Montag, 25. September 2017

Bewusst und unbewusst.

Nicht alles, was wir sehen, nehmen wir auch bewusst wahr.
aus scinexx
 
Wie Reize auf dem Weg ins Bewusstsein versickern
Trennung zwischen bewusst und unbewusst erfolgt erst spät 

Zwischen bewusst und unbewusst: Ob wir Bilder, die auf die Netzhaut unserer Augen fallen, auch bewusst wahrnehmen, entscheidet sich im Gehirn. Eine Studie zeigt nun, wie manche Reize auf dem Weg ins Bewusstsein gewissermaßen "versickern". Demnach setzt dieser Prozess offenbar erst erstaunlich spät im Laufe der Signalverarbeitung ein. Anfangs unterscheidet sich die Reaktion der Nervenzellen auf unbewusste und bewusste Reize dagegen kaum. 

Im Alltag strömen ununterbrochen tausende visuelle Reize auf uns ein. Doch nur einen Bruchteil davon nehmen wir bewusst wahr: Um einer Reizüberflutung zu entgehen, sortiert unser Gehirn systematisch aus. In unserem Denkorgan entscheidet sich, ob wir die Bilder, die auf die Netzhaut unserer Augen fallen, bewusst wahrnehmen oder nicht.

Wie dieser Prozess genau vonstatten geht, ist bisher jedoch weitestgehend unbekannt. Wissenschaftler um Thomas Reber von der Universität Bonn haben diesen Mechanismus nun genauer untersucht – und gezeigt, wie manche Reize auf dem Weg ins Bewusstsein gewissermaßen "versickern". 

Wahrnehmung im Bildertest

Späte Trennung

Wenn ein Bild auf die Netzhaut fällt, leitet der Sehnerv die dazu gehörigen Reize zunächst an die Hinterseite des Schädels zum sogenannten visuellen Cortex – dem primären Sehzentrum. Dort verzweigt sich das Signal; ein Teil läuft durch den Schläfenlappen zurück Richtung Stirn. Die Messungen offenbarten, wie sich die elektrischen Pulse auf diesem Weg verändern: "Im hinteren Bereich des Schläfenlappens – also dem, der früher in der Verarbeitungskette liegt – gibt es kaum Unterschiede zwischen bewusst und unbewusst verarbeiteten Bildern", berichtet Reber. 

Die Aufspaltung in bewusst und unbewusst passiert erst danach: Auf dem Weg in die vorderen Teile des Schläfenlappens erfolgen die Pulse bei unbewussten Bildern mit einer immer größeren Zeitverzögerung. Zudem werden sie auf ihrer Reise immer schwächer. "Die Trennung zwischen bewusst und unbewusst erfolgt damit deutlich später, als viele Forscher bislang vermuteten", sagt Reber. 

Gesehen ja, wahrgenommen nein

 Damit ist klar: Das Auge registriert das Foto zwar und erzeugt ein entsprechendes Signal. Dieses scheint auf dem Weg ins Bewusstsein jedoch zu "versickern". Als Folge nimmt der Proband das Bild nicht wahr. "Es ist schon erstaunlich", meint Reber: "Wir können mit unseren Messungen nachweisen, dass der Patient ein bestimmtes Motiv gesehen hat – auch wenn der diese Tatsache auf Nachfrage verneint." (Current Biology, 2017; doi: 10.1016/j.cub.2017.08.025)

(Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, 25.09.2017 - DAL)


Nota. - Also nicht im Moment des Kontakts mit der Sinneszelle geschieht die Unteerscheidung, sondern erst auf dem Weg nach vorn in den Stirnbereich, wo die Aufmerksamkeit sitzt. Als nächstes wüsste man gern: Wer macht die Unterscheidung - wer scheidet, und warum? Auf den ersten Blick möchte man meinen, es müsse mit der Aufmerksamkeit zu tun haben. Die Aufmerksamkeit verstärkt die Scheidung - oder besser gesagt: Sie ist die Scheidung. - Mit Wörtern kommt man offenbar nicht weiter. Was muss man sich vorstel- len?
JE


Samstag, 23. September 2017

Weltformel.




Die Suche nach der Weltformel ist die Suche nach dem intelligent design: Würde sie gefunden, drängte sich die Annahme auf, dass sie sich wer ausgedacht hat; ein Urheber.

Unser Vorstellungsvermögen hat sich darwinistisch-evolutiv in der natürlichen Mittelwelt durch trial and error ausgebildet, da, wo die Sonne im Osten auf- und im Westen untergeht und wo wir unsere Erfahrungen machen.* Den Vorgängen im Mikrokosmos ist es ebensowenig erwachsen wie denen im Makrokosmos. Für beide jenseits seines Horizonts gelegenen Welten kann der Verstand theoretische Modelle erfinden, die sich nachrechnen und experimentell prüfen lassen – Quantenmechanik und Relativitätstheorie. Aber vorstellen, was die Modelle beschrei- ben, können wir uns in unseren irdischen Köpfen nicht.


Dass Quantenmechanik und Relativitätstheorie einander streng genommen ausschließen, ist beruhigend für die Vernunft. Es bestätigt, dass wir mit unseren irdischen Vermögen getan haben, was wir konnten. Wo wir mit unserer Vorstellung nicht mehr hinlangen können, nach ganz weit oben und ganz weit unten, haben wir uns mit Begriffen ausgeholfen, die wir aus logischen Prämissen unsern Erkenntniszwecken gemäß konstruieren konnten. Dass dies oben und unten jeweils ganz andere Begriffe sein würden, war angesichts dieser Vorgehens- weise zu erwarten. Ließen sich für beide Bereiche dieselben Begriffe finden, sollte uns das Blut in den Adern gefrieren: Wenn oben und unten dieselben Begriffe gälten, müssten sie dazwischen, in unserer mittleren Erfah- rungswelt, ebenso gelten; ein einziges Naturgesetz von Anfang bis Ende. 

Und kein Gesetz ohne einen Gesetzgeber.
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*) Die Labore der Wissenschaftler liegen auch in diesem Zwischenreich.

27. August 2013







Freitag, 22. September 2017

Die vier Grundkräfte V: Gibt es die "Weltformel"?

aus scinexx                               Die Grand Unifying Theory (GUT) von Glashow und Weinberg sollte drei der vier Grundkräfte vereinen

Gibt es die "Weltformel"?
Große Hoffnung und viele Fehlschläge

In den 1960er und 1970er Jahren herrschte Aufbruchsstimmung in der Physik. Die lange gesuchte "Weltformel" schien plötzlich zum Greifen nahe. Denn Forschern war es gelungen, zwei der Grundkräfte zu vereinen: den Elektromagnetismus und die schwache Kernkraft.

Eine erste Verschmelzung

Sheldon Glashow, Steven Weinberg und Abdus Salam konnten theoretisch nachweisen, dass diese Kräfte bei hohen Energien von rund 100 Gigaelektronenvolt verschmelzen. Sie sind dann nur Manifestationen einer übergeordneten Kraft – der sogenannten elektroschwachen Wechselwirkung. Erst bei niedrigeren Temperaturen und Energien bricht diese Symmetrie zusammen – unter anderem durch Einwirkung des Higgs-Mechanismus. Denn er verleiht den Eichbosonen der schwachen Kernkraft eine Masse, dem Photon aber nicht.

1979 erhielten die drei Forscher dafür den Nobelpreis für Physik. Glashow und Weinberg sahen dies jedoch nur als einen ersten Schritt hin zur "Grand Unifying Theory" (GUT) – der großen vereinheitlichten Theorie. Sie entwickelten ein System, das es erlaubte, die Trägerteilchen von elektromagnetischer, schwacher und starker Wechselwirkung in mathematische Symmetriegruppen einzuordnen – die Grundlage für das heutige Standardmodell der Teilchenphysik.

Erklärungsnöte

Der nächste Schritt, die Vereinigung der starken Kernkraft mit den anderen beiden Grundkräften, schien nur noch eine Frage der Zeit. "Der Geruch der großen Synthese lag förmlich in der Luft", beschreibt US-Physiker Lawrence Krauss die Stimmung. Doch dieser Optimismus erwies sich als verfrüht. Zum einen können selbst die stärksten Teilchenbeschleuniger nicht einmal ansatzweise in den Energiebereich vordringen, der für eine Verschmelzung von starker und elektroschwacher Wechselwirkung nötig wäre. Sie lässt sich daher experimentell nicht direkt beweisen.

Die Supersymmetrie postuliert die Existenz von schweren Partnerteilchen für jedes bisher bekannte Elementarteilchen.
Im Gegenteil: Messungen deuten inzwischen darauf hin, dass es offenbar nicht genügt, einfach von noch höheren Energie auszugehen, um auch die starke Kernkraft mit ins Boot zu bringen: "Präzisere Messungen demonstrierten, dass sie sich in keiner Größenordnung vereinen – wenn es nur die Teilchen gibt, die bisher im Standardmodell vorkommen", erklärt Krauss.

Neuere Varianten der GUT versuchen daher, dieses Problem durch zusätzliche Teilchen oder Dimensionen zu umgehen, darunter die Supersymmetrie und die Stringtheorie. Bisher allerdings sind auch sie bloße Gedankengebäude ohne echtes Fundament.

Das Problem des Protonenzerfalls

Und noch einen Haken gibt es: Fast alle GUT-Varianten funktionieren nur, wenn es einen Zerfall des Protons gibt. Der Atombaustein dürfte demnach nicht unendlich lange stabil sein wie bisher angenommen, sondern müsste irgendwann spontan zerfallen - wenngleich erst nach 10 hoch 34 Jahren.

Blick in den Wassertank des Super-Kamiokande. Wände und Boden sind mit Phtoodetektoren bedeckt.

Das Problem dabei: Trotz dieser unvorstellbaren Halbwertszeit müsste sich der Protonzerfall experimentell leicht nachweisen lassen. Allein in unserem Körper tragen wir genügend Protonen, um in einem Jahr mindestens einen Zerfall zu erleben. In den gewaltigen Wassertanks von Detektoren wie dem Super-Kamiokande in Japan hätte daher längst einer dieser Zerfälle beobachtet werden müssen.

Doch das ist nicht der Fall. "Damit sind die meisten Varianten der einheitlichen Feldtheorie ausgeschlossen", konstatiert Krauss. Auch Glashow räumt dies ein: "Der Protonenzerfall ist ein Fehlschlag. Viele große Ideen sind damit gestorben."

Bleibt die Weltformel ein Traum?

Und nicht nur das: Wenn die große Vereinheitlichung schon bei den drei Grundkräften mit bekannten Trägerteilchen und gemeinsamer Quantenphysik nicht funktioniert, dann sieht es für die ganz große Weltformel richtig düster aus. Denn die Gravitation entzieht sich bisher dem übergeordneten quantenphysikalischen System, ganz zu schweigen von ihrem noch immer unentdeckten Boson.

Noch ist der Traum einer Weltformel damit zwar nicht völlig ausgeträumt. Aber es wird immer klarer, dass die von Einstein einst so optimistisch angegangene Vereinheitlichung der Grundkräfte viel komplexer und komplizierter ist als lange angenommen. Ob die Weltformel daher gibt und ob sie je gefunden wird, bleibt offen.

(von Nadja Podbregar, 28.07.2017)
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Nota. - Von Philosophie verstehe ich etwas; von Transzendentalphilosophie, genauer gesagt. Auch von den Naturwissenschaften habe ich dies und das gehört, aber dass ich es verstünde, hatte ich nicht oft das Ge- fühl. Doch hier handelt es sich nicht um Naturwissenschaft, sondern um deren allgemeinverständliche Zu- sammenfassung. Ob und wieweit es zutrifft, kann ich nicht beurteilen; ich nehme an, dass es den 'Stand der Wissenschaft' loyal wiedergibt.

Die Philosophie lehrt mich, dass ich von den Dingen selber gar nichts weiß. Ich habe Vorstellungen von ihnen, über die kann ich reden, und ich kann mich fragen, wie ich zu ihnen gekommen bin. Ich werde be- merken, dass ich bei der Aufnahme, Anordnung und Bewertung der Daten, die mir meine Sinnesorgane vermelden, gewisse Schemata verwende - das, was bei Kant das 'Apriori' heißt. Bis dahin ist das noch keine Philosophie, sondern entspricht den Ergebnissen der empirischen (psychologischen) Forschung. Wenn es stimmt, verwendet sie allerdings selber besagte Schemata, sie kommt hinterdrein und ist nicht befähigt, die Schemata auf ihre Herkunft und Berechtigung zu prüfen.

Das ist Sache der Philosophie, nämlich der kritischen oder 'Transzendental'-Philosophie; transzendental darum, weil sie nach den Bedingungen ihrer eigenen Möglichkeit fragt. So kritisch und radikal sie immer verfährt - sie bleibt doch immer im Rahmen unserer tatsächlichen Vorstellungsmöglichkeiten, will sagen: andere Voraussetzungen als die, die sie selber macht, sind ihr nicht möglich.

Kant selber hatte die Möglichkeit offengelassen, dass unser Vorstellungsvermögen von einem Schöpfer so angelegt wurde, wie es eben ist. Der Naturwissenschaftler, der an dieser Stelle wieder zu Wort kommt, sagt, unser Vorstellungsvermögen ist wie jedes andere unserer Vermögen ein Produkt der natürlichen Evolution: Anpassung und Auslese. Wir können uns nicht vorstellen, was wir uns vorstellen könnten, wenn wir uns in einer anderen Ecke des Universums hätten entwickeln müssen; wir können uns nicht einmal vorstellen, was in unserer Welt die Biene dort sieht, wo bei uns das ultraviolette Licht unsichtbar wird.

Es ist Wunders genug, dass die irdische Beschränktheit unserer Vorstellungskraft uns nicht daran gehindert hat, durch das Übersetzen von konstruierten Begriffen in mathematische Formeln uns Dinge denkbar zu machen, die wir uns nicht vorstellen können. Das Wunder hat einen Namen, es heißt Symbolisierung. Mit den Symbolen können wir operieren, ohne unsere Vorstellungskraft jeweils mitbemühen zu müssen. Da- durch werden die Symbole indessen kein bisschen objektiver: Sie bleiben immer willkürlich gewählte Zeichen für eine subjektive Bedeutung. Die Bedeutung bezieht sich immer nur darauf, was wir mit dem Ding anfangen können, und nicht auf das, was das Ding 'ist', und ob eine Bedeutung 'stimmt', wird sich erweisen oder nicht.

Wenn also Einstein meinte, sein Geist könne sich nicht mit der Vorstellung zufriedengeben, dass es im Univerum "zwei getrennte Felder gibt, die in ihrer Natur völlig voneinander unabhängig sind", so sagt er etwas darüber, welche Vorstellungen unsere Gattungsgeschichte unserm Gehirn möglich gemacht hat; aber nichts über die Beschaffenheit der 'Dinge'. 

Es wäre des Wunders viel zu viel, wenn sich erwiese, dass wir durch das Kombinieren von Symbolen Formeln konstruieren können, denen 'das Ding' entspricht. Denn hier geht es nicht um dieses oder jenes Ding - da könnte der Zufall beispringen -, sondern um den Inbegriff aller Dinge. Den könnte nur kennen, wer 'Alles' erschaffen hat. Und andernfalls gäbe es ihn gar nicht.

Indem nun die Transzendentalphilosophie den Gedanken einer Schöpfung undenkbar* macht, schließt sie die Möglichkeit einer Weltformel aus; und darauf will ich wetten. 
JE

*) Kant hatte ihn dem Glauben zugestanden, aus der Wissscenschaft jedoch verbannt.



 



Donnerstag, 21. September 2017

Die vier Grundkräfte IV: "Einheitliche Feldtheorie".

 
aus scinexx                    Der Theorie nach gehen alle vier Grundkräfte auf eine "Urkraft" zurück, die direkt nach dem Urknall existierte.

Wo Einstein scheiterte
Die Suche nach der Einheitlichen Feldtheorie

Beobachtungen und theoretische Überlegungen legen nahe, dass es mindestens vier Grundkräfte im Universum gibt. Aber warum eigentlich? Könnten sie nicht genauso gut vier verschiedene Manifestationen einer einzigen, fundamentalen Urkraft sein?

Urkraft am Uranfang 

Tatsächlich geht das gängige Weltbild der Physik davon aus, dass alle vier Grundkräfte ursprünglich vereint waren – unmittelbar nach dem Urknall. Damals, in den allersten Sekundenbruchteilen unseres Universums, war alle Materie und Energie auf einen unvorstellbar winzigen Punkt konzentriert. Unter diesen Extrembedingungen, bevor es überhaupt Teilchen gab, könnten auch alle Kräfte in einer Art "Urkraft" vereint gewesen sein. Auch alle Trägerteilchen waren damals noch gleich.

Doch noch vor Beginn der kosmischen Inflation zerfiel diese Urkraft – so die Annahme. Die Gravitation spaltete sich als erste ab, dann folgte die starke Kernkraft. Übrig blieb eine Kombination von schwacher Kernkraft und Elektromagnetismus: die elektroschwache Wechselwirkung. In der Zeit zwischen einer Billionstel und einer Millionstel Sekunde nach dem Urknall jedoch zerfiel auch sie und die restlichen beiden Grundkräfte entstanden. So weit die Theorie.

Eine Gleichung für alle

Doch wenn einst wirklich alle Grundkräfte vereint waren, dann müssten sie sich noch heute zumindest mathematisch-physikalisch auf einen Nenner bringen lassen. Anders ausgedrückt: Es müsste eine Gleichung geben, die alle Grundkräfte unter einen Hut bringt und das dahinterstehende, gemeinsame Konzept beschreibt. Die Idee einer solchen "Weltformel" ist faszinierend – und deshalb so etwas wie ein Gral der Physik.


Albert Einstein suchte gut 30 Jahre lang nach einer einheitlichen Feldtheorie für Gravitation und Elektromagnetismus – vergeblich.
Albert Einstein suchte gut 30 Jahre lang nach einer einheitlichen Feldtheorie für Gravitation und Elektromagnetismus – vergeblich.
Schon Albert Einstein fahndete nach dieser "Einheitlichen Feldtheorie" – obwohl zu seiner Zeit erst zwei der vier Grundkräfte bekannt waren: Gravitation und Elektromagnetismus. Dennoch versuchte er mehr als 30 Jahre lang, diese beiden mittels Feldgleichungen miteinander zu vereinen. "Der Geist, der nach einer integrierten Theorie sucht, kann nicht damit zufrieden sein, dass es zwei getrennte Felder gibt, die in ihrer Natur völlig voneinander unabhängig sind", sagte er 1926 in seiner Nobelpreisrede.

Doch so genial der Physiker auch war: An der Einheitlichen Feldtheorie biss er sich die Zähne aus. Einer der Gründe dafür war sein mangelndes Verständnis für die Quantenwelt, wie der Physiker Brian Greene erklärt: "Einstein wusste einfach nicht genügend über die fundamentalen Prozesse und Prinzipien in der Welt der mikroskopisch kleinen Teilchen, um den nächsten Schritt zu schaffen."

Aber auch seither halten sich die Fortschritte in Grenzen…


Nota. - Wenn wir am vorderen Ende der Zeitleiste stünden, würden wir der 'Urkraft' bei ihrem Wirken hinterhersehen und könnten ihr dabei zusehen, wie - und wo - sie sich vierteilt. Dafür ein mathematisches Modell zu entwickeln, dürfte nicht das schwerste Unterfangen sein. Wenn wir also auf dem Standpunkt eines intelligent designers stünden.

Wir sehen aber in die Zeitleiste von hinten zurück. Wo immer wir zu messsen anfaangen - die 'Urkraft' erscheint nirgends, sondern immer schon eine der vier Grundkräfte. Dass unsere Messinstrumente - allein schon die gedanklichen! - so feinfühlig sind, sie in den mannigfaltigen Phänomene als diese oder jene zu scheiden und zu iden-tifizieren, ist wohl ein Faktum - aber eigentlich ein erstaunliches! Dass wir aber nicht von 'hinten' in den Urknall "zurückkönnen" und dass uns der Rückblick opak erscheint, ist eine naheliegende Vermutung des gesunden Menschenverstands, hab ich Recht?
JE

Mittwoch, 20. September 2017

Die vier Grundkräfte III: Gravitation.


aus scinexx                                                        Die Gravitation manifestiert sich in einer Krümmung der Raumzeit
  
Eine Grundkraft allerdings fällt komplett aus dem Rahmen – da hilft auch kein Higgs: die Gravitation.
Problemfall Gravitation 
Warum die Schwerkraft nicht ins Schema passt 

Die Gravitation ist ein echter Sonderling. Denn sie will einfach nicht in das säuberlich geordnete Standardmodell der Teilchenphysik passen. Klar scheint: Die Gravitation ist definitiv eine der fundamentalen Kräfte im Universum. Gäbe es die Gravitation nicht, würde es weder Sterne noch Planeten im All geben und auch unsere Alltagserfahrungen sähen ziemlich anders aus.

Extrem schwach und doch weltbewegend 

Erst die Gravitation sorgt dafür, dass sich Objekte mit einer Masse gegenseitig anziehen – je größer die Massen, desto stärker die Anziehungskraft. Das aber bedeutet auch, dass die Gravitationskraft auf der Ebene der Alltagsobjekte nur sehr schwach wirkt. Rein theoretisch übt unser Körper auf alle umgebenden Objekte eine Anziehungskraft aus. Spüren tun wir davon allerdings nichts. Und selbst die Schwerkraft der Erde können wir durch ein wenig Muskelkraft locker überwinden: Fällt uns ein Buch auf den Boden, heben wir es problemlos wieder auf.

Bei sehr kleinen Massen, wie auf der Ebene der Elementarteilchen, wirkt die Gravitation sogar so schwach, dass sie vernachlässigbar ist. Deshalb taucht die Gravitation in den Berechnungen und Modellen der Teilchenphysiker auch nicht auf – bisher jedenfalls. 

Wo steckt das Trägerteilchen? 

Das richtig große Problem aber bereitet uns die Gravitation, wenn es um ihr Trägerteilchen geht. Rein theoretisch müsste sie - wie alle anderen Grundkräfte auch - durch ein Eichboson vermittelt werden. Aber wie ein solches Graviton beschaffen sein könnte und ob es wirklich existiert, ist eines der großen Rätsel der modernen Physik.

Computermodell von Gravitationswellen, wie sie Einstein postulierte

Einer der Gründe dafür ist die ungewöhnliche Wirkungsweise der Gravitation. Albert Einstein beschrieb in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie, dass die Gravitation untrennbar mit der Geometrie der Raumzeit verknüpft ist - und damit mit der Grundmatrix unseres Universums. Die Anziehung zwischen zwei Massen macht sich demnach in einer Krümmung der Raumzeit bemerkbar. Kommt es zu abrupten Veränderungen, beispielsweise bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher, löst dies wellenartige Schwingungen der Raumzeit aus - Gravitationswellen. 

Das Problem der Quantisierung 

So weit, so bekannt. Aber wo in diesem Geschehen bleibt Platz für das Graviton? Rein theoretisch könnte es ähnlich wie beim Elektromagnetismus sein: Die Photonen sind im Prinzip nichts anders als die gequantelten, kleinsten Energieeinheiten der elektromagnetischen Wellen – eine elegante mathematisch beschreibbare Herleitung.

Aber die Gravitation ist keine normale Welle, sie ist die Geometrie der Raumzeit. Will man sie quantisieren, müsste man die Raumzeit selbst in diskrete Grundeinheiten aufteilen. Tatsächlich gibt es Physiker, die davon ausgehen, dass auch die Raumzeit aus Quanten besteht. Nach der Schleifen-Quantengravition ist sie aus einem Spin-Netzwerk aus verbundenen Knotenpunkten aufgebaut - sogenannte Schleifen oder "Loops". Wo sich in diesen Einheiten das Graviton versteckt, ist jedoch unklar.

Die Schleifen-Quantengravitation postuliert eine Quantelung der Raumzeit in Form eines Netzes auf Knoten und Schleifen
. 
Ein Detektor für das Graviton

Könnte man das Graviton vielleicht einfach experimentell nachweisen? Leider stehen die Chancen dafür eher schlecht, einige Physiker halten es sogar schlicht für unmöglich. Einer der Gründe: Die Gravitation ist auf der Ebene der kleinsten Teilchen 10 hoch 36 Mal schwächer als der Elektromagnetismus, entsprechend energiearm muss auch das Graviton sein. Einen Detektor, der dies erspüren kann, müsste daher weit empfindlicher sein als alles, was bislang technisch machbar erscheint.

Hinzu kommt, dass die Gravitons eher dünn gesät sind: Der Physiker Freeman Dyson rechnete vor einigen Jahren aus, dass die Sonne rund 10 hoch 24 Gravitons pro Sekunde abgibt – das sind 1.000 Trilliarden. Das klingt erstmal viel. Doch davon kommt nur ein Bruchteil bei der Erde an. Würde man die gesamte Erde in einen Detektor umwandeln, hätte dieser während der gesamten bisherigen Lebenszeit der Sonne gerade einmal vier Gravitons registriert.

Dyson kommt daher zu dem Schluss: Gravitonen könnten zwar etwas sein, das sich im Prinzip nachweisen lässt. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies irgendwann gelingt, ist allerdings verschwindend gering. Das hindert die Physiker aber nicht daran, weiter nach möglichen Wegen zu suchen, um wenigstens indirekt die Existenz dieses Teilchens nachzuweisen.


Montag, 18. September 2017

Die vier Grundkräfte des Universums, II: Bosonen.

 aus scinexx

Im Reich der Bosonen
Jeder Kraft sein Teilchen - theoretisch

Wie funktioniert eine Kraftwirkung überhaupt? Wie "spüren" zwei Magneten ihre gegenseitige Anziehung oder Abstoßung und was sagt dem Ball, dass er wieder zur Erde fallen soll? Lange Zeit fanden Wissenschaftler darauf keine Antwort. Sie konnten zwar die Wirkung der Kräfte beobachten und messen, ihre wahre Natur blieb ihnen jedoch verborgen.


Im Standardmodell der Teilchenphysik sind die Trägerteilchen (Eichbosonen, rot) von drei der vier Grundkräfte erfasst.
Im Standardmodell der Teilchenphysik sind die Trägerteilchen (Eichbosonen, rot) von drei der vier Grundkräfte erfasst.
Teilchen als Vermittler der Kräfte

Heute weiß man, dass die Grundkräfte von Trägerteilchen vermittelt werden, den sogenannten Eichbosonen. Ähnlich wie ein Ball beim Fangen einen Teil seines Impulses und seiner Energie an den Fänger überträgt, wirken diese Kraftteilchen auf die Teilchen der Materie. Theoretisch lässt sich jede Grundkraft auf einen Austausch von Eichbosonen zwischen Materieteilchen zurückführen.

Im Standardmodell der Teilchenphysik bilden die Bosonen eine ganz eigene Klasse, denn sie unterscheiden sich in einigen entscheidenden Merkmalen von den "normalen" Teilchen, den Fermionen, aus denen unsere Materie besteht. So lässt sich ihr Eigendrehimpuls immer in ganzen Zahlen ausdrücken: Ein Photon hat beispielsweise einen Spin von eins. Bei Quarks, Elektronen und anderen Materiebausteinen ist der Spin dagegen immer halbzahlig.

Einzelgänger und gesellige Typen

Dieser auf den ersten Blick rein formale Unterschied hat gravierende Folgen für das Verhalten der Teilchen. Denn durch ihn werden Fermionen zu Einzelgängern: Dort, wo ein Quark oder Elektron ist, kann zur gleichen Zeit kein zweites mit dem gleichen Spin sein. Diese Teilchen müssen sich immer in einem ihrer Quantenmerkmale unterscheiden. Das besagt das sogenannte Pauli-Ausschlussprinzip.

Erst diese Grundeigenschaft sorgt beispielsweise dafür, dass die Elemente chemische Reaktionen miteinander eingehen: Weil ihre Elektronen nicht alle im günstigen Energiezustand sein können, sind einige zu ungünstigen Außenpositionen verdammt. Um dies auszugleichen, streben die meisten Elemente danach, Elektronen mit anderen Elementen auszutauschen – chemische Bindungen sind die Folge.


Erst die
Erst die "gesllige" Natur der Bosonen macht Phänomene wie das Laserlicht möglich.
Anders die Bosonen: Sie sind eher geselliger Natur und können sich problemlos an einem Ort und zur gleichen Zeit aufhalten. Physikalisch ausgedrückt: das Pauli-Ausschlussprinzip gilt für sie nicht. Dadurch kann man beispielsweise in einem Laser große Mengen von Photonen mit gleichen Merkmalen erzeugen. Gleichzeitig befähigt erst diese "Geselligkeit" die Eichbosonen dazu, als Überträgerteilchen der Grundkräfte zu wirken.

Wer macht was?

Die Art der Bosonen bestimmt, auf welche Teilchen eine Kraft wirkt. Ihre Reichweite entscheidet darüber, in welchen Distanzen sich die Wechselwirkung manifestiert. Identifiziert und nachgewiesen sind heute die Trägerteilchen von drei der vier Grundkräfte: Das Photon ist das Eichboson der elektromagnetischen Wechselwirkung. Die Gluonen wirken in Teilchen wie den Protonen und Neutronen als der Klebstoff für die Quarks und damit als Träger für die starke Kernkraft.

Bei der schwachen Kernkraft ist das Ganze ein wenig komplizierter: Sie wird von gleich drei verschiedenen Bosonenvarianten vermittelt: den W+, W- und Z-Bosonen. Und noch etwas ist seltsam: Nach gängiger Theorie dürften die Eichbosonen eigentlich keine Masse besitzen – bei Gluonen und Photonen ist das auch der Fall. Aber die Bosonen der schwachen Kernkraft haben eine Masse – eine ziemlich große sogar, wie Messungen im Large Hadron Collider (LHC) belegen.


Darstellung der Teilchenspuren beim Zerfall eines Higgs-Bosons im Detektor CMS
Darstellung der Teilchenspuren beim Zerfall eines Higgs-Bosons im Detektor CMS
Rettung durch das Higgs

Wie ist das zu erklären? Hier kommen das Higgs-Boson und der mit ihm verknüpfte Higgs-Mechanismus ins Spiel. Sein Einfluss verleiht nicht nur Materieteilchen ihre Masse, sondern sorgt auch dafür, dass die Eichbosonen der schwachen Kernkraft mit dem Higgsfeld wechselwirken und so eine Masse bekommen. Ohne diesen Effekt müssten die W- und Z-Bosonen masselos sein.


Nota. - 'Es gibt' keine Kräfte. Was wirkt, entsteht immer erst durch Wechselwirkung - und die besteht in einem Austausch - zwischen zwei "Trägern". Trägern von was? Ein Was ist gar nicht 'da', bevor die 'Träger' aneinander geraten. Es ist die Wechsel- wirkung selbst, die 'wirkt'.
JE


Freitag, 15. September 2017

Die vier Grundkräfte des Universums I.


 
aus scinexx                                                                                     John Martin,The Great Day Of His Wrath

Die großen Vier
Den Grundkräften der Physik auf der Spur

Nach gängigem Weltbild prägen vier fundamentale Wechselwirkungen das Universum. Doch vieles an ihnen gibt noch immer Rätsel auf. 

Sie sind die verborgene Macht im Universum: die vier Grundkräfte der Physik. Ob im Reich der Atome, in unserem Alltag oder im Kosmos, diese fundamentalen Wechselwirkungen spielen überall mit. Doch trotz ihrer immensen Bedeutung geben sie noch immer Rätsel auf. Denn was verbindet sie miteinander? Und gibt es vielleicht sogar eine einende "Weltformel"? 

Nach gängigem Weltbild sind diese vier die universellen "Macher": Gravitation, Elektromagnetismus sowie die starke und schwache Kernkraft. Am Uranfang des Kosmos waren sie alle vereint, teilten sich dann aber auf. Seither gehen aus ihnen und der Wirkung ihrer Trägerteilchen alle anderen Kräfte und Phänomene hervor – so die Theorie.

Doch mit diesem simplen Bild gibt es Probleme: Bisher sind die Mittlerteilchen nur von dreien der vier Grundkräfte bekannt. Und schon Albert Einstein verzweifelte beim Versuch, die Grundkräfte mathematisch-physikalisch unter einen Hut zu bringen. Bis heute gleicht die Suche nach einer solchen "Weltformel" der Suche nach dem heiligen Gral…

 Inhalt:
  1. Die Macht der "Viererbande"
    Kräfte und Grundkräfte
  2. Im Reich der Bosonen
    Jeder Kraft sein Teilchen - theoretisch
  3. Problemfall Gravitation
    Warum die Schwerkraft nicht ins Schema passt
  4. Wo Einstein scheiterte
    Die Suche nach der Einheitlichen Feldtheorie
  5. Gibt es die "Weltformel"?
    Große Hoffnung und viele Fehlschläge


Die Macht der "Viererbande"
Kräfte und Grundkräfte
Ob Elektrizität, Reibung oder mechanische Kraft - unser Alltag ist von der Wirkung von Kräften geprägt.
Ob Elektrizität, Reibung oder mechanische Kraft - unser Alltag ist von der Wirkung von Kräften geprägt.

Ob wir einen Ball fallen lassen, ein Elektrogerät anschalten oder von einem Stuhl aufstehen – die Wirkung von Kräften begegnet uns überall in unserem Alltag. Immer dann, wenn sich Objekte gegenseitig beeinflussen, sei es durch Anziehung, Abstoßung, Reibung oder Widerstand, ist eine Kraft im Spiel. Kräfte steuern und beeinflussen alle Prozesse im Universum und wirken vom kleinsten Teilchen bis in die Weiten des Alls.

Doch so vielfältig die Kräfte und ihre Wirkungen erscheinen: Heute weiß man, dass sie sich alle auf nur vier Grundkräfte zurückführen lassen – zumindest nach gängiger Theorie. Zu diesen vier fundamentalen Wechselwirkungen gehören die Gravitation, der Elektromagnetismus sowie die schwache und die starke Kernkraft. Einzeln oder zusammen wirkend bringen sie all die Effekte hervor, die unsere Welt und den gesamten Kosmos prägen.

Die Gravitation bestimmt die Bahnen von Himmelskörpern und bewirkt die Erdanziehung.
Die Gravitation bestimmt die Bahnen von Himmelskörpern und bewirkt die Erdanziehung.
Gravitation und Elektromagnetismus

Die Gravitation ist die Grundkraft, die am frühesten identifiziert und beschrieben wurde. Isaac Newton beschrieb schon im 17. Jahrhundert ihren Einfluss auf Massen und auf Planeten und andere Himmelskörper. Dass auch zwei Objekte alltäglicher Größe eine Anziehung aufeinander ausüben, bewies der Ende des 18. Jahrhunderts der britische Chemiker Henry Cavendish. Erst Albert Einstein jedoch legte vor gut hundert Jahren mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie den Grundstein für unser heutiges Verständnis der Gravitation als einer Folge der Geometrie der Raumzeit.

Für uns unmittelbar im Alltag erfahrbar ist die elektromagnetische Wechselwirkung. Erst durch sie fließt Strom, finden chemische Reaktionen statt oder wirken Magneten. Diese Grundkraft sorgt aber auch dafür, dass Atome und Moleküle durch die Ladung ihrer Teilchen zusammenhalten. Erst durch sie ist der Boden unter unseren Füßen tragfähig und feste Körper können entstehen.

Die starke Kernkraft hält die Quarks im Proton und Neutron zusammen, Trägerteilchen sind Gluonen.
Die starke Kernkraft hält die Quarks im Proton und Neutron zusammen, Trägerteilchen sind Gluonen.
Die beiden Kernkräfte

Die beiden restlichen Grundkräfte wurden erst identifiziert, als Wissenschaftler begannen, die Zusammensetzung des Atoms und sein Verhalten zu enträtseln. Denn beide wirken nur in seinem Inneren. Die starke Wechselwirkung ist die Kraft, die die Quarks im Innern von Protonen und Neutronen zusammenhält und die Atomkerne überhaupt erst stabil macht. Denn sie sorgt dafür, dass sich die Protonen im Atomkern trotz ihrer positiven Ladungen nicht abstoßen, sondern zusammenhalten.

Die schwache Kernkraft ist der große Wandler: Sie sorgt nicht für Stabilität, sondern wirkt immer dann, wenn Atome zerfallen oder miteinander verschmelzen. Erst durch sie ist beispielsweise die Umwandlung von Protonen zu Neutronen möglich, wie sie bei bestimmten radioaktiven Betazerfällen oder bei der Wasserstofffusion im Herzen der Sonne vorkommen. Dabei wandelt sich ein Up-Quark im Proton in ein Down-Quark um und gibt dabei ein Positron und ein Neutrino ab.

So weit die Effekte der vier Grundkräfte. Aber wodurch wirken sie?