Ist Schwerkraft schneller als das Licht?

im Jahr 2017 schickte eine kilanova Licht und Gravitationswellen durch das Universum hier auf der Erde kam das Signal mit einer verzügerung von 1,7 Sekunden an warum es gibt eine wichtige Regel in der Relativitätstheorie der soweit wir wissen alle Objekte gehorchen müssen wenn man sich ohne Masse durch das Vakuum des Weltraums bewegt ist man gezwungen sich genau mit der Lichtgeschwindigkeit zu bewegen dies sollte auch wie wir in diesem Video festgestellt haben auch für Gravitation zutreffen selbst wenn die Schwerkraft nicht von Natur aus quantenmechanisch ist sollte die Geschwindigkeit der Schwerkraft genau gleich der Lichtgeschwindigkeit sein doch als wir die erste Verschmelzung von Neutronensternen sowohl mit Gravitationswellen als auch mit Licht beobachteten waren die Gravitationswellen mit einem beträchtlichen messbaren Vorsprung zuerst hier auf der Erde mit fast 2 Sekunden was ist die Erklärung dafür auch wenn das Signal aus einer Entfernung von 130 Millionen lichtjahen kam sollte die Entfernung keine Rolle spielen wenn die Signale zu gleichen Zeit erzeugt wurden sich mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen und den gleichen Weg nehmen dann sollten Sie auch zu gleichen Zeit angekommen sein was passiert hier [Musik] am 17 August 2017 kam das Signal eines Ereignisses das 130 Millionen Lichtjahre ent fern stattfand endlich auf der Erde an irgendwo in einer weit entfernten Galaxie waren zwei Sterne in einen gravitationstanz verwickelt bei dem sie einander mit Geschwindigkeiten umkreisten die einen erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit erreichten dabei verzerrten sie das Raumgefüge sowohl durch ihre Masse als auch durch ihre Bewegung relativ zu dem gekrümmten Raum durch den sie sich bewegten wenn Massen durch den gekrümmten Raum beschleunigt werden senden sie winzige Mengen an unsichtbarer Strahlung aus die für alle lichtbasierten Teleskope und sichtbar sind Gravitationsstrahlung diese Gravitationswellen verhalten sich wie Wellen im Gewebe der Raumzeit selbst die Energie aus dem System abführen und den Zerfall der gegenseitigen Umlaufbahnen bewirken im Laufe der Zeit begannen sich die beiden neutronsterne zu inspirieren sie kamen sich also nahe wobei die Gravitationswellen die Energie der Umlaufbahn abtransportierten so dass die beiden Objekte immer näher zusammenrückten in einem kritischen Moment kamen die beiden sich sehr nahe dass sie sich irgendwann physisch berührten was zu einer der spektakulärsten wissenschaftlichen Entdeckung aller Zeiten führte sobald die beiden Sterne kollidierten endete das gravitationswellensignal abrupt alles was die Detektoren auf der Erde sahen stammte aus der Inspirationsphase bis zu diesem Moment danach herrschte absolute gravitationswellenstille ein schwarzes Loch wurde geboren und dann geschah es 1,7 Sekunden später nachdem das gravitationswellensignal erlöchen war traf das erste Signal ein Gammastrahlen die in einem einzigen gewaltigen Ausbruch ankamen in den kommenden Wochen begann das Licht auch in anderen wellenen zu leuchten da fast 100 professionelle Observatorien das spektakuläre Nachglühen der neutronensternverschmelzung beobachteten einerseits ist dies wirklich bemerkenswert dass er fand in einer Entfernung von 130 Millionen Lichtjahren statt weit genug entfernt dass das Licht 130 Millionen Jahre brauchte um von der Galaxie wo es halt stattfand zu uns zu gelangen damals als diese Verschmelzung stattfand war der Planet Erde ein ganz anderer Ort gefiederte Vögel gab es erst seit 20 Millionen Jahren die ersten blühenden Pflanzen waren gerade erst in der Entstehung und die größten Dinosaurier waren noch nicht geboren was erst in 30 Millionen Jahren der Fall sein sollte während dieser ganzen Zeit von damals bis heute reisten sowohl das Licht als auch die Gravitationswellen dieses Ereignisses durch das Universum und bewegten sich mit der einzigen Geschwindigkeit die Sie erreichen konnten der Lichtgeschwindigkeit bis sie nach einer Reise von 130 Millionen Jahren auf der Erde ankam zuerst trafen die Gravitationswellen aus der Inspirationsphase ein und bewegten die Spiegel unserer tionwellen Detektoren um einen unglaublich kleinen Beitrag weniger als einus der Größe eines einzelnen Protons und dann nur 1,7 Sekunden nach dem Ende des gravitationswellenereignis traf auch schon das erste Licht des Ereignisses ein damit hatten wir sofort die beeindruckendste physikalische Messung der gravitationsgeschwindigkeit die es je gab sie entsprach der Lichtgeschwindigkeit zu mehr als einem Teil in einer bilarde die beiden Wellen trafen in weniger als 2 Sekunden Abstand voneinander ein zuvor hatten wir zwar ausgezeichnete theoretische Gründe für die Annahme dass die schwerkraftgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit sein müsste aber wir hatten nur indirekte Hinweise drauf dass die beiden mit einer Genauigkeit von etwa 0,2% übereinstimmen die Verbesserung unserer Beschränkungen um mehr als z Größenordnung mit einer einzigen Beobachtung stellt den größten Sprung da der mit einer einzigen Messung in der Geschichte der Menschheit erreicht werden konnte aber bedeutet dies nun dass die Geschwindigkeit der Schwerkraft und die Lichtgeschwindigkeit nicht ganz gleich sind dass ich vielleicht entweder die Schwerkraft etwas schneller als c bewegt oder dass sich das Licht selbst ein winziges bisschen langsamer als die Lichtgeschwindigkeit bewegt so als hätte es eine winzige aber von Null abweichende verschiedene Ruhemasse einfach aus drückt wenn Licht eine Ruhemasse ungleich Null hätte und diese Masse schwer genug wäre um zu erklären warum Gravitationswellen 1,7 Sekunden früher als Licht ankommen nachdem sie 130 Millionen Lichtjahre durch das Universum gereist sind dann würden wir Radiowellen beobachten die sich deutlich langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen zu langsam um mit dem zu übereinstimmen was wir bereits beobachtet haben das ist ein großes Problem die Herausforderung besteht darin die richtige Erklärung zu finden die zu allen Facetten unserer Beobachtung passt und den noch eine gute Vorhersagekraft für die Signale hat die im Vergleich zu den tatsächlichen aufgetretenen Signalen auftreten sollten doch das wäre irgendwie nicht möglich das würde fast an Magie Grenzen und doch haben es Wissenschaftler irgendwie geschafft der Schlüssel liegt darin über die Objekte nachzudenken die miteinander verschmelzen über die Physik die dabei im Spiel ist und über über die Signale die Sie wahrscheinlich erzeugen werden wir haben dies bereits für die Gravitationswellen getan und detailliert beschrieben wie Sie während der kollidierungsphasen erzeugt werden und nach der Verschmelzung wieder verschwinden jetzt ist es an der Zeit ein wenig tiefer zu gehen und über das Licht nachzudenken bis diese beiden Neutronensterne sich berührten wurde kein zusätzliches Licht erzeugt sie leuchteten einfach so wie Neutronensterne Leuchten schwach bei hohen Temperaturen aber mit winziger Oberfläche und selbst mit unserer heutigen Technologie aus 130 Millionen Lichtjahren Entfernung völlig unauffindbar Neutronensterne sind nicht wie schwarze Löcher sie sind nicht punktförmig stattdessen sind sie kompakte Objekte typischerweise mit einem Durchmesser von 20 bis 40 km aber dichter als ein Atomkern sie werden neutronenstänne genannt weil sie zu etwa 90% aus Neutronen bestehen mit anderen Atom Kern und ein paar Elektronen am äußeren Rand wenn zwei neutronsterne zusammenstoßen gibt es drei Möglichkeiten die sich daraus ergeben sie können einen weiteren Neutronenstern bilden sie können auch kurzzeitig einen Neutronenstern bilden der dann aber in weniger als einer Sekunde zu einem schwarzen Loch kolladiert oder man kann direkt ein schwarzes Loch bilden ohne diesen Zwischenschritt aus dem gravitationswellensignal das bei dem Ereignis mit der offiziellen Bezeichnung GW 170817 auftrat wissen wir dass dieses Ereignis in die zweite Kategorie fällt das Signal der Verschmelzung und das Signal nach der Verschmelzung existierten einige hundert Millisekunden lang bevor es in einem Augenblick vollständig verschwand was wiederum darauf hindeutet dass sich für eine kurze Zeit ein weiterer neutronstern bildete bevor sich ein Ereignishorizont bildete und das ganze verschlang aber trotzdem ist dann ja irgendwie noch Licht aus getreten die nächste Frage ist einfach wie wir müssen hier Bedenken es entstand ein schwarzes Loch und es entstand ein kurzer Neutronenstern aber wir hatten das Licht bereits das heißt woher kam der gammaausbruch wie wurde also das Licht das wir beobachtet haben erzeugt und auch hier gibt es drei Möglichkeiten die wir uns tatsächlich vorstellen können es geschah unmittelbar sobald sich die Neutronensterne berührten durch Prozesse die in an ihren Oberflächen abgelaufen sind oder erst nachdem das Material abgestossen wurde wo es mit dem umgebenen Material zusammengestoßen ist und daraus dann Licht erzeugt wurde oder aus dem Inneren von Neutronensternen wodurch Reaktion Energie erzeugt wird die erst dann abgestrahlt wird wenn sie sich nach außen ausbreitet in jedem Szenario breiten sich die Gravitationswellen tatsächlich ungestört aus sobald das Signal erzeugt wurde aber das Licht benötigt eine zusätzliche Zeit um nach außen zu gelangen jedes dieser Szenarien könnte die Verzögerung von 1,7 Sekunden bei der Ankunft des Lichts in Bezug auf Gravitationswellen leicht erklären am 25 April 2019 konnten wir jedoch eine weitere neutronensternverschmelzung im Gravitationswellen beobachten die Masse reicher war als unsere vorherige Verschmelzung es wurde keinerlei Licht emittiert was gegen das erste Szenario spricht und es sieht so aus als ob Neutronensterne kein Licht erzeugen sobald sie sich berühren stattdessen erfolgt die Lichtemission erst nach der Emission von Gravitationswellen mit nur zwei direkten Nachweisen von verschmelzenden Neutronensternen durch die Emission von Gravitationswellen es ist ein Beweis dafür wie unglaublich präzise die Wissenschaft der gravitationswellenastronomie geworden ist dass wir alles was wir haben rekonstruieren können wenn man die elektromagnetischen folgebeobachtung des Ereignisses von 2017 hinzunimmt bei dem ebenfalls Licht erzeugt wurde haben wir definitiv gezeigt dass ein großer Teil der schwersten Elemente in unserem Universum einschließlich Gold Platin Jod und Uran aus diesen neutronensternverschmelzungen stammt das Licht wird erst nach dem Ende des gravitationswellenereignis erzeugt und kann durch den Durchgang durch das Material weiter verzögert werden obwohl sich Licht und Schwerkraft in einem Vakuum genau mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kam das Licht das wir gesehen haben deshalb erst fast 2 Sekunden nach dem Ende des gravitationswellensignals an es gibt ein Problem mit der Schwerkraft mit dem sich niemand so wirklich anfreunden kann und über das selbstphysiker selten sprechen nimmt man zwei beleliebige 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 was könnte sich in diesen zusätzlichen Dimensionen verbergen wenn es sie den wirklich gibt [Musik] [Applaus] [Musik] lasst uns mal mit etwas sehr simplen 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 feststellen 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 Licht wkraft und elektromagnetische Kraft anders verhalten wenn wir nicht in einem Universum mit drei Raumdimensionen wären und das können wir testen indem wir bestimmt Phänomene auf eine Fläche also eine Fläche die zweidimensional ist oder eine Linie die wiederum eindimensional ist beschränken und 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 dreidimensional 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 nimmt 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 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 physikal is Ausdehnung hat groß bedeutet in dem Zusammenhang 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 Dimensionen die wir kennen sondern auch in weiteren großen ext diimensionen 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 einer sehr kleinen Größe nachweisen das CERN 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 ein millm nachweisen konnten damals es gibt also einen großen Bereich von Größen in dem zusz Dimension 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 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 Dimensionen 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 Hedron 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 dimens gibt in denen sich die Schwerkraft ausbreiten könnte die größer 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 amollider deutet auch darauf hin dass die Idee großer z 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 bedout könnte das die beobachtete Schwäche der Schwerkraft erklären und Z vorhersag neuer Teilchen führen die bei den Energien des lhcs auftreten könnten doch haben wir bis jetzt nichts derartiges gefunden zusätzlich zur 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 neu entdeckten kalusa kleinteilchen und die notwendige Annahme von verborgenen Sektoren oder anderen Zuständen die nicht dem Standardmodell entsprechen die Quantenmechanik ist für einige sehr verblüffende Behauptung was ist die Quantenmechanik überhaupt sind es Katzen die gleichzeitig tot und lebendig sind oder Elektronen und Protonen und andere Bewohner der subatomaren Welt von denen wir auch keine wirkliche Vorstellung haben denn sie fungieren mal als eine Welle der Wahrscheinlichkeit wo wir nur ungefähr raten können wo sie sich befinden oder auch mal als tatsächliche Teilchen auf en es scheint nichts wirklich Sinn zu machen und es verwirrt eigentlich nur mal ist ein Teilchen echt mal ist es eine Katze und all die Dinge sind auch noch irgendwie miteinander verschränkt und fungieren dann als ein einzelnes System doch es gibt etwas was uns vielleicht zu Hilfe kommen kann etwas was weder ein Teilchen noch eine Welle ist etwas was uns die Quantenwelt näher bringen kann nicht nur für die Physik übrigens sondern auch für das Verständnis dieser abakten und recht geheimnisvollen Welt doch ich will noch nichts vorwegnehmen wenn wir das Thema hier durchgehen wird der ein under andere von euch vielleicht selbst auf die Lösung kommen [Musik] [Musik] fangen wir doch mal direkt bei den Basics an das Konzept der klassischen Teilchen ist bekannt ein Teilchen ist ein Objekt mit einem bestimmten Ort so wie die Luftblasen hier wir sehen Sie und wir wissen wo Sie sich gerade befinden das Objekt kann aber auch groß sein es kann klein sein oder es kann subatomare Form besitzen ein subatomares Teilchen wie das Elektron stellt man sich in der Regel wie eine Kugel vor und Sie können auch tatsächlich aneinander abbrallen wie zwei Billiardkugeln oder auch miteinander verschmelzen wenn sie auseinander gestoßen werden wenn sie aneinander gestoßen werden Verzeigung sie können auch als klassische Wellen auftauchen denk an ein Muster auf der Oberfläche des Wassers wenn Gegenstände hineingeworfen werden mathematisch gesehen ist eine eindimensionale Welle einfach eine gleichmäßig schwingende Sinuskurve sie erstreckt sich unendlich weit in beide Richtungen und hat feste sich wiederholende Wellenlängen im Gegensatz zu Teilchen haben Wellen keinen bestimmten Ort wir haben nur Wahrscheinlichkeiten wo diese Teilchen auftreten könnten außerdem verhalten sich Wellen ganz anders als Teilchen wenn zwei Wellen miteinander interagieren durchdringen sie sich gegenseitig wobei sich die Wellenberge und Täler entweder gegenseitig zu einem größeren Wellenberg oder zu einem kleineren Wellenberg und somit sich gegenseitig auslöschen das vernünftiges Deutsch ich glaube schon diese beiden Wellen sind bekannt als konstruktive und destruktive Interferenzen angesichts der Tatsache dass herkömmliche Teilchen und Wellen so unterschiedliche Eigenschaften zu haben scheinen kann man es den Physikern des frühen 20 Jahrhunderts echt nicht übel nehmen dass sie sehr verwirrt waren als sie versuchten die Behauptung des Dinge wie Photonen und Elektronen sowohl Teilchen als auch Wellen sein miteinander zu vereinbaren inzwischen haben die Wissenschaftler jedoch verstanden dass atomare Objekte sowohl Wellen als auch teilcheneigenschaften haben und tatsächlich nicht nur als das eine oder das andere existieren sie sind beides doch das hilft uns irgendwie nicht weiter wir müssen ein wenig tiefer in die Materie rein noch gibt es nämlich ein paar ungeklärte Fragen ein Objekt wie ein Elektron hat z.B eine Wellenlänge die sich jedoch nicht ins Unendliche ausdehnt wie sich eine eindimensionale Sinuskurve verhalten würde stattdessen hat die Amplitude also die Höhe der Welle einen Punkt an dem sie größer ist und nimmt dann in größere Entfernung von maximum ab das Ergebnis ist ein sogenanntes Wellenpaket kleiner fun fact im Zusammenhang mit der Quantenmechanik des frühen 20 Jahrhunderts war der Begriff Wellenpaket kurzzeitig in Mode obwohl er heute nur noch selten verwendet wird von den Physikern demnach was ich damit sagen will wäre ein Abo hier auf dem Kanal ziemlich wellig das war gut das war gut das war gut Daumen nach oben für für für mich also zurück zum Thema es ist durchaus vernünftig sich subatomare Teilchen wie Elektronen und Photonen als Wellenpakete vorzustellen oder auch als Teilchen aber da Wellen Schwingungen sind stellt sich schnell die Frage was genau ist es da was da schwingt oder ebenso verwirrend wäre was ist die Bedeutung des Wellenpakets an dieser Stelle wird es noch verwirrender in der traditionellen Quantenmechanik wird dieses Wellenpaket als Wellenfunktion bezeichnet und es ist einfach eine Methode zur Berechnung von Wahrscheinlichkeiten wenn man die Wellenfunktion mit sich selbst multipliziert erhält man eine Funktion die die wahrscheinlichen Orte angibt an denen das Teilchen mit anderen Teilchen interagieren wird dieses Wellenpaket ist lediglich ein mathematisches Konstrukt und nichts anderes und doch hilft uns auch das irgendwie nicht weiter wenn es ein mathematisches Konstrukt ist schön und gut das silft zwar den Physikern aber mir und Dir damit ist uns irgendwie nicht geholfen die Situation wird jedoch etwas physikalischer und interessanter wenn moderne Ideen der Quantenmechanik verwendet werden der Name für die moderne Theorie die Teilchen beschreibt ist die Quantenfeldtheorie die moderne Quantenfeldtheorie postuliert dass der Raum mit einer Reihe von Feldern gefüllt ist für jede Art von bekannten subatomaren Teilchen und dafür lass ich noch mal die Seifenblasen springen ein Moment also für jede Art von bekannten subatomaren Teilchen gibt es ein Feld so gibt es beispielsweise ein elektronenfeld ein protonenfeld und so weiter es gibt sogar quarkfelder und natürlich gibt es das hexfeld vielleicht habt ihr mal davon gehört nach dieser Theorie ist ein Elektron nichts anderes als ein Wellenpaket im elektronenfeld die Bedeutung des Wellenpakets ist also dieselbe wie in der traditionellen Quantenmechanik das heißt wenn man die Wellenfunktion die das Wellenpaket darstellt mit sich selbst multipliziert ist das Ergebnis die Wahrscheinlichkeit ein Elektron an genau diesen zu entdecken das tolle an diesem Verständnis von Teilchen ist dass es uns ein ganz anderes Bild davon vermittelt wie Teilchen auf der Quantenebene emittiert und absorbiert werden es ist z.B üblich dass ein supertomares Teilchen ein anderes aussendet z.B ein Elektron das ein Photon aussendet wenn supertomare Teilchen Wellenpakete sind also lokalisierte Schwingungen bestimmter Felder dann werden wenn ein Elektron ein Photon aussendet Schwingungen im elektronenfeld auf das photonenfeld Übertragen in gewisser Weise ist es so als würde man zwei identische Stimmgabeln nebeneinander stellen und eine von ihnen anschlagen die Schwingungen dieser Gabel übertragen sich auf die andere und bald schwingen beide in der Quantenwelt wird ein Teil der Schwingung des elektronenfeldes auf das photonenfeld über Wagen wodurch ein Photon entsteht nun das elegante an der Quantenfeldtheorie ist dass sie uns von der alten Denkweise befreit also dass wir uns irgendwie entscheiden müssen ob etwas ein Teilchen oder eine Welle ist in dieser neuen Perspektive sind die Teilchen eigentlich Schwingungen in einem allgegenwärtigen Feld es ist nicht so dass Elektronen Teilchen sind die sich durch leeren Raum bewegen stattdessen sind sie Schwingungen im elektronenfeld selbst ähnlich wie in einem Ozean das bedeutet wenn wir über die scheinbar verwirrenden Phänomene der Quantenmechanik sprechen wie beispielsweise die Verschränkung müssen wir uns nicht an unsere herkömmlichen Konzepte von Teilchen und Wellen Klammern stattdessen sollten wir an das Universum denken als ein Orchester aus verschiedenen Feldern die ständig miteinander interagieren und harmonieren was den well teilchendualismus betrifft so ist dieser nicht wirklich ein Problem oder ein Rätsel sondern eher eine Reflektion unserer begrenzten menschlichen Perspektive die Quantenfeldtheorie bietet eine vielumfassende und weniger widersprüchliche Sichtweise in der alles in ständiger Schwingung und Interaktion steht also das nächste mal wenn du an die Quantenmechanik denkst und das Bild einer Katze im Kopf hast ich hoffe nicht eine totenkatze weil dann würde ich mir Sorgen machen die gleichzeitig natürlich tot und lebendig ist oder von Teilchen die sich auch als wellenverhalten erinner dich an die Quantenfeldtheorie Erinn dich dran dass die Natur auf einer fundamentalen Ebene aus schwingenden Feldern besteht und die scheinbaren Widersprüche entstehen nur wenn wir versuchen diese erstaunlichen Phänomene in unsere alltäglichen Begriffe zu übersetzen es steht außer Frage dass es schwierig sein kann sich die Theorien der modernen Physik vorzustellen hat man sich jedoch erst einmal mit Vorstellung angefreundet dass Teilchen kaum mehr sind als lokalisierte Schwingungen in mehreren interagierenden Feldern hat man eine ziemlich genaue Vorstellung davon wie die Quantenwelt funktioniert und ich bedanke mich fürs zuschauen sch dir das Video übrigens unbedingt als nächstes an um tatsächlich die Mythen über die Quantenmechanik um über die myen der Quantenmechanik zu erfahren und falls du das nicht tust dann werde ich eine Orange auf dich schmeißen nein das werde ich nicht ich bedanke mich fürs zusehen bis zur nächsten Episode ciao [Musik] ciao stell dir vor du wachst eines Morgens auf und eine Ameise sitzt auf deiner Brust du kriegst kaum Luft weil die Ameise so viel wiegt wie ein Elefant wo kommt die Masse her du siehst sie nicht die Ameise ist so klein wie wen eine Ameise nun mal klein ist doch du spürst eindeutig ihr unglaubliches Gewicht in der Astronomie steht man vor einem ähnlichen Rätsel rund 95% der Materie im Universum sind verschwunden sie fehlen einfach auch wenn wir das Gewicht eindeutig spüren können wir verstehen zwar die Schwerkraft die auf riesige Objekte wie Galaxien wirkt und erkennen auch dass die diese Objekte viel schwerer sind als sie erscheinen sollten doch das große Geheimnis bleibt woher kommt dieses zusätzliche Gewicht dafür haben wir natürlich Theorien entwickelt eines davon ist wohl die bekannteste und mysteriöseste in der ganzen Wissenschaft die Dunkle Materie dies mag den meisten bekannt erscheinen eine unsichtbare Materie die nur mit Schwerkraft interagiert und zusätzliche Masse verleiht wie bereits in einigen Videos erwähnt können wir diesen Effekt eigentlich nennen wie wir wollen dunkle Materie klingt aber ziemlich cool wir könnten es aber auch Oma sigrits Suppe nennen der Effekt ist da und den können wir spüren und sehen wie er entsteht ist dann das tatsächliche Rätsel doch eine kleine Gruppe von Forschern bestreitet jedoch die Existenz von dunkler Materie und behauptet stattdessen dass unser Verständnis davon wie sich Objekte bewegen unverständig ist eine kürzlich veröffentlichte Arbeit in der Royal Astronomical Society schint dies nun endgültig zu widerlegen [Musik] [Applaus] [Musik] [Applaus] [Musik] Sterne Planeten und Galaxien bewegen sich unter dem Einfluss der Schwerkraft und isac newton hat die Gesetze ausgearbeitet die diese Bewegung steuern und die wir heute als Newtonische Dynamik bezeichnen doch trotz des enormen Erfolgs der newtonischen Dynamik ist dieser Erfolg nicht universell wenn die newtonischen Gleichungen auf bestimmte astronomische Phänomene angewandt werden treffen sie nicht die richtigen Vorhersagen ein solches Beispiel ist die Geschwindigkeit mit der sich Galaxien drehen wenn Astronomen sich die Geschwindigkeiten von Sternen am Rande einer Galaxie anschauen bewegen sie sich schneller als es die anerkannte Theorie erklären kann stattdessen sollten die Galaxien eigentlich auseinander fliegen doch das tun sie nicht irgendetwas hält sie zusammen die von den meisten Wissenschaftlern favorisierte Lösung des Rätsels besteht darin dass unsere Galaxie neben den bekannten Sternen und Gaswolken die wir sehen können auch eine große Menge unsichtbare Materie die sogenannte Dunkle Materie enthält diese dunkle Materie trägt zu der Schwerkraft bei die die Galaxie zusammenhält der Nachweis für die Dunkle Materie ist also indirekt sie wurde noch nie im Labor tatsächlich beobachtet doch ihre Fähigkeit die Bewegung von Galaxien zu erklären ist ein starker Indizienbeweis für ihre Existenz mit ihr macht die Bewegung von Materie Sinn und unsere Gleichungen können auch Vorhersagen treffen was natürlich für die Wissenschaft überaus wichtig ist da die Dunkle Materie jedoch nach wie vor unbeobachtet ist sollten alternative Hypothesen auch in Betracht gezogen werden können was auch richtig ist solange allerdings diese Hypothesen Vorhersagen machen können die dann auch eintreffen eine Idee kommt dem ziemlich nah diese Theorie wird Mond genannt also die modifizierte Newtonische Dynamik was sie genau besagt ist folgendes stell dir vor die Art und Weise wie Schwerkraft funktioniert ändert sich wenn wir in den Weiten leeren Raum des Universums blicken die Theorie schlägt vor dass die gravitationsregeln die wir hier auf der Erde kennen und die gut für die Dinge wie das Fallen eines Apfels oder die Umlaufbahn von Planeten funktionieren nicht mehr ganz passen wenn wir uns in Bereiche mit sehr schwacher Schwerkraft begeben wie sie in den äußeren Bereichen von Galaxien vorkommen und ja die Schwerkraft ist in den äußeren Bereichen von Galaxien tatsächlich schwächer besonders im Vergleich zu den zentralen Bereichen wo die Dichte von Sternen und anderer Materie höher ist viel höher sogar dies ist ein grundlegender Aspekt der Gravitationsphysik die Gravitationskraft zwischen zwei Objekten nimmt mit dem Quadrat der Entfernung zwischen ihnen ab was einfach ausgedrückt folgendes heißt stellen wir uns vor dass die Entfernung z zwei Objekten eine Einheit betrbt wenn wir diese Entfernung verdoppeln also auf zwei Einheiten dann nimmt die Gravitationskraft nicht einfach um die Hälfte ab sondern um das Vierfache wenn die Entfernung verdreifacht wird also auf drei Einheiten dann nimmt die Gravitationskraft um das Neunfache ab das bedeutet je weiter zwei Objekte voneinander entfernt sind desto schwächer wird die gravitskraft zwischen ihnen und diese Abnahme der Kraft erfolgt extrem schnell also in diesen entfernten Regionen einer Galaxie wo die Beschleunigung durch die Schwerkraft sehr gering ist müssten nach dieser Theorie neue Regeln gelten dies würde auch erklären warum die Sterne am Rand von Galaxien sich schneller bewegen als wir es nach den herkömmlichen gravitationsgesetzen erwarten würden anstatt die Existenz dunkler Materie anzunehmen die diese zusätzliche Gravitation erzeugt schlägt diese Theorie vor dass einfach unser Verständnis der Gravitation unter diesen Bedingungen erweitert werden muss das ist die mondtheorie und sie wurde erstmals 1983 von dem israelischen Physiker morderheim milgrum entwickelt und obwohl das Modell von der Mehrheit der Astronomen nicht akzeptiert wird hat es einige sehr leidenschaftliche Anhänger wenn Astronomen die mondtheorie auf die Vorhersage der Rotation von Galaxien anwenden funktioniert sie tatsächlich recht gut im Wesentlichen genauso gut wie die Theorie der dunklen mat es wird also eine Messung benötigt die endgültige Unterscheidungen zwischen diesen beiden ermöglicht dies könnte also die Frage beantworten warum 95% des Universums fehlen sie fehlen nämlich gar nicht laut der Theorie von Mond die haben die Gesetze des Universums einfach nur falsch verstanden also testen wir diese Aussage um zu bestätigen ob das auch so stimmt in der jetzt veröffentlichten Arbeit verwendeten die Forscher Daten die mit dem gay Satelliten aufgezeichnet wurden um z.B große Doppelsterne zu untersuchen das heißt also zwei Sterne die einander in großer Entfernung umkreisen in dieser Studie wurden Doppelsterne berücksichtigt deren Abstand im Bereich des 2000 bis 30.000 faen des durchschnittlichen Abstands zwischen der Erde und Sonne lag wenn ihre Sterne mit diesen Merkmalen weisen eine Reihe von Beschleunigungen auf die es den Wissenschaftlern ermöglichen zu prüfen ob die mondtheorie richtig ist ist oder ob wir uns weiterhin auf Newton verlassen können also was haben sie herausgefunden die Studie gibt der newtonischen Theorie eindeutig den Vorzug gegenüber der mondtheorie da sie das bahnverhalten von großen Doppelsternen genau beschreibt die Messung Schloss Mond mit 16 Sigma aus was weit mehr ist als ein Ergebnis mit 5 Sigma das als endgültig gilt in der Wissenschaft wird der sigmawerert nämlich oft genutzt um die Vertrauenswürdigkeit oder die Signifikanz eines Ergebnisses auszudrücken insbesondere im Bereichen wie der Teilchenphysik z.B ein sigmawerert von 1 bedeutet dass die Wahrscheinlichkeit dass das Ergebnis zufällig ist und nicht auf einer realen Wirkung beruht bei etwa 32%. mit steigendem sigmawerert sinkt diese Wahrscheinlichkeit ein Ergebnis mit 2 Sigma etwa 95% Vertrauensniveau wird oft als Hinweis aber nicht als Beweis betrachtet 3 Sigma also etwa 99,7% Vertrauensniveau wird als starkes Indiz angesehen und 5 Sigma etwa [Musik] 99,999994% gilt in der Teilchenphysik als Standard für eine Entdeckung es bedeutet dass die Wahrscheinlichkeit für ein zufälliges Ergebnis extrem gering ist etwa 1 Z 3,5 Milliarden wenn also ein Ergebnis mit 16 sig ausgeschlossen wird bedeutet das dass dass die Wahrscheinlichkeit dass die Beobachtungen zufällig sind astronomisch gering sind ein solches Ergebnis gilt als extrem zuverlässig und übertrifft bei weitem den Standardwert von 5 Sigma der für wissenschaftliche Entdeckung als ausreichend betrachtet wird in ihrer Arbeit setzten sich die Forscher auch mit früheren Berichten auseinander wonach große Doppelsterne die mondhypothese tatsächlich unterstützten sie unterteilten Ihre Daten in weite Doppelsterne bei denen die Messungen präzise waren und solche bei denen die Zahlen mit erheblicher Unsicherheit behaftet waren sie fanden heraus dass eine Analyse die schlecht gemessene große Doppelsterne einbezog die mondhypothese begünstigte aber wenn nur präzise gemessene Ergebnisse einbezogen wurden Sprachen die Daten eindeutig für die Newtonische Dynamik beweist die Messung also dass die Dunkle Materie real ist nein das wäre eine zu starke Schlussfolgerung doch sie zeigt auf dass die mondtheorie falsch ist und die Aussage des 95% des Universums fehlen steht wieder im Raum dennoch ist das Ergebnis sofern es sich bestätigt ein sehr wichtiger Fortschritt bei der Suche nach der Antwort auf die Frage warum 95% des Universums fehlen oder zumindest unsichtbar sind auch wenn es nicht so befriedigend ist wie eine endgültige Entdeckung so ist do die endgültige Widerlegung anderer Theorien ein mit um die Wissenschaft voranzubringen wie Sherlock Holmes eins sagte wenn man das Unmögliche ausschließt muss das was übrig bleibt egal wie unwahrscheinlich es ist die Wahrheit sein die Wahrheit dass 95% der Materie fehlen und die Dunkle Materie wohl der Grund dafür sein muss das habe ich dazu gesagt nicht Sherlock Holmes also als nächstes schaut euch bitte das Video an da stelle ich die Frage warum geistersichtungen vielleicht etwas mit Parallelwelten zu tun haben ich bedanke mich für Seen und ich hoffe euch alle in der nächsten Episode der entropy zu sehen