Ein wissenschaftliches Experiment deutscher Wissenschaftler namens GEO600 zur Suche nach Gravitationswellen, das seit sieben Jahren andauert, hat laut der Zeitschrift New Scientist zu unerwarteten Ergebnissen geführt.
Mit Hilfe eines speziellen Geräts - eines Interferometers - konnten Physiker eine der Schlussfolgerungen von Einsteins Relativitätstheorie wissenschaftlich bestätigen.
Nach dieser Theorie gibt es im Universum sogenannte Gravitationswellen - Störungen des Gravitationsfeldes, „Wellen“des Raum-Zeit-Gewebes.
Gravitationswellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, erzeugen vermutlich ungleichmäßige Massenbewegungen großer astronomischer Objekte: Bildung oder Kollisionen von Schwarzen Löchern, Supernova-Explosionen usw.
Die Wissenschaft erklärt die Unbeobachtbarkeit von Gravitationswellen durch die Tatsache, dass Gravitationseffekte schwächer sind als elektromagnetische. Wissenschaftler, die ihr Experiment bereits 2002 begonnen hatten, erwarteten, diese Gravitationswellen zu entdecken, die später zu einer Quelle wertvoller Informationen über die sogenannte dunkle Materie werden könnten, die im Wesentlichen aus unserem Universum besteht.
Bisher war GEO600 nicht in der Lage, Gravitationswellen zu erfassen. Anscheinend gelang es Wissenschaftlern jedoch mit Hilfe des Geräts, die größte Entdeckung auf dem Gebiet der Physik im letzten halben Jahrhundert zu machen.
Viele Monate lang konnten Experten die Art der seltsamen Geräusche, die den Betrieb des Interferometers störten, nicht erklären, bis plötzlich eine Erklärung von einem Physiker aus dem Fermilab-Wissenschaftslabor angeboten wurde.
Nach der Hypothese von Craig Hogan kollidierte der GEO600-Apparat mit der fundamentalen Grenze des Raum-Zeit-Kontinuums - dem Punkt, an dem die Raum-Zeit kein von Einstein beschriebenes kontinuierliches Kontinuum mehr ist und sich in "Körner" auflöst, als würde eine mehrmals vergrößerte Fotografie zu einer Ansammlung separater Punkte …
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"Es sieht so aus, als wäre GEO600 auf mikroskopische Quantenfluktuationen der Raumzeit gestoßen", schlug Hogan vor.
Wenn Ihnen diese Informationen nicht sensationell genug erscheinen, hören Sie weiter zu: "Wenn GEO600 auf das stößt, was ich annehme, bedeutet dies, dass wir in einem riesigen Weltraumhologramm leben."
Die bloße Vorstellung, dass wir in einem Hologramm leben, mag lächerlich und absurd erscheinen, aber es ist nur eine logische Fortsetzung unseres Verständnisses der Natur der Schwarzen Löcher, basierend auf einer vollständig nachweisbaren theoretischen Grundlage.
Seltsamerweise würde die "Theorie des Hologramms" den Physikern helfen, endlich zu erklären, wie das Universum auf einer fundamentalen Ebene funktioniert.
Uns bekannte Hologramme (wie zum Beispiel auf Kreditkarten) werden auf eine zweidimensionale Oberfläche aufgebracht, die dreidimensional erscheint, wenn ein Lichtstrahl in einem bestimmten Winkel auf sie trifft.
In den 1990er Jahren schlugen der Nobelpreisträger für Physik, Gerardt Huft von der Universität Utrecht (Niederlande) und Leonard Susskind von der Stanford University (USA) vor, ein ähnliches Prinzip auf das gesamte Universum anzuwenden. Unsere tägliche Existenz selbst kann eine holographische Projektion physikalischer Prozesse sein, die im zweidimensionalen Raum ablaufen.
Es ist sehr schwierig, an das "holographische Prinzip" der Struktur des Universums zu glauben: Es ist schwer vorstellbar, dass Sie aufwachen, sich die Zähne putzen, Zeitungen lesen oder fernsehen, nur weil mehrere riesige Weltraumobjekte irgendwo an den Grenzen des Universums miteinander kollidierten.
Noch weiß niemand, was „Leben in einem Hologramm“für uns bedeuten wird, aber theoretische Physiker haben viele Gründe zu der Annahme, dass bestimmte Aspekte der holographischen Prinzipien der Funktionsweise des Universums Realität sind.
Die Schlussfolgerungen von Wissenschaftlern basieren auf einer grundlegenden Untersuchung der Eigenschaften von Schwarzen Löchern, die vom berühmten theoretischen Physiker Stephen Hawking zusammen mit Roger Penrose durchgeführt wurde.
Mitte der 1970er Jahre untersuchte der Wissenschaftler die grundlegenden Gesetze, die das Universum regieren, und zeigte, dass Einsteins Relativitätstheorie einer Raumzeit folgt, die im Urknall beginnt und in Schwarzen Löchern endet.
Diese Ergebnisse weisen auf die Notwendigkeit hin, das Studium der Relativitätstheorie mit der Quantentheorie zu kombinieren. Eine der Konsequenzen dieser Kombination ist die Behauptung, dass Schwarze Löcher tatsächlich nicht vollständig "schwarz" sind: Tatsächlich emittieren sie Strahlung, die zu ihrer allmählichen Verdunstung und ihrem vollständigen Verschwinden führt.
So entsteht ein Paradoxon, das als "Informationsparadoxon der Schwarzen Löcher" bezeichnet wird: Das gebildete Schwarze Loch verliert seine Masse und strahlt Energie aus. Wenn ein Schwarzes Loch verschwindet, gehen alle Informationen verloren, die es absorbiert hat. Nach den Gesetzen der Quantenphysik können Informationen jedoch nicht vollständig verloren gehen.
Hawkings Gegenargument: Die Intensität der Gravitationsfelder von Schwarzen Löchern ist bisher unverständlich und entspricht den Gesetzen der Quantenphysik. Hawkings Kollege, der Physiker Bekenstein, hat eine wichtige Hypothese aufgestellt, die zur Lösung dieses Paradoxons beiträgt.
Er stellte die Hypothese auf, dass ein Schwarzes Loch eine Entropie proportional zur Oberfläche seines bedingten Radius aufweist. Dies ist eine Art theoretischer Bereich, der das Schwarze Loch maskiert und den Punkt markiert, an dem keine Materie oder Licht zurückkehrt. Theoretische Physiker haben bewiesen, dass mikroskopische Quantenfluktuationen des bedingten Radius eines Schwarzen Lochs Informationen innerhalb eines Schwarzen Lochs codieren können, sodass zum Zeitpunkt seiner Verdampfung und seines Verschwindens kein Informationsverlust in einem Schwarzen Loch auftritt.
Somit kann angenommen werden, dass die dreidimensionale Information über die ursprüngliche Substanz vollständig in den zweidimensionalen Radius des nach seinem Tod gebildeten Schwarzen Lochs codiert werden kann, ungefähr so, wie ein dreidimensionales Bild eines Objekts unter Verwendung eines zweidimensionalen Hologramms codiert wird.
Zuskind und Huft gingen noch weiter und wandten diese Theorie auf die Struktur des Universums an, basierend auf der Tatsache, dass der Raum auch einen bedingten Radius hat - eine Grenzfläche, über die das Licht in 13,7 Milliarden Jahren des Bestehens des Universums noch nicht eingedrungen ist.
Darüber hinaus konnte Juan Maldacena, ein theoretischer Physiker der Princeton University, beweisen, dass in einem hypothetischen fünfdimensionalen Universum dieselben physikalischen Gesetze gelten wie im vierdimensionalen Raum.
Nach Hogans Theorie verändert das holographische Prinzip der Existenz des Universums unser bekanntes Bild von Raum-Zeit radikal. Theoretische Physiker glaubten lange Zeit, dass Quanteneffekte dazu führen könnten, dass die Raumzeit in einem dürftigen Maßstab chaotisch pulsiert.
Bei dieser Pulsationsstufe wird das Gewebe des Raum-Zeit-Kontinuums "körnig" und wie aus den kleinsten Teilchen, ähnlich wie Pixel, nur Hunderte von Milliarden von Milliarden Mal kleiner als ein Proton. Dieses Längenmaß ist als "Planck-Länge" bekannt und entspricht 10-35 m.
Gegenwärtig wurden grundlegende physikalische Gesetze bis zu Entfernungen von 10-17 empirisch getestet, und die Planck-Länge wurde als unerreichbar angesehen, bis Hogan erkannte, dass das holographische Prinzip alles verändert.
Wenn das Raum-Zeit-Kontinuum ein körniges Hologramm ist, kann das Universum als Kugel dargestellt werden, deren äußere Oberfläche mit den kleinsten Flächen von 10 bis 35 m Länge bedeckt ist, von denen jede eine Information enthält.
Das holographische Prinzip besagt, dass die Informationsmenge, die den äußeren Teil des Kugeluniversums abdeckt, mit der Anzahl der im volumetrischen Universum enthaltenen Informationsbits übereinstimmen muss.
Da das Volumen des kugelförmigen Universums viel größer ist als seine gesamte äußere Oberfläche, stellt sich die Frage, wie dieses Prinzip beobachtet werden kann. Hogan schlug vor, dass die Informationen, aus denen das "Innere" des Universums besteht, größer sein sollten als die Planck-Länge. "Mit anderen Worten, das holographische Universum ist wie ein verschwommenes Bild", sagt Hogan.
Für diejenigen, die nach den kleinsten Teilchen der Raumzeit suchen, sind dies gute Nachrichten. "Entgegen den weit verbreiteten Erwartungen steht die mikroskopische Quantenstruktur für Studien zur Verfügung", sagte Hogan.
Während Partikel mit Abmessungen gleich der Planck-Länge nicht nachgewiesen werden können, beträgt die holographische Projektion dieser "Körner" ungefähr 10-16 m. Als der Wissenschaftler all diese Schlussfolgerungen zog, fragte er sich, ob es möglich war, diese holographische Unschärfe des Raums experimentell zu bestimmen. Zeit. Und dann kam GEO600 zur Rettung.
Geräte wie das GEO600, die Gravitationswellen erfassen können, arbeiten nach dem folgenden Prinzip: Wenn eine Gravitationswelle durch sie hindurchgeht, streckt sie den Raum in die eine Richtung und komprimiert ihn in die andere.
Um die Wellenform zu messen, lenken Wissenschaftler einen Laserstrahl durch einen speziellen Spiegel, der als Strahlteiler bezeichnet wird. Es teilt den Laserstrahl in zwei Strahlen auf, die durch die 600 Meter langen senkrechten Stäbe gehen und zurückkehren.
Zurückkehrende Strahlen verbinden sich wieder zu einem und erzeugen ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Bereichen, in denen Lichtwellen entweder verschwinden oder sich gegenseitig verstärken. Jede Änderung der Position dieser Abschnitte zeigt an, dass sich die relative Länge der Balken geändert hat. Längenänderungen, die kleiner als der Durchmesser eines Protons sind, können experimentell nachgewiesen werden.
Wenn das GEO600 tatsächlich holographisches Rauschen aufgrund von Quantenschwankungen in der Raumzeit erkennen würde, würde es für Forscher zu einem zweischneidigen Schwert werden: Einerseits würde das Rauschen ihre Versuche beeinträchtigen, Gravitationswellen zu "fangen".
Andererseits könnte dies bedeuten, dass die Forscher eine wesentlich grundlegendere Entdeckung machen konnten als ursprünglich angenommen. Es gibt jedoch eine gewisse Ironie des Schicksals: Ein Gerät zur Erfassung der Wellen, die eine Folge der Interaktion der größten astronomischen Objekte sind, fand etwas so Mikroskopisches wie die "Körner" der Raumzeit.
Je länger Wissenschaftler das Rätsel des holographischen Rauschens nicht lösen können, desto akuter wird die Frage, weitere Forschungen in diese Richtung durchzuführen. Eine der Forschungsmöglichkeiten könnte das Design des sogenannten Atominterferometers sein, dessen Funktionsprinzip dem GEO600 ähnelt, aber anstelle eines Laserstrahls wird ein Niedertemperaturstrom von Atomen verwendet.
Was bedeutet die Entdeckung des holographischen Rauschens für die Menschheit? Hogan ist zuversichtlich, dass die Menschheit einen Schritt davon entfernt ist, ein Quantum Zeit zu entdecken. „Dies ist das kleinstmögliche Zeitintervall: die Planck-Länge geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit“, sagt der Wissenschaftler.
Vor allem aber wird die mögliche Entdeckung Forschern helfen, die versuchen, die Quantenmechanik und Einsteins Gravitationstheorie zu kombinieren. Am beliebtesten in der wissenschaftlichen Welt ist die Stringtheorie, die nach Ansicht der Wissenschaftler dazu beitragen wird, alles, was im Universum geschieht, auf einer fundamentalen Ebene zu beschreiben.
Hogan stimmt zu, dass, wenn holographische Prinzipien bewiesen werden, künftig kein Ansatz zur Untersuchung der Quantengravitation außerhalb des Kontextes holographischer Prinzipien betrachtet wird. Im Gegenteil, es wird der Anstoß für Beweise der Stringtheorie und der Matrixtheorie sein.
"Vielleicht haben wir den ersten Beweis dafür, wie Raum-Zeit aus der Quantentheorie folgt, in unseren Händen", bemerkte der Wissenschaftler.
