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Verdammt seltsam

Die merkwürdigen Phänomene der Quantenmechanik könnten das Tor zu einer ganz neuen Welt öffnen. Die EU investiert daher eine Milliarde Euro in die Entwicklung von Quantentechnologie.

(Mehr in: Technology Review)

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Physik-Nobelpreisträger Born: "Ich rate allen jungen Wissenschaftlern ab, sich der Atom-Physik zuzuwenden"

Er war ein begnadeter Physiker, Nobelpreisträger und Duzfreund Albert Einsteins: Max Born hat mit seiner Forschung zur Quantenmechanik Geschichte geschrieben. Heute feiert Google seinen 135. Geburtstag. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Tests der Quantenmechanik mit massiven Teilchen

Quantenmechanische Teilchen können sich wie Wellen verhalten und mehrere Wege gleichzeitig nehmen, um an ihr Ziel zu gelangen. Dieses Prinzip basiert auf Borns Regel, einem Grundpfeiler der Quantenmechanik; eine mögliche Abweichung hätte weitreichende Folgen und könnte ein Indikator für neue Phänomene in der Physik sein. WissenschafterInnen der Universität Wien und Tel Aviv haben nun diese Regel explizit mit Materiewellen überprüft, indem sie massive Teilchen an einer Kombination aus Einzel-, Doppel- und Dreifachspalten interferierten. Die Analyse bestätigt den Formalismus der etablierten Quantenmechanik und wurde im Journal „Science Advances“ publiziert.
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Quantenmechanik im Erdkern

Physiker der Universität Würzburg haben überraschende Eigenschaften des Metalls Nickel entdeckt. Diese könnten dabei helfen, bislang ungeklärte Rätsel um das Magnetfeld der Erde zu lösen.
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Wie skurril darf’s denn sein?

Es ist nun schon etwas her, dass es durch die Presse ging: Das Einstein-Podolsky-Rosen-Experiment (EPR-Experiment) ist erneut zugunsten der Quantenmechanik ausgegangen. Doch was bedeutet es eigentlich, wenn es anders wäre? Die klassische Physik würde das nicht mehr retten.

Im verlinkten Spektrum-Artikel, ist das Experiment und sein theoretischer Hintergrund bereits gut und ausführlich erklärt. Auch ich habe 2011 schon grundsätzliches zu diesen Experimenten geschrieben, deshalb hier nur eine kurze Beschreibung:

In EPR-Experimenten werden an der Quelle verschränkte Photonenpaare erzeugt. Je ein Photon jedes Paares wird über Spiegel oder Lichtwellenleiter zu den Empfängern A und B geleitet. Dort werden willkürlich die Polarisationen der Photonen in drei verschiedenen Winkeln gemessen. Dann werden die Statistiken der Korrelationen, also der Wenn-dann-Beziehungen zwischen den Messungen ausgewertet.

Die Quantenmechanik macht hier eine andere Voraussage, als jede klassische Theorie machen würde: Sie geht davon aus, dass an der Quelle zwar die Korrelation, nicht aber die konkrete Eigenschaft der einzelnen Photonen festgelegt wird. Jedes Photon befindet sich laut Quantenmechanik in einem Schwebezustand aller möglicher Polarisationsrichtungen und es ist nur festgelegt, dass das in B gemessene Photon eine um 90° gedrehte Polarisation gegenüber dem in A gemessenen hat.

Klassische Physik ist dagegen real und lokal. Das heißt, die Photonen sollten bereits an der Quelle je eine eindeutige reale Polarisationsrichtung mitbekommen, die dann an den Empfängern A und B lokal gemessen werden können, ohne dass die Art der Messung in B das Ergebnis in A beeinflussen kann oder umgekehrt. Solch eine Beeinflussung hat Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ zurückgewiesen.

Die klassische Vorhersage ist strenger und setzt ein Maximum für mögliche Korrelationen, das von der Quantenmechanik verletzt wird. Diese Verletzung ist durch die Bellschen Ungleichungen definiert. Sie wurde im genannten Experiment einmal mehr nachgewiesen.

Die immer weitergehenden Experimente werfen die Frage auf, ob die klassische Physik überhaupt noch zu retten ist. Die Antwort ist überraschend einfach: Nein.

Bereits das einfachst mögliche Experiment mit Quelle und den Messungen A und B auf einem optischen Tisch kann den Verdacht Einsteins widerlegen. Dieser Verdacht war, dass die Unbestimmtheit des Quantenzustands vor der Messung nur unsere Unkenntnis wiederspiegelt. Die Polarisation beider Photonen, so vermutete Einstein, liegt an der Quelle bereits fest und uns fehlt nur die vollständige theoretische Beschreibung des Prozesses. Diese Annahme ist mit den ersten Überprüfungen der Bellschen Ungleichungen in den 1970er und 80er Jahren widerlegt.

Was dann noch zu überprüfen war, ist die Frage, ob mit einer Erweiterung der Quantenmechanik die Lokalität und Realität der Natur gerettet werden kann. Wir erinnern uns: Die Quantenmechanik ist entweder nicht Lokal, weil sie beide Photonen gemeinsam durch eine ausgedehnte Wellenfunktion beschreibt. Oder sie ist nicht realistisch, weil sie den Photonen bis zur Messung keine reale Polarisation zuschreibt. Weil die Realität erst bei der Messung entsteht.

Realität und Lokalität ließe sich retten, wenn sich nachweisen ließe, dass die Wellenfunktion ein reales Feld ist, das bei der Messung in A zerfällt. Dieser Zerfall könnte dann in Lichtgeschwindigkeit oder etwas langsamer die Information, was in A gemessen wurde, nach B übertragen. Um diese Informationsübertragung auszuschießen, müssen die Messungen A und B möglichst gleichzeitig und weit voneinander entfernt durchgeführt werden. Die Messungen müssen raumartig getrennt durchgeführt werden. Das gelang Anton Zeilinger und seinem Team Ende der 1990er Jahre in Innsbruck. Seit diesem Experiment ist klar, dass Realität und Lokalität nicht durch explosionsartigen Zerfall einer realen Wellenfunktion zu retten sind.

Das neue Experiment desselben Professors, heute in Wien, widerlegt einen weiteren skurrilen Rettungsversuch: Was, wenn die Erzeugung des Photonenpaars und die Messungen an A und B so konzertiert sind, dass es nur so aussieht als sei die Quantenmechanik richtig? Zeilinger und co. präsentieren ein Experiment, dessen Ausgang schon vor über 600 Jahren beeinflusst worden sein müsste, wenn die Welt klassisch funktioniert aber dennoch die Bellschen Ungleichungen verletzt werden.

Ich bin froh, dass das Experiment wiedermal die Quantenmechanik bestätigt. Alles andere würde auf eine Welt hindeuten, die noch verrückter ist als die Quantenmechanik. An die hab ich mich wenigstens gewöhnt.

Der Beitrag Wie skurril darf’s denn sein? erschien zuerst auf Quantenwelt.

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Quantenmechanik: Malen nach Zahlen für die weltbesten Mathematiker

Wer schnell berechnen kann, wie sich die Welt im Innersten verhält, öffnet das Tor für Technologien von morgen. Wie geht das? Neu erfundene Zahlen könnten den Weg weisen. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Quantenmechanik: Und Einstein hatte doch nicht recht

In der Quantenphysik beeinflussen sich Teilchen über große Entfernungen hinweg. Das glauben Sie nicht? Dann geht es Ihnen wie Albert Einstein. Doch das Genie lag falsch. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Warum Intel bei Quantencomputern auf Silizium setzt

Dank der merkwürdigen Phänomene der Quantenmechanik sollen auf ihr basierende Computer bestimmte Probleme extrem schnell lösen. Fast alle Forschungsgruppen setzen dabei supraleitende Materialien ein – aber Intel versucht es mit Silizium.

(Mehr in: Technology Review)

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Rekorde mit Quanten

Verschlüsselung mit Hilfe der Gesetze der Quantenmechanik ist in der Theorie vollkommen sicher, in der Praxis aber können fehlerhafte Geräte Lücken reißen. Chinesische Forscher haben dieses Problem jetzt gelöst – zum Teil.

(Mehr in: Technology Review)

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Einstein würde sich die Haare raufen

Zu seltsam, um wahr zu sein: So schätzten Einstein und andere Forscher die Quantenmechanik ein. Sie suchten nach Auswegen – doch die sind nun wohl endgültig versperrt. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Einstein rettet Schrödingers Katze

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie feiert heuer ihren 100. Geburtstag. Selbst heute noch fasziniert sie PhysikerInnen und Laien zugleich. Eine internationales Team um Časlav Brukner von der Universität Wien, Igor Pikovski von der University of Harvard und WissenschafterInnen von der University of Queensland haben nun entdeckt, dass die Relativitätstheorie auch ein ganz anderes, ungewöhnliches Phänomen erklären kann: den Übergang von der Quantenmechanik zu unserer alltäglichen, klassischen Welt. Die Forschungsergebnisse erscheinen im Journal „Nature Physics“.
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Quantencomputer: Mehr als Computer mit Quanteneffekten

Quantenmechanik ist die Physik der kleinen Dinge. Wenn Strukturen in der Größenordnung von Atomen eine Rolle spielen, müssen quantenmechanische Gesetzmäßigkeiten bedacht werden. Wenn Computerchips immer kompakter werden ist abzusehen, dass eines Tages die Grenze zur Quantenmechanik erreicht wird. Streng genommen funktioniert ohnehin kein Computer ohne Quanteneffekte. Aber das macht einen Computer nicht zum Quantencomputer.

Quantencomputer sind Computer, deren kleinste Informationseinheiten aus einem quantenmechanischen Bit, einem Q-Bit bestehen. Wie das klassische Bit kann das Q-Bit einen von zwei Zuständen einnehmen. Diese tragen die Namen 0 und 1. In quantenmechanischer Schreibweise heißen sie \(\left|0\right>\) und \(\left|1\right>\). Das Q-Bit kann aber noch mehr: Es kann zusätzlich jeden beliebigen Überlagerungszustand von \(\left|0\right>\) und \(\left|1\right>\) annehmen. Das sind Zustände wie \(a\cdot\left|0\right>+b\cdot\left|1\right>\), wobei \(a\) und \(b\) komplexe Zahlen sind, für die die Einschränkung \(a^2+b^2=1\) gilt1.

Analogcomputer

Die beiden Zahlen \(a^2\) und \(b^2\) sind Wahrscheinlichkeiten, mit denen beim Abfragen des Q-Bits entweder \(\left|0\right>\) oder \(\left|1\right>\) herauskommt. Hierin ähnelt ein Quantencomputer ein bisschen einem analogen Computer: Analogcomputer verwenden keine Zahlen 0 oder 1 sondern kontinuierliche Werte von 0 bis 1. Damit ist \(\frac{3}{4}\) oder 0,75 ein möglicher Wert eines Bits in einem Analogcomputer.

Bei einem Quantencomputer mit \(a=\sqrt{\frac{1}{4}}\) und \(b=\sqrt{\frac{3}{4}}\) ergibt die Messung des Q-Bits in \(\frac{1}{4}\) der Fälle das Ergebnis \(\left|0\right>\) und in \(\frac{3}{4}\) der Fälle \(\left|1\right>\). Im Unterschied zum Analogrechner kommt also nie etwas vergleichbares zu 0,75 heraus. Ein Quantencomputer ist ein echter Digitalrechner. Die Möglichen Zustände eines Q-Bits liegen nicht irgendwo zwischen \(\left|0\right>\) und \(\left|1\right>\), sie enthalten beides mit einem bestimmten Gewicht. Beim Auslesen des Q-Bits kommt immer einer der beiden Werte heraus.

Wahrscheinlichkeiten

Nun ist ein Computer, bei dem jedesmal etwas anderes herauskommt, kein besonders nützliches Instrument. Tatsächlich liegt die Stärke des Quantencomputers in etwas anderem, nämlich darin dass Q-Bits auch untereinander verschränkt sein können.

In einem herkömmlichen Computer finden sich Bits zu größeren Einheiten zusammen: Vier Bits sind ein Nibble und können Zahlen von 0 (Binär: 0000) bis 15 (Binär: 1111) dastellen. Acht Bits sind ein Byte (Zahlen von 0 bis 255) und 16 Bit sind ein Word (0 bis 65535). Das geht mit Quantencomputern auch. Um die Übersicht zu behalten, lasse ich es hier bei einem Nibble.

Ein Q-Nibble besteht aus vier Q-Bits. Das erste Q-Bit kann die Zustände \(\left|0\right>_1\) und \(\left|1\right>_1\) annehmen, das zweite \(\left|0\right>_2\) und \(\left|1\right>_2\), das dritte \(\left|0\right>_4\) und \(\left|1\right>_4\) und das vierte  \(\left|0\right>_8\) und \(\left|1\right>_8\). Wie Sie vielleicht schon bemerkt haben, schreibe ich hinter jedem Q-Bit-Zustand als kleine, tiefgestellte Zahl seine Wertigkeit. Wie bei gewöhnlichen binären Zahlen soll das erste Q-Bit die Wertigkeit 1 haben, das zweite 2, das dritte 4 und das vierte 8. Mit Hilfe dieser Wertigkeiten und der Schreibweise, bei der die höchste Wertigkeit zuerst kommt lässt sich die Zahl 4 Binär als 0100 schreiben, die Zahl 9 als 1001 \(\left(1\cdot8+0\cdot4+0\cdot2+1\cdot1\right)\) und die Zahl 15 als 1111.

Analog stellt das Q-Nibble  \(\left|1\right>_8\left|0\right>_4\left|0\right>_2\left|1\right>_1\) die Zahl 9 dar und \(\left|0\right>_8\left|0\right>_4\left|1\right>_2\left|0\right>_1\) die Zahl 2. Lassen Sie mich das ein Wenig abkürzen. Ich schreibe nun \(\left|1001\right>\) für die 9 und \(\left|0010\right>\) für die 2. Wie bereits oben beschrieben kann sich ein Q-Bit, das zu einem Q-Nibble gehört. in einem Überlagerungszustand befinden. Befindet sich zum Beispiel das 2-wertige Q-Bit in der oben beschriebenen Überlagerung, während die anderen Q-Bits alle im Zustand \(\left|0\right>\) sind, so bekommen wir das Q-Nibble \(a\cdot\left|0000\right>+b\cdot\left|0010\right>\).

Das Q-Nibble \(\frac{1}{2}\cdot\left(\left|0000\right>+\left|0001\right>+\left|0010\right>+\left|0011\right>\right)\) beschreibt einen Gesamtzustand, in dem jeweils das 2-wertige und das 1-wertige Q-Bit unabhängig voneinander mit 50% Wahrscheinlichkeit im Zustand \(\left|0\right>\) oder \(\left|1\right>\) sind. Es handelt sich außerdem um einen Zustand, der die Zahlen 0, 1, 2 und 3 mit jeweils gleichem Anteil repräsentiert. Dies ist nicht das einzige Q-Nibble, das die genannten Eigenschaften hat. \(\frac{1}{2}\cdot\left(\left|0000\right>-\left|0001\right>+\left|0010\right>-\left|0011\right>\right)\) ist ein anderes Q-Nibble, bei dem 1-wertiges und 2-wertiges Q-Bit unabhängig voneinander mit 50% Wahrscheinlichkeit besetzt sind, und das die Zahlen 0, 1, 2 und 3 mit gleicher Mächtigkeit repräsentiert. Mit komplexen Faktoren lassen sich noch mehr solcher Zustände angeben.

Es gibt also mehrere Q-Nibble, die dieselben Wahrscheinlichkeiten ergeben, einzelne Q-Bits in einem bestimmten Zustand anzutreffen. Sie unterscheiden sich in den Ergebnissen quanten-logischer Operationen. Eine Operation, die in einem Fall die Wahrscheinlichkeit für alle Q-Bits im gleichen Sinne verändert, ändert sie im anderen Fall entgegengesetzt. Auch wenn die Wahrscheinlichkeiten der Q-Bits in dieser Klasse von Q-Nibbles unabhängig voneinander sind, sind sie durch eine sogenannte Phase mit einander verbunden. In den obigen Beispielen zeigt sich die Phase im Vorzeichen.

Verschränkungen

Q-Nibbles, bei denen die einzelnen Q-Bits unabhängige Zustands-Wahrscheinlichkeiten haben, sind sehr spezielle Fälle. Im allgemeinen sind sie nicht unabhängig. Folgendes Q-Nibble stellt zum Beispiel mit 50% Wahrscheinlichkeit je die Zahl 0 und 15 dar: \(\sqrt{\frac{1}{2}}\cdot\left(\left|0000\right>+\left|1111\right>\right)\) Hier ist kein Q-Bit von dem anderen unabhängig. Sie sind bei einer Messung entweder alle im Zustand \(\left|0\right>\) oder alle im Zustand \(\left|1\right>\). Das ist eine strenge Korrelation. Wir nennen es auch eine Verschränkung der Q-Bits.

Auch dieses Beispiel zeigt, dass ein Quantencomputer nichts mit einem Analogrechner gemein hat. Die Zahl, die dieses Q-Nibble darstellt liegt nicht irgendwo zwischen 15 und 0. Das Q-Nibble enthält die Zahlen 0 und 15 je mit halbem Gewicht ohne irgendeine Zahl dazwischen zu repräsentieren.

In folgendem Q-Nibble sind die drei höherwertigen Q-Bits miteinander streng korreliert, das 1-wertige dagegen ist unabhängig von den Übrigen mit je 50% Wahrscheinlichkeit \(\left|0\right>\) oder \(\left|1\right>\): \(\frac{1}{2}\cdot\left(\left|0000\right>+\left|0001\right>+\left|1110\right>+\left|1111\right>\right)\). Es handelt sich um eine gleichzeitige Repräsentation der Zahlen 0, 1, 14 und 15.

Alles zugleich rechnen

Die Fähigkeit, viele oder gar alle möglichen Zahlen zugleich in einem Rechenschritt zu bearbeiten ist die Stärke aber zugleich auch ein Problem von Quantencomputern. Schließlich wollen Sie am Ende des Programmlaufs auch ein Ergebnis herausbekommen.

Das Auslesen eines Q-Nibbles geschieht in der Regel klassisch. Es handelt sich um einen Messprozess, bei dem die Wellenfunktion zerfällt und eine der repräsentierten Zahlen herauskommt. Lesen wir das zuletzt dargestellte Q-Nibble aus, so bekommen wir entweder eine 0 oder eine 1 oder eine 14 oder eine 15 heraus. Die einzelne Messung gibt weder Aufschluss über die Wahrscheinlichkeiten noch über die Phasen oder die Verschränkungen. Das Ergebnis lautet zum Beispiel einfach 14.

Quantencomputer sind effektive Parallelrechner. Wir können einfach zwei Q-Nibbles mit jeweils einer Hand voll unterschiedlicher Zahlen laden und dann Rechenoperationen an ihnen durchführen. Diese Rechenoperationen geschehen dann parallel an allen möglichen Kombinationen dieser Zahlen. Nur darf man nicht allzu naiv an die Rechnung herangehen: wenn wir am Ende eine Überlagerung aller möglichen Ergebnisse haben und diese auslesen ist nichts gewonnen. Wir bekommen nur eines von vielen Ergebnissen und wissen nicht einmal aus welchen Eingangswerten dieses Ergebnis herausgekommen ist.

Quanten-Algorithmen

Um diese Schwierigkeit zu umgehen, müssen für Quantencomputer spezialisierte Programmabläufe2 entwickelt werden. Der Ausleseprozess ist immer dann kein Problem, wenn am Ende des Programmlaufes entweder ein eindeutiges Q-Nibble wie \(\left|1001\right>\) steht oder wenn es sich um eine Überlagerung aus Zuständen handelt, von denen wir nur irgendeinen als Ergebnis brauchen. Im ersten Fall bekommen wir bei der Messung mit Sicherheit das richtige Ergebnis im anderen erhalten wir ein richtiges Ergebnis, erfahren aber nicht ob und wie viele andere es noch gibt.

Ein Programm für einen Quantencomputer ist eine Art Filter, in den eine Überlagerung vieler Zahlen hineingesteckt wird aber nur eine Antwort herauskommt. Ein gutes Beispiel ist der Shor-Algorithmus, der nach einem Teiler einer Zahl sucht und so die rechenaufwendige Faktorisierung großer Zahlen ermöglicht. Der Quantencomputer probiert hier zugleich alle möglichen Zahlen aus und filtert mit großer Wahrscheinlichkeit genau das richtige Ergebnis heraus, das dann in einem Messprozess gewonnen und mit einem herkömmlichen Rechner überprüft werden kann.

In mathematischen Suchaufgaben, wo die Nadel aus dem Heuhaufen herausgefiltert werden soll, sind Quantencomputer gewöhnlichen Computern haushoch überlegen. Für die meisten Aufgaben, wie Textverarbeitung und Anwendung von Grundrechenarten oder schnelle Grafikausgabe ergibt das Prinzip der Quantencomputer dagegen keinen Vorteil. Hier wollen wir auf eine eindeutige Frage eine eindeutige Antwort. Das ist das Regime gewöhnlicher binärer oder – in Einzelfällen – analoger Rechner.

Weil Quantencomputer so spezialisiert sind, werden sie nie die konventionellen Computer ersetzen. Sie werden aber nützliche Ergänzungen zur Computertechnologie sein, sobald kompakte und zuverlässige Systeme zur Verfügung stehen. Bis dahin ist es noch ein weiter Weg, denn die technische Realisierung von Q-Bits, -Bytes und -Words ist eine große Herausforderung, auf die ich hier nicht eingehen möchte.

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(Mehr in: Quantenwelt)

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Dimension oder Parameter Zeit

Die Zeit ist in der Physik etwas so grundsätzliches, dass es schwer fällt zu definieren, um was es sich dabei genau handelt. Ich gebe Ihnen hier mal meine beiden liebsten Zeitkonzepte. Suchen Sie sich eins aus.

Zeit als Parameter

Der natürlichste Zugang zur Zeit ist, sie als Parameter zu verstehen. Ein Parameter ist in der Mathematik und Physik eine Zahl, die verschiedene Konstellationen durchzählt. Wenn wir mathematische Physik betreiben, können wir jedem Objekt in einer Momentaufnahme verschiedene Eigenschaften zuschreiben. Gegenstände haben einen Ort, eine Geschwindigkeit, einen Drehimpuls. Vielleicht müssen wir eine Temperatur oder eine Verformung kennen. Jede dieser Eigenschaften kann sich ändern. Die Zeit kann aufgefasst werden als der Parameter, der solche Veränderungen beschreibt. Zur Zeit \(t=0\) hat die Welt eine bestimmte Konstellation bestehend aus den momentanen Eigenschaften aller Objekte. Eine Sekunde später, zur Zeit \(t=1s\), liegt eine andere Konstellation vor.

Zeit als Parameter kommt in der theoretischen Physik sehr oft vor. So lässt sich ein mechanischer Ablauf recht problemlos durch sogenannte numerische Integration der Bewegungsgleichungen berechnen. Der Computer spielt die Situation einfach in konkreten Zeitschritten durch. Mit jedem Zeitschritt \(\Delta t\)(sprich: Delta-t) ändert sich der Ort jedes Objektes proportional zur aktuellen Geschwindigkeit: \(\vec{x}_{n+1}=\vec{x}_n+\Delta t\cdot\vec{v}_n\), wobei \(\vec{v}_n\) die jeweils aktuelle Geschwindigkeit ist. Jede Geschwindigkeit ändert sich proportional zur am Ort des Objektes herrschenden Kraft: \(\vec{v}_{n+1}=\vec{v}_n+\Delta t\cdot\frac{\vec{F}(\vec{x})}{m}\), wobei \(\vec{F}(\vec{x})\) die Kraft am Ort \(\vec{x}\) und \(m\) die Masse des Objektes ist. Indem der Computer den Parameter \(n\) hochzählt, durchläuft er die Zeit in konstanten Schritten. Zu jedem Zählschritt \(n\) lässt sich eindeutig ein Parameter Zeit angeben: \(t_n=t_0+n\cdot\Delta t\). Dabei ist es unerheblich, wie die Zeit angegeben wird. Hinter dem Buchstaben \(t\) kann sich eine Uhrzeit mit Datum ebenso verbergen, wie eine einfach Angabe von Sekunden, die seit dem Start des Experimentes vergangen sind.

Entscheidend in diesem Zusammenhang ist, dass die Zeit ganz anders behandelt wird als die Ortskoordinaten. Während letztere für jedes Objekt Schritt für Schritt berechnet werden, ist der Ablauf der Zeit vorgegeben. Die Zeit nummeriert die aufeinanderfolgenden Konstellationen, bezeichnet sie.

Zeit als vierte Dimension

Ein anderer Zugang zur Zeit beschreibt diese als vierte Dimension neben Länge, Höhe und Breite. Ein Objekt hat in dieser Interpretation der Zeit nicht nur eine Ausdehnung im Raum, sondern auch eine in der Zeit. Die im Parameterbild zeitlich nacheinander ablaufenden Konstellation bilden im Dimensionenbild einen Vierdimensionalen Faden durch die Raumzeit.

Nun können wir uns vier Dimensionen nicht wirklich vorstellen1, deshalb reduzieren wir zur Darstellung den Raum gerne auf zwei Dimension. Stellen sie sich vor, jede Konstellation eines flachen Raums (vielleicht die Kugel-Positionen auf einem Billardtisch) wird auf ein Blatt Papier gezeichnet. Legen wir diese Blätter nun in der richtigen zeitlichen Reihenfolge aufeinander, so durchzieht die Markierung jeder einzelnen dieser Kugeln den gesamten Papierstapel. Jede Kugel, die auf dem Papier nur zweidimensional war, ist nun ein dreidimensionaler Faden durch den Papierstapel. Die Stapelrichtung des Papiers ist ein Bild für die Zeitdimension, die Ebenen der Blätter für die räumlichen Dimensionen.

Dass Zeit eine vierte Dimension ist, wird typischer Weise in den Relativitätstheorien2 angenommen. Dadurch lassen sich die wesentlichen Aussagen dieser Theorien geometrisch deuten und die Theorien werden recht anschaulich.

Bei allen Vorteilen, die das Bild von der Zeit als Dimension hat, dürfen wir aber nicht vergessen, dass die Zeit andere Eigenschaften hat als der Raum. So kann eine Billardkugel auf dem Tisch hin und her rollen, sie kann aber nicht in die Zeit zurück laufen. Das würde nicht nur Energie- und Impulserhaltung3, sondern vor allem jeder Alltagserfahrung widersprechen.

Auch in der Relativitätstheorie wird die Zeitdimension nicht identisch zu den drei Raumdimensionen behandelt. Die Geometrie weicht in einem kleinen, aber wichtigen Vorzeichen ab. Der Abstand zweier Ereignisse in der Raumzeit wird nicht durch den gewöhnlichen, aus der Geometrie bekannten Satz von Pythagoras (\(a^2+b^2=c^2\)) berechnet, sondern durch die Formel: \(\Delta s^2=\Delta t^2-\Delta x^2-\Delta y^2-\Delta z^2\). Anders als ein echter Abstand kann die Größe \(\Delta s\) positiv und negativ sein. Wenn sie Null ist, sind die Ereignisse nicht unbedingt an den gleichen Koordinaten.4

Unterschied

In meinem letzen Beitrag habe ich kurz erläutert, dass die Zeitrichtung in die statistische Physik hineingesteckt werden muss und nicht als Ergebnis herauskommt. Das ist aber nur erstaunlich, wenn wir Zeit als vierte Dimension annehmen. Nur hier erscheint die Zeit wie ein Stapel Papier als ein Block, den wir von beiden Seiten betrachten können. Warum, fragt man sich in diesem Bild, sollte die Physik anders sein, wenn ich den Papierstapel einfach umdrehe?

Anders ist es, wenn wir Zeit als Parameter verstehen. Dann ist es nicht so selbstverständlich, dass die verwendeten Formeln umkehrbar sind. Die mechanischen Formeln sind es, aber das ist eine Erfahrungstatsache. Niemand garantiert, dass das so sein muss. Die thermodynamischen5 Formeln sind es nicht und auch in der Quantenmechanik scheint der Messprozess beim besten Willen nicht umkehrbar zu sein. Wir rechnen in der Physik immer von der Gegenwart ausgehend in die Zukunft. Wir können unter klassisch mechanischen Umständen zurückrechnen, unter thermodynamischen und quantenmechanischen nicht. Aber von der Vergangenheit können wir Erinnerungen und Aufzeichnungen haben. All das spricht für das Parameterbild der Zeit. Die Zeit vergeht einfach wie Newton es definiert hat, und die technische, physikalische Zeit ist ein Mittel, den Momenten eine Bezeichnung zu geben.

Verstehen Sie mich nicht falsch. Zeit als Dimension aufzufassen halte ich auch für haltbar und didaktisch in der Relativitätstheorie für sehr wertvoll. Aber eine Entscheidung für das eine oder andere Bild kann auf rein naturwissenschaftlichem Weg nicht gefunden werden. Beide Bilder sind nützlich und es ist nützlich sie zu kennen und zu unterscheiden.

(Mehr in: Quantenwelt)

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Welcher-Weg-Abbildung

Spektrum.de berichtete Ende August über ein quantenoptisches Experiment an der Universität Wien zum Fotografieren mit verlorenem Licht. Die Originalveröffentlichung ist bei Nature unter dem Titel Quantum Imaging with undetected photons erschienen. Der Versuch ist bei Spektum bereits sehr gut beschrieben, so dass ich hier weitgehend darauf Verzichten kann, die experimentellen Details zu schildern. Vielmehr möchte ich auf zwei offene Fragen eingehen: Gibt dieser Versuch überraschende Erkenntnisse und lässt sich hiermit überlichtschnelle Kommunikation erreichen?

Der Versuch basiert auf ein Prinzip, dass schon seit der Anfangszeit der Quantenmechanik bekannt ist und diskutiert und untersucht wird. Die Welcher-Weg-Information. Jedes Zwei-Strahl-Interferometer, also jede Anordnung, bei der Licht in zwei Wege aufgespalten und dann wieder überlagert wird, ist konzeptionell zum guten alten Youngschen Doppelspalt-Versuch analog. Wenn Licht durch zwei Spalte geht, ergibt sich ein Interferenzmuster genau dann, wenn es für den einzelnen Absoptionsvorgang auf dem Kamerachip unmöglich ist anzugeben, durch welchen der beiden Spalten das Photon ging, das diesen Bildeindruck hervorrief. Lässt sich dagegen für jedes Ereignis zumindest Prinzipiell angeben, welcher Spalt durchlaufen wurde, ergibt sich nur noch die Beugung am Einzelspalt wie im Bild rechts. Dabei ist es unerheblich, ob die Welcher-Weg-Information ausgewertet wird. Es kommt nur darauf an, ob sie vorhanden ist oder nicht.

Im hier behandelten Experiment wird zunächst ein grüner Laser mit einem einfachen Strahlteiler in zwei interferenzfähige Teilstrahlen aufgespalten. Jeder dieser Teilstrahlen wird dann weiter mit Hilfe eines nichtlinearen optischen Kristalls in zwei verschiedenfarbige Lichtstrahlen zerlegt, einen roten und einen infraroten. Nur die roten Lichtstrahlen werden zur Interferenz gebracht, die infraroten liefern die Welcher-Weg-Information. Entscheidend ist hier, dass die beiden grünen Ausgangsstrahlen nicht gleichzeitig in Rot und Infrarot zerlegt werden. Der linke Strahl wird zuerst zerlegt. Das infrarote Licht, das bei der Zerlegung des linken Strahls erzeugt wird, kann dann parallel zum rechten grünen Strahl in denselben Kristall wie dieser geführt werden und dort mit dem dort erzeugten zweiten infraroten Strahl überlagert werden. Diese Überlagerung der beiden infraroten Strahlen zerstört die Welcher-Weg-Information und ermöglicht die Interferenz der roten Strahlen.

Nun kommt das abzubildende Objekt ins Spiel: Es schirmt an einigen Stellen Photonen aus dem linken Arm ab, bevor sie den rechten Kristall erreichen, an anderen Stellen ist es transparent. Damit wird die Welche-Weg-Information nur für einige räumliche Moden zerstört, für andere besteht sie weiterhin. Im Detektor macht sich das dadurch bemerkbar, dass Interferenz an einigen Stellen auftritt und an anderen nicht. Die Interferenz bildet das Objekt räumlich korrekt ab.

Da der Einfluss von Welcher-Weg-Information auf Interferenz lange bekannt ist, ist die Funktionsweise dieses Experiments keine Überraschung. Es bestätigt die Aussagen der Quantenmechanik und beweist dabei einmal mehr den nicht lokalen1 oder nicht realistischen2 Charakter von Quantenprozessen.

Informationsübertragung

Bleibt die Frage, ob mit diesem Versuch überlichtschnelle Informationsübertragung möglich ist. Diese Frage wirft ein Kommentar unter dem Spektrum-Artikel auf. Ob mit verschränkten Teilchen Kommunikation in Überlichtgeschwindigkeit möglich ist, ist eine alte Frage und musste bisher in jedem Versuch verneint werden. Was überlichtschnell übertragen wird oder nicht lokal existiert, sind immer nur Korrelationen. Erst durch Vergleich mit einem lichtschnellen Referenzsignal werden Korrelationen zu Information. Hier aber ist das Bild ganz offensichtlich nicht erst in der Korrelation, sondern in jedem Bild hinter dem Strahlteiler direkt zu sehen. Können wir hier Einstein3 überlisten?

Tatsächlich ist es nicht möglich, die beiden infraroten Strahlen erst nach dem linken Kristall miteinander zu überlagern. Die Entscheidung, ob Interferenz der roten Teilstrahlen auftreten wird, findet im Kristall des rechten Strahlengangs statt. Das infrarote Licht muss erst im linken Kanal erzeugt werden, dann das Objekt passieren, dann im rechten Kanal zur Überlagerung gebracht werden und erst dann kann in den roten Teilstrahlen Interferenzauslöschung beobachtet werden. Diese vier Ereignisse geschehen streng zeitartig nacheinander. Es gibt keine überlichtschnelle Informationsübertragung.

Der Grund, warum eine vollständige Überlagerung der beiden infraroten Strahlen nirgends anders als im zweiten Kristall stattfinden kann, liegt in der Symmetrie von elektromagnetischen Vorgängen. Die beiden infraroten Strahlen haben dieselbe Wellenlänge und dieselbe räumliche Struktur. Es kann keinen Spiegel geben, der für einen der Strahlen reflektierend ist und für den anderen durchlässig, einfach weil die Strahlen sich nicht voneinander unterscheiden. Gleiche Phänomene unterliegen gleichen Gesetzen. So funktioniert Physik. Solch ein Zauberspiegel, der einen Infrarotstrahl in den anderen hineinspiegelt ohne diesen zu verändern, müsste man haben, um die Strahlen hinter dem Kristall zu vereinigen. Da ist den nicht gibt, kann der erste Infrarotstrahl nur durch den Kristall geleitet werden, wo er die Stelle passiert, an der der andere zur selben Zeit am selben Ort entsteht. Nur so ist vollständige Auslöschung der Welcher-Weg-Information machbar.

Überlichtschelle Datenübertragung ist mit diesem Experiment also nicht zu erreichen. Dafür lässt sich ein Bild von einer Farbe auf eine andere übertragen. Das ist technisch durchaus interessant.

(Mehr in: Quantenwelt)

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Am Ende des Strings

Nach der Begeisterung für die Entdeckung des Higgs-Bosons am CERN in Genf ist eine gewisse Ernüchterung eingetreten. Schließlich ist die Theorie alt, nach der es mindestens ein Higgs-Boson geben muss. Viele fragen sich, ob sich der Bau eines Telichenbeschleunigers für dieses eine Teilchen überhaupt gelohnt hat. Ob die Unauffindbarkeit weiterer Teilchen am CERN das Ende der Stringtheorie bedeutet. Ob damit vielleicht entschieden ist, dass die Loop-Quantengravitation jetzt die Kandidatur für die nächsttiefere Theorie übernehmen wird.

Eines ist klar, die Luft für sogenannte supersymmetrische Theorien ist dünn. Supersymmetrie fordert, dass es mehr unbekannte Teilchen1 gibt. Die zusätzlich geforderten Teilchen fallen dabei nicht vom Himmel, sondern sind für die Stabilität der Theorie so wichtig wie die Existenz des Z-Bosons für die elektroschwache Wechselwirkung. Die Massen der zusätzlichen Teilchen können nicht beliebig hoch sein, je größer sie sind, desto schwieriger wird es für die Theorie, die Stabilität der Welt zu erklären. Außerdem sind die Wechselwirkungen, die die Teilchen miteinander und mit anderen, bekannten Elementarteilchen eingehen können, nicht beliebig. Sie ergeben sich aus einer wohl definierten Erweiterung der bekannten Teilchenphysik. Vertreter/innen der Supersymmetrie wissen also sehr genau, wonach sie suchen: Nicht zu schwere Teilchen mit wohl definierten Zerfallskanälen2.

Das dürfte jetzt für einige Nervosität sowohl bei den theoretischen Physikerinnen und Physikern als auch bei den Experimentator/innen führen, die an Supersymmetrie glauben und ihre Theorie darauf aufgebaut haben. Der Beschleuniger LHC am CERN befindet sich gerade im Upgrade auf die maximale Energie von 7 Tera-Elektronenvolt und soll in 80 Tagen anlaufen. Dann sollten supersymmetrische Teilchen gefunden werden.

Oder auch nicht, denn es gibt zwei Möglichkeiten, die dazu führen würden, dass der LHC auch bei maximaler Energie nicht fündig wird:

  1. Der supersymmetrische Ansatz und damit alle Stringtheorien könnten schlicht falsch sein.
  2. Eine komplexere als die angenommene Version der Supersymmetrie erlaubt Teilchen, die so schwer sind, dass sie vom LHC nicht messbar sind. Im oben verlinkten Beitrag hatte ich beschrieben, wie die Existenz von Z-Boson und Charm-Quark die elektroschwache Theorie retteten. Ähnliches könnte bei hohen Energien für supersymmetrische Theorien gelten.

Das klingt jetzt erstmal unbefriedigend. Der LHC ist nicht das Experiment, das die Stringtheorien oder allgemeiner alle supersymmetrischen Theorien endgültig ausschließen kann. Es könnte einfach die Frage offen lassen, ob es Supersymmetrie gibt oder nicht.3

Allerdings werden wir das nicht gleich nächstes Jahr wissen, denn neben der Möglichkeit der direkten Detektion neuer Teilchen gibt es noch die mühsamere Möglichkeit, kleine Hinweise auf neue Physik zu finden. LHC ist ja nicht nur eine Higgs-Bosonen-Entdeckungs-Maschine. Die beiden Detektoren ATLAS und CMS versuchen alle möglichen Prozesse bei den erreichbaren Energien zu analysieren und führen damit Messungen an allen bisher bekannten Teilchen bei höheren Energien als bisher durch. Das Top-Quark wird genauer untersucht, das Higgs-Boson wird auf alle seine Eigenschaften abgeklopft, andere Prozesse werden analysiert. Für die Untersuchung der Bottom-Quarks gibt es sogar einen eigenen Detektor namens LHC-B.

In vielen Jahren Datennahme und Auswertung wird LHC die Vorhersagen des bisherigen Standardmodells mit experimentellen Daten vergleichen und dabei nach Abweichungen Ausschau halten. Solche Abweichungen können dann eventuell doch noch Aufschluss über Supersymmetrie oder andere neue Modelle geben. Erst wenn auch dort alles dem Standardmodell entspricht, können wir davon reden, dass LHC außer dem Higgs-Teilchen nichts neues entdeckt hat. Er hätte dann aber immerhin das Standardmodell grandios bestätigt. Das wäre doch schonmal etwas.4

Und dann? Wenn nicht Supersymmetrie und Stringtheorie, käme dann die Zeit der Loop-Quantengravitation? Leider nein, denn die Loop-Quantengravitation ist ein Versuch, die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu versöhnen. Sie kann in der Kosmologie, im Versuch die Entstehung des Universums zu verstehen, sicher einige Fragen klären. Sie hat aber zumindest bisher noch keinen Ansatz hervorgebracht, den Teilchenzoo der Elementarteilchenphysik zu erklären, also die verschiedenen Teilchentypen auf tiefere Prinzipien zurückzuführen. Das tut die Supersymmetrie zwar auch nicht, aber sie ist die natürliche Fortführung der bisherigen Teilchenphysik. Was bisher so erfolgreich war, wird man nicht so schnell aufgeben. Jedenfalls nicht, bis jemandem ein besserer Ansatz einfällt.

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Glauben führt zu Wissen

In meinem letzten Artikel, in dem es um Falsifizierbarkeit als überragendes Kriterium für Wissenschaft ging, habe ich recht abstrakt über wissenschaftliche Theorien als ganzes geschrieben und die Relativitätstheorie als Beispiel hergenommen. Heute möchte ich die Perspektive wechseln und die Sicht der einzelnen Forscherin, des einzelnen Forschers einnehmen. Wenn wir wissenschaftlich arbeiten, schadet es gar nicht, unüberprüfbare Glaubenssätze als Prämisse zu nehmen. Glauben kann recht nützlich sein.

Wissenschaftstheorien beschreiben den Wissenschaftsbetrieb als Ganzes. Sie erklären, wie es die Wissenschaft1 erreicht, relativ sicheres Wissen zu schaffen, obwohl wir aus dem Jahrtausende alten Streit zwischen Rationalisten, Empirikern und Skeptikern wissen, dass nichts unumstößlich sicher sein kann. Die Wissenschaftstheoretischen Feinheiten sind aber nicht Problem einzelner Personen im Wissenschaftsbetrieb. Von einzelnen Forscherinnen und Forschern wird erwartet, dass sie im Kleinen ihre Arbeit machen. Sie müssen sich nicht beim Rechnen mit einer Theorie  oder bei der Veröffentlichung von Daten um die wissenschaftstheoretische Rechtfertigung ihres Tuns kümmern. Wenn es heißt, dass Glauben nichts mit Wissenschaft zu schaffen hat, dann gilt das für die Menge der wissenschaftlichen Theorien als ganzes, nicht für einzelne Personen.

Glauben hat in der deutschen Sprache mindestens zwei Bedeutungen. Trivial ist, dass sich Wissenschaftler/innen nicht immer ganz sicher sind. „Ich glaube, das sind jetzt genügend Daten, aber die Auswertung wird’s zeigen.“ Von diesem Glauben rede ich hier nicht, es geht um den Glauben der Religiösen, um das unbedingte Für-Wahr-halten einer Aussage, die man nicht beweisen kann. Eine klare Vorstellung davon zu haben, wie die Welt sein muss, kann eine starke Motivation bei der Lösung physikalischer Fragestellungen sein.

Die Physikgeschichte ist voll von Persönlichkeiten, die sich von einem starken Glauben an ein bestimmtes Weltsystem führen ließen. Kopernikus wollte mit seinem Sonnen-zentrierten Weltbild zurück zu einer Harmonie der Naturgesetze, die er in der Ptolemäischen Auffassung nicht mehr erkennen konnte. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie basiert auf dem Machschen Prinzip, das die Existenz eines absoluten Raums kategorisch ausschließt. Seine Überzeugung, dass die Welt einfachen Strukturen folgen müsse, war ein starker Ansporn, die mathematisch Anspruchsvolle aber elegante allgemeine Relativitätstheorie zu entwerfen. Sein Glaube am Realismus, also daran, dass jedes Objekt der Wissenschaft zu jeder Zeit eindeutige Eigenschaften haben sollte, führte dazu, dass er die Quantenmechanik für unvollständig hielt und so wegweisende Gedankenexperimente wie das EPR-Paradoxon zur Debatte beitrug.

In dem Artikel Was ist Real im Juliheft von Spektrum der Wissenschaft (Michael Blume berichtete) plädierte der Philosoph Meinard Kuhlmann für mehr Mut zur Metaphysik. Da hat recht: Wer eine klare metaphysische Vorstellung davon hat, wie die Welt sein müsse, der oder dem fällt es leichter, neue Wege in der Physik zu beschreiten.

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Welträtsel oder Wissenschaft

Die Welt könnte so einfach sein. Wenn sich der Raum streng euklidisch verhalten würde und alle Winkel- und Längenverhältnisse mit einfacher Mittelstufenmathematik berechenbar wären, bräuchte es keine komplizierten, nichtlinearen Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie um den Kosmos zu beschreiben. Wenn die Atome klassische Teilchen wären, mal glatt und rund, mal rau, kantig und mit Häkchen versehen, die miteinander nach Newtons Gesetzen Stöße vollführen und aneinander binden, brauchten wir keine Quantentheorien mit rätselhaften Verschränkungen und Unbestimmtheitsrelationen.

Vereinfachte Weltmodelle gibt es viele und nach wie vor gibt es überzeugte Kritiker der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik, die einfache Welterklärungsmodelle feilbieten und die moderne Physik zu einem großen Betrug erklären. Ich beginne langsam zu verstehen, was diese selbsternannten Kritiker antreibt und warum der Dialog mit ihnen so schwer, meistens sogar aussichtslos ist.

Hilfreich für dieses Verständnis war das Buch Einsteins Gegner: Die öffentliche Kontroverse um die Relativitätstheorie in den 1920er Jahren1 2 der Wissenschaftshistorikerin Milena Wazeck. Obwohl sich Wazeck in diesem Werk auf die frühe Kritik an die Relativitätstheorie beschränkt, scheint es mir immer noch aktuell. Die Argumente, mit denen Alternativwissenschaftler Einsteins Relativitätstheorie und Teile der Quantenmechanik ablehnen, haben sich in fast einem Jahrhundert kaum geändert.

Wazeck bezeichnet die Kritiker der Relativitätstheorie als Welträtsellöser und weist damit bereits auf den wesentlichen Unterschied zur etablierten Wissenschaft hin: Ihr völlig anderes Verhältnis zur Metaphysik und zum Wahrheitsbegriff.

In der etablierten Wissenschaft spielt die Suche nach der tiefsten, endgültigen Wahrheit keine Rolle. Je nach Geschmack suchen wir falsifizierbare Theorien3, passende Konstrukte4 oder einfach praktikable Methoden um Messergebnisse zu errechnen5.6 Das bedeutet nicht, dass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler keine Vorstellung über den Wahrheitsgehalt ihrer Theorien haben dürfen. Es kann bei der Theorienentwicklung sehr hilfreich sein, wenn die Forscherin oder der Forscher eine klare Vorstellung hat, wie die Welt aufgebaut ist.7 Für die wissenschaftliche Arbeit spielt der Wahrheitsbegriff jedoch keine Rolle. Es geht in der etablierten Wissenschaft darum, mit Theorien die gemessenen oder beobachteten Daten adäquat abzubilden.

Welträtsellöser/innen suchen dagegen primär nach der Weltformel, der letzten Wahrheit. Typische Welträtsellöser sind überzeugt, diese Wahrheit gefunden zu haben. Wazeck ordnet das Welträtsellösertum der 1920er Jahre grob in drei Kontexte ein: Okkultismus, Lebensreform und Monismus.

Aus okkultistischer Sicht ist die etablierte Wissenschaft abzulehnen, weil sie auf Reproduzierbarkeit und Intersubjektivität Wert legt. Die Entdeckung der Röntgenstrahlung hat esoterischen Strömungen Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts Hoffnung gegeben: Wenn es mit der von Wilhelm Konrad Röntgen entdeckten X-Strahlung, eine bis dahin unentdeckte Strahlung gibt, die für Menschen nicht wahrnehmbar ist, warum sollte es dann nicht andere Strahlungen geben, die nur von besonders sensitiven Menschen nutzbar ist? Warum sollte man so nicht Phänomene wie Hellsicht, Telekinese, Astrologie erklären?

Okkultisten nehmen Einzelberichte und Geheimwissen ungeprüft als Wahrheit an. Sie erkennen die Forderung der Wissenschaft nicht an, dass ein Phänomen verifizierbar sein muss, bevor eine Erklärung notwendig ist. In den Bereich okkultistisch motivierter Welträtsellöser lässt sich heute die Schwache Quantentheorie des Harald Walach einordnen.

Die Lebensreform-Bewegung nahm an dier zunehmend materialistischen Ausrichtung der Wissenschaft Anstoß. Auch wenn Vertreter/innen der Lebensreform hauptsächlich alternative Heilmethoden gegen die von ihnen als Schulmedizin bezeichnete wissenschaftlich fundierte Medizin durchsetzten wollten, gingen aus ihr auch Kritiker der Naturwissenschaften hervor. Kritiker aus diesem Kontext kritisieren die Naturwissenschaften dafür, dass sie sich nur mit dem materiellen Teil der Welt beschäftigen und geistliches außen vor lassen. Oft setzen sie ein Lebensprinzip als Grundlage ihrer Wissenschaftsauffassung. Für sie ist Leben kein Phänomen, das aus komplexen biochemischen Interaktionen hervorgehen kann, sondern ein grundlegendes Prinzip, das hinter allen Naturphänomenen steht. Mechanische Gesetzmäßigkeiten gehören für sie entweder einer anderen Welt an, in der das Leben nicht erklärbar ist, oder sie sind dem Lebensprinzip untergeordnet. Ein allumfassender Weltgeist treibt die mechanischen wie die biologischen Vorgänge an.

Interessant an den Kritiken aus der Lebensreform-Bewegung ist, dass sie die Wissenschaft einerseits als zu reduktionistisch ablehnen, andererseits aber versuchen ihren eigenen Konzepten einen wissenschaftlichen Anstrich zu geben, um an die gesellschaftliche Autorität der Wissenschaften Teil haben zu können.

Monisten schließlich kritisierten die modernen Wissenschaften für ihre Spezialisierung. Die monistischen Vereinigungen der 1920er Jahre strebten nach einer Universalwissenschaft, die alle gesellschaftlichen Aspekte auf naturwissenschaftliche Grundlagen zurückführte. Diese Spielart der Kritik rekrutierte sich vorwiegend aus Ingenieuren und versuchte auch Ethik und Politik auf mechanische Grundlagen zurückzuführen.8

Es gab und gibt eine Vielzahl monistischer Alternativwissenschaften mit völlig zueinander konträren Ansätzen. Atomistische Theorien, die alle Phänomene auf die Interaktion klassischer Teilchen im Vakuum zurückführen wollen. Weltäthertheorien, die als Grundlage ein metaphysisches, alles durchdringendes Kontinuum von Urmaterie annehmen. Aber auch pantheistische Ansätze, die große Parallelen zu okkulitischen und Lebensreform-Ansätzen haben, sich aber von diesen durch ihre Ablehnung von Dualismen unterscheiden.

Man kann gegen Wazecks Dreiteilung der Kritiker in Okkultisten, Lebensreformler und Monisten einwenden, dass eine eindeutige Zuordnung oft gar nicht möglich ist. Wazeck selbst weist auf die großen Überschneidungen in den Motivationen dieser drei Bewegungen hin. Wollte man Kritiker kategorisieren, so wäre es zielführender, eine Art Matrix aufzustellen, in der jede Alternativtheorie nach ihrer Tendenz zum Okkultismus, zum Lebensreformgedanken und nach ihrer Präferenz von dualistischen oder monistischen Ansätzen eingeteilt werden kann. Aber eine Klassifizierung ist nicht Wazecks Intension. Es geht ihr in erster Linie darum, das Spektrum an Beweggründen von Kritikbewegungen in den 1920er Jahren zu beleuchten. Das gelingt ihr mit dieser Einteilung und den dazu gegebenen Beispielen recht einleuchtend.

Für mich war die Lektüre des Buchs hilfreich, weil sie mir gezeigt hat, wo der wirkliche Konflikt zwischen Naturwissenschaften und ihren unorthodoxen Kritikern liegt. Es sind keine Kleinigkeiten. Die allermeisten Welträtsellöser werden wir nicht von der modernen Wissenschaft überzeugen können, indem wir nachweisen, dass die Relativitätstheorie mathematisch Konsistent ist. Es wird nichts bringen, Experimente zu erläutern und zu zeigen, mit welchen Theorien sie konsistent sind und welchen sie widersprechen. Und es ist auch nicht Zielführend, zu erläutern, warum wir die Relativitätstheorie einer Äthertheorie vorziehen, selbst wenn die beiden Theorien mathematisch gleich sind.

Der wesentliche Unterschied zwischen Welträtsellöser/innen und Wissenschaftler/innen liegt darin, dass erstere andere Erwartungen an Wissenschaft haben. Sie lehnen moderne Wissenschafts- und Erkenntnistheorie ab und suchen nach einer letzten Wahrheit. Nach einer Weltformel. Viele Welträtsellöser waren so überzeugt davon, das letze Prinzip, die Weltformel gefunden zu haben, dass sie sich nicht erklären konnten, warum ihnen die etablierte Wissenschaft nicht sofort beipflichtete. Daraus entwickelten sich dann die Verschwörungstheorien und die Plagiatsvorwürfe gegen Einstein.

Mein Fazit aus der Lektüre des Buches und den Erfahrungen, die ich selbst in der Diskussion über die Relativitätstheorie sammelt konnte, ist, dass Welträtsellöser/innen einfach nicht die Zielgruppe für Erklärungen der Relativitätstheorie sind. Erklären können wir Theorien denen, die grundsätzlich mit den Zielen und Methoden zeitgenössischer Naturwissenschaft einverstanden sind und Details der Theorien und Experimente verstehen wollen.9 Mit Welträtsellöser/innen müssen wir, wenn überhaupt, über Wissenschaftstheorie diskutieren.

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Missverstandene Relativitätstheorie

Albert Einstein, Entwickler der Relativitätstheorien und Entdecker des Photoeffekts, wurde am 14. März 1879 geboren. Heute wäre er also 135 Jahre alt geworden. Ich nehme das zum Anlass, einmal eine Liste von beliebten Irrtümern zur Relativitätstheorie zusammenzustellen.

Hier also meine sieben liebsten Irrtümer zur Relativitätstheorie1:

1. Alles ist relativ

Mit einem erkenntnistheoretischen oder gar ontologischen Relativismus hat die Relativitätstheorie gar nichts zu tun. Im Gegenteil: Es handelt sich um eine klassische Theorie. Wie in der klassischen Mechanik, lassen sich die Bewegungen aller Beteiligten Objekte für alle Zukunft und Vergangenheit bestimmen, wenn alle Geschwindigkeiten und Orte zu einem Zeitpunkt bekannt sind. Die Wahrnehmung einzelner Beobachter ist auch in der klassischen Mechanik unterschiedlich, aber alle Messwerte sind in der Relativitätstheorie vom Betrachter unabhängig.

2. Einstein hat die Zeit als vierte Dimension eingeführt

Diese Annahme ist auf zwei Weisen falsch. Zum einen geht die moderne Darstellung der Relativitätstheorie in einer vierdimensionalen Raumzeit nicht auf Einstein, sondern auf Hermann Minkowski zurück. Zum anderen war die Auffassung, man könne die Zeit als eine vierte Dimension sehen, schon vor Einsteins Veröffentlichung der speziellen Relativitätstheorie verbreitet. Sie taucht bereits in dem 1895 erschienen Roman Die Zeitmaschine auf.

3. Beschleunigung kann nur mit der allgemeinen Relativitätstheorie behandelt werden

Manchmal begegnet mir die Auffassung, das Zwillingsparadoxon könne mit der speziellen Relativitätstheorie nicht gelöst werden, weil in ihm Beschleunigungen auftreten. Das ist falsch. Das Zwillingsparadoxon ist sehr einfach lösbar. Die allgemeine Relativitätstheorie kommt erst ins Spiel, wenn Gravitation als Analogie zu beschleunigter Bewegung eingeführt werden soll. Beschleunigungen lassen sich im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie ebenso leicht behandeln wie in der klassischen Mechanik.

4. Die Längenkontraktion ist ein reiner Messeffekt

Im Gegensatz zur Zeitdilatation, die im GPS System2 deutlich messbar ist, ist die Längenkontraktion einer direkten Messung nur schwer zugänglich. Dennoch ist aus der Theorie klar, dass die Verkürzung eines bewegten Objektes real ist. Ein Objekt muss sich laut Relativitätstheorie bei Beschleunigung ganz real verformen.

5. Die allgemeine Relativitätstheorie braucht keine Koordinaten

Es ist bekannt, dass ich Koordinaten liebe. Merkwürdigerweise sind viele Menschen davon überzeugt, Physik sei ohne konkrete Koordinaten irgendwie besser. Alles könne koordinatenunabhängig dargestellt und entwickelt werden. Tatsächlich lassen sich in der allgemeinen Relativitätstheorie alle Gleichungen als Tensorgleichungen so hinschreiben, dass sie von der Wahl des Koordinatensystems unabhängig sind. Die Formeln als ganzes. Die einzelnen Komponenten in den Formeln, die Tensoren, hängen dagegen durchaus vom gewählten Koordinatensystem ab. Sie transformieren auf eine bestimmte Art, die kovariant genannt wird. Invariant sind sie nicht.

6. Wer die Relativitätstheorie wirklich verstehen will, muss Einsteins Originalarbeiten lesen

So funktioniert Naturwissenschaft nicht. In Literaturwissenschaften ist es sicher eine gute Idee, die Primärliteratur zu lesen. Auch Philosophen erwarten von uns Laien, dass wir mindestens ihren Lieblingsphilosophen3 oder ihre Lieblingsphilosophin4 im Original gelesen und verstanden haben, bevor wir uns zur Philosophie äußern. In der Naturwissenschaft erwarten wir das nicht. Was die Relativitätstheorie aussagt, kann aus jedem modernen Lehrbuch gelernt werden. Viele Aspekte sehen wir heute klarer als Einstein sie sehen konnte.

7. Quantenmechanik und Relativitätstheorie schließen einander aus

Es ist bisher niemanden gelungen, eine Quantentheorie der Gravitation zu formulieren. Deshalb ist die Elementarteilchenphysik, die eine Quantentheorie ist, auf kleinsten Skalen nicht mehr mit der allgemeinen Relativitätstheorie kompatibel. Dennoch ist Relativitätstheorie in der Quantenmechanik integriert und unverzichtbar. Elektronen erreichen in den inneren Schalen von Atomen Geschwindigkeiten, bei denen Effekte der Relativitätstheorie nicht vernachlässigt werden können. Auch alle Prozesse in Teilchenbeschleunigern können nur mit relativistischer Quantenmechanik berechnet werden. Alle modernen Konzepte der Quantenmechanik berücksichtigen die spezielle Relativitätstheorie.

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Subjektive Wellenfunktion

Nach meinem vorletzen Blogartikel Das große Puzzle hat mich der Leser Martin Holzherr auf einen aktuellen Artikel in Spektrum der Wissenschaft (Nov. 2013) hingewiesen. In diesem Artikel wird der Quanten-Bayesianismus vorgestellt, eine alternative Interpretation der Quantenmechanik. In dieser Interpretation wird die Wellenfunktion nicht als real angesehen. Das löst die großen Fragen anderer Interpretationen: Gibt es einen Kollaps der Wellenfunktion? Läuft dieser graduell oder instantan ab? Oder spaltet sich die Welt etwa laufend in viele Welten auf?

Im Quanten-Bayesianismus werden die in der Quantenmechanik auftretenden Wahrscheinlichkeiten nicht als Amplituden1 einer real existierenden Wellenfunktion aufgefasst, sondern als subjektives Wissen der Wissenschaftlerinnen über mögliche Messergebnisse. Mit subjektiv ist hier kein Irrtum gemeint und erst recht keine Beliebigkeit. Quantenmechanische Wahrscheinlichkeiten sind berechenbar und diese Rechnungen halten Überprüfungen mit großer Genauigkeit stand. Es ist nicht etwa so, dass jede Beobachterin andere Wahrscheinlichkeiten berechnen kann und alle subjektiv Recht haben. Vielmehr geht es um die Tatsache, dass verschiedene Grade an Information, die wir über einen Quantenzustand haben, Einfluss auf die Wellenfunktion haben können, die wir errechnen.

Quantenunsicherheit

Hier sehe ich tatsächlich einen großen Pluspunkt des Quanten-Bayesianismus. Nehmen wir eine einfache Wellenfunktion an: Ein Atom emittiert ein Elektron, ohne dass irgendwer die Richtig kennt. Vielleicht wurde es mit einem Laserpuls ionisiert2 und wir wissen, dass da ein Elektron kommen muss, kennen aber nicht die Richtung. Das wird quantenmechanisch durch eine sich kugelförmig ausbreitende Wellenfunktion dargestellt. Wenn wir nun an einigen Stellen Detektoren aufgestellt haben, die den Durchgang eines Elektrons detektierten können, erhalten wir dadurch zusätzliches Wissen. Wenn ein Detektor anschlägt wissen wir die ungefähre Richtung, in die das Elektron unterwegs ist und wir können die Wellenfunktion ersetzen durch eine, die nur noch Wellen berücksichtigt, die durch den Detektor laufen.

In der Kopenhagender Deutung der Quantenmechanik würden wir sagen, die Wellenfunktion sei im Moment der Messung kollabiert3. In der Viele-Welten-Deutung würden wir davon ausgehen, dass sich hier verschiedene Zweige des Multiversums unwiderruflich trennen. Der Quanten-Bayesianismus kommt dagegen mit der geringsten Annahme4 aus: Wie wissen einfach mehr über den Bewegungszustand des Teilchens und können deshalb eine neue Wellenfunktion berechnen, die uns genauere Informationen gibt.

Damit wird die Kugelwelle nicht falsch. Eine Beobachterin, die den Zustand des Detektors nicht kennt, kann weiterhin mit der Kugelwelle rechnen und bekommt ein Ergebnis dafür, mit welcher Wahrscheinlichkeit der Detektor angeschlagen hat. Wer weiß, dass der Detektor angeschlagen hat, kann das dagegen als sicher annehmen und mit einer kollabierten Wellenfunktion rechnen.

Allerdings sind vollständige Wellenfunktion und kollabierte Wellenfunktionen keine verschiedenen, subjektiven Sichtweisen auf die Welt, sondern unterschiedlich vollständige Beschreibungen desselben Vorgangs. Die Verteilung der Elektronen hinter dem Detektor, ihr weiterer Werdegang wird von beiden Wellenfunktionen gleich beschrieben.

Klassische Unsicherheit

Aber ist das eine Auslegung, die speziell die Quantenmechanik charakterisiert? Ich bezweifle das, denn für mich als Konstruktivismusfan spiegelt jede physikalische Theorie zunächst nur unser Wissen über die Natur wieder. Auch in der klassischen Physik wissen wir die Anfangszustände einer Bewegung oft nur mit begrenzten Sicherheit und können nur Wahrscheinlichkeiten für bestimmte Ereignisse angeben. Wettermodelle zeigen das ganz gut: Je näher wir einem Zeitpunkt sind, je mehr Informationen über Windbewegungen, Temperaturen, Luftfeuchtigkeiten bekannt sind, desto genauer wird das Wettermodell. Desto sicherer können wir sein, ob es Regen geben wird.

Aber Quantenmechanik ist mehr als Statistik und unvollständiges Wissen. Es ist nicht die einzige Besonderheit der Quantenwelt, dass wir für viele Ereignisse nur Wahrscheinlichkeiten ausrechnen können. Wesentlich überraschender sind quantenmechanische Verschränkungen und deren Nichtlokalität. Beim EPR-Paradoxon lässt sich experimentell zeigen, dass Quantenmechanik nicht mit der Idee vereinbar ist, dass der Zustand eines Teilchens vorhanden aber unbekannt ist. Die nicht klassischen Korrelationen zweier verschränkter Teilchen lassen sich nicht damit erklären, dass die Experimentatorinnen im Moment der Messung Kenntnis von einem vorher existierenden Zustand erlangen. Korreliert sind die Messungen, nicht die am Messort ankommenden Teilchen.

Damit beschreibt die Viel-Teilchen-Wellenfunktion mehr als eine Ungewissheit des Messergebnisses. Sie beschreibt, dass das Teilchen nicht Lokal ist, dass eine Messung an einem Ort Einfluss auf Messungen an anderen Orten hat. Eine Botschaft der Quantenmechanik ist, dass der Ausgang eines Experiments überall dort beeinflusst werden kann, wo die Wellenfunktion nicht Null ist. Ein Experiment lässt sich nicht immer gedanklich in lokalisierte Einzelmessungen aufteilen.

Diesen Aspekt löst der Quanten-Bayesianismus nach meinem Empfinden nicht auf. Wenn wir die Wellenfunktion als nicht existent verwerfen, kommen wir noch weiter in das Dilemma einer spukhaften Fernwirkung5, der instantane Zusammenbruch der Wellenfunktion bei der Messung wird ersetzt durch einen Einfluss des Wissens einer Wissenschaftlerin auf das, was eine entfernte Wissenschaftlerin irgendwo anders messen kann. Das ist für meinen Geschmack zu weit hergeholt.

Ich möchte nicht behaupten, dass Wellenfunktionen eine existierende Entität sind. Ganz im Gegenteil, es gibt Zustände, die sich nicht durch Wellenfunktionen beschreiben lassen. Aber da wo es möglich ist, mit Wellenfunktionen etwas zu berechnen, scheinen Wellenfunktionen eine recht gute Beschreibung dessen zu sein, was tatsächlich ist.

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Das große Puzzle

Manchmal bekomme ich Anfragen von Alternativwissenschaftlern, ob ich mal einen Blick auf ihre Ansätze werfen kann. Ob ich vielleicht helfen kann, diese zu publizieren und bekannt zu machen. Meistens kann ich das nicht. Zum einen, weil ich kein theoretischer Physiker bin und im Bereich fundamental neuer Theorien, wie den Stringtheorien oder der Loop-Quantengravitation, nicht tief und aktuell genug informiert bin, um etwas fachliches beizutragen. Zum anderen, weil mich solche Ansätze meist selbst nicht überzeugen. Meistens aus demselben Grund: Sie passen nicht in die Physik. Vielleicht beantworten sie eine isolierte Frage irgendwo, aber zu dem Preis, dass alles andere nicht mehr passt.

Die Physik ist ein großes Puzzle, die grundlegende Änderung eines Stückes der Theorie hat zur Folge, dass alle benachbarten Stücke ebenfalls angepasst werden müssen. Zudem gibt es feste Stücke, die wir nicht verändern können. Das ist die „Realität“*, der Ausgang von reproduzierbaren Experimenten. Eine Theorie muss die Ausgänge von Experimenten erklären, die sie berührt. Sonst passt sie nicht in die Physik.

Grob lassen sich also zwei Anforderungen an eine neue physikalische Theorie stellen:

  1. Sie muss zur beobachteten Natur passen (konstruktivistisch gesprochen).
  2. Sie muss ins Gesamtbild der Theorien zu anderen Gebieten passen.

Natürlich ist die erste Forderung strenger. Eine Theorie ist widerlegt, wenn sie die Beobachtungen anders vorhersagen als sie tatsächlich gemacht werden, und hat in der Naturwissenschaft nichts zu suchen. So ist jede reine Teilchentheorie des Lichts zum Scheitern verurteilt, wenn sie keine Interferenzen und Überlagerungen erklären kann. Jede Wellentheorie des Lichts muss auch Photoeffekt und Compton-Streuung erklären können.

Bei der zweiten Forderung gibt es schon einmal Ausnahmen. Das Bohrsche Atommodell erlangte zum Beispiel große Aufmerksamkeit, obwohl es willkürliche Annahmen brauchte und gar nicht so recht in die klassische Physik passen wollte. Es erklärte nämlich die Spektrallinien des Wasserstoffatoms verblüffend perfekt und griff die vorher in anderen Bereichen gefundene Quantisierung auf. Aber wirklich zufrieden war mit diesem Modell niemand.

Heute hängt die Latte deutlich höher. Die Quantenmechanik hat das Bohrsche Atommodell überholt und steht experimentell auf sicheren Beinen. Sie geht für große Maßstäbe in die klassische Physik über, passt hier also auch. Nur zur These, dass eine realistische Theorie zu jedem Zeitpunkt einen eindeutigen Ort und Zustand eines Objektes angeben muss und keine instantane Fernwirkung haben darf, passt die Quantenmechanik nicht.

Die Quantenmechanik durch eine realistische, lokale Theorie ersetzen zu wollen, ist ein löbliches Ansinnen. Ich kann diesen Wunsch gut nachvollziehen. Aber mit dem Rückgriff auf naive Teilchenmodelle wird es nicht klappen. Solche Modelle scheitern praktisch immer an dem einen oder anderen komplexen Experiment, das die Quantenmechanik mit Bravour reproduziert. Ich denke da an Experimente an Atomfallen oder in Mikrowellen-Kavitäten, für die es letztes Jahr Nobelpreise gab. Ober an Experimente zum EPR-Paradoxon mit verschränkten Zuständen.

Wenn Sie also glauben, eine gute Alternative zur Quantentheorie gefunden zu haben: Bitte erwägen Sie nicht nur die Experimente aus der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts. Über Doppelspalt und Photoeffekt sind wir hinaus. Die anderen Experimente müssen auch passen. Und dann müssen wir noch darüber reden, wie sich das neue Modell zur klassischen Physik, zum Standardmodell der Elementarteilchen, zur Thermodynamik oder zur Relativitätstheorie verhält.

Anmerkung:

*„Realität“ steht hier in Anführungszeichen, weil ich mir bewusst bin, dass ein direkter Abgleich der physikalischen Theorie mit einer Realität nicht möglich ist. Theorien wie die spezielle Relativitätstheorie und die Lorentzsche Äthertheorie beschreiben eine unterschiedliche Realität ohne experimentell unterscheidbar zu sein. Dazu aber in einem anderen Beitrag mehr.

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Schwache Generalisierung der Quantentheorie

Sicher haben Sie schon von der Schwachen oder Generalisierten Quantentheorie des Harald Walach gehört. Ein aktueller Artikel im Blog der Gesellschaft zur wissenschaftlichen Untersuchung von Parawissenschaften (GWUP) hat mich dazu gebracht, mich einmal mit dem Artikel von Walach zu beschäftigen. Ist da was dran oder kann das weg?

Protagonisten der schwachen Quantentheorie versuchen Grundsätze der Quantenmechanik auf andere Bereiche der Natur zu übertragen und damit Phänomene zu erklären. Dabei tappen sie genau in die Falle, die Karen Barad in ihrem Agentiellen Realismus vermeidet: Sie übertragen einfach bestimmte, halb verstandene Eigenschaften von Quantenobjekten auf makroskopische Bereiche, ohne die Grundlagen der Atomphysik und des physikalischen Experimentes zu kennen. Speziell geht es um Komplementarität und Verschränkung.

Komplementarität

Komplementarität zweier Größen bedeutet, dass diese nicht voneinander unabhängig bestimmt werden können. Das gilt zum Beispiel für den Impuls (Geschwindigkeit) und Ort eines Elektrons oder für Phasenlage und Photonenzahl eines Lichtzustands. Dass die Komplementarität ausgerechnet für diese Begriffspaare gilt, ist qualitativ und quantitativ sehr gut verstanden: Es liegt an der Wellenstruktur von Quantenobjekten.

xkcd Quantum Mechanics

Das Wort „Quantenmechanik“ allein erklärt gar nichts. Von xkcd Lizenz: Creative Commons Attribution-NonCommercial 2.5

Um eine Welle exakt zu beschrieben gibt es zwei Möglichkeiten: Wir können ihre Auslenkung, ihre Stärke an jedem Raumpunkt angeben, oder wir geben ihr komplettes Frequenzspektrum an, die Wellenlängen, in die sie zerlegt werden kann. Jede dieser beiden Beschreibungen ist vollständig und kann in die jeweils andere umgerechnet werden. Dazu verwenden wir die Fouriertransformation. Ort und Impuls sind komplementäre Größen, weil der Ort mit der Raumdarstellung der Welle und der Impuls mit der Wellenlängendarstellung des Objektes zusammenhängt. Es gilt eine Unschärfe, weil eine Welle, die im Ort gut lokalisiert ist, zwingend aus vielen Wellenlängen aufgebaut sein muss und weil eine Welle mit scharfer Wellenlänge zwingend über einen großen Raum verteilt sein muss.

Generalisierte Quantentheoretiker nehmen nun irgendwelche Begriffspaare her und behaupten, dass auch für diese eine Komplementarität gilt. Walach nennt Liebe und Hass, Individuum und Gesellschaft oder Bindung und Freiheit. Das sind natürlich alles schöne Begriffspaare, über die man allerhand Dinge lernen und studieren kann. Ich bin sicher, dass es in Psychologie und Soziologie großes Interesse an diese Begriffspaare gibt, aber es sind halt nur irgendwie Gegensätze, für die es kein Anzeichen gibt, dass sie zueinander im quantenmechanischen Sinne komplementär sind.

Vertreter der schwachen Quantentheorie gehen offenbar von einem Dualismusbegriff aus, wie ich ihn im letzten Artikel verworfen habe: Sie reduzieren die Quantenmechanik auf den veralteten Ansatz, nach dem das Nebeneinander zweier Modelle, dem Wellen- und dem Teilchenmodell, zu einer insgesamt richtigen Gesamtschau wird. Ihre Analogie ist: Wenn in der Quantenphysik zwei Modelle nebeneinander betrachtet werden müssen, könnte das doch in der Psychologie, Soziologie, Parawissenschaft auch so sein. Damit haben sie aber die letzten mindestens 80 Jahre Quantenmechanik verschlafen, in denen einheitliche Modelle geschaffen wurden, von denen Wellen- und Teilchenbild verschiedene Näherungen sind, und in denen der Dualismus überwunden wurde.

Quantenmechanische Verschränkung

Noch abenteuerlicher wird es, wenn Walach nichtlokale Verschränkungen aus der Quantenmechanik auf makroskopische Phänomene übertragen möchte. Phänomene wie Hellsehen, Telepathie und Homöopathie möchte er mit nichtlokalen Korrelationen erklären. Nun sind aber Korrelationen nichts speziell quantenmechanisches. Die Geräusche, die aus einem Radiogerät kommen, sind in aller Regel stark mit den Wellen korreliert, die der Radiosender einen Augenblick vorher ausgestrahlt hat. Die Ankunftszeiten meiner Frau und mir an unseren einige Kilometer entfernten Arbeitsstellen sind ebenfalls zueinander korreliert, einfach weil wir oft gleichzeitig das Haus verlassen. Korrelationen in Alltagsphänomenen sind im Allgemeinen kein Zeichen für quantenmechanische Verschränkung.

Zweifellos spielen Quanteneffekte in der Biophysik entscheidende Rollen. Die Energiebereitstellung und die Synthese von Zellbausteinen werden durch Makromoleküle geleistet, die selbstverständlich nur quantenmechanisch erklärt werden können. In diesen gibt es auch quantenmechanische Verschränkung der an Reaktionen beteiligter Elektronen. Ohne Quantenmechanik ließe sich die Stabilität eines Atoms und damit der Moleküle nicht erklären. Spätestens die Verschaltung von Nervenzellen ist aber bereits ein so ausgedehntes System, dass nicht-quantenmechanische Näherungen zur Beschreibung ausreichen.

Keine Theorie ohne Phänomen

Es wäre überhaupt kein Problem, ein Phänomen wie Gedankenübertragung ohne Quantenphysik (also in klassischen Näherung) zu erklären. Gedanken könnten ähnlich wie Radioprogramme durch elektromagnetische Wellen oder andere, bisher unentdeckte Strahlung übertragen werden. Oder zwei Menschen könnten gleichzeitig dasselbe Denken, weil sie sich vor einiger Zeit über dieses Thema unterhalten haben und auf ähnlichen Gedankenpfaden gleichzeitig zum selben Schluss kommen. Es ist auch nicht schwer, Homöopathie durch Übertragung von Informationen auf das Lösungsmittel und weiter auf den Körper zu erklären. Das Problem ist nur, dass diese Phänomene gar nicht existieren. Wir brauchen also keine Erklärung für sie.

Es ist bekannt, dass es Menschen gibt, die scheinbar übernatürliches wahrnehmen und es gibt psychologische Untersuchungen und Erklärungen, wie wir manchmal Dinge in Zusammenhang bringen, die keinen Zusammenhang haben. Aber bisher konnte kein paranormales Phänomen unter kontrollierten Bedingungen überprüft werden, obwohl darauf schon lange von der James Randi Foundation eine Millionen Dollar ausgesetzt ist und die GWUP regelmäßig zu Psi-Tests einlädt.

Walachs Einwand, Psi-Effekte ließen sich nicht nachweisen, weil sie keine kausalen Strukturen behaupten, ist nicht zutreffend. Selbstverständlich ist es eine kausale Struktur, wenn Menschen behaupten, sie könnten die Gedanken anderer Menschen lesen oder mit ihrer Behandlungsmethode würden Menschen öfter geheilt als mit einer Scheintherapie. Um solche Behauptungen zu überprüfen ist kein anderer Wissenschaftsbegriff notwendig.

Auch die Behauptung, ein Experiment könne nur erfolgreich sein, wenn eine Theorie quantitative vorhersagen über sein Ausgang macht, ist falsch. Es gibt viele Phänomene, die entdeckt wurden, obwohl sie niemand erwartet hat. Supraleitung zum Beispiel. Zudem wissen wir sehr genau, was wir von Telepathie oder Homöopathie erwarten, ein Experiment kann den Effekt auch dann zeigen, wenn keine Theorie sagt, wie groß dieser ist. Er müsste dazu lediglich existieren.

Die generalisierte Quantentheorie versagt also auf mindestens drei Ebenen: Erstens geht sie von einem falschen Verständnis der Quantentheorie aus. Komplementäre Begriffe sind nicht einfach irgendwelche Gegensätze, sondern Größen, die über die Wellenstruktur von Quantenobjekten miteinander verknüpft und deshalb nicht unabhängig messbar sind. Statistische Korrelationen sind kein Zeichen für quantenmechanische Verschränkungen. Zweitens macht die generalisierte Quantenmechanik, wie ihr Verfechter selbst zugibt, keinerlei überprüfbare Vorhersagen. Drittens erklärt sie keine existenten Phänomene.

Mit den letzten beiden Punkten dreht sich Walach im Kreis. Zum einen behauptet er, die Generalisierte Quantentheorie sei ein Ansatz, Phänomene wie Telepathie und Homöopathie zu erklären, zum anderen sagt er, weil diese Theorie keine Aussagen zu diesen Phänomenen mache, könne man die Phänomene selbst auch nicht experimentell überprüfen. Wissenschaft kann auf zwei Wegen vorankommen: Ein Phänomen kann gemessen und dann erklärt werden oder durch eine Theorie vorhergesagt und dann überprüft werden. Die Generalisierte Quantentheorie leistet weder Erklärungen noch Vorhersagen. Deshalb kann sie weg.

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Wellen, Teilchen und die Quantenphysik

Nach meinem letzten Blogartikel wurde ich kritisiert, ich hätte Modell und Wirklichkeit verwechselt. Quantenobjekte seien zwar nicht Welle oder Teilchen, aber Wellen- oder Teilchenmodelle seien heute noch aktuelle Modelle für die durch Physik beschriebene Wirklichkeit.

Ich halte diese Auffassung für irreführend.Tatsächlich beschreiben wir in der Physik Licht und Elektronen nur noch mit einem Modell, der Quantenelektrodynamik. Das Wellenmodell ist keine Alternative hierzu, sondern eine Vereinfachung, eine Näherung zur einfacheren Berechnung und Vorstellung. Das Teilchenmodell, wie wir es in der Elementarteilchenphysik kennen, ist ebenfalls eine Näherung. Es hat aber mit klassischen Teilchentheorien nichts gemein. Letztere können als widerlegt gelten.

Was sind aber diese klassischen Modelle?

Klassische Wellen, Teilchen und Kontinua

Zu Newtons Zeiten war es noch völlig offen, ob Licht ein Wellen- oder Teilchenphänomen ist. Effekte, wie Lichtbrechung an Prismen oder Linsen, sind auch mit Teilchen erklärbar, die in verschiedenen Medien unterschiedliche Geschwindigkeiten annehmen. Newton selben bevorzugte lange Zeit das Teilchenmodell.

Spätestens seit Maxwell zeigen konnte, dass sich die bis dahin bekannten Gesetze von gegenseitiger Beieinflussung elektrischer Felder und Ströme und magnetischer Felder zu einer Schar von Gleichungen zusammenfügen lassen, aus der sich elektromagnetische Wellen von selbst ergeben, hatte sich das Wellenmodell endgültig gegen das Teilchenmodell durchgesetzt.

Für Materie hat es dagegen kein klassisches Wellenmodell gegeben. Die klassische Physik kannte Teilchenmodelle und Kontinuumsmodelle. Das Teilchenmodell, die Atomhypothese findet sich schon bei Demokrit und Leukipp, konnte sich aber in der klassischen Physik gegen das Kontinuumsmodell, nach dem der Raum lückenlos von Materie erfüllt ist, nicht durchsetzen. Erst als Dalton nachwies, dass chemische Reaktionen von Gasen immer in ganzzahligen Volumenverhältnissen geschehen, begann sich ein modernes Atommodell durchzusetzen.

Die Zweigeteiltheit der Physik – Wellenmodell für Licht und Atommodell für Materie – bekam Risse, als Anfang des 20. Jahrhunderts durch Röntgen und Einstein postuliert wurde, dass Licht nur in bestimmten Paketen absorbiert und erzeugt werden kann und dass diese Pakete Energie und Impuls tragen, wie auch Teilchen es tun.

Als zudem an Elektronenstrahlen Welleneigenschaften von Materie gezeigt werden konnten, war klar, dass eine Trennung von Wellenmodellen von Licht und Teilchenmodellen für Materie nicht aufrecht zu erhalten ist. Aus dieser Zeit kommt die Idee vom Wellen-Teilchen-Dualismus: Können wir die Natur etwa am besten verstehen, wenn wir zwei einander ausschließende Modelle nebeneinander stehen lassen und je nach Experiment das eine oder andere anwendet?

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts zeigte es sich, dass es möglich ist, Modelle aufzustellen, die alle messbaren Eigenschaften von Feldern (wie Licht) und Materie richtig beschreiben. Die Quantenelektrodynamik beschreibt Elektronen, Positronen, Licht und die Wechselwirkungen zwischen ihnen auf viele Nachkommastellen genau. Es braucht keinen Dualismus nebeneinander stehender Modelle, um die messbare Physik zu beschreiben.

Dennoch sprechen wir in der Physik oft vom Wellenbild oder Teichenbild, in dem wir uns Dinge veranschaulichen. Diese Bilder sind aber keine eigenständigen Modelle. Sie sind Näherungen. Bilder, mit denen wir uns Berechnungen und Intuition vereinfachen.

Das Wellenbild

Ich habe schon dazu geschrieben, dass es in der Atomphysik fast immer möglich ist, in der Halbklassischen Näherung zu rechnen: Wir können das Licht als klassische Welle nach den Maxwell-Gleichungen berechnen und nur die Bewegungen der Elektronen um die Atomkerne quantenmechanisch berechnen. Diese Näherung funktioniert sehr gut, weil die elektromagnetischen Kräfte zwischen Elektronen und Atomkernen viel stärker sind, als der Einfluss des externen Lichts auf die Elektronen und weil es auf die Rückwirkung des Atoms auf die Welle oft nicht ankommt.

Diese Trennung in Atom als Quantenobjekt und Licht als klassische Welle ist ein schönes Beispiel für eine Grenzziehung, wie sie Karen Barad anspricht. Es spricht nichts dagegen, solche Trennungen vorzunehmen und ist für die Wissenschaft sogar unerlässlich, aber wir müssen uns immer klar machen, dass die Grenzziehung nicht von der Natur sondern von Physikerin oder Physiker vorgegeben wird.

Wir können die Grenze auch anders ziehen, so lässt sich ein System aus Atom inklusive Lichtwelle auch quantenmechanisch als ganzes berechnen. Wir erhalten dann sogenannte Dressed States (angezogene Zustände). Solch ein angezogenes Atom kann dann mit einem weiteren Laser, dem Probelaser, der wieder als Welle berechnen wird, abgefragt werden. Die Grenze liegt dann also nicht zwischen Atom als Quantensystem und Licht als Welle, sondern zwischen Atom mit Pumplaser als Quantensystem und Probelaser als Welle.

Das Teilchenbild

Das Teilchenbild, in dem Licht als Pakete von Energie, Impuls und Spin dargestellt wird, ist eine andere Näherung, die Rechnungen und die Vorstellung von möglichen Prozessen erleichtert. Das Bild geht über die Quantenelektrodynamik hinaus und lässt sich auf den ganzen Teilchenzoo anwenden, der durch andere Quantenfeldtheorien dazukommt. Die starke Wechselwirkung durch den Austausch von Gluonen zum Beispiel, oder die schwache Wechselwirkung durch den Austausch von W- und Z-Bosonen.

Dieses Bild ergibt sich aus dem Verfahren der Störungsrechnung. Wenn ein bestimmter Austauschvorgang von Energie, Impuls oder anderen Größen relativ selten ist, können die Wechselwirkungen als kleine Störungen eines insgesamt statischen Systems betrachtet werden. Störungstheoretische Berechnungen von Stoßprozessen gehen auf Max Born zurück, der mit ihnen die Wahrscheinlichkeitsdeutung der Quantenmechanik begründet hat.

Im Teilchenbild können Stoßprozesse durch Feynman-Diagramme veranschaulicht werden. In erster Näherung ist ein Stoß ein Austausch von genau einem Wechselwirkungsteichen, einem Photon zum Beispiel. In zweiter Näherung kommen Prozesse dazu, die zwei Teilchen austauschen und so fort. Auch hier weiß jede Physikerin und jeder Physiker dass sie es mit einer Näherung zu tun haben. Aber eben mit einer, die für schwache und seltene Prozesse sehr gut ist und die ein zuverlässiges Gefühl dafür vermittelt, welche Effekte möglich sind und welche nicht.

Auch hier gibt es pragmatische Grenzziehungen. So lässt sich die Wechselwirkung zwischen Kernteilchen, wie eigentlich eine Restwechselwirkung der starken Kräfte innerhalb der Kernteilchen ist, als Austausch von Pi-Mesonen beschreiben. Die eigentlich zusammengesetzten Pi-Mesonen verhalten sich unter gewissen Umständen wie kraftvermittelnde elementare Bosonen.

Fazit

Wellenbild und Teilchenbild sind vereinfachte Bilder, die wir uns von den existierenden Modellen machen, mit denen wir heute die Physik beschreiben. Sie sind aber keine eigenständigen Modelle auf deren Grundlage wir eine Philosophie der Realität aufbauen können die wir als Fundament für eine Weiterentwicklung der Physik hernehmen können. Die Annahme, mit nebeneinander stehenden Wellenmodell und Teilchenmodell ließe sich die Realität der Quantenmechanik erfassen, ist falsch.

Im Übrigen sind Wellenbild und Teilchenbild, wie ich sie oben skizziert habe, auch gar nicht einander ausschließende Näherungen von verschiedenen Seiten. Die Wechselwirkung eines Atoms mit einem Lichtfeld lässt sich in beiden Bildern verstehen und beide Bilder führen selbstverständlich zum selben Ergebnis. Wenn sie es nicht tun, war mindestens eine der Näherungen nicht gerechtfertigt.

 

(Mehr in: Quantenwelt)

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Physik-Nobelpreis 2012: Die Jäger von Schrödingers Katze

Kann eine Katze tot und gleichzeitig lebendig sein? Ja, in der Quantenmechanik ist das theoretisch möglich. Serge Haroche und David Wineland haben das nach dem Physiker Erwin Schrödinger benannte Phänomen im Labor erforscht – und dafür den Nobelpreis bekommen.
Quelle: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft

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Sensationelle Erkenntnis: Verletzung der Kausalität in der Natur möglich

Ein tief verwurzeltes Konzept in der Wissenschaft und in unserer Alltagserfahrung ist die Kausalität: die Idee, dass gegenwärtige Ereignisse durch vergangene Ereignisse verursacht werden und dass gegenwärtige Ereignisse wiederum zukünftige Ereignisse verursachen. Wenn ein Ereignis A eine Wirkung B verursacht, kann B nicht auch A verursachen. Nun zeigen theoretische Physiker von der Universität Wien und der Université Libre de Bruxelles, dass in der Quantenmechanik eine Situation vorstellbar ist, in der ein einzelnes Ereignis zugleich Ursache und Wirkung eines anderen Ereignisses sein kann. Die Forschungsergebnisse dazu erscheinen in der aktuellen Ausgabe von „Nature Communications“. Continue reading „Sensationelle Erkenntnis: Verletzung der Kausalität in der Natur möglich“

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Testmöglichkeit für die Verschmelzung von Quantenphysik und Gravitationstheorie gefunden

Auf der Planck-Skala von extrem großen Energien und sehr kleinen Entfernungen wird die Verschmelzung der Quantenphysik mit Einsteins Theorie der Gravitation erwartet. Diese Skala ist jedoch so weit von experimentellen Möglichkeiten entfernt, dass es als unmöglich gilt, die Quantengravitation zu testen. Eine Kollaboration zwischen Časlav Brukner und Markus Aspelmeyer, beide Quantenphysik-Physiker an der Universität Wien, sowie Myungshik Kim vom Imperial College London, hat jetzt ein Experiment mit Spiegeln auf der Skala der Planck-Masse vorgeschlagen, mit dem man einige Quantengravitationstheorien im Labor überprüfen könnte. Die Resultate erscheinen aktuell in „Nature Physics“. Continue reading „Testmöglichkeit für die Verschmelzung von Quantenphysik und Gravitationstheorie gefunden“

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Emergenz: Ist die Welt mehr als die Summe ihrer Teile?

Der französische Philosoph Voltaire schilderte, wie der englische Naturforscher Isaac Newton (1642-1726) unter einem Apfelbaum saß und vor sich hin grübelte. Als ein Apfel sich vom Zweig löste und auf Newtons Kopf fiel, wurde die moderne Physik geboren.

Die mechanische Ordnung.

Der Aufprall der Frucht soll dazu geführt haben, dass Newton den Grundstein für die Fallgesetze, die klassische Mechanik und die exakten Gesetze der Gravitation und Bewegung legte und in seiner Schrift Philosophiae Naturalis Principia Mathematica 1687 veröffentlichte.

Newtons Gesetze waren in der Tat umwälzend. Zwar wusste man seit der Antike, dass Regelmäßigkeit eines der Prinzipien der Natur ist. Die Prinzipien wurden jedoch weniger durch präzise Formeln ausgedrückt. Newton beobachtete nicht nur die Regelmäßigkeiten, sondern formulierte sie als Gesetze in exakter mathematischer Form.

Die simplen Regeln, die auch die Ellipse der Planetenbahnen mit der Sonne in einem Brennpunkt exakt beschrieben, führten dazu, dass das Universum wie ein ablaufendes mechanisches Uhrwerk erschien. Es gab niemand, der die Planeten ständig anschubste. Damit Objekte sich mit konstanter Geschwindigkeit auf gerader Bahn fortbewegen, ist nach Newtons Mechanik keinerlei äußerer Anstoß nötig.

Das unheimliche an Newtons Gesetzen war, dass sie mit allen Messungen exakt übereinstimmten. Als man glaubte, endlich einen Fehler zu entdecken, weil der Planet Uranus sich nicht an die vorausberechneten Umlaufbahnen hielt, entdeckte man Neptun. Die Abweichungen der Bahn des Uranus konnten daraufhin durch die bekannten Gesetze erklärt werden.

Die immer wieder bestätigte exakte Übereinstimmung von Messung und Vorhersage durch Formeln führte schließlich dazu, dass die Physiker glaubten, alle beobachtbaren Phänomene, auch solche im mikroskopischen Maßstab, könnten mechanisch erklärt werden. Die Welt hatte anscheinend eine allumfassende mechanische Ordnung.

Die emergenten Eigenschaften der Alltagswelt.

Der Schock kam im frühen 20. Jahrhundert. Der Physiker Max Planck konnte es zunächst selbst nicht glauben, was er im Zusammenhang mit der Untersuchung elektromagnetischer Strahlung entdeckte. Er stellte fest, dass Energie nur in Form unteilbarer Päckchen (Quanten) ausgestrahlt wird. Dadurch begründete er die Quantenphysik und deren mathematischen Formalismus, die Quantenmechanik. Die Anwendung von Newtons Gesetzen auf Atome und atomare Größenordnungen führt dagegen auf hoffnungslos falsche Ergebnisse, weil Atome in den Formeln der klassischen Mechanik keine räumliche Ausdehnung haben und Feststoffe beim absoluten Temperatur-Nullpunkt riesige Wärmekapazitäten besitzen sollen.

Atome verhalten sich überhaupt nicht wie Billardkugeln. Obwohl sie ihre Energie wie Teilchen tauschen, bewegen sie sich wie Wellen. Und nicht nur Atome verhalten sich so, sondern alle Objekte. Flüssigkeiten und Feststoffe sind zwar ein Zusammenschluss von Quantenmaterie zu makroskopischen Substanzen, aber ihre Eigenschaften flüssig oder fest sind Erscheinungen kollektiver Organisation, die sich nicht von den zwei sich scheinbar widersprechenden Eigenschaften (wellenartig bzw. teilchenartig) der einzelnen Quantenobjekte ableiten lassen.

Wenn sich in einem System auf höherer Ebene durch kollektive Organisation Eigenschaften zeigen, die nicht durch Eigenschaften der Systemelemente erklärt werden können, dann spricht man von emergenten Eigenschaften. Der Vorgang der Herausbildung von emergenten Eigenschaften heißt Emergenz. Die Quantenphysik beweist die Emergenz von Newtons legendären Gesetzen. Diese sind ein für große Systeme gültiger Grenzfall der Quantenmechanik. Welch eine Überraschung, dass sich unsere Alltagswirklichkeit als ein emergentes Phänomen kollektiver Organisation erweist!

Wenn wir unseren Blick schärfen für das Prinzip der kollektiven Organisation und den daraus hervorgehenden emergenten Eigenschaften, entdecken wir in unserer Welt überall das Wirken von Emergenz. Während wir vielleicht noch vor kurzem glaubten, alles Grundlegende sei schon bekannt, tun sich auf einmal neue interessante Fragen auf.

Beispielsweise bestehen Schneeflocken aus sechseckigen symmetrischen Kristallen. Es gibt unzählig verschiedene Kristallformen, und zwar so viele, dass es heißt, es gäbe keine zwei gleichen. Wie sich aber Wassermoleküle kollektiv organisieren und miteinander kommunizieren, dass die eine Ecke des Kristalls weiß, welche Form die andere Ecke gerade annimmt, so dass Symmetrie entsteht, kann mit klassischer Physik nicht beantwortet werden.

Interessant wäre es auch herauszufinden, wo menschliches Bewusstsein als anscheinend emergentes Phänomen der Evolution seinen genauen Sitz hat. Bisher hat noch niemand Bewusstsein im Gehirn lokalisieren können. Aber vielleicht sind nur nicht alle Prinzipien kollektiver Organisation bekannt, die zur gewünschten Antwort führen. Mehr Wissen über Emergenz kann dabei helfen, die Antwort zu finden. Zum Thema Evolution kann man noch weitere Fragen stellen, wie: Welches sind die Regeln kollektiver Organisation, die aus toten Molekülen Leben emergieren?

Das sind Fragen, die das Buch mit dem Titel »Emergenz« (ISBN 978-3-8391-7997-0) natürlich auch nicht erschöpfend beantworten kann. Aber es führt in die Themenstellung der Emergenz ein und zeigt auf, wie aus einfachsten organisatorischen Regeln komplexe emergente Strukturen entstehen.

Hier ein kurzer Überblick: Nach dem grundlegenden Kapitel 2, in dem wichtige Begriffe und Beispiele zur Emergenz erläutert werden, folgt das Kapitel 3, mit den Steuerungsmechanismen. Im gleichen Kapitel finden Sie auch Computer-Simulationen. Wenn man will, kann man am PC selbst Experimente durchführen, indem man die beschriebenen Programme aus dem Internet herunterlädt. Schließlich runden zwei weitere Kapitel mit Beschreibungen emergenter Phänomene der Natur und des Universums das Buch ab. Es ist ein Arbeits- und Handbuch und soll als Werkzeug dienen, um mit geschärftem Blick die Geheimnisse der Emergenz in unserer Welt zu beobachten.

Emergenz: Strukturen der Selbstorganisation in Natur und Technik
Von Klaus-Dieter Sedlacek et al.
Preis: EUR 14,90
Broschiert: 192 Seiten
Verlag: Books on Demand Gmbh (August 2010)
ISBN-13: 978-3839179970

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Lässt CERN „tote“ Materie lebendig werden?

Leben ist gekennzeichnet durch die prinzipielle Unvorhersagbarkeit des Verhaltens. Die Flugbahn eines Steins kann man vorhersagen. Für die Bahn des Vogelflugs gilt das nicht. Doch die Welt toter Materie ist im Kleinen ungeahnt lebendig. Continue reading „Lässt CERN „tote“ Materie lebendig werden?“

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Sind Raum und Zeit aus Information entstanden?

Das frühe Universum. Bild: NASA
Das frühe Universum. Bild: NASA

Das Reich der Physik ist immer gut für Überraschungen. Und manche der Überraschungen beginnen mit Vermutungen namhafter Physiker. Eine in letzter Zeit häufiger geäußerte Vermutung ist die, dass Information ein Grundbaustein der Welt sei. Continue reading „Sind Raum und Zeit aus Information entstanden?“

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Abschied vom Dualismus Geist und Materie

Dualismus Geist-Materie
Dualismus Geist-Materie

Große Physiker machen sich zuweilen philosophische Gedanken. Der Vater der Quantenphysik, Erwin Schrödinger war der Meinung, dass der Abschied vom Dualismus die Bedingung für die widerspruchsfreie Erklärung allen physikalischen Geschehens ist.

Neue Forschungen des Verfassers dieses Beitrags scheinen das zu bestätigen. Wer aber glaubt, Schrödinger sei ein hoffnungsloser Materialist gewesen, der sieht sich getäuscht. Wenn man keine Widersprüche in der Erklärung der Welt haben will, dann ist laut Schrödinger die Bedingung: „… dass wir alles Geschehen in unserer Vorstellungswelt vor sich gehend denken, ohne derselben ein materielles Substrat als Objekt zu unterlegen, …“ (Quelle: Dürr, Hans-Peter, Hrsg., Physik und Transzendenz, Scherz (1989), S. 188). Das können nicht die Worte eines Materialisten sein. Das sind Worte, die nur ein Anhänger des idealistischen Monismus aussprechen kann, der Geistiges als die Basis unserer Welt ansieht. Continue reading „Abschied vom Dualismus Geist und Materie“

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Lassen sich Träume mit Hilfe der Quantenphysik erklären?

Physiker revolutionieren unser Weltbild
Mit einer revolutionären These sorgte der Physiker Professor Efstratios Manousakis von der Florida State University in Tallahassee neuerdings für Aufsehen. So ist Manousakis wie einige seiner Kollegen davon überzeugt, dass sich die komplexen Vorgänge des Bewusstseins mit Hilfe der modernen Quantenmechanik erklären lassen. Manousakis geht allerdings noch einen Schritt weiter und behauptet, dass nicht nur unser Bewusstsein sondern auch unsere Träume als Quantenphänomen beschrieben werden können. Continue reading „Lassen sich Träume mit Hilfe der Quantenphysik erklären?“

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Wissenschaft und Religion im Einklang?

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Foto: NASA


Kann die Wissenschaft einen Brückenschlag zur Religion anbieten? Diese Frage haben sich bereits Generationen von Naturwissenschaftlern und Philosophen ergebnislos gestellt. Neueste Ergebnisse aus der modernen Quantenphysik lassen jedoch darauf schließen, dass menschliches Bewusstsein auch außerhalb des Körpers existiert, was wiederum ein Hinweis auf eine unsterbliche Seele ist. Führende Physiker sprechen von einem Paradigmenwechsel, der unser Weltbild bereits in den nächsten Jahren von Grund auf revolutionieren könnte. Continue reading „Wissenschaft und Religion im Einklang?“

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Die Welt im Innern: Wie sich Quantenmechanik und Relativitätstheorie vereinigen lassen.

Video: Quantensprung (1). Die Rätsel der Quantenmechanik mit Professor Zeilinger

(idw). Wie man sich die Welt im Innern der Atome vorzustellen hat, wurde unter Quantenphysikern von Anfang an kontrovers diskutiert. Die vollständige Erklärung der rätselhaften Quantenphänomene scheitert bisher an Einsteins Relativitätstheorie. Nun hat der Mathematiker Dr. Roderich Tumulka einen Weg gefunden, eines der Modelle der Quantenmechanik […]
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