Thema: Die rätselhaften Zahlenspiele der Natur

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An der Universität von Hamburg hat ein Team von deutschen und US-amerikanischen Wissenschaftlern erstmals zur gleichen Zeit den Spin von Elektronen bestimmt, eingestellt und ihn dabei sichtbar gemacht. Das Experiment könnte zu einer Beschleunigung der Entwicklung von Datenspeichern auf Basis von Spintronik führen.

Die Erforschung des Spins ist eines der spannendsten Felder der Quantenmechanik, weil sich der Spin von Elementarteilchen wie Elektronen bisher zwar bestimmen und auch manipulieren ließ, aber die Darstellung der Effekte solcher Experimente nicht zur gleichen Zeit erfolgen konnte. Daher konnten die Wissenschaftler nie sicher sein, wie sich der Messaufbau auf das Verhalten des Spins selbst auswirkt.

Das ist nach einer Mitteilung der Universität von Ohio nun gelungen. Die Experimente fanden an der Universität von Hamburg statt, wurden aber auch von Forschern aus Ohio mit US-Fördergeldern unterstützt.

Unter einem Rastertunnelmikroskop brachten die Wissenschaftler dabei Kobaltatome auf einer Oberfläche aus Mangan an. Die Kobaltatome mit ihren Orbitalen stellen sich unter dem Mikroskop als Erhebungen dar. Die Form dieser Erhebungen lässt sich durch die mit Eisen beschichtete Spitze des Mikroskops beeinflussen: Ist der Spin eines Elektrons nach oben gerichtet, erscheint eine Erhebung. Ist der Spin nach unten gerichtet, werden zwei flachere Erhebungen gleicher Höhe sichtbar.

Laut Darstellung der Wissenschaftler lässt sich aus dem gemessenen Spin sogar schließen, in welchem Winkel die Spitze des Mikroskops zu den Kobaltatomen steht - das erinnert an Methoden zum Lesen und Schreiben von Daten, etwa an die Nadel eines Plattenspielers.

Ein Ziel der Spintronik ist, den Spin zur Datenspeicherung zu verwenden. Toshiba etwa forscht in dieser Richtung, hat jedoch erste Transistoren mit Spintronik frühestens für 2015 in Aussicht gestellt. Denn die Bedingungen für einen kontrollierbaren Spin sind derzeit nur etwas fürs Labor: Die Wissenschaftler in Hamburg mussten für ihr Experiment ein Hochvakuum erzeugen und mit flüssigem Helium den Aufbau auf 10 Kelvin kühlen.

Das Team um den Hamburger Andre Kubetza hat seine Arbeit auch bei Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Quelle : www.golem.de

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Forscher der University of Toronto haben ein kommerziell verfügbares Quantenkryptographie-System erfolgreich gehackt. Theoretisch ist die Quantenkryptographie tatsächlich absolut – das heißt mathematisch beweisbar – sicher, denn sie beruht auf der Übertragung von Quanten in definierten Zuständen. Um die Kommunikation abzuhören, müsste ein Angreifer diese Quantenzustände auslesen, womit er sie gleichzeitig zerstört. Sender und Empfänger können das bemerken, indem sie die Fehlerrate bei der Übertragung im Auge behalten: Jedes Quant abzuhören, erzeugt eine Fehlerrate von 25 Prozent. Um auch das teilweise Abhören einzelner Quanten auszuschließen, wird der Alarm in der Regel bei 20 Prozent ausgelöst, denn in der Praxis muss man damit rechnen, dass Übertragungsfehler auch ohne Abhören entstehen können.

In den vergangenen Jahren hatte es trotz der mathematisch beweisbaren Sicherheit jedoch immer wieder erfolgreiche Angriffe auf jeweils konkrete Implementierung von quantenkryptographischen Systemen gegeben. Die erforderten allerdings oftmals einen physischen Zugang zum eigentlichen Quantensystem. So konnten beispielsweise Qin Liu und Sebastien Sauge auf dem Chaos-Kommunikations-Kongress einen so genannten „Fake State“-Angriff zeigen, bei dem den Quantendetektoren des Empfängers ein bestimmtes Messergebnis vorgetäuscht wird.

Feihu Xu, Bing Qi und Hoi-Kwong-Loi konnten nun ohne einen physischen Zugang auf die Endgeräte zeigen, dass das so genannte BB84-Protokoll, das unter anderem von kommerziell verfügbaren Systemen des Schweizer Unternehmens idQuantique verwendet wird, mit Hilfe ihrer bereits 2007 vorgeschlagenen „Phase Remapping“-Technik angreifbar ist. idQuantique, eine Ausgründung der Universität Genf, ist seit 2002 mit Quanten-Hardware auf dem Markt und hatte 2009 gemeinsam mit Siemens angekündigt, die Quantenkryptographie breit kommerziell verfügbar machen zu wollen.

Die Idee der kanadischen Hacker beruht im Wesentlichen darauf, dass die Information beim BB84-Protokoll in polarisierten Photonen kodiert ist. Die hatten sie so geschickt abgefangen, dass die Fehlerrate knapp unter 20 Prozent blieb, sodass Sender und Empfänger keinen Verdacht schöpfen. Einzelheiten verraten die Forscher in einem Aufsatz, den sie jetzt auf dem Physik-Server von ArXiv.org veröffentlicht haben. Mit dem Paper dürfte der Wettlauf zwischen Sicherheitsfachleuten und Codebrechern auch in der Quantenwelt in eine neue Runde gehen.

Quelle : www.heise.de

[SiLæncer]

Wissenschaftler der Australian National University haben erstmals einen Festkörper-Quantenspeicher realisiert. Einzelheiten ihres Experimentes, bei dem sie einen Laserpuls in einem tiefgekühlten Kristall gestoppt haben, beschreiben die Forscher in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsjournals Nature.

Ein funktionierender Quantenspeicher könnte nicht nur die Arbeit an Quantencomputern enorm voranbringen, sondern auch die bislang auf Punkt-zu-Punkt-Verbindungen beschränkte Quantenkryptograpie in kompletten Netzwerken ermöglichen. Denn nur Quantenspeicher können so genannte verschränkte Quantenzustände speichern, ohne sie beim Auslesen gleich wieder zu zerstören. Erst Quantenspeicher auf der Basis von Rubidiumdampf wurden zwar bereits 2004 gezeigt; Speicherdauer und Effizienz waren jedoch bislang noch recht kurz.

Das wollen die Wissenschaftler um Matthew Sellars nun ändern. Sie nutzen einen mit Praseodym dotierten Yttrium-Orthosilikatkristall, an den sie, während der zu speichernde Laserpuls auf den Kristall trifft, ein elektrisches Feld anlegen. Bei Umkehrung des elektrischen Feldes gibt der Kristall den Lichtpuls quasi wieder frei. Mit dieser Technik erreichten sie eine Effizienz von 69 Prozent. Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler nun die bislang unerreicht hohe Effizienz bei der Speicherung mit langen Speicherzeiten kombinieren – theoretisch, so die Wissenschaftler, spräche nichts dagegen, Licht über Stunden hinweg im Kristall zu speichern.

Quelle : www.heise.de

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Mit Hilfe des Jülicher Supercomputers JUROPA haben Forscher eine spezielle Keramik entwickelt, die in der Lage sein könnte, eine für die Wissenschaft hochspannende Frage zu klären: Haben Elektronen ein permanentes Dipolmoment?

Ein permanentes Dipolmoment des Elektrons könnte die Existenz von Materie erklären

Nach bestehender Lehre sollten Elektronen eigentlich voll symmetrisch sein – einige Forscher nehmen jedoch an, sie könnten doch eine ganz schwache Asymmetrie besitzen und somit ein kleines permanentes, also nicht fluktuierendes Dipolmoment aufweisen. Solch eine Entdeckung einer vierten Elementareigenschaft (neben Masse, Ladung und Spin) würde die Elementarteilchenphysik erheblich umkrempeln, mit der gängigen Physik wäre das nicht zu erklären. Etwas fundamental Neues müsste dahinterstecken.

In der Astrophysik wäre die Entdeckung aber sehr willkommen, um die Frage zu lösen, warum das Universum überhaupt in der uns bekannten Form entstehen konnte. Denn nach gängiger Theorie hätte beim Urknall vor etwa 13,7 Milliarden Jahren genauso viel Materie wie Antimaterie entstehen müssen. Und da beide sich auslöschen, wäre nichts geblieben. Tatsächlich entstand aber offensichtlich mehr Materie als Antimaterie. Ein elektrisches Dipolmoment von Elektronen könnte das Ungleichgewicht erklären.

Doch noch ist es niemandem gelungen, das prophezeite winzige Dipolmoment nachzuweisen. Mit der vom Institut für Festkörperphysik am Forschungszentrum Jülich und sowie Wissenschaftlern der kalifornischen Universität Santa Barbara von JUROPA simulierten Keramiksubstanz aus Europium-Barium-Titanat kann man die Empfindlichkeit gegenüber bisherigen Messmethoden um etwa Faktor zehn steigern, vielleicht genug, um ein elektrisches Dipolmoment der Elektronen aufzuspüren.

Tschechische Teamkollegen aus Prag (Institut für Physik, Karls-Universität, Czech Geological Survey) haben die entworfene Keramik bereits synthetisiert und sind nun zusammen mit Forschern der Universität Yale dabei, mit einem extrem empfindlichen SQUID-Magnetometer die Magnetisierung des Keramikstücks in einem elektrischen Feld zu vermessen, um so auf kompliziertem, indirektem Weg den Nachweis des Dipolmomentes zu führen. Genaueres über das Keramikmaterial steht in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift nature materials.

Quelle : www.heise.de

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Wie reist man in die Vergangenheit, ohne aus Versehen die Zukunft zu ändern?

Wer einen der "Zurück in die Zukunft"-Filme gesehen hat, kennt das Problem: Kaum stellt sich der Zeitreisende mal ungeschickt an, löscht er die ein oder andere Existenz. Adieu, Ursache-Wirkungs-Beziehung. Goodbye, Logik im Filmplot - wenn der Zuschauer nur verwirrt genug ist, glaubt er auch die aberwitzigsten Wendungen. Wer hat sich nach dem Verlassen des Kinos nach einem der Zeitreise-Flicks nicht schon mal gedanklich um ein "Aber was wäre, wenn..." im Kreise gedreht?

Nun machen es Filmzuschauer Regisseuren in der Regel deutlich einfacher als die Natur ihren Analysten, den Wissenschaftlern. Ergibt sich im Ergebnis einer Theorie ein Paradoxon, dann ist das kaum mit ein paar schnellen Schnitten zu verstecken. Die Tatsache, dass allein das Erscheinen eines Menschen in der Vergangenheit zu Veränderungen in der Zukunft führen muss, kennt die Forschung als das Großvater-Paradoxon: Wer in der Vergangenheit seinen Opa umbringt, löscht damit die eigene Existenz aus - doch wie soll ein gar nicht existenter Mensch seine Vorfahren beseitigen können?

Das Paradoxon ist allerdings nicht mehr und nicht weniger als ein Bild. Es kommt gar nicht auf die Verwandtschaftsbeziehungen an. Es kommt nicht einmal darauf an, ob ein Mensch in der Zeit reist - schon ein einziges Photon, das zusätzlich in der Vergangenheit auftaucht, kann und muss die Zukunft verändern. Dieses Dilemma allein macht die Existenz von Zeitreisen schon zweifelhaft - wir brauchen gar nicht erst von den schwierigen Begleiterscheinungen zu sprechen, die je nach Theorie zum Beispiel von einem notwendigen Besuch in einem Wurmloch erzählen, um die hier gebogene Raumzeit zu durchstoßen.

Helfen kann uns hierbei womöglich die Quantenmechanik. Ein Physikerteam beschreibt in einem bei arxiv.org Quantum Mechanics veröffentlichten Paper, was dazu nötig ist. Punkt 1 ist dabei die Idee der Postselection, das ist die Fähigkeit eines quantenmechanischen Systems, bei einer Berechnung automatisch nur bestimmte Resultate zuzulassen. Wenn es etwa darum geht, die Werte von ein paar Variablen zu finden, mit denen eine Gleichung erfüllt wird, käme man klassischerweise mit Ausprobieren ans Ziel - unter Umständen ein langwieriger Prozess. Ein Quantencomputer mit der Fähigkeit der Postselection würde die Gleichung mit zufällig gewählten Werten berechnen, die Postselection sorgt anschließend dafür, dass nur Ergebnisse übrig bleiben, bei denen die Gleichung erfüllt ist. Postselection ist bislang ein rein theoretischer Mechanismus, ob er von der Quantenmechanik erlaubt wird, ist noch nicht endgültig entschieden. Gäbe es diesen Mechanismus, würde er Quantencomputer zu sehr mächtigen Werkzeugen machen - gleichzeitig aber auch zu derzeit unmöglich erscheinenden Folgerungen führen (die ja ein Markenzeichen der Quantenphysik sind).

Die Forscher um den für seine Vorstellung vom Universum als Computer bekannten MIT-Physiker Seth Lloyd brauchen aber noch einen zweiten Mechanismus, um eine theoretische Zeitmaschine zu konstruieren. Dabei setzen sie auf so genannte Closed Timelike Curves (CTCs) - Raumzeit-Pfade, die an ihren Ursprung zurückkehren und damit geradezu "Zeitmaschine" rufen. CTCs gehören zu den Folgerungen aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie - Objekte, für die CTC-Eigenschaften nachgewiesen wurden, sind zum Beispiel die allen Science-Fiction-Fans bekannten Wurmlöcher oder auch die Tipler-Zylinder: massive, unendlich lange Zylinder, die sich um ihre Längsachse drehen.

Lloyd und Co. konstruierten nun eine CTC im Quantenreich, indem sie Quanten-Teleportation mit Postselection kombinieren. Bei der Quanten-Teleportation nutzt man das Phänomen der Verschränkung, um Zustände von einem Punkt in der Raumzeit zu einem anderen Punkt zu senden - es handelt sich nicht um eine Klonierung, sondern um eine echte Teleportation, der Ursprungszustand wird hierbei zerstört. Tatsächlich ist das auch schon in der Praxis erprobt. Nutzt man nun zusätzlich die Möglichkeit der Postselection, kann man den Prozess umkehren. Dabei wählt man das Selektionskriterium geschickt derart, dass nur selbst-konsistente Zustände übertragen werden, also solche, deren vergangener und gegenwärtiger Zustand quasi zueinander passen. Paradoxa würden ausgeschlossen.

Was in der Mikrowelt wie eine mathematische Spielerei aussieht, hätte in der Makro-Praxis jedoch skurrile Auswirkungen. Eine nach dieser Vorschrift durchgeführte Zeitreise hätte zur Folge, dass sich die Wahrscheinlichkeiten für bestimmte Ereignisse ändern müssten. Es wäre plötzlich, bildlich gesprochen, unendlich schwer, den Großvater zu erschießen. Vielleicht wären nur Blindgänger im Magazin, vielleicht würde auch eine sehr unwahrscheinliche plötzliche gemeinsame Bewegung aller Teilchen der Kugel in eine gemeinsame Richtung das Projektil an seinem Ziel vorbei lenken. Es würde nichts unmögliches passieren, aber die Zeitreisenden müssten sich auf jede Menge Überraschungen einstellen - die Gilde der Zeitreise-Drehbuchschreiber hat das vermutlich schon immer gewusst.

Quelle : http://www.heise.de/tp/

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Ein Team um den Münchner Professor Rudolf Gross hat nun eine extrem starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie erzielt. Die Kopplung von Quantenbits mit Lichtquanten könnte ein Schritt in Richtung Quantencomputer sein.

Die starke Kopplung von Quantenbits mit Lichtquanten ist ein Schlüsselprozess beim Bau eines Quantencomputers. Hier vermelden Physiker der TU München, des Walther-Meißner-Instituts für Tieftemperaturforschung der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (WMI) und der Universität Augsburg zusammen mit Partnern aus Spanien einen wesentlichen Fortschritt: Sie erzeugten eine ultrastarke Wechselwirkung von Mikrowellenphotonen mit den Atomen eines nanostrukturierten Schaltkreises. Die dabei erreichte Wechselwirkung ist zehnmal stärker als die bisher für solche Systeme erzielten Werte.

Elektronenmikroskopische Aufnahme des supraleitenden Quantenschaltkreises (rot: Qubit aus Aluminium, grau: Resonator aus Niob, grün: Siliziumsubstrat)

Das einfachste System zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie besteht aus einem sogenannten Hohlraumresonator, in dem genau ein Lichtteilchen, ein Photon, und ein Atom eingesperrt sind (Cavity quantum electrodynamics, cavity QED). Die Experimente sind hierbei extrem aufwendig, da die Wechselwirkung sehr schwach ist. Eine sehr viel stärkere Wechselwirkung lässt sich mit nanostrukturierten Schaltkreisen erzielen, in denen bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt Metalle wie Aluminium supraleitend werden (circuit QED). Richtig aufgebaut verhalten sich die vielen Milliarden Atome der nur wenige Nanometer dicken Leiterbahnen des Schaltkreises so wie ein einziges künstliches Atom und gehorchen den Gesetzen der Quantenmechanik. Im einfachsten Fall erhält man so ein System mit zwei Energiezuständen, ein sogenanntes Quantenbit oder Qbit.

Bei seinen Experimenten fing das Team um Professor Gross ein Photon in einem Resonator aus einer supraleitenden Niob-Leiterbahn ein, die an beiden Enden mit für Mikrowellen sehr gut reflektierenden Spiegeln ausgestattet war. In diesem Resonator wird das aus einem Aluminiumschaltkreis bestehende "Atom" so platziert, dass es mit dem Photon optimal wechselwirken kann. Möglich wurde dies durch Zuhilfenahme eines supraleitenden Josephson-Kontakts.

Die dabei gemessene Wechselwirkungsstärke erreichte bis zu zwölf Prozent der Resonatorfrequenz. Sie ist damit zehnmal stärker als bisher in Circuit-QED-Systemen gemessene Wechselwirkungen und viele tausendmal stärker als die in echten Hohlraumresonatoren messbaren Effekte. Die gezielte Manipulation solcher Paare aus Atom und Photon könnte der Schlüssel zum Bau von Quantencomputern sein, so die Forscher.

Allerdings tut sich für die Forscher mit den Ergebnissen auch ein neues Problem auf: Bisher beschrieb das 1963 entwickelte Jaynes-Cummings-Modell alle beobachteten Effekte gut. Im Gebiet der ultrastarken Wechselwirkungen scheint die Theorie jedoch nicht mehr zu gelten: "Die Spektren sehen so aus, als hätten wir es hier mit einem völlig neuen Objekt zu tun", sagte Professor Gross. "Die Kopplung ist so stark, dass das Atom-Photon-Paar als eine neue Einheit betrachtet werden muss, eine Art Molekül aus einem Atom und einem Photon."

Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in der Onlineausgabe des Magazins Nature Physics unter dem Titel Circuit quantum electrodynamics in the ultrastrong-coupling regime.

Quelle : www.golem.de

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Eines der wichtigsten offenen Probleme, mit denen sich Mathematiker und theoretische Informatiker herumschlagen, scheint gelöst: die Frage, ob die beiden so genannten Komplexitätsklassen P und NP identisch sind oder nicht. Der bei den HP Labs im kalifornischen Palo Alto beschäftigte Forscher Vinay Deolalikar behauptet, sie sind es nicht, und hat dafür einen knapp einhundertseitigen Beweis (PDF) vorgelegt.

In der Komplexitätstheorie umfasst die Klasse P all die Probleme, die sich mit einer deterministischen Rechenmaschine in einer Rechenzeit t lösen lassen, die von der Größe der Eingangsdaten n höchstens polynomisch abhängt, das heißt t ≤ n^k. Als Modell einer deterministischen Rechenmaschine verwenden Theoretiker üblicherweise eine Turing-Maschine, aber auch alle herkömmlichen digitalen Computer gehören dazu. Die Komplexitätsklasse P umfasst also alle Aufgabenstellungen, die sich mit vertretbarer Rechenzeit exakt berechnen lassen.

Die theoretische Informatik kennt neben deterministischen Automaten noch andere Modelle, darunter die nichtdeterministische Turing-Maschine: Sie entscheidet sich bei jedem Rechenschritt zufällig für einen von mehreren möglichen Wegen, die Berechnung fortzusetzen; der genaue Ablauf der Berechnung ist nicht von vornherein bestimmbar. Probleme, die eine solche Maschine in Polynomialzeit lösen kann, bilden die Komplexitätsklasse NP.

P ist eine Teilmenge von NP, denn Probleme, die sich deterministisch in Polynomialzeit lösen lassen, können auch nichtdeterministisch mit polynomischem Aufwand berechnet werden. Die bislang unbeantwortete Frage lautet, ob das auch umgekehrt gilt oder nicht. Etwas salopp formuliert: Könnten nichtdeterministische Maschinen bestimmte Rechenprobleme schneller lösen als bisherige Computer? Genau diese Frage bejaht Deolalikar nun in seinem Papier.

Die Arbeit ist ganz frisch und noch nicht ausführlich von Kollegen geprüft. Der HP-Forscher gilt aber als Experte auf diesem Forschungsgebiet und erste Einschätzungen halten die Arbeit für stichhaltig. Ob sie genaueren Prüfungen standhält, wird sich noch zeigen müssen, aber dass es diese Prüfungen geben wird, kann als sicher gelten: Immerhin ist das P-NP-Problem eines von sieben Fragestellungen, die das Clay Mathematics Institute (CMI) in Cambridge in die Liste der so genannten Millennium-Probleme aufgenommen und für deren Lösung es jeweils ein Preisgeld von einer Million US-Dollar ausgelobt hat.

Quelle : www.heise.de

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Multiple Existenzen im Multiversum

Das im Urknall entstandene klassische "Universum" wird inzwischen durch Begrifflichkeiten wie Quanten-, Parallel-, Mega- oder Metauniversum, vor allem aber durch das schillernde Gebilde des "Multiversums" verdrängt und überboten. Giordano Brunos frühe Vision eines unendlichen Universums mit unendlich vielen Planeten und Lebewesen zeigt bereits, dass klassische Vorstellungen eines einheitlich formierten Kosmos nie unangefochten waren. Für eine Wissenschaft, die traditionell die einfachere Erklärung gegenüber der aufwändigeren bevorzugt (Ockhams Rasiermesser), ist ein wucherndes Multiversum jedoch ebenso eine Zumutung wie der bizarre Teilchenverkehr der Quantenmechanik. Wie paradox ist es, im hiesigen Universum immer ausgedehntere Theoriewelten zu produzieren, nur um eines zu erklären?

Welche Welt hätten Sie denn gerne?

Kosmologen und Physiker favorisieren inzwischen mit wachsender Überzeugung, aber höchst unterschiedlichen Konsequenzen dieses kosmische Überbietungsszenario. Denn das Multiversum löst einige kosmische Ungereimtheiten auf, die in den tradierten Konstruktionen unerklärt blieben.

Illustrationen: Goedart Palm

Für Max Tegmark steht daher nicht mehr die Existenz des Multiversums an sich im Mittelpunkt seiner Überlegungen, sondern dessen Bauart. Der schwedisch-amerikanische Kosmologe hat eine vierstufige Hierarchie von Multiversen entwickelt, in der die Entwürfe im Blick auf unseren Kosmos immer fremdartiger erscheinen. Auf Ebene 1 präsentiert sich ein unendliches Universum der Abweichungen, das mit je verschiedenen Anfangsbedingungen zahlreiche Varianten des von uns beobachteten Kosmos zulässt. Auf Ebene 2 siedelt Tegmark das Schaumbad-Multiversum der inflationären Ausdehnung an. Es produziert Universen wie Blasen, in denen es mitunter wie bei uns zugeht oder aber andere Naturkonstanten, Elementarteilchen und Symmetrien für erhebliche Abweichungen sorgen. Zu diesem Typus gehören auch John Archibald Wheelers oszillierendes Universum und Lee Smolins kosmisches Evolutionsuniversum, das nachwachsende Baby-Universen erfolgreiche Universums-Typen übernehmen lässt.

Ebene 3 bezeichnet das bereits länger bekannte "Quantenuniversum", in dem die berüchtigte Schrödinger-Katze weiterhin ihr (Un)Wesen treibt. Dieses Universum der "Viele-Welten-Theorie" Hugh Everetts (1957) spaltet sich in einem ewigen Existenz/Nichtexistenz-Spiel auf, ohne dass die einzelnen Zustände miteinander kommunizieren können. In der "Theorie der universalen Wellenfunktion" steht die Welt permanent am Scheidewege, die unsere Möglichkeitsvarianten als Wirklichkeit in immer neue Parallelwelten schicken.

Mit diesem Weltverzweigungssystem im exponentiellen Maßstab ist alles physikalisch Mögliche wirklich wie umgekehrt – was an Georg Wilhelm Friedrich Hegels berüchtigten Spruch erinnert, dass das, was vernünftig ist, wirklich ist und was wirklich ist, auch vernünftig sei. Eine philosophische Korrespondenz findet diese Idee auch in David Lewis' modalem Realismus, dem alle möglichen Welten als reale gelten. Der stärkste intuitive Beleg solcher Welten finde sich im "kontrafaktischen Denken", also in unseren permanenten Vorstellungen alternativer Weltverläufe, in denen unsere konkrete Wirklichkeitserschließung erst möglich wird.

Auf Ebene 4 versammelt Max Tegmark alle mathematisch möglichen Konstruktionen, frei nach dem Spruch "Alles ist Zahl", der auf den Vorsokratiker Pythagoras von Samos verweist. Dieses disparate, nur aus Logik zementierte Sammelbecken von Welten lässt fliegende Spaghettimonster, diesmal als absolut reale Gottheiten, genauso zu wie uns grotesk erscheinende Naturgesetze, wenn etwa die Lichtgeschwindigkeit die langsamste Geschwindigkeit wäre. In der näheren Betrachtung ist dieses Multiversum, das weit weniger Anhänger gefunden hat als die vorgenannten drei, dem platonischen Reich der Ideen nahverwandt. Nur die Ideen, also auch die mathematischen Gleichungen, sind real, alles andere dagegen Schein oder menschliche Erkenntnisschwäche. Die stärkste Intuition dieses "verrücktesten" aller Multiversen gründet auf der innigen Beziehung zwischen Denken und Wirklichkeit, Modell und Empirie, Virtualität und Realität.

Diese vier Ebenen beschreiben nach Tegmark keine exklusive Beziehung des Weltenbaus, sondern sind mehr oder weniger frei kombinierbar, wie es sich besonders plausibel im Zusammenhang eines inflationär unendlichen Raums mit der parallel geschalteten Schachtelwelt der Quantenphysik darstellt.

Von der Existenz zur Multi-Existenz

Andrej Linde und Alexander Vilenkin haben seit Alan H. Guths Paradigmenwechsel in den 1980er Jahren mit im Einzelnen erheblichen Theoriefortschritten das "inflationäre Universum" vorgestellt, um die im kosmologischen Standardmodell auftretenden Konsistenzprobleme zu lösen und auch die Situation vor dem Urknall zu fokussieren.

Dieses in der Binnenansicht unendliche Universum ist ein Ewigkeits-Szenario: Es gibt laufend neu entstehende und ältere Gebiete in diesem inflationär expandierenden Ozean, die diesen Prozess bereits wie unsere Universum durchlaufen haben. Solche "Insel-Universen" eröffnen wegen der Begrenzung der Variierbarkeit der Elementarteilchen eine endliche Zahl von Geschichten, die an unendlich vielen Orten spielen. Tobias Hürter und Max Rauner haben das illustrative Beispiel eines Zuschauers gewählt, der auf seinem Fernseher durch unendlich viele Programme zappen kann, aber wegen der endlichen Zahl von Bildpunkten des Monitors unweigerlich auf Programmwiederholungen stößt. Das Multiversum findet in exakten Kopien unserer Welt und völlig anderen Versionen statt. Es mag noch harmlos sein, wenn nun der Bundesliga-Champion zum Absteiger wird, aber was ist mit einer Welt, die von dir Leser in einer grausamen Diktatur beherrscht wird?

Alex Vilenkin deprimiert der Verlust einer weiteren menschlichen Zentralperspektive im inflationären Multiversum, wenn zahllose kosmische Doppelgänger von uns just gerade dasselbe tun wie wir. Nach Max Tegmark findet sich im schwer oder gar nicht zu überwindenden Abstand von 10 hoch 10 hoch 29 Metern ein Autor, der just diesen Artikel oder aber einen besseren schreibt. Einzigartigkeit wird im Multiversum nicht mehr gewährt.

Doch der Zugewinn an Weltentwürfen und die dem zugeordnete Seinsweisen bietet auch bedingten Trost gegenüber dem Verlust narzisstischer Selbstgewissheit: Einige unserer Multiversums-Zwillinge haben das günstigere Schicksals-Los gezogen, weil ihre Welten besser sind als unsere. Leibniz, der Philosoph der besten aller möglichen Welten, wird nun endgültig auf das Altenteil seines kleinräumigen Monaden-Universums beschieden. Gott war erheblich erfindungsreicher, als es uns die barocke Physik mit ihren Harmonisierungszwängen zwischen Theologie und Physik bei wissenschaftlich schlechteren "Sichtverhältnissen" als den gegenwärtigen erklärt. Oder können wir den lieben Gott als "transzendenten Koordinator" (Bernulf Kanitscheider) ganz verabschieden, wenn an Stelle von metaphysischen nun eine Unzahl von physikalischen Welten mit unterschiedlichsten Eigenschaften rücken?

Der von einer Vatikan-Kommission 2004 mit der "Genesis" für kompatibel erklärte "Urknall" löste jedenfalls nie die Philosophen seit Anbeginn quälende alte Frage, warum etwas ist und nicht nichts. In inflationärer Perspektive wird indes auch die Entstehung der Welt aus dem Nichts, also die berühmte, für menschliche Anschauung unvorstellbare "creatio ex nihilo" mehr oder minder plausibel erläutert. Inzwischen reklamiert die Kosmologie mit diesen Schwindel erregenden, noch längst nicht überprüfbaren Weltvervielfachungen Zuständigkeiten, die vormals der Theologie, Metaphysik und literarischen Fiktion vorbehalten waren. Physik wird zur Fortführung der Metaphysik mit anderen – besseren – Mitteln, aber dadurch auch zu einem Ort ethischer Meditationen.

Multiversale Ethik

Der Philosoph, Moralist und Kosmologe Immanuel Kant war vor allem von zwei Dingen besonders ergriffen: "Der bestirnte Himmel über mir, und das moralische Gesetz in mir." Die Wichtigkeit des Menschen werde in der Unendlichkeit der "Welten über Welten" vernichtet, während die moralische Selbsterfahrung den Menschen unendlich erhöhe.

Kants Versuch, diese beiden Phänomene dialektisch zu verschränken, muss im Multiversum brisanter formuliert werden. Gibt es zahllose Spiegeluniversen, gibt es unzählige Varianten des Seins, dann relativieren sich die schicksalhaften, unabänderlichen Umstände, denen ich in diesem Universum unterworfen bin, so folgenreich wie meine kosmische Winzigkeit. Denn im nächsten, spätestens übernächsten Universum bin ich der König, der Bettler, der Jedermann. Glück und Pech, Freiheit und Fügung werden nicht mehr allein in diesem Universum verrechnet, sondern im multiversalen Maßstab – und damit in der Summe aller möglichen Existenzen letztlich abgeschafft.

Haben wir früher vergeblich gerechnet und gerechtet, ohne die göttliche oder kosmische Gleichung hinter all dem zu erkennen, erscheint die Welt nur noch ungerecht, wenn sie als einzige begriffen wird. Allerdings gibt Alex Vilenkin zu bedenken, dass immer dann, wenn man ein mögliches Unglück denkt, man sicher sein darf, dass es in einigen Regionen des Multiversums auch genau so gekommen ist. Gerechtigkeit verteilt sich nun auf Myriaden von Personen, die ich bin und doch wieder nicht bin. Zugleich wird nämlich auch die Identität zu einem bloß vorläufigen Seinsgefühl, das sich in zahllosen Varianten des Multiversums auflöst.

Hier ist das spätestens seit Ende des 19. Jahrhunderts in Wissenschaft und Literatur fragil definierte Ich endgültig "unrettbar" (Ernst Mach), wenn es Entwürfe gibt, die im Kreis der "hiesigen" Identität bleiben und Neuschöpfungen, die nur noch von ferne an unsere irdische Kondition erinnern. Immerhin brauchen uns von 10500 Universen, die von der Stringtheorie errechnet wurden, ohnehin nur die zu interessieren, die für uns fassbar sind - was das anthropische Prinzip als die Verknüpfung der kosmischen Bauweise mit unseren Beobachtereigenschaften zu neuen Ehren hat kommen lassen. Eine multiversale Ethik heißt nun, über alle moralischen Zustände des anthropisch zugänglichen Multiversums reflektieren und darin einer neuen praktischen Vernunft zu folgen, der eigenen Identitätsversion mit mehr kosmischer Gelassenheit zu begegnen.

Existenzen sind nicht mehr schicksalhaft unwiderruflich, sondern spreizen sich in weltenreiche Möglichkeiten, die hier so und dort anders realisiert sind. Nicht jeder Schritt wäre unausweichlich und irreversibel, wie es der Fatalist meint, der unsere nicht beweisbare, aber hartnäckige Intuition von Willensfreiheit provoziert. Die klassische ethische Position der goldenen Regel bzw. des kategorischen Imperativs (Immanuel Kant) erhält im Multiversum auch eine dynamische Neuformulierung: Handle stets mit der Vorstellung, dass du in einer anderen Welt dein Gegenüber bist.

"Ich" ist also, wie es Arthur Rimbaud und Jacques Lacan poetisch bis psychoanalytisch behaupteten, tatsächlich und leibhaft ein "Anderer". Das schafft allerdings auch moralische Unwägbarkeiten. Könnte ich nicht gleich zum Verbrecher werden, wenn die persönliche Verantwortung im Hier und Jetzt in der Perspektive des Multiversums zum unbeachtlichen Zufall verkommt und "ich" unzählige Seinweisen habe – so wenig sich das personale Seinsgefühl in diesem Universum deshalb auflöst. Doch wer hier rücksichtslos ist, "verwandelt" sich in jenem Multiversum zum Opfer. Reicht diese Überlegung zu unseren vielförmigen Zwillings-Existenzen vielleicht, mit mehr multiversaler Solidarität Menschen und andere Mitgeschöpfe zu behandeln?

Das Diesseits als Jenseits

Die Idee plural geschalteter Welten erlöst die hiesige Existenz zwar nicht so paradiesisch von aller Unbill, wie es die Weltreligionen verheißen, aber doch so, dass die schwer erträgliche "Geworfenheit" (Martin Heidegger) in diese vermeintlich einzige Welt der Irrungen und Wirrungen zur vorwissenschaftlichen Perspektive verkümmern könnte.

Die Verkopplung der kosmischen Bauweise mit der individuellen Existenz bietet zwei Perspektiven, die den Vorstellungskreis unserer Erfahrungswelt besonders provozieren: So behauptet David Deutsch, der den Begriff des Multiversums in seiner aktuellen Bedeutung entwickelt hat, dass gute Entscheidungen den jeweiligen Wahrscheinlichkeitsstrang multiversaler Existenz verstärken. Kurz gefasst: Gutes gebiert Gutes, Böses Böses. Die Wahrscheinlichkeiten eines sinnvollen Lebens in möglichst vielen Welten reduziert die katastrophischen Varianten. So könnten sich Doppelgänger entweder durch ethische Solidarität quantenmechanisch wechselseitig helfen oder im räumlich geschlossenen Multiversum-Modell schließlich doch vormals für unüberwindlich gehaltene Distanzen überbrücken.

Hier wie dort prägt der "dual use" die moralische Qualität der Parallelwelten: Philip K. Dick ließ in seinem literarischen Paralleluniversum die dunkle Fantasie zu, dass der Göring eines siegreichen Nazi-Deutschlands seinem scheiternden "alter ego" Hilfstruppen schickte. Für Sinnsucher dürfte dagegen die Perspektive interessanter sein, dass ein unendliches, ewig inflationäres Universum auch ewiges, allerdings diesseitiges Leben bietet. Denn Neu- bzw. Wiedergeburten "unseres" Universums in identischen Kopien oder in Varianten, die permanent zeitversetzt entstehen, geben jedem Individuum die (Überlebens)Perspektive auf ewige Wiederkehr. Diese Idee ist für Wiedergeburtsreligionen wie den Hinduismus, aber auch für den "Zarathustra" Friedrich Nietzsches eine geläufige Tatsache.

Physik und Kosmologie übernehmen mit der bizarren Theorie des "Multiversums" vorläufig die Welterklärungshoheit, mit der das provoziert wird, was Philosophie, Theologie und Mythologie bisher im Maßstab irdischer Zuständigkeiten konstruiert haben. Der nun durch unzählige Parallelzustände überbotene Schöpfungsmythos ist indes weit mehr als ein mathematisches oder physikalisches Spekulationsobjekt, zugleich ist es ein projektiver Horizont der Wünsche und Ängste, der die positivistische Entzauberung der Welt wieder zurücknimmt. Jene irdischen Zustände, die wir als Mangel erfahren, könnten nur eine Variante unserer Seinsweisen sein. Auch zu diesem Aspekt des Multiversums gibt es Vorläufer wie etwas Platons berühmte, auch quantenmechanisch plausible Erzählung der getrennten Doppelwesen ("Gastmahl"), die ständig auf der Suche nach ihrem Widerpart sind. Die perfekteste aller möglichen Welten erkennen wir nun in einem Metareich, das von den konkreten Existenzen abstrahiert und uns als multiple Wesen neu erfindet.

Immerhin gehört zu diesem neuen multiplen Sein weit über den Beobachtungshorizont hinaus auch die Hoffnung auf eine bessere als die vorgefundene Welt, sodass eine Intuition bleibt, selbst wenn das "Multiversum" dieser oder jener Bauart eine unbestätigte Hypothese bleiben sollte: Menschen haben in ihren Innenräumen schon je das Multiversum ihrer erwartungsvollen Existenzentwürfe konstruiert und damit das vollzogen, was Mathematik, Physik und Kosmologie noch nicht letztgültig überprüfen können, aber mit immer plausibleren Annäherungen an die Wirklichkeit aufzuspüren hoffen.

Quelle : http://www.heise.de/tp/

[Jürgen]

Hier geht es meiner Ansicht nach um Geisteswissenschaften, nicht um Physik oder Astronomie.

Wir haben nicht nur praktisch sondern auch theoretisch keinerlei Möglichkeit, aus irgendeinem anderen Universum irgendwelche Informationen zu erhalten.
Bei'm Gang durch welchen Ereignishorizont auch immer bleibt einfach nix beieinander.

Schon die Frage, ob ein Schwarzes Loch rotiert, ist grundsätzlich sinnlos.
Mag sein, dass das auf dieser Seite seines Ereignishorizonts feststellbare Magnet- oder Gravitationsfeld irgendwelchen Veränderungen unterliegt, oder auch nicht.
Das kann uns betreffen und daher interessieren.
Aber entweder gibt es keinerlei Möglichkeit, irgendetwas über's Innere zu erfahren, oder das Denkmodell des Ereignishorizonts ist grundsätzlich falsch oder mindestens unvollständig.
Und damit ebenso das des Schwarzen Lochs an sich.

Dasselbe gilt unvermeidlich auch für andere begrenzte - z.B. sog. Wurmlöcher oder Singularitäten - und eventuelle äussere Ereignishorizonte, i.e. andere Universen.
Es ist auch ohne jeden Belang, ob nach dem vermuteten Urknall irgendwann ein Big Crunch erfolgt, in irgendeiner Menge von Milliarden Jahren, denn so lange hält jedenfalls keine Sonne, kein Planet oder Raumschiff, keine Pyramide, auch nicht das menschliche Genom, nix auf der Welt.
Insofern ist es mir auch wurschtegal, ob das, was wir meinen, vom Urknall ganz weit draussen zu sehen, wirklich davon stammt, oder ob es vielleicht doch nur in einem unendlichen Universum eine noch unbekannte Skalierungserscheinung des Raums an sich ist, oder ob Photonen doch irgendwann altern.

Es ist nicht vernünftig anzunehmen, dass es irgendwann verwendbare und nicht-tödliche Technologien geben wird, die auf anderen Universen basieren.
Einmal angenommen, es gäbe eine übergeordnete Struktur ausserhalb unseres Universums, so stellte sich nicht einmal die Frage, ob unsere Zelle dadurch entstand oder auch wieder vergehen kann, denn selbst wenn, wäre auf unserer Seite niemand Zeuge.

Sollte ich mich irren, möge sich gerne irgendein Allmächtiger an mich wenden.
Aber bitte nicht zur Unzeit und nur nach rechtzeitiger Ankündigung.
So ein Weltenübergang wäre doch recht lästig, wenn man gerade am Duschen ist...

Jürgen

[SiLæncer]

In einem Beitrag für Nature Photonics  beschreibt eine Gruppe von Forschern aus Bayern und Dänemark, wie sich echte Zufallszahlen durch Ausnutzung eines Quantenphänomens (Vakuumfluktuationen) erzeugen lassen. Denn sogar in völliger Dunkelheit ist die Energie eines halben Photons vorhanden. Es ist zwar unsichtbar, sein Quantenrauschen lässt sich jedoch messen.

Dazu schicken die Forscher einen Laserstrahl durch einen Strahlteiler mit zwei Ein- und Ausgängen. Der eine Eingang wird blockiert. Das Quantenrauschen der Vakuumfluktuation ist dort jedoch weiterhin vorhanden und beeinflusst die beiden Teilstrahlen an den Ausgängen. Aus der Intensitätsdifferenz dieser beiden Teilstrahlen lässt es sich ermitteln.

Die Intensität des Quantenrauschens
folgt der Gausschen Normalverteilung.

Die so ermittelte Intensität des Quantenrauschens unterliegt der Normalverteilung, die durch eine Glockenkurve repräsentiert wird. Um aus einem gemessenen Wert eine Zufallsziffer zu erhalten, ordnen die Forscher jeweils gleich großen Teilflächen unter der Glockenkurve eine Bitfolge zu. Je nach Kurvenstück, zu dem die Intensität gehört, ergibt sich so ein zufälliger Bitwert.

Allerdings sind die auf diese Art ermittelten Rohdaten noch durch die deterministischen Einflüsse der Messgeräte beeinflusst. Um diese zu eliminieren, wird der Informationsgehalt dieser Rohdaten durch eine Hash-Funktion vermindert. In ihrem Beitrag verweisen die Wissenschaftler darauf, dass die so ermittelten Zufallszahlen alle Prüfungen der Crush-Sequenz der C-Bibliothek TestU01 (PDF) bestehen. Sie analysiert rund 35 Milliarden Zahlen mit 96 statistischen Verfahren.

Interessenten finden Sammlungen der mit diesem Verfahren erzeugten Zufallszahlen online.

Quelle : www.heise.de

[SiLæncer]

Forscher des Centre for Quantum Photonics an der Universität Bristol haben gemeinsam mit Kollegen aus Japan, Israel und den Niederlanden einen neuartigen Chip für Quanten-Bits (Qubits) entwickelt. Anders als Bits können Qubits mehrere Zustände zur selben Zeit speichern, wodurch ein Quantencomputer wesentlich komplexere Berechnungen vornehmen kann als bisher möglich. In dem Chip nutzen die Forscher zum Rechnen ein als "Quantum Walk" bezeichnetes Experiment mit zwei identischen Photonen. Nach ihren Angaben war das bislang nur mit einem Photon möglich. Im nächsten Schritt wollen die Forscher neue Simulationswerkzeuge damit entwickeln; langfristig soll der Weg hin zum Drei- und Mehr-Photonen-Quantum-Walk gehen. In weniger als 10 Jahren soll so der erste Quantencomputer seinen Dienst aufnehmen können – bisher ist man von mehr als 25 Jahren ausgegangen.

Quelle : www.heise.de

[SiLæncer]

Wer auf eine Leiter steigt, altert schneller - das haben US-Forscher mit extrem genauen Uhren nachgewiesen

Wenn im Physik-Leistungskurs Einsteins Spezielle Relativitätstheorie anschaulich erklärt werden soll, muss dazu meist das Zwillings-Paradox herhalten. Das bietet Menschen auf der Suche nach ewiger Jugend zumindest eine theoretische Lösung: Wer in ein möglichst schnelles Raumschiff steigt, seinen Zwilling zu Vergleichszwecken auf der Erde zurücklassend, ist bei seiner Rückkehr weniger gealtert als das in der Heimat verbliebene Geschwister.

Damit das auch an der Faltenzahl des Gesichts ablesbar ist, muss der Astronaut möglichst nah an der Lichtgeschwindigkeit unterwegs gewesen sein. Es hat deshalb auch ein bisschen gedauert, bis die Wissenschaft Einsteins Theorie nachmessen konnte - am besten funktionierte das noch bei astronomischen Dimensionen. Inzwischen ist die Technik aber so weit, dass sich Relativität auch in alltäglichen Größenordnungen zeigen kann. In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science beschreiben Physiker des amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST), mit welch überraschender Genauigkeit sie dabei vorgegangen sind.

Als Arbeitsmittel nutzten die Forscher dazu so genannte optische Atomuhren - das "optisch" bezieht sich dabei nicht auf die Art des Ablesens, die im Experiment benutzten Uhren haben also keine Zeiger oder ähnliches. Vielmehr kamen Atomuhren zum Einsatz, wie sie als Zeit-Referenzen schon länger im Einsatz sind. Allerdings mit einem kleinen Unterschied: Die vom NIST getesteten "Uhren" arbeiten, wie die Forscher es formulieren, im "optischen Regime" - das heißt, die zur Zeitmessung genutzten Zustandsübergänge liegen nicht wie bei den sonst eingesetzten Atomuhren etwa auf Cäsium-Basis im Mikrowellen-, sondern im optischen Bereich.

Atomare Stimmgabel

Die Uhr "tickt" aber ansonsten wie jede gewöhnliche Atomuhr: Durch Anregung nimmt sie Energie auf, nimmt einen anderen Zustand ein und gibt die Energie nach einem kurzen, aber sehr konstanten Zeitraum wieder ab. So entsteht eine Art atomarer Stimmgabel. Die allerdings nicht mit Hertz oder Kilohertz schwingt, sondern pro Sekunde über eine Billiarde Mal. Den Forschern gelang es dabei, die Stimmgabel äußerst ausdauernd zu konstruieren - das Ion bleibt für 400.000 Milliarden Zyklen mit der Anregungsfrequenz synchron. Eine derart ausdauernde Stimmgabel müsste für über 10.000 Jahre konstant klingen. Bei der Al-Uhr sind die 400 Milliarden Zyklen zwar schon in einem wortwörtlichen Augenblick vorbei - aber für die Messung relativistischer Phänomene ist das der passende Zeitrahmen.

NIST-Forscher bei der Arbeit (Zeichnung: Loel Barr / NIST)

In zwei Experimenten stellten die NIST-Forscher nach, was Einstein noch als Gedankenexperiment entwickelt hatte. Zum einen platzierten sie die beiden, 75 Meter voneinander entfernten und via Glasfaserkabel synchronisierten Uhren in unterschiedliche Höhe. Die Höhendifferenz von einem Drittel Meter entspricht ungefähr ein oder zwei Leitersprossen. Nach der Speziellen Relativitätstheorie müsste die Uhr, die der höheren Gravitationswirkung ausgesetzt ist (also die untere, die sich näher am Erdkern befindet), etwas langsamer ticken. Das Experiment bestätigte dies - obwohl der Effekt so gering ist, dass er sich nach einer mittleren Lebensspanne von 79 Jahren gerade einmal auf 90 Milliardstel Sekunden addiert hat.

In einem zweiten Versuch prüften die Wissenschaftler das oben erwähnte Zwillings-Paradox. Dazu versetzten sie das "Mess-Ion" einer der beiden Uhren in eine langsame, periodische Bewegung, mit einer Geschwindigkeit von einigen Metern pro Sekunde - also so schnell wie ein Radfahrer oder ein langsames Auto. Auch hier verhielten sich die Zeitmesser brav nach der Theorie: Die bewegte Uhr tickte etwas langsamer als der stationäre Zwilling. Nun ist es eigentlich nicht mehr nötig, Einsteins Spezielle Relativitätstheorie zu beweisen - das haben schon andere erledigt. Interessant ist die Anwendung aber unter anderem für die Erdvermessung, Geophysik und Hydrologie - oder auch bei künftigen, weltraumgebundenen Nachweisen anderer grundlegender Theorien. Mit weiteren Verbesserungen wollen die Forscher die Genauigkeit der Zeitmessung zudem noch um den Faktor Zehn erhöhen.

Quelle : http://www.heise.de/tp/

[SiLæncer]

Zukunft ist das, was noch keine Zeit erzeugt hat

Bis ins 20. Jahrhundert hinein galt die Zeit als etwas Absolutes und von den Dingen Losgelöstes. Erst im Zuge der Entwicklung der Relativitätstheorie veränderte sich unser Zeitverständnis. Die Relativitätstheorie beschreibt Zeit als etwas Relatives, abhängig von Geschwindigkeit und Gravitation. Die Zeit soll zusammen mit den drei Raumkoordinaten eine Art "vierte Dimension" darstellen.

Dies weckte auch die Fantasie der Science-Fiction-Autoren, denn ist die Zeit von ihrem Wesen her raumhaft, könnte man dann nicht in ihr reisen, sozusagen von einem Raum-Zeit Ort zum nächsten? Leider scheint diese Vorstellung dann aber mit einem weiteren modernen Mythos zu kollidieren: der Vorstellung der Kausalität.

Jeder kennt das sog. "Großvater-Paradoxon": Jemand reist in die Vergangenheit und beseitigt die Ursachen seiner Existenz. Schade nur, dass dieses Paradoxon knapp an der eigentlichen Problematik vorbeischrammt. Es ist nämlich völlig unerheblich, ob der Zeitreisende seinen Vater, seinen Großvater oder sonst einen Vorfahren erschießt. Sein Vater ist nicht sein Vater und sein Großvater ist nicht sein Großvater. Er hat gar keine Vorfahren. Die wesentlichen Ursachen seiner Existenz existieren gar nicht, denn sie liegen in der Zukunft.

Der eigentliche Skandal ist dagegen seine Ankunft in der Vergangenheit. Zum einen stellt seine Ankunft in der Vergangenheit ein spontanes, akausales Ereignis dar, welches dem Grundsatz widersprechen würde, dass nichts ohne Grund sei. Dieser Grundsatz geistert seit mehr als zweitausend Jahren durch die Philosophiegeschichte. Seine bekannteste Ausprägung findet er in Leibnitz' Satz vom "zureichenden Grunde".

Zum anderen haben wir es im Falle von Zeitreisen mit zwei Vergangenheiten zu tun: Einmal ohne und einmal mit dem Zeitreisenden. Ist die Zeit ein vierdimensionales Raum-Zeit Kontinuum, dann ist selbiges unmöglich, denn es kann an demselben Punkt der Raum-Zeit nicht etwas existieren und in gleicher Hinsicht nicht existieren.

Einige Autoren unterstellen nun separate "Zeitlinien" (was immer das sein mag), in einer "wissenschaftlichen" Ausprägung werden wir mit "Vielwelten-Theorien" konfrontiert, die, mit allerhand mathematischer Lyrik über unendlichdimensionale Hilbert-Räume unterfüttert, uns vor solchen Paradoxien beschützen wollen. Es gibt sogar Leute, die uns tatsächlich weismachen wollen, im Bedarfsfall entstünden spontan Paralleluniversen, in denen sich die verschiedenen Möglichkeiten realisieren. Das soll nicht nur im Falle von Zeitreisen so sein, sondern sich auch so in unserem quantenphysikalischen Alltag abspielen.

Der physikalisch gebildete Zeitgenosse kennt die diversen Doppelspaltexperimente, in denen sich Teilchen manchmal wie Teilchen und dann wieder als Wellen aufführen, je nachdem ob man versucht zu messen, durch welchen Spalt ein Teilchen fliegt. Soll sich das Universum also jedes Mal aufspalten, wenn sich so ein Teilchen, akut schizophren, nicht festlegen mag, durch welchen Spalt es geflogen kam? Die "Kopenhagener Deutung" dieser Phänomene geht hingegen – vereinfacht gesagt - davon aus, dass es die Beobachtung selbst ist, die die Wirklichkeit erschafft. Insofern erteilt sie dem "physikalischen Realismus", nach dem die Dinge sind, wie sie sind, unabhängig von einem sie wahrnehmenden Bewusstsein, eine klare Absage und verfolgt einen transzendental - idealistischen Ansatz.

Beide Erklärungsansätze haben einen entscheidenden Nachteil: Sie sind wohl prinzipiell nicht empirisch falsifizierbar, also reine Spekulation. Es geht aber auch viel einfacher, der "physikalische Realismus" braucht auch nicht aufgegeben zu werden.

Zeit entsteht durch Wechselwirkung zwischen Objekten

Was wäre denn, wenn "Zeit" ständig neu entstünde und zwar als Ergebnis einer Wechselwirkung zwischen Objekten? Im Falle der erwähnten Doppelspaltexperimente entsteht beim wechselwirkungsfreien Flug eines Teilchens durch einen Spalt gar keine Zeit. Das Interferenzmuster, das wir sehen, stellt die Zukunft des bzw. der Teilchen dar, denn zukünftig nennen wir das, was noch keine Zeit erzeugt hat. Jede Messung stellt aber eine mittelbare oder unmittelbare Wechselwirkung zwischen dem zu Messenden und dem Messinstrument dar. Versucht man nun zu messen, durch welchen Spalt die Teilchen fliegen, erzeugt man Zeit und das Interferenzmuster bricht zusammen. Auch andere schwer erklärbare Dinge, wie z.B. die "spukhafte Fernwirkung" verschränkter Teilchen, Quantenradierer usw. können so plausibel erklärt werden.

Diese These hat an sich einen weiteren großen Vorteil: Sie ist empirisch prinzipiell falsifizierbar. Wie könnte ein Experiment aussehen, das diese These widerlegt? Erinnern wir uns, das Doppelspaltexperiment erzeugt ein Interferenzmuster, welches zusammenbricht, wenn man versucht zu messen, durch welchen Spalt ein Teilchen fliegt. Die These behauptet nun, dass das auf dem Schirm abgebildete Interferenzmuster die Zukunft der Teilchen hinsichtlich ihrer Möglichkeiten und Wahrscheinlichkeiten darstellt. Das Aussehen des Interferenzmusters wird u.a. von der Spaltengeometrie bestimmt. Wenn man nun die Spaltengeometrie ändert, dann sollte sich das Interferenzmuster ohne Zeitverzögerung entsprechend ändern, denn die Teilchen haben sofort eine andere Zukunft. Zu erwarten wäre andernfalls, dass sich das Interferenzmuster erst mit der zeitlichen Verzögerung ändert, die der Flugzeit der Teilchen von den Spalten bis zum Schirm entspricht. Tritt Letzteres ein, dann war's doch wenigstens eine originelle Idee (eine ausführliche Diskussion dieser und anderer Thesen findet sich in einem von mir verfassten philosophischen Essay.

Hansjörg Pfister

Quelle : http://www.heise.de/tp/

[Warpi]

Zeichentrickfilm macht Gedankenexperiment für jeden verständlich

Eine Person, die theoretisch mit Lichtgeschwindigkeit ins All reist, würde langsamer altern als ihr auf der Erde verbliebener Zwilling.
Das Gedankenexperiment von Albert Einstein ist als Zwillingsparadoxon bekannt und eine Folge der sogenannten Zeitdilatation.

Hier geht es weiter , Quelle der Standard

[SiLæncer]

Bisher sind Quantencomputer nur theoretisch erforscht, praktisch nutzbare Realisierungen liegen noch in ferner Zukunft. Im Experiment arbeiteten bisher nur einige Systeme mit wenigen "Qbits". Bei der Forschung geht es nicht nur um Verschlüsselung oder die extrem schnelle Suche in Datenbanken. Für die Praxis wichtiger wäre das Berechnen von Quantensystemen mit solchen quantenmechanischen Hilfsmitteln, woran die klassische Informatik bisher wegen Komplexität und schierem Umfang dieser Aufgaben scheitert.

In dieser Hinsicht könnte mit der Nature-Veröffentlichung "Quantum Metropolis Sampling" von Temme, Osborne, Vollbrecht, Poulin und Verstraete wenigstens ein theoretischer Durchbruch gelungen sein. Es gelang den Autoren, den seit 1953 bekannten Metropolis-Algorithmus, der unter anderem Grundlage für komplexe Optimierungsverfahren ist, auf quantenmechanische Systeme zu übertragen. Dies ist ein altes Problem, auf das bereits 1982 der Nobelpreisträger Richard Feynman hinwies. Bei seiner Lösung muss mit "negativen Wahrscheinlichkeiten" gerechnet werden, die in der uns vorstellbaren Welt keinen Sinn ergeben.

Die komplexen Hintergründe erläutert ein PDF-Dokument. Die praktische Bedeutung dieser Arbeit ist nicht zu unterschätzen, weswegen Nature unüblicherweise ein derart theoretisches Werk publizierte. Mit Berechnungen (selbst kleiner) quantenmechanischer Vielkörperprobleme ließen sich zahllose Eigenschaften etwa von chemischen Verbindungen, Legierungen, Flüssigkeiten und Plasmen vorherzusagen, was bis heute nur in grober Näherung möglich ist.

Das Forschungsprojekt von Wissenschaftlern der Universitäten in Wien, Hannover und Sherbrooke in Quebec (Kanada) sowie des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik wurde von der EU gefördert.

Quelle : www.heise.de