100SekundenPhysik
Das Geheimnis der Quanten - Doppelspaltexperiment
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"Heisenberg" wird heutzutage vor allem mit dem Decknamen von Walter White aus Braking Bad in Verbindung gebracht. Dahinter steckt jedoch einer der bedeutesten Physiker des 21. Jahrhunderts. Unsere Alltagswelt erscheint uns immer klar definiert und eindeutig bestimmt zu sein. Jedes Objekt hat unmissverständlich einen bestimmten Ort im Raum und bewegt sich immer mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit durch den Raum. Doch genau diese Eindeutigkeit der Welt stellte sich mit Beginn der Quantenphysik als eines der fundamentalsten Missverständnisse von uns Menschen heraus. Werner Heisenberg veröffentlichte seine Unschärferelation, eine Theorie über eine völlig neue Physik, mit der er das gesamte menschliche Weltbild ins Wanken brachte. Ein Teilchen hatte keinen genauen Ort mehr, sondern schien sich vollkommen unscharf und verschwommen über den Raum zu verteilen. Ein unheimlich erscheinendes Paradoxon mit weitreichenden Konsequenzen für Physik und Philosophie. Doch was genau bedeutet diese Unschärfe eigentlich und worin liegt das physikalische Problem einer eindeutig bestimmten Welt?
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Quellen und mehr zum Thema:
Quantentheorie und Philosophie – Werner Heisenberg
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Mit 2,5 Millionen Lichtjahren Entfernung ist Andromeda die nächstgelegene Galaxie zu unserer Heimatgalaxie der Milchstraße. Licht, das von unserer leuchtenden Nachbar-Galaxie abgestrahlt wird, benötigt also unvorstellbare 2,5 Millionen Jahre, um zu uns zu gelangen. Da nichts und niemand schneller als mit Lichtgeschwindigkeit reisen kann, scheint es unmöglich, dass jemals ein Mensch in seiner Lebenszeit von hier nach dort reisen wird. Doch so schwer macht es uns die Physik dann doch nicht. Obwohl Licht für diese Strecke Millionen von Jahren braucht und sich nichts schneller als dieses bewegen kann, ist es trotzdem möglich innerhalb von nur 10 Jahren zur Andromeda-Galaxie zu gelangen.
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Quellen und mehr zum Thema:
Spezielle Relativitätstheorie - Wolfgang Nolting
Wieviel g kann ein Mensch aushalten? | Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (mpg.de) https://www.ds.mpg.de/131983/18
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Links” und “Rechts” sind zwei der wichtigsten Begriffe, die uns helfen uns in unserem Alltag räumlich zu orientieren. Das, was wir von Anfang an als links oder rechts festlegen scheint jedoch völlig willkürlich zu sein. Nach unserer Alltagserfahrung schert sich die Welt selbst nicht darum was links und was rechts ist. Es scheinen rein menschliche Konzepte zu sein, die der Natur offenbar völlig egal sind. Doch im Jahr 1956 führte die geniale Physikerin Chien-Shiung Wu ein Experiment durch, mit dem sie diese Auffassung des Universums völlig ins Wanken brachte. Denn Wu konnte tatsächlich experimentell beweisen, dass unser Universum auf der fundamentalen Ebene zwischen links und rechts unterscheidet. Nur wenige Jahre später zeigte sich dann, dass diese Unterscheidung tief mit der Natur von Materie und Antimaterie verwurzelt ist. Wie ist das möglich und was genau bedeutet es, dass die Natur zwischen links und rechts unterscheidet? In einem Gedankenexperiment mit Außerirdischen bringen wir Licht ins Dunkle.
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Quellen und mehr zum Thema:
Richard Feynman – Six Not-So-Easy Pieces
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Die gesamte Energie, die das Leben auf der Erde möglich macht, kommt von unserer Sonne. Dort wird sie durch die Fusion, also durch die Verschmelzung von Atomkernen, freigesetzt und dann in Form von Strahlung auf unsere Erde transportiert. Auf der anderen Seite wird in unseren Atomkraftwerken tagtäglich Energie durch die Spaltung von Atomkernen erzeugt. Hier gewinnen wir also Energie, indem wir Atomkerne in ihre Einzelteile zerlegen und nicht indem wir sie miteinander verschmelzen.
Wie kann es sein, dass sowohl Spaltung als auch Fusion Energie freisetzen, obwohl sie das genaue Gegenteil voneinander sind? Diese Tatsache klingt äußerst paradox. Denn könnte man somit durch Abwechslung beider Prozesse nicht unendlich viel Energie gewinnen?
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Quellen & mehr zum Thema:
Bethge, K., Walter, G., & Wiedemann, B. (2007). Kernphysik: Eine Einführung. Springer-Verlag.
Fundamentale Wechselwirkung auf Wikipedia: de.wikipedia.org/wiki/Fundamentale_Wechselwirkung
Welt der Physik: Entstehung der Elemente: https://www.weltderphysik.de/gebiet/teilchen/hadronen-und-kernphysik/elemententstehung-und-erzeugung/entstehung-der-elemente/
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Wenn wir in unser Universum hinausblicken, dann machen wir dabei eine absolut erstaunliche Beobachtung: Am Himmel scheint es zwei grundlegend verschiedene Formen zu geben. Nämlich Kugeln und Scheiben. Während Sterne und Planeten immer nahezu perfekt kugelrund sind, ist unsere Galaxie die Milchstraße, unser Sonnensystem oder die Ringe des Saturns scheibenförmig.
Und was noch erstaunlicher ist: egal ob Kugeln oder Scheiben – alle Körper scheinen sich immer um sich selbst zu drehen.
Ist es nicht paradox, dass sich zwei so grundlegend verschiedene Formen bilden können, obwohl es immer die gleiche Gravitation ist, die die Objekte zusammenhält? Warum ist die Erde rund? Warum ist das Sonnensystem flach? Und wie kann es eigentlich sein, dass sich fast alles im Universum um sich selbst dreht?
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Viele Menschen glauben an eine Art ausgleichende Kraft der Natur. Sie denken sich zum Beispiel: “Gestern ist mir jemand in mein Auto gefahren. Heute kann ich also unbesorgt sein. Denn wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass mir in einer Woche gleich zwei Personen ins Auto fahren?” Doch dieser Schluss ist vollkommen falsch, und ihm liegt ein fataler Denkfehler zugrunde, den wir alle schonmal gemacht haben: Der sogenannte Spielerfehlschluss. Doch worin genau liegt der Denkfehler hier eigentlich? Denn ist es wirklich nicht unwahrscheinlicher statt nur einmal direkt zweimal pro Woche von einem Auto angefahren zu werden?
Eine Geschichte, die den Spielerfehlschluss perfekt illustriert ereignete sich im Sommer 1913 in einem Casino in Monte Carlo.
Denn dort passierte etwas absolut Unglaubliches: Am Roulettetisch versammelten sich Menschenmassen, weil die Kugel bereits zum 20. mal hintereinander auf ein schwarzes Feld gefallen war. Die Wahrscheinlichkeit, dass noch einmal ein schwarzes Feld getroffen wird, erschien den meisten Spielern so gering, dass sie nun Unmengen ihres Geldes auf “rot” setzten. Doch was passierte auch beim 21. Mal? Die Kugel fiel wieder auf “schwarz”. Erst beim 27. Wurf fiel die Kugel schließlich auf ein rotes Feld. Doch bis dahin hatten die meisten Spieler ihr Vermögen bereits verspielt. Diese Geschichte zeigt, dass viele Menschen bei der Einschätzung von Wahrscheinlichkeiten fatale Fehler begehen. Denn sie glauben, dass es bei extrem unwahrscheinlichen oder seltenen Ereignissen eine Art ausgleichende Kraft zur Normalität geben würde. Beim Roulette-Spiel dachten sie sich: die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Kugel 21 mal hintereinander auf “schwarz” fällt, ist so gering, dass die Kugel in der nächsten Runde auf “rot” fallen muss. Doch mit diesem einfachen Denkfehler verloren sie all ihr Geld.
Quellen:
Rolf Dobelli - The Art of Thinking Clearly
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Albert Einstein gilt seit über 100 Jahren als der Inbegriff des Genies. Er revolutionierte die Physik des 19. Jahrhunderts in nahezu allen Bereichen. Auf der Suche nach dem Geheimnis seines Genies wurde Einsteins Gehirn nach seinem Tod gestohlen und mehrfach weitergegeben und untersucht. Sein mächtigstes Instrument zum Verständnis der Welt waren jedoch seine Gedankenexperimente. Einstein führte zeit seines Lebens kaum echte physikalische Experimente durch, denn die benötigte er nicht um der Natur auf die Schliche zu kommen. Er verfügte über eine so starke physikalische Intuition, dass er all seine Experimente allein in seinem Kopf durchführen konnte. Auch seine weltberühmte Formel E=mc^2 leitete Einstein aus einem reinen Gedankenexperiment ab. Doch was genau bedeutet die berühmte Formel eigentlich? Wie konnte Einstein sie allein mit der Kraft seiner Gedanken aufstellen?
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Schwarze Löcher, Gravitationswellen, die Expansion des Universums und die Krümmung von Lichtwegen durch große Massen zählen zu den erstaunlichsten Vorhersagen Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Einige dieser Vorhersagen wie die Schwarzen Löcher oder die Gravitationswellen galten über 100 Jahre lang als rein mathematische Theoriegebilde. Letztendlich konnte jedoch jedes einzelne dieser Phänomene tatsächlich in der realen Welt gefunden werden. Im Jahr 1960 zeigten zwei Mathematiker dann, dass Einsteins Theorie nicht nur die Existenz von Schwarzen Löchern, sondern auch die Existenz von Weißen Löchern vorhersagt. Da bisher nahezu alles was in Einsteins Theorie mathematisch möglich ist, letztendlich in der realen Welt gefunden wurde, halten es einige Wissenschaftler für plausibel, dass wir in Zukunft auch noch die Weißen Löcher finden werden. Doch was genau ist ein weißes Loch eigentlich? Was sagt uns Einsteins Theorie über Sie und wie verhalten sie sich relativ zu den Schwarzen Löchern?
Quellen:
Misner, Thorne, Wheeler – Gravitation
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Im 19. Jahrhundert lebte ein Mathematiker, der so genial war, dass selbst das große Genie Albert Einstein ohne seine Vorarbeit nie so berühmt geworden wäre. Sein Name war Bernhard Riemann. Er entwickelte nicht nur die Theorie der gekrümmten Räume, ohne die Einstein vermutlich niemals in der Lage gewesen wäre seine Relativitätstheorie aufzustellen, sondern er war auch ein Genie auf fast allen anderen Gebieten der Mathematik. Die Arbeiten Riemanns waren so brilliant, dass heute für den Beweis oder Gegenbeweis der sogennanten Riemannschen Vermutung über die Verteilung der Primzahlen eine Millionen US-Dollar Preisgeld vergeben werden. Außerdem beschäftigte sich Riemann tiefgehend mit dem Wesen der mathematischen Unendlichkeit. Dabei entdeckte er etwas absolut Paradoxes. Er zeigte nämlich: wenn man Unendlich von Unendlich subtrahiert, dann ergibt sich daraus genau Pi. Wie kann das sein? Woher kommt dieser merkwürdige Zusammenhang und wie kann man überhaupt Unendlichkeiten voneinander abziehen? Es handelt sich um den Riemannschen Umordnungssatz.
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Riemannscher Umordnungssatz:
de.wikipedia.org/wiki/Riemannscher_Umordnungssatz
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In unserem alltäglichen Leben scheint es vollkommen natürlich, dass alles eine zeitliche Ordnung hat. Das Vergehen der Zeit scheint unaufhaltsam und gibt unserem Universum eine fundamentale Ordnung. Aber warum vergeht die Zeit überhaupt? Und gibt es sie überhaupt wirklich? Existiert sie überhaupt an und für sich selbst? Die moderne Physik hegt Zweifel, ob die Zeit auf fundamentaler Ebene überhaupt existent ist.
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Wie kann es sein, dass eine bestimmte Anordnung von Materie, wie die in unserem Gehirn, über ein Bewusstsein verfügt, während andere Anordnungen von Materie, wie die in einem Stein völlig unbewusst sind? Wie kann ein bestimmtes Zusammenspiel unbewusster Atome einen bewussten Menschen formen? Einige Wissenschaftler sind heute der Auffassung, dass es unmöglich ist das Bewusstsein naturwissenschaftlich zu erklären. Sie glauben also, dass auch noch so viel Erkenntnis über den Aufbau und die Arbeitsweise des Gehirns nicht dabei helfen wird das Rätsel des Bewusstseins zu lösen. Wie kann das sein?
Grundkurs Philosophie des Geistes – Band 1; Phänomenologisches Bewusstsein
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Wir steuern unweigerlich auf eine Zukunft zu, in der Mensch und Technologie miteinander verschmelzen. Hört sich zunächst nach überspitzten Science-Fiction Vorstellungen an, aber im Folgenden wird deutlich, wie unumgänglich und nah diese Entwicklung heute schon ist.
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Mehr Infos zum Thema und Quellen:
Affe steuert Roboterarm:
youtube.com/watch?v=wxIgdOlT2cY
Übertragung von Gedanken durch EEG und TMS:
technologyreview.com/2018/09/29/139965/the-first-social-network-of-brains-lets-three-people-transmit-thoughts-to-each-others-heads
arxiv.org/abs/1809.08632
Gute Bücher zum Thema:
The Brain: The Story of You, Canongate, 2015, David Eagleman
Homo Deus: A Brief History of Tomorrow, Yuval Noah Harari
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Ist unser Menschliches Bild der Wirklichkeit realer als das scheinbar verzerrte Bild der Goldfische aus einem Kugelaquarium? Ist unser Erkennen der Wirklichkeit nur eine Illusion? Woher wissen wir Menschen, dass wir die wahre unverzerrte Welt sehen?
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Stephen Hawking: Der Große Entwurf – Eine neue Erklärung des Universums
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Science-Fiction Erzählungen haben sich schon viele Konzepte zur physikalischen Umsetzung der Teleportation ausgedacht, wie z.B. das Beamen in Star Trek oder das Portal in der Videospiel-Reihe "Portal". Während die Science-Fiction meist Gebrauch von rein hypothetischen Konzepten wie Wurmlöchern macht – ist es mithilfe der Quantenmechanik bereits heute möglich eine solche Teleportation praktisch durchzuführen. Vor wenigen Jahren gelang Forschern diese sogenannte Quantenteleportation. Dabei schafften sie es Photonen über mehr als 100km Entfernung instantan und ohne Zeitverzögerung an einen anderen Ort zu teleportieren. Wie ist das möglich?
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Was heutzutage fast jeder über Physik zu wissen glaubt, ist dass man Energie weder erzeugen noch zerstören kann. Im Universum scheint die Energie der ultimative Überlebenskünstler zu sein. Doch Physiker rätseln schon lange ob diese Energieerhaltung wirklich so ein allgemeines Naturgesetz ist, wie sie uns in etlichen Schulstunden oder Fachbüchern beschrieben wird. Und tatsächlich scheint es im Universum eine Stelle zu geben, in der sich die vermeintlich unzerstörbare Energie verletzlich zeigt. Das führt uns auch zu der Frage, was Energie überhaupt ist?
Weitere gute Videos zum Thema:
youtube.com/watch?v=ZYM6HMLgIKA
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Wie sieht das Ende der Welt, der Rand des Universums aus? Ist unser Weltall unendlich groß, oder leben wir in einem endlichen Universum? Kann sich das Universum ausdehnen und dennoch einen Rand haben? Was passiert, wenn wir mit einem Raumschiff immer weiter in die gleiche Richtung reisen?
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Quellen & mehr zum Thema:
Allgemeine Relativitätstheorie - Torsten Fließbach
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Lässt die moderne Physik einen freien Willen zu? Ein Gedankenexperimenten, in dem sich klassische Physik, Quanten-Physik und Philosophie kreuzen, gibt Aufschlüsse über die Freiheit in unseren Entscheidungen.
Wer sich noch tiefgreifender mit dem Thema beschäftigen will, sollte sich unbedingt dieses Video anschauen:
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Macht uns die Quanten-Physik unsterblich? An der Grenze zwischen Physik und Philosophie liegt das Gedankenexperiment um Schrödingers Katze. Es hilft uns die eigenartigen Phänomene der Quantenphysik und deren Interpretationen zu verstehen, wie die Viele-Welten-Theorie. Eine Weiterführung des Gedankenspiels gibt uns Einblicke über die Existenz von Paralleluniversen und der Unsterblichkeit.
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Fast 50 Jahre nach der letzten bemannten Mondmission, rückt der Mond gerade wieder ins Zentrum der Raumfahrt. Da könnte man sich die Frage stellen, wie es sich für einen Astronauten anfühlt in einem See auf dem Mond zu schwimmen?
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Quellen
Humans Running in Place on Water at Simulated Reduced Gravity (plos.org)
journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0037300#s2
So laufen Basilisken über Wasser | Tierwelt
https://www.tierwelt.ch/news/wildtiere/so-laufen-basilisken-ueber-wasser
Artikel von Randall Munroe
what-if.xkcd.com/124
Video 1 (Golf Shots)
hq.nasa.gov/alsj/a14/images14.html
Video 2 (Lizard running on water)
figshare.com/articles/dataset/Humans_Running_in_Place_on_Water_at_Simulated_Reduced_Gravity/122590?file=317057
E. Minetti, Alberto; P. Ivanenko, Yuri; Cappellini, Germana; Dominici, Nadia; Lacquaniti, Francesco (2016): Humans Running in Place on Water at Simulated Reduced Gravity. PLOS ONE. Dataset. doi.org/10.1371/journal.pone.0037300
Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)
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In diesem Video geht es um ein ungelöstes Rätsel der Physik und Philosophie: Ist unsere Zukunft vorherbestimmt, also deterministisch, oder vollkommen offen?
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Quellen & mehr zum Thema:
Philosophie der Quantenphysik: Cord Friebe; Meinard Kuhlmann; Holger Lyre; Paul M. Näger; Oliver Passon; Manfred Stöckler
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Die Darstellungen bei 0:51, 2:19, 2:58 und 03:11 sind in Anlehnung an die original Grafiken von Richard Feynman aus "QED. Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie" erstellt worden.
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Das erste Bild eines Schwarzen Lochs:
Credit: EHT Collaboration
eso.org/public/images/eso1907a
Bild vom 24.03.2021 (polarisiert):
Credit: EHT Collaboration
eso.org/public/images/eso2105a
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Informationen zur Wahrnehmung von Sternen im menschlichen Auge:
http://www.abc.net.au/science/articles/2015/06/16/4253961.htm?site=galileo/newsanalysis&
researchgate.net/publication/14195121_Shape_of_stars_and_optical_quality_of_the_human_eye
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