Teleportation oder die Fähigkeit, Menschen und Gegenstände sofort von einem Ort zum anderen zu bewegen, kann leicht die Richtung der Entwicklung der Zivilisation und der ganzen Welt im Allgemeinen ändern. Zum Beispiel würde die Teleportation ein für alle Mal die Prinzipien der Kriegsführung ändern, alle Transportmittel unnötig machen und das Beste daran: Urlaub wäre kein Problem mehr. Wer möchte nicht zu Hause einen eigenen Teleport haben?
Wahrscheinlich ist diese Fähigkeit aus diesem Grund die wünschenswerteste unter den Menschen. Natürlich wird es früher oder später die Physik sein, die diesen Traum wahr werden lassen muss. Mal sehen, was die Menschheit in unserer Zeit schon hat.
Ich möchte mit einem Zitat eines berühmten Wissenschaftlers beginnen:
Es ist wunderbar, dass wir mit einem Paradoxon konfrontiert sind. Jetzt können wir hoffen, vorwärts zu kommen.
Niels Bohr
Teleportation nach Newton
Im Rahmen von Newtons Theorie ist eine Teleportation einfach unmöglich. Newtons Gesetze basieren auf der Idee, dass Materie aus winzigen harten Billardkugeln besteht. Objekte bewegen sich nur, wenn sie geschoben werden. Objekte verschwinden nicht oder tauchen an anderer Stelle wieder auf. In der Quantentheorie sind Teilchen jedoch in der Lage, genau solche Tricks auszuführen.
Die Newtonsche Mechanik dauerte 250 Jahre und wurde 1925 gestürzt, als Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und ihre Kollegen die Quantentheorie entwickelten. Wenn Teleportation jemals realisiert wird, ist dies im Allgemeinen der Quantentheorie zu verdanken. Schauen wir uns das deshalb genauer an.
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Quantentheorie
Eine der wichtigsten Gleichungen bei der Teleportation ist die Schrödinger-Wellengleichung (siehe Foto). Vielleicht gibt es einen Ort, an dem darüber gesprochen werden kann, wie es aussah. Erwin hielt einmal einen Vortrag über ein interessantes Phänomen, in dem gesagt wurde, dass sich Elektronen wie Wellen verhalten. Peter Debye, einer der in der Halle anwesenden Physikerkollegen, stellte die Frage: "Wenn ein Elektron als Welle beschrieben werden kann, wie sieht dann seine Wellengleichung aus?"
Zu diesem Zeitpunkt kannten dank Newton bereits alle die Differentialrechnung, und die Physiker beschrieben jede Welle in der Sprache der Differentialrechnung. Gleichungen. Schrödinger nahm diese Frage daher als Herausforderung und beschloss, eine ähnliche Gleichung für das Elektron zu entwickeln. Und er tat es, als Maxwell einst seine Gleichungen für die Faradayschen Felder ableitete, Schrödinger die Gleichung für die de Broglie-Welle (die sogenannte Elektronenwelle).
Eine leichte Abweichung vom Thema: Wissenschaftshistoriker haben sich viel Mühe gegeben, um herauszufinden, wo Schrödinger war und was er tat, als er seine berühmte Gleichung entdeckte. Es stellte sich heraus, dass er ein Anhänger der freien Liebe war und oft mit seinen Geliebten in den Urlaub fuhr. Er führte sogar ein detailliertes Tagebuch, in das er alle seine Geliebten einschrieb und jedes Treffen mit einem komplexen Code markierte. Es wird angenommen, dass Schrödinger am Wochenende, als die Gleichung entdeckt wurde, mit einer seiner Freundinnen in den Alpen in der Villa Herwig verbrachte. So können Frauen manchmal helfen, geistige Aktivität anzuregen;)
Aber so einfach ist das nicht. Wenn das Elektron als Welle beschrieben wird, was schwingt dann darin? Derzeit wird angenommen, dass die Antwort die folgende Max-Born-These ist: Diese Wellen sind nichts weiter als Wellen der Wahrscheinlichkeit. Das heißt, ein Elektron ist ein Teilchen, aber die Wahrscheinlichkeit, dieses Teilchen zu detektieren, wird durch die De-Broglie-Welle festgelegt. Es stellt sich heraus, dass plötzlich im Zentrum der Physik - einer Wissenschaft, die uns genaue Vorhersagen und detaillierte Flugbahnen von Objekten, von Planeten und Kometen bis zu Kanonenkugeln - lieferte, die Konzepte von Zufall und Wahrscheinlichkeit existierten! Daher erschien das Heisenbergsche Unsicherheitsprinzip: Es ist unmöglich, die genaue Geschwindigkeit, die genaue Position des Elektrons und seine Energie gleichzeitig zu kennen. Auf der Quantenebene können Elektronen völlig unvorstellbare Dinge tun: verschwinden, dann wieder auftauchen, an zwei Orten gleichzeitig sein. Nun gehen wir direkt zur Teleportation über.
Teleportation und Quantentheorie
Wenn Leute gefragt werden: "Wie stellen Sie sich den Prozess der Teleportation vor?", Sagen die meisten, dass sie in einer speziellen Kabine sitzen müssen, ähnlich einem Aufzug, der sie an einen anderen Ort bringt. Aber manche stellen es sich anders vor: Sie sammeln von uns Informationen über die Position von Atomen, Elektronen usw. In unserem Körper werden all diese Informationen an einen anderen Ort übertragen, wo sie Sie mithilfe dieser Informationen erneut sammeln, jedoch an einem anderen Ort. Diese Option ist aufgrund des Heisenbergschen Unsicherheitsprinzips möglicherweise nicht möglich: Wir können den genauen Ort der Elektronen in einem Atom nicht herausfinden. Dieses Prinzip kann jedoch aufgrund einer interessanten Eigenschaft zweier Elektronen überwunden werden: Wenn zwei Elektronen anfänglich unisono schwingen (dieser Zustand wird als kohärent bezeichnet), können sie die Wellensynchronisation auch in großem Abstand voneinander aufrechterhalten. Auch wenn diese Elektronen Lichtjahre entfernt sind. Wenn dem ersten Elektron etwas passiert, werden Informationen darüber sofort an das andere Elektron übertragen. Dieses Phänomen nennt man Quantenverschränkung. Unter Ausnutzung dieses Phänomens konnten Physiker in den letzten Jahren ganze Cäsiumatome teleportieren und bald möglicherweise DNA-Moleküle und -Viren teleportieren. Übrigens konnte 1993 die grundsätzliche Möglichkeit der Teleportation mathematisch nachgewiesen werden. Wissenschaftler von IBM unter der Leitung von Charles Bennett. Sie wissen also nicht nur, wie man Prozessoren herstellt, wenn jemand es nicht wusste:)Unter Ausnutzung dieses Phänomens konnten Physiker in den letzten Jahren ganze Cäsiumatome teleportieren und bald möglicherweise DNA-Moleküle und -Viren teleportieren. Übrigens konnte 1993 die grundsätzliche Möglichkeit der Teleportation mathematisch nachgewiesen werden. Wissenschaftler von IBM unter der Leitung von Charles Bennett. Sie wissen also nicht nur, wie man Prozessoren herstellt, wenn jemand es nicht wusste:)Unter Ausnutzung dieses Phänomens konnten Physiker in den letzten Jahren ganze Cäsiumatome teleportieren und bald möglicherweise DNA-Moleküle und -Viren teleportieren. Übrigens konnte 1993 die grundsätzliche Möglichkeit der Teleportation mathematisch nachgewiesen werden. Wissenschaftler von IBM unter der Leitung von Charles Bennett. Sie wissen also nicht nur, wie man Prozessoren herstellt, wenn jemand es nicht wusste:)
Im Jahr 2004 konnten Physiker der Universität Wien Lichtteilchen in einer Entfernung von 600 m unter der Donau per Glasfaserkabel teleportieren und so einen neuen Entfernungsrekord aufstellen. 2006 wurde in solchen Experimenten erstmals ein makroskopisches Objekt verwendet. Physikern des Niels-Bohr-Instituts und des Max-Planck-Instituts gelang es, einen Lichtstrahl und ein Gas aus Cäsiumatomen zu verwickeln. Viele Billionen Atome nahmen an dieser Veranstaltung teil!
Leider ist die Verwendung dieser Methode zum Teleportieren fester und relativ großer Objekte furchtbar unpraktisch, sodass sich eine Teleportation ohne Verstrickung wahrscheinlich schneller entwickelt. Lassen Sie es uns unten analysieren.
Teleportation ohne Verstrickung
Die Forschung in diesem Bereich gewinnt rasch an Dynamik. Im Jahr 2007 wurde eine wichtige Entdeckung gemacht. Physiker haben eine Teleportationsmethode vorgeschlagen, die keine Verschränkung erfordert. Immerhin ist dies das komplexeste Element der Quantenteleportation, und wenn Sie es schaffen, es nicht zu verwenden, können Sie viele verwandte Probleme vermeiden. Hier ist der Kern dieser Methode: Wissenschaftler nehmen einen Strahl von Rubidiumatomen, übersetzen alle seine Informationen in einen Lichtstrahl, senden diesen Strahl über ein Glasfaserkabel und erzeugen dann den ursprünglichen Atomstrahl an einer anderen Stelle. Der für diese Studie verantwortliche Dr. Aston Bradley nannte diese Methode klassische Teleportation.
Aber warum ist diese Methode möglich? Dies ist aufgrund des kürzlich entdeckten Materiezustands "Bose-Einstein-Kondensat" oder KBE möglich (im Bild links ist es in einer Ellipsoidfalle aufgedreht). Es ist eine der kältesten Substanzen im gesamten Universum. In der Natur kann die niedrigste Temperatur im Raum gefunden werden: 3 Kelvin, d.h. drei Grad über dem absoluten Nullpunkt. Dies ist auf die Restwärme des Urknalls zurückzuführen, die immer noch das Universum füllt. Aber CBE existiert von einem Millionstel bis zu einem Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Diese Temperatur kann nur in einem Labor erhalten werden.
Wenn die Substanz auf den Zustand von CBE abgekühlt wird, fallen alle Atome auf das niedrigste Energieniveau und beginnen im Einklang zu schwingen (werden kohärent). Die Wellenfunktionen all dieser Atome überlappen sich, so dass der CBE in gewissem Sinne einem riesigen "Superatom" ähnelt. Die Existenz dieser Substanz wurde 1925 von Einstein und Schatiendranath Bose vorhergesagt, aber dieses Kondensat wurde erst 1995 in den Labors des Massachusetts Institute of Technology und der University of Colorado entdeckt.
Betrachten wir nun das Prinzip der Teleportation unter Beteiligung von KBE. Zunächst wird eine superkalte Substanz aus Rubidiumatomen im CBE-Zustand gesammelt. Dann werden gewöhnliche Rubidiumatome zu diesem BEC geschickt, dessen Elektronen ebenfalls auf das niedrigste Energieniveau zu fallen beginnen, während sie Lichtquanten emittieren, die wiederum über das Glasfaserkabel übertragen werden. Darüber hinaus enthält dieser Strahl alle notwendigen Informationen, um den anfänglichen Materiestrahl zu beschreiben. Nachdem der Lichtstrahl das Kabel passiert hat, tritt er in einen anderen BEC ein, der ihn in den anfänglichen Materiefluss verwandelt.
Wissenschaftler finden diese Methode äußerst vielversprechend, aber es gibt eigene Probleme. Beispielsweise ist CBE selbst in einem Labor sehr schwer zu erhalten.
Ausgabe
Können wir bei all dem, was bisher erreicht wurde, sagen, wann wir selbst diese erstaunliche Fähigkeit erhalten werden? In den kommenden Jahren hoffen die Physiker, komplexe Moleküle teleportieren zu können. Danach wird es wahrscheinlich mehrere Jahrzehnte dauern, bis ein Weg gefunden ist, DNA oder vielleicht eine Art Virus zu teleportieren. Die technischen Herausforderungen, die auf dem Weg zu einer solchen Leistung bewältigt werden müssen, sind jedoch erstaunlich. Es ist wahrscheinlich, dass viele Jahrhunderte vergehen werden, bevor wir gewöhnliche Objekte teleportieren können, wenn dies überhaupt möglich ist.
Verwendetes Material: Michio Kaku "Physik des Unmöglichen"
