Quantephysik a Relativitéit Vum Klengen zum Groussen

Géint Ufank vum 20. Jorhonnert huet d'Physik direkt zwou Revolutiounen erlieft: den Albert Einstein huet eist Verständnis vu Raum an Zäit komplett op de Kapp gestallt, an dunn ass d'Welt vun den Atomer an den Elementardeelercher duerch d'Quantephysik zu enger reng mathematescher an abstrakter Affaire ginn. Ma trotzdem huet sech séier d'Fro opgedrängt, wéi di zwou Erklärunge verbonne kéinte ginn.

Claude Wangen / ckl

laser quantenoptik.jpg
Quantewelt a Relativitéit: nach ëmmer schwéier ze verbannen

Dem Einstein seng Iddië konnte schnell an der Realitéit iwwerpréift ginn. 1919 konnt festgestallt ginn, datt d'Luucht net onbedéngt ëmmer riichtaus geet, ma duerch grouss Massen – d'Sonn beispillsweis – ofgelenkt gëtt. De Raum war net méi en einfache véiereckege Koordinatesystem, ma seng Struktur huet direkt vun deem ofgehaangen, wat dra war.

An och d'Quantephysik konnt hier Grondlag festegen: Deelercher, déi theoretesch virausgesot waren, konnten tatsächlech fonnt ginn, an Atomer konnte gedeelt a verschmëlzt ginn.

De fundamentale Problem deen sech der Physik awer gestallt huet, war de Raum an deem alles ofgelaf ass. Fir d'Leit aus dem Camp vun der Relativitéit war kloer, dass de Raum direkt mat de Masse verbonne war déi dra waren: eng grouss Mass konnt de Raum veränneren – dehnen – an d'Zäit war och mat dësem Raum direkt verbonnen.

"Wéi vill Auer Zürich um Zuch?" – E Problem fir de Quantephysiker

D'Iddi vun der Relativitéit ass jo grad dass et keen absolute Raum gëtt – all Observateur gesäit d'Welt vu sengem relative Standpunkt aus anescht, an eng absolut wouer Welt gëtt et net. Als Anekdot: Den Einstein soll dat mol op d'Spëtzt gedriwwen hunn, wéi hien e Schaffner gefrot huet, ëm wéi vill Auer Zürich um Zuch ukënnt – fir de Relativitéitsphysiker ass et kee Problem den Zuch als Fixpunkt ze huelen, a da kënnt d'Gare ebe bei den Zuch an net ëmgedréint.

Ma fir d'Quantephysik hëlt awer genau déi ëmgedréinten Approche: fir dass dëse mathematesche Modell funktionéiere ka mussen de Raum an d'Zäit als fest Kulissen do sinn. Par konter sinn hei aner Saachen net méi kloer definéiert: en Elementardeelchen huet op eemol keng kloer Positioun oder Vitesse méi – alles ass zu Wahrscheinlechkeete ginn déi duerch d'Onschärferelatioun vum Schrödinger nach méi vague gi sinn.

Vu Schwarzschild bis Wheeler a Misner

An d'Quantephysik gesäit net nëmmen de Raum u sech anescht, mee hei ass den eidele Raum och net eidel: zu all Moment kënnen Deelercher aus dem Näischt entstoen, oder sech ënnerteneen zerstéieren.

Ma d'Relativitéit huet och Viraussoen iwwert d'Welt vum klenge gemaach, just déi huet ganz anescht ausgesi wéi d'Quantentheorie se beschriwwen huet: Den däitsche Karl Schwarzschild hat 1915 schonns, während hien Zaldot am éischte Weltkrich war, erausfonnt, datt grouss Masse kënnen duerch hier eegen Unzéiungskraaft zu engem klenge Punkt zesummefalen – eppes dat spéider sollt als Schwaarz Lächer bekannt ginn. Mee wéi sou en ondenkbar klenge Punkt mat enger gewalteger Mass konnt stabil sinn, dat konnt net erklärt ginn.

En éischte wierkleche Schrëtt a Richtung Léisung vun dësem Problem koum an de 1950er Jore mat den Aarbechte vun den zwee Amerikaner John Wheeler an Charles Misner.

Si hu festgestallt, dass d'Iddie vu Raum an Zäit bei ganz klengen Distanzen oder Zäitintervallen iwwerraschend anescht fonctionnéiere wéi am groussen: De Raum verformt sech, riicht Stécker ginn op eemol gewellt, et entsti Bullen an Wuermlächer déi verschidde Géigende verbannen – de Wheeler huet dës bizar Struktur mat engem Schaum verglach.

D'Theorie vun de schwaarze Lächer

Ma et war virun allem d'Theorie vun de schwaarze Lächer déi d'Relativitéitsphysiker beschäftege sollt: Hei huet d'Gravitatioun hire gréisst-méiglechen Afloss gehat – a grad dës Kraaft war et awer och, déi sou schlecht an d'Quantentheorie gepasst huet. Kee Wonner also, dass hei och no der Léisung an der Verbindung gesicht gouf.

Ma dobäi huet missen als éischt mol d'Fro beäntwert ginn, wat an de schwaarze Lächer eigentlech geschitt. Entstan si se wann eng Usammlung vu Mass ze grouss war: d'Mass huet sech sou staark ugezunn, dass dës enorm Kraaft zu engem Kollaps gefouert hunn. An no dësem Zesummefall war d'Mass op sou klengem Raum konzentréiert, dass d'Gravitatioun – mathematesch gesinn – onendlech grouss war. Näischt konnt méi entkommen, weder Objete mat Mass, nach Luucht u sech.

Fundamental Awërf vum Stephen Hawking

Well awer näischt sou einfach ass wéi et ausgesäit, sollt de Stephen Hawking dës Siicht vun de schwaarze Lächer dann awer nach eng Kéier fundamental veränneren: hien huet nämlech weise kënnen, dass trotz allem eng Zort Strahlung aus dësem schwaarze Lach entwäiche kann. Méi nach: duerch des Strahlung verléiere schwaarz Lächer lues a lues u Mass a léise sech – op 't mannst theoretesch - um Enn op.

Dës Strahlung entsteet, wann zwee subatomar Deelercher no um Rand vun engem schwaarze Lach entstinn. Do kann et nämlech virkommen, dass eent vun deenen zwee duerch d'Gravitatioun an dat schwaarzt Lach eragezu gëtt an dat anert der Unzéiung entgeet.

Och wann den Hawking et nach net fäerdeg bruecht hat, fir d'Gravitatioun mat der Quantentheorie ze verbannen, sou huet hien awer hei kënnen eng éischt Bréck schloen an d'Iddie vum Quantefeld an engem relativistiesch gekrëmmte Raum uwennen. Ma den Interessi un dëser Fuerschungsrichtung war rëm do.

"String theory": haart Laachen

Derbäi koum, dass ongeféier zur selwechter Zäit de Gabriele Veneziano vum CERN op eppes gestouss ass, dat den éischte Moment net erklärbar war. Hien huet ënnersicht wat geschitt, wann zwee Partikelen uneneen ofgestouss ginn, a virun allem wéi d'Probabilitéit vun de méigleche Reaktioune war. Hien huet festgestallt, dass des Wahrscheinlechkeeten duerch eng mathematesch Funktioun beschriwwe gëtt, déi de Schwäizer Leonard Euler schonns am 18. Jorhonnert kannt huet.

Aner Physiker hunn dëst Resultat opgegraff a konnte weisen, dass dëst eigentlech eng ganz onerwaart Situatioun beschriwwen huet: si huet erklärt wat geschitt wann zwee kreesförmeg Filetsstécker, déi vibréieren, zesummestoussen an sech géigesäiteg beaflossen. D'String theory war gebuer, déi Theorie also, laut där d'Fundamentaldeelecher eigentlech keng kleng Bulle sinn, mee eppes wéi Startsäiten déi vibréieren. An och wa vill Physiker am Ufank nach éischter skeptesch waren – de Murray Gell-Mann huet anscheinend haart misse laache wéi en di éischte Kéier dervun héieren huet -, ganz vun der Hand ze weise war d'Iddi net a si konnt d'Interaktioun vun de Partikele grad esou gutt erklären, wéi di méi etabléiert Modeller.

Ma och bei dës Theorie huet net wierklech bei d'Relativitéit gepasst. Déi Vibratioune brauchen nämlech fest Raumdimensiounen an eng kontinuéierlech verlaafend Zäit, ma genau gouf et der Relativitéitstheorie no net.

Keng véier mee zéng Dimensiounen

Dobäi huet d'String Theory och nach hier ganz eege Siicht vum Raum mat sech bruecht: hei waren et op eemol net méi véier Dimensiounen (dräi fir de Raum plus eng fir d'Zäit), ma ganzer zéng – just dass der sechs dervun, fir eis net feststellen, zesummegedruddelt waren.

Ob dat awer wierklech de Fall ass, dat ass nach laang net sécher: well wa mer des Dimensiounen net gesi kënnen, da kënne mer eben och net duerch Experimenter iwwerpréiwen ob et se wierklech gëtt. Dass dëst verschiddene Fuerscher net wierklech gefält, ass ze verstoen, well d'Physik als Wëssenschaft eigentlech um Zwëschespill vun Theorie a Praxis baséiert. 

Net richteg a net falsch

De Martinus Veltmann huet dëst a sengem Buch Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics gutt resuméiert. "Dëst ass e Buch iwwer Physik, schreift hien do, an dat bedeit, dass di beschriwwen theoretesch Iddie mussen duerch experimentell Fakte beluecht sinn. Weder d'Supersymetrie nach d'String Theory erfëllen awer dëse Critère".

De Veltmann zitéiert och nach dem Wolfgang Pauli säin Urteel iwwert dës net-testbar Theorien: "Si sinn net nëmmen net richteg, mee si si mol net falsch". Dass d'Fuerschung un dësen neien Iddien nach ganz aktiv ass, ass net ze bestreiden. Mee ob datheescht, dass wierklech eppes drun ass, dat schéngt manner sécher. Sou Moude kënnen ebe schnell d'Aarbecht op den Unien dominéieren, einfach well et ebe Moude sinn. Ob awer d'Vereenegung vun der Quantewelt mat der Relatitivéitstheorie wierklech op dësem Wee fonnt wäert ginn, dat bleift nach ofzewaarden.

Net verpassen

  • Rapport d'activités 2021

    Banner.jpg

    De Rapport d'activités 2021 vum radio 100,7 ass verëffentlecht ginn. E gëtt en Abléck an d'Aktivitéite vun de verschiddene Servicer a Redaktiounen am leschte Joer.

Programm

Dossieren

  • Dossier: Relatiounen tëscht Portugal a Lëtzebuerg

    Haut ass et den zweeten a leschten Dag vun der Staatsvisitt a Portugal. Eng grouss Lëtzebuerger Delegatioun ass den Ament zu Lissabon. An eisem Dossier fannt dir all eis Bäiträg an Artikelen iwwer d'Theema.

  • De Krich an der Ukrain

    De 24. Februar 2022 huet Russland d'Ukrain militäresch iwwerfall. Déi westlech Länner hu mat Sanktioune reagéiert, Millioune vu Leit sinn aus der Ukrain geflücht.

Iwwert eis

De radio 100,7 ass deen eenzegen ëffentlech-rechtleche Radio zu Lëtzebuerg. E proposéiert Programmer op Lëtzebuergesch mat engem Fokus op Informatioun, Kultur, Divertissement a mat Akzent op d’klassesch Musek.

Weider liesen