Physics

Schneller als das Licht

"Fünfzig Jahre angestrengten Nachdenkens haben mich der Antwort auf die Frage:

<Was sind Lichtquanten?>

nicht näher gebracht. Heute bilden sich Hinz und Kunz ein, es zu wissen.
Aber da täuschen sie sich."

(Zitat Albert Einstein in einem Brief 1951 an einen Freund, Nobelpreis für die Lichtquantenhypothese 1921)

Bild: Professor Dr. Joao Magueijo widerspricht in seinem 2003 erschienenen Buch dem Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und stellt eine neue Universums-Theorie vor.

Während es sich bei der Relativitätstheorie um eine klassische, stetige Theorie handelt, die den Grenzübergang der Zeit gegen 0 zuläßt, bekommt man in der Quantentheorie bei gleicher Vorgehensweise mathematische Unendlichkeiten.

Läßt sich Zeit quantisieren?

Planck sagt ja, Einstein nein.

In der theoretischen Physik ist praktisch nichts unmöglich. Beispielsweise könnten theoretisch alle Atome Ihres Bierglases gleichzeitig nach oben schwingen und so einen kleinen Hüpfer verursachen , sozusagen ein Bit überkippen, obwohl Sie so etwas praktisch wahrscheinlich noch nie beobachtet haben.

Denn in der Quantentheorie ist vieles, allerdings nur für einen winzigen Augenblick, nämlich der Planckzeit erlaubt, was normalerweise nicht erlaubt ist, wie beispielsweise der Bruch des Energieerhaltungssatzes, sozusagen während Gott nicht hinschaut.

Zwinkert Gott?

Sodom und Gomorrha für einen Augenblick?

Die moderne Physik teilt die ganze Welt in einen gespenstischen, unverstehbaren Mikrokosmos, der Unterwelt und einen für uns präzise berechenbaren Makrokosmos, der Oberwelt. Die Grenzen dazwischen sind allerdings fließend und

makroskopische Quantenphänomene

deshalb an der Tagesordnung, weshalb sich die experimentell widerlegbare Behauptung, daß die Unschärferelation nur für den Mikrokosmos gelte, natürlich als physikalischer Unsinn heraustellen muß. Denn es handelt sich hierbei offenbar um einen klassischen

contradictio in adjecto!

Gemäß Quantentheorie, die allgemein hin auch als Teilchenphysik bezeichnet wird, gibt es eine kleinste Zeit, eine kleinste Länge, das größtmögliche Elementarteilchen und die größtmögliche Temperatur :

t(0) = 10^-43 s

l(0) = 10^-35 m

m(0) = 10^-5 g

T(0) = 10^32 °K

Zwischen den beiden großen Theorien der theoretischen Physik besteht eine große Kluft. Die Wissenschaft ist sich über den Grenzbereich der Physik nicht einig, weil sich Gravitation nicht quantisieren läßt.

Einstein glaubte Zeit seines Lebens nicht an die Quantentheorie. Sein schlagkräftigstes Argument:

"Gott spielt nicht Würfel!"

Der Relativist war auch kein Freund der Unschärfetheorie von Heisenberg. Die Zweifel an dem klassischen Verständnis der Physik wurden immer größer und Schrödinger, der berühmt für seine Wellen-Gleichung, die auf recht einfache Weise die Heisenbergsche Unschärferelation wiedergab, kommentierte:

"Wenn es doch bei dieser verdammten Quantenspringerei bleiben soll, so bedaure ich, mich überhaupt jemals mit Quantentheorie abgegeben zu haben."

Leidenschaftliche Diskussionen führte Einstein auch mit Niels Bohr, seines Zeichens auch Nobelpreisträger wie Einstein, jedoch getreuer Verfechter der Quantentheorie.

Nachdem Einstein 1921 den Nobelpreis für die quantentheoretische Erklärung des Lichts erhalten hatte, bekam Bohr ein Jahr später den Nobelpreis für das quantentheoretische Atommodell.

1927 treffen Einstein und Bohr während eines Kongresses zusammen. Über 5 Tage soll sich das Battle of Masterminds ziehen. Am Morgen jeden Tages ersinnt Einstein ein neues Rätsel, das die Quantentheorie widerlegen soll und Bohr bis zum Abend löst. Am 5. Tag jedoch löst Bohr das Rätsel mit den Waffen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Einstein einigt sich darauf mit Bohr auf unentschieden.

1935 versucht Einstein die Quantentheorie erneut zu widerlegen. Mit seinen Mitstreitern Boris Podolsky und Nathan Rosen formuliert er ein Gedankenexperiment, das entsprechend der Initialen der Erfinder als EPR-Argument berühmt ist. Polarisierte Photonen werden in entgegengesetzte Richtung geschickt. Mißt man den Spin des einen Photons, wäre augenblicklich auch der Spin des Zwillingsphotons bekannt, und zwar ohne Messung.

In diesem Jahr veröffentlicht der japanischen Physiker H. Yukawa erstmals eine plausible Theorie über die bisher unbekannte Kernkraft, die nur zwischen Protonen und Neutronen über extrem kurze Entfernungen wirksam sein solle.

1983 widerlegt Dr. Aspect Einstein gemäß ERP- Experiment, in Paris, indem er nachweist, daß die Übermittlung von Informationen mit Überlichtgeschwindigkeit erfolgen kann. In einer Nanosekunde legt das Licht 33 cm zurück, was einer Geschwindigkeit von 330.000 km/sec entspricht. Über den sogenannten Tunneleffekt sollen Signale praktisch zeitlos übertragen werden können.

1994 tunneln Prof. Nimtz und Horst Aichmann in den Labors der Firma Hewlett Packard Mozarts 40. Sinfonie in g-Mol mit 4,7 facher Lichtgeschwindigkeit durch einen Hohlleiter und führen das Musikstück in einem Seminar am MIT in Boston vor. Der erste Kommentar des erstaunten Veranstalters Prof. Francis Low lautete:

"Das ist nicht g-Mol!"

Die Tunnel-Profis behaupten, die Tunnelzeit sei unabhängig von der Tunnellänge,weshalb die Tunnelgeschwindigkeit eines Wellenpaketes mit der Länge des Tunneles linear zunehme, so daß sogar 10fache Lichtgeschwindiglkeit zu erreichen sei. Allerdings werde das Signal durch den Tunnel drastisch gedämpft und diese Dämpfung sei um so größer, je länger der Tunnel ist.

Der Zu-Schnell-Fahrer hatte einen Hohlleiter in der Mitte räumlich so verjüngt, daß die Welle aus Platzgründen tunneln mußte und später nachgewiesen, daß dieser Tunneleffekt praktisch in allen Frequenzbereichen beobachtbar ist. Das wirklich Fantastische an Prof. Nimtz' Experiment ist jedoch, daß die elektromagnetische Welle im Tunnel praktisch nicht detektierbar ist, so als ob sie in dem Tunnel nie gewesen wäre.

Bisher hatten die klassischen Physiker fest geglaubt, daß solch eine Tunnelbarriere unüberwindlich für die elektromagnetische Welle sei und deshalb vollständig reflektiert werde. Doch ausgeklügelte Experimente auf der ganzen Welt beweisen, daß etwa 1% des Signals die unüberwindliche Barriere durchtunnelt.

Der Streit zwischen Anhängern der Quantentheorie und Anhängern der Relativitätstheorie ist hitzig und scheint unüberwindbar. Gemäß Unschärfetheorie kann man bei einem Elektron nie Ort und Impuls gleichzeitig messen. Die Quantentheorie ist eine Theorie der Wahrscheinlichkeiten. Die Relativitätstheorie kennt jedoch keine Unbestimmtheiten.

Laut Einstein können Raum und Zeit beliebig genau bestimmt werden. Zwischen zwei Ereignissen muß nach Einstein ein Raum liegen, wobei Informationen nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übermittelt werden können. Diese Vorstellung bringt natürlich auch die Newtonsche Vorstellung der Gravitation in Bedrängnis. Laut Newton wirkt eine Änderung des Schwerefeldes augenblicklich.

Einstein wich diesem Problem aus, indem er die Kräftewirkung auf Raumeigenschaften transformierte. Eine Masse verändert nur die Eigenschaften des Raums und wirkt nicht direkt auf eine andere Masse. Nach einer Explosion eines Sterns sollen sich Gravitationswellen ablösen, die mit Lichtgeschwindigkeit durch die Raum-Zeit laufen.

Gemäß Quantentheorie kann alles über einen Teilchenzoo, der nicht weniger als 61 Elementarteilchen umfaßt, beschrieben werden. Die verschiedenen Elementarteilchen bestehen aus Quarks, Leptonen und Bosonen. In diesem Zusammenhang spricht man vom Standardmodell der Teilchenphysik, das alle Teilchen eingruppiert. Teilchen mit Ruhemasse und Ladung bezeichnet man als Fermionen. Zu ihnen gehören Quarks und Leptonen.

Bosonen sind Träger der Wechselwirkungen, sozusagen Botenteilchen, die zwischen Materieteilchen, also Teilchen mit Ruhemasse, ständig ausgetauscht werden. Diese Teilchen werden auch als virtuelle Teilchen bezeichnet.

3 Quarks verschiedener Färbung bilden Protonen bzw. Neutronen. Elektronen gehören zu der Familie der Leptonen und Photonen zu den Bosonen. Das Photon überträgt die elektromagnetische, das Gluon die starke, das W- und Z-Teilchen die schwache und das postulierte Graviton die Gravitationskraft.

Spielt Gott Ping-Pong?

Außerdem gibt es zu jedem Teilchen ein Antiteilchen, auch Antimaterie genannt. Der Bruder des Elektrons heißt beispielsweise Positron. Es hat alle Eigenschaften wie ein Elektron, aber positive Ladung. Photonen aber, also Lichtteilchen, sind ihre eigenen Antiteilchen.

Masse alleine ist nicht stabil!

Unter Radioaktivität versteht man den Zerfall von instabilen Atomkernen. Dabei entstehen 3 Arten von Strahlung:

alpha- Strahlung: positiv geladene Heliumkerne

beta-Strahlung: negativ geladene Elektronen

gamma-Strahlung: hochfrequente elektromagnetische Wellen

Neutron -> Proton + Elektron + Antineutrino

Ein Neutron zerfällt in ein Proton, ein Elektron und ein Antineu-trino. Das Antineutrino besitzt die beim Zerfall freiwerdende Zerfallsenergie.

Nur, warum zerfallen Neutronen, wenn sie alleine sind?

Prinzipiell könnte man doch meinen, daß sich ein Proton und ein Elektron auf Grund ihrer gegensätzlichen Ladung gut leiden können. Wolfgang Pauli, der 1931 das Neutrino vorhergesagt hatte, dachte, er habe ein Teilchen entdeckt, das niemals nachgewiesen werden könnte.

Doch Pauli irrte!

1974 entdeckte Hawking die nach ihm benannte Hawking Strahlung. Schwarze Löcher sind demnach nicht total schwarz. Die Entdeckung war eine Sensation und rüttelte an den Grundpfeilern der Relativitätstheorie. Hawking meint Relativitäts- und Quantentheorie über die sogenannte Quantengravitation verheiraten zu können.

Gemäß Quantentheorie gibt es eine im ganzen Universum absolute kleinste Zeiteinheit, die sogenannte Plankzeit. Sie beträgt 6,3 * 10^ -43 sec. Ereignisse, die in solch ein Zeitintervall fallen, lassen sich zeitlich nicht unterscheiden, das heißt, es läßt sich nicht unterscheiden, welches Ereignis früher oder später eingetreten ist. Dies bedeutete die Aufhebung der Kausalität, der Ordnung von Ursache und Wirkung, wenn auch nur für einen kurzen Augenblick.

Dem Deterministen Einstein, der nicht einmal einem Elektron einen freien Willen zugestehen wollte, erschien die Aufhebung der Kausalität mehr als absurd. Und selbst Heisenberg war der Gedanke vorerst unangenehm. Widerspräche doch eine Physik, die für ihre Wirkungen keine Ursache mehr bräuchte und für ihre Experimente keine Erklärung mehr böte, dem festen Glauben an die Ergründbarkeit der Naturgesetze, wodurch fortan dem Okkultismus bester Nährboden im Fachbereich Physik zugewiesen wäre.

Dennoch, die Quantentheorie widerlegt die Relativitätstheorie nicht nur theoretisch, sondern auch experimentell in den Punkten:

Die Nichtlokalität behauptet, daß sich Wirkungen über beliebige Entfernungen ohne Zeitverzögerung bemerkbar machen können.

Startseite mit Gesamtübersicht

Bild: Gemäß Urknall-Theorie ist das Universum aus dem <reinen Nichts> entstanden und pulsiert in einem Rhythmus von etwa 60 Milliarden Jahren. Dies impliziert einen übergeordneten Zeitgeber, sozusagen eine Universumsuhr, die den Takt vorgibt.

Unter bestimmten Bedingungen entstehen aus reiner Energie zwei Teilchen mit genau entgegengesetzten Eigenschaften. So kann aus zwei Lichtteilchen ein Elektron und ein Positron entstehen. Diese beiden Teilchen sind von nun an auf geheimnisvolle Weise miteinander verknüpft. Ändern sich die Eigenschaften des einen Teilchen, so hat das eine sofortige Änderung des anderen zur Folge. Es scheint für die Übertragung der Information keine Zeit zu benötigen. Diese Phänomen wird als Quantenteleportation bezeichnet. Wie sie funktioniert ist der Wissenschaft noch ein Rätsel.

Da Licht aus Photonen besteht, fragt man sich natürlich wie groß ein Photon wohl ist?

Man stellte sich lange Zeit vor, daß Photonen etwa die Größe ihrer Längenwelle besitzen. Man konnte jedoch experimentell nachweisen, daß Photonen durch Löcher dringen können, die wesentlich kleiner als ihre Wellenlänge sind. Gemäß Unschärfetheorie läßt sich der Ort und die Geschwindigkeit eines Elektrons nicht beliebig genau bestimmen. Genauso ist die Isolierung eines Lichtteilchens unmöglich, weil sich dessen Energie über den ganzen Spektralbereich verteilen würde. Denn ein Photon wird ja durch seine Frequenz bestimmt. Deshalb läßt sich ein Photon genauso schlecht fangen wie ein Elektron. Dieser aus der

<Unschärfetheorie der Nachrichtentechnik>

bekannte Effekt gilt nicht nur für alle elektromagnetischen Wellen, sondern auch für Schallwellen. Aus der klassischen Grundgleichung

df =1/dT

gemäß Fourier-Transformation läßt sich durch Multiplikation mit h auf einfache Weise die Heisenbergsche Unschärferelation herleiten und entsprechend neu interpretieren, und zwar als prinzipielle Unschärfe eines Bits !

PS:
Bleibt anzumerken, daß für die Mindestgeschwindigkeit einer Vollbremsung die Faustformel v=sqr(Anhalteweg) x 10 und für die Unfallwahrscheinlichkeit (1/Zeitraum) * Beobachtungsfenster gilt.


Look in the Book

Fazit
Die Quantenteleportation ist schneller als das Licht!



© 2004 Ralf Steffler. All Rights Reserved.
 The World of modern Physics

... shows You the World of modern Physics