Die großen Rätsel der modernen Physik – Details, episodes & analysis

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Die großen Rätsel der modernen Physik

Alexander Wolf

Science

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Frequency: 1 episode/89d. Total Eps: 18

In diesem Podcast sprechen wir über die großen Rätsel und offenen Fragen der modernen Physik. Über Raum und Zeit, den Inhalt des Universums, seinen Anfang und sein Ende, über Wahrheit und Schönheit. Wir, das sind Thomas Naumann, viele Jahre Professor für Teilchenphysik an der Uni Leipzig und Physiker am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY sowie am Europäischen Zentrum für Kernforschung CERN in Genf sowie Buchautor, und Alexander Wolf, Ex-Physiker, Physiklehrer und Podcaster. Neu hinzugekommen ist Sven Ramelow, Quantenoptiker und Emmy-Noether Gruppenleiter an der Humboldt Universität zu Berlin.

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2_04 Das EPR-Argument

Season 2 · Episode 4

Tuesday, June 18, 2024 • Duration 01:01:02

"Gott würfelt nicht!"

Nicht selten wird mit diesem Zitat von Albert Einstein demselben unterstellt, er hätte sich den Konsequenzen der von ihm mitentdeckten Quantenmechanik verschlossen. Dabei war er es, der mit Nils Bohr um die Deutung der neuen Weltsicht gerungen hat. Er legte immer wieder den Finger in die Wunde und zwang seine Zeitgenossen, sich den großen Fragen zu stellen, die sich aus dieser neuen, wundersamen Theorie ergaben, die so fantastisch funktionierte.

1935 formulierte er gemeinsam mit Boris Podolsky und Nathan Rosen ein Gedankenexperiment, das EPR-Argument, das die verrückte Welt der Quanten scheinbar ad absurdum führte: Entweder muss sich die Menschheit von dem Konzept der Kausalität verabschieden oder von unserer Vorstellung der Realität. Beides schien für die Physiker nicht akzeptabel, also schlussfolgerten sie, dass die Quantenphysik noch nicht der Weisheit letzter Schluss sein kann.

Sehr viel später erst zeigten ausgefallene Experimente, dass die Quantenmechanik keiner weiteren Ergänzung bedarf und wir notgedrungen auf entweder die Kausalität oder die Realität verzichten (oder beides) verzichten müssen - ein weiterer Grund, weshalb sich diese Theorie unserer Intuition entzieht.

Sven und ich sprechen über die historischen Hintergründe, motivieren das EPR-Argument und besprechen, wie das Gedankenexperiment heutzutage im Labor nachgebaut werden kann. Viel Spaß beim Hören!

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2_03 Der Doppelspaltversuch

Season 2 · Episode 3

Wednesday, May 8, 2024 • Duration 38:56

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

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

Viel Spaß beim Hören!

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06 Was ist Wahrheit? (Teil 3)

Season 1 · Episode 6

Tuesday, October 11, 2022 • Duration 42:54

In der letzten Folge unserer Trilogie zur Frage: Was ist Wahrheit? sprechen wir über komplexe dynamische Systeme. Wetter, Klima, Ausbreitung von Infektionskrankheiten wie Corona oder die Funktion des Gehirns sind mit den Methoden der klassischen deterministischen Physik nicht beschreibbar.

Wir sprechen darüber, wie beim Wechsel von der exakten Beschreibung elementarer mikroskopischer Vorgänge zur kollektiven Beschreibung komplexer makroskopischer Systeme neue Phänomene entstehen wie Strukturbildung und Evolution. Dieser Vorgang heißt Emergenz.

Neben Experiment und Theorie tritt ein dritter Weg der wissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung auf den Plan: Modelle und Simulationen. Wetter, Klima oder die Ausbreitung von Corona müssen anhand von Daten mit beschränkter Güte und Menge und unsicheren Modellen simuliert werden.

Sokrates sagte: Ich weiß, dass ich nicht(s) weiß.
In diesem Sinne muss die Wissenschaft zuammen mit ihren Aussagen zugleich deren Fehler und Unsicherheiten kommunizieren. Sie muss auch sagen, was wir (noch) nicht wissen.

Hier ist auch der naturwissenschaftliche Unterricht gefragt, der immer wieder zeigen muss, dass jede Wahrheit immer auch mit einer Unsicherheit behaftet ist. Sie ist Teil der wissenschaftlichen Wahrheit.

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05 Was ist Wahrheit? (Teil 2)

Season 1 · Episode 5

Tuesday, September 13, 2022 • Duration 46:21

In der zweiten Folge zur Wahrheit in der Physik gehen wir der Frage nach, woher wir wissen können, wie alt das Universum wirklich ist oder was seine kleinsten Bausteine sind. Wichtig dabei sind Crosschecks, also voneinander unabhängige Messungen und Theorien, die zu denselben Ergebnissen führen.

Dabei ist es verblüffend, in welchem Ausmaß wir unsere Welt mit Hilfe der Mathematik, die sich unserem intuitiven Verständnis entzieht, präzise beschreiben können. Wir beschäftigen uns auch anhand der Schöpfungsgeschichte mit der Frage, ob die physikalischen Gesetze Teil unserer Welt sind oder nur unser erkenntnistheoretischer Zugang zur Realität.

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04 Was ist Wahrheit? (Teil 1)

Season 1 · Episode 4

Tuesday, July 26, 2022 • Duration 24:08

Nachdem wir der Frage nach der SCHÖNHEIT in der Physik nachgegangen sind, widmen wir uns nun der Frage: Was ist WAHRHEIT? Wir nähern uns in der ersten von drei Folgen dem Wahrheitsbegriff aus Sicht eines Physikers annähern und besprechen unter anderem die Beziehung zwischen Wahrheit und Realität, von deren Existenz wir als Naturwissenschaftler ausgehen müssen.

Anhand mehrerer Beispiele zeichnen wir den Prozess der historischen Wahrheitsfindung nach, bei der "alte" Wahrheiten nicht etwa verworfen werden, sondern in neuen, übergeordneten Wahrheiten aufgehen. Das führt zu verschiedenen Schichten von Wahrheit: So lassen sich die komplexen Mechanismen menschlichen Zusammenlebens nicht aus den Gesetzen der Physik ableiten. Dazwischenliegen Chemie, Biologie und Psychologie mit jeweils eigenen Gesetzmäßigkeiten, die jeweils emergent aus den darunterliegenden Schichten hervorgehen.

Wir betrachten Kriterien für eine "gute Theorie".
Thomas wehrt sich gegen das Dogma der Falsifizierbarkeit: Als Wissenschaftler brauchen wir die Freiheit des Denkens und damit auch die Freiheit, Hypothesen zu generieren,die im Moment weder beweisbar noch widerlegbar sind.

Dabei wird klar, dass der Prozess der Wahrheitsfindung in der Wissenschaft nicht geradlinig verläuft. Manchmal dauert es hundert Jahre, bis man von einer Hypothese zu einer bestätigten Theorie gelangt. Das ist gerade im aktuellen Diskurs um die Rolle der Wissenschaft in der Gesellschaft wichtig.

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03 Wahrheit und Schönheit (Teil 2)

Season 1 · Episode 3

Monday, July 4, 2022 • Duration 34:13

Im ersten Teil sprachen wir über Schönheit, Symmetrie und Harmonie. Aber die Welt ist nicht nur schön und harmonisch. Interessant wird sie meist durch hässliche Asymmetrien.

So ließ Johannes Kepler zum Glück die Natur sprechen und ersetzte seine Harmonien der Welt, die perfekten Sphären, durch Ellipsen, auf denen sich die Planeten um die Sonne bewegen. Dahinter steckt Newtons Kraftgesetz. Es ist perfekt rotationssymmetrisch, aber alle seine Lösungen brechen diese Symmetrie.

Es sind gerade diese Schönheitsfehler, die unsere Welt ausmachen: So ist die winzige Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie, die kurz nach dem Urknall entstand, für die Materie verantwortlich, aus der die Galaxien, Sterne, Planeten und wir heute Menschen bestehen.

Symmetriebrechung gibt es auch zwischen Elektrizität und Magnetismus und beim Higgsfeld, das unser Universum erfüllt und die Massen der Teilchen erzeugt.

Wir sprechen auch darüber, wie die Wissenschaft zuweilen Hässliches und Unverstandenes verdrängt und unter den Teppich kehrt.

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02 Wahrheit und Schönheit (Teil 1)

Season 1 · Episode 2

Wednesday, June 22, 2022 • Duration 33:47

Kosmos heißt Schönheit, Harmonie und Ordnung.
Die Suche nach der Schönheit in der Natur war für Wissenschaftler oft eine entscheidende Triebfeder und ein Erfolgsrezept bei der Suche nach der Wahrheit.

Schönheit und Symmetrie schaffen nicht nur Ordnung und Harmonie in unserer Welt. Symmetrien bestimmen auch die Gesetze der Physik, die unsere Welt regieren.

Zu schön, um nicht wahr zu sein -
dürfen wir so an eine schöne Idee in der Wissenschaft herangehen?

Bei aller Freude über die Schönheit von Symmetrien in der Natur - oft sind winzige Schönheitsfehler das Salz in der Suppe. Wie die winzige Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum, von der unsere gesamte materielle Existenz abhängt. Auf reizvolle Weise ergänzen also Schönheit und Hässlichkeit einander in unserer Welt.

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01 Die großen Rätsel

Season 1 · Episode 1

Tuesday, May 31, 2022 • Duration 30:07

In der ersten Ausgabe unseres Podcasts "Die großen Rätsel und offenen Fragen der modernen Physik" sprechen wir über Raum und Zeit, den Inhalt des Universums, seinen Anfang und sein Ende, Wahrheit und Schönheit.

In den letzten Jahren ist es gelungen, zwei der erfolgreichsten Theorien der Physik durch Experimente zu bestätigen: Die Allgemeine Relativitätstheorie durch den Nachweis der Gravitationswellen und das Standardmodell der Elementarteilchenphysik durch die Entdeckung des Higgs-Teilchens. Damit sind aber nicht alle großen Fragen beantwortet, im Gegenteil ...

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12 Die Natur der Masse

Season 1 · Episode 12

Tuesday, April 30, 2024 • Duration 45:17

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

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

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

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

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

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2_02 Was ist Licht?

Season 2 · Episode 2

Friday, March 1, 2024 • Duration 25:24

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

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

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

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

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

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