Verbirgt die Quantenphysik Geheimnisse, die wir nicht begreifen können?

hast du dich jemals gefragt wie es aussehen würde wenn man die geheimnisvollen und oft verwirrenden Prozesse der Quantenmechanik und quantenverschränkung direkt beobachten könte es klingt fast wie Science Fiction oder aber jetzt git es eine Möglichkeit dazu es gibt eine Methode die genau das ermögicht sie bringt die abstrakten Konzepte der Quantenwelt in eine greifbare und sichtbare Realität du musst nicht länger versuchen dir diese komplexen Phänomene vorzustellen die Quantenmechanik ist ein überaus spannender Bereich der die Regeln wie wir die Welt um uns herum verstehen einfach anders definiert im Gegensatz zur klassischen Physik die super funktioniert um Dinge wie den Flug eines Balls oder die Umlaufbahn eines Planeten zu beschreiben befasst sich die Quantenmechanik mit den seltsamen und oft kontraintuitiven Verhaltensweisen von winzigen Teilchen doch es war immer eine unfassbar schwierige Aufgabe um diese kleine Welt auch sichtbar zu machen bis [Musik] [Musik] jetzt innerhalb dieser Quantenwelt gibt es ein Phänomen namens Verschränkung das ist wenn z.B zwei Photonen also die kleinsten Lichtteilchen auf eine Art und Weise miteinander verbunden sind dass das was mit dem einen passiert sofort das andere beeinflusst egal wie weit sie voneinander entfernt sind ein weiterer Schlüsselbegriff in der Quantenmechanik ist die Wellenfunktion in dieser Mikrowelt ist die Wellenfunktion ein zentrales Konzept mathematisch gesehen repräsentiert sie den Zustand eines quantensystems und enthält alle möglichen Informationen über dieses System die Wellenfunktion gibt uns wahrscheinlichkeitsamplitüden darüber wo ein Teilchen zu einem gegebenen Zeitpunkt gefunden werden kann sie erlaubt uns nicht nur zu sagen wo ein Teilchen wahrscheinlich ist sondern auch mit welcher Wahrscheinlichkeit es in einem bestimmten Zustand ist wenn tatsächlich eine Messung an dem Quantensystem durchgeführt wird zwingt der Akt der Messung das System dazu einen dieser möglichen Zustände auszuwählen und diesen Zustand zu realisieren dieser abrupte Übergang von einer Überlagerung von Möglichkeiten zu einem konkreten Ergebnis wird als Kollaps der Wellenfunktion bezeichnet und ein klassisches Beispiel dafür ist das Doppelspaltexperiment in den doppelspaltexperimente wird ein Strahl von Teilchen z.B Elektronen oder Protonen auf eine Barriere mit zwei sehr eng beieinanderliegenden Schlitzen gerrichtet hinter dieser Barriere findet sich ein Detektor z.B ein Bildschirm der registriert wo jedes Teilchen landet würde man sich auf die klassische Physik verlassen würde man erwarten dass die Teilchen entweder durch den einen oder den anderen Spalt gehen und dann auf dem Detektor zwei getrennte Streifen hinterlassen einen hinter jedem Spalt wenn man jedoch den Detektor betrachtet ohne zu versuchen herauszufinden durch welchen der beiden Spalten das Teilchen gegangen ist bemerkt man ein deferenzmuster dieses Muster zeigt helle und dunkle Streifen auf dem Detektor das Interferenzmuster entsteht wenn Wellen sich überlagern bei konstruktiver Interferenz also wenn die Wellen oder Wellentäler von zwei Wellen Zusammentreffen da wird ein heller Streifen erzeugt bei destruktiver Interferenz wenn der Wellenberg der einwelle auf das wellenteil der anderen trifft ein dunkler Streifen das Muster deutet also darauf hin dass Elektroden sich wie eine Welle verhält das sich durch beide Spalte gleichzeitig ausbreitet und mit sich selbst interagiert jetzt wird es allerdings noch merkwürdiger wenn man versucht zu messen durch welchen Spalt jedes Teilchen geht z.B durch das Anbringen eines Detektors an einem Spalt verschwindet das Interferenzmuster und es erscheinen die erwarteten zwei Streifen auf dem hauptdetektor dies impliziert dass die bloße Beobachtung oder Messung beeinflusst wie sich das Teilchen verhält und dieses Experiment zeigt das Teilchen wie Elektronen sich sowohl wie Teilchen als auch wie Wellen verhalten können ein Phänomen das als welleteilchendualismus bekannt ist wenn man das Verhalten des Teilchens nicht misst also nicht beobachtet zeigt es Welleneigenschaften und erzeugt ein Interferenzmuster sobald man jedoch eine Messung vornimmt und beobachtet welchen Teil oder welchen Weg das nimmt kollabiert die Wellenfunktion und das Teilchen erzeugt wieder teilcheneigenschaften das Interferenzmuster verschwindet und es verhält sich so als wäre das Teilchen durch nur einen Spalt gegangen die Wellenfunktion ist verständlicherweise ein debattiertes und philosophisch hinterfragtes Konzept es stellt die Frage warum und wie genau der Messprozess die Realität beeinflusst und zu welchem Zeitpunkt genau der Kollaps auftritt und bisher war es eine echte fung die Wellenfunktion direkt zu visualisieren besonders bei verschränkten Systemen es war ein komplexes Unterfangen allein für unsere Fantasie solche ein Prozess sich erst vorzustellen die Messung einer Eigenschaft des Photons würde die Wellenfunktion in einem bestimmten Zustand kollabieren lassen und aufgrund der Verschränkung wird diese Veränderung vom verschränkten Partner sofort wahrgenommen egal wie weit es sich entfernt hat und es klingt nach einem Nachteil aber das ist es gar nicht aber dazu komen wir gleich um die aft eines quantenzustands zu verstehen sind viele Messungen erforderlich und je komplexer der Zustand ist desto mehr Messungen sind nötig übrigens ein ein Abo auf dem Kanal wäre hier ziemlich funktional und genau hier altt uns die digitale bifotonholographie zu Hilfe dieser Ansatz ermöglicht es die Wellenfunktion von verschränkten Photonen in Echtzeit zu visualisieren inem interferen musste erzeugt werden die sich aus der Überlagerung eines Bekannten quantenzustands mit dem Unbekannten Zustand ergeben und ich könnte ja so viel quatschen wie ich will aber so sieht das aus und ich finde das ist ziemlich unglaublich die bipotonen Holographie versucht das mal sehr schnell auszusprechen gar nicht so leicht nutzt die Eigenschaft verschränkter Photonen und die Phänomene der Interferenz um ein detailliertes Bild also ein Hologramm eines quantensystems zu er Zeugen dieses Hologramm liefert wertvolle Information über die Wellenfunktion des Systems die Methode beginnt mit einer spezialisierten Lichtquelle die in der Lage ist verschränkte Photonenpaare zu erzeugen die besondere Natur dieser Photonen besteht darin dass sie in einem Zustand sind indem die Messungen eines Photons den Zustand des anderen sofort festlegt unabhängig von ihrer Entfernung zueinander ein Photon des verschränkten Paares wird dann in einem Interferometer geleitet indem es mit einem Photon aus einem Bekannten Zustand überlagert wird hier entsteht ein Interferenzmuster aus der Überlagerung ein Muster aus hellen und dunklen Streifen währenddessen wird das andere Photon des besschränkten Paares durch ein detekt Verzeihung Detektionssystem erfasst die Stelle an der dieses Photon detektiert wird gibt Aufschluss über die Eigenschaften des Interferenzmusters des ersten Photons dies ist das Herzstück der bipotonen oder die Tatsache dass die Information von einem Photon zum anderen übertragen werden können aufgrund ihrer verschränkten Natur ist hier der Schlüssel durch Kombinieren der Daten aus diesen beiden Vorgängen kann tatsächlich ein Hologramm erstellt werden dass die Wellenfunktion des quantensystems repräsentiert dieses Hologramm wird dann analysiert um ein tiefes Verständnis des untersuchten quantensystems zu erhalten die bifotonholographie bietet eine deutlich effizientere Methode zu unter von Quantensystemen im Vergleich zu herkömmlichen Techniken die Fähigkeit die Wellenfunktion eines Systems direkt und effizient zu visualisieren kann beispielsweise in der Quanteninformationsverarbeitung oder in der Quantenkommunikation von unschätzbaren Wert sein aber das ist nicht nur ein interessanter theoretischer Ansatz diese Methode stützt sich auf ein Kamerasystem das Ereignisse mit einer Auflösung von Nanosekunden auf jedem Pixel aufzeich kan diese Methode ist tatsächlich exponentiell schneller als frühere Techniken und benötigt nur Minuten oder Sekunden statt Tage wichtig ist dass die Erkennungszeit nicht von der Komplexität des Systems beeinflusst wird was noch viel beeindruckender ist eine Lösung für das seit langem bekannte bevorstehende Problem es ist eine Lösung für das nun ein Problem der Visualisierung wir können tatsächlich solche Sachen ein wenig besser skalieren und sehen die Ergebnisse und die Bilder sind natürlich in der Videobeschreibung verlinkt für euch falls ihr sie nachlesen möchtet und ich kann es euch nur empfehlen hi bevor die Folge weitergeht ein paar kurze Worte und zwar ist dies hier eine Zusammenstellung an Episoden die ich bereits veröffentlicht habe die zusammen thematisch passen diese Info ist für die neuen Zuschauer die hier auf dem Kanal sind und nicht wissen warum hier so plötzlich ältere und ein älterer jüngerer entropy erscheint und ein paar kurze Worte ich möchte mich noch mal für den ganzen Support bei Euch bedanken ich weiß die langen Folgen gefallen einigen sehr und einigen vielleicht nicht so und deswegen reduziere ich sie jetzt auf einmal die Woche einfach ein Zusammenschnitt um ein bisschen na ja das wissen was wir angesammelt haben über die Folgen noch mal aufzufrischen für die Folgen die noch kommen werden zudem erreichen wir bald die 100.000 Abonnenten also würde mich ein Abo echt sehr freuen und sehr unterstützen ich hoffe du magst mein Inhalt ich hoffe die Folgen gefallen dir und in den neuen Episoden gebe ich mir auch momentan sehr große Mühe all die Informationen die ich versuche zu vermitteln auf eine bessere Weise zu verpacken die für jeden verständlich und vor allem zugänglich sind aber es ist auch ein Lernprozess für mich also hab ein bisschen Geduld mit mir ich gebe mir da wirklich sehr große Mühe ich bedanke mich und jetzt viel Spaß mit der Folge das was wir hier gerade sehen ist eine Reise eine Reise nicht nur durch den Raum sondern eine periodische Bewegung durch die Zeit einem deutschpolnischen Forscherteam ist es gelungen die allererste Videoaufnahme eines raumzeitkristalls wie sich durch die Zeit selbst bewegt und wieder zum ursprünglichen Ort zurückkehrt aufzunehmen lasst uns gemeinsam dieser bahnbrechenden Forschung auf dem Zahn der Zeit fühlen es tut mir leid und genau durchgehen was wir hier im Video sehen also bleiben wir erstmal alle ganz entspannt was sehen wir hier in diesem Video nun m Forscherteam ist es gelungen einen Mikrometer großen raumzeitkristall aus magnonen bei Raumtemperatur zu erzeugen mit Hilfe eines ultrapräzisen rönken Mikroskops konnten sie die wiederkehrende periodische magnetisierungsstruktur in diesem Video was wir gerade sehen festhalten okay die Beschreibung ist interessant aber hilft uns irgendwie nicht weiter was genau heißt das ganze nun ein Kristall per Definition ist ein Material dessen Bestandteile in einem Gitter angeordnet sind einer hochgeordneten mikroskopischen Struktur ein zeitkristall ist dasselbe aber die Ordnung wird nicht nur im Raum sondern auch in der Zeit gesehen die Struktur verändert sich und oszilliert wobei sie periodisch zu einer bestimmten Konfiguration wieder zurückkehrt so wie in diesem Video was ihr gerade seht nimmt man beides zusammen so erhält man einen Raum zeitkristall in der Studie verwendeten die Forscher einen Streifen aus permaloi eine eiselnickellgierung welche dann auf eine winzige Antenne gelegt wurde durch die sie einen Hochfrequenzstrom schickten lass mich das ein wenig besser formulieren und ein wenig mehr ins Detail gehen also stell dir vor dass wir über ein Material sprechen das aus kleinen Teilchen namens Elektronen besteht diese Elektronen können durch verschiedene Prozesse in spezielle Zustände angeregt werden die wir dann als anregungszustände bezeichnen in diesem speziellen Material können die anregungszustände der Elektronen sich wie kleine Verhalten obwohl sie keine wirklichen Teilchen sind diese falschen Teilchen die werden magnonen genannt die magnonen das muss man dazu sagen sind eigentlich keine richtigen Teilchen im Sinne von subatomaren Teilchen wie Elektronen oder Protonen sie sind quasiteilchen und kasiteilchen sind eine Art von mathematischem Konzept das uns wiederum hilft das Verhalten von Elektronen in bestimmten Materialien besser zu verstehen Elektronen sind Teilchen die in Festkörpern eng miteinander Wechsel wirken diese Wechselwirkungen können dazu führen dass sich die Elektronen zusammen mit ihren Wechselwirkungen wie ein richtiges Teilchen Verhalten und genau das bezeichnen wir dann als quasiteilchen ähnlich dazu können die anregungszustände in einem Material die durchwechselwirkung zwischen den Elektronen entstehen sich wie ein Teilchen Verhalten diese Teilchen werden wiederum als magnonen bezeichnet also damit das klar ist we das sehr wichtig ist während die magnonen keine echten Teilchen im Sinne von Elektronen oder Protonen sind helfen Sie uns das Verhalten von Elektronen in bestimmten Materialien zu verstehen und vor allem Dinge vorherz sagen obwohl magnonen dann keine Teilchen sind im herkömmlichen Sinne sind sie den noch echt in dem Sinne dass sie eine tatsächliche physikalische Entität darstellen die in bestimmten Materialien existiert und jetzt erst kommt der knifflige Teil diese magnonen verhalten sich auf eine sehr spezielle Art und Weise sie bewegen sich in diesem Material in bestimmten Mustern diee Periode wiederholen ähnlich wie eine Welle aber nicht nur das die bewegen sich auch in der Zeit periodisch das bedeutet dass man beobachten kann wie diese magnonen in diesem Material in einem bestimmten Rhythmus ein und ausströmen als ob sie einen Kristall bilden würden aber in der Zeit deshalb nennen wir das ganze auch ein quasi raumzeitkristall und die Forscher konnten damit zeigen dass solche raumzeitkristalle viel robuster und weiter verbreitet sind als wir es zunächst angenommen haben ihr Kristall kondensiert bei Raumtemperatur und andere Teilchen können mit ihm interagieren anders als in einem isolierten System außerdem hatte eine Größe erreicht die es uns ermöglicht mit diesem magnolischen zeitraumkristall etwas anzufangen daraus können sich viele mögliche Anwendungen ergeben das sagen die Forscher die wiederkehrende Materialstruktur war Mikrometer groß und vor allem bei Raumtemperatur besonders aufregend war dass ihr raumzeitkristall mit magnonen die die Forscher in das System eingespeist haben wechselwirken konnten im Jahr 2020 wurden bereits zwei zeitkristalle zur Wechselwirkung gebracht aber diese Studie ist das erste Mal dass wir die Wechselwirkung von quasiteilchen mit einem raumzeitkristall untersuchen wir haben das regelmäßig wiederkehrende Muster von magnonen in Raum und Zeit genommen mehr magnonen hineingeschickt und die haben sich schließlich zerstreut so konnten wir zeigen dass der zeitkristall mit anderen quasiteilchen Wechsel wirken kann das konnte bisher noch niemand direkt in einem Experiment zeigen geschweige den in einem Video das fügte der coautor Nick treger doorant maxplank Institut für intelligente Systeme hinzu und jetzt stellt sich die wichtige Frage bewegt sich also ein zeitkristall in der Zeit vorwärts und rückwärts erlebt es eine Zeitreise nun hier ist etwas was wir verstehen müssen die Bewegung des zeitkristalls wiederholt sich in der Zeit periodisch ähnlich wie bei einer Schwingung die wi dar um bedeutet dass es sich nicht durch die Zeit vorwärts oder rückwärts bewegt sondern dass es sich einfach nur periodisch wiederholt wenn man sich die Bewegung des zeitkristalls in der Videoaufnahme ansieht kann man sehen dass sich die Struktur in regelmäßigen Abständen wiederholt was die periodische Natur der Bewegung verdeutlicht aber was heißt es genau wenn sich die Bewegung auch in der Zeit befindet findet nicht alles in der Zeit statt ja alles in unserem Universum findet in der Zeit statt wenn wir sagen dass sich die Bewegung des Zeit Kristalls auch in der Zeit stattfindet bedeutet dies dass sich die Bewegung in regelmäßigen Intervallen wiederholt ähnlich wie eine Schwingung es verhält sich ähnlich wie eine Pendeluhr z.B schwingt eine Pendeluhr hin und her und vollendet dabei eine Schwingung in einer bestimmten Zeit die als Schwingungsperiode bezeichnet wird der zeitkristall zeigt ähnliche periodische Bewegung in der Zeit aber auch in Raum was ihn dann wiederum zu einem besonderen Zustand macht insgesamt zeigt zeitkristall eine bemerkenswerte Eigenschaft von Materie auf die es uns ermöglicht neue Eigenschaften von Materialien zu entdecken und unser Verständnis der Natur zu erweitern aber wo findet die Anwendung statt nun das ist noch ein bisschen zu früh es ist noch zu früh um genau zu sagen welche Anwendungen sich aus dem magnonischen raumzeitkristall ergeben können aber es gibt bereits einige potenzielle Anwendungsbereiche die erforscht werden könnten eine Möglichkeit besteht darin den magnonischen Raumzeit zu nutzen um Informationen zu speichern und zu verarbeiten das Verhalten des kristals in Raumzeit könnte zu Entwicklung neuer Form der Quantenkommunikation oder der quanteninformationstechnologie beitragen ein weiterer potenzieller Anwendungsbereich könnte in der Entwicklung von effizienteren elektronischen Bauteilen liegen Dail der Kristall in der Lage ist Elektronen auf eine bestimmte Weise zu beeinflussen und vor allem zu steuern es gibt auch andere Bereiche in denen der gnonische raumzeitkristall nützlich sein könnte wie z.B in der medizinischen Diagnostik oder in der Materialwissenschaft also insgesamt wissen wir noch nicht ganz wo wir damit hingehen aber wir haben sehr interessante Konzepte die uns die Zukunft definitiv einfacher gestalten würden also bevor wir anfangen kurz die Augen schließen okay und jetzt denk an das quantenuniversum was siehst du siehst du einzelne kleine Teilchen die umherschwirren und miteinander kollidieren ja das ist kein schlechtes Bild aber es gibt nicht wirklich wieder was auf der Quantenebene wirklich vor sich geht du kannst übrigens deine Augen wieder öffnen was du gesehen hast ist eine ziemlich alltägliche Darstellung der Quantenwelt aber es gibt ein Phänomen das diese einfache Vorstellung auf den Kopf stellt es ist bekannt als quantentunnel quantentunneln ist ein Prozess bei dem die Teilchen einen Bereich überwinden den es nach klassischer Physik nicht überwinden könnte stell dir folgendes vor du bist gerade auf Youtube unterwegs und fällst leider auf ein clickbait Video rein von einem dieser scamkanälen verärgert balst du die Hand zur Faust und willst mit voller Kraft auf den Tisch schlagen doch anstatt den erwarteten Schlag zu spüren fliegt deine Hand einfach durch den Tisch hindurch als wäre er gar nicht da so ähnlich funktioniert das quantentunneln und jetzt kommt die spannende Frage bewegen sich Quantenteilchen beim Tunneln schneller als Licht kann das was wir über die Beschränkung der Lichtgeschwindigkeit Wissen durch dieses bizarre quantenphänomen in Frage gestellt wird [Musik] [Applaus] [Musik] wir denken üblicherweise an die Quanten als Teilchen mit Position und Bewegung aber das erklärt es nicht vollständig wir wissen dass bestimmte Eigenschaften z die Position von Quantenteilchen mit einer grundlegenden Ungewissheit behaftet sind und wir können sie nur mit Hilfe einer wahrscheinlichen Wahrscheinlichkeit beschreiben das bedeutet wenn wir ein Quantenteilchen nehmen und es irgendwo hinlegen können wir später nicht einfach seine Geschwindigkeit mit der verstrichenen Zeit multiplizieren um seinen neuen Standort zu bestimmen stattdessen wird seine Position von einer sogenannten Wellenfunktion bestimmt sie gibt uns nur Wahrscheinlichkeiten wo das Teilchen sein könnte an diesem Punkt könnte die Wahrscheinlichkeit höher sein dass das Teilchen hier auftaucht an diesem Punkt ist die Wahrscheinlichkeit geringer so verhalten sich Quantenteilchen um den tatsächlichen Standort zu erfahren müssen wir dann das Teilchen beobachten denn dann kollabiert die Welle und wir sehen das Teilchen als ein tatsächliches Teilchen an und das ist kein einfacher Messfehler unserer Messgeräte es ist eine grundlegende Eigenschaft der Quantenphysik und damit auch unsere Realität es spielt dabei keine Rolle ob das Teil stillsteht sich frei bewegt in einem Atom gebunden ist oder auf ein Hindernis trifft das eine möglichen Zustände einschränkt wir können niemals genau vorhersagen wo sich das Teilchen befindet dies ist das komplexe in der Quantenphysik denn meistens dreht sich alles um Wahrscheinlichkeiten wir können nur abschätzen wo ein Teilchen wahrscheinlich ist aber nicht genau wo es sich befindet bis wir es dann messen das nennt man die heisenbergische Unschärfe Relation und jetzt stellen wir uns eine quantenbarriere vor denk dabei eine simple Mauer durch die ein Ball normalerweise nicht hindurchkommen könnte wenn du es dagegen schmetterst aber in der Quantenwelt könnte der Ball durch die Mauer hindurchtunneln und in dem Moment müssten uns die Frage stellen wie schnell passiert das wovon hängt das ab und ist die Lichtgeschwindigkeit damit durchbrochen als Beispiel nehmen wir ein Elektron in einem Wasserstoffatom es könnte spontan durch die Mauer hindurchtunneln und sich in einem nicht gebundenen Zustand befinden also einem Teilchen das nicht länger an ein System gebunden ist und sich frei bewegen kann und sogar mit der richtigen Ausrüstung könnten wir messen wie lange das dauert und ich muss zugeben ein Abo hier auf dem Kanal er wäre ziemlich messbar aber wo liegt denn das eigentliche Problem hier warum habe ich das Video überhaupt gemacht nun zunächst ist es wichtig zu verstehen dass das quantentunnel nicht wirklich eine Bewegung im traditionellen Sinne ist wenn ein Teilchen eine Barriere durchtunnelt springt es nicht für durch den Raum von einem Ort zum anderen es geht nicht von A zu B rüber stattdessen ändert sich plötzlich und spontan sein Zustand so dass es sich auf einer anderen Seite der Barriere befindet und einige der Interpretationen der Quantenmechanik deuten darauf hin dass dieser Zustandswechsel sofort erfolgen kann ohne dass jegliche Zeit vergeht wenn dies der Fall ist dann könnte man argumentieren dass das Teilchen effektiv schneller als Licht gereist ist weil es irgendwie sofort von einem Ort zum anderen gesprungen ist ohne dabei jegliche Zeit zu verbrauchen im Jahr 2019 haben Wissenschaftler ein Experiment durchgeführt um herauszufinden wie lange es für ein Elektron dauert durch eine quantenbarriere zu tunneln sie fanden heraus dass dieser Prozess extrem schnell abläuft in nur 1,8 atosekunden das ist so schnell dass es schwer vorstellbar ist um ehrlich zu sein ist es gar nicht vorstellbar um es doch irgendwie in ein Verhältnis zu setzen in dieser Zeit würde Licht nur eine winzige Strecke von 5,4 Engström zurücklegen okay das hilft uns irgendwie auch nicht weiter kurze Aufklärung atosekunden und Engström sind Einheiten die in der Welt des kleinsten also der Quantenphysik verwendet werden eine atosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde ein Engström hingegen ist eine Einheit der Länge die vor allem in der Chemie und Physik verwendet wird und entspricht einem Z Millionstel Millimeter ja wie gesagt das können wir uns nicht wirklich vorstellen und eigentlich können wir das getrost ignorieren denn jetzt kommen wir zum wichtigen Punkt Wissenschaftler beginnen ihr Experiment an bestimten Punkt und wissen auch wo das Elektron am Ende sein sollte das interessante dabei ist dass die Interaktion also das Tunnel des Elektrons sofort zu geschehen scheint falls es eine Verzögerung gebe wäre es weil das Elektron Zeit braucht um durch die Barriere zu gehen aber das Experiment zeigt nun mal weil es so schnell durchgetunnelt ist dass es keine Zeitverzögerung gibt diese Beobachtung stimmt mit der Theorie das sofortigen Tunnels eigentlich überein aber sofort bedeutet nicht dass das Elektron sofort von ein im Ort zum anderen springt dies würde gegen Einsteins Theorie der Relativität verstoßen die besagt dass nichts tatsächlich schneller reisen kann als das Licht man kann nicht einfach sagen das Teilchen ist jetzt dort und dann ist es hier wenn man das könnte könnte man messen ob das Teilchen schneller als das Licht gereist ist indem man die zurückgelegte Entfernung durch die benötigte Zeit teilt aber das war in diesem Experiment überhaupt nicht möglich das Experiment konnte nur zeigen dass es keine Verzögerung beim Übergang von einem gebundenen Zustand also innerhalb der Barriere zu einem anderen ungebundenen Zustand außerhalb der Barriere gibt es hat also nicht bewiesen dass etwas schneller als das Licht reisen kann aber wieso denn nicht es gab doch keine Verzögerung ja obwohl es keine sichtbare Verzögerung bei der Bewegung eines Teilchens von einem Zustand zum anderen gab also vom gebundenen zum ungebundenen Zustand hinter der Barriere bedeutet das nicht zwangsläufig dass das Teilchen schneller als Licht gereist ist denn Reisen im klassischen Sinne ist eine Bewegung vom Punkt A zu Punkt B und das trifft auf das quantentunnel nicht unbedingt zu lass uns mal zusammen ein Gedankenexperiment durchführen okay stell dir vor du hast ein super cooles quantenmikroskop mit dem du einen winzigen quantenimpuls beobachten kannst du schaust hin und siehst wo dieser Impuls gerade ist bevor er eine Barriere trifft jetzt schaust du dir die Barriere an und versuchst zu erraten wann und wo der Impuls auf der anderen Seite herauskommen wird wenn er durch die Barriere tunnelt du gehst davon aus dass er sich so schnell wie Licht bewegt oder schneller undun beobachtest du halt den quantenimpuls und sehe da er hat es auf die andere Seite der Barriere geschafft aber jetzt kommt der verwirrende Teil es sieht so aus als ob der quantenimpuls schneller als das Licht war wie kann das sein hat er gerade etwa wirklich die Lichtgeschwindigkeit überschritten und unsere Träume werden wah und wir können mit schneller als Licht kommunizieren eine schwierige Situation nicht wahr denn auf den ersten Blick könnten wir tatsächlich annehmen dass der quantenimpuls super schnell durch die Barriere hindurchgeflogen ist schneller als das Licht aber wie wir schon besprochen haben ist das eine vereinfachte Interpretation und trifft nicht wirklich zu es ist einfach so dass die Quantenmechanik manchmal ein bisschen verrückt ist das ist die Fehlinterpretation die immer wieder auftaucht in verschiedenen Medien und mit der sich die Leute irgendwie selbst täuschen und zu glauben dass die Lichtgeschwindigkeit hier gebrochen wird aber das ist nicht das was hier oder bei einer dieser sogenannten schneller als lichtdemonstration passiert stattdessen passiert hier nur dass nur ein Teil der im Puls enthaltenen Quantenteilchen die Barriere erfolgreich durchtuneln kann der Großteil der Teilchen tut das was ein klassischer Tennisball tun würde er prallt zurück und kommt nicht am zielut an der Trick mit dem man sich irgendwie selbst vorgaukeln kann ein überschnelles System geschaffen zu haben besteht darin dass man die Teilchen die es durch die Barriere schaffen nach vorne schieben kann und indem man dann die anderen Teilchen im hinteren Bereich der Barriere einfach nur abschneidet wenn man das nicht sorgfältig genug Macht misst man dann auch fälschlicherweise eine Überlichtgeschwindigkeit für den gesamten Impuls obwohl kein einzelnes Teilchen tatsächlich die Lichtgeschwindigkeit überschreitet also fassen wir das zusammen obwohl das Teilchen instant durch die Barriere zu springen scheint es ist wichtig zu bemerken dass dieses Phänomen nicht eine Bewegung durch die Raum in dem Sinne ist wie wir es normalerweise verstehen würden das Teilchen befindet sich nicht an einem Ort und bewegt sich dann zum nächsten Moment ein einen anderen Ort es existiert einfach nur auf einmal in diesem einen bestimmten Ort es ist nicht so dass das Teilchen ein Fahrt durch den Raum schneller als es Licht zurücklegt es ist einfach nur eine Tatsache die wir klarstellen das Teilchen war hier und jetzt ist es dort das bedeutet also dass das sofortige durchtunnel nicht gegen die spezielle Relativitätstheorie verstößt die besagt dass nichts sich durch den Raum schneller als das Licht bewegen kann einstellsgesetze sind keine Richtlinien sie sind Sachen obwohl wir versuchen sie zu umgehen oder zu brechen alles was wir bisher versucht haben ist kleäglich gescheitert und hier müssen wir eines bedenken denn ich habe schon so einige Kommentare gelesen einstein hat sie nicht erfunden er ist kein Bösewicht der uns den Spaß am Erkunden des Universums nimmt er entdeckte Gesetze an die sich das Universum hält viele scheinen das zu vergessen was wäre wenn wir die Zeit in einem kleinen Rahmen zurückdrehen könnten in der Welt der Wissenschaft mag dies ein Traum sein aber haben Forscher eine Möglichkeit gefunden das Unmögliche möglich zu machen in einem bahnbrechenden Experiment haben Wissenschaftler zeitreflektionen in einer optischen Phase erzeugt eine Technologie die unser Verständnis von Symmetrie und Raumzeit auf den Kopf stellen könnte in dieser Episode werden wir die faszinierenden Entdeckung der Forscher besprechen und herausfinden wie diese Entdeckung die Zukunft der Optik und der Quantenkommunikation beeinflussen könnten also wirklich gut festhalten und bis zum Ende bleiben es geht los stell dir vor du gehst durch ein labyrin voller Spiegel irgendwann wirst du ganz bestimmt auf dich selbst treffen dein sinken trifft auf dein Phantom Zinken deine Fingerspitzen berühren sich an dem Glas der dich komplett widerspiegelt und ja meistens braucht ein Spiegelbild keine Erklärung vor allem wenn es so gut aussieht wie du die kollosion des Lichts mit der Spiegeloberfläche ist fast intuitiv jeder kennt es seine Strahlen werden mit der gleichen Leichtigkeit auf eine neue Bahn durch den Raum gebracht wie ein Ball der ein eine Wand ab doch seit über 60 Jahren beschäftigen sich die Physiker mit einer ganz anderen Art der Reflektion eine die nicht in den drei Dimensionen des Raums sondern in der Zeit stattfindet und hier kommt der Durchbruch genau das ist jetzt den Forschern des advance science res fast richtig DES Advanced science research centers City University of New York die Theorie der zeitreflektion in die Praxis umgesetzt und den ersten experimentellen Nachweis für ihre Manipulation im elektromagnetischen Spektrum erbracht dies ist ein gewaltiger Durchbruch und apropos Zeitreise in welchem Film wurde sie besser umgesetzt deiner Meinung nach zurück in die Zukunft oder Terminator und auch noch ein kleiner fun fact es ist wirklich aufregend zu sehen wie lange es her ist dass dieses kontraintuitive Phänomen vorhergesagt wurde und wie unterschiedlich sich zeitlich reflektierende Wellen im Vergleich zu räumlich reflektierenden Verhalten vergiss ruhig die moderne Science Fiction und die komische Physik um sie herum diese Art der zeitreflektion ist sogar noch merkwürdiger und wie es scheint ist sie sogar möglich in den 70er Jahren entdeckten Wissenschaftler dass es eine Äquivalenz zur räumlichen Reflektion in der Zeitkomponente einer quantenwelle des Lichts gibt hierbei bemerkt bewegt sich das Licht in unserem Fall als eine Welle also das Experiment bedeutet dass die zeitreflektion ähnlich wie die raumreflektion funktioniert bei der ein Objekt im Raum einfach gespiegelt wird wenn man nun das Medium durch das sich eine Welle bewegt ell genug und ob die richtige Weise ändert kann sich auch die zeitliche Komponente der Welle ändern dies wird durch eine Veränderung des Brechungsindizes im Medium erreicht es ist irgendwie ein bisschen so als würde man die Welle einfach nur schockieren und zwar schnell und mit viel Energie so dass sie sich erschreckt und in der Zeit zurück umgewandelt wird okay und wahrscheinlich fragst du dich auch gerade was der Brechungsindex sein soll das ist recht einfach und schnell erklärt es ist eine Zahl die uns sagt wie sehr lichtgebogen und ändert wird wenn es durch verschiedene Dinge geht durch diese Veränderung des Brechungsindizes können die Forscher die Lichtwelle brechen und sie zurück in die Zeit reflektieren und hier haben wir eine visuelle Repräsentation des Experiments ein Steuersignal das im Grün zu sehen ist aktiviert eine Reihe von Schaltern entlang dieses metallstreifens hier die elektromagnetische Impedanz oder der Widerstand des Materials wird abrupt verändert wodurch ein sich vorwärts ausbreitendes Signal in in Blau zu sehen teilweise zeitlich reflektiert wird die Reflektion ist in rot zu sehen und dabei werden alle Frequenzen umgewandelt okay das ist das ist großartig wirklich doch du brauchst jetzt keine Sorgen zu machen die Auswirkung dieser Reflektion in der Zeit wird kein Loch in die Realität reißen aber sie verschiebt die Frequenz der Welle auf eine Art und Weise die sich die Technik in verschiedenen Bereichen Bildgebung analoge Daten Verarbeitung und optische Filterung zu Nutzen machen könnte in der Bildgebung könnte dies z.B verwendet werden Bilder mit höherer Auflösung und Kontrast zu erzeugen indem das Licht auf eine bestimmte Weise manipuliert wird um Details besser sichtbar zu machen in der analogen Datenverarbeitung könnte die Technologie dazu beitragen den Energieverbrauch und die Latenzzeit zu reduzieren indem sie ermöglicht Signale in Echtzeit zu filtern und zu verarbeiten auch in der optischen Filterung könnte diese Technologie nützlich sein indem sie es ermöglicht bestimmte Frequenzen von Licht zu blockieren oder zu verstärken um dann unerwünschte Signale herauszufiltern oder gezielt bestimmte Signale zu verstärken insgesamt kan die Technologie der zeitreflektion dazu beitragen die Effizienz Leistung und Funktionalität von verschiedenen technischen Anwendungen zu verbessern und seltsamerweise ist das Echo der veränderten Frequenzen auch eine Umkehrung des Signals wäre es ein E deine Stimme die von 1 bis 10 zählt würdest du jede Zahl rückwärts gesprochen hören von ze zurück zu ein allerdings würdest du dich eher so Anh hören als normal mit äquivalenten in der Akustik und im Magnetismus wurde bereits experimentiert ebenso wie mit einer begrenzten Untersuchung schmaler Frequenzen in der elektromagnetischen zeitreflektion undter Verwendung eines computeraufbaus die Erforschung des Phänomens auf einer weniger eingeschränkten Ebene würde gleichmäßige und plötzliche Veränderung im gesamten elektromagnetischen Feld eines Materials erfordern wovon die Experimentatoren annahmen dass dies viel zu viel Energie Forn würde um zu funktionieren bis jetzt mit Hilfe eines ausgeklügelten metamaterialdesigns also einem Material das künstlich hergestellt wurde aber dazu kommen wir gleich sie konnten die Bedingung schaffen um die Eigenschaften des Materials sowohl abrupt als auch mit einem großen Kontrast zu verändern das Team ließ eine Mischung von Frequenzen durch ein eigens entworfenes Metallstreifen von etwa 6 m Länge Strahlen der mit Schaltern und Kondensatoren bestückt war die fantastisch Krieg ein Schlaganfall wenn ich das Wort Kondensator aussprechen möchte die Kondensatoren wurden im gleichen Moment ausgelöst und inkluden ihre Ladung wodurch sich die Impedanz also der Widerstand des Materials beim Durchgang des Signals rasch änderte diese schockveränderung erzeugt ein Echo im breiten Spektrum der Lichtwellen und zeigt eine Reflektion in ihren zeitlichen Eigenschaften was einfach nur unglaublich ist Metamaterialien sind übrigens künstlich erschaffene Konstruktionen also künstliche Materie die in der natürlichen Welt keine Entsprechung hat sie sind mit einzigartigen Eigenschaften ausgestattet die einen bestimmten Zweck erfüllen sollen die der normale Materie nicht besitzt und sie werden für verschiedene strukturelle akustische und optische Anforderungen entwickelt diese Entdeckung eines metamaterials das zu zeitreflektion fähig ist bietet Ingenieuren ein völlig neues Werkzeug zu Manipulation von Licht und Zeit es gibt natürlich eine Frage die sich vielleicht einige von euch stellen icht uns die zeitreflektionstechnik eine Reise in der Zeit nein noch nicht die reflektionstechnik ermöglicht keine Reise durch die Zeit es handelt sich hierbei um eine Technologie die auf der Alter was ist denn heute los die auf der Manipulation der elektromagnetischen Wellen basiert um deren Frequenzen präzise und effektiv zu steuern sie ist dennoch alles andere als langweilig die Entdeckung der zeitreflektion hat möglicherweise Anwendung in der optischen Signalverarbeitung und vor allem in der kranten Kommunikation die Demonstration von zeitreflektion könnte auch zu einem besseren Verständnis der grundlegenden Natur von Symmetrien und deren Auswirkung auf die Physik des Universums beitragen es gibt ein Problem mit der Schwerkraft mit dem sich niemand so wirklich anfreunden kann und über das selbstphysiker selten sprechen nimmt man zwei beliebige Teilchen mit einer Masse kann man die Stärke aller vier fundamentalen Kräfte zwischen ihnen berechnen wenn wir diese Berechnungen für die starke und die schwache Kernkraft und die elektromagnetische Kraft und vor allem die Schwerkraft durchführen werden wir etwas entdecken das uns vielleicht verwirrt die Schwerkraft ist insbesondere bei Klein Abständen viel viel schwächer als alle anderen Kräfte im Inneren eines Teilchens ist die Schwerkraft um mehr als 30 Größenordnungen schwächer als jede andere der drei Grundkräfte warum ist das so das weiß zwar niemand so wirklich aber ein bemerkenswerter Vorschlag aus dem Jahr 1998 besagt dass die Schwerkraft vielleicht deshalb so schwach ist weil sie im Gegensatz zu den anderen Kräften bei sehr geringen Abständen in zusätzliche Dimensionen ausläuft das könnte sich in diesen zusätzlichen Dimensionen verbergen wenn es sie den wirklich gibt [Musik] [Applaus] [Musik] lasst uns mal mit etwas sehr simplem beginnen wir beginnen mit Licht das von einem Stern ausgeht wenn wir uns immer weiter von diesem Stern entfernen strahlt das Licht von dem Stern in einer Kugelschale wenn wir die Entfernung zwischen uns und dem Stern vergrößern werden wir fest stellen dass die scheinbare Helligkeit des Sterns mit dem Quadrat der Entfernung abzunehmen scheint ein Viertel der ursprünglichen Helligkeit für jede Verdopplung der Entfernung und das ist ein ziemlich simples Prinzip und man kann sich die Kräfte wie Gravitation und Elektromagnetismus auch so vorstellen je weiter man von einer Quelle entfernt ist z.B von einem massiven oder elektrisch geladenen Teilchen desto weniger stark wirkt diese Wechselwirkung auf einen die Gravitation zwischen zwei beliebigen Massen nimmt natürlich mit der Entfernung ab die elektrische Kraft zwischen zwei geladenen Teilchen nimmt auch ab genau wie das Licht das sich kugelförmig ausbreitet wenn es eine Quelle verlässt wie würde sich lichtwerkraft und elektromagnetische Kraft anders verhalten wenn wir nicht in einem Universum mit drei Raumdimensionen wären und das können wir testen indem wir bestimmte Phänomene auf eine Fläche also eine Fläche die zwei dimensional ist oder eine Linie die wiederum einindimensionales beschränken schauen ob sich die Ausdehnung verändert statt sich in einer dreidimensionalen Kugel auszubreiten könnten sich die Dinge nur in einem Kreis also zweidimensional oder auf einem Punkt der sich entlang einer Leitung ausbreitet ausbreiten dies würde bedeuten dass sich in einem zweidimensionalen System die Dinge anders verhalten als in einem dreidimensionalen System und in einem eindimensionalen System bleibt eigentlich alles konstant weil es keine Richtung gibt in der es sich irgendwie ausbreiten lässt und es gibt sehr viele physikalische Effekte die man auf zwei oder eine Dimension beschränken kann statt dass es sich Brei durch alle drei Raumdimensionen ausbreitet wenn es weniger Dimensionen gibt in denen sich Signale ausbreiten können werden sie mit zunehmender Entfernung langsam schwächer stell dir folgendes vor es gibt eine Lichtquelle in einer Glasscheibe das Licht kann sich in der ganzen Scheibe ausbreiten aber nicht rauskommen die Scheibe ist groß in Länge und Breite aber nicht so wirklich tief wenn du nah an der Lichtquelle bist also der Abstand zur Lichtquelle viel kleiner ist als die Tiefe der Scheibe dann breitet sich das Licht für dich wie eine Kugel aus du siehst dass die Helligkeit abnimmt wie wenn das Licht von einer dreidimensionalen Quelle kommt aber wenn du weiter weggehst von der Lichtquelle also der Abstand zur Lichtquelle wird viel größer als die Tiefe der Scheibe aber immer noch kleiner als die Länge und Breite der Scheibe dann breitet sich das Licht erst wie eine Kugel aus bis es das Ende der Tiefe erreicht danach breitet es sich aus wie ein Kreis und die Helligkeit des Lichts nimmt danach langsamer ab und das wiederum bedeutet dass wenn du nah an der Quelle bist nimmt die Helligkeit schneller ab weil das Licht sich in mehr Dimension ausbreiten kann aber wenn du weiter weg bist nim die Helligkeit langsamer ab weil das Licht sich nur in weniger Dimensionen ausbreiten kann denk einmal über folgendes nach bei einer größeren Anzahl von Dimensionen nehmen die Signale sehr schnell ab während sie bei einer geringeren Anzahl von Dimensionen langsamer abnehmen bis hin zu einer Grenze von eindimensionalen bei der die Signale überhaupt nicht mehr abnehmen oder schwächer werden können und wenn man das jetzt ein bisschen verinnerlicht hat und ich weiß dass es recht komplex ist dann stellt man sich aber die Frage okay was hat das mit der Erklärung zu tun warum die Schwerkraft als Kraft so viel schwächer ist als an die anderen fundamentalen Kräfte an dieser Stelle kommt die Idee der großen extradimension ins Spiel sie wurde ursprünglich 1898 vorgeschlagen und geht davon aus dass es vielleicht wirklich zahlreiche zusätzliche Dimensionen gibt oder zumindest eine oder mehrere und das mindestens eine davon eine große physikalische Ausdehnung hat groß bedeutet in dem Zusammenhang n nur groß im Vergleich zu plankala also nicht makroskopisch groß wenn dem so ist ist es möglich dass sich die Gravitationskraft nicht nur in drei diimensionen die wir kennen sondern auch in weiteren großen extra Dimension ausbreiten könnte während sich die anderen drei fundamentalen Kräfte nur in unseren Raumdimension ausbreiten bedenke folgendes bis 1998 konnten wir das Verhalten von drei wichtigen Kräften bisin zu ein sehr klein Größe nachweisen das zern hat das später sogar noch verbessert wenn diese Kräfte in zusätzlichen Dimensionen existieren würden müsste es noch kleineren Größen geben dann müsste es noch kleinere Größen geben aber die Gravitation ist so schwach dass wir ihre Wirkung nur bis zu einer Größe von 1 millm nachweisen konnten damals es gibt also einen großen Bereich von Größen in dem zusätzliche Dimensionen existieren könnten in den sich nur die Gravitation ausbreitet es könnte erklären warum die Gravitation im Vergleich zu anderen Kräften so schwach ist und somit hätten wir es gelöst aber die Dinge bleiben selten so wie sie sind m neue Experimente haben gezeigt dass die Gravitation dem newtonischen Gesetz folgt selbst bei sehr klein Größen das bedeutet dass es kein Auslaufen der Gravitation in zusätzlichen Dimension bei diesen Größen geben könnte trotzdem gibt es noch bedenken wenn es große zusätzliche Dimensionen in der Natur gebe könnte dies zur Bildung von mikroskopischen Schwarzen Löchern in Teilchenbeschleunigern führen und die haben wir noch nicht entdeckt da solche Signale am large Hron Collider nicht gefunden wurden wurde die energiegröße möglicher zusätzlicher Dimensionen auf über 6 teraelektronen Volt begrenzt es gibt starke Hinweise darauf dass es keine zusätzliche Dimensionen gibt in denen sich die Schwerkraft ausbreiten könnte die Größe sind als die zumindest größer sind als etwa 0,6 Mikrometer diese Hinweise stammen unter anderem aus gammastrahlenbeobachtung von Neutronensternen und präzisionsmolekülenstktoskop ich kann das Wort nicht aussprechen ich schreib es hier auf sehr langes Wort gar nicht so leicht das Fehlen von neuentdeckten Teilchen oder Wechselwirkung am Leon Collider deutet auch darauf hin dass die Idee großer zusätzlicher Dimension nicht haltbar ist ohne zusätzliche theoretische Annahmen zu treffen die Idee der großen extradimension wurde ursprünglich entwickelt um zu erklären warum die Schwerkraft so viel schwächer ist als die anderen beobachteten Kräfte wenn die Schwerkraft in zusätzlichen Dimensionen ausbluten könnte oder auf Englisch bliederout könnte das die beobachtete Schwäche der Schwerkraft erklären und zuur Vorhersage neuer Teilchen führen die bei den Energien des lhcs auftreten könnten doch leider haben wir bis jetzt nichts derartiges gefunden zusätzlich Z Herausforderung die Schwäche der Schwerkraft zu erklären gibt es andere offene Fragen und Herausforderung wie die Stabilisierung der Größe der zusätzlichen Dimensionen das Fehlen des protonenzerfalls das Fehlen der neuentdeckten kalusa kleinteilchen und die notwendige Annahme von verborgenen Sektoren oder anderen Zuständen die nicht dem Standardmodell entsprechen aber diese Dinge klären wir vielleicht in einer anderen Episode daher wäre ein Abo hier auf dem Kanal ziemlich schwerwiegend diese Herausforderungen machen das Szenario der großen Extradimensionen weniger attraktiv für Wissenschaftler es sei denn es könnten direkte Beweise gefunden werden die diese Idee unterstützen bis dahin bleibt es allerdings eine spekulative was wäre wenn Situation was allerdings viel weniger spekulativ ist ist die Entdeckung von echten Biosignaturen die nur von etwas abgestoßen werden könnten das lebt und zwar auf dem Planeten k218b habe ich deine Neugier geweckt dann schau dir dieses Video unbedingt an ich bedanke mich fürs zusehen und ich hoffe Dich unbedingt in der nächsten Episode der ein zu sehen