Einer der seltsamsten Aspekte der Quantenmechanik ist die Verschränkung, da sich zwei verschränkte Teilchen über weite Entfernungen gegenseitig beeinflussen, was auf den ersten Blick gegen das physikalische Grundprinzip der Lokalität verstößt: Was an einem bestimmten Punkt im Raum geschieht, kann nur Punkte in der Nähe beeinflussen. Aber was ist, wenn die Lokalität - und der Raum selbst - doch nicht so grundlegend ist? George Masser untersucht die möglichen Konsequenzen in seinem neuen Buch Spooky Action At a Distance. (Albert Einstein nannte die Quantenverschränkung "unheimliche Fernwirkung").
Als der Philosoph Jennan Ismael zehn Jahre alt war, kaufte ihr Vater, ein im Irak geborener Professor an der Universität von Calgary, einen großen Holzschrank auf einer Auktion. Nachdem sie darin gestöbert hatte, stieß sie auf ein altes Kaleidoskop und war begeistert. Sie experimentierte stundenlang damit und fand heraus, wie es funktionierte. "Ich habe meiner Schwester nicht gesagt, dass ich ihn gefunden habe, weil ich Angst hatte, dass sie es nehmen würde", erinnert sie sich.
Wenn Sie in das Kaleidoskop blicken und die Pfeife drehen, beginnen die bunten Figuren auf scheinbar völlig unerklärliche und unvorhersehbare Weise zu blühen, sich zu drehen und zu vereinen, als würden sie sich aus der Ferne unheimlich gegenseitig beeinflussen. Aber je mehr Sie sie bewundern, desto mehr bemerken Sie Muster in ihrer Bewegung. Die Formen an den gegenüberliegenden Enden Ihres Gesichtsfelds ändern sich im Einklang, und diese Symmetrie ermöglicht es Ihnen zu verstehen, was wirklich passiert: Diese Formen sind keine physischen Objekte, sondern Bilder von Objekten - Glassplitter, die sich in einer Spiegelröhre drehen.
"Es gibt ein Stück Glas, das in verschiedenen Teilen des Raums redundant erscheint", sagt Ismael. „Wenn Sie sich auf den gesamten Raum konzentrieren, wäre die physikalische Beschreibung eines dreidimensionalen Kaleidoskops eine ziemlich einfache kausale Geschichte. Es gibt ein Stück Glas, es spiegelt sich in den Spiegeln und so weiter. " In Wirklichkeit ist das Kaleidoskop kein Rätsel mehr, obwohl es immer noch überrascht.
Jahrzehnte später, als Ismael sich auf ein Gespräch über Quantenphysik vorbereitete, erinnerte er sich an das Kaleidoskop und kaufte eine brandneue, glänzende Kupferröhre in einem Samtgehäuse. Er wurde, wie es ihr dämmerte, eine Metapher für Nichtlokalität in der Physik. Vielleicht verhalten sich Teilchen in Verschränkungsexperimenten oder Galaxien in fernen galaktischen Grenzen seltsam, da es sich um Projektionen handelt - gewissermaßen sekundäre Kreationen -, die in einer völlig anderen Region von Objekten existieren.
„Beim Kaleidoskop wissen wir, was wir tun müssen: Wir müssen das gesamte System sehen; wir müssen sehen, wie das Bild des Raumes entsteht, sagt Ismael. - Wie kann man ein Analogon für Quanteneffekte erstellen? Dazu müssen Sie den Kosmos, den wir kennen - den alltäglichen Kosmos, in dem wir Ereignisse in verschiedenen Teilen des Kosmos messen - als unauflösliche Struktur betrachten. Wenn wir uns die beiden Teile ansehen, sehen wir vielleicht dasselbe Ereignis. Wir interagieren mit demselben Element der Realität in verschiedenen Teilen des Raums."
Zusammen mit anderen hinterfragt sie die Annahme, dass fast jeder Physiker und Philosoph seit Demokrit die tiefste Ebene der physischen Realität ist. So wie das Drehbuch für ein Stück die Handlungen der Schauspieler auf der Bühne beschreibt, aber der Bühne vorausgeht, nehmen die Gesetze der Physik traditionell die Existenz von Raum als selbstverständlich an. Wir wissen heute, dass das Universum mehr als nur Dinge im Weltraum ist. Das Phänomen der Nichtlokalität springt über den Raum; Es gibt keinen Ort, an dem es begrenzt ist. Es manifestiert sich auf der Ebene der Realität, die tiefer liegt als der Raum, wo das Konzept der Distanz keine Rolle mehr spielt, wo entfernte Dinge in der Nähe zu sein scheinen, als ob dasselbe an mehr als einem Ort erscheint, wie zahlreiche Bilder eines Glasstücks in einem Kaleidoskop.
Wenn wir über Begriffe auf dieser Ebene nachdenken, scheinen die Verbindungen zwischen subatomaren Partikeln auf einem Labortisch, innerhalb und außerhalb eines Schwarzen Lochs und zwischen gegenüberliegenden Teilen des Universums nicht mehr so gruselig zu sein. Michael Heller, Physiker, Philosoph und Theologe der Päpstlichen Akademie für Theologie in Krakau, Polen, sagt: „Wenn Sie der Meinung sind, dass die Physik auf einer fundamentalen Ebene nicht lokal ist, ist dies ganz natürlich, da zwei Teilchen, die weit voneinander entfernt sind, auf ihnen liegen eine grundlegende nicht-lokale Ebene. Für sie spielen Raum und Zeit keine Rolle. Nur wenn Sie versuchen, diese Phänomene aus einer Raumperspektive zu visualisieren - was verzeihlich ist, da wir es gewohnt sind, so zu denken -, verwirren sie unser Verständnis.
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Die Idee einer tiefen Ebene scheint natürlich, denn schließlich haben Physiker immer danach gestrebt. Wann immer sie bestimmte Aspekte unserer Welt nicht verstehen konnten, gingen sie davon aus, dass sie noch nicht auf den Grund gegangen waren. Sie zoomten heran und sahen die Bausteine. Dass flüssiges Wasser kochen oder gefrieren kann, ist etwas mysteriös. Diese Transformationen sind jedoch sinnvoll, wenn wir den flüssigen, gasförmigen und festen Zustand nicht als elementare Substanzen, sondern als verschiedene Formen einer Grundsubstanz darstellen.
Aristoteles betrachtete verschiedene Wasserzustände als unterschiedliche Inkarnationen der sogenannten Urmaterie, und Atomisten dachten - klugerweise -, dass Atome in starrere oder freiere Strukturen umgeordnet werden. Diese Bausteine der Materie erwerben massenhaft Eigenschaften, die individuell fehlen. Ebenso kann der Raum aus Teilen bestehen, die an sich nicht räumlich sind. Diese Teile können auch zerlegt und zu nicht räumlichen Strukturen zusammengesetzt werden, wie z. B. solchen, die auf Schwarze Löcher und den Urknall hinweisen.
"Raumzeit kann nicht grundlegend sein", sagt die Theoretikerin Nima Arkani-Hamed. "Es sollte aus etwas Einfacherem bestehen."
Dieses Denken dreht die Physik komplett um. Nichtlokalität ist kein Rätsel mehr; es ist Realität, und Lokalität wird zum wahren Geheimnis. Wenn wir Raum nicht mehr für selbstverständlich halten können, müssen wir erklären, was er ist und woraus er entsteht, unabhängig oder im Prozess der Vereinigung mit der Zeit.
Offensichtlich ist das Bauen von Räumen nicht so einfach wie das Verschmelzen von Molekülen zu einer Flüssigkeit. Was könnten seine Bausteine sein? Wir sagen normalerweise, dass die Bausteine kleiner sein sollten als die Dinge, aus denen sie bestehen. Wenn Sie einen detaillierten Eiffelturm aus Zahnstochern zusammenbauen, müssen Sie nicht erklären, dass Zahnstocher kleiner als der Turm sind.
Aber wenn es um Raum geht, gibt es kein „Weniger“, denn Größe selbst ist ein räumliches Konzept. Bausteine können dem Raum nicht vorangehen, wenn sie erklärt werden müssen. Sie sollten weder Größe noch Platz haben; Sie müssen überall, im ganzen Universum und nirgendwo gleichzeitig sein, damit sie nicht gestoßen werden können. Was bedeutet der Mangel an Position für eine Sache? Wo wird sie sein? „Wenn wir über die abfließende Raumzeit sprechen, muss sie aus einem Rahmen herausfließen, von dem wir sehr weit entfernt sind“, sagt Arkani-Hamed.
In der westlichen Philosophie wurde das Reich außerhalb des Raumes traditionell als das Reich außerhalb der Physik betrachtet - der Ort der Gegenwart Gottes in der christlichen Theologie. Im frühen 18. Jahrhundert existierten Gottfried Leibniz '"Monaden", die er als primitive Elemente des Universums darstellte, wie Gott außerhalb von Raum und Zeit. Seine Theorie war ein Schritt in Richtung der aufkommenden Raumzeit, blieb aber auf dem Gebiet der Metaphysik und war lose mit der Welt der konkreten Dinge verbunden. Wenn es Physikern gelingt, den entstehenden Raum zu erklären, müssen sie ihr eigenes Konzept für die Abwesenheit von Raum entwickeln.
Einstein sah diese Schwierigkeiten voraus. "Vielleicht … sollten wir im Prinzip das Raum-Zeit-Kontinuum aufgeben", schrieb er. - Man kann sich gut vorstellen, dass der menschliche Einfallsreichtum eines Tages Methoden finden wird, die diesen Weg ermöglichen. Gegenwärtig sieht ein solches Programm jedoch wie ein Versuch aus, den leeren Raum einzuatmen."
John Wheeler, ein bekannter Theoretiker der Schwerkraft, schlug vor, die Raumzeit sei aus "Pregometrie" konstruiert, gab jedoch zu, dass es sich nur um "Idee um der Idee willen" handele. Sogar Arkani-Hamed teilt seine Zweifel: „Diese Probleme sind sehr komplex. Es ist unmöglich, sie in der Sprache zu diskutieren, die wir gewohnt sind. “
Was Arkani-Hamed und seine Kollegen antreibt, ist die Suche nach Wegen, die Einstein beschrieben hat - Wege, um Physik ohne Raum zu beschreiben und im luftleeren Raum zu atmen. Er erklärt diese Versuche in Bezug auf die Geschichte: „Seit über 2.000 Jahren stellen Menschen Fragen zur Tiefe von Raum und Zeit, aber sie waren verfrüht. Wir sind endlich in einer Ära angekommen, in der Sie diese Fragen stellen und auf aussagekräftige Antworten hoffen können."
Basierend auf Materialien von Gizmodo
Ilya Khel