DAS RÄTSEL DES PHOTONS: Was es wirklich ist und warum es unserer Logik widerspricht
How Factories Work
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Transkript (automatisch erstellt)

0:00 In einer einzigen Sekunde legt dieses Teilchen eine Strecke zurück, die sieben ein halb um unsere gesamte Erde führt. Doch das wirklich schockierende ist
0:11 nicht seine unglaubliche Geschwindigkeit, sondern seine Wahrnehmung der Realität. Für dieses Teilchen vergeht auf seiner
0:20 Reise durch die unendliche Schwärze des Alls absolut keine Zeit. Haben Sie sich jemals gefragt, wie es sich anfühlt? Milliarden von Jahren zu reisen und
0:32 dennoch in genau demselben Moment anzukommen, indem man losgeflogen ist. Was sagt es über die Natur unserer Wirklichkeit aus, wenn das Fundament
0:42 unseres Sehens jeglicher menschlichen Logik widerspricht? Heute Nacht erkunden wir das Geheimnis des Photons, jener winzigen Einheit, die
0:52 alles Licht erzeugt. Es besitzt keine Masse und transportiert dennoch reine Energie. Es kann sich wie eine Welle oder wie ein Teilchen verhalten,
1:02 je nachdem, wie wir es beobachten. Und es besitzt die unheimliche Fähigkeit mit sich selbst zu interagieren, als wäre es an zwei Orten gleichzeitig.
1:15 Albert Einstein bezeichnete das Photon als das größte Mysterium der Physik und dieses Rätsel wird nur noch tiefer. Je mehr wir darüber erfahren,
1:26 bevor wir in diese Quantenrätsel eintauchen, hilft uns ein schnelles Gefällt mir oder ein Abonnement sehr dabei, diesen Kanal wachsen zu lassen.
1:36 Es ist eine kleine Geste für Sie, aber für uns macht es einen gewaltigen Unterschied. Lassen Sie uns nun beginnen. Denken Sie an die einfachsten
1:45 Momente ihres Lebens. Sie schalten eine Lampe ein und Licht flutet den Raum. Sie treten an einem sonnigen Tag nach draußen und spüren, wie die Strahlen
1:58 ihre Haut erwärmen. Sie blicken in den nächtlichen Himmel und sehen das Leuchten von Sternen, die seit Milliarden von Jahren brennen.
2:08 Das Licht scheint so schlicht und beständig zu sein. Es macht das Leben erst möglich. Wir bewegen uns jeden wachen Moment
2:16 hindurch, ohne einen zweiten Gedanken daran zu verschwenden. Doch hier liegt das Seltsame. Jahrtausende lang hatte die Menschheit
2:26 nicht die leiseste Ahnung. was Licht in Wirklichkeit ist. Selbst heute nach Jahrhunderten intensiver Forschung, nach der Entdeckung der
2:37 Quantenmechanik und der Relativitätstheorie bleibt das Licht eines der rätselhaftesten Phänomene des
2:44 Universums. Das Photon verhält sich auf eine Weise, die unseren gesunden Menschenverstand beleidigt und unsere grundlegendsten Annahmen über die
2:54 Realität erschüttert. Dies ist die Geschichte darüber, wie wir entdeckten, was Licht wirklich ist und warum die Antwort so viel fremdartiger
3:06 ist, als wir es uns jemals hätten träumen lassen. Die Suche nach der Wahrheit über das Licht begann vor weit über 2000 Jahren in den Köpfen der
3:16 antiken Denker. Die Griechen waren die erste Zivilisation, die versuchte, die Geheimnisse der Natur mit der reinen Vernunft, statt mit alten
3:26 Mythen zu entschlüsseln. Platon, einer der einflussreichsten Geister seiner Zeit, war überzeugt, dass das Licht direkt aus unseren Augen
3:37 strömt. Er stellte sich das Sehen als einen aktiven Vorgang vor, bei dem unsere Augen Strahlen aussenden, welche die Gegenstände berühren und die
3:47 Informationen an unseren Geist zurücksenden. Auch wenn uns das heute völlig fremd erscheint, steckt dieser Gedanke noch
3:55 immer tief in unserer Sprache, wenn wir davon sprechen, jemandem einen Blick zuzwerfen oder wenn die Augen eines geliebten Menschen hell leuchten.
4:06 Platons Theorie war zwar falsch, aber sie beschrieb das subjektive Gefühl des Sehens auf eine sehr poetische Weise. Sein Schüler Aristoteles widersprach ihm
4:17 jedoch entschieden. Er vermutete, dass Licht eine Störung in dem Medium zwischen dem Auge und dem Objekt sei, vergleichbar mit einer Welle, die durch
4:28 die Luft reißt. Aristoteles bemerkte bereits damals, das Licht sich seltsam verhält, wenn es verschiedene Materialien durchdringt,
4:38 etwa wenn ein Stab im Wasser gebogen erscheint. Er schlug vor, dass transparente Substanzen wie Luft oder Glas das
4:47 Potenzial zur Lichtübertragung besitzen und eine Flamme dieses Potenzial lediglich aktiviert. Sobald eine Lampe entzündet wird,
4:56 verbreitet sich diese Aktivierung laut seiner Lehre augenblicklich im gesamten Raum. Keine dieser frühen Erklärungen war
5:04 letztlich korrekt, aber sie entfachten eine Debatte, die die Menschheit für mehr als 2000 Jahre in Atem halten sollte. Über Jahrhunderte hinweg blieb
5:14 der Fortschritt mühsam und langsam. Erst im Mittelalter machten islamische Gelehrte entscheidende Entdeckungen in der Optik. Ibn Alhitam, der um das Jahr
5:25 1000 in Kairo forschte, bereitete der Vorstellung, dass unsere Augen Licht aussenden, ein endgültiges Ende. Er wies scharfsinnig darauf hin, dass wir auch
5:37 in der tiefsten Dunkelheit sehen müssten, wenn unsere Augen selbst die Quelle des Lichts wären. Das Licht musste also zwingend von äußeren Quellen
5:47 stammen und in unsere Augen eintreten. Nicht umgekehrt. Doch die drängendste Frage der Wissenschaft blieb weiterhin ohne
5:56 Antwort. Was genau war dieses rätselhafte etwas, das von außen zu uns drang und unsere Welt erleuchtete?
6:06 Im 17. Jahrhundert traten zwei Giganten der Wissenschaft mit völlig gegensätzlichen Theorien auf den Plan, die Physik für Jahrhunderte spalten
6:15 sollten. Auf der einen Seite stand Isaac Newton, der wohl einflussreichste Forscher, den die Welt je gesehen hat. Newton war fest davon überzeugt, dass
6:28 Licht aus einem Strom winzigster Teilchen besteht, die er Kopuskeln nannte. Er stellte sich vor, dass diese Teilchen
6:37 von einer Lichtquelle wie winzige Geschosse abgefeuert werden und sich in vollkommen geraden Linien durch den Raum bewegen. Nur diese Vorstellung konnte
6:46 seiner Meinung nach erklären, warum Licht so scharfe Schatten wirft, da die Teilchen an den Kanten eines Objekts einfach gestoppt werden. Newtons Theorie
6:57 bestechend logisch, denn sie glich unseren Erfahrungen aus dem Alltag Licht prallt von Spiegeln ab. Wie ein Ball von einer Wand. Als er seine Erkenntnisse im
7:08 Jahr 1704 veröffentlichte, war sein Ruf bereits so gewaltig, dass kaum jemand wagte, an seinen Worten zu
7:17 zweifeln. Doch auf der anderen Seite der Nordsee forschte Christian Heugens an einer ganz anderen Wahrheit. Der niederländische
7:26 Gelehrte sah im Licht keine harten Teilchen, sondern eine sanfte Welle. Er vermutete, dass Licht den Raum wie eine Schwingung
7:36 durchwandert, ganz ähnlich wie der Schall, der durch die Luft zu unseren Ohren getragen wird. Heens schlug vor, dass eine Flamme oder
7:47 die Sonne Vibrationen in einem unsichtbaren Medium auslösen, die sich dann kreisförmig nach außen ausbreiten. Seine Wellentheorie konnte etwas
7:55 erklären, womit Newtons Teilchen große Schwierigkeiten hatten. Wenn Licht durch einen sehr schmalen Spalt fällt, breitet es sich an den Rändern leicht aus.
8:07 Dieses Phänomen nennen wir Beugung und es ist eine typische Eigenschaft von Wellen. So wie wir jemanden im Nebenzimmer
8:16 sprechen hören können, weil die Schallwellen um die Ecke wandern. So schien auch das Licht eine verborgene Wellennatur zu besitzen. Über ein ganzes
8:26 Jahrhundert lang rangen diese beiden Weltbilder leidenschaftlich um die Vorherrschaft. Doch Newtons enorme Berühmtheit und der
8:34 tiefe Respekt vor seinem Genie ließen seine Teilchen Theheorie zunächst über alle Zweifel erhaben erscheinen. Besonders in England galt es fast als
8:44 patriotische Pflicht, dem englischen Urvater der Physik den Vorzug vor den Ideen vom europäischen Festland zu geben. Trotzdem behielt die
8:52 Wellentheorie in Europa ihre treuen Anhänger, da beide Modelle ihre ganz eigenen Vorzüge und Schwächen hatten. Keine der beiden Seiten konnte damals
9:02 alle Rätsel des Lichts vollständig lösen und so blieb die wahre Natur des Lichts ein ungelöstes Geheimnis, bis ein elegantes Experiment alles verändern
9:12 sollte. Im Jahr 1801 führte ein britischer Wissenschaftler namens Thomas Young ein Experiment durch, dass die wissenschaftliche Welt in ihren
9:23 Grundfesten erschüttern und die Frage nach der Natur des Lichts scheinbar ein für alle mal klären sollte. Yangs Versuchsaufbau bestar durch seine
9:33 elegante Schlichtheit. Er lenkte einen Lichtstrahl auf eine Barriere mit zwei Hauchdünnen, nebeneinander liegenden Schlitzen und beobachtete das Muster.
9:45 Das auf der Wand dahinter entstand, wäre das Licht tatsächlich ein Strom aus Teilchen gewesen. Wie Isaac Newton es behauptet hatte, hätte man ein klares
9:56 Ergebnis erwartet. Zwei helle Streifen direkt hinter den Schlitzen. Die Teilchen hätten einfach die eine oder die andere Öffnung passiert. und
10:05 sich dort gesammelt. Es wäre so gewesen, als würde man mit Pistolenkugeln auf eine Wand mit zwei Löchern schießen, wobei sich die Projektile in zwei
10:15 ordentlichen Haufen auf der anderen Seite anhäufen. Ein einfaches, intuitives Resultat. Doch was Yang stattdessen sah, widersprach jeder
10:25 logischen Erwartung an feste Materie. Auf dem Schirm erschien kein einfaches Abbild der Schlitze, sondern ein komplexes Muster aus abwechselnd hellen
10:35 und dunklen Bändern, die weit über den Bereich hinter den Öffnungen hinausstrahlten. Dieses Phänomen ist als
10:43 Interferenzmuster bekannt und es ist etwas, das ausschließlich Wellen erzeugen können. Um dies zu verstehen,
10:52 stellen Sie sich zwei Steine vor, die Sie gleichzeitig in einen ruhigen Teich fallen lassen. Von jedem Stein gehen kreisförmige Wellen aus, die sich auf
11:03 der Wasseroberfläche ausbreiten. Wo diese Wellen aufeinander treffen, geschieht etwas faszinierendes. Trifft ein Wellenberg auf einen anderen
11:12 Wellenberg. Verstärken Sie sich zu einer noch größeren Welle, was wir konstruktive Interferenz nennen. Doch wenn ein
11:21 Wellenberg auf ein Wellental trifft, löschen sie sich gegenseitig aus und das Wasser bleibt vollkommen ruhig. Ein Vorgang, der als destruktive Interferenz
11:32 bezeichnet wird. Genau das geschah mit dem Licht. Es passierte beide Schlitze gleichzeitig, breitete sich wie Wellen aus und überlagerte sich auf dem Weg zum
11:42 Schirm. Wo die Wellenberge zusammenfielen, entstanden die leuchtenden Streifen und wo sie sich gegenseitig auslöschten,
11:51 blieb die Wand dunkel. Dieses Experiment bewies auf spektakuläre Weise die Wellennatur des Lichts. Newtons Teilchentheorie schien
12:01 endgültig widerlegt, denn Teilchen können sich nicht gegenseitig auslöschen oder durch Überlagerung neue Muster weben. Der Fall schien abgeschlossen und
12:10 die Wellentheorie trat ihren Siegeszug an, der die gesamte Physik des 19. Jahrhunderts dominieren sollte. In den 1860er Jahren, einer Zeit, in der die
12:22 Menschheit noch immer im Dunkeln über die wahre Natur des Lichts tappte, vollbrachte ein schottischer Physiker namens James Clerk Maxwell eine der
12:32 gewaltigsten geistigen Leistungen in der Geschichte unserer Zivilisation. Während seine Zeitgenossen noch über die mechanischen Eigenschaften eines
12:40 seltsamen Äters rätselten, blickte Maxwell tiefer in das Gefüge der Natur als jeder andere vor ihm. Er schaffte es zwei Kräfte zu vereinen, die bis zu
12:52 diesem Moment als völlig getrennt voneinander betrachtet wurden die Elektrizität und den Magnetismus. Es war die Geburtsstunde einer neuen
13:01 Era, in der wir lernten, dass das Universum nicht aus festen Zahnrädern besteht, sondern aus unsichtbaren, schwingenden Feldern, die alles
13:12 durchdringen. Bevor Maxwell sein Werk vollendete, betrachtete die Wissenschaft elektrische Ladungen und magnetische Pole als zwei
13:22 unterschiedliche Phänomene. Man wusste zwar, dass elektrische Ströme Magnetnadeln ablenken konnten und dass sich verändernde Magnetfelder in drehten
13:31 Elektrizität erzeugen konnten, aber der Tiefe. Innere Zusammenhang blieb ein ungelöstes Rätsel. Maxwell jedoch erkannte durch die reine Kraft seiner
13:43 mathematischen Intuition, dass elektrische und magnetische Felder untrennbar miteinander verwoben sind. Sie sind in Wahrheit zwei
13:52 unterschiedliche Seiten, ein und derselben Medaille, die wir heute als das elektromagnetische Feld bezeichnen. Stellen Sie sich einen faszinierenden,
14:02 ewigen Kreislauf vor. Ein elektrisches Feld, das sich in seiner Stärke verändert, bringt ein magnetisches Feld hervor.
14:12 Dieses neuentstandene magnetische Feld bleibt jedoch nicht statisch. In dem Moment, indem es sich verändert, erschafft es seinerseits wieder ein
14:22 elektrisches Feld. Diese beiden Felder befinden sich in einem unaufhörlichen Tanz der gegenseitigen Erschaffung und Erhaltung. Es ist eine Schwingung, die
14:32 sich wie ein Lauffeuer durch den Raum ausbreitet. Eine Energie, die sich selbst stützt und niemals zur Ruhe kommt.
14:41 Als Maxwell die mathematischen Gesetze formulierte, die diesen Tanz beschreiben, stieß er auf ein Ergebnis, dass die Welt für immer verändern
14:50 sollte. Seine Gleichungen sagten die Existenz von Wellen voraus, die aus genau diesen oszillierenden elektrischen und magnetischen Feldern bestehen. Doch
15:01 das eigentlich sensationelle war die Geschwindigkeit. mit der sich diese Wellen laut der Mathematik bewegen mussten. Maxwell
15:10 berechnete diesen Wert nicht etwa durch das Beobachten von Sternen, sondern allein durch grundlegende elektrische und magnetische Konstanten, die man in
15:19 jedem einfachen Labor messen konnte. Er kombinierte die Durchlässigkeit des Vakuums für elektrische Felder mit der Durchlässigkeit für magnetische Felder
15:27 und erhielt eine Zahl, die wie ein Donnerschlag in der wissenschaftlichen Gemeinschaft nachhalte rund 300.000 km pro Sekunde. Dieser Wert war nahezu
15:39 identisch mit der Geschwindigkeit des Lichts, die zuvor in aufwendigen Experimenten ermittelt worden war. Die Übereinstimmung war so präzise, dass
15:48 Maxwell sofort begriff. Dies konnte kein Zufall sein. In diesem Moment der Erleuchtung erkannte er, dass Licht nichts anderes ist als eine
15:59 elektromagnetische Welle. Sein ursprüngliches Ziel war es gewesen, die Elektrizität zu verstehen. Doch die Mathematik führte ihn
16:10 unweigerlich zu der Erkenntnis, dass das Licht selbst eine Form von elektromagnetischer Strahlung ist. Diese Entdeckung war von einer unvorstellbaren
16:20 Tragweite. Sie bedeutete, dass das sichtbare Licht, das wir mit unseren Augen wahrnehmen, kein isoliertes Wunder der Natur ist. Es
16:30 ist stattdessen nur ein winziger Bruchteil eines gigantischen Spektrums. Ob Radiowellen, die wir für unsere Kommunikation nutzen, Mikrowellen,
16:41 Infrarotstrahlung, das uns vertraute Licht des Regenbogens, ultraviolette Strahlen, Rönkenstrahlen oder die hochenergetische
16:51 Gammastrahlung. Sie alle sind im Grunde dasselbe Phänomen. Sie alle sind elektromagnetische Wellen,
17:00 die sich lediglich durch ihre Frequenz und ihre Wellenlänge voneinander unterscheiden. Während rotes Licht eine Wellenlänge von
17:07 etwa 700 Nanometern besitzt, ist blaues Licht mit 450 Nanomet deutlich kurzwelliger. Radiowellen können lang sein, während
17:19 Gammastrahlen kleiner sind als einzelner Atomkern. Und doch rasen sie alle mit genau derselben absoluten Geschwindigkeit durch die Leere der
17:28 Lichtgeschwindigkeit. Der prachtvolle Regenbogen, den wir nach einem Sturm bewundern, ist somit nur ein schmales Fenster. Durch dass wir
17:38 Menschen einen winzigen Teil der Wirklichkeit betrachten. Unsere Augen sind auf bestimmte Frequenzen abgestimmt, aber das Universum leuchtet
17:46 in unzähligen Farben, die wir niemals direkt sehen können. Maxwells Theorie löste zudem eines der größten logischen Probleme seiner Zeit das Rätsel des
17:58 äters. Da sich die elektrischen und magnetischen Felder gegenseitig stützen und durch den Raum tragen, benötigen sie kein materielles Medium mehr, um sich
18:07 auszubreiten. Das Licht war endlich frei. Es war eine vollkommen eigenständige Schwingung, die nichts weiter brauchte als den leeren
18:16 Raum, um ihre Reise anzutreten. Am Ende des 19. Jahrhunderts fühlte sich die Physik vollständig und elegant an. Man glaubte, die Natur des Lichts
18:28 endgültig entschlüsselt zu haben. Die Lehrbücher wurden geschrieben und die Wissenschaft wandte sich neuen Problemen zu in der festen Überzeugung, dass das
18:39 Licht eine perfekte Welle sei. Doch dieser Frieden war trügerisch. Mit dem Anbruch des 20. Jahrhunderts begannen neue Experimente, Ergebnisse zu liefern.
18:50 die Maxwells wunderschöne Theorie nicht erklären konnte. Die Physiker standen kurz davor, alles in Frage stellen zu müssen, was sie über die Welt zu wissen
19:02 glaubten. Das Licht bereitete sich darauf vor, sein wahres noch viel seltsameres Gesicht zu zeigen. Zu Beginn des 20.
19:13 Jahrhunderts fühlte sich die Welt der Wissenschaft sicher und beinahe vollendet an. Die Physiker waren überzeugt, dass die Naturgesetze durch
19:22 die Arbeiten von Isaac Newton und James Clerk Maxwell endgültig entschlüsselt worden waren. Doch genau in diesem Moment der triumphalen Gewissheit
19:32 begannen neue experimentelle Ergebnisse aufzutauchen, die sich wie dunkle Wolken am Horizont zusammenzogen. Diese Funde waren so rätselhaft, dass
19:43 sie die gesamte Fachwelt dazu zwangen, alles zu hinterfragen, was sie über das Licht und die Materie zu wissen glaubten. Der erste große Riss
19:53 in der schönen Fassade der klassischen Physik war ein Problem, das heute als die Strahlung schwarzer Körper bekannt ist. Es ist ein Phänomen, das eigentlich
20:04 jeder aus dem Alltag kennt. Wenn ein Objekt erhitzt wird, beginnt es zu leuchten. Ein einfaches Stück Eisen in einer Schmiede glüht zuerst in einem
20:15 tiefen Dunkelrot, wechselt dann bei steigender Temperatur zu einem leuchtenden Orange und gelb und wird schließlich strahlend weiß, wenn die
20:25 Hitze ihren Höhepunkt erreicht. Die Farbe dieses Glühs hängt dabei ausschließlich von der Temperatur des Objekts ab. Kühlere Objekte strahlen in
20:35 rötlichen Tönen, während extrem heiße Körper ein blauweißes Licht aussenden. Astronomen nutzen diesen Zusammenhang noch heute, um die
20:45 Oberflächentemperaturen von Sternen zu bestimmen, die Trillionen von Kilometern von uns entfernt sind. Die klassische Physik versuchte nun
20:56 dieses Glühen mit den damals bekannten Gesetzen der Thermodynamik und Maxwells Elektromagnetismus zu erklären. Die Logik dahinter schien bestechend
21:04 einfach. Ein heißes Objekt besteht aus Atomen und Molekülen, die in heftige Schwingungen geraten. Diese Schwingungen sollten elektromagnetische Wellen über
21:15 einen weiten Frequenzbereich erzeugen. Je heißer das Objekt wird, desto mehr Energie steht zur Verfügung. und desto mehr Licht sollte folglich ausgestrahlt
21:24 werden. Doch hier stießen die Forscher auf eine Mauer des Unmöglichen. Die Berechnungen der klassischen Physik sagten voraus, dass heiße Objekte immer
21:35 mehr Energie aussenden müssten. Je kürzer die Wellenlänge des Lichts wurde, wenn man die Energie für ultraviolettes Licht, dann für Rönkenstrahlen und
21:46 schließlich für Gammastrahlen berechnete, stieg der Wert in der Theorie ohne jede Grenze an. Das bedeutete nach der damaligen Logik,
21:56 dass ein gewöhnlicher heißer Backofen in einer Küche unendliche Mengen an Energie in Form von tödlicher kurzfälliger Strahlung aussenden müsste. Diese
22:06 Vorhersage war so offensichtlich absurd, dass die Physiker sie verzweifelt die Ultraviolett Katastrophe tauften. In der Realität geschah dies natürlich nicht.
22:17 Ein Ofen überflutet das Haus nicht mit Gammastrahlen. Es war klar, dass etwas im Fundament der physikalischen Theorie grundlegend
22:27 falsch war. Im Jahr 1900 suchte der deutsche Physiker Max Plank nach einem Ausweg aus diesem Dilemma. Was er schließlich vorschlug, war jedoch so
22:38 radikal, dass er es selbst zunächst kaum glauben konnte. Es war ein Akt der puren Verzweiflung. Plank schlug vor, dass Energie nicht
22:49 kontinuierlich und fließend abgegeben wird, wie es bis dahin jeder als unumstößliche Tatsache angenommen hatte. Stattdessen behauptete er, dass Energie
23:01 nur in festen abgegrenzten Paketen existiert, die er Quanten nannte. Er stellte fest, dass die Energie jedes Quants direkt proportional zur Frequenz
23:12 des Lichts ist. Licht mit einer hohen Frequenz kam in großen Energiepaketen daher, während Licht mit niedriger Frequenz in kleinen Portionen abgegeben
23:22 wurde. Durch diese kühne Annahme der Quantisierung konnte Plank eine Formel ableiten, die das tatsächlich beobachtete Spektrum
23:31 der Wärmestrahlung perfekt beschrieb. Die Ultraviolett Katastrophe war gebannt, denn bei sehr hohen Frequenzen waren die Energiequanten so gewaltig
23:41 groß, dass die gewöhnliche thermische Energie des Objekts einfach nicht ausreichte, um sie zu produzieren. Die Theorie passte nun mit einer
23:51 bewundernswerten Präzision zu den realen Messdaten. Dennoch war Max Plank selbst tief verunsichert. Er hielt seinen eigenen
24:01 Vorschlag für einen mathematischen Trick, für ein bloßes Hilfsmittel der Berechnung, das zufällig die richtige Antwort lieferte.
24:10 Die Idee, dass die Energie der Natur in winzigen, unteilbaren Portionen existieren sollte, erschien ihm zu radikal, um wörtlich genommen zu werden.
24:22 Energie war für ihn und seine Zeitgenossen immer ein fließendes Kontinuum gewesen, das man unendlich oft teilen konnte.
24:30 Die Quantenhypothese schien zunächst nur eine Bequemlichkeit für die Mathematik zu sein und keine treue Beschreibung der physikalischen Realität.
24:39 Doch ohne es zu ahnen, hatte Plank die Tür zu einer völlig neuen Welt aufgestoßen, in der die alten Regeln der Vernunft
24:48 nicht mehr galten. Das Konzept der Energiequanten sollte bald eine Bedeutung erlangen, die das gesamte Weltbild der Menschheit
24:57 erschüttern würde, während Max Plank noch damit rang, seine Entdeckung der Energiequanten als bloßen mathematischen Trick zu rechtfertigen.
25:08 braute sich in den Laboratorien der Welt bereits das nächste gewaltige Rätsel zusammen. Dieses Rätsel sollte die Grundpfeiler
25:16 der Physik nicht nur erschüttern, sondern sie endgültig zum Einsturz bringen. Es handelt sich um den fotoelektrischen Effekt, ein Phänomen,
25:26 das so einfach klingt und doch eine Wahrheit offenbarte, die niemand wahrhaben wollte. Bereits im Jahr 1887
25:35 bemerkte der Physiker Heinrich Herz bei seinen Experimenten mit elektromagnetischen Wellen etwas höchst merkwürdiges.
25:43 Er stellte fest, dass Funken zwischen zwei Metallelektroden viel leichter übersprangen, wenn man sie mit ultraviolettem Licht bestrahlte.
25:53 Was dort geschah, war auf der Ebene der Atome betrachtet spektakulär. Das Licht schlug buchstäblich Elektronen aus der Oberfläche des Metalls heraus.
26:04 Zunächst schien dieses Phänomen für die Wissenschaftler jenerzeit kein großes Problem darzustellen. Man war fest davon überzeugt, dass Licht eine Welle sei,
26:14 wie es James Clerk Maxwell so meisterhaft bewiesen hatte. Eine Welle transportiert Energie. Wenn diese Welle auf ein Metall trifft, so die damalige
26:24 Logik, sollten die Elektronen im Metall diese Energie wie ein Schwamm aufsaugen. Irgendwann hätten sie genug Energie angesammelt, um sich von der Oberfläche
26:33 zu lösen und davon zu fliegen. Nach dieser Wellentheorie müsste helleres Licht, das ja mehr Energie mit sich führt. Die Elektronen mit einer viel
26:45 größeren Wucht aus dem Metall schleudern als schwaches Licht. Doch als die Physiker genau hinsahen und präzise Messungen durchführten, erlebten sie
26:54 eine herbe Enttäuschung. Die Realität weigerte sich beharrlich, den Gesetzen der klassischen Wellenmechanik zu gehorchen.
27:03 Erstens gab es keinerlei zeitliche Verzögerung. Selbst wenn man das Metall mit dem schwächsten denkbaren Licht bestrahlte, wurden die Elektronen
27:13 augenblicklich herausgeschleudert, sofern die Farbe des Lichts stimmte. Nach der Wellentheorie hätten die Elektronen bei schwachem Licht Minuten
27:23 oder gar Stunden warten müssen, bis sie genug Energie aufgesaugt hätten. Aber sie warteten nicht eine einzige Nanosekunde.
27:33 Noch viel seltsamer war jedoch die Rolle der Farbe des Lichts. Man entdeckte, dass die Energie der herausgeschlagenen Elektronen überhaupt nichts mit der
27:42 Helligkeit des Lichts zu tun hatte, sondern einzig und allein von seiner Farbe, also seiner Frequenz. Abhing: Blaues Licht setzte Elektronen
27:55 mit viel mehr Energie frei als rotes Licht, ganz egal wie hell die Lampe war. Tatsächlich gab es eine kritische Grenze, eine sogenannte
28:05 Schwellenfrequenz. Wenn das Licht zu rötlich war, geschah absolut gar nichts. Man konnte das Metall stundenlang mit einem unglaublich
28:15 intensiven, gleißend hellen roten Licht bestrahlen, ohne dass auch nur ein einziges Elektron das Metall verließ. Doch ein winziger, fast unsichtbar
28:26 schwacher Strahl aus blauem oder ultraviolettem Licht genügte, um sofort einen Strom von Elektronen freizusetzen. Die klassische Physik stand vor einem
28:37 Scherbenhaufen. Wenn Licht eine Welle war, ergab das alles keinen Sinn. Es war, als würde man versuchen, eine Mauer mit einer
28:47 gewaltigen Flutwelle aus Wasser einzureißen und zu scheitern, während ein winziges, aber schnelles Sandkorn die Mauer
28:56 mühelos durchschlägt. Es gab einen fundamentalen Fehler in unserem Verständnis des Lichts. Im Jahr 1905, seinem sogenannten Wunderjahr, trat ein
29:09 junger Angestellter eines Schweizer Patentamts namens Albert Einstein auf den Plan. Er nahm die Idee von Max Plank über die
29:18 Energiequanten ernst, viel ernster als Plank selbst es tat. Einstein schlug eine Lösung vor, die so radikal war, dass sie die gesamte
29:29 Fachwelt schockierte. Er behauptete, dass Licht nicht nur in Paketen ausgesandt wird, sondern das Licht selbst aus unteilbaren punktförmigen
29:39 Teilchen besteht. Diese Lichtteilchen nennen wir heute Photonen. Mit dieser Vorstellung eines Lichtstroms aus Photonen wurde das
29:48 Rätsel des fotoelektrischen Effekts plötzlich glas klar. Jedes einzelne Photon trägt eine ganz bestimmte Menge an Energie bei sich, die exakt durch
29:58 seine Frequenz bestimmt wird. Wenn ein Photon auf ein Elektron im Metall trifft, überträgt es seine gesamte Energie in einem einzigen schlagartigen
30:08 Moment. Es ist ein Geschäft nach dem Prinzip alles oder nichts besitzt das einzelne Photon genug Energie, um das Elektron aus seiner Bindung zu reißen.
30:19 Dann fliegt das Elektron sofort davon. Hat das Photon jedoch nicht genug Energie, passiert gar nichts. Das Elektron kann die Energie von vielen
30:29 schwachen Photonen nicht einfach sammeln oder aufadieren. Deshalb ist die Farbe so entscheidend. Ein blaues Photon ist wie ein schwerer
30:38 Hammer, der genug Wucht besitzt, um ein Elektron loszuschlagen. Ein rotes Photon hingegen ist wie ein winziger Tischtennisball,
30:48 der niemals genug Kraft aufbringen wird. Egal, wie viele Millionen Bälle man gleichzeitig wirft, die Helligkeit des Lichts bestimmt lediglich, wie viele
30:58 Photonen pro Sekunde auf das Metall treffen. Aber die Energie jedes einzelnen Treffers wird allein durch die Farbe bestimmt.
31:07 Einsteins Erklärung war von einer bestechenden Eleganz und passte perfekt zu jedem einzelnen Messergebnis. Doch er hatte damit ein neues, noch
31:17 gewaltigeres Problem geschaffen. Wenn Licht aus Teilchen besteht, wie konnte man dann das Experiment von Thomas Young erklären, das so unumstößlich bewiesen
31:27 hatte, das Licht eine Welle ist? Die Physik war in eine tiefe Krise gestürzt. Licht schien zwei völlig widersprüchliche Gesichter zu haben. In
31:38 manchen Momenten verhielt es sich wie eine sanfte Welle, in anderen wie ein harter Hagel aus Geschossen für diese revolutionäre Erkenntnis und nicht für
31:48 seine berühmte Relativitätstheorie. Erhielt Albert Einstein im Jahr 1921 den Nobelpreis für Physik. Er hatte das Tor zur Quantenmechanik weit
31:59 aufgestoßen. Doch die Welt, die dahinter zum Vorschein kam, sollte ihn selbst bis ans Ende seiner Tage beunruhigen.
32:09 Nachdem Albert Einsteins Erklärung des fotoelektrischen Effekts die Fachwelt wie ein Blitzschlag getroffen hatte, befand sich die Physik in einem Zustand
32:18 vollkommener Bestürzung. Einerseits war da das Experiment von Thomas Young aus dem Jahr 101, das mit seinen Interferenzmustern
32:27 zweifelsfrei bewiesen hatte, dass Licht eine Welle ist. Andererseits lieferte Einstein nun den Beweis, dass Licht aus diskreten Teilchen besteht, die wir
32:38 heute Photonen nennen. Beide Experimente waren absolut korrekt. Ihre Ergebnisse ließen sich jederzeit wiederholen und doch schienen sie sich direkt und
32:50 unerbittlich zu widersprechen. Schatterstock. Wie konnte etwas gleichzeitig eine Welle und ein Teilchen sein? In unserer
32:58 vertrauten Alltagswelt ist diese Vorstellung vollkommen absurd. Eine Welle ist eine Schwingung, die sich über einen Bereich des Raumes ausbreitet,
33:08 während ein Teilchen an einem ganz bestimmten winzigen Punkt lokalisiert ist. Eine Welle kann sich mit anderen Wellen
33:17 überlagern und sie gegenseitig auslöschen. Ein Teilchen hingegen kollidiert lediglich mit anderen Objekten. Es sind grundlegend
33:26 verschiedene Kategorien des Seins und doch offenbarte das Licht beide Gesichter. Je nachdem, welche Frage man an die Natur stellte. Dieses Rätsel
33:37 markierte den Beginn einer der am meisten verwirrenden und zugleich fruchtbarsten Perioden in der Geschichte der Wissenschaft.
33:45 Die Physiker mussten schmerzhaft lernen, dass ihre alten Intuitionen über die Beschaffenheit der Realität am Ende ihrer Kraft waren.
33:55 Im Zentrum dieses Sturms stand das Photon. Jenes Lichtteilchen, das sich weigerte, in eine einzige Schublade zu passen,
34:05 selbst Albert Einstein, der für seine Entdeckung im Jahr 1921 den Nobelpreis erhielt, fühlte sich von den Konsequenzen seiner eigenen Arbeit
34:16 zutiefst beunruhigt. Er hatte die Tür zur Quantenmechanik weit aufgestoßen. Doch die Welt, die er dahinter
34:24 erblickte, entsprach so gar nicht seinem Wunsch nach einer geordneten und vorhersagbaren Natur. Er verbrachte den Rest seines Lebens damit, nach einer
34:34 tieferen Wahrheit zu suchen, die diesen Widerspruch auflösen sollte. Doch das Universum schien seine Geheimnisse nicht so einfach preis zu
34:44 geben. Interessanterweise trug das Lichtteilchen zu jener Zeit noch gar nicht den Namen, den wir heute alle kennen. Lange Zeit sprachen die
34:54 Gelehrten lediglich von Lichtquanten oder Strahlungsquanten. Erst im Jahr 1926 prägte der amerikanische Chemiker
35:02 Gilbert Lewis den Begriff Photon in einem wissenschaftlichen Artikel. Er lehnte sich dabei an das griechische Wort für Licht an und die Bezeichnung
35:11 wurde von der Gemeinschaft der Physiker sofort und dankbar angenommen. Bis zum Ende der 20er Jahre hatte sich das Photon als ein fundamentales Konzept
35:20 etabliert. Ein unteilbarer Baustein der Natur, gleichberechtigt neben dem Elektron und dem Proton. Doch die Frage blieb: Was ist ein Photon wirklich?
35:34 Hier beginnt die Realität. wahrhaft fremdartig zu werden. Man darf sich ein Photon nicht wie ein kleines leuchtendes Geschoss oder eine winzige Murmel
35:45 vorstellen, die durch den Äter saust. Ein Photon ist etwas viel subtileres. Die moderne Physik beschreibt es als ein unteilbares Quant des
35:55 elektromagnetischen Feldes. Es ist eine diskrete Erregung jenes Feldes, das den gesamten Raum durchdringt. Wenn wir sagen, dass ein Photon von der Sonne zu
36:05 unserem Auge reist, beschreiben wir in Wahrheit, wie eine Schwingung durch dieses Feld wandert. Ein Photon besitzt keine feste Position im Raum. bis zu dem
36:16 Moment, indem wir es messen. Es folgt auch keiner fest vorgegebenen Bahn von der Quelle zum Detektor. Seine Existenz ist viel eine Wolke aus
36:27 Wahrscheinlichkeiten, ein Potential, das sich erst dann materialisiert, wenn es mit Materie interagiert. Diese
36:37 Geschichte lehrt uns eine demütigende Lektion über das menschliche Wissen. Über Jahrhunderte waren sich die klügsten Köpfe abwechselnd sicher, das
36:46 Licht verstanden zu haben, nur um festzustellen, dass die Natur immer noch eine weitere Überraschung in der Hinterhand hielt. Wenn sich die größten
36:55 Genies über so etwas Fundamentales wie das Licht irren konnten, was könnten wir dann noch alles übersehen haben? Das Photon erinnert uns täglich daran,
37:05 dass das Universum nicht verpflichtet ist, für uns Menschen einen Sinn zu ergeben. Wir erreichen nun den wohl erstaunlichsten und zugleich
37:14 verstörendsten Teil unserer Reise. Wir haben gesehen, das Licht in manchen Experimenten als Welle erscheint und in anderen als ein Strom von Teilchen.
37:24 Das Doppelspaltexperiment von Thomas Young bewies die Wellennatur, während Einsteinsklärung des fotoelektrischen Effekts die Existenz von Teilchen
37:33 belegte. Beide Ergebnisse sind unumstößlich und jederzeit wiederholbar. Doch sie scheinen sich direkt im Wege zu stehen. Was passiert also, wenn wir
37:44 versuchen, diese duale Natur des Lichts direkt zu beobachten. Was geschieht, wenn wir das berühmte Experiment mit den zwei Schlitzen so weit verfeinern, dass
37:55 wir die Lichtquanten einzeln und nacheinander auf die Reise schicken? Dieses Vorhaben führt uns zu einem der berühmtesten Experimente in der gesamten
38:04 Geschichte der modernen Physik. Die Ergebnisse sind so widersprüchlich und unbegreiflich, dass selbst jene Forscher, die ihr
38:13 gesamtes Leben der Quantenmechanik gewidmet haben, sie zutiefst beunruhigend finden. Richard Feineman, einer der brillantesten Physiker des 20.
38:24 Jahrhunderts und Nobelpreisträger für seine Arbeiten zur Quantenelektrodynamik erklärte einmal, dass das Doppelspaltexperiment in seinem Kern das
38:34 einzige und wahre Mysterium der gesamten Quantenmechanik enthält. Er war fest davon überzeugt, dass sich jede Seltsamkeit, jedes Paradoxon und jedes
38:45 philosophische Rätsel der Quantenwelt in diesem einen Versuch konzentriert. Er sagte, wenn man diesen Vorgang wirklich verstehen würde, dann verstünde
38:56 man die gesamte Quantenmechanik. Doch er fügte sogleich hinzu, dass niemand die Quantenmechanik jemals vollständig begreifen wird. Lassen Sie
39:06 uns diesen Versuchsaufbau im Detail betrachten. Wir benötigen dafür eine Lichtquelle, die so schwach und kontrolliert ist,
39:14 dass sie einzelne Photonen eins nach dem anderen aussendet. Die moderne Technologie macht dies heute möglich. Wir können Quellen erschaffen,
39:24 die zwischen jedem emitierten Lichtquant eine deutliche Pause einlegen. Danach folgt eine Barriere mit zwei schmalen Schlitzen. Genau wie im ursprünglichen
39:33 Versuch von Yang. Hinter dieser Barriere platzieren wir einen hochempfindlichen Detektor, der den genauen Ort registriert, an dem
39:43 jedes einzelne Photon aufprallt. Im Gegensatz zu den alten Fotoplatten können moderne Sensoren die Ankunft jedes Lichtquons mit einem präzisen
39:52 Zeitpunkt und einer exakten Koordinate festhalten. Nun beginnen wir das Experiment. Wir schicken die Photonen einzeln durch den Apparat. Wir warten
40:02 zwischen jedem Schuss so lange, bis das vorherige Photon den Detektor bereits erreicht hat. Bevor wir das nächste freigeben. Zu keinem Zeitpunkt befindet
40:12 sich mehr als einziges Photon im Inneren des Geräts. Das bedeutet, dass die Photonen nicht miteinander interagieren können. Sie
40:21 können sich nicht gegenseitig beeinflussen oder ablenken. Jedes Lichtquant unternimmt seine Reise durch die Schlitze in vollkommener
40:30 Einsamkeit. Was würden wir logischerweise auf dem Schirm erwarten? Nachdem wir viele dieser einsamen Reisenden registriert
40:38 haben, wären die Photonen einfache kleine Teilchen wie winzige Kugeln, die man auf eine Wand mit zwei Löchern feuert. müsste jedes Photon entweder
40:50 durch den linken oder durch den rechten Schlitz fliegen. Es würde sich in einer geraden Linie bewegen, die Öffnung passieren und dann ebenfalls in einer
40:59 geraden Linie auf dem Schirm dahinter einschlagen. Nach einer Weile müssten wir also zwei klare helle Streifen sehen, genau hinter
41:09 den beiden Schlitzen. Das wäre die Welt, wie wir sie kennen. Die Summe vieler Einzelteile bildet ein geordnetes Abbild ihres Weges. Doch was in der Realität
41:20 geschieht, führt uns an den Rand des Wahnsinns und ist seltsamer als jede Erzählung der wissenschaftlichen Fantastik.
41:29 Zu Beginn landet jedes einzelne Photon an einem ganz spezifischen Punkt auf dem Schirm. Genau wie man es von einem Teilchen
41:36 erwarten würde. Man kann beobachten, wie die Lichtpunkte nacheinander erscheinen. Mit einem Klicken materialisiert sich ein Punkt hier, dann ein anderer dort.
41:49 Bis zu diesem Augenblick scheint alles normal und das Photon verhält sich wie ein winziges Geschoss. Doch während sich immer mehr Photonen auf dem Schirm
41:59 ansammeln, geschieht das Unmögliche. Die Punkte ordnen sich eben nicht in zwei einfachen Banden an, die mit den Schlitzen fluchten. Stattdessen bauen
42:10 Sie ganz allmählich und Punkt für Punkt ein Interferenzmuster auf. Es ist exakt dasselbe Muster aus abwechselnd hellen und dunklen Streifen,
42:21 das Thomas Young mit seinem kontinuierlichen Lichtstrahl beobachtet hatte. Nach 10 Photonen sieht das Bild noch vollkommen zufällig aus. Nach 100
42:31 Photonen lassen sich erste Anzeichen einer verborgenen Struktur erahnen. Bei 1000 Lichtquanten tritt das Interferenzmuster bereits deutlich
42:40 hervor und nach Millionen von Einschlägen ist das Ergebnis unverkennbar. Die einzelnen Punkte, die sich bei ihrer Ankunft wie harte
42:49 Teilchen verhielten, haben gemeinsam ein Muster geformt, das nur durch die Überlagerung von Wellen entstehen kann. Dieses Phänomen ist zutiefst
42:59 erschütternd. Obwohl jedes Photon als lokalisiertes Teilchen detektiert wird, ist das Gesamtergebnis ein Produkt der Interferenz. Das bedeutet nichts
43:09 geringeres, als dass jedes einzelne Photon irgendwie mit sich selbst interferiert hat, als ob es beide Schlitze zur gleichen Zeit durchquert
43:18 hätte. Lassen Sie mich die Ungeheuerlichkeit dieser Situation betonen. Das Photon war ganz allein im Apparat.
43:27 Es gab nichts anderes, womit es hätte Wechsel wirken können. Dennoch wurde das Verhalten jedes einsamen Photons durch die bloße Anwesenheit beider Schlitze
43:37 beeinflusst. Der Beweis, dass das Photon beide Wege gleichzeitig spürt, ist errückend. Wenn man einen der beiden Schlitze schließt, verschwindet das
43:49 Interferenzmuster sofort und vollständig. Die Photonen sammeln sich dann wieder in einer einzigen Bande hinter der offenen Öffnung.
43:57 Genau wie gewöhnliche Kugeln. Doch in dem Moment, indem man den zweiten Pfad wieder öffnet, kehrt das rätselhafte Muster zurück. Das Photon ändert sein
44:08 Verhalten grundlegend, nur weil ihm eine zweite Möglichkeit zur Verfügung steht. Selbst wenn es so aussieht, als müsste es sich für einen der beiden Wege
44:18 entscheiden. Denken Sie darüber nach, was das bedeutet, wenn nur ein Schlitz offen ist. erreichen Photonen bestimmte Stellen auf
44:28 dem Schirm. Wenn man jedoch einen zweiten Schlitz öffnet und damit einen weiteren Weg anbietet, landen plötzlich weniger
44:36 Photonen an diesen Stellen. Das Hinzufügen einer zweiten Möglichkeit verringert die Wahrscheinlichkeit, dass das Teilchen an einem bestimmten Ort
44:46 ankommt. Für normale Teilchen ergibt das absolut keinen Sinn. Wenn Kugeln ein Ziel durch ein Loch erreichen können, dann kann ein zweites Loch die Anzahl
44:56 der Treffer nur erhöhen, niemals verringern. Doch für Photonen schafft die Öffnung eines zweiten Weges eine Auslöschung, die es ihnen verbietet, an
45:07 ganz bestimmten Orten aufzutreffen. Wir stehen hier vor einer Grenze unseres Verstandes. Das Photon scheint zu wissen, ob beide
45:17 Türen offen stehen und passt sein Schicksal dementsprechend an. Es existiert in einem Zustand der Möglichkeiten, bis es auf den Schirm
45:26 trifft und sich für eine einzige Realität entscheiden muss. Wir stehen nun an der Schwelle zu einem der verstörendsten Momente in der gesamten
45:35 Geschichte der Naturwissenschaften. Wir haben gesehen, wie ein einzelnes Photon, das vollkommen allein auf seine Reise geschickt wurde, auf wunderbare
45:45 Weise mit sich selbst interferiert, als ob es beide Wege gleichzeitig gegangen wäre. Doch der menschliche Verstand sträubt
45:53 sich gegen diese Vorstellung. Wir wollen wissen, was dort draußen in der Dunkelheit des Versuchsaufbaus wirklich geschieht. Es muss doch möglich
46:02 sein, die Natur zu überlisten und zu beobachten, welchen der beiden Schlitze das Photon in Wahrheit wählt. Wenn es sich um ein echtes Teilchen handelt,
46:12 dann muss es doch an einem Ort sein und nicht an zweien gleichzeitig. Stellen Sie sich vor, die Physiker installieren nun die modernsten und
46:21 empfindlichsten Detektoren direkt an den beiden Schlitzen. Diese Geräte sind darauf ausgelegt, die kleinste Erschütterung oder Veränderung
46:30 im elektromagnetischen Feld zu registrieren, wenn ein Photon vorbeihuscht. Wir wollen dem Photon beim Flunkern zusehen. Wir wollen den Beweis
46:38 erbringen, dass es entweder links oder rechts hindurchgeht. Und tatsächlich, die Technik lässt uns nicht im Stich. Sobald wir die Detektoren einschalten,
46:48 erhalten wir eine klare Antwort. Klick. Das Vorton ist durch den linken Schlitz gegangen. Klick. Das nächste ist durch den rechten Schlitz gewandert.
46:58 Die Ungewissheit scheint besiegt zu sein. Wir wissen nun genau, welchen Pfad jedes einzelne Lichtquant genommen hat. Doch in genau diesem Moment geschieht
47:08 das Unfassbare. Wenn wir nun unseren Blick auf den Schirm hinter den Schlitzen richten, stellen wir fest, dass das wunderschöne
47:16 Interferenzmuster aus abwechselnd hellen und dunklen Streifen vollkommen verschwunden ist. Es ist einfach nicht mehr da.
47:25 Stattdessen sehen wir auf dem Schirm nur noch zwei plumpe helle Flecken direkt hinter den Schlitzen, genauso wie man es von einem Strom gewöhnlicher kleiner
47:34 Kugeln erwarten würde. In dem Augenblick, indem wir herausfinden, welchen Weg das Photon nimmt, hört es auf sich wie eine Welle zu verhalten und
47:44 beginnt sich wie ein klassisches Teilchen zu benehmen. Dies ist einer der geheimnisvollsten Momente der Physik. Man könnte nun vermuten, dass die
47:52 Detektoren das Photon physisch berührt oder abgelenkt haben. Vielleicht haben sie es angestoßen und dadurch seine Wellennatur zerstört. Das wäre eine
48:02 mechanische Erklärung, die wir noch verstehen könnten. Doch die Physiker haben in den letzten Jahrzehnten Experimente von einer unglaublichen
48:10 Raffinesse durchgeführt, um genau das auszuschließen. Sie haben Detektoren verwendet, die so unglaublich sanft und subtil arbeiten,
48:20 dass sie das Photon fast gar nicht beeinflussen. Sie haben sogar Aufbauten entworfen, bei denen die Information über den Weg des
48:28 Photons erst viel später ausgelesen werden könnte oder sogar nur theoretisch zur Verfügungsstünde, ohne dass jemals ein Mensch darauf blickt.
48:38 Das Ergebnis bleibt jedoch absolut unerbittlich. Wenn die Information über den Weg des Photons existiert oder auch nur
48:46 prinzipiell existieren könnte, dann verschwindet die Interferenz. Das Photon scheint zu wissen, dass es beobachtet werden kann.
48:55 Unser Wissen über die Welt scheint die Realität direkt zu beeinflussen. Es ist als ob die Natur uns eine Grenze aufzeigen würde. Entweder wir betrachten
49:04 die Welle und verzichten darauf zu wissen, wo genau das Teilchen ist, oder wir bestimmen den Ort des Teilchens und verlieren damit das Wellenmuster.
49:14 Noch seltsamer wird es, wenn wir uns dem sogenannten Quantenradierer zuwenden. Stellen Sie sich vor, wir markieren den Weg des Photons, so dass wir wissen, wo
49:24 es war. Das Interferenzmuster verschwindet wie erwartet. Doch dann löschen wir diese Information sofort wieder aus, bevor irgendein Beobachter
49:34 sie jemals sehen kann. In dem Moment, indem wir die Information über den Weg unwiderbringlich vernichten, kehrt das Interferenzmuster auf dem Schirm auf
49:45 magische Weise zurück. Die Natur stellt den Zustand der Superposition wieder her, sobald wir aufhören nach der Antwort auf die Frage
49:54 nach dem Weg zu suchen. Dieses Paradoxon wird in der Fachwelt als das Messproblem bezeichnet. Es wirft tiefe philosophische Fragen, auf die bis heute
50:04 nicht endgültig beantwortet sind. Was genau zählt als eine Messung? Muss ein bewusster Beobachter anwesend sein, damit die Wellenfunktion kollabiert oder
50:15 reicht jede physikalische Interaktion mit der Umwelt aus? Die Physiker streiten seit fast 100 Jahren darüber, was hier wirklich geschieht. Eines ist
50:25 jedoch sicher: Das Photon ist kein einfaches Ding, das unabhängig von unserer Beobachtung existiert. Es ist ein Wesen der Möglichkeiten, das erst
50:34 durch unseren Blick in eine feste Form gezwungen wird. Wir haben bisher gesehen, dass die bloße Beobachtung ausreicht, um das Wesen des
50:43 Lichts zu verändern. Doch nun bereiten wir uns auf einen Gedanken vor, der so radikal ist, dass er unser gesamtes Verständnis von
50:53 Vergangenheit und Zukunft in Frage stellt. Wir treten ein in das Reich des sogenannten Experiments der verzögerten Wahl.
51:01 Diese Herausforderung wurde erstmals im Jahr 1978 von dem Physiker John Wheeler formuliert. Seitdem wurde es in
51:10 verschiedenen Formen im Labor durchgeführt und jedes Mal haben die Ergebnisse die Fachwelt in tiefes Staunen versetzt.
51:18 Stellen Sie sich einen Versuchsaufbau vor, bei dem wir Photonen einzeln durch einen Doppelspalt schicken. Doch die entscheidende Entscheidung, ob wir
51:27 messen, welchen Weg das Photon genommen hat, treffen wir nicht vor oder während des Durchgangs durch die Schlitze. Stattdessen warten wir ab, bis das
51:37 Photon die Barriere bereits weit hinter sich gelassen hat. Wir treffen die Wahl also verspätet zu einem Zeitpunkt, an dem das Lichtquant sich eigentlich schon
51:47 längst auf eine einzige Bahn oder auf eine Überlagerung hätte festlegen müssen. In diesem Aufbau beginnt das Foto in seine Reise und fliegt eine sehr
51:56 lange Strecke. Während das Lichtquant noch mitten im Flug ist, hat der Experimentator die Freiheit zu entscheiden. Er kann ein Gerät in den
52:04 Weg stellen. verrät, aus welchem Schlitz das Photon kam oder er kann sich dagegen entscheiden und das Photon unbeobachtet lassen. Der entscheidende Punkt ist,
52:17 dass diese Wahl erst dann getroffen wird, wenn das Photon die Schlitze schon vor langer Zeit passiert hat. Nach den Regeln unseres gesunden
52:26 Menschenverstandes und der klassischen Physik müsste die Geschichte des Photons in dem Moment feststehen, indem es die Schlitze hinter sich lässt. Es müsste
52:37 entweder durch den linken oder durch den rechten Schlitz gegangen sein. Diese Tat gehört bereits der Vergangenheit an und keine spätere Entscheidung sollte in der
52:47 Lage sein, rückwirkend zu ändern. Was bereits geschehen ist, das Vergangene sollte unveränderlich sein. Doch die Experimente zeigen ein völlig
52:57 anderes Bild, das jede Logik sprengt. Wenn der Forscher sich im letzten Moment dazu entschließt, den Detektor für den Weg einzusetzen, verschwindet das
53:07 Interferenzmuster auf dem Schirm sofort. Es ist so, als ob jedes Photon im Nachhinein entschieden hätte, sich wie ein Teilchen zu verhalten und nur einen
53:17 Weg zu nehmen. Wenn der Forscher jedoch darauf verzichtet, erscheint das Wellenmuster wieder ganz deutlich. Es wirkt so, als ob die Wahl in der Zukunft
53:27 die Vergangenheit des Photons bestimmt hätte. Diese Schlussfolgerung ist zutiefst verstörend, da sie suggeriert, dass die Zukunft aktiv auf die
53:37 Vergangenheit einwirken kann. Es widerspricht unserer tiefsten Überzeugung, dass eine Ursache immer ihrer Wirkung
53:45 vorausgehen muss. Die meisten Physiker deuten dieses Ergebnis jedoch nicht als Zeitreise. Sie schlagen stattdessen eine noch seltsamere Idee, vor sie behaupten,
53:55 dass das Photon schlichtweg keine feste Geschichte besitzt, bis es endgültig gemessen wird. Der gesamte Weg des Photons von der
54:03 Quelle bis zum Ziel bleibt in einem Zustand der Unbestimmtheit, bis eine Beobachtung stattfindet. Selbst wenn diese Messung erst erfolgt, nachdem
54:13 das Teilchen fast seine ganze Reise beendet hat, wird seine Geschichte erst in diesem Augenblick fixiert. Die Vergangenheit ist aus dieser Sicht
54:23 genauso unbestimmt wie die Zukunft, bis ein Akt der Beobachtung sie in etwas Konkretes verwandelt. Falls Ihnen dieser Gedanke Unbehagen bereitet, dann wissen
54:34 Sie, dass Sie sich in bester Gesellschaft befinden. Auch Albert Einstein war über diese Vorstellung zutiefst erschüttert. Doch genau dies
54:43 führt uns zu einem noch unheimlicheren Phänomen, das Einstein als spukhafte Fernwirkung bezeichnete. Wir haben bereits gesehen, wie die bloße
54:54 Beobachtung die Vergangenheit eines Photons zu verändern scheint. Doch nun treten wir ein in ein Gebiet, das selbst Albert Einstein an den Rand
55:04 der Verzweiflung brachte. Er nannte es eine spukhafte Fernwirkung. Es handelt sich um das Phänomen der Quantenverschränkung,
55:14 eine Verbindung zwischen Teilchen, die so tief und unmittelbar ist, dass sie unsere gesamte Vorstellung von Raum und Zeit sprengt. Shutterstock stellen Sie
55:24 sich vor. Wir erzeugen zwei Photonen zur gleichen Zeit durch einen ganz speziellen physikalischen Prozess. Diese beiden Photonen sind nun unauflöslich
55:35 miteinander verbunden, was die Physiker als Verschränkung bezeichnen. Das bedeutet, dass ihre Eigenschaften auf eine Weise miteinander korreliert
55:44 sind, die kein einziger Mechanismus der klassischen Welt erklären kann. Diese Verbindung ist stärker als alles, was wir uns in unserer greifbaren
55:55 Realität vorstellen können. Es scheint eine unsichtbare, sofortige Verbindung zwischen ihnen zu existieren. Ganz egal, wie groß die Entfernung ist,
56:06 die sie im Universum voneinander trennt, um dieses Wunder zu verstehen, müssen wir uns eine Eigenschaft des Lichts ansehen, die wir Polarisation nennen.
56:16 Die Polarisation beschreibt die Richtung. in die das elektromagnetische Feld des Photons schwingt. Sie kann vertikal,
56:26 horizontal oder in jedem beliebigen Winkel dazwischen liegen. Bei einem Paar verschränkter Photonen geschieht nun folgendes. Wenn wir die Polarisation des
56:37 einen Photons messen und feststellen, dass sie z.B. vertikal ist, wissen wir mit absoluter Gewissheit und in genau demselben Augenblick, dass die
56:48 Polarisation des anderen Photons horizontal gemessen werden wird, sobald jemand nachsieht. Wenn das eine Diagonal schwingt, wird das andere Antidiagonal
56:59 schwingen. Die Ergebnisse sind immer perfekt und vorhersagbar aufeinander abgestimmt. Doch hier liegt der Kern des Wahnsinns.
57:09 Vor der eigentlichen Messung besitzt keines der beiden Photonen eine feste Polarisation. Jedes von ihnen befindet sich in einem
57:17 Zustand der Überlagerung aller möglichen Richtungen gleichzeitig. Keines hat sich entschieden, ob es vertikal oder horizontal sein will. Erst
57:27 in dem präzisen Moment, indem wir eines der beiden messen, kollabieren beide Photonen gleichzeitig in einen definierten Zustand. Und dieser
57:38 Zusammenbruch der Wellenfunktion geschieht absolut augenblicklich. Nehmen wir an, wir lassen ein Photon in einem Labor auf der Erde und schicken
57:48 seinen verschränkten Zwilling in ein Labor auf dem Planeten Mars. In dem Augenblick, indem der Forscher auf der Erde sein Photon misst und ein Ergebnis
57:58 erhält, nimmt das Photon auf dem Mars sofort die entsprechende korrelierte Eigenschaft an. Obwohl sie Millionen von Kilometern voneinander entfernt sind,
58:09 könnte kein Signal zwischen ihnen mit ausreichender Schnelligkeit gereist sein, um diese Information zu übertragen.
58:16 Diese Korrelation manifestiert sich sofort und verletzt damit unsere tiefste Überzeugung von Lokalität, also der Idee, dass Dinge nur durch direkte
58:26 Einwirkung oder Signale beeinflusst werden können. Die Zeit benötigen. Albert Einstein hasste diese Vorstellung aus tiefstem Herzen. Er verbrachte viele
58:35 Jahre seines Lebens mit dem Argument, dass die Quantenmechanik eine unvollständige Theorie sein müsse. Er war fest davon überzeugt, dass es
58:45 verborgene Variablen geben müsse, die wir noch nicht entdeckt hatten. Seiner Meinung nach mussten die Photonen ihre Polarisation von Anfang an festgelegt
58:55 haben, bereits im Moment ihrer Entstehung. Und die Quantenmechanik sei einfach nur unfähig, diese verborgenen Eigenschaften zu beschreiben. Im Jahr
59:06 1964 entdeckte der Physiker John Bell jedoch etwas Bemerkenswertes. Er bewies mathematisch, dass Einsteins
59:15 Theorie der verborgenen Variablen andere Vorhersagen machen würde als die Quantenmechanik. Er entwarf einen Test, der heute als
59:25 Bells Ungleichungen bekannt ist. Wenn Einstein recht hätte, dürften die Korrelationen zwischen den Photonen bestimmte mathematische Grenzen nicht
59:34 überschreiten. Wenn aber die Quantenmechanik recht hätte, würden diese Grenzen gesprengt werden, als die Experimente schließlich
59:42 durchgeführt wurden. Beginnend mit den revolutionären Arbeiten von Aller Aspect in den 1980er Jahren, wurde die Quantenmechanik in jedem Punkt
59:53 bestätigt. Die Photonen verletzten die Ungleichungen von Bell auf dramatische Weise. Sie besaßen tatsächlich keine festen Eigenschaften, bis sie gemessen
1:00:03 wurden. Einstein hatte sich geirrt. Im Jahr 2022 erhielt Alan Asp zusammen mit John Klauser und Anton Zeilinger den Nobelpreis für Physik für diese
1:00:15 Arbeiten, die die Realität der Quantenverschränkung zweifelsfrei bewiesen haben. Das bedeutet nicht, dass wir Nachrichten schneller als mit
1:00:24 Lichtgeschwindigkeit senden können. Wenn Sie ihr Photon messen, erhalten Sie ein zufälliges Ergebnis, dass Sie nicht kontrollieren können. Man kann keine
1:00:35 Information in purem Zufall codieren. Doch es bedeutet, dass die Realität auf einer fundamentalen Ebene vernetzt ist. Zwei verschränkte Photonen bleiben
1:00:45 verbunden. Egal, wie weit sie reisen, sie teilen sich einen gemeinsamen Quantenzustand. Eine Messung an dem einen beeinflusst
1:00:53 augenblicklich das, was am anderen gemessen wird. Das Universum ist in seinem Innersten viel enger verwen, als unsere klassische Intuition es jemals
1:01:03 für möglich gehalten hätte. Nach all den Reisen durch die Zeit und den Raum, nach all den Experimenten und Paradoxin stehen wir nun vor der einen alles
1:01:15 entscheidenden Frage. Was ist ein Photon wirklich? Wenn wir alles zusammenfassen, was wir bisher gelernt haben, was bleibt dann am Ende übrig? Wir können heute mit
1:01:28 absoluter Sicherheit sagen, was ein Photon nicht ist. Ein Photon ist keine kleine leuchtende Kugel, die mit einer festen Bahn durch die Leere des Alls
1:01:40 schießt. Es ist kein winziges Geschoss, dessen Weg man wie den einer Gewehrkugel vorhersagen könnte. Das Experiment mit
1:01:49 dem Doppelspalt hat uns gelehrt, dass diese Vorstellung falsch ist, denn eine einfache Kugel könnte niemals mit sich selbst interferieren oder jene Muster
1:01:59 erzeugen, die wir mit eigenen Augen auf dem Schirm sehen. Doch ein Photon ist auch keine klassische Welle, wie wir sie von der Meeresoberfläche oder vom Schall
1:02:10 her kennen. Der fotoelektrische Effekt hat uns unmissverständlich bewiesen, das Licht seine Energie nicht gleichmäßig
1:02:18 verteilt, sondern in schlagartigen Punkt genauen Treffern abgibt. Wäre Licht eine klassische Welle, so würde seine Kraft von der Helligkeit abhängen
1:02:30 und nicht von der Farbe. Und die Elektronen würden das Metall nur ganz allmählich und zögerlich verlassen. Die Tatsachen der Natur schließen also
1:02:39 sowohl das Bild der klassischen Teilchen als auch das der klassischen Wellen mit der gleichen Unerbittlichkeit aus. Was bleibt uns also noch? Die moderne Physik
1:02:49 sagt uns, dass das Photon ein Quantenobjekt ist. Es ist eine Entität, welche die alten Kategorien von Welle und Teilchen einfach hinter sich lässt
1:02:59 und sie in etwas völlig Neuem vereint. Wir beschreiben dieses Objekt heute durch eine sogenannte Wellenfunktion. Das ist ein mathematisches Gebilde, das
1:03:11 jedoch keine festen Sicherheiten kennt, sondern lediglich Wahrscheinlichkeiten codiert. Während das Photon durch den Raum reißt,
1:03:20 breitet sich diese Wellenfunktion aus wie eine unsichtbare Wolke der Möglichkeiten. Sie durchdringt beide Schlitze
1:03:27 gleichzeitig. Sie schwingt und interferiert mit sich selbst. und zeigt dabei alle wunderbaren Eigenschaften einer Welle. Doch in dem
1:03:36 Moment, indem das Photon auf einen Detektor trifft oder von einem Auge eingefangen wird, geschieht etwas Dramatisches. Die Wellenfunktion bricht
1:03:46 in einem einzigen Punkt zusammen. In diesem winzigen Augenblick der Messung materialisiert sich das Photon an einem einzigen Ort und offenbart uns
1:03:57 sein Gesicht als Teilchen. Bis zu diesem Moment der Berührung besitzt das Photon jedoch keinen festen Ort im Raum. Es reißt nicht auf einer einzigen klar
1:04:08 definierten Route von der Lampe zu unserem Auge. Stattdessen nimmt es in einem Sinne, der sich jeder bildhaften Vorstellung entzieht. Alle denkbaren
1:04:19 Wege gleichzeitig. Diese Wege überlagern sich und bestimmen am Ende, wo wir das Lichtquant am wahrscheinlichsten finden werden. Alles,
1:04:29 was vor der Messung geschieht, ist nichts weiter als eine flüchtige Wolke aus purer Wahrscheinlichkeit. Das ist zutiefst verstörend für unseren
1:04:39 Verstand. Wir sind es gewohnt zu glauben, dass Dinge feste Eigenschaften besitzen, ganz egal, ob wir sie gerade ansehen oder
1:04:50 nicht. Ein Stein, der einsam auf einem Feld liegt, hat für uns eine feste Position, selbst wenn kein Mensch weit und breit
1:05:00 ist, um ihn zu beobachten. Der Stein breitet sich nicht in einer Wolke aus Möglichkeiten aus und er lokalisiert sich auch nicht erst dann,
1:05:10 wenn wir unseren Blick auf ihn richten. Unsere gesamte Alltagserfahrung sagt uns, dass die Welt da draußen unabhängig von uns existiert. Doch die Welt der
1:05:21 Photonen, der Elektronen und der Atome folgt anderen Gesetzen. Ihre Eigenschaften sind tatsächlich unbestimmt, bis ein Akt der Messung sie
1:05:32 überhaupt erst in die Existenz ruft. Das ist die wohl radikalste Erkenntnis der Quantenwelt. Eine Messung enthüllt nicht einfach eine
1:05:41 Eigenschaft, die schon vorher da war. Sie erschafft diese Eigenschaft erst. Vor der Messung existiert diese Eigenschaft in keiner festen Form.
1:05:52 Manche Physiker haben gelernt, mit diesem Bild zu leben. Sie akzeptieren, dass unsere Intuition einfach nur für das Überleben im Wald und in der Steppe
1:06:03 gemacht ist, wo wir Raubtiere jagen und Früchte sammeln mussten. Wir haben uns nie dazu entwickelt, uns Phänomene vorzustellen, die sich auf der
1:06:13 Ebene der Atome abspielen. Die Quantenrealität ist einfach anders und wir müssen unsere Intuition erweitern. Statt zu verlangen,
1:06:24 dass das Universum sich nach unseren begrenzten Vorstellungen richtet. Andere Forscher finden diesen Gedanken bis heute unerträglich.
1:06:34 Sie suchen nach Erklärungen, die den Sinn für eine tieferliegende Realität bewahren können. Doch egal, welche Theorie bevorzugen,
1:06:45 das Photon bleibt das Symbol für den Moment, in dem die Menschheit erkennen musste, dass der Vorhang der Wirklichkeit viel tiefer liegt, als wir
1:06:55 jemals geahnt haben. Das Photon ist der Bote einer Welt, in der alles mit allem verbunden ist und in der die bloße Aufmerksamkeit eines Beobachters das
1:07:06 Schicksal der Materie entscheiden kann. Während sich viele Physiker damit abgefunden haben, dass die Quantenmechanik einfach so funktioniert,
1:07:16 wie sie ist, bleibt für andere das Unbehagen bestehen. Sie empfinden die Vorstellung, dass Eigenschaften erst durch eine Messung
1:07:24 entstehen als zutiefst unbefriedigend. Für jene Geister, die nach einer tieferen, greifbaren Realität dürsten, gibt es
1:07:36 Erklärungsmodelle, die noch weitaus fantastischer klingen als der bloße Zufall. Eines der berühmtesten Modelle wurde in den 1950er
1:07:45 Jahren von H. Ever entwickelt und ist heute als die viele Welten Interpretation bekannt. Ever vertrat die radikale Ansicht, dass die
1:07:57 Wellenfunktion eines Photons in Wahrheit niemals zusammenbricht. Anstatt dass sich die Natur im Moment der Messung für eine einzige Möglichkeit entscheidet und
1:08:07 alle anderen vernichtet, schlägt er vor, dass das Universum sich aufspaltet. Jedes Mal, wenn eine Quantenentscheidung ansteht, teilt sich die gesamte
1:08:18 Wirklichkeit in mehrere Zweige auf, die jeweils einem der möglichen Ergebnisse entsprechen. In einem Zweig der Realität ist das
1:08:28 Photon durch den linken Schlitz geflogen, während es in einem anderen Zweig durch den rechten Schlitz gewandert ist. Beide Ereignisse finden
1:08:37 tatsächlich statt, aber in vollkommen getrennten Universen, die fortan nicht mehr miteinander interagieren können. Unsere eigene Erfahrung ist dabei auf
1:08:47 eine einzige dieser Abzweigungen begrenzt, weshalb wir stets nur einen einzigen Ausgang der Geschichte wahrnehmen. Doch im unermesslichen
1:08:55 Multiversum materialisieren sich sämtliche denkbaren Möglichkeiten irgendwo. Dieser Gedanke ist schwindelerregend.
1:09:04 Er bedeutet, dass jede Bewegung eines Photons unzählige neue Welten gebiert. Doch es gibt noch einen anderen Weg, der versucht, die Ordnung und die
1:09:15 Vorhersehbarkeit zurück in die Physik zu holen. Diese Theorie wird als Pilotwellen, Theorie oder bomische Mechanik bezeichnet, benannt nach dem
1:09:25 Physiker David Boom. Unter diesem Paradigma besitzen die Teilchen tatsächlich zu jedem Zeitpunkt eine ganz genau definierte Position im
1:09:34 Raum. Ein Photon ist hier kein Geistwesen, das erst durch einen Blick real wird. Es ist wirklich da und es nimmt einen ganz konkreten Weg durch
1:09:45 einen der beiden Schlitze. Was aber das Wellenmuster erzeugt, ist eine unsichtbare Führungswelle, die das Teilchen wie ein unsichtbarer Strom
1:09:55 leitet. Während das Photon nur durch eine Öffnung fliegt, breitet sich diese Führungswelle gleichzeitig durch beide Schlitze aus und erzeugt dahinter das
1:10:05 komplexe Interferenzmuster. Das Teilchen wird von dieser Welle sanft von bestimmten Regionen weggedrückt und zu anderen hingelenkt.
1:10:15 So entsteht das Bild einer Welle, obwohl das Teilchen stets ein Teilchen bleibt. Das erstaunliche an diesen alternativen Deutungen ist, dass sie für jedes
1:10:27 Experiment, das wir heute im Labor durchführen können, exakt dieselben Vorhersagen treffen wie die Standardquantenmechanik.
1:10:35 Wissenschaftlich gesehen sind Sie mit unserer gegenwärtigen Technologie nicht voneinander zu unterscheiden. Ihre wahre Bedeutung liegt viel mehr in dem
1:10:44 philosophischen Trost, den Sie uns bieten. Sie sind der Versuch des menschlichen Geistes, sich ein Bild der Welt zu machen, das wir akzeptieren
1:10:54 können, ohne den Verstand zu verlieren. Doch dass Physiker fast 100 Jahre nach der Geburtsstunde dieser Theorien noch immer so leidenschaftlich darüber
1:11:05 streiten, zeigt uns, wie tief das Rätsel des Photons wirklich verwurzelt ist. Eines bleibt unumstößlich. Das Photon lässt sich nicht in die engen
1:11:16 Käfige unseres alten Denkens sperren. Es ist weder eine einfache Welle noch ein einfaches Teilchen. Es ist ein Quantenobjekt,
1:11:25 das beide Kategorien weit hinter sich lässt. Wenn wir versuchen, es nur als das eine oder das andere zu sehen, landen wir
1:11:34 unweigerlich in Sackgassen und Widersprüchen. Diese Dualität ist kein Fehler in unseren Instrumenten, sondern ein
1:11:42 fundamentales Gesetz der Natur, das für alle Bausteine unserer Welt gilt. Wir haben uns bisher intensiv mit dem Photon beschäftigt, diesem rätselhaften Boote
1:11:53 des Lichts, der sich weigert, in eine einzige Kategorie zu passen. Doch die wohl erschütternste Erkenntnis der modernen Physik ist, dass diese seltsame
1:12:04 Dualität zwischen Welle und Teilchen keineswegs nur dem Licht vorbehalten ist. Sie ist eine fundamentale Eigenschaft von allem. Was existiert?
1:12:16 Jedes Teilchen, das wir als feste Materie betrachten, trägt ein unsichtbares Wellengesicht in sich. Diese Erkenntnis verdanken wir einem
1:12:24 französischen Aristokraten und Physiker namens Louis de Brolle. Im Jahr 1923 formulierte er eine Hypothese, die so kühn war, dass sie zunächst auf
1:12:37 große Skepsis stieß. Debroli drehte die Logik von Albert Einstein einfach um, wenn Lichtwellen sich wie Teilchen verhalten können, warum sollten sich
1:12:47 dann Teilchen wie Elektronen oder Protonen nicht auch wie Wellen verhalten? Er schlug vor, dass jedes materielle
1:12:55 Objekt eine Wellenlänge besitzt, die untrennbar mit seiner Bewegung verknüpft ist. Nach seiner Theorie ist die Wellenlänge eines Objekts umgekehrt
1:13:04 proportional zu seinem Impuls. Das bedeutet, dass schwere Objekte, die sich schnell bewegen, eine extrem kurze Wellenlänge besitzen.
1:13:16 Diese Wellenlängen sind so winzig, dass sie für unsere Messinstrumente im Alltag vollkommen unauffindbar bleiben. Ein Tennisball oder ein Mensch besitzt zwar
1:13:26 eine Wellenlänge, aber sie ist so unvorstellbar klein, dass wir niemals Interferenzmuster sehen würden, wenn wir durch eine Tür gehen. Doch bei leichten
1:13:37 Teilchen wie Elektronen sieht die Sache völlig anders aus. Ihre Masse ist so gering, dass ihre Wellenlänge groß genug wird, um in
1:13:47 Experimenten sichtbar zu werden. Die Bestätigung dieser fast unglaublichen Vorhersage ließ nicht lange auf sich warten. Im Jahr 1927
1:13:57 führten Clinton Davidon und Lester Germer ein Experiment durch, bei dem sie Elektronen auf die Oberfläche eines Kristalls feuerten. Was sie
1:14:07 beobachteten, war eine Sensation. Die Elektronen prallten nicht einfach wie kleine Kugeln ab. Stattdessen bildeten sie ein Muster aus
1:14:16 Interferenzstreifen, genau wie Lichtwellen es tun würden, wenn sie an den regelmäßigen Strukturen der Atome im Kristall gebeugt werden.
1:14:26 Dies war der endgültige Beweis dafür, dass die Materie selbst aus Wellen besteht. Diese Entdeckung blieb nicht nur eine theoretische Spielerei, sie
1:14:37 veränderte die Art und Weise, wie wir die Welt betrachten. Auf ganz praktische Weise. Da Elektronen eine viel kürzere Wellenlänge besitzen können als
1:14:47 sichtbares Licht, erlauben sie uns Dinge zu sehen, die für herkömmliche Mikroskope für immer verborgen blieben. Die Erfindung des Elektronenmikroskops
1:14:57 basiert direkt auf der Wellennatur der Materie. Mit diesen Geräten können wir heute einzelne Atome und die feinsten
1:15:05 Strukturen des Lebens mit einer Präzision abbilden, die weit über das hinausgeht, was wir mit Licht jemals erreichen könnten. Dennoch nehmen die
1:15:15 Photonen in dieser Geschichte einen besonderen Platz ein. Sie waren die ersten Boten aus dieser fremdartigen Quantenwelt, die uns
1:15:24 zwangen, unsere alten Vorurteile über den Haufen zu werfen. Weil Licht so leicht zu erzeugen, zu manipulieren und zu messen ist, bleiben Photonen bis
1:15:36 heute das ideale Werkzeug, um die tiefsten Rätsel der Natur zu erforschen. Die meisten Experimente, welche die wahre Seltsamkeit der Quantenmechanik
1:15:46 enthüllt haben, wurden mit Licht durchgeführt. Wir müssen uns der Tatsache stellen, dass die Welt in ihrem Kern nicht aus
1:15:54 festen Dingen besteht, sondern aus einem Tanz von Wellen, die sich erst dann zu Teilchen verfestigen. Wenn wir sie beobachten, das Photon ist
1:16:05 der Anführer dieses Tanzes. zeigt uns, dass die Grenzen zwischen Energie und Materie, zwischen Welle und Teilchen fließend sind.
1:16:16 Wir haben eine weite Reise hinter uns. Wir sind von den staubigen Straßen des antiken Griechenlands bis in die tiefsten Abgründe der Quantenmechanik
1:16:25 gereist, wo die Zeit stillsteht und Teilchen an zwei Orten gleichzeitig existieren. Es wäre jedoch ein gewaltiger Irrtum zu
1:16:33 glauben, dass all diese Seltsamkeiten nur in den hochreinen Laboratorien der Universitäten existieren oder nur für die theoretische Physik von Bedeutung
1:16:43 sind. In Wahrheit ist die Quantennatur des Photons der unsichtbare Motor, der unsere gesamte moderne Zivilisation antreibt. Ohne unser Verständnis für
1:16:54 diese winzigen Lichtquanten säer ihr Alltag heute vollkommen anders aus. Nehmen wir das wohl bekannteste Beispiel für angewandte Quantenphysik, den Laser.
1:17:05 Das Wort selbst ist heute so alltäglich geworden, dass wir kaum noch an seine Bedeutung denken. Doch hinter jedem Laserstrahl, ob er nun im Supermarkt
1:17:15 einen Barcode scannt, in einer Fabrik zentimeter dicken Stahl schneidet oder in einem Krankenhaus eine empfindliche Netzhaut operiert, verbirgt sich ein
1:17:26 tiefes quantenmechanisches Prinzip. Ein Laser ist nicht einfach nur eine sehr helle Taschenlampe. Das Licht einer gewöhnlichen Glühbirne
1:17:35 oder einer Kerze ist chaotisch. Die Photonen fliegen in alle möglichen Richtungen und schwingen völlig ungeordnet durcheinander. Ein Laser
1:17:44 hingegen erzeugt Licht, das wir als kohent bezeichnen. Das bedeutet, dass sich alle Photonen in exakt demselben Quantenzustand befinden. Sie schwingen
1:17:56 im perfekten Gleichklang. wie eine riesige Armee, die im exakten Gleichschritt marschiert. Dieses Phänomen basiert auf einem Prozess, den
1:18:06 Albert Einstein bereits im Jahr 1917 vorhergesagt hatte, die stimulierte Emission. Wenn ein Photon auf ein Atom trifft, das sich bereits in einem
1:18:15 angeregten Zustand befindet, kann es dieses Atom dazu zwingen, seine Energie ebenfalls als Photon abzugeben. Das neue Photon ist eine exakte Kopie
1:18:27 des ersten. Es hat dieselbe Farbe, dieselbe Richtung und schwingt in derselben Phase. entsteht eine Kaskade aus identischen
1:18:36 Lichtquanten, die eine enorme Kraft und Präzision entfalten können. Getty Images. Doch die Macht der Photonen geht weit
1:18:46 über das Schneiden von Metall hinaus. Jedes Mal, wenn Sie zum Hörer greifen, eine Webseite laden oder diesen Film streamen. Verlassen Sie sich auf die
1:18:57 Quantennatur des Lichts. Unsere gesamte globale Kommunikation basiert heute auf der Glasfasertechnologie. In diesen hauchdünnen Fäden aus reinstem
1:19:07 Glas werden Informationen nicht durch elektrische Impulse, sondern durch Milliarden von Photonenblitzen transportiert. Da Photonen keine Masse
1:19:16 besitzen und sich mit der maximalen Geschwindigkeit des Universums bewegen, können Sie gigantische Datenmengen fast ohne Verzögerung um den gesamten Erdball
1:19:26 tragen. Es ist die atemlose Reise der zeitlosen Boten, die unser digitales Zeitalter erst ermöglicht hat. Während wir uns in die Zukunft bewegen,
1:19:37 wird die Rolle des Photons noch entscheidender. Wir stehen an der Schwelle zur Quantenkryptografie.
1:19:44 Dies ist eine Form der Verschlüsselung, die nicht auf komplizierten Rechenaufgaben basiert, die irgendwann von einem Supercomputer gelöst werden
1:19:52 könnten, sondern auf den unumstößlichen Gesetzen der Physik. Hier nutzen wir die Tatsache, dass eine Messung ein Quantensystem unweigerlich verändert.
1:20:03 Wenn wir Informationen mit einzelnen Photonen verschlüsseln, würde jeder Versuch eines Spions, diese Photonen abzufangen und zu beobachten, ihren
1:20:14 Zustand sofort verändern. Der rechtmäßige Empfänger würde diesen Eingriff sofort bemerken. Die Gesetze der Natur garantieren hier eine
1:20:23 Sicherheit, die durch keinen menschlichen Code jemals gebrochen werden kann. Und schließlich ist da noch der heilige Gral der Informatik der
1:20:31 Quantencomputer. Ein klassischer Computer arbeitet mit Bits, die entweder 0 oder eins sein können. Ein Quantencomputer hingegen
1:20:41 nutzt Photonen oder andere Teilchen als sogenannte Cubits. Aufgrund der Superposition kann ein Cubit gleichzeitig 0 und 1 sein. Wenn
1:20:52 man viele dieser Teilchen miteinander verschränkt, können Sie unvorstellbar viele Rechenwege zur gleichen Zeit erkunden.
1:21:00 Probleme, für die ein heutiger Supercomputer Jahrtausende bräuchte, könnten von einem Quantencomputer in wenigen Sekunden gelöst werden.
1:21:10 Photonen sind hierbei die idealen Kandidaten für die Hardware der Zukunft, da sie ihre Quantenzustände über lange Zeiträume stabil halten können und sich
1:21:19 durch Glasfasern leicht transportieren lassen. All diese Technologien zeigen uns, dass das Photon nicht nur ein philosophisches Rätsel ist, es ist ein
1:21:29 Werkzeug von unermesslicher Kraft. Die Seltsamkeit der Quantenwelt ist das Fundament, auf dem unser modernes Leben steht. Jedes Mal, wenn Sie in das
1:21:40 Display ihres Smartphones blicken, blicken Sie auf das Ergebnis einer jahrhundertelangen Suche nach der Wahrheit über das Licht.
1:21:48 Wir haben bisher gesehen, wie das Photon unsere moderne Technologie antreibt und wie es die Gesetze von Raum und Zeit auf den Kopf stellt. Doch nun verlassen wir
1:21:59 die Erde und unsere künstlichen Apparaturen, um unseren Blick weit hinaus in die unendliche Schwärze des Kosmos zu
1:22:07 richten. Wir treten ein in das Feld der Kosmologie, wo das Photon nicht mehr nur ein Werkzeug ist, sondern zum wichtigsten Chronisten der gesamten
1:22:17 Schöpfungsgeschichte wird. Das Licht, das uns aus den Tiefen des Alls erreicht, ist in Wahrheit eine Zeitmaschine, da Licht eine endliche
1:22:28 Geschwindigkeit besitzt. sehen wir die Sterne niemals so, wie sie in diesem Moment sind, sondern so, wie sie vor Jahren, Jahrhunderten oder
1:22:41 Jahrtausenden waren. Doch es gibt ein Licht, das noch viel älter ist als jeder Stern, den wir am Firmament erblicken können.
1:22:52 ist ein Licht, das eine Geschichte erzählt, die fast 13 Milliarden 800 Millionen Jahre in die Vergangenheit zurückreicht. Um diese Geschichte zu
1:23:02 verstehen, müssen wir uns in eine Era zurückversetzen, in der es noch keine Galaxien, keine Sonnen und keine Planeten gab.
1:23:11 Kurz nach dem Urknall war das Universum ein unvorstellbar heißer und dichter Ort. Es war gefüllt mit einem glühenden Plasma aus Protonen, Elektronen und
1:23:21 hochenergetischen Photonen. In diesem frühen Stadium war das Universum vollkommen undurchsichtig, vergleichbar mit einem dichten,
1:23:31 glühenden Nebel. Die Photonen konnten sich nicht frei bewegen, da sie ständig mit den freien Elektronen kollidierten und in alle Richtungen gestreut wurden.
1:23:41 Das Licht war gefangen in einem ewigen Tanz der Instabilität. Es gab keine Sichtweite, keinen Horizont, nur ein gleißendes,
1:23:51 undurchdringliches Chaos aus Energie und Materie. Doch das Universum dehnte sich aus und kühlte dabei langsam ab. Nach etwa 380.000 Jahren erreichte der Kosmos
1:24:03 einen entscheidenden Wendepunkt, den die Wissenschaftler als die Rekombination bezeichnen. Die Temperatur war nun soweit gesunken auf etwa 3000 Kelvin,
1:24:15 dass die Protonen und Elektronen sich zu stabilen neutralen Wasserstoffatomen verbinden konnten. In diesem magischen Moment geschah etwas Wunderbares,
1:24:26 da es plötzlich kaum noch freie Elektronen gab, die den Photonen im Weg standen, wurde das Universum schlagartig transparent.
1:24:36 Das Licht wurde befreit. Die Photonen traten ihre Reise durch den nun leeren Raum an. Eine Reise, die für viele von ihnen erst heute in unseren Teleskopen
1:24:48 ihr Ende findet. Dieses allererste Licht des Universums nennen wir heute die kosmische Hintergrundstrahlung.
1:24:56 Es ist das älteste Leuchten, das wir jemals beobachten können. Eine echte Reliquie aus der Zeit, als das Weltall gerade erst seine Augen öffnete.
1:25:07 Zum Zeitpunkt seiner Entstehung war dieses Licht strahlend hell und heiß, vergleichbar mit dem rötlichen Glühen eines kühlen Sterns. Doch während diese
1:25:17 Photonen fast 13 Milliarden 800 Millionen Jahre lang durch den Raum reißten, geschah etwas mit dem Universum selbst.
1:25:27 Der Raum zwischen den Galaxien dehnte sich unaufhörlich aus. Man kann sich das wie ein Gummiband vorstellen, das in die Länge gezogen wird.
1:25:37 Diese Ausdehnung des Raumes hatte eine direkte Auswirkung auf die Photonen, die durch ihnen hindurchflogen. Ihre Wellenlänge wurde buchstäblich in die
1:25:46 Länge gestreckt. Ein Phänomen, das wir als kosmologische Rotverschiebung bezeichnen, was einst sichtbares
1:25:57 warmes Licht war, wurde über die Eonen hinweg immer langweiliger und energieärmer. Heute ist dieses Licht so weit gedehnt,
1:26:07 dass es für unsere Augen unsichtbar geworden ist. Es ist nun eine schwache Mikrowellenstrahlung,
1:26:14 die den gesamten Himmel gleichmäßig erfüllt. Die ursprüngliche Temperatur von 3000° ist auf nur noch etwa 2,7° über dem absoluten Nullpunkt abgesunken.
1:26:26 Doch hier kehren wir zu der erstaunlichen Wahrheit zurück, die wir in den vorangegangenen Kapiteln über die Relativitätstheorie gelernt haben.
1:26:35 Obwohl diese Photonen seit fast 14 Milliarden Jahren unterwegs sind, hat für sie selbst nicht ein einziger Augenblick der Zeit vergangen. In ihrem
1:26:43 eigenen Bezugssystem sind der Moment ihrer Aussendung im glühenden Plasma des Urknalls und der Moment ihres Aufschlags in einer Satellitenschüssel auf der Erde
1:26:53 exakt derselbe Augenblick. Diese Photonen sind zeitlose Boten einer längst vergangenen Epoche. Sie tragen die Informationen über die Struktur des
1:27:03 frühen Universums in sich, vollkommen unverfälscht und frisch wie am ersten Tag. Sie wissen nicht, dass sie eine Ewigkeit durchquert haben. Sie wissen
1:27:16 nicht, dass das Universum um sie herum gewachsen ist und sich verändert hat. Für uns Menschen sind diese Photonen das kostbarste Geschenk der Natur. Durch die
1:27:26 Vermessung dieser winzigen Mikrowellen können wir die Zusammensetzung des Universums bestimmen. Wir können sehen, wie viel dunkle
1:27:35 Materie und dunkle Energie existiert und wir können die kleinsten Unregelmäßigkeiten im frühen Plasma ausmachen, aus denen später die
1:27:44 gewaltigen Galaxienhaufen entstanden sind. Jedes Mal, wenn ein Radioteleskop dieses Rauschen auffängt, berühren wir die Grenze der Zeit. Wir blicken dem
1:27:54 Urknall direkt ins Gesicht. Das Photon, das masselose und zeitlose Wesen, ist die Brücke, die uns mit dem absoluten Ursprung von allem verbindet, was wir
1:28:07 kennen. Es zeigt uns, dass das Universum eine Geschichte hat und dass wir Teil eines unvorstellbar großen und alten ganzen sind.
1:28:17 Bisher haben wir das Photon als einen Wanderer zwischen den Welten kennengelernt, der sich den Gesetzen der Zeit entzieht und die Grenzen der
1:28:25 Materie sprengt. Wir haben gesehen, wie die Elektrodynamik die Interaktion von Licht und Ladung mit einer Präzision erklärt, die fast an ein Wunder grenzt.
1:28:37 Doch nun müssen wir uns einer Kraft zuwenden, die so allgegenwärtig und doch so rätselhaft ist, dass sie selbst das masselose Licht in ihre Schranken weist,
1:28:48 die Gravitation. Hier betreten wir das Territorium von Albert Einsteins absolutem Meisterwerk, der allgemeinen Relativitätstheorie,
1:28:57 die er im Jahr 1915 vollendete. In dieser Theorie beschrieb Einstein die Schwerkraft nicht länger als eine unsichtbare Kraft. die wie an
1:29:08 unsichtbaren Fäden an den Dingen zieht. Stattdessen offenbarte er uns eine Wahrheit von atemberaubender Schönheit. Die Schwerkraft ist die Geometrie des
1:29:19 Universums selbst. Massive Objekte wie Sterne und Galaxien krümmen das Gewebe der Raumzeit um sich herum, vergleichbar mit einer schweren
1:29:29 Kugel, die man auf ein weich gespanntes Tuch legt. Andere Objekte folgen dann einfach den Kurven dieser verformten Geometrie,
1:29:38 was wir als die Anziehungskraft der Schwerkraft wahrnehmen. Planeten umkreisen die Sonnen nicht, weil geheimnisvolle Kräfte sie nach innen
1:29:47 ziehen, sondern weil sie den geradestmöglichen Faden durch einen Raum folgen, den die Masse der Sonne verbogen hat. Und hier begegnen wir einer der
1:29:56 faszinierendsten Eigenschaften der Photonen. Obwohl sie keine Masse besitzen, sind sie dennoch gezwungen, diesen gekrümmten Pfaden zu folgen.
1:30:07 Licht krümmt sich in der Nähe von massereichen Objekten wie Sternen und Galaxien. Diese Vorhersage war so revolutionär,
1:30:17 daß sie im Jahr 1919 während einer totalen Sonnenfinsternis zum ersten Mal überprüft wurde. Die Astronomen beobachteten, wie die Masse
1:30:28 der Sonne das Licht weit entfernter Sterne ablenkte, während diese am Rand der Sonnenscheibe vorbeizogen. Die Sterne schienen ihre Position am
1:30:38 Himmel leicht zu verändern, genau wie Einstein es berechnet hatte. Dieser Erfolg machte ihn über Nacht zum weltberühmten Genie. Heute ist dieses
1:30:48 Phänomen als Gravitationslinseneffekt bekannt und stellt eines der mächtigsten Werkzeuge der modernen Astronomie dar. Gigantische Galaxienhaufen wirken wie
1:30:58 kosmische Lupen. Sie krümmen die Bahnen des Lichts von noch ferneren Galaxien, die direkt hinter ihnen liegen. Dieser Effekt erzeugt manchmal mehrere Bilder
1:31:09 desselben Objekts oder verformt das Licht zu leuchtenden Bögen und Ringen. Die Krümmung der Raumzeit beeinflusst die Photonen auf genau dieselbe Weise
1:31:19 wie alles andere im Universum. Doch genau hier stoßen wir auf die größte Krise der modernen Physik. Wir besitzen bisher keine vollständige
1:31:28 Theorie der Quantengravitation. Wir wissen schlichtweg nicht, wie wir die Schwerkraft und die Raumzeit auf der winzigen Ebene der Quanten beschreiben
1:31:36 sollen. Die allgemeine Relativitätstheorie sieht die Schwerkraft als eine vollkommen glatte und kontinuierliche Geometrie.
1:31:45 Im Gegensatz dazu lehrt uns die Quantenmechanik, dass die Realität im Fundament körnig und aus einzelnen diskreten Paketen aufgebaut ist. Diese
1:31:55 beiden Weltbilder miteinander in Einklang zu bringen, ist die gewaltigste Herausforderung, vor der die Wissenschaft heute steht.
1:32:05 Wenn es uns eines Tages gelingt, dieses Rätsel zu lösen, könnte sich unser Verständnis des Photons noch einmal radikal wandeln. Die eigentliche
1:32:15 Struktur des Raumes und der Zeit könnte ganz anders sein, als wir es heute vermuten. Und die Photonen könnten als Sonden dieser verborgenen Struktur
1:32:25 Eigenschaften offenbaren, die wir uns jetzt noch gar nicht vorstellen können. Doch im Moment bleibt uns nur die Bewunderung für dieses masselose Wesen,
1:32:36 dass uns die Krümmung des Kosmos verrätt und uns zeigt, dass das Licht und der Raum untrennbar miteinander verwoben sind. Das Photon bewohnt die Grenze
1:32:47 aller Dinge. Es ist Teilchen und Welle. Es ist zeitlos und doch in ständiger Bewegung. Es ist masselos und wird dennoch von der Schwerkraft geleitet.
1:32:57 Wir haben die weiten Reisen der Photonen durch den Kosmos verfolgt und ihre seltsamen Tänze an den Grenzen von Raum und Zeit beobachtet. Doch nun ist es an
1:33:07 der Zeit, all diese Puzzletteile zusammenzusetzen, um zu verstehen, was ein Photon auf seiner allertiefsten Ebene wirklich ist.
1:33:18 Dies führt uns in ein Reich, das so präzise und gleichzeitig, so unvorstellbar komplex ist, dass es oft als die Krone der menschlichen
1:33:27 Wissenschaft bezeichnet wird, die Quantenelektrodynamik. Kurz Q D. Wenn wir die Schichten der Wirklichkeit
1:33:36 abtragen, finden wir das Photon nicht nur als Boten des Lichts, sondern als den eigentlichen Portier, der das gesamte Universum im Innersten
1:33:45 zusammenhält, stellen Sie sich die Quantenelektrodynamik nicht als eine trockene mathematische Formel vor, sondern als ein gewaltiges,
1:33:54 unsichtbares Gebilde von einer Schönheit und Genauigkeit, die fast den Verstand übersteigt. Diese Theorie wurde in den späten 1940er
1:34:04 Jahren von drei genialen Köpfen unabhängig voneinander entwickelt. Richard Feineman, Julian Schwinger und Shiniichiro Tomonaga.
1:34:15 Für diese monumentale Leistung erhielten sie im Jahr 1965 gemeinsam den Nobelpreis für Physik. Was sie erschufen, war nichts geringeres als
1:34:25 eine Sprache, mit der wir die Interaktion zwischen Licht und Materie auf der allerkleinsten Ebene beschreiben können. Die Genauigkeit dieser Theorie
1:34:35 ist so atemberaubend, dass sie jede andere wissenschaftliche Disziplin in den Schatten stellt. Die Vorhersagen der QED stimmen mit den
1:34:45 tatsächlichen Experimenten bis auf einen winzigen Bruchteil eines Billonstels überein, um Ihnen ein Bild von dieser Präzision
1:34:54 zu geben. Wenn man die Entfernung zwischen New York und Los Angeles mit dieser Genauigkeit messen würde, wäre die Abweichung geringer als die Dicke
1:35:04 eines einzigen menschlichen Haares. Es ist der absolute Triumph des menschlichen Geistes über die Geheimnisse der Natur.
1:35:12 In diesem präzisen Rahmen übernimmt das Photon eine Rolle, die weit über das hinausgeht, was wir bisher besprochen haben. Das Photon ist der Portier der
1:35:24 elektromagnetischen Kraft. Das bedeutet, dass jede einzelne Interaktion zwischen elektrisch geladenen Teilchen in Wahrheit ein Austausch von Photonen ist.
1:35:36 Wenn zwei Elektronen sich gegenseitig abstoßen, dann tun sie das nicht durch eine magische Fernwirkung, sondern weil sie unaufhörlich Photonen zwischen sich
1:35:45 hin und her schießen. Ein Elektron sendet ein Photon aus, das andere absorbiert es und der dabei übertragene Impuls treibt sie
1:35:55 auseinander. selbst die Kraft, die ein Elektron an einen Atomkern bindet und somit erst die Existenz von Atomen und chemischen
1:36:05 Reaktionen ermöglicht, wird durch diesen ständigen Austausch von Photonen vermittelt. Doch hier offenbart uns die Quantenwelt ein weiteres, tiefes
1:36:15 Geheimnis. Die Photonen, die diese Kräfte zwischen den Teilchen übertragen, sind nicht genau dieselben wie die, die wir mit unseren Augen sehen. Wir nennen
1:36:27 diese Kraftüberträger virtuelle Photonen, während reale Photonen wie jene von der Sonne eine eigenständige Existenz
1:36:37 besitzen und Milliarden von Jahren durch das All reisen können, führen virtuelle Photonen, ein schattenhaftes Dasein von unvorstellbarer Kürze. Sie entstehen aus
1:36:50 dem Nichts, übertragen eine Kraft und verschwinden augenblicklich wieder. noch bevor sie jemals direkt beobachtet werden könnten.
1:37:01 Ihre Existenz ist so flüchtig, dass sie durch die Heisenbergsche Unschärfe Relation geschützt ist, was bedeutet, dass sie sich innerhalb der Messgrenzen
1:37:11 der Natur verbergen, um diese komplexen Vorgänge zu visualisieren und zu berechnen, erfand Richard Feineman eine Methode, die heute als Feineman
1:37:22 Diagramme weltberühmt ist. In diesen Zeichnungen werden Elektronen als Geradelinien und Photonen als Wellenlinien dargestellt. Doch lassen
1:37:31 sie sich nicht von der Einfachheit dieser Bilder täuschen. Hinter jeder Linie verbirgt sich eine Welt von unendlicher Komplexität.
1:37:39 Ein Photon kann sich auf seinem Weg kurzzeitig in ein Paar aus einem Elektron und einem Positron verwandeln, die sich dann sofort wieder vernichten,
1:37:48 um erneut zum Photon zu werden. Es gibt eine unendliche Anzahl solcher Möglichkeiten und die Physiker müssen tausende dieser Diagramme auswerten, um
1:37:58 zu den präzisen Ergebnissen zu gelangen, die wir heute so bewundern. Diese unendliche Vielfalt an Interaktionen führt uns zu der
1:38:08 Erkenntnis, dass das Photon nicht nur ein Teilchen des Lichts ist, sondern das fundamentale Bindeglied der gesamten Welt, wie wir sie kennen. Ohne das
1:38:19 Photon gäbe es keine Elektrizität, keinen Magnetismus und keine festen Körper. Es ist die Kraft, die alles zusammenhält
1:38:29 vom winzigsten Atom bis hin zu den gewaltigen Strukturen der Galaxien. Wenn wir das Photon verstehen, verstehen wir die Sprache, in der das Universum seine
1:38:39 physikalischen Gesetze schreibt. Wir blicken auf ein Wesen, das masselos ist und dennoch die stärksten Verbindungen schafft. Es ist ein Quant des Feldes,
1:38:51 das den gesamten Raum erfüllt und jede Interaktion mit einer Präzision steuert, die uns demütig werden lässt. Wir sind umgeben von einem Meer aus
1:39:00 virtuellen Photonen, die in jeder Millisekunde unseres Lebens die Stabilität unserer Welt garantieren, ohne dass wir es jemals direkt spüren
1:39:10 könnten. Wir stehen nun vor einer der tiefsten und folgenreichsten Fragen der gesamten Naturwissenschaft.
1:39:18 Warum ist das Photon so? Wie es ist? Warum besitzt es im Gegensatz zu fast allen anderen Bausteinen unserer Welt absolut keine Masse.
1:39:30 Diese Eigenschaft ist nicht nur eine Randnotiz der Physik, sondern sie ist das Fundament dafür, dass wir überhaupt existieren und dass das Universum für
1:39:40 uns sichtbar ist. In diesem Abschnitt werden wir tief in das Gefüge der Quantenfeldtheorie eintauchen, um zu verstehen, warum die Masselosigkeit des
1:39:50 Photons die Unendlichkeit des Raumes erst ermöglicht. In der klassischen Welt unserer Alltagserfahrung scheint Masse etwas
1:39:59 Festes und unverrückbares zu sein. Ein Stein hat Masse, ein Baum hat Masse und auch wir selbst spüren unser Gewicht. In der modernen Theorie der
1:40:09 Quantenfelder jedoch wird Masse auf eine völlig neue Weise betrachtet. Masse wird hier mit der Energie eines Feldes assoziiert,
1:40:18 die selbst dann vorhanden ist, wenn sich keine Schwingungen darin ausbreiten. Ein Teilchen mit Masse, wie z.B. ein Elektron,
1:40:28 ist eine Erregung eines Feldes, das eine sogenannte Ruheenergie besitzt. Das bedeutet, dass ein Elektron selbst dann Energie verkörpert, wenn es vollkommen
1:40:40 unbeweglich an einem Ort verweilt. Diese Ruheenergie entspricht genau jener berühmten Formel von Albert Einstein, in der die Masse mit der
1:40:50 Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat multipliziert wird. Diese Energie ist eine feste Eigenschaft des Elektronenfeldes.
1:40:58 Das Photon hingegen ist vollkommen anders beschaffen. Es ist eine Erregung eines Feldes, das keine Ruheenergie besitzt. Es gibt keine Mindestmenge an
1:41:09 Energie, die erforderlich wäre, um ein Photon ins Leben zu rufen. Aus diesem Grund können Photonen jede erdenkliche Energiestufe einnehmen, von
1:41:20 den extrem langwelligen und schwachen Radiowellen bis hin zur hochenergetischen Gammastrahlung, ohne dass es eine untere Grenze gäe. Dies ist
1:41:31 der fundamentale physikalische Grund für seine absolute Masselosigkeit. Ein Photon kann niemals zur Ruhe kommen. Es existiert nur in der Bewegung und
1:41:43 zwar immer mit der maximalen Geschwindigkeit, die das Universum zulässt. Shutterstock, diese Eigenschaft der Masse Null, hat gewaltige
1:41:51 Konsequenzen für die Art und Weise, wie Kräfte im Universum wirken. Weil das Photon keine Masse besitzt, kann es eine Kraft übertragen, die eine unendliche
1:42:03 Reichweite hat. Die elektromagnetische Kraft zwischen zwei geladenen Teilchen wird zwar mit zunehmender Entfernung schwächer, sie folgt dabei dem Gesetz
1:42:12 des umgekehrten Quadrats des Abstands, aber sie wird niemals zu null. Selbst über Distanzen von vielen Milliarden Lichtjahren hinweg üben
1:42:22 geladene Teilchen noch einen messbaren Einfluss aufeinander aus, der durch den Austausch von virtuellen Photonen vermittelt wird. Die Kraft wird in den
1:42:32 Weiten des Alsorstellbar schwach, aber sie verschwindet niemals vollständig. Um die Bedeutung dieser Masselosigkeit wirklich zu würdigen,
1:42:43 müssen wir einen Vergleich ziehen. Betrachten wir die schwache Kernkraft, eine weitere der vier fundamentalen Wechselwirkungen der Natur. Diese Kraft
1:42:52 ist für bestimmte Arten des radioaktiven Zerfalls verantwortlich und spielt eine entscheidende Rolle bei der Kernfusion im Inneren der Sterne. Auch sie wird
1:43:02 durch Teilchen vermittelt, die wir Bosonen nennen. Genauer gesagt die W und Z Bosonen. Doch im krassen Gegensatz zum Photon sind diese Bosonen extrem
1:43:14 massereich. Sie besitzen etwa die 80 bis 90fache Masse eines Protons. Aufgrund dieser gewaltigen Masse können die W und TZ Bosonen nur für eine unvorstellbar
1:43:25 kurze Zeit existieren, bevor sie gemäß der Quantenunsicherheit wieder vergehen müssen. In dieser winzigen Zeitspanne können Sie nur eine extrem kleine
1:43:34 Distanz zurücklegen, die etwa 0,1% des Durchmessers eines Protons entspricht. Jenseits dieser winzigen Entfernung ist die schwache Kraft praktisch nicht mehr
1:43:46 vorhanden. Zwei Teilchen, die weiter voneinander entfernt sind, spüren von dieser Kraft absolut nichts mehr. Zusammenfassend lässt sich sagen, die
1:43:58 Masselosigkeit des Photons schenkt dem Elektromagnetismus seine unendliche Reichweite, während die schwere Masse der Bosonen die schwache Kraft auf die
1:44:08 allerkleinsten subatomaren Skalen begrenzt. In der Welt der Kraftteilchen entscheidet die Masse über die
1:44:14 Reichweite. Doch warum ist das Photon masselos, während andere Teilchen so schwer sind? Die Antwort liegt in einer tiefen mathematischen Schönheit der
1:44:24 Natur verborgen, die wir als Eichsymmetrie oder Kalibrierungssymmetrie bezeichnen. Diese Symmetrie ist eines der
1:44:32 wichtigsten Konzepte der gesamten modernen Physik und bildet das Rückrad für alle fundamentalen Kräfte. Die Eichsymmetrie besagt, dass wir die
1:44:42 mathematische Beschreibung des elektromagnetischen Feldes auf bestimmte Weise verändern können, ohne dass sich die messbare physikalische Realität
1:44:51 ändert. Es ist eine Symmetrie der Gesetze selbst. Das erstaunliche ist, dass dieses mathematische Prinzip zwingend verlangt, dass das Teilchen,
1:45:02 welches die Kraft überträgt, absolut keine Masse haben darf. Wenn das Photon auch nur die kleinste Masse besäße, würde diese heilige Symmetrie der Natur
1:45:13 sofort zerbrechen und das gesamte mathematische Gebäude des Elektromagnetismus würde in sich zusammenstürzen.
1:45:21 Das gleiche Prinzip gilt auch für andere Kräfte. Die Gluonen, welche die starke Kernkraft übertragen, sind ebenfalls masselos, um die Symmetrie der
1:45:32 Quantenchromodynamik zu bewahren. Auch das hypothetische Graviton, das die Schwerkraft vermitteln soll, müsste masselos sein. Reichsymmetrie und
1:45:43 Masselosigkeit sind untrennbar miteinander verwoben. Hier stellt sich jedoch ein großes Rätsel. Wenn die Symmetrie Masselosigkeit verlangt, warum
1:45:54 sind dann die Bosonen der schwachen Kraft so schwer? Die Lösung für dieses Dilemma ist der berühmte Hicksmechanismus,
1:46:02 eine Entdeckung, die Peter Hicks und anderen Forschern den Nobelpreis einbrachte. In der extremen Hitze des sehr frühen Universums waren die
1:46:10 schwache Kraft und der Elektromagnetismus noch zu einer einzigen elektroschwachen Kraft vereint. In diesem Zustand waren alle
1:46:18 Kraftteilchen, auch die W und Zbosonen, vollkommen masselos. Doch als sich das Universum abkühlte, geschah etwas Dramatisches.
1:46:30 Ein Feld, das wir heute das Hickfeld nennen, stabilisierte sich im gesamten Raum auf einem Wert ungleich null. Dieses Feld interagiert mit den W&
1:46:40 Zosonen und verleihen dadurch ihre schwere Masse. Doch das Photon interagiert nicht mit dem Hickfeld. Es gleitet ungehindert hindurch und
1:46:51 behält seine ursprüngliche Masselosigkeit bei. Die Symmetrie wurde gebrochen und die einstvereinten Kräfte gingen getrennte Wege.
1:47:01 Das Photon ist also ein Überbleibsel einer ursprünglichen perfekten Symmetrie der Natur. Es bewahrt seine Masse null und ermöglicht es uns dadurch.
1:47:12 das Licht der fernsten Galaxien zu sehen. Ohne diese Masselosigkeit wäre das Universum für uns ein dunkler, begrenzter Ort, in dem keine Information
1:47:23 über große Distanzen reisen könnte. Das Photonen zeigt uns, wie tief die mathematischen Gesetze der Symmetrie in die Struktur unserer Wirklichkeit
1:47:33 eingreifen. Wir haben die Masselosigkeit des Photons und seine ewige Reise durch die Zeit erkundet. Doch um das Wesen dieses
1:47:43 Lichtquons in seiner vollen Pracht zu erfassen, müssen wir uns zwei weiteren Eigenschaften zuwenden. Die so abstrakt und doch so grundlegend
1:47:53 für unsere Wahrnehmung der Welt sind dem Spin und der Polarisation. Diese Merkmale sind die geheimen Koordinaten, die bestimmen, wie Licht
1:48:03 mit der Materie interagiert und wie wir die dreidimensionale Struktur unserer Wirklichkeit überhaupt erst erfahren können. Ein Photon ist nämlich nicht nur
1:48:13 ein energetischer Punkt, es trägt eine innere Ausrichtung in sich, eine Art verborgenen Kompass, den die Physiker als Spin bezeichnen. In der Sprache der
1:48:24 Quantenphysik besitzt das Photon einen Spin mit dem Wert 1. Wenn wir in unserer Alltagswelt an das Wort Spin denken, stellen wir uns oft einen Kreisel vor,
1:48:36 der sich um seine eigene Achse dreht. Doch in der Welt der Quanten ist dies eine gefährliche Vereinfachung. Ein Photon ist kein kleiner Ball, der
1:48:46 rotiert. Der Spin ist eine intrinsische Eigenschaft, ein eingebauter Drehimpuls, der untrennbar mit der Existenz des
1:48:55 Teilchens verbunden ist. Man könnte es sich wie eine Tänzerin vorstellen, deren Wesen aus der Bewegung selbst besteht. Sie hört niemals aufzutanzen,
1:49:06 denn der Tanz ist das, was sie ausmacht. Dieser Spinn mit dem Wert 1 ordnet das Photon in die Familie der Bosonen ein. Jener Teilchen, die als Boten der Kräfte
1:49:19 fungieren und die es erlauben, dass unzählige von ihnen denselben Quantenzustand einnehmen können. Shutterstock direkt mit diesem Spin
1:49:30 verknüpft ist die Eigenschaft der Polarisation. Wir haben bereits gelernt, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist, die durch den Raum schwingt. Die
1:49:40 Polarisation beschreibt nun die genaue Richtung, in der diese Schwingung stattfindet. Stellen Sie sich ein Seil vor, das an
1:49:49 einer Wand befestigt ist. Sie können das Ende des Seils auf und abschwingen lassen, so dass eine vertikale Welle entsteht. oder sie schwingen es von
1:49:58 links nach rechts, was eine horizontale Welle erzeugt. In der Quantenwelt des Photons manifestiert sich dies als die Fähigkeit in zwei Zuständen zu
1:50:08 existieren, die wir als linkszulare und rechtszirkulare Polarisation bezeichnen. Diese Polarisation ist weit mehr als eine mathematische Spielerei. Sie ist
1:50:20 der Grund dafür, warum wir heute Technologien wie 3D Brillen im Kino oder hochwertige Sonnenbrillen nutzen können, die störende Reflexionen von
1:50:30 Wasseroberflächen filtern. Doch auf der Quantenebene offenbart die Polarisation erneut das große Rätsel der Messung. Wie wir bereits bei der Verschränkung
1:50:40 gesehen haben, besitzt ein Photon oft keine festdefinierte Polarisation, bis wir uns entscheiden, sie zu messen. Es existiert in einer Superposition, einem
1:50:52 Zustand, des sowohl als auch in dem alle Richtungen gleichzeitig möglich sind. An diesem Punkt müssen wir innerhalten und uns fragen, was dies über unser
1:51:03 Verständnis der Natur aussagt. Warum fällt es uns so unglaublich schwer, uns ein Teilchen vorzustellen, das keine feste Richtung hat, bis wir
1:51:14 hinsehen. Die Antwort liegt in unserer eigenen Evolutionsgeschichte. Unsere Gehirne haben sich über Millionen
1:51:22 von Jahren darauf spezialisiert, in einer makroskopischen Welt zu überleben. Unsere Vorfahren mussten wissen, wo genau ein Raubtier im Gebüsch lauert
1:51:33 oder wo eine Frucht am Baum hängt. Ein Objekt, das sich in einer Wolke aus Möglichkeiten auflöst, hätte in der afrikanischen Savanne keinen Platz
1:51:42 gehabt. Unsere Intuition ist darauf programmiert, feste Orte und eindeutige Eigenschaften wahrzunehmen. Doch das
1:51:51 Photon zeigt uns unerbittlich, dass die Realität in ihrem Fundament nicht so funktioniert. Ein Quantenobjekt wie das Photon hat keine Eigenschaften,
1:52:02 die unabhängig von der Messung existieren. Die Messung enthüllt nicht einfach eine verborgene Tatsache. Sie bringt die Eigenschaft erst in die Welt.
1:52:12 Bevor wir messen, existiert die Polarisation in keiner definierten Form. Das Photon ist ein Wesen der reinen Möglichkeit. Es ist eine radikale Absage
1:52:22 an die Vorstellung einer objektiven Welt, die einfach nur da ist, egal ob wir zusehen oder nicht. Dies führt uns zu einer tiefen Demut gegenüber dem
1:52:33 Kosmos. Wir sind Wesen, die mit Sinnen ausgestattet sind, die nur einen winzigen Bruchteil der Wirklichkeit
1:52:42 erfassen können. Wir sehen das Licht, wir spüren seine Wärme auf der Haut und wir nutzen es, um die Welt zu begreifen. Doch in Wahrheit sind wir umgeben von
1:52:54 einer Quantenwelt, die so viel reicher und seltsamer ist, als wir es uns jemals erträumen könnten. Das Photon ist unser wichtigster Zeuge für diese Wahrheit.
1:53:04 Es ist eine Brücke zwischen dem, was wir sehen, dem, was wirklich ist. Jedes Mal, wenn ein Photon in ihr Auge trifft, bringt es eine Nachricht aus einem Reich
1:53:18 mit, in dem Zeit und Raum keine feste Bedeutung haben und in dem alles mit allem verbunden ist. Wir erkennen, dass das Licht nicht nur den Raum erhält,
1:53:29 sondern auch unseren Verstand herausfordert. Das Photon ist das einfachste und zugleich rätselhafteste System der
1:53:37 Natur. Es erinnert uns daran, dass wir gerade erst begonnen haben, die Oberfläche der Wirklichkeit zu kratzen. Hinter jedem
1:53:47 Sonnenstrahl und hinter jedem Sternenlicht verbirgt sich ein Abgrund an Geheimnissen, der darauf wartet, von uns erkundet zu werden.