Physik ist kompliziert.
Es gibt keine zwei Möglichkeiten, es zu umgehen. Es ist unser bester Versuch, das zu erklärenGeheimnisse der Struktur des Universums um uns herum, und ehrlich gesagt, haben wir einen ziemlich guten Job gemacht. Wir haben Theoreme, Formeln und Gesetze herausgekitzelt, die uns viel über unseren Platz in der Welt erzählt habenWelt.
Wenn wir die zugrunde liegende Wissenschaft ein wenig besser verstehen, können wir hoffentlich das unglaubliche Ausmaß dieser Entdeckungen erfassen und vielleicht, nur vielleicht, umso besser sein.
Schrödingers Katze:
Vielleicht ist das bekannteste Gedankenexperiment der gesamten Wissenschaft, Schrödingers Katze, auch das wohl am meisten missverstandene physikalische Prinzip.
Es wurde 1935 nach einem hitzigen Austausch mit Einstein vorgeschlagen, um sich den Staat vorzustellenSchrödinger auch als Quantensuperposition bekannt – bei der Eigenschaften von Quantenteilchen in mehreren verschiedenen Zuständen gleichzeitig vorliegen.
Die Einrichtung ist jedoch etwas komplizierter als Sie wahrscheinlich dachten und geht so:
In einer versiegelten Kiste befindet sich ein Stück radioaktiven Gesteins neben einem Geigerzähler, der registriert, ob Radioaktivität emittiert wird.
Da radioaktive Emission ein spontaner Quantenprozess ohne Ursache ist, befindet sich das Gestein in einer Überlagerung von emittierter und nicht emittierter Strahlung, bis eine Art von Messung erfolgt.
Dieser Geigerzähler wird dann mit einem Hammer verbunden, der eine Cyanid-Phiole zerbricht, wenn er fällt. Wenn Sie Strahlung registrieren, fällt der Hammer, zerschmettert die Phiole und setzt das Cyanid frei.
Schrödinger stellte sich als nächstes eine Katze im Inneren der Kiste vor: Bis eine Messung stattfand – etwa wenn jemand die versiegelte Kiste öffnete und eine Beobachtung machte – muss sich die Katze logischerweise in einer Überlagerung von Lebend und Tot befinden.
Abgesehen von der Komplexität klingt das im Grunde immer noch nach dem, was wir alle in unserem Physikunterricht gelernt haben. Aber was Sie vielleicht überraschen wird, ist, dass Schrödinger sogar in der Arbeit, in der Schrödinger dieses Gedankenexperiment stellte, die gesamte Idee als „lächerlich“ bezeichnete.
Und Einstein stimmte seinerseits zu, dass die aktuelle Theorie unmöglich den tatsächlichen Stand der Dinge beschreiben kann.
Nur durch eine seltsame Reihe von Umständen außerhalb von Schrödingers Kontrolle wurde sein Gedankenexperiment zur Standardmethode, mit der wir über Quantensuperposition dachten.
Also, was ist das Problem daran? Nun, in erster Linie kommt es auf die Messung an. Zum einen ist es nie wirklich definiert.
Zählt das Knacken einer Messgerätnadel als Maß, wenn niemand auf das Messgerät schaut? Muss ein Bewusstsein beteiligt sein, damit die Katze lebt oder stirbt? Was ist, wenn die Katze den Geigerzähler klickt; wird das “kollabieren“ die Überlagerung?
Das eigentliche Problem ist natürlich, dass wir in der realen Welt wissen, dass die Katze tatsächlich entweder lebt oder tot ist, wir sie nicht wirklich messen müssen.
In der Quantenwelt kann sich ein Teilchen jedoch tatsächlich in zwei Zuständen gleichzeitig befinden, da jedes Teilchen als Wahrscheinlichkeitsfunktion existiert, wobei jedem Quantenzustand in seiner Überlagerung eine bestimmte Wahrscheinlichkeit zugewiesen wird, bei der Messung angezeigt zu werden.
Bis zur Messung sind jedoch alle Möglichkeiten realisiert.
Hoffentlich gibt Ihnen das ein Gefühl dafür, warum die Katze in der Kiste nicht ausreichend ist, um eine der komplexesten Nuancen der gesamten Physik zu beschreiben.
Heisenberg Unsicherheitsprinzip:
DerUnsicherheitsprinzip ist eine der berühmtesten und wieder einmal missverstandenen Ideen in der Physik. Sie sagt uns, dass es in der Natur eine Unschärfe gibt, eine grundlegende Grenze dessen, was wir über das Verhalten von Quantenteilchen und damit die kleinsten Skalen wissen könnenvon Natur.
Dies schließt sich sehr eng an das an, worüber wir mit Schrödingers Katze gesprochen haben, denn auch hier geht es einfach darum, die Wahrscheinlichkeiten zu berechnen, wo sich die Dinge befinden und wie sie sich verhalten werden.
Unter ihren vielen kontraintuitiven Ideen schlug die Quantentheorie vor, dass Energie nicht kontinuierlich ist, sondern in diskreten Paketen Quanten vorkommt und dass Licht sowohl als Welle als auch als Strom dieser Quanten beschrieben werden kann.
Bei der Ausarbeitung dieser radikalen Weltanschauung entdeckte Heisenberg ein Problem darin, wie die grundlegenden physikalischen Eigenschaften eines Teilchens in einem Quantensystem gemessen werden können.
In einem seiner regelmäßigen Briefe an einen Kollegen präsentierte er die Ahnung einer Idee, die inzwischen zu einem grundlegenden Bestandteil der Quantenbeschreibung der Welt geworden ist.
Das Unsicherheitsprinzip besagt, dass wir die Position und den Impuls eines Teilchens nicht mit absoluter Genauigkeit messen können. Je genauer wir einen dieser Werte kennen, desto weniger genau kennen wir den anderen.
Das Unschärfeprinzip ist das Herzstück vieler Dinge, die wir beobachten, aber nicht mit klassischer Nicht-Quanten-Physik erklären können.
Eine Möglichkeit, das Unsicherheitsprinzip zu betrachten, ist eine Erweiterung der Art und Weise, wie wir Dinge in der Alltagswelt sehen und messen. Sie können diese Wörter lesen, weil Lichtteilchen, Photonen, vom Bildschirm oder Papier abprallen und Ihre Augen erreicht haben.
Ein subatomares Teilchen wie ein Elektron zu sehen, ist nicht so einfach. Sie könnten auf ähnliche Weise ein Photon davon abprallen lassen und dann hoffen, dieses Photon mit einem Instrument zu erkennen.
Es besteht jedoch die Möglichkeit, dass das Photon dem Elektron beim Auftreffen einen Impuls verleiht und die Bahn des Teilchens ändert, das Sie messen möchten.
Oder, da sich Quantenteilchen oft so schnell bewegen, befindet sich das Elektron möglicherweise nicht mehr an der Stelle, an der es ursprünglich war, als das Photon davon abprallte.
So oder so, Ihre Beobachtung des Ortes oder des Impulses wird ungenau sein und, was noch wichtiger ist, die Beobachtung beeinflusst das beobachtete Teilchen.
Es ist eine komplexe, aber relativ intuitive Idee mit einigen unglaublichen Konsequenzen. Die Schlussfolgerungen, die wir aus dem einfachen Prinzip von Heisenberg ziehen können, sagen uns, warum Atome nicht implodieren, wie die Sonne scheint und seltsamerweise das Vakuum des Weltraums nicht isteigentlich leer.
Aber leider sind das alles Themen für einen anderen Tag.
Relativität:
Einsteins Theorie von Besondere Relativitätstheorie ist nicht so sehr missverstanden, sondern zu stark vereinfacht. Abgesehen davon ist es auch eine der bekanntesten aller komplexen physikalischen Theorien.
Bevor Einstein diese Theorie 1905 entwickelte, verstanden die meisten Wissenschaftler das Universum nur anhand der drei Newtonschen Gesetze, und seitdem bildet es die Grundlage der modernen Physik.
Es erklärt, wie Raum und Zeit mit Objekten verbunden sind, die sich mit konstanter Geschwindigkeit in einer geraden Linie bewegen. Aber einer der bekanntesten Aspekte betrifft Objekte, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Der beste Weg, die Spezielle Relativitätstheorie zu verstehen, sind Einsteins eigene Gedankenexperimente. Stellen Sie sich für das erste vor, Sie reiten auf einer Lichtwelle und betrachten eine andere Lichtwelle, die sich parallel zu Ihnen bewegt.
Die klassische Physik sollte sagen, dass die Lichtwelle, die Sie betrachten, eine Relativgeschwindigkeit von Null hat, aber Einstein wusste, dass dies den Maxwell-Gleichungen widersprach, die zeigten, dass Licht immer die gleiche Geschwindigkeit hat.
Daher wusste Einstein, dass etwas anderes passieren musste, und er begann, in Richtung von „Aussichtspunkten“ zu denken.
Dies führte Einstein dazu, seine letzte Theorie auf das alltägliche Beispiel einer Person herunterzubrechen, die neben einem fahrenden Zug steht und Beobachtungen mit einer Person im Zug vergleicht.
Er stellte sich vor, dass sich der Zug an einem Punkt auf dem Gleis gleich zwischen zwei Bäumen befand. Wenn ein Blitz beide Bäume gleichzeitig traf, würde die Person im Zug aufgrund der Bewegung des Zuges sehen, wie der Blitz einen trafBaum vor dem anderen Baum.
Aber die Person neben dem Gleis würde gleichzeitige Schläge sehen.
So kam Einstein zu dem Schluss, dass Gleichzeitigkeit relativ ist; Ereignisse, die für einen Beobachter simultan sind, für einen anderen möglicherweise nicht.
Dies führte ihn zu der kontraintuitiven Vorstellung, dass die Zeit je nach Bewegungszustand unterschiedlich vergeht, und zu der Schlussfolgerung, dass auch die Entfernung relativ ist.
Es ist gleichzeitig ein einfaches und völlig kontraintuitives Argument, das die Leute davon abhält, zu viel über die Nuancen zu lernen, aber es ist auch unglaublich einflussreich.
Eine der berühmtesten Gleichungen der Mathematik stammt aus der speziellen Relativitätstheorie.
Die Gleichung — E = mc2— bedeutet "Energie gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit im Quadrat." Es zeigt, dass Energie E und Massem sind austauschbar;sie sind effektiv verschiedene Formen derselben Sache.
Diese Gleichung zeigt auch, dass die Masse mit der Geschwindigkeit zunimmt, was die Geschwindigkeit der Dinge im Universum effektiv begrenzt.
Wenn sich ein Objekt bewegt, nimmt auch seine Masse zu. Nahe der Lichtgeschwindigkeit ist die Masse so hoch, dass es unendlich wird und unendlich Energie benötigen würde, um es zu bewegen, wodurch die Geschwindigkeit eines Objekts begrenzt wird.
Der einzige Grund, warum sich Licht mit der Geschwindigkeit bewegt, die es tut, ist, dass Photonen, die Quantenteilchen, aus denen Licht besteht, eine Masse von Null haben.
Der Urknall:
Die meisten Leute mit einem wissenschaftlichen Hintergrund – oder Fans moderner Sitcom-Titelsongs – neigen dazu zu denken, dass sie genau wissen, was The Big Bang ist. Und bis zu einem gewissen Grad haben sie wahrscheinlich Recht.
Die meisten Leute kennen die Urknalltheorie als den vielleicht bekanntesten Vorschlag für den Beginn des Universums, bei dem sich das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren aus einer extrem heißen und dichten Singularität ausdehnte.
Der Theorie nach geschah diese Expansion unglaublich schnell und mit einer explosiven Energie, die im wahrsten Sinne des Wortes unfassbar ist.
Aber hier endet die Vertrautheit der meisten Leute mit der Theorie und wo sie oft missverstanden wird.
Die Materie ist nicht einfach aus dem Nichts explodiert, der Urknall ereignete sich überall im Universum gleichzeitig—es ist keine Explosion im Weltraum, sondern eine Explosionvon Raum. Eine andere Möglichkeit, sich das vorzustellen, ist das Platzen des Raumes in die Dimension der Zeit.
Doch der genaue Prozess dessen, was dies verursacht hat und natürlich, was vorher da war bleibt im Wesentlichen unbekannt.
Wir nähern uns dem Zusammensetzen der frühesten Momente des Universums, aber sein wahrer Ursprung ist immer noch ein Rätsel, und alle Theorien oder Modelle der "Schöpfung" sind zu diesem Zeitpunkt unglaublich spekulativ.
Wissenschaftler versuchen immer noch, die extremen Kräfte herauszufinden, die während der ersten Momente des Universums im Spiel sind.
Letztendlich werden wir daran gehindert zu wissen, was in den allerersten Momenten passiert ist etwa in weniger als 10^-40 Sekunden, weil wir die Quantenaspekte der Gravitation nicht vollständig verstehen.
Um die Entstehung unseres Universums vollständig zu verstehen, benötigen wir ein umfassendes Verständnis der physikalischen Gesetze, die Materie und Antimaterie regeln.
Dies ist jedoch ein kleines Problem, da das Standardmodell der Teilchenphysik nicht den Großteil der Materie ausmacht, die der Urknall produziert hat.
Selbst wenn wir das Modell auf den Kopf stellen und es schaffen, die Natur der Materie und die Wechselwirkungen der Antimaterie zu verstehen, haben wir natürlich immer noch keine endgültige Antwort auf die Entstehung des Universums.
Obwohl es sehr wahrscheinlich ist, dass wir das einfach nie erfahren. Und das ist in Ordnung – solange die zugrunde liegende Wissenschaft nicht missverstanden wird.