D i s k u s s i o n


  Beitrag 1963-1
Eine neue — sehr naheliegende — Deutung quantenphysikalischer Messergebnisse (und verschränkter Quanten)

 
 


Eine neue — wirklich naheliegende — Deutung quantenphysikalischer Messergebnisse


Gebhard Greiter (grtgrt)



Die ständig stattfindenden Dekohärenzprozesse (allgemeiner: die Neudefinition der Wellenfunktion eines Quantensystems in jedem Elementarereignis) wird gegenwärtig so interpretiert, dass hierdurch Realität produziert wird: ein konkreter Zustand, den man wohl am treffendsten als eine Art Schnappschuss begreift, der die Stelle, an der das Elementarereignis passiert, abphotographiert: Details dazu in den Beiträgen 1915-107, 1915-66 und 1915-86 (die man am besten versteht, wenn man sie in eben dieser Reihenfolge nachliest).

Zudem gibt es das heute viel diskutierte Phänomen der Quantenverschränkung, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass Messungen der Eigenschaften zueinander verschränkter Quanten zueinander korrelliertes (in bestimmten Beispielen sogar absolut identisches) Ergebnis liefern, obgleich der Wert der jeweils beobachteten Größe auch da noch ein absolut zufällig eintretender ist.

Beispiel: Wenn ein Atom zwei zueinander verschränkte Photonen aussendet und man deren Polarisation misst, stellt man fest, dass beide stets gleich polarisiert sind. Andererseits kann der konkrete Wert der Polarisation für so ein Paar in keiner Weise vorausgesagt werden. Er ist ebenso wahrscheinlich wie der jeweils andere (wenn die Versuchsanordnung so ist, dass die eingesetzten Polarisationsfilter genau zwei Werte möglich machen).

Diese Beobachtung kann so interpretiert werden, dass die Messung uns nicht einen Schnappschuss jener Photonen zeigt, sondern nur einen Schnappschuss einer Projektion p dieser Photonen auf einen Teilraum unserer Welt, der weniger Dimensionen hat als diese Welt selbst und zudem noch so beschaffen ist, dass auf bestimmte Weise zueinander verschränkte Photonen unter dieser Projektion denselben "Schatten" werfen (sprich: auf ein und dasselbe Objekt abgebildet werden).

Eine Möglichkeit, sich jene Schattenwelt vorstellen, wäre, sich daran zu erinnern, dass der Stringtheorie entsprechend unser Universum über seine 4 uns sichtbaren Dimensionen hinaus noch bis zu 7 weitere, sog. aufgerollte Dimensionen hat. Es könnte also gut sein, dass jene Projektion p das Photon einfach nur in einen Teilraum projeziert, der durch einige dieser aufgerollten Dimensionen aufgespannt wird. Er ist dann auf jeden Fall nur endlich groß, aber ohne Anfang und Ende.


Meine Frage an Euch alle:

Kann mir jemand beweisen, dass diese Deutung KEINEN Sinn macht (bzw. falsch sein muss)?



grtgrt

PS: Man könnte noch weiter gehen, indem man sich frägt, ob unsere Welt nicht vielleicht zwei unterschiedliche Existenzformen hat: Eine, die das ist, was wir als unsere reale Welt W wahrnehmen, und eine andere, die ihr Bild unter p ist: p( W) also. Vielleicht also ist p gar keine Projektion, sondern eher ein Isomorphismus, der uns — im Beispiel oben — ein wirkliches Objekt einfach nur ausschnittsweise zeigt: eben so, dass wir denken, wir sähen zwei unterschiedliche Photonen?

 

  Beitrag 2075-193
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Stueps in 2075-188:
 
Im Speziellen deutet die (für uns Laien sehr schwer nachzuvollziehende) Verletzung der Bellschen Ungleichung darauf hin, dass diese Art Zufälle echt sind, und nicht auf Parametern beruhen, die wir nicht erkannt haben und erkennen können.


Hallo Stueps,

meinem Verständnis nach beweist die Bellsche Ungleichung (in Kombination mit Aspects Experimenten) nicht das Vorliegen von absolutem Zufall, sondern stattdessen nur die sog. » spukhafte Fernwirkung « — die Tatsache also, dass miteinander verschränkte Quanten zueinander korrelliertes Verhalten aufweisen  o h n e  dass vorher schon bestimmt worden sein kann, wie sie auf welche Messfrage antworten werden.

Gruß, grtgrt
 

 Beitrag 0-215
Millimetergenaue Messung des Mond-Erde-Abstandes bestätigt Einsteins Theorie

 
 

 
Entfernung des Mondes von der Erde (auf Millimeter genau)

 
 
Einsteins Relativitätstheorie sagt voraus, dass sich der mittlere Abstand des Mondes von der Erde pro Jahr um etwa 3,8 cm vergrößern müsse.
 
Es ist heute tatsächlich möglich, dies zu verifizieren.
 
Die Astronauten der Apollo-Missionen 11, 14 und 15 haben nämlich drei Reflektoren auf dem Mond installiert. Sie haben die Eigenschaft, ankommendes Laserlicht genau in dieselbe Richtung zurückzuwerfen, aus der die Strahlung kommt.
 
Zwar können pro Laserpuls nur wenige der reflektierten Photonen auf der Erde empfangen und identifiziert werden — wegen Auffächerung und atmosphärischer Absporption nur etwa 1 Photon aus 1021 (der Laser macht auf dem Mond einen Fleck von etwa 2 Meter Durchmesser, sein Echo auf der Erde hat schon einen Durchmesser von etwa 20 Kilometern) — doch das reicht.
 
Dieses sog. Lunar Laser Ranging Project ist das einzige noch aktive Projekt der Apollo-Ära.
 
Dank ständig verbesserter Laser und Detektoren konnte die Präzision von etwa 20 cm Genauigkeit 1969 auf heute 1 mm verbessert werden (und das, obgleich das Reflexionsvermögen der auf den Mond gebrachten Reflektoren inzwischen auf etwa 1/20 gefallen ist).
 
Mittlerweile sind nicht weniger als 40 Erdstationen am Lunar Laser Ranging beteiligt. Mit größeren, neueren Reflektoren auf dem Mond, ließe sich die erreichte Messgenauigkeit nochmals um knapp den Faktor 10 erhöhen.
 
Interessant auch: In die Modellrechnungen gehen etwa 170 Parameter ein: Neben den Massen aller Planeten im Sonnensysten sind das z.B. auch Daten über die Kontinentalverschiebungen auf der Erde.
 
 
 
Nebenbei:
 
Mit Hilfe zum Mars gebrachter Raumsonden kann man die Konstanz von Newtons Gravitationskonstante untersuchen. Ergebnis dieser Messungen:
 
Der Wert der Gravitationskonstanten kann sich seit dem Urknall um höchsten 1 Prozent verändert haben — wenn überhaupt.

 

 
 
Quelle: Rüdiger Vaas: Jenseits von Einsteins Universum (2016), S. 291-295.


 

 Beitrag 0-216
GPS – die wohl bekannteste Anwendung von Einsteins Theorie

 
 

 
GPS – nur möglich wegen Einsteins Theorie

 
 
Je höher über der Erde sich eine Uhr befindet — und sei es eine Atomuhr —, desto schneller geht sie.
 
Einsteins Theorie sagt das voraus, und heute mögliche Messungen bestätigen es.
 
Keines der heute in jedem Auto vorhandenen Navigationssysteme würde funktionieren, wenn man diesen Effekt nicht genauestens quantifizieren könnte.
 
Pro Tag würde die Ortung per GPS um 2.2 Kilometer bzw. um 10 Kilometer ungenauer, würde man die von der Speziellen und der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Korrekturen unberücksichtigt lassen. Schon nach 3 Tagen wüsste ein Navi nicht mehr, ob es in Köln oder Düsseldorf steht.
 

 
 
Quelle: Rüdiger Vaas: Jenseits von Einsteins Universum (2016), S. 300.


 

 Beitrag 0-219
Wie rund sind Neutronensterne?

 
 

 
Wie ( perfekt ) rund sind Neutronensterne?

 
 
Neutronensterne sind Sternleichen mit einer Masse von 1,4 bis maximal 3 Sonnenmassen und einem Durchmesser von ca. 20 Kilometern.
 
Wie auf Basis von Messungen der Detektoren LIGO und Virgo schon 2013 klar wurde, müssten schon wenige Zentimeter hohe Buckel auf der Eisenkruste eines Neutronensterns zu einer Umwucht führen, die mit der Abstrahlung von Gravitationswellen einher ginge.
 
Im 6500 Lichtjahre von der Erde entfernten Krebsnebel kennt man einen Supernova-Überrest (d.h. einen Neutronenstern), auf dem solche Buckel maximal 1 Meter hoch sein können — sonst nämlich wäre das bereits aufgefallen.

 
 
Quelle: Rüdiger Vaas: Jenseits von Einsteins Universum (2016), S. 382.


 

 Beitrag 0-221
Detektoren für Gravitationswellen

 
 

 
Zur Messung von Gravitationwellen

 
 
Nachdem LIGO am 15.9.2014 ( Event GW150914 ) erstmals Gravitationswellen registriert hat, wird nun neu darüber nachgedacht, wie sinnvoll es erscheint, viel Geld in noch wesentlich genauere Detektoren zu stecken.
 
Schon 1997 hatte die Weltraumagentur ESA in Kooperation mit der NASA ein sehr ehrgeiziges Projekt geplant: LISA (Laser Interferometry Space Antenna). Nachdem sich die NASA dann aber 2011 wegen fehlenden Geldes aus dem Projekt zurückzog, regten sich Zweifel, ob ein derart ambitioniertes Unternehmen denn überhaupt sinnvoll sei und ob es denn überhaupt gelingen könne.
 
LISA sollte aus 3 baugleichen Raumsonden bestehen, die — 50 Mio Kilometer von der Erde entfernt — ein gleichseitiges Dreieck mit etwa 5 Mio. Kilometer Länge aufgespannt hätten.

     
    Nach dem Ausstieg der NASA wurde das Projekt abgespeckt und neu geplant als eLISA (evolved LISA): Drei Satelliten mit einer V-förmigen Laserstrahlenlänge von jetzt nur noch 1 Million Kilometer.
     
    Die technische Machbarkeit dieser Lösung zu demonstrieren wurde am 5.12.2015 eine eigene Raumsonde losgeschickt: LISA Pathfinder.
     
    Sie hat zwei Testmassen an Bord: ein Paar je 2 kg schwerer (46 mm großer) Würfel aus Gold und Platin. Sie wurden am 1.3.2016 aus ihren Halterungen gelöst und befinden sich seitdem 38 cm voneinander entfernt in der Schwerelosigkeit. Dies stellt den reinsten freien Fall dar, den Menschen je künstlich herbeigeführt haben. Kompliziert ist das deswegen, weil die Raumsonde selbst, die Sonneneinstrahlung sowie der Druck des Sonnenwindes winzige, aber messbare Störungen erzeugen, die laufend durch minimale Kurskorrekturen kompensiert werden müssen.
     
    Zudem soll die Sonde — die sozusagen um die beiden Würfel herum fliegt —, den Abstand der beiden Testkörper störungsfrei exakt messen: eLISA kann nur Erfolg haben, wenn dies auf wenige Billionstel Meter genau gelingt.
     
    Bislang (Juni 2016) sind die Resultate besser als man zu hoffen gewagt hatte.

 
Asiatische Forscher (Japan und China) planen zwei ähnliche Detektoren. Sie sollen geeignet sein, Gravitationswellen im Bereich von 0,1 bis 100 Millihertz zu registrieren.
     
    Note: Weltweit mehrere (auch unterschiedlich konzipierte) Detektoren zu haben ist eine notwendige Form der Kooperation. Die Forscher tauschen neben ihren Erfahrungen mit dieser oder jener Technologie natürlich auch ihre Messdaten aus, und so haben auch im Zuge von GW150914 die Projekte LIGO, Virgo und GEO600 eng zusammengearbeitet.
     
    Dies ist auch notwendig, denn man braucht mindestens 2 Anlagen, um Messfehler auszuschließen. Eine dritte ist notwendig, um die Richtung zu bestimmen, aus der registrierte Gravitationwellen kommen. Erst mit noch einer vierten Anlage wäre es möglich, diese Richtung auch aus Zeitunterschieden zu berechnen. Einsteins Theorie der Gravitationswellen selbst zu testen gegenüber alternativen Theorien, die — anders als die Allgemeine Relativitätstheorie — auch in Ausbreitungsrichtung schwingende Wellen voraussagen, sind ebenfalls wenigstens 4 Detektoren nötig.
     
    Lies auch: Wie schwingen Gravitationswellen?

 
 
Die Quelle von Gravitationswellen kann unterschiedlicher Art sein: Stochastischer Hintergrund, periodisch auftretende Wellen und Bursts:
     
  • Der stochasistische Gravitationwellen-Hintergrund (Frequenz unter 10-5 Hertz) rührt her von Gravitations-Bremsstrahlung sowie von Ereignissen im frühen Universum bis hin zu Relikten des Urknalls.
     
  • Periodisch auftretende Gravitationswellen haben etwas höhere, aber immer noch sehr niegrige Frequenz (10-5 bis maximal 10 Hertz). Sie zu registrieren sind Satelliten-Interferometer notwendig, die Millionen Kilometer lange Arme haben. Ihre Messgenauigkeit muss bei etwa 1 Billionstel Meter liegen. LISA Pathfinder bewies, dass sie erreicht werden kann.
     
  • Bursts — verursacht durch kosmische Katastrophen wie etwa den Zusammenstoß Schwarzer Löcher — sind kurze, heftige Emissionen von Gravitationswellen, die nur Sekundenbruchteile andauern, aber mehr Energie abstrahlen können als unsere Sonne in Form von Wärme über Milliarden von Jahren hinweg abgibt.
     
    Da Bursts hohe Frequenz haben (über 10 Hertz) können sogar noch erdgebundene Detektoren wie LIGO sie entdecken. LIGOs Arme sind 4 km lang, seine Messgenauigkeit liegt bei 1 Zehntausendstel des Protonendurchmessers (womit das Ereignis GW150914 gut entdeckbar war: Es hat die Länge der Arme um etwa das 10-fache schwanken lassen).

 
Grundsätzliches: Das Spektrum der Gravitationswellen verteilt sich über den gesamten Himmel und reicht von nur wenige Kilometer langen Wellen bis hin zu solchen, deren Wellenlänge dem Durchmesser des gesamten beobachbaren Universums entspricht.
 
Sie aufzuspüren kann zu ganz erheblichem  E r k e n n t n i s g e w i n n  führen:
     
  • GW150914 etwa ist das bisher beste Indiz für die Existenz Schwarzer Löcher
     
  • und half zudem noch
       
    • Gültigkeitsgrenzen der Relativitätstheorie auszuloten
       
    • und Grundannahmen zu bestärken (darunter auch die 4-Dimensionalität der Raumzeit, das Fehlen von Dipolstrahlung, die zeitliche Konstanz von Lichtgeschwindigkeit und Gravitationskonstante).


     
     
    Quelle: Rüdiger Vaas: Jenseits von Einsteins Universum (2016), S. 387-403.


     

 Beitrag 0-223
Warum MOND eine nur von wenigen Forschern ernst genommene Theorie ist

 
 

 
MOND ( Modified Newtonian Dynamics )

 
 
Wie Astronomen beobachten, rotieren die äußeren Bereiche von Galaxien weit schneller als Newtons Gravitationsgesetz voraussagt.
 
Die Standarderklärung hierfür ist, dass sie größtenteils aus dunkler (also nicht strahlender, uns noch unbekannter) Materie bestehen.
 
Eine weniger wahrscheinliche — aber nach heutigem Wissen nicht ausschließbare — Erklärung könnte sein, dass Newtons Gravitationsgesetz (dann allerdings auch das der Allgemeinen Relativitätstheorie) nicht ganz der Wirklichkeit entspricht.
 
Der Astrophysiker Mordehai Milgrom argumentiert wie folgt:
 
    Nach Newton gilt  F = ma  für die Kraft F, die auf ein Objekt der Masse m wirkt, wenn es die Beschleunigung a erfährt.
     
    Hieraus folgt: Ist G die Gravitationskonstante, m die Masse eines Sterns, F die auf ihn wirkende Schwerkraft und r sein Abstand vom Schwerpunkt seiner Heimatgalaxie, so gilt — wenn M die Masse der gesamten Galaxie bezeichnet —  F = GMm/r2  .
     
    Dies entspricht einer Beschleunigung  a = v2/r  des Sterns, wenn er sich mit der Geschwindigkeit v auf einer Kreisbahn vom Radius r um den Schwerpunkt der Galaxie herum bewegt.
     
    Postuliert man nun eine neue Naturkonstante a0 in der Größenordnung von 10-11 m/s2, so ergibt sich ein modifiziertes Bewegungsgesetz  GM/r2 = a2/a0  , welches für zunehmend höhere Beschleunigung a gegen das von Newton konvergiert.
     
    Nach ihm wird die Rotationsgeschwindigkeit der Sterne mit zunehmender Entfernung vom Schwerpunkt der Galaxie konstant: Sie konvergiert gegen (GMa0)1/4 , hängt dann also kaum mehr von r ab.
     
    Dieses Gesetz liefert für die Außenbezirke der Galaxien Vorhersagen, die im Einklang mit den astronomischen Messergebnissen stehen.
    Wüssen wir also, dass es richtig ist, bestünde keine Notwendigkeit mehr, an die Existenz dunkler Materie zu glauben.

 
Der 2015 verstorbene Jacob Bekenstein hielt die MOND-Theorie für verfolgenswert und hat sie selbst weitergedacht zu TeVeS (Tensor-Vektor-Skalar-Gravitationstheorie: die relativistische Variante von MOND).
 
 
Die Tatsache, dass MOND Einsteins Gravitationstheorie widerspricht, muss nicht viel bedeuten: Beide könnten Grenzfälle einer umfassenderen Theorie sein.
 
Führt man sich jedoch vor Augen, dass der Wert eines physikalischen Modells
     
  • sich nicht nur danach bemisst, mit wie vielen vorhandenen Beobachtungen es kompatibel ist,
     
  • sondern vor allem auch danach, wie gut es über sie hinaus  e x t r a p o l i e r t  (d.h. wie viele Aussagen es macht, die erst viel später durch dann möglich gewordene Messungen Bestätigung finden),

so kann MOND und TeVeS kein großer Stellenwert zugestanden werden.
 
Es ist daher verständlich, dass die meisten Astrophysiker statt MOND in Erwägung zu ziehen, eher an die Existenz dunkler Materie glauben.
 


Bekenstein (2002):
 
Alle Arten galaktischer Systeme – Kugelsternhaufen, Zwerggalaxien, Galaxiengruppen und große Galaxienhaufen – zeigen eine Diskrepanz zwischen der beobachteten und der aus ihrer inneren Bewegung abgeleiteten Masse. Diese Diskrepanz ist umgekehrt proportional zur charakteristischen Beschleunigung – wie von MOND vorhergesagt. Modelle mit Dunkler Materie können diesen Zusammenhang nicht erklären. Dafür versagt MOND in den Kerngebieten großer Galaxienhaufen.
 



 

 Beitrag 0-226
Die Skala der Quantengravitationseffekte

 
 

 
Die Skala der Quantengravitationseffekte

 
 
Die beiden Grundsäulen der modernen Physik — Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenphysik — werden irgendwann zu einer einzigen, in sich konsistenten Theorie der Quantenvravitation vereinigt werden müssen.
 
Bisher nämlich wird Einsteins Theorie zu ungenau, wo man — in der Umgebung des Urknalls oder im Zentrum Schwarzer Löcher — um die Berücksichtigung von Quanteneffekten nicht mehr herum kommt.
 
Problem dabei wird sein, dass
     
  • natürlich auch jede Quantengravitationstheorie experimenteller Bestätigung bedarf,
     
  • hierzu aber enorm hohe Energien notwendig sein werden:
    1028 Elektronenvolt im Gegensatz zur Größenordnung unserer Alltagswelt von nur etwa 1 Elektronenvolt.

Thomas Thiemann — einer der führenden Köpfe auf dem Gebiet der Schleifen-Quantengravitation — sagt:
 
Direkt sehen wird man Quantengravitationseffekte wohl nicht, jedenfalls nicht in diesem Jahrhundert. Er hofft jedoch auf indirekte Indizien und erinnert in diesem Zusammenhang an Einsteins indirekten Nachweis der Existenz der Atome (1905) über seine Erklärung der Brownschen Bewegung (eine schon im Lichtmikroskop beobachtbaren Zick-Zack-Bewegung von Pollenkörnern): Einstein stieß in den Bereich unterhalb eines Millionstel Millimeters vor, obgleich das Mikroskop eine Auflösung von höchstens einem Hunderdstel Millimeter hatte.
 
Es war diese Leistung, wofür ihm der Nobelpreis zuerkannt wurde.