Thema: Die rätselhaften Zahlenspiele der Natur

[SiLæncer]

Spanische Forscher haben genauer gemessen, als die Heisenbergsche Unschärferelation eigentlich erlaubt

Zu den Seltsamkeiten der Mikrowelt gehört, dass polizeiliche Geschwindigkeitskontrollen hier genau genommen undurchführbar sind. Der Wachtmeister mit dem Laser könnte zwar die Geschwindigkeit eines Nanofahrzeugs messen, wäre aber nicht in der Lage, gleichzeitig den genauen Ort der Messung nachzuweisen. Der Fahrer könnte sich bequem damit herausreden, zum Messzeitpunkt auf der Autobahn in der Nähe unterwegs gewesen zu sein. Das Phänomen hat Werner von Heisenberg 1927 erstmals formuliert, deshalb trägt es auch seinen Namen.

Im einfachsten Fall ist das Produkt der Unschärfen der beiden Messgrößen größer als das Plancksche Wirkungsquantum h (genauer gesagt: größer als h/4*Pi). Nun ist die Planck-Konstante sehr, sehr klein, deshalb spielt die Unschärferelation im Maxi-Alltag leider keine Rolle - und eignet sich vor den strengen Augen des Gesetzes auch nicht als Ausrede für Verkehrssünder.

Doch die Technik ist mittlerweile an einem Punkt angekommen, wo dieses Grundprinzip der Quantenmechanik allmählich lästig wird - sei es bei der Messung von Gravitationswellen, sei es bei der Magnetresonanztomografie oder bei der Konstruktion erdumspannender Navigationshilfen wie GPS. Denn auch wenn es nur darum geht, nur eine Größe zu messen (etwa die Frequenz einer Welle), braucht man dazu zwingend eine zweite Größe mit ebensolcher Genauigkeit (nämlich den Zeitpunkt, zu dem die Messung angefertigt wird - ohne diesen wird das Ergebnis sinnlos).

Die Wissenschaft ist deshalb längst auf der Suche nach Verfahren, wie man Messungen trotz der Unschärferelation präzisieren könnte. Dabei gibt man sich nicht der Illusion hin, Heisenberg widerlegen zu können (wobei sich die Unschärferelation nicht direkt aus anderen Aussagen der Quantenmechanik ergibt, sie stellt eher eine zusätzliche, vielfach bestätigte Annahme dar). Vielmehr geht es darum, ihr Limit auszutesten. Dazu bedient man sich der Tricks, die das Quantenreich eben so bietet, insbesondere der Verschränkung.

Über die Heisenberg-Grenze hinaus skalieren

In einem Artikel in Nature zeigen nun Forscher der Universität Barcelona eine viel versprechende Herangehensweise. Dazu nutzten sie die bereits vorher bekannte Tatsache, dass zwei Faktoren die Genauigkeit einer Messung verbessern: Die Interaktion von Partikeln einerseits und deren Verschränkung andererseits. Es galt also, beide Faktoren zu kombinieren - und das gelang den Wissenschaftlern mit Hilfe eines gepulsten Lasers, mit dem sie eine Wolke von etwa einer Million ultrakalten Rubidium-Atomen bestrahlten. Die polarisierten Photonen des Lasers interagieren mit den Rubidium-Atomen.

Das Ergebnis lässt sich spektrometrisch analysieren - es verrät Daten über die atomare Magnetisierung (den Spin) der Atome. Die Forscher zeigen in ihrer Arbeit, dass sich ihr Verfahren über die Heisenberg-Grenze hinaus skalieren ließe - das ist die eigentliche Neuerung. Die praktische Ausführung bleibt allerdings künftigen Wissenschaftlern überlassen. Der Preis ist heiß: Eine höhere Genauigkeit etwa bei der Messung von Magnet- oder Gravitationsfeldern würde verschiedenste Disziplinen voranbringen.

Heißt das, dass die Heisenbergsche Unschärferelation falsch ist? So seltsam es klingt - nein. Dabei geht es um die gleichzeitige Messung verschiedener Parameter. Wir können nicht den Ort eines Teilchens präzise bestimmen und gleichzeitig seinen genauen Impuls kennen. Diese Verknüpfung ist fundamental und auch von den Spaniern in ihrem Nature-Paper nicht widerlegt.

Quelle : http://www.heise.de/tp/

[SiLæncer]

Innsbrucker Forscher haben einen wichtigen Entwicklungsschritt hin zum Quantencomputer gemacht: Sie haben erstmals 14 Qubits miteinander verschränkt und so ein Quantenregister mit 14 Recheneinheiten geschaffen. Nebenbei haben sie damit auch ihren eigenen Rekord gebrochen.

Wissenschaftlern der Universität im österreichischen Innsbruck ist es gelungen, 14 Quantenbits oder Qubits kontrolliert miteinander zu verschränken. Das gilt als ein wichtiger Schritt in der Entwicklung eines Quantencomputers.

Quantenregister mit 14 Recheneinheiten

Die Forscher um Rainer Blatt haben 14 Kalziumatome in einer Ionenfalle gefangen und diese mit einem Laserlicht manipuliert. Interne Zustände jedes Atoms bilden dabei einzelne Quantenbits. Das sind Quantensysteme, die zwei Zustände annehmen können. Sie sind die kleinste Speichereinheit beim Quantencomputer, entsprechend einem Bit beim herkömmlichen Computer. Zusammen bilden die Qubits ein Quantenregister mit 14 Recheneinheiten. Das bildet das Kernstück eines zukünftigen Quantencomputers.

Blatt und seine Kollegen haben damit ihren eigenen Rekord für die meisten verschränkten Qubits gebrochen: 2005 gelang es ihnen, acht Qubits zu verschränken und so das erste Quantenbyte zu erzeugen.

Empfindlich

Allerdings ist so ein Quantenregister ein fragiles System: Die Physiker stellten fest, dass die Störungsempfindlichkeit mit der Anzahl der Teilchen quadratisch zunimmt. Bislang wurde angenommen, dass die Empfindlichkeit linear ansteigt. Das Phänomen heiße Superdekohärenz, erklärt Thomas Monz. Bisher sei es beim Bau von Atomuhren oder Quantensimulationen aufgefallen. "In der Quanteninformation wurde dieses Phänomen bisher kaum wahrgenommen", sagte der Innsbrucker Physiker.

Die Forscher können in ihren Ionenfallen bis zu 64 Teilchen fangen. Allerdings könnten sie so viele Ionen noch nicht verschränken, sagt Monz. "Die aktuellen Ergebnisse ermöglichen nun aber ein besseres Verständnis über das Verhalten von vielen verschränkten Teilchen." Die Forscher hoffen, dass sie schon bald mehr Teilchen verschränken können.

Empfindlich

Bei einer Quantenverschränkung können die miteinander verschränkten Teilchen nicht mehr als einzelne Teilchen mit definierten Zuständen beschrieben werden, sondern nur noch das Gesamtsystem. Die verschränkten Teilchen bleiben miteinander verbunden, auch wenn sie sich an verschiedenen Orten befinden. Wird auf eines der verschränkten Teilchen eingewirkt, wirkt sich das auch auf die anderen aus. Durch die Verschränkung von Quantenbits kann ein Quantencomputer bestimmte Probleme deutlich schneller lösen als ein klassischer Computer.

Ihre Arbeit haben die Forscher in einem Aufsatz in Physical Review Letters beschrieben. Das Fachmagazin wird von der US-Physiker-Gesellschaft, der American Physical Society, herausgegeben.

Quelle : www.golem.de

[SiLæncer]

Kann man ein Objekt teleportieren, ohne seine Eigenschaften zu kennen?

Der klassische Transporter, wie man ihn als Star-Trek-Fan kennt, funktioniert absolut deterministisch: Man misst die Eigenschaften sämtlicher Atome des zu beamenden Objekts, überträgt diese Information ans Ziel und konstruiert daraus das Objekt im Originalzustand. Hat man ausreichend genau gearbeitet, materialisiert sich das teleportierte Objekt, wie es vorher war - mit all seinen Gedanken und Eigenschaften. Mal davon abgesehen, dass die Star-Trek-Erfinder damit recht klar die Existenz von so etwas immateriellem wie einer Seele verneinen, haben sie natürlich mit Unfällen gerechnet. Mal begegnet Commander Riker seinem Double, mal verschmilzt der Talaxianer Neelix mit dem Vulkanier Tuvok. Selbst die moderne Form der Flugangst, die Panik vor dem Beamen, hat es schon in eine Folge geschafft.

Und dafür gibt es auch allen Grund - es steht eine ganze Reihe physikalischer Gesetze dagegen, das Beamen wie von den Star-Trek-Erfindern vorgesehen ablaufen zu lassen. Zuallererst natürlich die Heisenbergsche Unschärferelation, die es verbietet, alle Parameter eines Zustands genau zu messen. Wie passt das zu den unter anderem vom österreichischen Physiker Anton Zeilinger energisch voran getriebenen Idee der Quanten-Teleportation? Hier steht ein anderes physikalisches Phänomen im Vordergrund, nämlich das der Verschränkung. Zwei verschränkte Quantenzustände stehen in einer magisch anmutenden Verbindung, die von der Entfernung unabhängig ist - ändert man eine Eigenschaft des einen Teils der Verschränkung, ändert sich im selben Moment auch der andere Teil. Quanten-Teleportation passiert also, wie das Beamen bei Star Trek, sofort.

Der Experiment-Aufbau im Labor der Forscher

Bisher hat man sich allerdings damit befasst, bekannte Quantenzustände zu teleportieren. Das ist unter anderem für die Quanten-Kryptografie interessant, weil man sofort merkt, wenn jemand lauscht: Durch eine heimliche Messung kommt es zur Dekohärenz, der Empfänger erhält nur noch Quantenmüll. Einem japanischen Forscherteam ist es nun gelungen, das Prinzip auf einen unbekannten Zustand zu übertragen - genauer gesagt auf die quantenmechanische Überlagerung zweier Zustände, wie sie der Physiker Erwin Schrödinger in seinem Gedankenexperiment mit der gleichzeitig lebenden und toten Katze visualisiert hat. Im Wissenschaftsmagazin Science beschreiben die Forscher ihr Experiment.

Ausgangspunkt ist dabei eine Quanten-Überlagerung von zwei Lichtwellen - sie stellt hier die Schrödinger-Katze dar. Gleichzeitig, aber unabhängig davon haben die Forscher die beiden Lichtpakete miteinander verschränkt, das ist die Voraussetzung für eine Quanten-Teleportation. In einem komplizierten Prozess gelang es dann, die "Katze" zunächst komplett zu löschen, um sie am Ausgang wieder auferstehen zu lassen. Soweit man bei einem nicht lebenden und nicht toten Wesen von Auferstehung sprechen kann. Der Versuch ist nicht nur für Startrek-Fans interessant, würde er doch die unmögliche Aufgabe ersparen, sämtliche Teilcheneigenschaften eines zu beamenden Objekts messen zu müssen. Praktisch könnte man daraus auch ein logisches Element für einen Quantencomputer konstruieren - vor allem aber freut sich die Fachgemeinde, wie gut man inzwischen sehr delikate Quantenzustände konservieren und bearbeiten kann.

Im Experiment konstruiert man eine "Schrödinger-Katze", die aus der Quanten-Überlagerung von zwei Lichtwellen besteht - die eine Welle könnte man dabei als die lebende, die andere als die tote Katze interpretieren, in der Überlagerung entsteht Schrödingers Gedanken-Erfindung. (B) und (E) zeigen in der Grafik die gemessene Lichtamplitude am Ein- und Ausgang des Experiments. (C) und (F) sind die Photonen-Statistiken für die Eingangs- und Ausgangs-Licht-Zustände. (A) und (D) sind numerische Funktionen ("Wigner-Funktionen"), die sich wie Wahrscheinlichkeitsverteilungen verhalten und die statischen Eigenschaften der gemessenen Amplituden beschreiben. Die zwei positiven Peaks in beiden Bildern stellen die zwei unabhängigen Lichtwellen dar. Der negative Peak in der Mitte ist ein Symptom für die aus der Quantenüberlagerung entstehende Interferenz - und gleichzeitig eine Signatur für die Anwesenheit des Schrödinger-Katzen-Zustands, der auch nach der Quantenteleportation erhalten blieb.

Quelle : http://www.heise.de/tp/

[SiLæncer]

Hat das Elektron Dellen in seiner Gestalt? Die Antwort könnte die Struktur des Universums bestimmen

Es hätte so schön einfach sein können: Das Elektron ist auf den ersten Blick eins der letzten echten Elementarteilchen, wie es von den Physikern im vergangenen Jahrtausend gesucht wurde. Es zerfällt nicht, besitzt keine innere Struktur und ist gar so klein, dass es mit Fug und Recht als Punkt behandelt werden kann. Doch wie so oft, steckt der Teufel im Detail. Denn welcher Punkt kann schon eine Ausrichtung für sich beanspruchen, mit der er in eine beliebige Raum-Richtung zeigen kann?

So lässt sich jedenfalls der Spin (1/2) des Elektrons interpretieren. Aus den Wechselwirkungen des Teilchens mit anderer Materie ergibt sich zudem, dass das Elektron durchaus eine Gestalt haben muss, die von asphärischer Natur ist: rotationssymmetrisch, wobei die Form nicht Ausschnitt einer Kugeloberfläche ist.

Diese Gestalt, so die Theorie, hat eventuell ein paar Dellen. Und zwar genau dann, wenn das Elektron ein elektrisches Dipolmoment besitzt. Die Existenz seines magnetischen Dipolmoments ist unbestritten: Mit Hilfe eines Magnetfelds kann man Elektronen deshalb in Bewegung setzen. Aber kann auch ein elektrisches Feld ein Elektron in Rotation versetzen? Die Frage scheint irrelevant, wo doch der Elementarladungsträger so winzig ist. Die Antwort entscheidet aber so ganz nebenbei, welche Struktur das Universum hat.

Die Astrophysiker wären vermutlich froh, wenn sich tatsächlich ein elektrisches Dipolmoment fände. Denn es würde zum Beispiel erklären, warum das Universum so aufgebaut ist, wie wir es tagtäglich beobachten: Aus jeder Menge Materie und verschwindend wenig Antimaterie. Diese Asymmetrie passt nicht ins System, es gibt nichts, was gewöhnliche Materie vor Antimaterie auszeichnet.

Wären allerdings all die Teilchen, die wir kennen, nur ein Teil einer viel größeren Gesamtheit, könnten sich neue Erklärungen für das Ungleichgewicht ergeben. Diese Teilchen, so vermutet man, warten im unendlichen Pool des Kosmos auf ihre Existenz. Sie tauchen auf und verschwinden wieder, ohne dass wir genug Zeit haben, sie zu beobachten. Da diese virtuellen Teichen, so die Idee, sehr massereich sind, genügen unsere Teilchenbeschleuniger bei weitem nicht, um in ihre Bereiche vorzustoßen.

Die Physiker können aufatmen

Hier kommen die Elektronen ins Spiel. Die virtuellen Teilchen können wir zwar nicht direkt beobachten, wohl aber ihre Wechselwirkungen. Bei den Elektronen müssten sich diese Wechselwirkungen in der Existenz des elektrischen Dipolmoments äußern. Die virtuellen (und hypothetischen) Teilchen verleihen den Elektronen ihr Dipolmoment. Könnte man zeigen, dass es Realität ist, hätte man einen Beweis auch für den Rest der Theorie. Den großen Rest der Physikergemeinde würde eine solche Entdeckung aber in Probleme stürzen. Denn mit dem gegenwärtigen Standardmodell der Physik ist sie nicht kompatibel, wir bräuchten eine neue Physik.

Wie es aussieht, können die Physiker aber erst einmal aufatmen. Ein britisches Forscherteam berichtet in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature, dass das elektrische Dipolmoment zumindest kleiner sein muss, als man erhofft hatte.

Das für die Messung benutzte Lasersystem (Bild: Joe Smallman)

Dieser Nachweis war gar nicht so trivial. Denn um eine sehr schwache Wirkung eines elektrischen Felds auf ein Elektron zu testen, müsste man das Teilchen einem möglichst starken Feld aussetzen. Die Wirkung eines elektrischen Felds auf ein Elektron ist allerdings bekannt: Die Teilchen flitzen, wie der US-Physiker Aaron Leanhardt in einem begleitenden Kommentar in Nature schreibt, wie von Sinnen auf die nächstbeste Wand zu.

Ein Effekt, der sich sehr schön zur Erzeugung von Röntgenstrahlung nutzen lässt, aber beim Experimentieren sehr hinderlich ist. Um ihre Testobjekte festzuhalten, nutzen die britischen Forscher deshalb die Tatsache, dass sie in Atomen und besonders Molekülen relativ stabile Orbitale einnehmen. Äußere elektrische Felder polarisieren Atome oder Moleküle zunächst.

Im konkreten Fall kam Ytterbium-Fluorid zum Einsatz (YbF). Im Vergleich zu früheren Experimenten gelang es den Forschern damit, die Nachweisgrenze für das elektrische Dipolmoment um den Faktor 1,5 zu verringern. Es ergibt sich ein Maximalwert von 10,5 x 10(-28)*e Zentimetern (e = Elementarladung) - das sind 16 Größenordnungen weniger als beim magnetischen Dipolmoment. Die Forscher rechnen allerdings damit, dass mit diesem Experiment-Design noch eine Verbesserung um einen Faktor von bis zu 100 möglich ist. Insofern ist die Entwarnung für die heutige Physik womöglich nur temporär.

Quelle : http://www.heise.de/tp/

[SiLæncer]

Auf dem Weg zur molekularen Maschine, die Entscheidungen treffen und ausführen kann: ein DNA-Computer, der Quadratwurzeln ziehen kann

Als in den Neunzigern erstmals Computer, die mit Erbmasse rechnen, in den Labors konstruiert wurden, hatte man noch keine richtige Vorstellung von deren künftiger Anwendung. Zunächst hatte man nur das Potenzial im Blick: Sechs Gramm DNA in einem Liter Flüssigkeit, so berechnete man, könnten drei Trilliarden Bytes speichern. Da DNA-Computer massiv parallel arbeiten, wäre eine Rechengeschwindigkeit von einer Trillion Operationen pro Sekunde möglich. So weit die Theorie - doch bisher hat es sich als erstaunlich kompliziert erwiesen, die von der Natur bereitgestellten Werkzeuge ebenso effizient zu nutzen wie das die Natur selbst schafft.

Hinzu kommt, dass auch die konventionelle Rechentechnik seit Erfindung der ersten DNA-Computer erstaunliche Fortschritte gemacht hat. Aktuelle Grafikchips rechnen so schnell wie "damals" die Supercomputer. Und am Horizont wartet der sowieso alles übertreffende Quantencomputer auf seinen Einsatz.

Die Erbsubstanz hingegen, darüber sind sich die Forscher weitgehend einig, soll gewissermaßen bei ihren Leisten bleiben und idealerweise Probleme dort lösen, wo sie herkommt und die größte Rolle spielt: in der Zelle. Dabei schwebt den Forschern ein Diagnose-Werkzeug vor, das die analysierten Probleme auch gleich noch lösen kann. Bis es so weit ist, dürften allerdings noch ein paar Jahrzehnte vergehen, da viele Probleme noch ungelöst sind.

Hilfe über Wippen

Immerhin zeigen nun zwei US-Forscher in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science, wie sie zumindest einige der Hindernisse aus dem Weg räumen konnten. Sie setzen auf eine besonders einfache Herangehensweise, indem sie so genannte Seesaw-Gates ("Wippen") konstruieren, die DNA-Einzelstränge in bestimmten Positionen hybridisieren lassen - und dann die beiden Booleschen Werte True und False darstellen.

Die Forscher demonstrieren, dass sich mit solchen Seesaw-Gates eine komplette Logik darstellen lässt: Sie nutzen ihren "Computer", um die Quadratwurzel aus Vierbit-Zahlen zu ziehen. Die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen funktionieren autonom, das ist ein weiterer Vorteil, also ohne externe Steuerung. Angetrieben wird das ganze von zusätzlichen DNA-Strängen, dem "Treibstoff", die die nötige Energie liefern. Der Aufbau hat zudem den Charme, dass er relativ gut skalierbar ist.

Allerdings gibt es noch immer, wie der Informatiker John Reif in einem begleitenden Artikel schreibt, diverse Probleme. So ist die Ausführungsgeschwindigkeit sehr gering: Jedes Seesaw-Gate benötigt zwischen 30 und 60 Minuten, um seinen Zustand zu ändern. Die simple Quadratwurzel brauchte im Experiment deshalb sechs bis zehn Stunden. Das liegt vor allem an den langen Signal-Laufzeiten. Da ist uns die Natur schon noch um einiges voraus, denn sie kann im Sekundenrhythmus reagieren.

Wie bringt man den DNA-Computer in einer Zelle unter?

Außerdem mussten die Forscher für ihr Experiment ein paar Milliarden DNA-Abschnitte einsetzen - auch hier gibt sich die Natur weitaus bescheidener. Dass die Forscher so viel Experimentiermasse einsetzen mussten, liegt daran, dass jedes der Gates global über die ganze Anordnung definiert ist, man kann den Zustand eines Gates nur bestimmen, indem man den gesamten Zustand betrachtet.

Reif schlägt deshalb vor, sich hier bei der gewöhnlichen Halbleitertechnik zu bedienen, die rein lokal arbeitet: Der Zustand eines Gates wirkt sich nur auf die direkten Nachbarn aus. Ließe sich das auf die Arbeit mit DNA übertragen, würde sowohl die Reaktionsgeschwindigkeit steigen als auch die nötige Anzahl an DNA-Strängen sinken.

Ein weiteres Problem wäre damit allerdings noch nicht gelöst: Wie bringt man den DNA-Computer dort unter, wo er nach aktueller Vorstellung hingehört, also in einer Zelle? Hier sind ja Enzyme etc. am Werk, die die Arbeit eines DNA-Computers beeinflussen würden. Behelfen könnte man sich hier, so Reif, indem man die DNA aus ungewöhnlichen Basen konstruiert oder besonders kurze RNA-Schnippsel nutzt.

Quelle : http://www.heise.de/tp/

[Jürgen]

...und was in aller Welt soll so ein künstlicher Rechenapparat in einer Zelle ausrichten?
Mir fehlen da alle für logische Steuerungen erforderlichen Schnittstellen, rein wie raus.
Für ihre eigene Funktion hat die typische Zelle von Natur aus, was sie so braucht.
Nun könnte man ja denken, eine Nervenzelle verfügt über ihre Ganglien über elektrische I/O-Schnittstellen, die sich vielelicht sinnvoll einsetzen liessen.
Nur stellen diese ihre Verbindungen her, oder trennen diese, nach Regeln, von denen wir keine Ahnung haben.  
Auch wissen wir inzwischen, dass manche Nervenzellen doch im L.aufe des Lebens vergehen und neu entstehen können.
Bedeutung und Macht der einzelnen Zelle sind begrenzt, variabel und nicht mathematisch-logisch.
Scheint mir nicht gerade die ideale Umgebung für's Rechnen...

Aber ein Aspekt dürfte für die Industrie doch recht interessant sein, nämlich die Vergänglichkeit.
Aufbauend auf biologischen oder gar lebenden Substanzen, bräuchte man sich keine Sorgen mehr um zu langlebige Hardware zu machen, um Zeug, das nach monatelangem Stillstand immer noch funktioniert, oder das der eifrige Schrauber immer noch selbst neuen Zwecken zuführen kann.

[SiLæncer]

Physiker wollen erstmals gemessen haben, dass auch ein einzelnes Photon nicht in Überlichtgeschwindigkeit reisen kann

Zeitreisen können die Fantasie beflügeln. Es wäre doch schön, die grausame Irreversibilität der Wirklichkeit, die es im Virtuellen nicht gibt, umgehen zu können. Der Tod oder die Geburt wären keine unwiederholbaren Ereignisse mehr, man könnte sich beliebig durch die Geschichte bewegen - und dann deren Geschehnisse auch nach den eigenen Wünschen verändern.

Nach einer Studie von Physikern aus Hongkong müssen wir die Vorstellung aber in der Science Fiction belassen. Wir kommen aus der irreversiblen Zeitachse nicht heraus. Das wäre nur möglich, wenn etwas sich beispielsweise schneller als Lichtgeschwindigkeit fortbewegen könnte. Dann ließe sich die "Zeit" überholen. Manche glaubten, dass etwa Photonen schneller als die Lichtgeschwindigkeit reisen könnten, die von Einstein in seiner Relativitätstheorie als die absolute Geschwindigkeit behauptet hatte. Das wollen die Physiker nun empirisch bestätigt haben, wie sie in einem Beitrag für die Zeitschrift Physical Review Letters berichten.

Erstmals haben die Wissenschaftler, wie sie schreiben, die Geschwindigkeit eines einzelnen Photons beobachten könnten, das sich durch ein Vakuum bewegt. Da man bislang dies nicht messen konnte, war behauptet worden, dass unter bestimmten Bedingungen Photonen sich auch schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen könnten. Die Physiker seien nun in der Lage gewesen, auch die optischen Vorläufer eines Photons messen und damit zeigen zu können, dass sich nichts schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegen können. Selbst die schnellsten Teile eines Photons hätten sich im Vakuum nicht schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegen können. Selbst in einem superluminalem Medium, wo die Gruppengeschwindigkeit der Teile eines Photons schneller als die Lichtgeschwindigkeit sein können, habe der zentrale Kern eines einzelnen Photons keine Möglichkeit, sich schneller bewegen zu können.

Die scheinbare Überlichtgeschwindigkeit, die man vor 10 Jahren entdeckt zu haben glaubte, seien nur visuelle Effekte, da die scheinbar schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegenden Photonen keine Informationen übermitteln können. Aber auch ein einzelnes Photon kann nicht schneller reisen, was man nun bewiesen habe, so dass Einsteins Kausalität, dass eine Wirkung nicht vor ihrer Ursache eintreten kann, bestätigt werden könne. Es gibt also Realität, d.h. Irreversibilität, mithin die unumkehrbare Zeit und damit auch den Tod.

Quelle : http://www.heise.de/tp/

[SiLæncer]

Physiker der Universitäten Ulm und Siegen haben eine Möglichkeit gefunden, Quantenzustände von Ionen durch Mikrowellenstrahlung zu stabilisieren. Die neuen Erkenntnisse könnten beispielsweise ein Baustein auf dem Weg zum leistungsfähigen Quantencomputer sein.

"Um Ionen unter Kontrolle zu bringen, werden sie in Ionenfallen gefangen und mit Laserlicht gekühlt. Dann stellt sich die Frage, wie man die elektrisch geladenen Partikel miteinander in Wechselwirkung bringt", erklärte Humboldt-Professor Martin Plenio. Bereits vor zehn Jahren habe der Mitautor der jüngsten Publikation, Christof Wunderlich von der Universität Siegen, vorgeschlagen, Ionen zusätzlich einem starken Magnetfeld auszusetzen.

In diesem Fall bestimmt die Ausrichtung der im Ion befindlichen Elektronen die Gesamtenergie des Partikels. Eine Änderung dieser Ausrichtung verschiebt das ganze Ion in der Falle. Das benachbarte Ion registriert die Verschiebung und ändert seine Position dementsprechend. Die Verschiebung kann dann auf Elektronen dieses Teilchens übertragen werden. "Derartige angestrebte Wechselwirkungen können mit einer Stuhlreihe verglichen werden. Rückt die äußerste Person einen Platz weiter, stößt diese Bewegung eine Kettenreaktion an", so Plenio.

Das Problem: Die zusätzlichen Magnetfelder sind nicht stabil und ändern ihre Stärke zufällig. Deshalb geraten die Ionen nach und nach außer Kontrolle, in der Physik nennt man dieses Phänomen Rauschen. Um ein solches Chaos zu vermeiden, muss den Ionen ein Takt vorgeben werden. Diese Rolle haben die Wissenschaftler zusätzlichen Mikrowellen, also oszillierenden elektromagnetischen Feldern, zugewiesen, die in Ionenfallen integriert werden können. Dadurch wurden Zufälligkeiten in den Elektronen-Ionen-Wechselwirkungen erfolgreich unterdrückt.

Künftig wollen die Wissenschaftler ihre Erkenntnisse auf weitere physikalische Fragestellungen anwenden und durch die "Mikrowellenkontrolle" zum Beispiel Mess-Sensoren verbessern. Eine Besonderheit des Forschungsprojekts ist die enge Zusammenarbeit von Ulmer Theoretikern und Experimentalphysikern aus Siegen, die ihre Erkenntnisse nun gemeinsam im renommierten Wissenschaftsmagazin 'Nature' veröffentlichten.

Quelle : http://winfuture.de

[SiLæncer]

Neutrinos, die sich schneller als das Licht bewegen, hat ein Labor in Italien zusammen mit dem europäischen Kernforschungszentrum Cern festgestellt. Das ist eigentlich nicht möglich und widerspricht den bisher etablierten Naturgesetzen.

Das Opera-Experiment, das einen Neutrinostrom vom europäischen Kernforschungszentrum Cern im 730 km entfernten italienischen Labor Gran Sasso untersucht, hat eine ungewöhnliche Geschwindigkeit der Neutrinos gemessen. Diese bewegen sich minimal schneller als das Licht.

Untersucht wurden über 15.000 Neutrino-Ereignisse, die in Gran Sasso gemessen wurden. Die Ergebnisse belegen, dass sich Neutrinos minimal schneller als das Licht bewegen. Und das dürfte nach den bisherigen physikalischen Theorien eigentlich nicht der Fall sein: Die Lichtgeschwindigkeit wurde bisher als natürliche kosmische Obergrenze angesehen.

Opera-Experiment (Quelle: INFN - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)

Da das Ergebnis sehr weitreichende Konsequenzen hätte, seien zunächst weitere Untersuchungen notwendig, bevor der Effekt widerlegt oder bestätigt werden könne, heißt es dazu in einer Ankündigung des Cern. Die an Opera beteiligten Forscher haben sich entschieden, ihre Ergebnisse offenzulegen, damit diese unabhängig geprüft werden können. Die Daten sind unter arxiv.org zu finden.

Da die Opera-Ergebnisse im Widerspruch zu etablierten Naturgesetzen stehen, haben die Forscher viele Ansätze verfolgt, um Gründe für die Abweichungen von Einsteins Theorien zu finden, bislang aber ohne Erfolg. So wurde unter anderem die Strecke zwischen Quelle und Ziel von 730 km Länge auf eine Genauigkeit von 20 cm vermessen und die Zeit, die die Neutrinos benötigen, um diese Strecke zurückzulegen, mit GPS-Systemen und Atomuhren auf 10 Nanosekunden genau bestimmt.

Opera-Sprecher Antonio Ereditato nennt die Ergebnisse eine Überraschung. "Die potenziellen Auswirkungen auf die Wissenschaft sind zu groß, um voreilige Schlüsse zu ziehen", sagt Ereditato. Neutrinos seien immer noch rätselhaft.

Quelle : www.golem.de

[dvb_ss2]

Es besteht also Wieder Hoffnung, dass wir irgendwann mit WARP-Geschwindigkeit durch's all sausen.  

dvb_ss2

[SiLæncer]

  Energie

[Snoop]

Cool, nach Einstein würde das wohl bedeuten, dass die Neutrinos jünger werden ...  

[Jürgen]

Nanu, sollten das die sagenhaften Tachyonen sein?

Ich denke eher, dass solche Abweichungen zu erwarten sind, weil man bekanntlich nur einen extrem kleinen Teil der Neutrinos beobachten kann, während der bei weitem allergrösste Teil sämtliche Messwerke spurlos passiert, und den Planeten nebenbei.
Dieser messbare Anteil ist so absurd gering, dass schon die winzigste Wechselwirkung zwischen den Neutrinos die Messergebnisse beeinflussen könnte. Streuung, Beugung, wasweissich...
Massebehaftet sollen sie ja wohl sein, wenn auch sehr gering, also müssen sie auf Schwerkraft / Raumkrümmung reagieren, diese aber auch selbst erzeugen.
Und sie müssen zudem auch de Broglie Wellen erzeugen können, und zwar alle, auch die nicht gemessenen.

Also gehe ich einfach mal, bis zum Gegenbeweis, von einer Art Phasenverschiebung aus, ähnlich dem angeblich überlichtschnellen Tunneleffekt im Hohlleiter, mit dem wir ja schon vor ein paar Jahren beeindruckt werden sollten.
Das war etwa zeitgleich mit angeblicher Antigravitation aus Supraleitung.
Und bis heute kann ich keine revolutionäre Umwälzung von Physik und Technik feststellen, die auf so einem Effekt basierte.

Der einzige Beweis für ein kleines Schwarzes Loch dagegen ist längst Alltag.
Ein solches befindet sich in meiner Geldbörse.
Wieviel auch immer ich da hinein gebe, es löst sich doch verlässlich und schnell in Nichts auf...

[SiLæncer]

In einem gut zweistündigen Webcast hat Dario Auterio, Physiker am Institut für Nuklearphysik in Lyon (CNRS), die Meßergebnisse und Meßverfahren des OPERA-Experiments ausführlich vorgestellt, die den Neutrinoteilchen eine Geschwindigkeit von etwa 0,025 Promille, also etwa 75 km/s über Lichtgeschwindigkeit bescheinigen. Wer die Veranstaltung verpasst hat, kann sich die Aufzeichnung des Webcasts ansehen. (Sollte dieser Server überlastet sein, empfiehlt das CERN groovygecko webcast oder elmundo.es webcast).

Die anwesenden Experten konnten zumindest auf den ersten Blick keine handwerklichen Fehler erkennen, weder bei der Zeitmessung, der Entfernungsmessung, noch bei der Analyse. Überall sei mit äußerster Sorgfalt vorgegangen worden, konzedierten sie.

Mögliche Störungen durch Jahreszeiten, Temperatur, Mondphasen, Supernovae, seismische Verschiebungen – alles Fragen, die Auterio gestellt wurden, die aber nach seinen Ausführungen berücksichtigt wurden oder die nicht ursächlich für dieses unerwartete Ergebnis sein können.

Die Zeitmessung erfolgt mit zwei über GPS synchronisierten Cäsium-Uhren, die von dem Schweizer Metrologie-Institut (METAS) geliefert und kalibriert wurden. Zusätzlich hat die PTB in Braunschweig das Messverfahren mit mobilen Messgeräten gegengeprüft und im Rahmen von 2,3 +-0,9 ns Meßgenauigkeit bestätigt. Die Entfernung zwischen dem tief im Berg gelegenen Detektor am Gran Sasso Tunnel und dem Messpunkt bei CERN in Genf von rund 730 km wurde mit GPS-Technik auf etwa 20 cm ausreichend genau bestimmt, obwohl man mit ein bisschen mehr Aufwand den Abstand noch genauer bestimmen könnte. Doch dazu müsste man eine Zeitlang den Autoverkehr im Gran-Sasso-Tunnel komplett stoppen, um die Entfernung zu dem GPS-Punkt am Rande des Autobahntunnels präziser vermessen zu können und das wollten die Wissenschaftler den italienischen Autofahrern nicht zumuten, jedenfalls noch nicht.

Bei den seit 2008 laufenden Messungen konnten die Wissenschaftler bei den täglichen Koordinatenmessungen eine leichte kontinuierliche Verschiebung um wenigen Zentimeter pro Jahr und bei einem Erdbeben 2009 einen Sprung von 6 cm nach Norden und Osten ausmachen. Die 1400 Meter Felsen über dem Neutrino-Detektor schirmen 99,9 Prozent der kosmischen Strahlung ab, die sonst die Messungen überlagern würde.

Die Laufzeit eines einzelnen Neutrinos kann man allerdings nicht messen, sondern nur die Wahrscheinlichkeitsverteilung in einem Bündel. Aus dem Vorbeschleuniger (SPS) des Large Hadron Colliders werden über Kicker-Magnete 10,4-µs-lange Protonenbündel mit 400 GeV ausgekoppelt. Ihnen aufmoduliert ist die Synchrotronfrequenz von 500 kHz und die Radiofrequenz von 200 MHz. Die Zeitstruktur der Bündel wird in einem Beam Current Transformer Detector (BCT) mit einem hochauflösenden Wave Form Digitizer (WFT) mit 1 Gigasamples/s bestimmt. Die Protonen knallen auf einen 2 m langen Graphitblock, wobei Mesonen (Pions, Kaons) produziert werden. Diese Mesonen zerfallen irgendwo im 1000 m langen Vakuumtunnel in Myons, wobei Myon-Neutrinos entstehen. Den genauen Punkt weiß man nicht, da aber die Mesonen nahezu die gleiche Geschwindigkeit wie die Neutrinos besitzen, kann man den Unterschied vernachlässigen. Über einen 18-m-langen Kohlenstoff-Eisen-Block werden dann die verbleibenden schweren Teilchen abgefangen und die Myons vermessen. Die Neutrinos wandern 730 km durch die Erdkruste, wandeln sich zwischenzeitlich zu Tau-Neutrinos und werden dann in dem 1500 Tonnen schweren Detektor aufgefangen. Etwa die Hälfte der detektierten Neutrinos reagiert mit dem Felsen des Berges (externe Events), der Rest mit dem Target (interne Events). Diese unterschiedlichen Events werden dann getrennt verrechnet.

Dabei ergibt sich letztlich eine Verschiebung der Wahrscheinlichkeitsverteilung gegenüber dem zu erwartenden Wert bei Lichtgeschwindigkeit von 60,7 ns +/-14,5 ns mit einer Signifikanz von 6,0.

Den Forschern ist dieses Ergebnis selbst nicht geheuer: "Wir versuchen keine theoretischen oder phänomenologischen Interpretationen", so ihr Schlusssatz. Aber CERN-Chef Heuer hat schon angekündigt, dass der bisherigen CERN-Seitenlinie namens OPERA nun weit mehr Bedeutung zukommen wird -- doch will man die Suche nach dem Higgschen-Teilchen dabei nicht vergessen.

Viele weitere Details findet man in der offiziellen Veröffentlichung (pdf). Angesichts der aufgelisteten Schar der Wissenschaftler müsste im Falle eines Falles der Nobelpreis auf über Hundert aufgeteilt werden.

Quelle : www.heise.de

[SiLæncer]

Die US-amerikanischen Fermilabs hoffen, die vom CERN gemeldete Überlichtgeschwindigkeit von Neutrinos in bereits vier bis sechs Monaten bestätigen oder als Messfehler entlarven zu können. Das hat Jenny Thomas, Professorin für Teilchenphysik am University College London in einer E-Mail an TPM’s Idea Lab bekräftigt. Thomas ist Sprecherin des MINOS-Experiments, das im Prinzip schon im Jahre 2007 mit ähnlichen Ergebnissen aufwartete. Allerdings wiesen diese Ergebnisse größere Messungenauigkeiten auf, sodass eine Überlichtgeschwindigkeit nicht mit der erforderlichen Signifikanz festgestellt werden konnte.

Nun wollen die Wissenschaftler mit neueren Messmethoden die verschiedenen Laufzeiten nachträglich sorgfältiger einmessen und dann die alten Daten mit höherer Genauigkeit neu verrechnen – sonst wäre der ehrgeizige Zeitrahmen von nur sechs Monaten wohl nicht zu schaffen. Aber sie wollen auch die MINOS-Messungen mit einer Vielzahl von Verbesserungen wiederholen und unter anderem zehnmal mehr Daten ermitteln.

Bei MINOS schickt der Tevatron-Vorbeschleuniger die erzeugten Neutrinos auf eine wie zufällig ebenfalls 732 km lange Reise (und meist darüber hinaus) zur Soudan Mine in Minnesota. In einigen Jahren soll dann der geplante Linearbeschleuniger "Projekt X" im Large Base Neutrino Experiment (LBNE) seine Neutrinos zu den 1000 km entfernten Sanford-Untergrund-Laboren in South Datoka schicken.

Manchem Forscher am Fermilab kommt möglicherweise das Abschalten des Großbeschleunigers Tevatron sogar entgegen, der am 30. September um 2 Uhr Ortszeit seine letzten Protonen in den Entsorgungskanal aus Graphit, Aluminium und zuletzt Stahl schicken wird. Sie freuen sich auf das "Ausschlachten" des Tevatron mit all seinen Geräten in dem etwa 6,3 km langen Tunnel, von denen sich etliche für andere Experimente nutzen lassen. Andere werden nach 28 Jahren sehr erfolgreichen Betriebs des Beschleunigers sicher die ein oder andere Träne verdrücken, aber der LHC ist bezüglich Hochenergieforschung eben noch leistungsfähiger, auch sind dort schließlich die Fermilabs bei dem LHC-Großexperiment CMS maßgeblich dabei. Am Standort in Illinois wollen die Femilabs ansonsten von Hochenergie auf Hochintensität wechseln.

Speziell die Neutrinoforschung und die Suche nach dunkler Materie sowie Energie soll in den Fermilabs intensiviert werden. Dazu werden viele neue aufwendige Experimente vorbereitet, neben dem LBNE unter anderem auch NOvA, das die Oszillation von Myon-Neurionos in Elektron-Neurinos vermessen soll.

Hinzu kommt die Forschung an neuen Beschleunigern mit Supraleitung- und Hochfrequenztechnologie, die insbesondere für den geplanten Linearen Protonenbeschleuniger "Projekt X" gedacht ist, der auf dem Gelände des Tevatron ab 2015 seinen Betrieb aufnehmen soll. Von ihm versprechen sich die Wissenschaftler weitaus intensivere Neutrino-, Myon- und Kaon-Teilchenströme als bisher möglich.

Quelle : www.heise.de