Reise zum Kern der Paradoxien: den Rätseln, die die Wissenschaft revolutionierten

Paradoxien in der Physik

Die Physik wird durch Situationen unterbrochen, in denenIntuitionUndLogikscheinen einander zu widersprechen. Diese Situationen werden aufgerufenParadoxienund haben es oft ermöglicht, unsere Grenzen zu überschreitenwissenschaftliches Verständnis, wie dieParadox der dunklen Nacht, DERParadoxon der jungen schwachen Sonne, DERMaxwells Dämon, DERFermi-Paradoxon, DERZenos Paradoxon, der Mpemba-Effekt, DERTeeblatt-Paradoxon, DERZwillingsparadoxon, DERSchrödingers Katze, DortWelle-Teilchen-Dualitätoder dieGroßvater-Paradoxon.

Das Paradoxon der dunklen Nacht

Kosmologisches Problem

DERParadox der dunklen NachtOderOlbers-Paradoxonversucht die Frage zu beantworten „Warum ist die Nacht dunkel?". Jeder von uns könnte einfach zugeben, dass die Ursache dafür istdunkle Nachtläuft darauf hinausdie Abwesenheit der Sonneüber dem Horizont, aber das ist keine gute Antwort. Offensichtlich war die Nacht schon immer dunkel. Aber wenndas UniversumWarUnendlichkeitIn Raum und Zeit sollte unsere Sichtlinie, egal in welche Richtung wir schauen, a kreuzenSternsogar sehr weit weg. Der Himmel sollte uns daher überall so hell erscheinen wie die Sonne. Aber wir sehen, dass die Nacht im Wesentlichen schwarz ist! Um dieses Problem zu lösenParadox der dunklen NachtWir mussten unsere komplett überprüfenVorstellung vom Universum.

Auflösung des Paradoxons

Hinter der Geschichte des Olbers-Paradoxons stand eine beunruhigende kosmische Realität, aus der Ende des 20. Jahrhunderts mehrere Konzepte hervorgingen.
- Das Universumhat nicht immer existiert, es hat eine Geschichte und es hat einevollendetes Alter.
- DortLichtgeschwindigkeitist eine Geschwindigkeitsbegrenzung unddas beobachtbare Universumgemessen werden kann.
- DERSternehaben ein endliches Alter und damit eine Lebensdauer. Ihre Lichtquelle ist daher vergänglich.
- Das beobachtbare Universumist drinbeschleunigte Expansion. Der Himmel wird immer dunkler, weil das Licht entfernter Galaxien zunehmend rotverschoben ist (Doppler-Effekt).

Wir müssen all diese Hypothesen zusammenbringen, um das Paradoxon der dunklen Nacht zu lösen!

Das Paradoxon der jungen schwachen Sonne

Das Klimadilemma

Wie einein lebensfreundliches KlimaerfordernWasser in flüssigem Zustandwurde trotz der auf der Erde aufrechterhaltenschwaches Sonnenlicht der jungen Sonne? Zu Beginn der Erstellung vonSonnensystemVor 4,7 Milliarden Jahrenjunge Sonnehatte nur einenwenig Lichtmit schwächeren thermonuklearen Reaktionen verbunden (ca. 70 % seiner aktuellen Leuchtkraft). Diese Helligkeit reicht nicht aus, um a aufrechtzuerhaltenflüssiger OzeanAuf der Oberfläche der jungen Erde hätte es völlig vereist sein müssen. Geologische Daten zeigen jedoch eine warme Erdoberfläche mitflüssiges Wasserund einsBakterienlebenvom Beginn der Entstehung der Erde an. Es scheint also, dass die Erde zu diesem Zeitpunkt trotz des schwachen Sonnenlichts der jungen Sonne bereits mit flüssigem Wasser bedeckt war. Was ermöglichte es der Erde, ihr Wasser in flüssigem Zustand zu halten? Es wurden mehrere Erklärungen vorgebracht, die schwer zu bestätigen sind.

Erklärende Hypothesen

- Der Treibhauseffektaufgrund einer atmosphärischen Konzentration vonCO2produziert von aintensiver Vulkanismusermöglichte es der Erde, ihre Wärme zu behalten.
- AlbedoDa die Erde schwächer war, strahlte sie weniger Wärme in den Weltraum ab, da ihre Oberfläche hauptsächlich mit Erde bedeckt warOzeane.
- Die Befreiung vonGeothermieaus der Hitze des Zerfalls von Gewissheitradioaktive Isotopehätte es der jungen Erde ermöglicht, natürliche Kernspaltungsreaktoren zu bilden.
- DortMondwar während seiner Entstehung viel näher an der Erde und hätte erhebliche Gezeiteneffekte erzeugt, die die Hitze der Erde erhöht hätten.
- Die Sonne hat an Masse verloren, aber eine größere Masse der Sonne am Ursprung hätte eine geringere Einstrahlung ausgeglichen.

Das Geheimnis besteht immer noch!

Maxwells Dämon

Gedankenexperiment

James Clerk MaxwellStellen Sie sich eine Kiste vor, die Folgendes enthält:Gas, mit zwei Kompartimenten (A und B), die auf molekularer Ebene durch eine Tür getrennt sind. DERDämonsteuert das Öffnen und Schließen der Tür entsprechendGeschwindigkeit von Molekülen. Der Dämon lässt von Fach B nach Fach A gehen, daslangsamere Moleküle(und damit kälter) als die Durchschnittsgeschwindigkeit der Moleküle in Kompartiment A und lässt die Moleküle von A nach B gelangenschnellere Moleküle(daher heißer) als die Durchschnittsgeschwindigkeit in B.

Thermodynamische Konsequenzen

In diesem Gedankenexperiment wird dieTemperaturin B nahm zu, während der von A abnahm. DERMaxwells Dämonschlägt daher einen Prozess vor, der es ermöglicht, zu einem ungleichen Temperaturzustand zurückzukehren, ohne Geld auszugebenEnergiewas gegen das verstößtZweiter Hauptsatz der ThermodynamikWer sagt dasEntropieeines Systems kann nur zunehmen. Hier verringern wir die Gesamtentropie des Systems. Seit 150 Jahren hat dieses Paradoxon Anlass zu einer Vielzahl von Studien und Debatten gegeben!

Fermis Paradoxon

Astronomische Beobachtung

Unter den100 Milliarden SternensystemedesMilchstraße, davon gibt es wahrscheinlich vieleerdähnliche Planeten. Die 1950 gestellte Frage vonEnrico Fermi(1901-1954) während eines informellen Gesprächs folgt aus dieser Beobachtung. Wo sind sie also? Mit anderen Worten, wenn es sie gäbetechnologisch fortgeschrittene außerirdische Zivilisationen, ihre Vertreter sollten schon da sein. Warum wurden seit dem Aufkommen der Technologie keine wissenschaftlichen Beweise gefunden (keine Sonden, keine Raumfahrzeuge, keine Funkübertragungen, keine Spuren)? Das ultratiefe Feld des Himmels (Bild nebenstehend), aufgenommen von derHubble-Weltraumteleskopnimmt ein Zehntel des Monddurchmessers ein. In diesem sehr kleinen Gebiet gibt es etwa 10.000Galaxien. Es gäbe also etwa 2000 Milliarden Galaxien in unserem PlanetenBeobachtbares Universum. Die Anwesenheit vonPlanetenum einen Stern herum ist relativ trivial. Und wenn es im Universum nur einen Planeten um jeden Stern gäbe, wäre die Anzahl der Planeten unvorstellbar.

Analyse und Implikationen

Es wäre überraschend, wenn die Natur, die im gesamten Universum und auf allen Ebenen gleich strukturiert ist, nur den Weg zum Leben auf unserem Planeten gefunden hätte. Ist die Beharrlichkeit des Lebens, die wir auf der Erde sehen, nicht ein Beweis dafür, dass es überall auf der Welt vorhanden ist?Universum, geduldig auf einen günstigen Kontext wartend, um seine Entwicklung fortzusetzen. Dennoch war es notwendig, dass ein Universum geboren wurde, zGalaxienverschmelzen, dasSternesterben, um alles zu erschaffenchemische Elemente, Das hierSternensystemstabilisiert sich in einem geschützten Bereich einer Galaxie, sodass vor 13,61 Milliarden Jahren (Alter der Milchstraße) intelligentes Leben auf einem Planeten, unserem, entsteht. Und wir haben noch lange nicht das technologische Niveau erreicht, das uns erlaubt, in der Galaxis zu reisen! Da es praktisch 14 Milliarden Jahre dauert, bis eine Zivilisation entsteht, die in der Lage ist, ihren Planeten zu verlassen, können wir daraus schließen, dass es kein Paradoxon gibt: Wir sind allein, weil wir die Ersten sind. "Wo sind sie also?„Bleibt im Moment ein Paradox!

Zenos Paradoxon

Die Erfahrung von Achilles und der Schildkröte

ImParadoxon von Achilles und der Schildkröte, der griechische HeldAchillesgilt als sehr schneller Läufer, der mit einer Schildkröte an einem Wettlauf teilnimmt. Achilles hätte der Schildkröte gnädigerweise einen Vormarsch von 100 Metern gewährt.Zenon von Elea(490-430 v. Chr.) behauptet dann, dass der schnelle Achilleus die Schildkröte nie einholen konnte. Tatsächlich wird Achilles nach einer gewissen Zeit die 100 Meter Verspätung aufgeholt und den Ausgangspunkt der Schildkröte erreicht haben. Aber in dieser Zeit wird die Schildkröte eine gewisse Distanz zurückgelegt haben, sicherlich viel kürzer, aber nicht Null, sagen wir 1 Meter. Dies erfordert für Achilles zusätzliche Zeit, um 1 m zurückzulegen, wobei die Schildkröte einen weiteren Zentimeter vorrückt.

Moderne Auflösung

Dies erfordert für Achilles zusätzliche Zeit, um 1 cm zurückzulegen, während dieser Zeit ist die Schildkröte weiter fortgeschritten. Jedes Mal, wenn Achilles den Ort erreicht, an dem sich die Schildkröte befindet, hat sich die Schildkröte ein Stück weiterbewegt. Daher wird der schnelle Achilles die Schildkröte niemals einholen können. Komplexerweise wird das Paradoxon in der modernen Analyse dadurch gelöst, dass aunendliche Summe streng positiver Zahlenkann zu einem fertigen Ergebnis konvergieren!

Der Mpemba-Effekt

Experimentelle Beobachtung

Erasto Mpemba(1950-), tansanischer Wissenschaftler, war noch Gymnasiast, als er während des Kochunterrichts feststellte, dass seinheiße Milchin den Gefrierschrank gelegt, verwandelt es sich schneller in Eis als die gleiche Zubereitung bereits kalt. Mit Hilfe seines Physikprofessors in Daressalam (Tansania) veröffentlichte er 1969 die Daten von Experimenten zu diesem Thema. Experimente, die über fast 30 Jahre durchgeführt wurden, haben es ermöglicht, dies zu beobachtenheißes Wasserkönnte schneller abkühlen alskaltes Wasser.

Bedingungen des Phänomens

Dieser Effekt wird nicht systematisch beobachtet, sondern nur unter bestimmten spezifischen Bedingungen. Es handelt sich um ein paradoxes Phänomen, da unter bestimmten BedingungenHeißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasserohne dass wir genau verstehen, warum!

Das Teeblatt-Paradoxon

Beobachtung

DERTeeblatt-Paradoxonist ein leicht beobachtbares physikalisches Phänomen, bei dem dieTeeblätterBeim Brühen bewegen Sie sich zur Mitte hin und nicht zu den Rändern der Tasse. Tatsächlich haben wir nach dem Umrühren des Tees mit einem Teelöffel einen erstelltZentrifugalkraftproportional zurRotationsgeschwindigkeit, bemerken wir, dass die Teeblätter von der Mitte der Tasse angezogen werden, während wir erwarten, dass sie an den Rändern angedrückt bleiben. Die Lösung ist gegeben durchAlbert Einstein(1879-1955) in einem Artikel aus dem Jahr 1926 über die Ursache von Flussmäandern. Die rotierende Flüssigkeit erfährt im Kontakt mit den Wänden eineReibungskraft. Diese Reibungskraft führt tendenziell zu einer VerlangsamungWinkelgeschwindigkeit der Rotationdurch Zentrifugalkraft erzeugt

Physikalische Erklärung

Dadurch rotiert die Flüssigkeit in der Mitte schneller und wird stärker nach außen gezogen als die langsamer rotierende Flüssigkeit an den Rändern. Die beiden Teemengen (schnell und langsam) tauschen ihre Positionen. Das schnelle Volumen landet an den Rändern und das langsamere Volumen wandert zur Mitte. Zu Beginn ist dieTeeblätterwerden zu den Rändern projiziert und kehren dann wie im Video zur Mitte zurück. Die in der langsamen Teemenge gebadeten Teeblätter folgen dem sekundären Kreislauf und landen in der Mitte der Tasse. Wenn die Teeblätter von Natur aus auf den Boden der Tasse gelangen, liegt das an ihrerDichteist größer als die von Tee.

Das Zwillingsparadoxon

Stellungnahme

DERZwillingsparadoxonstammt aus einem Gedankenexperiment, das zu zeigen scheint, dass dieSpezielle RelativitätstheorievonAlbert Einsteinist widersprüchlich. Das Konzept vonRaumzeitDa die spezielle Relativitätstheorie von großer Komplexität ist, wird sie im Folgenden nur skizziert (ohne Raum-Zeit-Diagramm). Einer der Zwillinge unternimmt eine Rundreise durch den WeltraumGeschwindigkeit nahe der des Lichts. Als sie sich wiedersehen, ist der Zwilling, der gereist ist, jünger als der Zwilling, der auf der Erde geblieben ist. Nach der speziellen Relativitätstheoriegemessene Dauernsind relativ, sie hängen von der abRepositoryin dem sie gemessen wurden. Es gibt keine absolute Gegenwart, jeder Bezugsrahmen hat seinen eigenensaubere Zeit. Es ist aber eine kontraintuitive IdeeGleichzeitigkeit von Ereignissen, wegen derLichtgeschwindigkeit, existiert nicht. Für den Zwilling im irdischen Bezugssystem vergeht die Zeit also mit der von seiner Uhr gemessenen Geschwindigkeit. Das Gleiche gilt für den Zwilling im Bezugssystem der Rakete, aber die Uhren werden desynchronisiert. L'Uhr des reisenden Zwillingswird sich im Vergleich zum anderen verzögern und diese Verzögerung hängt davon abFluggeschwindigkeit der Rakete. Mit anderen Worten: „die Zeit vergeht langsamer" in der Rakete in gleichmäßiger geradliniger Bewegung relativ zur Erde als auf der Erde in gleichmäßiger geradliniger Bewegung relativ zur Rakete. Aber egal wie schnell die Rakete ist, auf der Erde sind die beiden Zwillinge tatsächlich nicht mehr gleich alt. Aber dieGeschwindigkeitist ein relativer Begriff. Für den Zwilling auf der Erde ist sein Bezugssystem (die Erde) unbeweglich, er sieht jedoch, wie sich sein Zwilling in der Rakete mit einer bestimmten Geschwindigkeit davonbewegt. Umgekehrt ist für den Zwilling in der Rakete sein Bezugsrahmen (die Rakete) unbeweglich; es ist die Erde, die sich entfernt. Aus der Sicht des auf der Erde befindlichen Zwillings ist es also die Rakete, die sich bewegt, es ist dasRaketenzeitwas sich ausdehnt, es ist dasRaketenuhrdie in Zeitlupe arbeitet, es ist also ihr in der Rakete befindlicher Zwilling, der „altert weniger schnell".

Erläuterung

Aus der Sicht des in der Rakete befindlichen Zwillings ist es die Erde, die sich bewegt, sie ist dieErdenzeitdas sich ausdehnt und es ist sein auf der Erde befindlicher Zwilling, der „altert weniger schnell". Warum ist der Zwilling der Rakete, wenn er zur Erde zurückkehrt, jünger als sein Zwilling, wenn uns die Standpunkte symmetrisch erscheinen? Die häufigste Erklärung für dieses Paradoxon ist, dass eine der beiden Uhren die Richtung geändert haben muss.Trägheitsbezugssystem. Solange die Rakete in ihrem Trägheitsbezugssystem bleibt, ist sie aus der Sicht der Rakete tatsächlich der Zwilling der Erde, der „altert weniger schnell„Aber wenn sich die Rakete umdreht, bricht sie die Symmetrie, sie ändert ihren Bezugsrahmen und in diesem Moment ist es der Zwilling der Rakete, der“altert weniger schnell". Die Kehrtwende veränderte den Blickwinkel (die Linie der Gleichzeitigkeit). Aber in der speziellen Relativitätstheorie ist dieGleichzeitigkeit von EreignissenDa zwischen den beiden Bezugsrahmen kein Zusammenhang besteht, können wir das Alter der beiden Zwillinge nicht vergleichen. Um ihr Alter zu vergleichen, müssen wir warten, bis sie wieder vereint sind, um sie aus demselben Blickwinkel und aus demselben Blickwinkel zu betrachten.Raumzeit, im gleichen Bezugssystem, mit dem gleichensaubere Zeit. Also, diesaubere ZeitDer größte wird der des Zwillings sein, der seinen Bezugsrahmen nicht verändert hat, er ist tatsächlich der Älteste. Seine Flugbahn in der Raumzeit hat die Eigenzeit seiner Weltlinie maximiert, auf die gleiche Weise, wie eine gerade Linie die Entfernung minimiert. Der Uhrenversatz ist ein reales Phänomen, das 1991 von zwei Physikern experimentell beobachtet wurde.Joseph HafeleUndRichard KeatingmitAtomuhrensynchronisiertes Reisen in zwei Flugzeugen, die zweimal die Welt umkreisten. Ein Flugzeug flog nach Osten und das andere nach Westen, während auf der Erde eine synchronisierte Atomuhr verblieb. Bei der Ankunft zeigten die Uhren tatsächlich den von der Theorie vorhergesagten Zeitunterschied (eingeschränkt und allgemein). Das Zwillingsparadoxon ist kein Paradoxon mehr!

Schrödingers Katze

Gedankenexperiment

MancheQuantenereignisseSie treten nur auf, weil sie beobachtet werden. Wenn es niemanden gäbe, der sie sehen würde, gäbe es sie nicht. Das ist die eigentliche Bedeutung der Erfahrung von „Schrödingers Katze". Im Jahr 1935Erwin Schrödinger(1887-1961) stellt sich ein Gedankenexperiment mit einer realen Katze vor, die in einer Kiste eingesperrt ist. In dieser Box tötet ein Gerät das Tier, sobald es es erkenntZerfall eines radioaktiven Isotopsder Quantenwelt. In der Quantenwelt einsradioaktives Atomkann in zwei überlagerten Zuständen existieren, beispielsweise intakt und zerfallen. DortQuantenmechanikbesagt, dass sich das Atom, solange die Beobachtung nicht gemacht wird, gleichzeitig in zwei Zuständen befindet, zum Beispiel intakt und zerfallen. Aber der teuflische Mechanismus verknüpft den Zustand der Katze mit dem Zustand der Katzeradioaktives Teilchen. Mit anderen Worten: Die Katze ist gleichzeitig tot und lebendig, bis die Schachtel geöffnet wird.

Quanteninterpretation

Da die Beobachtung die Wahl zwischen den beiden Zuständen auslöst, können wir vor dem Öffnen der Kiste absolut nicht sagen, ob die Katze tot oder lebendig ist. Unser Gehirn ist nicht bereit, eine solche Situation für ein makroskopisches Objekt zu akzeptieren, und hier liegt ein Paradoxon! Dieser Zustand vonÜberlagerungexistiert in der realen Welt nicht. Das Hauptproblem besteht darin, dass die Quantenphysik überlagerte Zustände zulässt, die auf der von der klassischen Physik beschriebenen makroskopischen Ebene völlig unbekannt sind. Die Erklärung liefert die Theorie vonQuantendekohärenz. Die Objekte der klassischen Physik (Auto, Katze usw.) interagieren, obwohl sie aus durch die Quantenphysik beschriebenen Atomen bestehen, mit ihrer Umgebung, mit Milliarden anderer Atome. Es sind diese Wechselwirkungen, die das schnelle Verschwinden der überlagerten Zustände bewirken.

Welle-Teilchen-Dualität

Experimentelle Beobachtung

Die Welt vonextrem klein, das vonPartikel(Elektron, Photon, Proton, Atom usw.) ist für unsere Sinne, einschließlich des Gehirns, nicht zugänglich. Kein Bild, keine Interpretation kann die Realität der Quantenwelt darstellen, selbst die Worte unserer Sprache sind nur annähernd geeignet, sie zu beschreibenQuantenphänomene. In der Quantenmechanik scheint es, dass aTeilchenentweder gleichzeitig aKorpuskelund einsWelle. Dies ist nicht die einzige Kuriosität der Quantenphysik, sondern auch die anderen (Quantenüberlagerung, Quantenverschränkungoder auchNichtlokalität) entstehen daraus. Was uns diese Behauptung sagt, ist das allesElementarteilchenkann als konkreter Festkörper, aber auch als Welle gesehen werden, was ein abstraktes Konzept ist. Da liegt ein Paradoxon vor! Der Zustand eines Teilchens beschreibt allesWissen (Geschwindigkeit, Drehimpuls, Position, Energieusw.), die wir auf dem Teilchen erhalten können, wenn wir es herstellenexperimentelle Messungenauf ihr. Schauen wir uns also an, wie das berühmte Experiment hießYoungs Ausfallschritte(Siehe das nebenstehende Video, das dieses Erlebnis auf moderne Weise beschreibt).

Youngs Ausfallschritt-Experiment

1 - Beim SendenKörperchen(Feststoffe) an einer Wand mit zwei Schlitzen, jedes Teilchen geht durch den einen oder anderen Schlitz, prallt in alle Richtungen ab und Aufprallpunkte markieren den Bildschirm fast überall hinter den Schlitzen.
2 - Beim Senden von aWelleAn derselben Wand verläuft die Welle durch die beiden Schlitze und der Durchgang durch die Schlitze erzeugt zwei kleine Wellen, die sich überlappen. An bestimmten Stellen addieren sie sich und an anderen heben sie sich gegenseitig auf.Interferenzstreifenerscheinen auf dem Bildschirm.
3 - Beim Senden von aQuantenobjekt, es passiert die beiden Schlitze, interferiert wie eine Welle, aber wenn es auf den Bildschirm trifft, reduziert es sich plötzlich bis zu einem Punkt, an dem sich die beiden kleinen Wellen addieren. Nach einer Vielzahl von Tests erscheinen beide Einschläge wie bei Korpuskeln und Interferenzstreifen wie bei Wellen.
4 - Aber wenn wir a hinzufügenBeobachterUm zu wissen, durch welchen Spalt das Teilchen geht, kollabiert die Welle nun an den Schlitzen zu einem Korpuskel und durchquert jeweils nur einen Spalt. Wir messen dann Auftreffpunkte auf dem Bildschirm und keine Interferenzen.

Der Beobachter veränderte das Erlebnis durch seine Anwesenheit!

Das Großvater-Paradoxon

Stellungnahme

Können wir durch die Zeit reisen? DortSpezielle Relativitätstheorieerlaubt theoretisch Reisen in die Zukunft, darüber hinaus verzichten Science-Fiction-Autoren nicht darauf. DERZwillingsparadoxonist ein Beispiel für diese Reise in die Zukunft. DERGroßvater-Paradoxonist ein zeitliches Paradoxon, das Reisen in die Vergangenheit verbietet. Warum ist das ein Paradoxon? Wenn einZeitreisenderWenn er sich in die Vergangenheit projiziert, kann er seinen Großvater töten, bevor dieser überhaupt Kinder hatte. Und da verstehen wir das Paradoxon, denn unser Reisender konnte nie auf die Welt kommen, konnte nie in die Vergangenheit zurückkehren und konnte seinen Großvater nie töten!!!

Grund für das Paradoxon

Man kann nicht gleichzeitig geboren werden und nicht geboren werden. In der Physik ist diePrinzip der Kausalitätkann nicht verletzt werden. Eine Ursache geht ihren Wirkungen immer voraus und eine Wirkung kann niemals auf ihre Ursache zurückwirken. Mit anderen Worten: Keine Wirkung kann ihrer Ursache vorausgehen. Das Großvater-Paradoxon scheint in genau dieser Form erstmals in einem Science-Fiction-Roman von aufzutretenRené Barjavel(1911-1985), Der unvorsichtige Reisende, 1944.