Forscher lösen "Damit" die größten Probleme der Physik!

oben unten links rechts vorwärts und rückwärts und fügen wir noch ein bisschen Zeit hinzu und das Ergebnis ist eine vierdimensionale Verschmelzung von Raum und Zeit ein vierdimensionales Universum eine Theorie der Physiker sagt voraus dass eine der drei Dimensionen des Raumes eine Art Illusion sein könnte dass ich in wir it alle Teilchen und Felder aus denen die Realität besteht in einem zweidimensionalen flachen Reich befindet auch die Schwerkraft wäre Teil dieser Illusion eine Kraft die in der zweidimensionalen Welt nicht vorhanden ist sich aber mit der Entstehung der illusorischen dritten Dimension materialisiert die Theorie sagt voraus dass die Anzahl der Dimensionen in der Realität eine Frage der Perspektive sein könnte Physiker könnten die Realität so beschreiben dass sie einem Satz von Gesetzen einschließlich der Schwerkraft in drei diimensionen gehorcht oder gleichwertig einem anderen Satz gehorcht von Gesetzen die in zwei diimensionen wirken demnach ohne Schwerkraft trotz der radikal unterschiedlichen Beschreibung würden beide Theorien alles beschreiben was wir sehen wir hätten keine Möglichkeit festzustellen welche Theorie wirklich wahr ist ein solches Szenario lässt sich schwer mit unserer Vorstellungskraft vereinbaren ein Hologramm ist ein zweidimensionales Objekt aber wenn es unter den richtigen Lichtverhältnissen betrachtet wird erzeugt es ein vollständiges dreidimensionales Bild all das dreidimensionale Bild beschreibenden Informationen sind im wesentlichen in den zweidimensionalen Hologrammen kodert die holograische Beschreibung ist allerdings auch mehr als nur eine intellektuelle oder philosophische Kuriosität denn darüber hinaus bietet die holographische Theorie einen neuen Weg um mit der Verschmelzung einer Quantentheorie der Gravitation zu beginnen einer Gravitationstheorie die die Prinzipien der Quantenmechanik respektiert sie wäre nämlich ein Schlüsselelement bei allen Bemühungen alle Kräfte der Natur zu vereinen und sie wird benötigt um sowohl zu erklären was in schwarzen Löchern vor sich geht als auch was in den Nanosekunden nach den Urlaub geschah die holographische Theorie bietet potenzielle Lösungen für tiefgreifende Mysterien die hartnäckige Versuche unternommen haben zu verstehen wie eine Theorie der Quantengravitation funktionieren könnte eine Quantentheorie der Gravitation eine funktionierende Quantentheorie ist vielen Physikern heilig weil die gesamte Physik mit Ausnahme der Schwerkraft durch quantengeset gut erklärt werden kann die quantenbeschreibung der Physik stellt ein ganzes Paradigma für physikalische Theorien da und es macht keinen Sinn dass eine Theorie die Gravitation ih nicht entspricht die Quantenmechanik wurde erstmals entwickelt um das Verhalten von Teilchen und Kräften im atomaren und subatomaren Bereich zu beschreiben in diesen größenskalen werden Quanteneffekte signifikant in quantentheorien haben Objekte keine bestimmte Position und keiten sondern werden stattdessen durch Wahrscheinlichkeiten und Wellen beschrieben die Raumbereiche besetzen in einer Quantenwelt befindet sich aufgrund der grundlegendsten Ebene alles in einem Zustand des ständigen Flusses sogar der leere Raum ist nicht leer sondern gefüllt mit virtuellen Teilchen die ständig auftauchen und wieder verschwinden im Gegensatz dazu ist die beste Gravitationstheorie der Physiker die allgemeine Relativitätstheorie eine von Natur aus klassische das heißt nicht Quantentheorie sie erklärt das Konzentration von Materie oder Energie eine Krümmung der Raumzeit verursachen und dass diese Krümmung die Flugbahn von Teilchen lenkt in einer klassischen Theorie wie der allgemeinen Relativitätstheorie haben Objekte bestimmte Orte und Geschwindigkeiten wie Planeten die die Sonne umkreisen man kann diese Orte und Geschwindigkeiten und die Massen der Objekte in die Gleichung der allgemein Relativität Theorie einsetzen und die grrümmung der Raumzeit und daraus die Auswirkung der Schwerkraft auf die Flugbahn der Objekte ableiten mit der Relativitätstheorie ist es einfach nur ein bisschen einfacher denn das Problem bei der Entwicklung einer quantenversion der allgemein Relativitätstheorie besteht nicht nur darin dass die Teilchen auf der Skala von Atom und Elektronen keine bestimmten Orte und Geschwindigkeiten haben wie sollen die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie etwas Voraussagen wenn und Raumzeit so vielseitig und vielschichtig ist die Antwort ist dass die Gleichungen einfach nur nicht mehr ausreichen wenn wir davon ausgehen dass Materie den Gesetzen der Quantenmechanik und die Gravitation den Gesetzen der allgemeinen Relativitätstheorie gehorcht geraten wir in ungemeine mathematische Widersprüche und in den meisten Situationen stellen die widersprüchlichen Anforderung der Quantenmechanik und der allgemeinen Relativitätstheorie kein Problem da entweder die Quantenmechanik oder die gravitationseffekte so klein sind dass sie vernachlässigt werden können wenn die Krümmung der Raumzeit jedoch sehr groß ist werden die quantenaspekte der Gravitation bedeutsam es braucht eine sehr große Masse oder eine große Massenkonzentration um eine starke Raumzeitkrümmung zu erzeugen selbst die in Sonnennähe erzeugte Krümmung ist im Vergleich zu dem Betrag der benötigt wird um quantengravitationseffekte sichtbar zu machen außerordentlich klein eine solche Theorie ist auch wichtig um zu verstehen was im Zentrum von Schwarzen Löchern passiert denn dort wird Materie in einem Bereich mit extrem hoher Krümmung zerquetscht da die Gravitation eine Krümmung der Raumzeit beinhaltet wird eine quantengravitationstheorie auch eine Theorie der quantenraumzeit sein ein vielversprechender Ansatz für eine Quantentheorie der Gravitation ist die Stringtheorie die einige theoretische Physiker seit den 70 Jahren erforschen die Stringtheorie überwindet einige der Hindernisse beim Aufbau einer logischen konsistenten Quantentheorie der Gravitation das heißt Stringtheoretiker haben einige ungefähre Gleichungen für Strings aber sie kennen die genauen Gleichung nicht sie kennen auch nicht das zugrunde liegende Prinzip dass die Form der Gleichung erklärt und es gibt unzähige physikalische Größen die sie nicht aus den Gleichungen berechnen können in den letzten Jahren haben allerdings String tiker viel interessante und überraschende Ereignisse erzielt die neue Wege zum Verständnis der quantenraumzeit eröffnen ich werde die stringthorie hier nicht detailliert beschreiben sondern mich stattdessen auf eine der aufregendsten Entwicklungen aus der stringthorie Forschung konzentrieren die zu einer vollständigen logisch konsistenten quantenbeschreibung der Gravitation in einer sogenannten negativ gekrümmten Raumzeit geführt hat für diese raumzeiten scheinen die holographischen Theorien wahr zu sein wir alle sind mehr oder weniger mit der ekleudischen Geometrie vertraut habe ich recht Beil der der Raum einfach nur flach ist keine Krümmung parallele Linien treffen sich nie wie ein unendliches Blattpapier doch Krümmung gibt es in zwei Formen positiv und negativ der einfachste Raum mit positiver Krümmung ist die Oberfläche einer Kugel eine Kugel hat eine konstante positive Krümmung das heißt es hat an jeder Stelle den gleichen Krümmung Grad im Gegensatz zu einem Ei das am spitzenende mehr Krümmung hat der einfachste Raum mit negativer Krümmung wird als hyperbolischer Raum bezeichnet der als Raum mit konstanter negativer Krümmung definiert ist durch die Einbeziehung der Zeit können Physiker auf ähnliche Weise raumzeiten mit positiver oder negativer Krümmung berücksichtigen die einfachste Raumzeit mit positiver Krümmung wird der desetteraum genannt und viele Kosmologen glauben dass sehr frühe Universum nahe daran war ein desiter Raum zu sein umgekehrt wird die einfachste negativ gekrünnte Raumzeit natürlich als antideseteraum bezeichnet erähnelt dem hyperbolischen Raum enthält jedoch auch eine Zeitrichtung im Gegensatz zu unserem Universum das sich ausdehnt Dent sich der antidesetaum wieder aus noch zieht er sich zusammen er sieht immer gleich aus trotz dieses Unterschieds erweist sich der antidesitraum sehr nützlich bei der Suche nach nach quantentheorien der Raumzeit und der Schwerkraft wenn wir uns den hyperbolischen Raum als eine Scheibe vorstellen dann ist der antidiseteraum wie ein Stapel dieser Scheiben die einen festen Zylinder bilden die Zeit läuft entlang des Zylinders hyperobolischer Raum kann mehr als zwei räumliche Dimensionen haben der antidesit Raum der unser Raumzeit mit drei räumlichen Dimensionen am ähnlichsten wäre hätte einen dreidimensionalen MC bildähnliches Verhalten als Querschnitt seines Zylinders Physik im antidesitraum hat einige seltsame Eigenschaften wenn wir irgendwo im antidisitraum frei schweben würden würden wir uns fühlen als wären wir auf dem Grund eines gravitationsbrunnens jeder Gegenstand den wir wegwarfen kam wie ein Bumerang zurück und überraschenderweise ist die Zeit die ein Objekt benötigt um zurückzukommen unabhängig davon wie hartes geworfen wurde und wenn wir einen Lichtblitz von unten werfen würden der aus Photonen besteht das sich natürlich mit der Lichtgeschwindigkeit bewegt würde er tatsächlich unendlich reichen aber in endlicher Zeit zu uns zurückkehren und dies kann passieren weil ein Objekt in diesem Raum eine Art zeitkontraktion von immer größerem Ausmaß erfährt je weiter ist sich von uns entfernt antidisit space oder Raum obwohl er unendlich ist hat eine Grenze die sich im Unendlichen befindet um diese Grenze zu sehen verwenden Physiker und Mathematiker eine verzerrte längsskala die eine unendliche Entfernung in eine endliche drückt im zylinderbeispiel hat die Grenze zwei Dimensionen eine ist der Raum um den Zylinder herum und eine Zeit die sich entlang seiner Länge erstreckt für den vierdimensionalen antidisiter Raum hat die Grenze zwei Raumdimension und eine Zeitdimension die Grenze des vierdimensionalen antidisit Raums ist zu jedem Zeitpunkt eine Kugel an dieser Grenze liegt das Hologramm der holographischen [Musik] Theorie stell dir vor Tages stehst du auf und stellst fest du bist Teil eines Videospiels du wirst simuliert klingt nach einem tollen Sciencefiction Roman oderer ist ja kalt los geht's aber für Mark van ramstong Physiker an der Universität of British Columbia in Vancouver ist dieses Szenario eine Möglichkeit über die Realität nachzudenken wenn es stimmt ist alles um uns herum die gesamte dreidimensionale physische Welt eine Illusion die ation entsteht die anderswo auf einem zweidimensionalen Chip codiert ist das würde unser Universum mit seinen dreiräumlichen Dimensionen zu einer Art Hologramm machen dieses holographische Prinzip ist selbst nach den üblichen Maßstäben der theoretischen Physik seltsam wan ramstung gehört jedoch zu einer kleinen Gruppe von Forschern die der Meinung sind dass die üblichen Ideen noch nicht seltsam genug sind die beiden großen Säulen der Mod Physik die allgemeine Relativitätstheorie die die Schwerkraft als eine Krümmung von Raum und Zeit beschreibt und die Quantenmechanik die den atomaren Bereich regelt liefert keine Erklärung für die Existenz von Raum und Zeit die Physik wird erst dann vollständig sein wenn sie erklären kann wie Raum und Zeit entstanden sind der womöglich einzige Weg um zu erklären was passiert wenn die unendlich dichte Singularität im Kern eines Schwarzen Lochs das Gefüge der Raum it bis zu Unendlichkeit verzerrt ist eine radikale Theorie die über das uns vorstellbare hinausgeht alle unsere Erfahrung sagen uns dass wir nichts zwei dramatisch unterschiedliche Vorstellung von der Realität haben sollten es muss eine große übergreifende Theorie geben die uns die Raumzeit vielleicht erst einmal erklären kann diese eine Theorie zu finden ist eine gewaltige Herausforderung doch heute besprechen wir eine Theorie die uns möglicherweise eine Antwort liefern könnte über die Beschaffenheit von Raum und Zeit eine der nahliegendsten Fragen die man sich stellen muss ist die ob dieses Unterfangen vielleicht zu wahnsinnig ist wo ist der Beweis dass es tatsächlich ein Ursprung oder und vor allem etwas grundlegenderes als Raum und Zeit gibt ein Hinweis darauf stammt aus einer Reihe verblüffender Entdeckung die Anfang der 70er Jahre gemacht wurden als klar wurde dass Quantenmechanik und Schwerkraft eng mit der Thermodynamik der Wissenschaft von der Wärme verwoben sind im Jahr 1974 wie stepen Hawking nach das Quanteneffekte im Raum eines Schwarzen Lochs dazu führen dass es Strahlung ausstößt andere Physiker stellten schnell fest dass dieses Phänomen recht allgemein ist selbst in völlig leeren Raum würde ein Astronaut der beschleunigt wird den Eindruck haben von Wärme umgeben zu sein wenn die Quantentheorie und die allgemeine Relativitätstheorie richtig sind und beide wurden durch Experimente reichlich bestätigt dann ist die Existenz der hawkingstrahung unausweichlich die zweite wichtige Entdeckung in der Thermodynamik kann ein Objekt nur dann Wärme abstrahlen wenn es seine Entropie verringert die Entropie ein Maß für die Anzahl der möglichen Quantenzustände in seinem Inneren und es ist auch bei schwarzen Löchern so schon bereit vor Hawkings Arbeit im Jahre 74 hatte Jakob beckenstein gezeigt dass Schwarze Löcher Entropie besetzen aber es gab ein Unterschied bei den meisten Objekten ist die Entropie proportional zu Anzahl der Atome die das Objekt enthält und damit zu seinem Volumen doch die Entropie eines Schwarzen Lochs erwies sich als proportional zu Fläche seines ereignes Horizont eine Grenze aus der nicht einmal Licht entkommen kann die Entropie war Prop zum Ereignishorizont und nicht proportional zum Volumen des Objektes an sich es war als ob diese Oberfläche irgendwie Information über das Innere verschlüsselte sowie ein zweidimensionales Hologramm ein dreidimensionales Bild verschlüsseln würde 1995 kombinierte Ted Jacobson Physiker an der University of Maryland diese beiden Erkenntnisse und postulierte dass jeder Punkt im Raum auf einem winzigen schwarzen lochhorizont liegt der ebenfalls der entropieflächenbeziehung gehorcht als wären wir selbst und alles um uns herum eine Art 3dpjektion auf einer 2D Fläche und hier fängt der Wahnsinn gerade erst an dies schien nämlich etwas tiefgründiges über die Ursprünge der Schwerkraft zu sagen insbesondere die Gesetze der Thermodynamik sind statistischer Natur es ist ein Durchschnitt über die Bewegung von Miliarden von Atomen und Molekülen das Ergebnis von Jacobs deutet also darauf hin dass auch die Schwerkraft statistisch ist eine makroskopische Annäherung an die unsichtbaren Bestandteile von Raum und Zeit und das ist nicht Wahnsinn genug im Jahr 2010 ging Erik wlinde stringthoretiker an der Universität Amsterdam noch ein Schritt weiter und zeigte dass die statistische Thermodynamik der raumzeitbestandteile was auch immer sie sein mögen automatisch das Newtonische Gravitationsgesetz hervor bringen kann ein Gesetz das zusammengefasst folgendes besagt alle Körper üben aufgrund ihrer Massen aufeinander anziehende Kräfte aus die man als Gravitationskräfte bezeichnet die Richtung dieser Kräfte verläuft auf der Verbindungslinie der Schwerpunkte der beiden Körper tanu patmanaban ein Kosmologe aus Indien hat in einer separaten Arbeit gezeigt dass einsteinsgleichungen in einer Form umgeschrieben werden können die sie mit den Gesetzen der Thermodynamik identisch macht ebenso wie viele weiteren Theorien der Schwerkraft tanu erweitert der Zeit den thermodynamischen Ansatz in den bemühen den Ursprung und das Ausmaß der Dunklen Energie zu erklären eine geheimnisvolle kosmische Kraft die die Expansion des Universums beschleunigt solche Ideen empirisch zu testen wird äußerst schwierig sein so wie Wasser vollkommen glatt und flüssig erscheint bis man es auf der Skala seiner Moleküle einem Bruchteil eines nanometers betrachtet so wird die raumzeitschätzung zufolge bis hinunter zu plankskala kontinuierlich erscheinen etwa 10 hoch-35 m also etwa 20 Größenordnung kleiner als ein Proton aber es ist vielleicht nicht unmöglich eine oft erwähnte Möglichkeit zu prüfen ob die Raumzeit aus kleinen Bestandteilen besteht besteht darin nach Verzögerungen zu suchen wenn hochenergetische Photonen von weit entfernten kosmischen Ereignissen wie supernov und gammastrahlenausbrüchen zu Erde reisen die Photonen mit den kürzesten Wellenlängen würden diese kleinen Bestandteile der Raumzeit als subtile Unebenheiten auf dem Weg den sie zurücklegen müssen wahrnehmen und dadurch leicht verlangsamen Giovanni amelino Camelia ein quantengravitationsforscher an der Universität Rom und seine Kollegen haben hinweise auf solche Verzögerung in den Photonen eines aufgezeichneten gammastrahlenausbruchs gefunden diese Ergebnisse sind nicht endgültig doch die Gruppe plant ihre Suche auszuweiten um die Laufzeiten von hochenergetischen neutrinus zu untersuchen die bei kosmischen Ereignissen entstehen das Besprechen allerdings in einer anderen Folge andere Physiker befassen sich mit Labortests im Jahr 2012 schlugen beispielsweise forscher der Universität Wien und des Imperial College London ein Experiment vor bei dem ein makroskopischer er Spiegel mit Lasern bewegt werden sollte sie argumentieren dass granularitäten auf der plankskala in der Raumzeit nachweisbare Veränderungen im von Spiegel reflektierten Licht hervorrufen würden inzwischen hat van ramsongk eine ganz andere Idee über die Entstehung der Raumzeit vorgeschlagen die auf den holographischen Prinzip beruht inspiriert von der hologrammartigen Art und Weise in der Schwarze Löcher ihre gesamte Entropie wurde dieses Prinzip erstmals von Juan maldazena einem Stringtheoretiker am Institute of Advent study in Princeton New Jersey in eine explizite mathematische Form gebracht 1998 wurde dieses einflussreiche Modell eines holographischen Universums veröffentlicht in diesem Modell enthält das dreidimensionale Innere des Universums Strings und schwarze Löcher die nur von der Schwerkraft gesteuert werden während die zweidimensionale Grenze Elementarteilchen und Felder enthält die den gewöhnlichen quantengesetzen ohne Schwerkraft gehorchen und das klingt auch alles unglaublich kompliziert das Universum dehnt sich aus das weißt du das weiß ich und dein Nachbar weiß es wahrscheinlich auch ich meine wir können es hier gerade sehen aber wohin dennt es sich aus wenn nichts hinter dem Universum existiert wohin geht das Ganze Zeug was in unserem Universum so rumfleucht seit fast 60 Jahren gilt der Urknall als die erfolgreichste Theorie zu Erklärung unseres kosmischen anfangs oder unserer kosmischen Ursprünge ausgehend von einem heißen dichten an Materie und strahlungreichen Zustand hat das Universum seither sich ausgedehnt abgekühlt und seine Schwerkraft entfaltet im Laufe seiner Entwicklung bildete es Protonen Neutronen die ersten gleichen Elemente und schließlich Sterne Galaxien Planeten und eine komplexe Chemie aus der Leben entstehen konnte aus der du entstehen konntest und dir gerade das Video anschaust und mir einen Daumen nach oben gibst das ist etwas was vom Universum vorgegeben ist und 13,8 Milliarden Jahre nach diesem unglaublichen anfangen beobachten wir heute ein sich immer noch ausdehnendes Universum und heute versuchen wir rauszufinden worohin es sich eigentlich ausdehnt [Musik] [Applaus] [Musik] die kurze ein Wort Antwort auf diese Frage ist ziemlich unbefriedigend in sich selbst das Universum dehnt sich in sich selbst aus und nicht in ein definierbares Äußeres Medium dies ist ein Beispiel dafür dass die Wissenschaft der allgemeinen Relativitätstheorie unserer allgemeinen Erfahrung und Intuition widerspricht aha okay was soll das Ganze jetzt bedeuten okay es gibt zwei Beobachtungen die etwa zu gleichen Zeit gemacht wurden Anfang des 20 Jahrhunderts zum einen beobachtete ein Astronom bistos sifer eine Reihe von Nebeln am Himmel wobei er sich einer damals neuartigen Technik bediente der Spektroskopie indem er das Licht dieser eden Objekte am Himmel in verschiedene Wellenlängen zerlegte stellt es Leifer fest dass viele von ihnen dieselben Spektrallinien aufwiesen die wir von den bekannten Elementen kannten die aber systematisch verschoben wurden als ob etwas sie zu längeren Wellenlängen gestreckt hätte eine mögliche Erklärung war dass die Objekte sich von uns wegbewegen die zweite Beobachtung war von Edwin Hubble im Jahr 1923 ganz zufällig entdeckte er einzelne Sterne in diesen spiralförmigen und elliptischen Nebeln ursprünglich wollte Hubel n beobachten doch er erkannte dass es sich bei einigen dieser Fackeln im Himmel in Möglichkeit um periodisch wiederkehrende sich aufhellende und abschwächende veränderliche Sterne handelte wenn man die Art dieser Objekte kannte und beobachtete wie hell sie am Himmel erschien konnte man die Entfernung zu ihnen bestimmen und Sie da wenn man diese beiden Informationen kombinierte ergab sich ein neues Bild je weiter eine Galaxie im Durchschnitt von uns entfernt war desto stärker schien ihr Licht in den rötlicheren längerwelligen Bereich des Spektrums verschoben zu sein all dies zusammengenommen bedeutete dass wir nachdem wir erkannt hatten dass das Universum überall mit Materie und anderen Formen von Energie gefüllt ist können wir kein statisches nicht leicht statisches und stabiles Universum haben stattdessen muss das Universum entweder expand oder kontraieren und die Beobachtungen Wiesen ziemlich eindeutig darauf hin dass es sich um eine Ausdehnung und nicht um eine Kontraktion handelte eine ziemlich gute Analogie die das beschreiben kann ist die Betrachtung eines vollständigen dreidimensionalen Objektes das sich ausdehnt etwas was wir hier ziemlich oft zusammen verwendet haben rosinenbrotteig das heißt ein Brotteig mit überall verteilten Rosinen wenn der Teig saurer wird Dent er sich aus aber die Rosinen darin tun das nicht die Rosinen bewegen sich einfach in allen drei Dimensionen weiter voneinander weg wenn man sich innerhalb einer Rosine befindet sieht man folgendes man sieht dass die Rosinen in der Nähe sich langsam zurückziehen die Rosinen in mittlerer Entfernung entfernen sich schneller und die am weitesten entfernten Rosinen entfernen sich am schnellsten von allen weg und obwohl die rusinen im Verhältnis zum sich ausdehnenden Teig eigentlich unbeweglich sind wäre der Teig transparent würde er sich wie das Gewebe des Weltraums anfühlen während die en sich wie einzelne Galaxien im expandierenden Universum Verhalten aber es gibt ein paar Schwachstellen in dieser Analogie etwas was wir bisher noch nie besprochen hatten es gibt eine Grenze für die Ausdehnung des Teigs die durch die biochemischen Reaktion der Hefezellen bestimmt wird zudem wird der Teig selbst verändert seine Eigenschaften wenn er sich ausdehnt er wird rarer und hat eine geringere Massendichte und der Teig deht sich immer noch in etwas aus in die Luft oder halt den leeren Raum die ihn an seiner zu umgeben dieser letzte Punkt dass sich der tig in etwas ausdehnt ist der größte Schwachpunkt bei dieser Analogie mit dem expandierenden Universum während der Teig ein Objekt ist das in einer größeren Realität eingebettet ist also den gesamten dreidimensionalen Raum ist das Universum selbst einfach alles alles was es gibt oder zumindest alles was es sein muss alles im Universum ist entweder eine Rosine oder keine Rosine okay eine Möglichkeit diese Schwierigkeit zu überwinden besteht darin dass sie statt einer teikkugel eingebettet in rusinen in unserem dreidimensionalen Universum ein dreidimensionales Universum vorzustellen das vollständig mit diesen Rosinen und durchgesetzten Teig gefüllt ist okay wir haben einen Grund zur Annahme dass unser beobachtbares Universum dessen kosmischer Horizont durch eine Kombination aus der Expansionsrate der Lichtgeschwindigkeit und der seit dem Urknall verstrichenen Zeit bestimmt wird also nur einen kleinen Teil eines größeren vollständigeren nicht beobachtbaren Universums darstellt die Menge die wir sehen und die wir zugreifen können oder auf die wir zugreifen können hat sich im Laufe der Zeit vergrößert und wird dies auch weiterhin tun da Licht das vor langer Zeit ausgesendet wurde und sich bereits auf dem Weg zu uns befindet trotz aller anhaltenden Expansion des Raums irgendwann zum ersten Mal bei uns ankommen wird wenn genügend Zeit vergeht wird mehr als das Doppelte des heutigen Volumens des Universums für uns sichtbar werden und es ist möglich auch wenn niemand sicher ist dass dieses beobachtbare Universum wirklich unendlich groß sein könnte in diesem Fall wäre es unsinnig zu fragen wohin denen sie sich aus denn es ist bereits unendlich es umfasst jeden nur denkbaren Kubikzoll des Raums denken wir mal an die folgende Frage was ist Unendlichkeit plus Unendlichkeit es ist immer noch unendlich was erhält man wenn man die Unendlichkeit verdoppelt verdreifacht oder vervierfacht es ist immer noch unendlich okay aber was passiert wenn man Unendlichkeit mal Unendlichkeit multipliziert selbst wenn man dies in mehreren Dimensionen tut ja jetzt kommen wir der Sache näher ja man enhält immer noch Unendlichkeit HFT uns also nicht weiter aber es gibt keine Garantie dafür dass das Universum unendlich ist oder dass das unbeobachtbare Universum die Gesamtheit dessen darstellt was da draußen ist es ist möglich wie die Theorie der kosmischen Inflation nahelt dass unser Universum so großes auch sein mag nur eine Region ist in der ein Urknall stattgefunden hat außerhalb dieser Region gibt es vielleicht einen weiteren Raum in dem die Inflation nicht beendet ist sondern immer weiter geheht vielleicht bis in alle Ewigkeiten und der von der anderen Taschen durchzogen ist in denen die Inflation endete und der Urknall stattfand dies wird gemeinhelle als ein Multiversum bezeichnet indem sich keine zwei Baby Universen jemals treffen kollidieren oder überlappen bedeutet dies dass unser Universum in gewisser Weise in dieses inflationäre Multiversum hineinwächst und die Antwort la vielleicht überraschendeweise nein der größte Unterschied zwischen einem Luftballon einer teitkugel und unserem Universum besteht nicht darin was sich innerhalb oder außerhalb des Universums befindet noch darin welche Grenzen es hat oder ob es welche hat wenn wir über den Raum die Raumzeit oder die Struktur des Universums sprechen meinen wir alles was es gibt es ist die Bühne auf der sich das Spiel des Universums abspielt und natürlich hat diese Bühne gewisse Regeln die Schauspieler sind die Teilchen und Antiteilchen und energiquanten die Herrschenden Regeln sind die Gesetze der Physik und die Werte der Grundkonstanten und die Bühne selbst ist nicht festgelegt sondern ein sichwickelndes Gebilde aber es gibt kein außerhalb oder jenseits des Kosmos es ist einfach alles was es gibt jemals war und jemals sein wird und das ist das schwierigste dass es zu begreifen gilt dass sich ausdehnende Universum det sich nicht in irgendetwas hinein oder aus denn es gibt nichts über Jenseits außerhalb vor und nach Raum und Zeit es ist alles und nichts zugleich alles weil es alles enthält was existiert und nichts weil es wenn man alle Materie Strahlung und Quanten die in ihm existieren wegnimmt immer noch existiert das nichts des Lehren Raums selbst das ist etwas was das Gewebe der Raumzeit ausmacht und deshalb kann es nicht in irgendetwas ausgedehnt werden es ist selbst ein fundamentaler Teil unserer Realität deshalb ist die beste Antwort die Frage wohin dehnt es sich aus zu sich selbst die wichtigste Erkenntnis darin besteht das Universum nicht mehr als etwas zu betrachten das sich in einem größeren Zusammenhang entwickelt sondern als alles was es gibt und einfach anzuerkennen dass Expansion und Kontraktion Eigenschaften sind die dem Raum selbst in er wohnen Wissenschaftler haben schon einmal ein schwarzes Loch im Labor simuliert doch keines davon hat plötzlich angefangen zu leuchten ein Team von Physikern von der Universität Amsterdam in den Niederlanden hat ein neues Experiment durchgeführt das Experiment ermöglichte es ihnen unter bestimmten Bedingungen im Labor ein Leuchten in ihrem simulierten Ereignishorizont zu sehen das Glühen begann nachdem sie ein Ereignishorizont simuliert hatten um eine Theorie von Stephen Hawking zu testen übrigens weiß ich ganz genau dass viele von euch meine Videos zum Einschlafen benutzen und ich bin noch nicht sicher ob ich das als Kompliment ansehe aus dem Grund habe ich einen zweitkanal eröffnet good night Stories dort lese ich euch Kurzgeschichten vor aus dem Bereich Fantasy Sci-Fi und Horror falls ihr das mal also Auschecken wollt Link ist unten in der Videobeschreibung und als Kommentar angebind also die Links sind im Kommentar anggeepintnt schaut euch an schwarze Löcher sind astronomische massenobjekte die so unglaublich dicht sind dass innerhalb eines bestimmten Abstands von ihrem massezentrum nichts im Universum entweichen kann und dies ist ja wohl den meisten von euch bekannt es kann kein Licht entweichen und vor allem keine Materie dieser Punkt wird als Ereignishorizont bezeichnet und was jenseits davon passiert ist nur reine Theorie es gibt natürlich haufenweise Vermutungen dass es sich dabei um Wurmlöcher mit Abkürzung zu entfernten Region des Universums handeln könnte aber darum geht es heute nicht Stephen Hawking stellte 1974 die These auf das durch die Unterbrechung der quantenfluktuation die durch den Ereignishorizont ver werden eine Art von Strahlung entsteht die der Wärmestrahlung ähnelt und somit Energie überträgt die hawkingstrahlung ist jedoch höchstwahrscheinlich viel zu schwach um von der Erde aus entdeckt zu werden und es ist wahrscheinlich viel zu schwierig sie aufzuspüren oder auszuieben die hawkingstrahlung selbst beschreibt hypothetische Teilchen die an der Grenze eines Schwarzen Lochs entstehen der physikalische Prozess der hinter der Emission von Teilchen in der Nähe des ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs steht ist ziemlich komplex es wird aber gemeinhin als das Ergebnis von virtuellen teilenparen geschrieben die auf natürliche Weise aus dem Vakuum also aus dem Nichts entstehen und danach getrennt werden normalerweise würden sie sich allerdings nämlich wieder annäheren und sich selbst auslöschen das ist ein ganz normales Prozedere in der virtuellen Teilchenwelt aber in diesem Fall lässt die Trennung eine Hälfte jedes Paares als tatsächliche Strahlung Entweichen der Grund dafür ist die immense Kraft des Schwarzen Lochs ein Teilchen entweicht in den Ereignishorizont und das andere fliegt weg eine Auslöschung wird dann unmöglich demnach entzieht eine Hälfte des Paares dem Schwarzen Loch Masse die Wissenschaftler ließen Elektronen von einer Position zuur anderen springen indem sie eine eindimensionale Kette von Atom schufen bestimmte Eigenschaften durften verschwinden soass eine Art gleichmäßiger Horizont entstand der die wellenförmige Natur der störte dies führte zu einem temperaturansstieg wie er theoretisch von einem Schwarzen Loch erwartet wird und armte eine Raumzeit nach die in bestimmten Simulationen als flach angesehen werden kann die Teilchen entstanden durch Störungen der Quantenfluktuationen die durch das Zerreißen der Raumzeit durch das schwarze Loch verursacht werden die hawkingstrahlung manifestierte sich dann als sichtbares Leuchten also der Effekt dieses gefälschten Ereignishorizont führte zu einem Temperaturanstieg der den theoretischen Erwartungen an ein entsprechendes schwarzes lochsystem entsprach dies könnte wiederum bedeuten dass die Verschränkung von Teilchen die den Ereignishorizont überspannen zur Erzeugung von hawkingstrahlung beiträgt die simulierte hawkingstrahlung war nur für einen bestimmten Bereich von sprungamplitüen thermisch und zwar bei Simulationen die mit einer als flach angesehenen Raumzeit begannen dies deutet darauf hin dass die hawkingstrahlung nur in bestimmten Situation thermisch ist und zwar dann wenn sich die Verformung der Raumzeit aufgrund der Schwerkraft ändert und jetzt um das ganze mal ein bisschen einfacher zusammenzufassen mit einer Kette von Atomen die in einer Reihe angeordnet sind um den Ereignishorizont eines schwarzen nochs zu simulieren hat ein Team von Physikern das Äquivalent dessen beobachtet was wir hawkingstrahlung nennen Teilchen die aus der Störung der quantenfluktuation entstehen die durch den Bruch der Raumzeit des Schwarzen Lochs verursacht werden dies sagen die Forscher könnte dazu beitragen die Spannung zwischen zwei der Art unvereinbarten Konzepten zur Beschreibung des Universums zu lösen und die zwei Störenfriede sind definitiv die Relativitätstheorie die allgemeine Relativitätstheorie die das Verhalten der Schwerkraft als ein kontinuierliches Feld die Raumzeit beschreibt und natürlich die Quantenmechanik die das Verhalten diskreter Teilchen mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsrechnung beschreibt ich muss kurz Luft holen für eine einheitliche Theorie der Quantengravitation so nennt man die Theorie die die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik vereint damit die Quantengravitation universell angewandt werden kann müssten die beiden untrennbaren Theorien einen Weg finden miteinander auszukommen also wenn diese hawkingstrahlung tatsächlich existiert ist sie viel zu schwach um von uns entdeckt zu werden es ist möglich dass wir sie nie aus dem zischenden Rauschen des Universums herausfiltern werden aber wir können ihre Eigenschaften untersuchen wir in Laboratorien analoger zu schwarzen Löchern erzeugen noch ist es unklar was dies für die Quantengravitation bedeutet aber das Modell bietet eine Möglichkeit das Auftreten von hawkingstahung einer Umgebung zu untersuchen die nicht von der wilden Dynamik der Entstehung eines schwarzen l beeinflusst wird und vor allem weil es relativ einfach ist sagen die Forscher zumindest kann es in einer Vielzahl von Versuchsanordnung eingesetzt werden dies kann eine Möglichkeit eröffnen Grund liegende quantenmechanische Aspekte neben der Schwerkraft und gekrümmten raumzeiten in verschiedenen Umgebungen mit sehr zusammengedrückter oder kondensierter Materie zu erforschen das sagen die Forscher dies ist allerdings erst der Anfang einer der berühmtesten Streits um die Realität des Universums ging von Einstein und nels boh aus doch ein Experiment entschied die Fedde zwischen den beiden ein Experiment der in diesem Jahr mit dem Nobelpreis aus gezeichnet wurde willkommen zum größten Streit unserer Realität in der Physik geht es nicht nur darum vorherzusagen wie die Dinge funktionieren sie ist ein Versuch die wahre Natur der Realität zu verstehen zu Beginn des 20 Jahrhunderts versuchten die Wissenschaftler diese Regeln auf sehr kleine Teilchen wie Elektronen einem Baustein des Atoms oder Photonen die Lichtteilchen anzuwenden zu ihrer Überraschung funktionierten die Regeln die sie für die Bewegung eines Planeten oder einer Kanonenkugel aufgestellt hatten in diesem kleinen Maßstab nicht mehr auf mikroskopischer Ebene funktionierte die Realität auf eine ganz andere Art und Weise grundsätzlich unterliegen all diese Teilchen einer wichtigen Eigenschaft der Unschärfe wenn man z.B die Position eines Elektrons genau misst verliert man die Information über seinen Puls zudem können Teilchen viele Eigenschaften auf einmal haben bis sie gemessen werden irgendwie ist ist der Akt der Messung der das Teilchen dazu zwingt einen Wert zu wählen in diesem Video werden wir eine unglaubliche Facette der Quantenmechanik aufdecken verschränkte Teilchen haben ein gemeinsames Band wooch immer sich das eine im Universum befindet das andere wird bei der Messung ähnliche Eigenschaften aufweisen mehrere Eigenschaften können verscheint sein Spin Impuls Position oder eine Vielzahl anderer beobachtungsgrößen wird beispielsweise gemessen das ein vererschränktes Photon den Spin nach oben hat würde sein paar den Spin nach unten haben wir reden hier über den Spin eines Teilchens was eine recht komplexe Angelegenheit ist aber dazu kommen wir ein wenig später um das Geheimnis der quantenverschränkung zu verstehen machen wir ein Gedankenexperiment bei dem sich einfache Formen wie subatomare Teilchen Verhalten und verschränkt werden können z.B können unsere Form vollkommen rund sein zu einem Oval zusammengedrückt werden oder zu einer geraden Linie abgefacht werden sie können auch eine Farbe haben die irgendwo im Spektrum zwischen rot und violett liegt eignen wir uns mal für diesen Fall hier auf eine Farbe und wir nehmen an unsere Formen werden miteinander verschränkt wir senden eines dieser verschränkten Quantenobjekte an Alice und ein anderes an Bob die klassischen Charaktere die in solchen Experimenten verwendet werden und niemand im Universum nicht al nicht Bob nicht wir wissen zu diesem Zeitpunkt welche Farbe oder Form das Objekt hat als Alice Ihr Objekt erhält führt sie einen Test durch um die Farbe Ihres Objekts zu bestimmen und stellt fest dass es grün ist die Wellenfunktion kollabiert also die möglichen Wahrscheinlichkeiten der Eigenschaft des Objekts werden gemessen die die Farbe des Objekts definieren und es entscheidet sich dafür Grün zu sein da unsere beiden Formen einen gemeinsamen Quantenzustand haben muss Bob wenn er seine Form ist ebenfalls grün sein dies geschieht augenblicklich so als ob die Objekte irgendwie mit einer Nachricht kommunizieren könnten die sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt dies gilt unabhängig davon wo sich Alice und Bob im Universum befinden und das ist schon sehr komisch vielleicht würden einige denken haben sich die Objekte ja auf irgendeine Art und Weise beschlossen hey wir sind jetzt grün als sie sich zumindest das letzte Mal getroffen haben und haben es dann niemanden gesagt was aber wenn Bob stattdessen die Form ist wenn Alice und Bob nach dem Zufallsprinzip entscheiden ob Sie die Form oder die Farbe messen was uns dann mehrere Messungen gibt ihr Experiment immer und immer wiederholt wird und dann ihre Ergebnisse ausgetauscht werden dann wird uns klar dass hier etwas merkwürdiges vor sich geht die Tatsache dass es eine zufällige Wahl zwischen zwei oder mehr Messungen gibt ist ein wichtiger Punkt auf den wir noch später zurückkommen werden gehen wir nun zurück zum Stand der Physik zum Beginn des 20 Jahrhunderts als die größten Köpfe der Wissenschaft versuchten den Rahmen für die Quantenphysik zu schaffen im Jahr 1905 Flug Einstein mit seiner Erklärung des fotoelektrischen Effekts vor das Licht das bisher als Welle betrachtet wurde auch als Teilchen beschrieben werden kann im Jahr 1924 erweiterte debrolier diese Idee wenn meine Lichtwelle als Teilchen auftreten kann können Teilchen vielleicht auch als Wellen Auftreten im Jahr 1926 entwickelte Schrödinger eine mathematische Formel für die Wellenfunktion mit der eine Eigenschaft einer Welle z.B die Position als eine Reihe von Positionen beschrieben werden kann im selben Jahr erweiterte born diese Formel und zeigte dass diese Wellenfunktion die Wahrscheinlichkeiten der möglichen Position eines Teilchens veranschaulichen das bedeutet dass das Teilchen keine eindeutige Position hat bis es beobachtet wird an diesem Punkt kollabiert die Wellenfunktion da sich das Teilchen einen Wert aussucht auf dem es sich niederlässt und ein Jahr später im 7 stellte Heisenberg seine berühmte unschärfedation auf die Heisenbergsche unschärferedation besagt dass es bestimmte Kombination von Variablen gibt die miteinander verflochten sind so sind beispielsweise die Position und der Impuls eines Teilens miteinander verbunden je genauer man die Position des Teilens misst desto weniger weiß man über sein Impuls und umgekehrt dies ist ein fester Bestandteil der Quantenphysik und hängt nicht von der Qualität der Messgeräte ab und als viele dieser großen Wissenschaftler 1927 in Brüssel zusammentrafen lie boh eine Bombe in der physikwelt platzen er präsentierte eine neue Idee die viele dieser Facetten der Physik vereinte wenn die Position eines Teilchens als Welle beschrieben werden kann und wenn diese Welle als Wahrscheinlichkeit der Position beschrieben werden kann führte die Kombination mit der Heisenbergsche Unschärfe Relation zu der Schlussfolgerung dass die Eigenschaft von Teilchen nicht vorher bestimmbar sind sondern viel mehr vom Zufall bestimmt werden diese Ungewissheit ist für die Struktur des Universums von grundlegender Bedeutung und oh mann Einstein gefiel diese Idee so ganz und gar nicht was er dann auf der Konferenz auch kundtat damit begann eine lebenslange Debatte zwischen Einstein und boh über die wahre Natur der Realität gott würfelt nicht mit dem Universum protestierte Einstein darauf antwortete Bor auf Gott zu sagen was er tun soll im Jahr 1933 veröffentlichte Einstein zusammen mit seinen Kollegen Boris Podolski und Nathan Rosen das einsteinpodalsk Rosen Paradoxon der Grundgedanke war dass man wenn man zwei Formen hat die verschränkt sind durch Messung der einen die Eigenschaft der anderen kennen kann ohne sie jemals zu beobachten diese Formen können nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit kommunizieren das würde ja die Relativitätstheorie verletzen argumentierten sie stattdessen müssen sie eine Art verbor variable haben eine Eigenschaft über die Sie entschieden haben als sie verschränkt wurden und diese blieb dem Rest der Welt verborgen bis eine von ihnen beobachtet [Musik] wurde mit ihrem PR paradox vführten Einstein Podolski und Rosen versehentlich die Idee der quantenverschränkung in die Welt ein ein kleiner fun fact diese Idee wurde später von Schrödinger benannt und weiterentwickelt und was sagt uns das jetzt alles über die Verschränkung haben unsere Objekte vorbestimmte Eigenschaft diese dunklen Variablen auf die Sie sich vorher sozusagen geeinigt haben wie Form und Farbe oder sind ihre Eigenschaften zum Zeitpunkt der Messung festgelegt und werden irgendwie zwischen den verschränkten Objekten geteilt selbst wenn sie sich auf entgegengesetzten Seiten des Universums befinden erst Jahrzehnte später im Jahr 1964 fand der Physiker John Stuart Bell einen Weg um zu prüfen wer Recht hat Einstein oder boh er formuliert eine mathematische Ungleichung die ein Kriterium aufstellte anhand dessen entschieden werden konnte wer Recht hat einsteinen oder die von ihm mit begründete Quantentheorie es ist jedoch nicht so einfach wie du vielleicht denkst wenn z.B bei einem Experiment gemessen wird das eines der Teilchen Spin up besitzt bedeutet das nicht dass das andere zu 100% der Zeit Spin down besitzen muss es bedeutet viel mehr dass die Wahrscheinlichkeit dass das andere Teilchen entweder aufwärts oder abwärts dreht mit einem gewissen statistischen Genauigkeitsgrad vorhergesagt werden kann mehr als 50% und das ist nicht wenig aber weniger als 100%. die Besonderheiten dieser Eigenschaft wurden in den 60er Jahren von John Stuart Bell abgeleitet dessen belsche Ungleichung sicherstellt dass die Korrelation zwischen den gemessenen Zuständen zweier verschränkter Teilchen niemals einen bestimmten Wert überschreiten können oder besser gesagt dass die gemessenen Korrelationen zwischen diesen verschränkten Zuständen niemals einen bestimmten Wert überschreiten werden wenn verborgene Variablen vorhanden sind dass aber die standardquantenmechanik ohne verborgenen Variablen zwangsläufig die bcheungleichen verletzen würde und hier kommen die enormen Fortschritte der diesjährigen Nobelpreisträger für Physik ins Spiel dieser Preis ging an John kuser Alen aspect und anton Zeilinger für die bahnbrechende Entwicklung von quanteninformationssystemen beschränkten Photonen und die Verletzung der Ungleichung John cluser entwickelte die Idee von John Bell zu einem praktischen Experiment weiter seine Messung stützten die Vorhersagen der Quantentheorie damit be bewiesen Verschränkung konnte nicht durch versteckte Variablen verursacht werden das Experiment von John clauser ließ aber einen Aspekt unberücksichtigt die verbundenen Paare könnten abhängig von einer gemeinsamen Quelle sein aspect veränderte den experimentellen Aufbau weiter und verbesserte ih so dass die teilchenquelle die Messergebnisse nicht beeinflussen konnte anton Zeilinger schließlich nutzte die Arbeit seiner Kollegen um die Zustände verschränkte Teilchen zu manipulieren also kommen wir zu der letztendlichen Frage die am Anfang des Videos gestellt wurde wer hat Recht und immer wieder zeigt es sich dass die Messung von verschränkten Teilchen in der Hälfte der Fälle übereinstimmen nicht über die Hälfte was nun mal Nils boh Recht gibt es gibt also keine Verborgenen Variablen Teilchen haben keine inherenten Eigenschaften stattdessen entscheiden Sie sich für eine Eigenschaft in dem Moment ind dem sie gemessen werden und ihr Paar das sich möglicherweise auf der anderen Seite des Universums befindet weiß es irgendwie es gibt also eine Ungewissheit in unserem Universum die in der Natur der Realität liegt und ich bedanke mich fürs zusehen ich hoffe euch alle in der nächsten Episode der entropy zu sehen