Supercomputer helfen, die Prozesse in Atomkernen und deren Masse zu verstehen. Die Kräfte zwischen drei Quarks im Nukleon, erklären den sichtbaren Anteil der Masse im Universum.Forschungszentrum Jülich / Seitenplan mit Material von NASA, ESA und AURA/Caltech)
Jülich, 21. November 2008 - Einem internationalen Forscherteam ist es erstmalig gelungen, die Masse der wichtigsten Bausteine der Materie - Protonen und Neutronen - auf theoretischem Weg zu berechnen. Das wichtigste Hilfsmittel der Physiker: der Supercomputer JUGENE am Forschungszentrum Jülich. Die aufwändigen Simulationen der Wissenschaftler bestätigen die Richtigkeit einer grundlegenden physikalischen Theorie, der Quantenchromodynamik. Die Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift “Science” veröffentlicht (21. Nov. 2008 Vol. 322, #5905).
Materie ist aus Atomen aufgebaut, Atome wiederum bestehen aus einem Kern aus Protonen und Neutronen, um den Elektronen kreisen. “Mehr als 99,9 Prozent der Masse der sichtbaren Materie stammt von den Protonen und Neutronen”, erläutert der gegenwärtig an der Bergischen Universität Wuppertal tätige ungarische Physiker Zoltan Fodor, der das Forschungsprojekt am Jülicher Supercomputer JUGENE geleitet hat. Diese Teilchen, von den Physikern unter dem Begriff “Nukleonen” zusammengefasst, sind aus jeweils drei Quarks aufgebaut.
Die Masse der drei Quarks ergibt zusammengerechnet jedoch nur etwa fünf Prozent der Masse eines Kernbausteins — woher also haben die Nukleonen ihre Masse? Die Antwort auf diese Frage findet sich in der berühmten Formel E = m × c2 von Albert Einstein: Energie und Masse sind zueinander äquivalent, und 95 Prozent der Nukleonenmasse haben ihren Ursprung in der Bewegungsenergie der Quarks und zwischen ihnen ausgetauschter Teilchen.
Solche Berechnungen sind jedoch ungeheuer kompliziert. Dank des Supercomputers JUGENE am Forschungszentrum Jülich konnten Fodor und seine Kollegen nun diese Hürde überwinden. 180 Billionen Rechenoperationen kann JUGENE in jeder Sekunde durchführen, damit ist er der schnellste Computer Europas. Als Ergebnis erhielten die Wissenschaftler schließlich Werte für die Massen der Nukleonen, die genau mit den in Experimenten gemessenen Werten übereinstimmen. “Damit haben wir gezeigt, dass die Quantenchromodynamik tatsächlich eine korrekte Beschreibung der starken Wechselwirkung ist”, freut sich Fodor.
“Der Ursprung des überwiegenden Teils der Masse der sichtbaren Materie ist dadurch also geklärt”, erklärt der Forscher weiter. Doch damit sind nicht alle Rätsel gelöst. - Quelle: idw
Kommentar:
Der Erfolg der naturwissenschaflichen Methode hat sich wieder auf imponierende Weise gezeigt. Aber Physik allein kann nicht die Welt erklären, meint Prof. Harald Lesch in der 100. Sendung von Alpha Centauri (BR). Für die Erklärung der Welt bedarf es deshalb der Hinzuziehung weiter Disziplinen wie im kürzlich erschienenen Sachbuch Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionengeschehen. Dort kann man nun eine beeindruckende Erklärung der Welt finden.
Quantenzufall und die ’spukhafte Fernwirkung’ zwischen zwei quantenmechanisch verschränkten Teilchen kann nicht durch Wechselwirkungen innerhalb von Raum und Zeit (der Raumzeit) erklärt werden. Aber welche Erklärung gibt es dann?
Physiker, die im Weltbild der klassischen Physik des 19. Jahrhunderts verhaftet sind, gehen davon aus, dass sich die Welt ähnlich einem Uhrwerk verhält, nämlich deterministisch und im Prinzip berechenbar. Dies wird an einem Beispiel deutlich: Der Fall eines Würfels aus der Spielesammlung kann nach der klassischen Physik genau vorausgesagt werden, wenn die Randbedingungen bekannt sind, wenn man also weiß, aus welcher Höhe gewürfelt wird, wie genau der Würfel die Hand verlässt oder wie groß die Luftreibung ist usw. Weil allerdings die Rechnungen sehr kompliziert werden können und auch nicht immer alle Randbedingungen bekannt sind, kann man die Vorausberechnung in der Praxis dann doch nicht durchführen. Zufall entsteht hier nur deshalb, weil nicht alle Informationen bekannt sind, die zur Berechnung notwendig wären.
Im Gegensatz zu der deterministischen Variante des Zufalls stehen die Phänomene der Quantenphysik, deren Erklärung zu einer jahrzehntelangen Diskussion zwischen den Quantenphysikern führte. Werden beispielsweise einzelne Photonen (Lichtteilchen) durch einen Strahlteiler geschickt bei dem Sie zwischen zwei Wegen wählen können, dann kann die Entscheidung der Photonen für einen der beiden Wege nicht mehr mithilfe einer mathematischen Rechenvorschrift oder irgendeinem physikalischen Prinzip vorhergesehen werden. Die Entscheidung der Photonen für einen der beiden Wege wird von den Physikern als ‘Quantenzufall’ oder auch ‘Objektiven Zufall’ bezeichnet. Was ist das für eine Wirklichkeit, die objektiven, reinen Zufall, eben den Quantenzufall hervorbringt?
Alain Aspect wies bereits 1982 empirisch nach, dass eine momentane, praktisch zeitlose Wechselwirkung zwischen zwei verschränkten Photonen existiert. Verschränkung ist ein quantenmechanisches Phänomen, bei dem zwei Teilchen ein System bilden und über die räumliche Entfernung miteinander wechselwirken, auch wenn die Entfernung Milliarden Kilometer beträgt. Albert Einstein nannte das Phänomen ’spukhafte Fernwirkung’. Er bewies, dass alle Verbindungen und Wechselwirkungen innerhalb der Raumzeit durch Signale übertragen werden, die Zeit benötigen. Die Wechselwirkung, die eine momentane, praktisch zeitlose Verbindung erfordert, kann nicht innerhalb der Raumzeit stattfinden, solange die Einsteinsche Relativitätstheorie gültig ist.
Der fundamentale Prozess der Natur, der sich im Quantenzufall und in der Verschränkung manifestiert, muss deshalb außerhalb der Raumzeit stattfinden. Aber was existiert außerhalb der Raumzeit? Es bleibt kaum etwas anderes übrig als eine transzendente Wirklichkeit anzunehmen, in der die Raumzeit eingebettet ist. Diese transzendente Wirklichkeit hat nichts mit ähnlich klingenden Begriffen aus der Religion, Esoterik oder Philosophie zu tun. Es ist eine physikalische Wirklichkeit, denn in ihr finden offensichtlich Wechselwirkungen statt, die sich in quantenphysikalischen Experimenten manifestieren. Die Eigenschaften solch einer transzendenten Wirklichkeit hat der Mathematiker Klaus-Dieter Sedlacek in dem kürzlich erschienenen Buch mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen« beschrieben. Dieses ist auch für Nichtphysiker leicht verständlich. So beweisen letztendlich der Quantenzufall und die Existenz der ’spukhaften Fernwirkung’, dass es eine transzendente Wirklichkeit geben muss. - Manfred Sommerfeld
Video: Das Problem der Realität oder die Rolle des bewussten Beobachters in der Quantenphysik am Doppelspalt-Experiment aufgezeigt.
Ist das Jenseits das große Internet der Wirklichkeit? Folgt der Dualismus von Körper und Seele den Regeln der Wellenmechanik? Einige renommierte Wissenschaftler vertreten die These, dass seit dem Urknall ein universeller Quantencode existiert.
Zu diesen Avantgarde-Forschern gehört unter anderem Professor Dr. Hans-Peter Dürr, ehemaliger Leiter des Max-Planck-Instituts für Physik in München. Dürr vertritt heute die Auffassung, dass der Dualismus kleinster Teilchen nicht auf die subatomare Welt beschränkt, sondern vielmehr allgegenwärtig ist. Mit anderen Worten: Der Dualismus zwischen Körper und Seele ist für ihn ebenso real wie „Welle-Korpuskel-Dualismus” kleinster Teilchen. Seiner Auffassung nach existiert ein universeller Quantencode, in der die gesamte lebende und tote Materie eingebunden ist. Dieser Quantencode soll sich über den gesamten Kosmos erstrecken.
Konsequenterweise glaubt Dürr - auch aus rein physikalischen Erwägungen - an eine Existenz nach dem Tode. In einem Interview erläuterte er dies wie folgt: „Was wir Diesseits nennen, ist im Grunde die Schlacke, die Materie, also das was greifbar ist. Das Jenseits ist alles Übrige, die umfassende Wirklichkeit, das viel Größere. Das, worin das Diesseits eingebettet ist. Insofern ist auch unser gegenwärtiges Leben bereits vom Jenseits umfangen. Wenn ich mir also vorstelle, dass ich während meines diesseitigen Lebens nicht nur meine eigene kleine Festplatte beschrieben habe, sondern auch immer etwas in diesem geistigen Quantenfeld abgespeichert habe, gewissermaßen im großen Internet der Wirklichkeit, dann geht dies ja mit meinem körperlichen Tod nicht verloren. In jedem Gespräch, das ich mit Menschen führe, werde ich zugleich Teil eines geistigen Ganzen. In dem Maße, wie ich immer auch ein Du war, bin ich, wie alles andere auch, unsterblich.”
Auch Dr. Christian Hellweg ist von dem Quantenzustand des Geistes überzeugt. Der Wissenschaftler hat sich nach dem Abschluss seines Physik- und Medizinstudiums am Max-Planck-Institut in Göttingen jahrelang mit der wissenschaftlichen Erforschung der Hirnfunktionen beschäftigt. Es gelang ihm, zu zeigen, dass Informationen im ZNS auch phasenkodiert sein können. In den letzten Jahren widmete er sich dem Studium des Leib-Seele-Problems und der Erforschung von Phantomwahrnehmungen und Halluzinationen. Sein besonderes Interesse gilt dem Tinnitus, einer Phantomwahrnehmung des Hörsinns, auf deren Therapie er sich spezialisiert hat. Seine These bringt er wie folgt auf den Punkt:
„Unsere Gedanken, unser Wille, Bewusstsein und Empfindungen weisen Eigenschaften auf, die als Merkmale des Geistigen bezeichnet werden können. Geistiges lässt keine direkte Wechselwirkung mit den bekannten naturwissenschaftlichen Grundkräften - wie Gravitation, elektromagnetischen Kräften etc. - erkennen. Auf der anderen Seite aber entsprechen diese Eigenschaften des Geistigen haargenau denjenigen Charakteristika, die die äußerst rätselhaften und wunderlichen Erscheinungen der Quantenwelt auszeichnen. Mit der Quantenwelt ist hier derjenige Bereich unserer Welt gemeint, der noch nicht faktisch geworden ist, also der Bereich der Möglichkeiten, der Bereich der Unbestimmtheiten, wo wir zwar »wissen, dass«, aber nicht genau »wissen, wann und wo«. Aus den Zusammenhängen der klassischen Physik ergibt sich mit zwingender Notwendigkeit, dass es diesen Bereich tatsächlich geben muss.”
In ein ähnliches Horn stößt der berühmte Physiker und Nobelpreisträger John A. Wheeler: „Viele Physiker hofften, dass die Welt in gewissem Sinne doch klassisch sei - jedenfalls frei von Kuriositäten wie großen Objekten an zwei Orten zugleich. Doch solche Hoffnungen wurden durch eine Serie neuer Experimente zunichte gemacht.”
Mittlerweile gibt es bereits universitäre Forschungsteams, die sich mit der Interaktion von Bewusstsein und Materie beschäftigen. Zu den führenden Forschern auf diesem Gebiet gehört der Physiker Professor Robert Jahn von der Princeton University in New Jersey. Er kommt zu dem Schluss, dass wenn zwischen menschlichem Bewusstsein und der physikalischen Umgebung in beide Richtungen Wirkungen und Informationen ausgetauscht werden, man eine Resonanz oder „molekulare Bindungsmöglichkeit” auch für das Bewusstsein annehmen muss. Fazit: Dem Bewusstsein müssten demnach ebenso die bekannten Quanten-Eigenschaften zugesprochen werden. Seiner Meinung nach macht es keinen Sinn mehr, Begriffe wie Information oder Resonanz entweder der physischen Umwelt oder dem Bewusstsein zuzuordnen oder physische von geistigen Wirkungen abzugrenzen.
In ganz ähnlicher Weise hat sich bereits der Quantenphysiker David Bohm, ein Schüler und Freund von Albert Einstein, geäußert. Sein Resümee: „Die Ergebnisse der modernen Naturwissenschaften ergeben nur noch einen Sinn, wenn wir eine innere, einheitliche, transzendente Wirklichkeit annehmen, die allen äußeren Daten und Fakten zugrunde liegt. Das Bewusstsein der Menschheit ganz in der Tiefe ist eins”.
Auch der Kernphysiker und Molekularbiologe Jeremy Hayward von der Cambridge University macht aus seiner Überzeugung keinen Hehl: „Manche durchaus noch der wissenschaftlichen Hauptströmung angehörende Wissenschaftler scheuen sich nicht mehr, offen zu sagen, dass Bewusstsein/Gewahrsein neben Raum, Zeit, Materie und Energie eines der Grundelemente der Welt sein könnte - möglicherweise ist es sogar grundlegender als Raum und Zeit. Es war vielleicht ein Fehler, den Geist aus der Natur zu verbannen”. Es wird sogar in Frage gestellt, dass Materie überhaupt ein Grundelement des Universums ist. Der ungarische Physiker und Musiker Ervin László ist zumindest davon überzeugt, dass „ein nichtmaterielles Energiemeer den kosmischen Raum erfüllt”. Quelle: Rolf Froböse, Die geheime Physik des Zufalls: Quantenphänomene und Schicksal - Kann die Quantenphysik paranormale Phänomene erklären?. Edition BoD, 2. aktualisierte Auflage, Herausgegeben von Vito von Eichborn, Norderstedt, 2008.
Informationen zu den Wechselwirkungen zwischen Bewusstsein und Materie gibt es im Buch Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen. Es deckt den Zusammenhang zwischen der Quantenwelt und dem Bewusstsein auf. Es gibt naturwissenschaftliche Antworten auf die Grundfragen unseres Seins. Neben der physikalischen Theorie vom Jenseits wird das wahre Gesicht der Wirklichkeit beschrieben. Unter anderem wird gezeigt, dass Bewusstsein der fundamentale Baustein von allem ist, was existiert.
(idw). Dr. Tobias Müller will Erkenntnisse der Neurowissenschaften und philosophische Ideen verbinden - Ziel ist ein neues Selbstbild des Menschen
Dank moderner Technologien können wir heute in unserem Gehirn fast wie in einem Buch lesen. Die Neurowissenschaften haben in den vergangenen Jahrzehnten nicht nur im Detail gezeigt, welche Hirnareale für welche Funktionen zuständig sind, sondern sagen uns auch, welche Stoffe bei einem bestimmten Reiz wo, wie und wann ausgeschüttet werden. Nicht gefunden wurde bislang jedoch eine Art Geistsubstanz oder Seelensubstanz, eine Materie oder ein Ort, wo unser Bewusstsein verankert ist. Einige Hirnforscher halten daher unser altes Selbstbild für obsolet und betrachten den Menschen eher als determinierte Biomaschine denn als frei handelndes Subjekt. “Dieser Verkürzung möchte ich Einhalt gebieten und anstatt den freien Willen ganz in Abrede zu stellen, darüber diskutieren, welche graduelle Freiheit es gibt”, sagt Dr. Tobias Müller. Der Nachwuchswissenschaftler wird am Philosophischen Seminar der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ein Forschungsprojekt einrichten, das sich mit der Frage nach dem Bewusstsein und somit mit dem Selbstverständnis des Menschen unter Berücksichtigung der jüngsten Erkenntnisse der Neurowissenschaften beschäftigt.
“Der Erkenntnisgewinn der Neurowissenschaften schreitet mit einem atemberaubenden Tempo voran”, konstatiert Müller. Während davon große Fortschritte bei der Behandlung von Krankheiten wie Demenzerkrankungen und für die Entwicklung neuer Pharmaka erwartet werden, stellen die Ergebnisse der Hirnforschung gleichzeitig eine enorme Herausforderung für unser Selbstverständnis dar. Beginnend mit dem Libet-Experiment in den 70er Jahren - es zeigte anscheinend, dass unser Gehirn eine Bewegung vorbereitet noch bevor wir überhaupt einen Handlungswunsch verspüren - bis zu den heutigen Untersuchungen mit modernen bildgebenden Verfahren wie der funktionelle Magnetresonanz-Tomographie (fMRT) und der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist es den Wissenschaftlern immer besser gelungen, in das menschliche Gehirn vorzudringen. So kann etwa die Wahl einer Testperson zwischen zwei Aufgaben im Gehirn abgelesen werden, bevor der Proband beginnt, die gewählte Aufgabe zu bearbeiten. Hier schließt sich fast automatisch die Frage an, ob unser Bewusstsein nur ein Oberflächenphänomen ist und ob es eine kausale Wirksamkeit besitzt.
Die Ergebnisse der Neurobiologie hinterlassen immer mehr den Eindruck, wir seien von Grund auf festgelegt, vorbestimmt durch unseren physischen Zustand, determiniert durch Nervenzellen und ihre Verknüpfung. “Wir sollten aufhören von Freiheit zu sprechen”, so brachte es der Frankfurter Hirnforscher Wolf Singer auf den Punkt. “Das erscheint uns als eine eminente Herausforderung für unsere lebensweltliche Vorstellung von Willensfreiheit und innerem Selbst”, erklärt Müller. “Wenn es keinen freien Willen gäbe, dann hätte das weitreichende Folgen für die Beurteilung von Straftaten und würde sich in allen anderen juristischen, politischen und sozialen Bereichen auswirken.” Müller plädiert dafür, die Diskussion nicht im Schwarz-Weiß-Schema sondern differenzierter zu führen. “Zwischen Schwarz und Weiß gibt es unendlich viele Grautöne. Anstatt eine Position der Extreme einzunehmen und den Menschen entweder als völlig frei oder als völlig determiniert zu betrachten, gibt es gute und vernünftige Gründe, uns Freiheit auch in Abstufungen vorzustellen.”
Ansätze für eine solche Debatte bieten die sogenannte Emergenztheorie und der Pan-Proto-Psychismus. Beide gehen davon aus, dass sich Geistiges nicht einfach auf Physikalisches reduzieren lässt: Der Wunsch nach etwas ist eben nicht nur das Feuern von Nervenzellen in einer bestimmten Gehirnregion, unser Bewusstsein ist Wirklichkeit, auch wenn es sich nicht auf physikalische Prozesse reduzieren lässt. Die Emergenztheorie vertritt die These, dass unser Bewusstsein einfach als eine neue Eigenschaft aus dem System heraus entsteht. Vertreter des Pan-Proto-Psychismus beantworten die Frage, woher diese neue Eigenschaft denn genau kommt, damit, dass es Vorformen von Subjektivität schon immer latent in allen Formen des Seins im Universum gegeben habe. “Vielleicht können wir es so sagen: Vertreter dieser Position behaupten, dass das Bewusstsein als eine Eigenschaft im Universum von Anfang an angelegt ist, je weiter die Evolution fortschreitet und je komplexer die Welt wird, desto stärker tritt diese Eigenschaft hervor, bis sie sich beim Menschen als Bewusstsein zeigt.” Müller sieht hier Ansätze, um nicht nur die Frage nach dem Bewusstsein und dem freien Willen zu erörtern, sondern um auch die Brücke zur Interpretation der Quantenphysik zu schlagen, wie dies der bekannte Quantenphysiker Henry Stapp vorgeschlagen hat. Er hofft, dass sich die empirischen Erkenntnisse der Hirnforscher und die Theorien der Philosophen verknüpfen lassen zu einer integralen Theorie des Bewusstseins. “Vielleicht können wir so gemeinsam zu einem neuen Verständnis des Menschen beitragen.”
Mehr Info:
1. Dr. Tobias Müller
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Philosophisches Seminar
Tel. 06131 39-22459
E-Mail: tobmuell@uni-mainz.de
Video: Quantensprung (2). Erklärung zur Quantenverschränkung mit Professor Zeilinger.
(prcenter.de) Der Kernphysiker und Molekularbiologe Jeremy Hayward von der Cambridge University brachte das Thema unlängst auf den Punkt: „Manche durchaus noch der wissenschaftlichen Hauptströmung angehörende Wissenschaftler scheuen sich nicht mehr, offen zu sagen, dass das Bewusstsein neben Raum, Zeit, Materie und Energie eines der Grundelemente der Welt sein könnte – möglicherweise ist es sogar grundlegender als Raum und Zeit“.
Den Schlüssel für dieses revolutionäre Weltbild liefert das Verschränkungsprinzip der Quantenphysik. Neuesten Erkenntnissen zufolge existiert seit dem Urknall ein sprichwörtlich universeller Code, über den auf geheimnisvolle Weise alles miteinander verbunden ist. Erst vor wenigen Wochen haben Physiker in Genf herausgefunden, dass der Informationsaustausch zwischen verschränkten Teilchen mit mindestens 100.000facher Lichtgeschwindigkeit stattfindet.
Wir erfahren und erleben dieses fundamentale Prinzip des Universums Tag für Tag durch spontane Eingebungen und Gefühle, die wir uns mit unserer herkömmlichen Erfahrung nicht erklären können. Bildhaft gesprochen ist die Realität, die wir wahrnehmen, mit einem Eisberg vergleichbar, der in einem Ozean der allgegenwärtigen und umfassenden Information treibt.
Video: P.M. - Das Dunkle Geheimnis im All: Schwarze Löcher
Schwarze Löcher - das müssen nicht unbedingt alles verschlingende, gigantisch schwere astronomische Objekte sein. Theoretisch könnte es auch “mini black holes” im Labor geben, die genau das Gegenteil der astronomisch gemessenen Giganten darstellen. Das folgt aus Arbeiten der Gruppe von Prof. Dr. Horst Stöcker und Prof. Dr. Marcus Bleicher am Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) und am Institut für Theoretische Physik.
Für die theoretische Physik wäre die Entdeckung der sehr leichten Schwarzen Löcher von großer Bedeutung. Bisher ist es nicht gelungen, die beiden erfolgreichsten Theorien des 20. Jahrhunderts - die Quantentheorie und die Relativitätstheorie - in Einklang zu bringen. Für gewöhnlich ist das nicht störend, denn quantentheoretische Effekte machen sich im Mikrokosmos bemerkbar, während die allgemeine Relativitätstheorie bei der Beschreibung großer Massen im Makrokosmos der Sterne und Planetensysteme relevant ist. Zur Beschreibung Schwarzer Löcher, in denen sich große Massen auf engstem Raum zusammendrängen, braucht man jedoch eine Synthese beider Theorien. Die Physik Schwarzer Löcher im Quantenbereich ist somit der Schlüssel zum Verständnis des neuen Weltbilds der Elementarteilchenphysik für die Experimente am CERN.
Sollte es die vorhergesagten Mini Schwarzen Löcher geben, hat Prof. Horst Stöcker sich bereits ihre mögliche Anwendung als “Relikt-Konverter” zur Energiegewinnung nach Einsteins berühmter Formel E=mc2 bereits patentieren lassen. Das heißt, falls die Erzeugung von stabilen Relikten [postulierter stabiler Endzustand eines schwarzen Lochs] am LHC gelingt, könnte der gesamte Energieverbrauch der Erde (zirka 1021 Joule) mit nur zehn Tonnen willkürlichen Materials in diesen Konvertern erzeugt werden! (Quelle: idw)
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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 mit relativistischen Prinzipien zu vereinbaren. In seinem Modell besteht alle Materie aus “Materieblitzen”.
Haben Sie schon mal von Nichtlokalität gehört? Nein? Eine Hilfe: es handelt sich nicht um eine geschlossene Kneipe oder eine untergegangene Insel. Vielmehr wurde der Begriff 1964 von dem Quantenphysiker John Bell geprägt. Die Nichtlokalität besagt, dass das, was an einer Stelle geschieht, schneller als mit Lichtgeschwindigkeit Einfluss auf die Geschehnisse an einem anderen Ort haben kann. Aus Einsteins Relativitätstheorie würde man im Gegensatz dazu erwarten, dass sich Einflüsse höchstens mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. “Tatsächlich gilt die kosmische Geschwindigkeitsbegrenzung zwar für Reisende und für die Übertragung von Botschaften, nicht aber für die gegenseitige Beeinflussung von Zufallsgrößen”, sagt Dr. Roderich Tumulka vom Mathematischen Institut der Universität Tübingen. “Wenn ich an meinem Schreibtisch eine Zahl aufschreibe, die ich mir gerade ausgedacht habe, könnte ich diese selbst mit Lichtgeschwindigkeit erst in einer Sekunde zum Mond vermitteln, bis zu dem Stern Sirius würde es sogar zehn Jahre dauern. Die Zufallsgrößen der Quantenmechanik sind dagegen nichtlokal, und das war Bells große Entdeckung.” Danach können Vorgänge in Tübingen schneller als mit einer Lichtreise die Vorgänge auf Sirius beeinflussen. “Die Nichtlokalität in der Quantenmechanik ist einer der Hauptgründe, warum sie sich bisher nicht mit der Relativitätstheorie zusammenbringen ließ”, sagt Tumulka. Der 34-jährige Mathematiker hat es sich zur Aufgabe gemacht, die beiden miteinander zu versöhnen. Er forscht im Grenzbereich von Mathematik und theoretischer Physik.
Motiviert zu diesem abstrakten Arbeitsgebiet hat Roderich Tumulka der Wunsch, die Quantenmechanik richtig zu verstehen. Das hat ihn schon als Studenten gereizt. “In der Mathematik und Physik gibt es viele schwierige Dinge. Aber etliche davon kann man verstehen, wenn man einen mathematisch-physikalischen Hintergrund hat und sich einen Monat lang richtig in das Problem hineinkniet.” Die Quantenmechanik sei da ein anderes Kaliber. “Sie zu verstehen ist ein Forschungsgebiet”, meint Tumulka.
Die Quantenmechanik handelt vom Verhalten der Elektronen, der Photonen oder Lichtteilchen und der übrigen Elementarteilchen, aus denen Atome bestehen. “Allerdings lässt sie einige Fragen bis heute unbeantwortet: Sie stellt zwar Formeln bereit, mit denen sich für jedes Experiment der Quantenphysik die möglichen Resultate und ihre Wahrscheinlichkeiten berechnen lassen und die heute zum Pensum jedes Physikstudenten zählen. Doch offen bleibt dabei, wie es zu diesen Resultaten kommt, und rätselhaft, was sich bei Quantenphänomenen in Wirklichkeit abspielt”, erläutert Tumulka. Dies zu klären sei der Zweck der mathematischen Modelle, die er und seine Fachkollegen entwickeln und die “Quantentheorien ohne Beobachter” genannt werden. “Die Väter der Quantenmechanik glaubten, eine Erklärung der Wahrscheinlichkeiten durch objektive Naturvorgänge sei unmöglich. Doch das war ein Irrtum. Seit einigen Jahren setzt sich langsam die Erkenntnis durch, dass zum Beispiel die Bohmsche Mechanik gerade so eine Erklärung liefert.” Diese Theorie sei bereits 1952 von dem amerikanischen Physiker David Bohm (1917 - 1993) vorgeschlagen worden. “Ihr zufolge bewegen sich die Teilchen entlang von Bahnen, die durch ein Bewegungsgesetz anhand der Wellenfunktion festgelegt sind”, sagt Tumulka. “Bohm hat die Quantenmechanik entmystifiziert. Die Bohmsche Mechanik löst ihre Paradoxien und Rätsel auf. Sie hat nur ein Problem: Wir wissen nicht, wie sie mit der Relativitätstheorie vereinbart werden kann. Wenn Bohm Recht hat mit seiner Theorie, muss man vermutlich die Relativitätstheorie etwas abändern.”
Ein zweites Modell ist die GRW-Theorie, benannt nach den Forschern Ghirardi, Rimini und Weber, die sie 1986 erfanden. “Diese Theorie führt Gleichungen für den spontanen Kollaps der Wellenfunktion ein”, sagt Tumulka. Bei diesem Modell gelang dem Forscher die ersehnte relativistische Erweiterung. Als entscheidenden Bestandteil hat er die so genannte Blitz-Ontologie, von John Bell 1987 erfunden, in seinem Modell aufgegriffen. Ihr zufolge bewegen sich die Materieteilchen nicht in Bahnen, sondern sie existieren immer nur für einen Augenblick, blitzen sozusagen kurz auf, und verschwinden dann wieder. “Wenn man in einem Diagramm Raum und Zeit darstellt, entspricht die Teilchenbewegung in der Bohmschen Mechanik wie in der klassischen Mechanik einer Kurve. In der Blitz-Ontologie dagegen gibt es im Raum-Zeit-Diagramm nur Einzelpunkte, und ein gewöhnlicher Gegenstand würde aus Billionen dieser Punkte seine Gestalt erhalten”, erklärt Tumulka. Außerhalb des Blitzgewitters der Materiepunkte herrsche ein Vakuum. Die Blitzmuster sind zufällig. “Ich habe Gleichungen für die Wahrscheinlichkeiten beschrieben, wo die nächsten Blitze stattfinden, wenn die vorherigen bekannt sind”, sagt Tumulka. Er konnte so eine relativistische Variante des GRW-Modells formulieren, die zugleich nichtlokal ist, weil die Blitze an verschiedenen Orten miteinander auf nichtlokale Weise korreliert sind. “Das ist die erste voll relativistische Quantentheorie ohne Beobachter”, so Tumulka.
Alle Probleme, die zwischen Quantenmechanik und Relativitätstheorie stehen, sind damit noch nicht gelöst. Roderich Tumulka sieht zwei Möglichkeiten, wie der Knoten bei weiteren Forschungen aufgehen könnte: “Die GRW-Theorie sagt Abweichungen von der Quantenmechanik voraus, die allerdings so gering sind, dass sie bisher nicht in Experimenten überprüft werden konnten. Falls sie eines Tages bestätigt wird, ist die Quantenmechanik nicht ganz korrekt. Falls sie hingegen im Experiment widerlegt wird, bestätigt das die Bohmsche Mechanik, und dann müssen wir unser Verständnis der Relativitätstheorie korrigieren.”
Eine völlig neue Sichtweise, die sowohl Quantenmechanik wie Relativitätstheorie vereinigt, indem es beide Theorien auf eine gemeinsame dritte Ursache zurückführt, findet sich in dem neu erschienenen Sachbuch des Mathematikers Klaus-Dieter Sedlacek. Der Titel lautet: “Unsterbliches Bewusstsein” , ISBN 978-3-8370-4351-8.
. Edition BoD, 2. aktualisierte Auflage, Herausgegeben von Vito von Eichborn, Norderstedt, 2008.
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