Die großen Rätsel der modernen Physik Alexander Wolf

In dieser Folge sezieren wir einen der grundlegenden Versuche der Quantenmechanik, das Doppelspaltexperiment, von dem Richard Feynman sagt, er beinhalte das Herz der Quantenmechanik. Auch wenn Sven das nicht ganz so sieht, lassen sich anhand dieses einfachen Versuchsaufbaus ganz viele Fragen der Quantenmechanik behandeln: Was hat es mit den Wellen- und Teilcheneigenschaften von Quantenobjekten auf sich? Was hat der Messprozess mit dem Messobjekt zu tun? Und gibt es eine prinzipielle Grenze zwischen der Welt des Kleinen und der Welt des Großen? Und wenn ja, wo verläuft sie?

Neben den akademischen Fragen schauen wir auch auf Anwendungen: Wie lassen sich die Quanteneigenschaften nutzen, um nützliche Informationen zu erhalten, die sich auch technisch nutzen lassen?

Viel Spaß beim Hören!

Anlässlich des Todes von Peter Higgs beschäftigen wir uns mit einer sehr grundlegenden physikalischen Größe, der Masse.

Das Schöne an der Masse ist, dass wir einen intuitiven Zugang zu ihr haben: Dinge sind leicht oder schwer, und wenn man sie loslässt, fallen sie runter. Aber da fangen die Schwierigkeiten schon an: Lässt man eine Bowlingkugel und eine Feder im Vakuum fallen, so erreichen sie den Boden gleichzeitig. Noch nicht gesehen!? Das liegt daran, dass wir uns nicht im Vakuum befinden.

Der Grund für diese überraschende Ergebnis ist, dass es nicht eine, sondern zwei Arten von Massen gibt: die träge und die schwere Masse. Erst Albert Einstein gelang es im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie, diese Konzepte zu verbinden.

Aber was hat das mit Peter Higgs und seinem Teilchen zu tun? Anfangs gar nichts. Higgs versuchte ein abstraktes physikalisches Problem mathematisch zu lösen, das zunächst nichts mit der Masse von Elementarteilchen und zu tun hatte. Erst später wurde klar, dass sein Mechanismus die Massen der Elementarteilchen ermöglicht und den Abschluss des Standardmodells der Teilchenphysik bildet.

Anhand der Masse spannen wir den Bogen von unserer Alltagswelt über die klassische Physik hin zu den Rätseln der modernen Physik.

"Da sprach Gott: Es werde Licht! Und es wurde Licht."

Licht als Ursprung der Ordnung, die Dualität hell-dunkel beschäftigen die Menschheit wohl seit es Menschen gibt. In der modernen Wissenschaft begann die Frage nach dem Wesen des Lichts mit einem Streit, dem "Korpuskularstreit": Auf der einen Seite der Titan der Physik, Sir Isaak Newton, der Licht als Teilchen begriff, die sich nach den Gesetzen der Mechanik ausbreiten; auf der anderen Seiten der niederländische Physiker Christiaan Huygens, für den Licht eine Welle war, die sich im Raum ausbreitet. Beide Theorien konnten die meisten Eigenschaften von Licht erklären, aber aufgrund der Autorität Newtons blieb die Korpuskeltheorie vorherrschend bis weit ins 19. Jahrhundert.

Mit der Formulierung der Maxwellgleichungen, die Elektrizitätslehre und Magnetismus äußerst elegant verband, folgte die Wellennatur: Licht ist eine elektromagnetische Welle, die sich mit unglaublicher Geschwindigkeit im Raum ausbreitet. Also doch eine Welle!?

Nicht ganz. Albert Einstein nahm den "Rechentrick" von Max Planck ernst, eine kleinste Energieportion einzuführen, und konnte so die zu diesem Zeitpunkt sehr verwirrenden Ergebnisse des sogenannten Photoeffekts erklären. Damit war die Idee des Photons geboren und die Entwicklung der Quantenphysik nahm ihren Lauf.

Wissen wir jetzt was Licht ist? Hört rein und findet es heraus...

In dieser Folge spreche ich mit Sven Ramelow über Quantenoptik. Sven leitet eine Nachwuchsgruppe an der HU Berlin, die mit Hilfe von Photonen Grundlagen der Quantenphysik untersucht, aber auch spannende Anwendungen entwickelt.

Das Feld hat im letzten Jahr durch den Nobelpreis für Physik große Anerkennung bekommen, nicht zuletzt deswegen weil die grundlegenden Arbeiten bahnbrechend für die Entwicklung von Quantencomputern und Quantenkryptographie waren. Wir umreißen das Feld und geben einen Ausblick auf die Themen, die wir in den folgenden Podcasts besprechen wollen.

Ein Gespenst geht um in der Welt:

Die künstliche Intelligenz.

Wir sind keine KI-Experten und wagen einen kritischen Blick von außen. Als erstes fragen wir ganz naiv:

Was ist eigentlich natürliche Intelligenz? Erst danach besprechen wir, wie wir sie auf Rechnern nachbauen können. Und fragen uns:

Wo ist KI erfolgreich? Wie intelligent sind fahrende Autos? Worin unterscheidet sich menschliches Denken von KI? Kann KI von sich aus Gefühle oder einen Glauben entwickeln? Gibt es menschliche Dinge, die uns KI nicht nehmen kann? Nimmt sie uns das Privileg, uns als Krone der Schöpfung fühlen zu können?

Und wo lauern ihre Gefahren?

"Denn alles, was entsteht, ist wert, dass es zugrunde geht!"

Nach dem Blick zurück zum Urknall, zur Entstehung der Welt, wagen jetzt wir einen Blick in die Zukunft des Universums. Die Vorstellung einer steten Entwicklung des Kosmos ist relativ neu: Als Albert Einstein mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie die moderne Kosmologie begründete, ging die Physik noch von einer statischen Welt aus. Um diese zu stabilisieren, führte er die kosmologische Konstante in seine Gleichungen ein - seine größte Eselei, die er bald darauf korrigierte.

Erst der belgische Jesuitenpater Georges Lemaitre brachte mit seiner Vorstellung von einem Urknall Dynamik ins Universum. Seitdem hat sich die Vorstellung vom Werden unseren Welt stetig verändert. Beim Blick in die Zukunft stellen wir fest, dass wir nicht nur in der besten aller Welten leben, sondern wohl auch in der besten aller Zeiten.

Unsere bunte vielfältige Welt wird nicht in alle Ewigkeit so weiter bestehen, sondern einem kalten langweiligen Universum Platz machen, in dem es keine Galaxien, keine Sterne, ja nicht einmal mehr die Kräfte gibt, die unsere Welt bestimmen.

Aber wie mit jedem Wetterbericht ist es auch mit unserem Blick in die Zukunft: Es kann auch ganz anders kommen...