich quantenmechanischer Prozesse. Einstein glaubte einfach, dass die Physiker jene Konstanten noch nicht entdeckt hätten, die das Verhalten von Quantenteilchen beeinflussen.

P.S.: Dieses Experiment war überhaupt nicht gedanklich, sondern ganz real und wurde durchgeführt, obwohl es komplizierter und komplizierter aussah, als ich es hier beschrieben habe.

Niemand auf der Welt versteht die Quantenmechanik - das ist die Hauptsache, die Sie darüber wissen müssen. Ja, viele Physiker haben gelernt, ihre Gesetze zu nutzen und sogar Phänomene mithilfe von Quantenberechnungen vorherzusagen. Aber es ist immer noch unklar, warum die Anwesenheit eines Beobachters das Schicksal des Systems bestimmt und es zwingt, eine Entscheidung zugunsten eines Staates zu treffen. "Theorien und Praktiken" wählte Beispiele von Experimenten aus, deren Ergebnis zwangsläufig vom Beobachter beeinflusst wird, und versuchte herauszufinden, was die Quantenmechanik mit solchen Eingriffen des Bewusstseins in die materielle Realität tun wird.

Shrödingers Katze

Heutzutage gibt es viele Interpretationen der Quantenmechanik, von denen die Kopenhagener nach wie vor die beliebteste ist. Seine wichtigsten Bestimmungen wurden in den 1920er Jahren von Niels Bohr und Werner Heisenberg formuliert. Und der zentrale Begriff der Kopenhagener Interpretation war die Wellenfunktion – eine mathematische Funktion, die Informationen über alle möglichen Zustände eines Quantensystems enthält, in dem sie sich gleichzeitig befindet.

Nach der Kopenhagener Interpretation kann nur die Beobachtung den Zustand des Systems genau bestimmen, ihn vom Rest unterscheiden (die Wellenfunktion hilft nur, die Wahrscheinlichkeit mathematisch zu berechnen, das System in einem bestimmten Zustand zu entdecken). Wir können sagen, dass ein Quantensystem nach der Beobachtung klassisch wird: Es hört sofort auf, in vielen Zuständen gleichzeitig zu koexistieren, zugunsten eines von ihnen.

Dieser Ansatz hatte schon immer Gegner (denken Sie zum Beispiel an „Gott würfelt nicht“ von Albert Einstein), aber die Genauigkeit der Berechnungen und Vorhersagen forderte ihren Tribut. Allerdings gibt es in den letzten Jahren immer weniger Befürworter der Kopenhagener Deutung, was nicht zuletzt an dem sehr mysteriösen augenblicklichen Zusammenbruch der Wellenfunktion während der Messung liegt. Erwin Schrödingers berühmtes Gedankenexperiment mit der armen Katze sollte nur die Absurdität dieses Phänomens zeigen.

Wir erinnern uns also an den Inhalt des Experiments. Eine lebende Katze, eine Giftampulle und ein Mechanismus, der das Gift zu einem zufälligen Zeitpunkt in Aktion setzen kann, werden in eine schwarze Kiste gelegt. Zum Beispiel ein radioaktives Atom, dessen Zerfall die Ampulle zerbricht. Der genaue Zeitpunkt des Zerfalls des Atoms ist unbekannt. Bekannt ist nur die Halbwertszeit: die Zeit, in der der Zerfall mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % eintritt.

Es stellt sich heraus, dass die Katze in der Kiste für einen externen Beobachter gleichzeitig in zwei Zuständen existiert: Sie ist entweder lebendig, wenn alles gut geht, oder tot, wenn der Verfall eingetreten ist und die Ampulle zerbrochen ist. Beide Zustände werden durch die Wellenfunktion der Katze beschrieben, die sich mit der Zeit ändert: Je weiter entfernt, desto wahrscheinlicher ist es, dass bereits ein radioaktiver Zerfall stattgefunden hat. Aber sobald die Box geöffnet wird, bricht die Wellenfunktion zusammen und wir sehen sofort das Ergebnis des Flayer-Experiments.

Es stellt sich heraus, dass die Katze, bis der Beobachter die Kiste öffnet, für immer an der Grenze zwischen Leben und Tod balancieren wird und nur die Handlung des Beobachters sein Schicksal bestimmen wird. Das ist die Absurdität, auf die Schrödinger hingewiesen hat.

Elektronenbeugung

Laut einer von der New York Times durchgeführten Umfrage unter führenden Physikern wurde das 1961 von Klaus Jenson durchgeführte Experiment mit der Elektronenbeugung zu einem der schönsten in der Geschichte der Wissenschaft. Was ist sein Wesen?

Es gibt eine Quelle, die einen Elektronenstrom in Richtung der siebfotografischen Platte emittiert. Und diesen Elektronen steht ein Hindernis im Weg - eine Kupferplatte mit zwei Schlitzen. Was für ein Bild auf dem Bildschirm ist zu erwarten, wenn wir Elektronen nur als kleine geladene Kugeln darstellen? Zwei beleuchtete Bänder gegenüber den Schlitzen.

In Wirklichkeit erscheint auf dem Bildschirm ein viel komplexeres Muster aus abwechselnd schwarzen und weißen Streifen. Tatsache ist, dass sich Elektronen beim Durchgang durch die Schlitze nicht wie Teilchen, sondern wie Wellen verhalten (genauso wie Photonen, Lichtteilchen, gleichzeitig Wellen sein können). Dann interagieren diese Wellen im Raum, schwächen sich irgendwo ab und verstärken sich gegenseitig, und als Ergebnis erscheint auf dem Bildschirm ein komplexes Bild aus abwechselnd hellen und dunklen Streifen.

In diesem Fall ändert sich das Ergebnis des Experiments nicht, und wenn Elektronen nicht in einem kontinuierlichen Strom, sondern einzeln durch den Spalt geleitet werden, kann sogar ein Teilchen gleichzeitig eine Welle sein. Sogar ein Elektron kann gleichzeitig zwei Spalte passieren (und dies ist eine weitere wichtige Bestimmung der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik - Objekte können gleichzeitig sowohl ihre "üblichen" Materialeigenschaften als auch exotische Welleneigenschaften aufweisen).

Aber was ist mit dem Beobachter? Trotz der Tatsache, dass mit ihm die ohnehin schon komplizierte Geschichte noch komplizierter wurde. Als Physiker bei solchen Experimenten versuchten, mit Hilfe von Instrumenten festzustellen, durch welchen Schlitz das Elektron tatsächlich hindurchgeht, änderte sich das Bild auf dem Bildschirm dramatisch und wurde „klassisch“: zwei beleuchtete Flächen gegenüber den Schlitzen und keine abwechselnden Streifen.

Die Elektronen schienen ihre Wellennatur vor dem Blick des Betrachters nicht zeigen zu wollen. Angepasst an seinen instinktiven Wunsch, ein einfaches und verständliches Bild zu sehen. Mystiker? Es gibt eine viel einfachere Erklärung: Keine Beobachtung des Systems kann ohne physische Einwirkung darauf durchgeführt werden. Aber darauf kommen wir etwas später zurück.

Erhitztes Fulleren

Experimente zur Teilchenbeugung wurden nicht nur an Elektronen, sondern auch an viel größeren Objekten durchgeführt. Zum Beispiel sind Fullerene große, geschlossene Moleküle, die aus Dutzenden von Kohlenstoffatomen bestehen (zum Beispiel hat ein Fulleren mit sechzig Kohlenstoffatomen eine sehr ähnliche Form wie ein Fußball: eine aus Fünf- und Sechsecken genähte Hohlkugel).

Kürzlich hat eine Gruppe an der Universität Wien unter der Leitung von Professor Zeilinger versucht, ein Element der Beobachtung in solche Experimente einzuführen. Dazu bestrahlten sie bewegte Fullerenmoleküle mit einem Laserstrahl. Danach begannen die durch äußere Einwirkung erhitzten Moleküle zu leuchten und offenbarten dem Betrachter damit unweigerlich ihren Platz im All.

Mit dieser Innovation hat sich auch das Verhalten von Molekülen verändert. Vor dem Beginn der totalen Überwachung umgingen Fullerene ziemlich erfolgreich Hindernisse (zeigten Welleneigenschaften), wie Elektronen aus dem vorherigen Beispiel, die durch einen undurchsichtigen Schirm gingen. Aber später, mit dem Aufkommen des Beobachters, beruhigten sich die Fullerene und begannen sich wie völlig gesetzestreue Materieteilchen zu verhalten.

Kühlungsdimension

Eines der bekanntesten Gesetze der Quantenwelt ist die Heisenbergsche Unschärferelation: Es ist unmöglich, gleichzeitig Position und Geschwindigkeit eines Quantenobjekts zu bestimmen. Je genauer wir den Impuls eines Teilchens messen, desto ungenauer können wir seine Position messen. Aber die Wirkung von Quantengesetzen, die auf der Ebene winziger Teilchen wirken, ist in unserer Welt der großen Makroobjekte normalerweise nicht wahrnehmbar.

Umso wertvoller sind die jüngsten Experimente der Gruppe von Professor Schwab aus den USA, bei denen Quanteneffekte nicht auf der Ebene derselben Elektronen oder Fullerenmoleküle (deren charakteristischer Durchmesser etwa 1 nm beträgt), sondern auf a etwas greifbareres Objekt - ein winziger Aluminiumstreifen.

Dieser Streifen wurde auf beiden Seiten so befestigt, dass seine Mitte in schwebendem Zustand war und unter äußerer Einwirkung schwingen konnte. Außerdem befand sich neben dem Streifen ein Gerät, das seine Position mit hoher Genauigkeit aufzeichnen konnte.

Als Ergebnis entdeckten die Experimentatoren zwei interessante Effekte. Erstens verlief jede Messung der Position des Objekts, die Beobachtung des Streifens nicht spurlos - nach jeder Messung änderte sich die Position des Streifens. Grob gesagt haben die Experimentatoren die Koordinaten des Streifens mit großer Genauigkeit bestimmt und dadurch nach dem Heisenberg-Prinzip seine Geschwindigkeit und damit die spätere Position verändert.

Zweitens führten, was bereits ziemlich unerwartet ist, einige Messungen auch zu einer Abkühlung des Bandes. Es stellt sich heraus, dass der Beobachter die physikalischen Eigenschaften von Objekten nur durch seine Anwesenheit verändern kann. Es klingt absolut unglaublich, aber den Physikern sei gesagt, dass sie nicht ratlos waren – jetzt denkt die Gruppe von Professor Schwab darüber nach, wie man den entdeckten Effekt auf die Kühlung elektronischer Schaltkreise anwenden kann.

Einfrieren von Partikeln

Wie Sie wissen, zerfallen instabile radioaktive Teilchen auf der Welt nicht nur für Experimente an Katzen, sondern auch ganz von selbst. Darüber hinaus zeichnet sich jedes Teilchen durch eine durchschnittliche Lebensdauer aus, die sich unter dem Blick eines Beobachters verlängern kann.

Dieser Quanteneffekt wurde bereits in den 1960er Jahren vorhergesagt, und seine brillante experimentelle Bestätigung erschien 2006 in einer Arbeit, die von der Gruppe des Physik-Nobelpreisträgers Wolfgang Ketterle vom Massachusetts Institute of Technology veröffentlicht wurde.

In dieser Arbeit untersuchten wir den Zerfall von instabilen angeregten Rubidiumatomen (Zerfall in Rubidiumatome im Grundzustand und Photonen). Unmittelbar nach der Vorbereitung des Systems wurde die Anregung von Atomen beobachtet - sie wurden mit einem Laserstrahl beleuchtet. In diesem Fall wurde die Beobachtung in zwei Modi durchgeführt: kontinuierlich (kleine Lichtpulse werden ständig in das System eingespeist) und gepulst (das System wird von Zeit zu Zeit mit stärkeren Pulsen bestrahlt).

Die erhaltenen Ergebnisse stimmen hervorragend mit den theoretischen Vorhersagen überein. Äußere Lichteffekte verlangsamen den Zerfall von Partikeln wirklich, als ob sie sie in ihren ursprünglichen, weit vom Zerfall entfernten Zustand zurückversetzen würden. Auch in diesem Fall stimmt die Größe des Effekts für die beiden untersuchten Regime mit den Vorhersagen überein. Und die maximale Lebensdauer von instabilen angeregten Rubidiumatomen wurde um das 30-fache verlängert.

Quantenmechanik und Bewusstsein

Elektronen und Fullerene verlieren ihre Welleneigenschaften, Aluminiumplatten erkalten und instabile Teilchen gefrieren in ihrem Zerfall: Unter dem allmächtigen Blick eines Beobachters verändert sich die Welt. Was ist kein Beweis für die Beteiligung unseres Verstandes an der Arbeit der Welt um uns herum? Vielleicht hatten also Carl Jung und Wolfgang Pauli (österreichischer Physiker, Nobelpreisträger, einer der Pioniere der Quantenmechanik) recht, als sie sagten, dass die Gesetze der Physik und des Bewusstseins als komplementär betrachtet werden sollten?

Aber so bleibt nur noch ein Schritt zur Pflichterkenntnis: Die ganze Welt um uns herum ist die Essenz unseres Geistes. Unheimlich? („Denkst du wirklich, dass der Mond nur existiert, wenn du ihn ansiehst?“ kommentierte Einstein die Prinzipien der Quantenmechanik). Dann lasst uns noch einmal versuchen, uns den Physikern zuzuwenden. Darüber hinaus sind sie in den letzten Jahren immer weniger erfreut über die Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik mit ihrem mysteriösen Zusammenbruch einer Funktionswelle, die durch einen anderen, ganz banalen und zuverlässigen Begriff ersetzt wird - Dekohärenz.

Hier ist die Sache - in allen beschriebenen Experimenten mit Beobachtung haben die Experimentatoren das System zwangsläufig beeinflusst. Es wurde mit einem Laser beleuchtet, Messinstrumente wurden installiert. Und das ist ein allgemeines, sehr wichtiges Prinzip: Man kann ein System nicht beobachten, seine Eigenschaften messen, ohne mit ihm zu interagieren. Und wo es Interaktion gibt, gibt es eine Veränderung der Eigenschaften. Vor allem, wenn ein Koloss von Quantenobjekten mit einem winzigen Quantensystem interagiert. Die ewige, buddhistische Neutralität des Betrachters ist also unmöglich.

Genau das erklärt den Begriff „Dekohärenz“ – ein irreversibler Prozess aus Sicht der Verletzung der Quanteneigenschaften eines Systems, wenn es mit einem anderen, großen System wechselwirkt. Bei einer solchen Wechselwirkung verliert das Quantensystem seine ursprünglichen Eigenschaften und wird klassisch, „gehorcht“ dem großen System. Das erklärt das Paradoxon bei Schrödingers Katze: Die Katze ist ein so großes System, dass sie einfach nicht von der Welt isoliert werden kann. Das Setting des Gedankenexperiments ist nicht ganz richtig.

Auf jeden Fall klingt Dekohärenz im Vergleich zur Realität als Akt der Bewusstseinsbildung viel ruhiger. Vielleicht sogar zu ruhig. Schließlich wird mit diesem Ansatz die gesamte klassische Welt zu einem großen Dekohärenzeffekt. Und laut den Autoren eines der seriösesten Bücher auf diesem Gebiet folgen aus solchen Ansätzen auch Aussagen wie „es gibt keine Teilchen auf der Welt“ oder „es gibt keine Zeit auf fundamentaler Ebene“.

Kreativer Beobachter oder allmächtige Dekohärenz? Sie müssen zwischen zwei Übeln wählen. Aber denken Sie daran - Wissenschaftler sind jetzt immer mehr davon überzeugt, dass die sehr berüchtigten Quanteneffekte unseren Denkprozessen zugrunde liegen. Wo also die Beobachtung endet und die Realität beginnt, muss jeder von uns wählen.

3) Und da dies eine Quantentheorie ist, kann die Raumzeit all dies gleichzeitig tun. Es kann gleichzeitig ein Säuglingsuniversum erschaffen und es nicht erschaffen.

Das Gewebe der Raumzeit ist möglicherweise überhaupt kein Gewebe, sondern kann aus diskreten Komponenten bestehen, die uns nur in großen makroskopischen Maßstäben als kontinuierliches Gewebe erscheinen.

4) Bei den meisten Ansätzen zur Quantengravitation ist die Raumzeit nicht grundlegend, sondern besteht aus etwas anderem. Dies können Strings, Schleifen, Qubits oder Varianten von Raum-Zeit-„Atomen“ sein, die in Ansätzen für kondensierte Materie vorkommen. Einzelne Komponenten können nur unter Verwendung der höchsten Energien zerlegt werden, die weit über denen liegen, die uns auf der Erde zur Verfügung stehen.

5) Bei einigen Ansätzen mit kondensierter Materie hat die Raumzeit die Eigenschaften eines festen oder flüssigen Körpers, dh sie kann elastisch oder viskos sein. Wenn dies tatsächlich der Fall ist, sind beobachtbare Folgen unvermeidlich. Physiker suchen derzeit nach Spuren ähnlicher Effekte in reisenden Teilchen, also in Licht oder Elektronen, die uns aus dem Weltall erreichen.

Schematische Animation eines kontinuierlichen Lichtstrahls, der von einem Prisma gestreut wird. Bei einigen Ansätzen zur Quantengravitation kann der Weltraum als Dispersionsmedium für verschiedene Lichtwellenlängen fungieren.

6) Die Raumzeit kann beeinflussen, wie Licht sie durchdringt. Es ist möglicherweise nicht vollständig transparent, oder Licht unterschiedlicher Farben kann sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten. Beeinflusst die Quantenraumzeit die Lichtausbreitung, könnte auch dies in zukünftigen Experimenten beobachtet werden.

7) Schwankungen in der Raumzeit können die Fähigkeit von Licht aus entfernten Quellen zerstören, Interferenzmuster zu erzeugen. Dieser Effekt wurde gesucht und zumindest im sichtbaren Bereich nicht gefunden.

Licht, das durch zwei dicke Schlitze (oben), zwei dünne Schlitze (Mitte) oder einen dicken Schlitz (unten) fällt, zeigt Interferenz, was auf seine Wellennatur hinweist. Aber in der Quantengravitation sind einige erwartete Interferenzeigenschaften möglicherweise nicht möglich.

8) In Bereichen mit starker Krümmung kann Zeit zu Raum werden. Das kann zum Beispiel in Schwarzen Löchern oder beim Urknall passieren. In diesem Fall kann die uns bekannte Raumzeit mit drei Raum- und Dimensionen und einer Zeit zu einem vierdimensionalen „euklidischen“ Raum werden.

Die Verbindung zweier verschiedener Orte im Raum oder in der Zeit durch ein Wurmloch bleibt nur eine theoretische Idee, kann aber in der Quantengravitation nicht nur interessant, sondern auch unvermeidlich sein.

Die Raumzeit kann nichtlokal mit winzigen Wurmlöchern verbunden sein, die das gesamte Universum durchdringen. Solche nicht-lokalen Verbindungen müssen in allen Ansätzen vorhanden sein, deren zugrunde liegende Struktur nicht geometrisch ist, wie etwa ein Graph oder ein Netzwerk. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in solchen Fällen das Konzept der "Nähe" nicht grundlegend, sondern implizit und unvollkommen ist, so dass entfernte Gebiete zufällig verbunden werden können.

10) Vielleicht müssen wir, um die Quantentheorie mit der Gravitation zu vereinen, nicht die Gravitation aktualisieren, sondern die Quantentheorie selbst. Wenn ja, werden die Folgen weitreichend sein. Da die Quantentheorie das Herzstück aller elektronischen Geräte ist, wird ihre Überarbeitung ganz neue Möglichkeiten eröffnen.

Obwohl die Quantengravitation oft als rein theoretische Idee angesehen wird, gibt es viele Möglichkeiten zur experimentellen Überprüfung. Wir alle reisen jeden Tag durch die Raumzeit. Sein Verständnis kann unser Leben verändern.

Die Mysterien der Quantenphysik können auch auf die Anzahl unbekannter Artefakte der modernen Struktur der Welt zurückgeführt werden. Die Konstruktion eines mechanischen Bildes des umgebenden Raums kann nicht abgeschlossen werden, indem man sich nur auf das traditionelle Wissen der klassischen Theorie der Physik stützt. Eine Ergänzung zur klassischen physikalischen Theorie, Ansichten über die Organisation der Struktur der physikalischen Realität, wird stark von der Theorie der elektromagnetischen Felder beeinflusst, die zuerst von Maxwell aufgestellt wurde. Man kann argumentieren, dass damals die Bühne für den Quantenansatz in der modernen Physik gelegt wurde.

Es war verbunden, eine neue Etappe in der Bildung der Quantentheorie, und, mit der schockierenden wissenschaftlichen Gemeinschaft, die Forschungsarbeiten des berühmten Experimentalphysikers Max Planck. Der Hauptantrieb für die Entwicklung der Quantenphysik begann und war gekennzeichnet durch den Versuch, ein wissenschaftliches Problem zu lösen, die Untersuchung elektromagnetischer Wellen.

Das klassische Konzept der physikalischen Essenz einer Substanz erlaubte es nicht, die Änderung vieler anderer Eigenschaften als der mechanischen zu rechtfertigen. Die untersuchte Substanz gehorchte nicht den klassischen Gesetzen der Physik, dies stellte die Forschung vor neue Probleme und forcierte wissenschaftliche Forschung.

Planck wich von der klassischen Interpretation der wissenschaftlichen Theorie ab, die die Realität der stattfindenden Phänomene nicht vollständig widerspiegelte, indem er seine eigene Vision präsentierte und Hypothesen über die Diskretion der Energiestrahlung durch die Atome der Materie aufstellte. Dieser Ansatz ermöglichte es, viele der Haltepunkte der klassischen Theorie des Elektromagnetismus aufzulösen. Die Kontinuität der Prozesse, die der Darstellung physikalischer Gesetze zugrunde liegen, erlaubte keine Berechnungen, nicht nur mit einem Kompromissfehler, sondern spiegelte manchmal nicht die Essenz der Phänomene wider.

Plancks Quantentheorie, wonach Atome elektromagnetische Energie nur in getrennten Portionen aussenden können und nicht, wie zuvor gesagt, über die Kontinuität des Prozesses, hat es ermöglicht, die Entwicklung der Physik als Quantentheorie zu verschieben von Prozessen. Die Korpuskulartheorie besagte, dass Energie ständig abgestrahlt wird, und dies war der Hauptwiderspruch.

Die Geheimnisse der Quantenphysik sind jedoch bis in die Grundfesten unerforscht. Es ist nur so, dass Plancks Experimente es ermöglichten, eine Vorstellung von der Komplexität der Struktur der umgebenden Welt und der Organisation der Materie zu entwickeln, aber uns nicht erlaubten, das „und“ endgültig zu punktieren. Diese Tatsache der Unvollständigkeit ermöglicht es, auch heute noch an der Entwicklung der theoretischen Quantenforschung durch Wissenschaftler unserer Zeit weiterzuarbeiten.

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