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Wissenschaft und Magie (Teil I)

Dieses Thema im Forum "Magie" wurde erstellt von DunklerWanderer, 26. Februar 2004.

  1. Werbung:
    Bitte erst auf diesen Thrad antworten, wenn er vollständig ist. Es wird eine Weile dauern, aber ich bemühe mich den Text so schnell als möglich fertig zu bekommen.

    Anfang der neunziger Jahre hatten es einige Wissenschaftler auf den heiligen Gral der modernen Wissenschaft abgesehen – die Lichtgeschwindigkeit.

    Seit Albert Einstein zu Beginn des vorigen Jahrhunderts seine Relativitätstheorie aufgestellt hatte, gilt es als eines der eisernen Gesetze der Physik, dass die Lichtgeschwindigkeit im Universum eine absolute Grenze darstellt. Kein materieller Körper, aber auch keine Information, kann sich schneller als Licht bewegen.

    Gleichwohl kam es in der Zwischenzeit in der Quantenphysik zu einigen sehr bizarren Entdeckungen, die – zumindest in der Theorie – an der Gültigkeit dieses fundamentalen Grundgesetzes zweifeln lassen. Eine diese seltsamen Entdeckungen ist der Tunneleffekt.

    Er besagt, dass sich die kleinsten Materiebausteine – Elektronen, Photonen etc. – unter gewissen Voraussetzungen völlig anders benehmen als makroskopische Körper.

    Lässt man beispielsweise eine kleine Murmel in ein genügend tiefes Glas fallen, so wird sie dort zwar hin- und herrollen, aber nicht in der Lage sein, dass Gefäß wieder zu verlassen. Für ein Elementarteilchen wie z.B. ein Elektron gelten andere Gesetze.

    Es kann nämlich nach der Quantenphysik nicht mehr als Materiekügelchen aufgefasst werden, das eine klar bestimmbare Position im Raum einnimmt, sondern muss durch ein Wellenmuster beschrieben werden, das die Wahrscheinlichkeit angibt, wo das Teilchen anzutreffen ist. Sperrt man dann aber ein Elektron in ein entsprechendes „Gefäߓ (z.B. ein elektromagnetisches Feld, das eine Barriere darstellt, die das Teilchen nicht überwinden kann), so befindet sich immer auch ein Teil des Wellenmusters außerhalb des Gefäßes.

    Dies bedeutet, dass sich zwar mit größter Wahrscheinlichkeit das Elektron ebenfalls innerhalb der Barriere befindet, dass es jedoch trotzdem möglich ist, es auch außerhalb zu finden, ganz einfach, weil ein Teil des Wellenmusters außerhalb der Barriere liegt.

    Das ist im Grunde ein Paradox (Zitat Einstein: „Gott würfelt nicht“). Wohl ist es nach physikalischen Gesetzen erlaubt, das Teilchen von vornherein außen oder auch im Gefäß zu finden. Im Bereich der Barriere jedoch dürfte es sich keinesfalls aufhalten. Die Situation ist vergleichbar mit einem Menschen, der sich zwar ohne weiteres in einem von zwei aneinandergrenzenden Zimmern befinden darf, dem es jedoch nie möglich ist, die dazwischenliegende Wand zu durchqueren.

    Diese Fähigkeit von Elementarteilchen, eine eigentlich unüberwindliche Barriere zu überwinden, wird als „Tunneleffekt“ bezeichnet. Der Effekt ist nicht nur theoretisch, sondern er ist auch experimentell beobachtbar.

    Seit Jahrzehnten nun stellten sich Wissenschaftler die Frage, was ein solches Teilchen eigentlich tut, während es im „verbotenen Bereich“, also innerhalb des Tunnels, ist.

    Bereits in den sechziger Jahren des vorigen Jahrhunderts hatte z.B. T.E. Hartman rechnerisch vorausgesagt, die Zeit, die ein Teilchen zur Durchquerung des Tunnels benötigt, hänge nicht von der Länge des Tunnels ab. Andere vermuteten, dass in diesem exotischen Moment, da das Teilchen an einem Ort ist, wo es eigentlich nicht sein dürfte, die Lichtgeschwindigkeit als Grenze möglicherweise überschritten werden könnte.

    Die erste Attacke auf Einsteins Dogma wurde dann 1993 gestartet, und zwar in der Universität Köln. Mit ganz einfachen Mitteln hatte der Physiker Professor Günter Nimtz dort ein Experiment aufgebaut, um Mikrowellen durch solch einen Tunnel zu schicken. Diese Wellen, die in der Technik nicht nur zum Erwärmen von Speisen genutzt werden, sondern auch in der Funk- und Radarübertragung, liegen etwa im Bereich von 10 Gigahertz.

    Mikrowellen können sich – wie in der Radartechnik üblich – drahtlos über die Atmosphäre ausbreiten, sie werden aber auch durch Hohlleiter, also hohle Metallrohre, weitergeleitet. Ist dieser Hohlleiter jedoch zu eng, so dass – einfach gesagt – die Wellen nicht in ihn hineinpassen, können sie nach klassischer Auffassung nicht durch ihn hindurch. Hier tritt jedoch der Tunneleffekt in Aktion: Hinter der Barriere lässt sich dennoch ein abgeschwächtes Mikrowellensignal messen.

    Professor Nimtz wollte nun feststellen, wie schnell sich ein Mikrowellensignal in einem solchen engen Hohlleiter – dem „Tunnel“ – ausbreitet. Eine solche Messung ist nicht so leicht, wie man sich das vorstellt. Man kann dazu nicht einfach eine Stoppuhr verwenden. Die Lichtgeschwindigkeit, mit der sich die Mikrowellen normalerweise ausbreiten, ist so unvorstellbar groß, dass hier eine Messgenauigkeit von einigen Billiardstel Sekunden gebraucht würde. Keine Uhr der Welt kann so etwas leisten.

    Man muss daher Vergleichsmessungen durchführen, indem man zunächst zwei gleichlange Messstrecken aufbaut, durch die die Signale geleitet werden – eine ohne Tunnel und eine mit Tunnel. Falls sich die Mirowellen im Tunnel anders als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten würden, wären die beiden Signale am Ende der Strecke nicht mehr in Phase.

    Nachdem das festgestellt ist, muss man die Strecke mit dem Tunnel durch einige vorherige Umwege so weit verlängern, dass die beiden Signale sich am Ende wieder exakt überdecken. Aus der Längendifferenz der beiden Messstrecken lässt sich dann ganz einfach die Geschwindigkeitsdifferenz berechnen.

    Auf diese Weise stellte Günter Nimtz fest, dass die Mikrowellen sich im Tunnel, also in dem engen Rohrstück, mit doppelter Lichtgeschwindigkeit bewegen mussten.

    Zwei Jahre später lief dann noch einmal ein ähnliches Experiment in Amerika, diesmal durchgeführt von dem Quantenphysiker Raymond Chiao von der Berkeley-Universität und seinem Mitarbeiter Aephraim Steinberg.

    Chiao und Steinberg benutzten für ihren Versuch allerdings keine Mikrowellen, sondern einzelne Photonen, also Lichtquanten. Dementsprechend war bei ihnen der „Tunnel“ auch kein Hohlleiter, sondern ein dünner Spiegel. Wie wir alle aus täglicher Erfahrung wissen, lässt ein Spiegel kein Licht hindurch, sondern reflektiert es. Der Tunneleffekt jedoch bewirkt, dass es auch immer einige Photonen schaffen, einen solchen Spiegel zu durchdringen.

    Wie Chiao und Steinberg feststellten, bewegten sich die Photonen, während sie den Spiegel durchdrangen, scheinbar mit Überlichtgeschwindigkeit.

    1996 rückte dann Günter Nimtz endgültig ins Zentrum des wissenschaftlichen Interesses. In einem zweiten Experiment versuchte er, ob sich auf diese Weise sogar sinnvolle Informationen durch den verbotenen Bereich eines Tunnels übertragen lassen.

    Dies wurde von der Fachwelt bisher immer vehement abgestritten. Natürlich fungieren elektromagnetische Wellen in der heutigen Technik als Informationsträger, zum Beispiel für Bild- und Tonsignale in Rundfunk und Fernsehen. Diese komplexen Frequenzmuster werden einer Trägerwelle aufmoduliert. Doch man ging bisher davon aus, dass der kleine Rest einer solcher modulierten Welle, dem es gelang, einen Tunnel zu durchqueren, nichts Erkennbares von der ursprünglichen Information mehr enthalten könnte. Stattdessen, so die allgemeine Auffassung in der Wissenschaft, würde am Ende des Tunnels nur noch Rauschen, also nicht mehr interpretierbarer Datenmüll, ankommen.

    Günter Nimtz gelang es, das Gegenteil zu beweisen. Er prägte seiner Trägerwelle im Mikrowellenbereich ein Musikstück auf, Mozarts 40. Sinfonie. Wiederum konnte er am Ende des Tunnels noch ein schwaches Restsignal empfangen. Diesmal ergaben seine Messungen sogar das 4.7 fache der Lichtgeschwindigkeit im Bereich des Tunnels.

    Doch was noch viel bedeutsamer war: Wenn er das Restsignal auffing und genügend verstärkte, so war im Rauschen noch einwandfrei Mozarts Musik zu hören – nicht mehr CD-Qualität, aber immerhin noch klar erkennbar.

    Nun wäre es geradezu grotesk, Nimtz vorzuwerfen, er habe den Versuch unternommen, Einsteins Relativitätstheorie umzustoßen (in einschlägigen Fachzeitschriften wurde diese Diskussion tatsächlich geführt). Diese Theorie ist, so wie Einstein sie formulierte, ohnehin nur unter bestimmten Voraussetzungen gültig, und das ist jedem Physiker bekannt. Somit ist der Streit darüber, ob ein Signal im Tunnel sich nun mit Überlichtgeschwindigkeit bewegt (nach Einstein unmöglich) oder nicht, vollkommen unerheblich, denn hierzu müsste man erst einmal beweisen, dass sich das Signal überhaupt jemals wirklich „im Tunnel“ befunden hat.

    Alles, was wir bisher wissen, ist doch, dass ein Signal auf den Tunnel zuläuft und dass hinter dem Tunnel noch ein Rest des Signals ankommt. Dem „gesunden Menschenverstand“ folgend, ziehen wir daraus den offenbar voreiligen Schluss, dieser Rest müsse sich dann irgendwie „durch den Tunnel gequetscht“ haben.

    Hiergegen würde Einstein, wenn er denn noch leben würde, sicherlich mit Recht Einspruch erheben, denn es gibt eine sehr viel plausiblere Erklärung.

    In seiner Allgemeinen Relativitätstheorie bereits formulierte Einstein eine neue Raum-Zeit- Geometrie, nach der unser Universum durch die Wirkung der Gravitation gekrümmt sein müsste, und zwar in einer höheren Dimension. Diese können wir uns zwar in unseren dreidimensionalen Gehirnen nicht mehr vorstellen, sie lässt sich aber mathematisch ganz genau beschreiben.

    Dabei kommt es in der Nähe extrem hoher Gravitation, also in der Nähe schwarzer und weißer Löcher, auch zu Tunnelverbindungen zwischen ganz unterschiedlichen Bereichen des Universums, die als Einstein-Rosenbrücken bezeichnet werden. Innerhalb eines solchen Tunnels existieren aber Raum und Zeit, so wie wir sie kennen, überhaupt nicht, da der Tunnel sich ja gerade außerhalb der uns gewohnten Dimension befindet.

    Wäre eine Information oder ein Stück Materie in der Lage, einen solchen Tunnel zu durchqueren, hätte es also gar keinen Sinn, von Begriffen wie „Länge des Tunnels“ oder „benötigte Zeit“ überhaupt zu sprechen, denn dies sind räumliche bzw. zeitliche Begriffe, die in einem solchen Tunnel gar nicht anwendbar sind. Vielmehr müsste man davon ausgehen, dass der Tunnel grundsätzlich in Nullzeit durchquert wird.

    Fortsetzung folgt ...
     
  2. YanaY

    YanaY Mitglied

    Registriert seit:
    4. Dezember 2002
    Beiträge:
    173
    Ort:
    Wien
    hab nur eine klitzekleine zwischenfragen, bitte ...

    hast du vor, uns hier einen studienlehrgang zu verpassen?

    ich hoffe, du verzeihst meine unartigkeit :D :D :D
     
  3. Thomas Voegeli

    Thomas Voegeli Mitglied

    Registriert seit:
    22. Oktober 2003
    Beiträge:
    457
    Ort:
    mitten im Kuchen von Berlin
    bitte bald! du beschreibst physik so, dass ich als nichtphysiker folgen kann, und du scheinsst mir auf einer a4 seite soviel zu sagen, wofür üblicherweise ei buchkapitel her muss.

    go on, wanderer der dunkelheit! die schwarzen löcher und die un- vor- stellbare krümmung des "Raumes" hat mich immer beschäftigt, gruselig, aber gemäss meiner erfahrung löst sich angst auf, wenn man sich mit dem fraglichen thema intensiv aber gelassen beschäftigt.

    lass hören!

    thomas
     
  4. Ereschkigal

    Ereschkigal Sehr aktives Mitglied

    Registriert seit:
    26. Januar 2004
    Beiträge:
    2.220
    Ort:
    bei Köln
    Hallo DunklerWanderer,

    diesmal hat sogar mein Sohn mit Interesse gelesen. Ansonsten hält er meine Foren"arbeit" für Blödsinn. Wenn das ganze vervollständigt ist, kann er als Physikliebhaber ja seinen Senf dazu geben.

    lg
    Ereschkigal
     
  5. Hexer Maran

    Hexer Maran Mitglied

    Registriert seit:
    3. Dezember 2003
    Beiträge:
    187
    Ort:
    Nordrhein-Westfalen
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    Hallo DunklerWanderer,

    ich finde deine Ausführungen sehr interessant. Ich bin schon sehr gespannt auf die Fortführung !!!

    Viele Grüsse, Maran


     
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