Intuition.

aus derStandard.at, 19. Oktober 2018, 06:30

Das "Bauchgefühl" in der Wissenschaft

Psychologin nützt Intuition für Forschungsarbeit: Sie könne ein mächtiges Instrument im wissenschaftlichen Erkenntnisprozess sein

von Raimund Lang 

Wissenschaft gilt als Inbegriff der Vernunft. Logisches Denken, gründliches Prüfen sind ihre unverzichtbaren Werkzeuge. Sie sollen Objektivität garantieren. Ahnungen sind demgegenüber verpönt. Die Psychologin Barbara Kump, Universitätsassistentin am Institut für KMU-Management an der Wirtschaftsuniversität Wien, möchte dieses Bild allerdings korrigieren.

Das "Bauchgefühl" Intuition kann ein mächtiges Instrument im wissenschaftlichen Erkenntnisprozess sein, so ihre These. Intuition darf dabei jedoch nicht als "sechster Sinn" verklärt werden. Vielmehr versteht Kump darunter eine Form der Datenverarbeitung.

Während das rationale Denken bewusst abläuft und dabei einen im Hirn lokalisierten Arbeitsspeicher benutzt, umgeht Intuition diesen Speicher. Ein Nachteil dieser Form von Denken ist, dass sie unbewusst abläuft. "Dieser Nachteil ist aber gleichzeitig ein Vorteil", meint Kump. "Unser bewusster Arbeitsspeicher ist sehr klein, er kann deshalb nur einen Bruchteil aller Eindrücke aufnehmen. Intuition kann viel mehr Daten schnell verarbeiten."

Sprachliche Bilder

Intuition lässt sich nur schwer sprachlich ausdrücken. Man behilft sich deshalb sprachlicher Bilder. Kennt man diese Einschränkungen, kann Intuition nutzbringend eingesetzt werden. "Intuition kann schnell Muster in Daten erkennen", so Kump. "Ein Beispiel ist der Arzt, der einen Patienten ansieht und intuitiv weiß, dass mit ihm etwas nicht stimmt."

• XII. Bilder, Zeichen und Begriffe

Die Wissenschafterin hat ihren Ansatz bereits in einem Projekt aus dem Bereich der Organisationsforschung angewandt. Dabei ging es um die Frage, wie Unternehmen mit Veränderungen umgehen und welchen Herausforderungen sie dabei gegenüberstehen. Dafür hat sie mit einem Team Interviews mit Vertretern der Unternehmen durchgeführt.

"Einerseits sind wir mit einem rationalen Blick an die Aufgabe herangegangen", erklärt Kump. "Gleichzeitig haben wir aber explizit unsere Eindrücke auf uns wirken lassen." Ein Schritt im Rahmen der Auswertung der Interviews bestand dann darin, Assoziationen, Metaphern oder sprachliche Bilder zu entwickeln. Dabei tauchten etwa Begriffe wie "Ameisenhaufen", "Gleichmacherei" oder "Feriencamp" als Beschreibungen der Unternehmen auf. In der sehr emotional geführten Diskussion kristallisierten sich dann Hypothesen heraus.

Hypothesen überprüfen

Vielversprechende wurden von weniger plausiblen Hypothesen getrennt. Als letzter Schritt überprüften die Wissenschafter, ob die intuitiv gewonnenen Hypothesen von den Daten bestätigt werden oder nicht. Als externe Bestätigung der Methodik darf gelten, dass sich die Unternehmen in den Ergebnissen durchwegs wiederfanden. So war eine Firma beispielsweise sehr auf die Gleichwertigkeit aller Mitarbeiter bedacht. Das Projekt konnte jedoch herausarbeiten, dass zwischen jüngeren und älteren Mitarbeitern ein latenter Konflikt besteht.

Kumps Ideen dürften auch in der wissenschaftlichen Community auf Gehör stoßen. So publizierte sie gemeinsam mit Christina Schweiger von der FH Wien der WKW ein Paper, das bei der Managementkonferenz Euram mit dem "Most Inspirational Paper Award" ausgezeichnet wurde.

Kein Passwort.

Elektronen umkreisen einen Atomkern

aus derStandard.at, 18. Oktober 2018, 09:00

Warum Materie existiert, bleibt rätselhaft.
Warum es mehr Materie als Antimaterie gibt, kann das Standardmodell auch nach den jüngsten Experimenten nicht erklären.

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik ist jene Gesamttheorie, mit der Forscher versuchen, die Gesetze des Universums, dessen fundamentalen Kräfte und die darin enthaltenen Teilchen zu erklären. Das Modell ist gleichsam ein mathematisches Abbild der Realität – allerdings eines, in dem noch viele große Löcher klaffen. Eines der größten ist etwa die Lücke, in die in Zukunft vielleicht einmal auch die Gravitation hineinpasst, denn noch lässt sie sich nicht mit dem Standardmodell vereinbaren.

Jenen Teil des Kosmos allerdings, den das Standardmodell zu beschreiben versucht, erklärt es recht schlüssig: Bisher konnte noch kein Experiment signifikante Ergebnisse vorweisen, die den Vorhersagen dieser Theorie widersprechen würden. Ein Grund mehr für die Physiker, zufrieden zu sein, sollte man meinen. Tatsächlich aber ist es gerade die fehlende Widersprüchlichkeit, die die Köpfe der Theoretiker seit Jahrzehnten qualmen lässt.

Mangelhaftes Weltmodell

"Das Standardmodell, so wie es heute dasteht, hat vor allem einen großen Mangel: Es kann nicht erklären, warum die Materie im Kosmos überhaupt existiert", sagt Gerald Gabrielse von der Northwestern University. Eigentlich sollten sich nämlich nach diesem Modell Materie und Antimaterie bereits kurz nach dem Urknall gegenseitig ausgelöscht haben. Der Physiker und sein Team haben einen Großteil ihrer Karriere darauf verwendet, dieses Problem zu lösen. Letztlich blieb ihnen nur übrig, sich alternativen Theorien zuzuwenden.

Diese Thesen gehen von bisher unentdeckten subatomaren Teilchen aus, die unter anderem dazu beitragen würden, dass die Ladung von Elektronen nicht kugelförmig ist, sondern eine verzerrte Sphäre bildet. Könnte man diese verbeulte Elektronenform nachweisen, wäre dies gleichzeitig ein fundierter Beleg dafür, dass das Standardmodell doch nicht so stimmig ist wie gedacht.

Mit anderen Worten: Sollten diese beispielsweise von der Supersymmetrietheorie vorhergesagten massereichen Quantenpartikel tatsächlich existieren, dann könnten sie auch erklären, warum ein offensichtliches Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie herrscht, das letztlich dafür sorgt, dass sich die Materie unseres Universums nicht längst in Energie aufgelöst hat.

Absage an Alternativen

"Annähernd alle alternativen Modelle sagen voraus, dass die Ladungssphäre von Elektronen eigentlich verzerrt sein sollte", meint Gabrielse. "Unser Ziel war es daher, diese Eigenschaften von Elektronen mit einer Präzision zu analysieren, die bisher noch nie erreicht wurde." Das ist dem Team um Gerald Gabrielse nun tatsächlich gelungen: Die Forscher stellten im Rahmen des Advanced-Cold-Molecule-Electron-Experiments jedoch fest, dass Elektronen eindeutig eine perfekte Kugel besitzen. Die nun im Fachjournal "Nature" präsentierten Resultate bedeuten damit auch, dass die hypothetischen Partikel zumindest in der angenommenen Form nicht existieren.

"Unsere Daten lassen also keinen Zweifel daran, dass man die alternativen Modelle zur Erklärung des Kosmos offenbar ernsthaft infrage stellen muss", sagt Gabrielse. Und – noch wichtiger – sie bestätigen einmal mehr, dass das etablierte Standardmodell, so lückenhaft es auch sein mag, weiterhin die plausibelste Theorie zur Erklärung des Universums ist, auch wenn damit die Frage nach dem Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie weiterhin ungeklärt bleibt. (tberg.)

Abstract 
Nature: "Improved limit on the electric dipole moment of the electron."


 
aus Die Presse, Wien,18.10.2018 um 05:50

Enttäuschung in Physik: 

Das Elektron bleibt rund

Seit gut 40 Jahren hoffen theoretische Physiker auf Daten, die über das Standardmodell der Teilchenphysik hinausweisen. Doch auch bei einer sehr genauen Bestimmung der Ladungsverteilung des Elektrons fand sich keine Spur bisher unbekannter Elementarteilchen.

Von Thomas Kramar

 Zwölf Elementarteilchen (darunter z. B. das Elektron und sechs Quarks) bauen die Materie auf, fünf weitere Teilchen stehen für drei der vier Grundkräfte (die vierte, die Gravitation, passt nicht wirklich dazu), dazu kommt noch das erst 2012 nachgewiesene Higgs-Boson: Das Standardmodell der Teilchenphysik steht, und es steht gut.

Zu gut – finden viele Theoretiker. Sie haben ein merkwürdig gespaltenes Verhältnis zum Standardmodell, sie wünschen sich ganz offen, dass endlich Physik entdeckt wird, die über es hinausweist.

Denn es lässt einiges unerklärt. Etwa warum es im Universum so viel Materie gibt und kaum Antimaterie. Laut Standardmodell hätten die beiden in gleichen Mengen entstehen und einander längst auslöschen müssen. Unzufrieden sind auch die Vertreter einer Supersymmetrie, die die starke Kraft mit der schwachen Kraft und dem Elektromagnetismus vereinen soll: Sie meinen, dass es zu jedem Teilchen des Standardmodells ein supersymmetrisches Pendant geben müsste. Doch man hat auch im stärksten Teilchenbeschleuniger bisher keines davon nachweisen können. Das heißt, dass diese Teilchen, wenn es sie denn gibt, allesamt ganz schön schwer sein müssen. Was wieder den Vorteil hätte, dass sie gleich auch die rätselhafte dunkle Materie erklären könnten . . .

Im Vakuum ist vieles möglich

Auch die nun in Nature (17. 10.) publizierte Messung erhöht die Schranke, über der die Massen etwaiger bisher unbekannter Elementarteilchen liegen müssen, beträchtlich, über die Kapazität des derzeit größten Teilchenbeschleunigers, des LHC in Genf, hinaus. Gemessen wurde das Dipolmoment des Elektrons. Es hat keines, sagt das Standardmodell: Seine Ladungsverteilung ist perfekt kugelförmig. Wenn es aber schwere Elementarteilchen jenseits des Standardmodells gäbe, dann würden sie die Ladungsverteilung leicht verzerren – auch wenn sie gar nicht real präsent sind. Denn im Vakuum der Quantenelektrodynamik – die auch im Standardmodell regiert – bilden sich fortwährend Paare von Teilchen und ihren Antiteilchen, um schnell wieder zu verschwinden. So kurz ihre Existenz ist, sie tut ihre Wirkung. Man kann etwa die Eigenschaften des Elektrons nicht exakt berechnen, ohne die es umgebende Wolke an stets entstehenden und wieder vergehenden Teilchen einzukalkulieren. (Genau das tut die Quantenelektrodynamik.)

Jedenfalls fand sich bei der Messung keine Spur von unbekannten schweren Teilchen. Denn die Ladungsverteilung wurde als perfekt kugelförmig bestätigt. „Wenn ein Elektron so groß wie die Erde wäre, könnten wir detektieren, wenn sein Mittelpunkt um eine Entfernung verschoben würde, die um eine Million Mal kleiner als ein Haar ist“, sagt Gerald Gabrielse, Leiter des Experiments: „So empfindlich ist unsere Apparatur.“ Er weiß: „Wenn wir entdeckt hätten, dass das Elektron nicht völlig rund ist, wäre das die größte Schlagzeile der Physik seit Jahrzehnten.“ Trotzdem sei sein Experiment wichtig: „Es stärkt das Standardmodell und schließt alternative Modelle aus.“ Das Standardmodell müsse falsch sein, davon ist Gabrielse weiter überzeugt, „aber wir finden offensichtlich nicht, wo es falsch ist.“

Gabrielse schwärmt auch davon, wie moderat der Aufwand für das Experiment – bei dem sehr kalte Thoriumoxid-Moleküle mit Laserstrahlen beschossen wurden – war: „Das Team bestand nur aus einem Dutzend Forscher, die Apparatur passte in einen Kellerraum in Harvard.“ Beides kann man von den gigantischen Teilchenbeschleunigern, mit denen derzeit nach „neuer Physik“ gesucht wird, nicht behaupten.


Nota. - Man stelle sich vor, da steckt ein intelligenter Designer hinter. Der muss sich sehr gelangweilt haben, als er bei der Schöpfung der Materie so umständlich vorging. Doch so kompliziert es ist - es erklärt nicht, warum er auf einen Trick verfiel, der so jenseits aller Wahrscheinlichkeit liegt, dass die versammelte Gesellschaft unserer klügsten Köpfe bis heute keine Ahnung haben, was dahintersteckt. Gegen welchen Mitbewerber wollte er sein System verschlüsseln? Er hat doch keinen, oder? Hat er denn befürchtet, sobald seine Geschöpfe das Passwort herausfänden, würden sie seine Schöpfung kaputtmachen? Da war unser De- signer aber nicht intelligent genug! Denn das schaffen wir auch so.

Der Theologe sagt, die Wege des Herrn sind unergründlich, man dürfe Gott nicht begreifen wollen. Wissen- schaft ist aber um des Begreifens willen da.
JE

Swinging universe?

ebay

aus welt.de, 10. 10. 2018                                                            

Physiker streiten
Das All dehnt sich ewig aus. Oder doch nicht
Bislang wird die Expansion des Weltalls durch eine dunkle Energie erklärt. Doch jetzt fragen sich Physiker: Ist sie überhaupt stabil? Die Ausdehnung des Universums könnte wieder zum Stillstand kommen. 

Von Norbert Lossau

In die Stringtheorie setzen die Physiker große Hoffnungen. Sie soll zwei zentrale Theoriegebäude miteinander vereinen, die bislang noch unverbunden nebeneinanderstehen: die Quantenphysik und die Gravitation. Das ist abstrakte Mathematik, mit der sich die ganze Welt, von den kleinsten Teilchen bis hin zu den größten Strukturen im Universum, beschreiben lassen soll. Das Universum dehnt sich bekanntlich aus, und zwar sogar beschleunigt. Für diese Erkenntnis wurde der Physik-Nobelpreis des Jahres 2011 vergeben.

Erklärt wird die Expansion des Weltalls bislang durch eine überall vorhandene „dunkle Energie“. Den mathematischen Ausdruck für diese geheimnisvolle Energie des Raums hatte bereits Albert Einstein in die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie eingeführt – wenngleich er damit ursprünglich ein nicht expandierendes Weltall konstruieren wollte. Jetzt ist plötzlich eine intensive Diskussion unter den Stringtheorie-Forschern entbrannt.

Begonnen hatte es mit einer Veröffentlichung des Physikers Cumrun Vafa von der Harvard University. Er hat darin die revolutionäre These aufgestellt, dass die Stringtheorie mit der Existenz von dunkler Energie grundsätzlich nicht vereinbar sei. Die Felder, mit denen man bislang die dunkle Energie zu erklären versuchte, seien innerhalb der Stringtheorie nicht möglich.

Der Physiker Timm Wrase von der TU Wien hat sich mit den Konsequenzen dieser Vermutung auseinandergesetzt und seine Folgerungen im renommierten Journal „Physical Review“ veröffentlicht. Wenn die bisherige Erklärung der dunklen Energie nicht mehr funktioniert, dann müsse es ein Energiefeld mit ganz anderen Eigenschaften geben.

Plötzlich hat das Modell vom „Big Crunch“ wieder Chancen

Wrase folgert, dass sich der Betrag der dunklen Energie mit der Zeit verändern muss und deshalb die Expansion des Universums möglicherweise doch irgendwann zum Stillstand kommt. Dann könnte die Gravitation die gesamte Materie im Universum zusammenziehen und wieder in einem Punkt vereinen. Das wäre die Umkehrung des Urknalls – eine Möglichkeit, die schon in den 1960er-Jahren von dem britischen Physiker Sir Martin Rees angedacht wurde.

Seit dem Nachweis der beschleunigten Expansion des Weltalls hatte das Modell vom „Big crunch“ keine Chancen mehr. Das könnte sich jetzt ändern. Einmal mehr lernen wir: In der Physik gibt es keine endgültigen Wahrheiten.


Nota. - Die Konsequenz wäre ein Universum, das von einem Urknall zu einem Big Crunch schwingt und dann wieder zu einem Urknall zurück, usw. Die Vorstellung von einem swinging universe ist uralt; während die Heraklit zugeschriebene Lehre der Ewigen Wiederkehr desselben nicht verbürgt ist, war in der griechisch-römischen Stoa die Idee eines "atmenden Kosmos" lange Zeit verbreitet. Auch Friedrich Engels hat in seiner umstrittenen Dialektik der Natur mit diesem Gedanken gespielt. In der Wissenschaft wurde sie wohl nie ernsthaft diskutiert.
JE




aus derStandard.at, 8. Oktober 2018, 13:50

Wiener Physiker dämpft neuen Vorstoß der Stringtheorie Seit Monaten diskutieren Physiker über eine neuen Ansatz führender Stringtheoretiker. Timm Wrase von der TU Wien sagt, die Idee schließe das Higgs-Teilchen aus

Wien – Über Theorien, die sich Experimenten entziehen, lässt sich trefflich streiten – etwa über die Stringtheorie. Mit ihr wird seit Jahrzehnten versucht, die Gravitation mit der Quantentheorie zu einer gemeinsamen Theorie aller Kräfte zu vereinen. Seit einigen Monaten wird über einen revolutionär klingenden Vorstoß von US-Forschern diskutiert, dem nun ein Wiener Physiker entgegentritt.

Im Standardmodell der Physik geht man von Elementarteilchen aus, die unsere Welt aufbauen. Die Stringtheorie kennt dagegen keine Teilchen, sondern nur eindimensionale Objekte: Strings. Die verschiedenen bekannten Teilchen würden sich demnach nur durch unterschiedliche Schwingungen dieser "Strings" manifestieren. Dazu bräuchte es aber nicht nur die drei, sondern deutlich mehr Raumdimensionen. Mathematisch liefert die Stringtheorie durchaus nachvollziehbare Ergebnisse, doch experimentell lassen sich ihre Vorhersagen kaum überprüfen.

Vafas Vermutung

Vor dem Sommer hat ein Team um den Harvard-Physiker Cumrun Vafa, einer der führenden Stringtheoretiker, eine revolutionär klingende Vermutung veröffentlicht: Demnach soll die Stringtheorie mit der Existenz von Dunkler Energie wie sie bisher verstanden wurde grundsätzlich unvereinbar sein. Das Problem dabei: Nur mit Dunkler Energie lässt sich die beschleunigte Expansion des Universums erklären.

Diese immer schnellere Ausbreitung ist aber anerkannt, für ihre Entdeckung wurde 2011 der Physiknobelpreis vergeben. Daher diskutieren Stringtheoretiker weltweit seit Monaten diese Frage, wie die Technische Universität Wien mitteilte.

Neuer Antrieb

Timm Wrase vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien erkannte aber, dass an Vafas Vermutung etwas nicht stimmen kann. Wäre es tatsächlich so, dürfte es auch kein Higgs-Teilchen geben, zeigen seine Berechnungen, die er gemeinsam mit deutschen und US-Kollegen nun im Fachjournal "Physical Review D" veröffentlicht hat. Doch das Higgs-Teilchen wurde zweifelsfrei nachgewiesen – dafür wurde 2013 der Physiknobelpreis vergeben.

Bereits vor der Publikation hat Wrase seine Ergebnisse auf der Online-Plattform "Arxiv" veröffentlicht und damit heftige Diskussionen ausgelöst. "Diese Kontroverse ist eine gute Sache für die Stringtheorie", sagte der Forscher. Denn plötzlich hätten viele Leute ganz neue Ideen, über die bisher noch niemand nachgedacht habe. "Vielleicht führt uns das zu spannenden neuen Erkenntnissen über die Natur der Dunklen Energie – das wäre ein großer Erfolg", so Wrase. (APA, red, 8.10.2018)

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Abstract
Physical Review D: "de Sitter swampland conjecture and the Higgs potential"

Zweifel an der Quantenphysik.

aus derStandard.at, 23. September 2018, 15:30

Unerwartete Widersprüche bei Gedankenexperiment
Aktuelle Studie führt zu Diskussionen in der Fachwelt

Obwohl die Quantenmechanik eine durch Experimente gut untermauerte Theorie darstellt, gilt sie nur für einen Teil des Universums: Das Verhalten von größeren Objekten kann sie nicht befriedigend beschreiben. Nun haben Schweizer Physiker ein Gedankenexperiment vorgestellt, das zu unerwarteten Widersprüchen führt. Der Befund wirft grundsätzliche Fragen auf – und polarisiert auch die Fachwelt.

Seit fast 100 Jahren wird die Quantenmechanik stets aufs Neue mit hoher Präzision experimentell bestätigt – und doch sind die Physiker nicht restlos glücklich mit ihr. Denn die Quantenmechanik beschreibt zwar sehr genau das Geschehen auf der mikroskopischen Ebene. Doch bei größeren Objekten stößt sie an ihre Grenzen – insbesondere wenn es sich um Objekte handelt, bei denen die Gravitationskraft eine Rolle spielt. So lässt sich etwa das Verhalten von Planeten mit der Quantenmechanik nicht beschreiben. Das ist nach wie vor die Domäne der allgemeinen Relativitätstheorie, die wiederum die Vorgänge im Kleinen nicht richtig zu beschreiben vermag. Viele Physiker träumen denn auch davon, die Quantenmechanik mit der Relativitätstheorie zu einem schlüssigen Bild unserer Welt zu verknüpfen.

Die Grenzen quantenphysikalischer Experimente

Doch wie lassen sich zwei Theorien miteinander verbinden, die zwar beide in ihren Domänen die physikalischen Vorgänge sehr treffend beschreiben, aber eben doch sehr unterschiedlich sind? Ein möglicher Weg ist, quantenphysikalische Experimente mit immer größeren Objekten durchzuführen. Die Hoffnung dabei: Irgendwann tauchen Unstimmigkeiten auf, die mögliche Lösungswege aufzeigen. Doch den Physikern sind dabei enge Grenzen gesetzt. Das berühmte Doppelspaltexperiment etwa, mit dem gezeigt werden kann, dass feste Partikel sich gleichzeitig wie Wellen verhalten, lässt sich mit Alltagsgegenständen nicht durchführen.

Mit Gedankenexperimenten hingegen lassen sich die Grenzen zur makroskopischen Welt überwinden. Genau das haben Renato Renner, Professor für theoretische Physik an der Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), und seine ehemalige Doktorandin Daniela Frauchiger in einer Publikation gemacht, die nun im Fachjournal "Nature Communications" vorgestellt wurde. Salopp gesagt betrachten die beiden in ihrem Gedankenexperiment einen hypothetischen Physiker, der ein quantenmechanisches Objekt untersucht, und berechnen dann mit Hilfe der Quantenmechanik, was der Physiker feststellen wird. Gemäß unserem heute gültigen Weltbild sollte diese indirekte Betrachtung zum gleichen Resultat führen wie die direkte Beobachtung. Doch die Berechnungen der beiden zeigen, dass dies gerade nicht der Fall ist: Die Voraussage, was der Physiker beobachten wird, ist gerade das Gegenteil dessen, was man direkt messen würde – eine paradoxe Situation.

Problem, das sich nicht einfach knacken lässt

Obwohl das Gedankenexperiment erst jetzt offiziell publiziert wird, hat es in der Fachwelt bereits für Gesprächsstoff gesorgt. Da sich der Publikationsprozess immer wieder verzögerte, gibt es inzwischen bereits verschiedene andere Arbeiten, die sich mit den Befunden befassen. Die übliche erste Reaktion in der Fachwelt sei meistens, die Berechnungen anzuzweifeln, berichtet Renner. Doch bisher ist es niemandem gelungen, die Kalkulationen zu falsifizieren. Ein Gutachter räumte ein, er hätte inzwischen fünf Mal erfolglos versucht, einen Fehler in den Berechnungen zu finden. Andere Kollegen wiederum präsentierten konkrete Erklärungen, wie das Paradox gelöst werden kann. Doch bei näherem Hinsehen zeigte sich stets, dass es sich um Ad-hoc-Lösungen handelt, mit denen sich das Problem nicht aus der Welt schaffen lässt.

Bemerkenswert findet Renner, dass das Thema offenbar polarisiert. Einige Kollegen hätten auf seine Ergebnisse sehr emotional reagiert, stellt er erstaunt fest. Das liegt wohl daran, dass die zwei naheliegenden Schlussfolgerungen aus Renners und Frauchigers Befunden gleichermassen irritierend sind. Die eine Erklärung ist, dass die Quantenmechanik offensichtlich nicht wie bisher angenommen universell anwendbar ist und demnach nicht auf größere Objekte angewendet werden kann. Doch wie kann es sein, dass eine Theorie, die experimentell immer wieder so deutlich bestätigt wurde, inkonsistent ist? Die andere Erklärung lautet, dass es offenbar auch in der Physik keine klaren Fakten gibt und dass es neben dem, was wir für wahr halten, auch noch andere Möglichkeiten gibt.

Lösungen von unerwarteter Seite

Mit beiden Interpretationen tut sich Renner schwer. Er ist vielmehr überzeugt, dass sich das Paradox auf andere Weise lösen wird: "Wenn man in der Geschichte zurückblickt, dann kam die Lösung in solchen Momenten oft von unerwarteter Seite", erklärt er. So basiert beispielsweise die allgemeine Relativitätstheorie, mit der Widersprüche in der Newtonschen Physik aufgelöst werden konnten, auf der Einsicht, dass das damals noch gängige Konzept der Zeit falsch war. "Unsere Aufgabe besteht nun darin zu prüfen, ob wir bei unserem Gedankenexperiment nicht Annahmen getroffen haben, die wir in dieser Form nicht hätten treffen dürfen", erklärt Renner.

"Wer weiß, vielleicht müssen wir sogar unsere Vorstellung von Raum und Zeit nochmals revidieren." Für Renner wäre das durchaus eine reizvolle Option: "Nur wenn wir bisherige Theorien fundamental überdenken, gelangen wir zu tieferen Einsichten, wie die Natur wirklich funktioniert." (red.)

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Abstract
Nature Communications: "Quantum theory cannot consistently describe the use of itself."

Nota. - Erkenntnislogisch ist es gar nicht vorstellbar, dass die Vorstellungsweisen von der Mikrowelt gleichermaßen auf Meso- und Makroshpäre passten. Es machte überdies nicht nur die Annahme eines intelligenten Designers wahrscheinlich, sondern auch die, dass seine Intelligenz die unsere durchflutet.
JE

Eine quantenmechanische Theorie vom Urknall?

Thomas Hertog

aus derStandard.at, 25. September 2018, 07:00

"Wir brauchen eine neue Theorie vom Urknall"

Thomas Hertog hat viele Jahre mit dem Physiker Stephen Hawking den Ursprung des Universums erforscht

Interview von Tanja Traxler

 
Thomas Hertog hat keine Angst vor großen Fragen. Wie hat unser Universum begonnen? Wie wird es enden? Ebensolchen Themen widmet sich der belgische Astrophysiker in seiner Forschung. Einen kongenialen Partner dafür hat er in Stephen Hawking gefunden. Kurz bevor der britische Physiker im März dieses Jahres verstarb, ist Hertog mit ihm die letzten Korrekturen einer gemeinsamen Publikation durchgegangen. Es geht dabei um eine quantenphysikalische Annäherung an den Urknall.

STANDARD: Als langjähriger Kollege von Stephen Hawking waren Sie auch an dessen letzter Publikation "A Smooth Exit from Eternal Inflation" beteiligt, die einige Wochen nach seinem Tod im Frühjahr erschienen ist. Darin schlagen Sie eine neue Theorie zum Ursprung des Universums vor. Was stört Sie denn an der gängigen Urknalltheorie?

Hertog: Die aktuelle Theorie des Urknalls wird als kosmische Inflation bezeichnet. Ihr zufolge ist beim Urknall nicht nur unser Universum entstanden, sondern auch viele andere – man spricht vom Multiversum. Wir können uns das Multiversum wie ein Mosaik verschiedener Universen vorstellen, wie Bläschen in kochendem Wasser. Die Gesetze der Physik und der Chemie können sich von Universum zu Universum unterscheiden. Manche beinhalten Sterne und beheimaten Leben, andere sind fast völlig leer. Das Problem mit der gängigen Theorie ist, dass sie kaum Vorhersagen über unser eigenes Universum trifft.

STANDARD: Um die Vorgänge im Universum zu beschreiben, ist Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie das anerkannte Modell. Was sagt uns diese Theorie über die Entstehung des Universums?

Hertog: Einsteins Relativitätstheorie gibt uns eine gute Erklärung dafür, wie sich das Universum entwickelt, wenn es einmal existiert. Aber die Theorie sagt uns nichts darüber, wie das Universum entstanden ist. Daher denken wir, dass eine Kombination von Einsteins Relativitätstheorie und der Quantentheorie notwendig ist, um das frühe Stadium unseres Universums zu verstehen.

STANDARD: Welche Schwierigkeiten ergeben sich, wenn man die Quantentheorie zur Beschreibung des Ursprungs des Universums heranzieht?

Hertog: Die Quantentheorie und die Relativitätstheorie eröffnen uns zwei sehr unterschiedliche Perspektiven auf die Welt. Die Quantenrealität wird von Unsicherheiten und Zufällen bestimmt. Daher ergibt jede quantenphysikalische Theorie des Urknalls nicht nur ein Universum, sondern immer ein ganzes Ensemble an Universen – das Multiversum. Die große Herausforderung, vor der die moderne Kosmologie heute steht, liegt darin, die Multiversum-Theorie testbar zu machen. Mit der Publikation von Stephen Hawking und mir unternehmen wir einen Schritt in diese Richtung.

STANDARD: Welche Vorteile bietet Ihre neue Theorie gegenüber den herkömmlichen Vorstellungen?

Hertog: Unser Modell basiert auf der Stringtheorie, die sich um eine Vereinheitlichung von Relativitätstheorie und Quantentheorie bemüht. Im Speziellen verwenden wir das holografische Prinzip der Stringtheorie. Es besagt, dass das Universum ein großes, komplexes Hologramm ist: Die physikalische Realität in dreidimensionalen Räumen kann mathematisch in speziellen Fällen zu zweidimensionalen Projektionen auf einer Oberfläche vereinfacht werden. Stephen und ich haben erkannt, dass wir dieses Konzept anwenden können, um die früheste Phase unseres Universums als Hologramm zu beschreiben. Dadurch können wir das Multiversum in unserer Theorie auf eine überschaubarere Anzahl an möglichen Universen reduzieren.

STANDARD: Wie ist die Theorie, dass das Universum mit dem Urknall seinen Anfang genommen hat, überhaupt entstanden? Man könnte ja auch behaupten, dass das Universum immer schon existiert hat.

Hertog: Die Urknalltheorie geht zurück auf den belgischen Astronomen George Lemaître. Er hat 1927 gezeigt, dass sich aus Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie die Ausdehnung des Universums ableiten lässt. 1929 bestätigte der Astronom Edwin Hubble diese Vorhersage, indem er beobachtete, wie sich entfernte Galaxien tatsächlich immer weiter von uns wegbewegen. Einige Jahre später hat Lemaître aus der Ausdehnung des Universums geschlossen, dass es einst kleiner gewesen sein muss. Letztlich spekulierte er, dass es einen Urknall gegeben haben muss.

STANDARD: Dennoch waren damals viele Physiker nicht von der Urknalltheorie überzeugt. Was war das entscheidende Argument, um sie umzustimmen?

Hertog: Bis in die 1960er-Jahre hat es Leute gegeben, die gegen die Urknalltheorie argumentiert haben. Doch dann ist die kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt worden. Sie ist gewissermaßen ein Bote des Nachglühens des Universums nach dem Urknall. Seither gibt es nur noch sehr wenige Menschen, die an der Urknalltheorie zweifeln. Stephen Hawking schrieb gerade seine Dissertation, als die kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt wurde. Er zeigte in seiner Doktorarbeit, dass der Urknall in einem expandierenden Universum unvermeidbar ist.



STANDARD: Wie hat die Entdeckung Hawkings Denken geprägt?

Hertog: Stephen hat sich von diesem Moment an darauf konzentriert, eine Art Quantentheorie zu entwickeln, die den Beginn des Universums beschreibt. Er hatte das Gefühl, dass die Kosmologie ohne Verständnis des Urknalls unvollständig sein würde – und unbefriedigend.

STANDARD: Was sagt denn der Urknall über unser Universum?

Hertog: Viele Eigenschaften unseres Universums, insbesondere jene, dass es Sterne, Galaxien und intelligentes Leben beheimatet, haben ihren Ursprung in den physikalischen Bedingungen beim Urknall. Es muss also etwas Besonderes am Urknall gegeben haben, das dazu beigetragen hat, unser Universum genau in die richtige Richtung anzustoßen, dass sich Milliarden Jahre später Komplexität und Leben entwickeln können.

STANDARD: Sie haben viele Jahre mit Stephen Hawking zusammengearbeitet – inwiefern hat er Sie in Ihrer Art, Physik zu betreiben, beeinflusst?

Hertog: Stephen hatte ein großes Talent dafür, die richtigen Fragen zu stellen. Es ist ein gängiges Missverständnis, dass die theoretische Physik nur mit Formeln zu tun hat. Tatsächlich geht es in der Praxis oft darum, die richtigen Fragen zu identifizieren. Stephen hatte dafür eine ganz besondere Begabung.

STANDARD: Was Sie außerdem mit Hawking verbindet, ist Ihr Engagement, Forschung einem breiteren Publikum zu vermitteln. Warum ist Ihnen das ein Anliegen?

Hertog: Wissenschaft ist nicht nur für eine kleine Gruppe von Akademikern, die an Universitäten arbeiten, relevant. Sie ist eine globale Anstrengung, die das Fundament für technologische Innovationen bereitet. Ein bedeutsamer Anteil der weltweiten Wertschöpfung basiert mittlerweile auf Quantenphysik, die einst als rein theoretische Angelegenheit erachtet worden ist. In einer Welt, die von Technologien bestimmt wird, ist es essenziell, dass Wissenschafter sich in die Öffentlichkeit begeben und erklären, worum es in ihrer Arbeit geht. Letztlich ist die Wissenschaft etwas sehr Menschliches, was uns miteinander verbindet. Indem wir das Universum erforschen, lernen wir auch etwas über uns selbst. 

Thomas Hertog (geb. 1975) ist Professor für Physik an der Universität Löwen in Belgien. Seine Dissertation schrieb er an der Universität Cambridge, betreut durch Stephen Hawking. Der Europäische Forschungsrat fördert seine Forschung.

Links:

• ERC-Interview mit Thomas Hertog
• Journal of High Energy Physics: "A smooth exit from eternal inflation?"

Zählen in der Zeit.

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Unsere Neuronen können "zählen"
Wie unser Gehirn Ziffern und Mengen verarbeitet

Eins, zwei, drei: Forscher haben herausgefunden, wie unser Gehirn Zahlen verarbeitet. Ihr Experiment zeigt: Abhängig von der gesehenen Anzahl werden jeweils ganz unterschiedliche Hirnzellen aktiviert - das gilt für Mengen in Form von Punkten ebenso wie für Ziffern. Dabei sind die Aktivitätsmuster erstaunlich spezifisch: Allein der Blick ins Gehirn kann demnach verraten, mit welcher Menge oder Ziffer wir uns gerade beschäftigen.

Die Fähigkeit zu zählen ist uns in die Wiege gelegt: Schon kurz nach der Geburt können Babys Mengen abschätzen und einfache Berechnungen durchführen. Forscher wissen inzwischen, dass es in unserem Gehirn sogar eigene Areale für die Verarbeitung von Zahlengrößen gibt. Was aber spielt sich bei solchen Prozessen genau ab - und verarbeiten wir abstrakte Zahlen anders als konkrete Mengen?

Um das herauszufinden, haben Wissenschaftler um Esther Kutter von der Universität Bonn nun Epilepsie-Patienten ins Gehirn geblickt. Den neun Probanden waren zu Therapiezwecken haarfeine Mikroelektroden in den Schläfenlappen eingesetzt worden - und genau das machte sich das Forscherteam zunutze: "Wir konnten damit die Reaktion einzelner Nervenzellen auf visuelle Reize messen", erklärt Kutters Kollege Florian Mormann.

Auf eine Zahl eingestellt

Für ihre Untersuchung zeigten die Forscher den Studienteilnehmern auf einem Computerbildschirm eine unterschiedlich große Anzahl von Punkten - mal nur einen, mal vier oder auch fünf. Was würde beim Anblick dieser Punkte im Gehirn passieren? Es zeigte sich: "Bestimmte Nervenzellen feuerten vor allem bei ganz bestimmten Mengen", berichtet Kutter. "Manche wurden zum Beispiel hauptsächlich durch drei Punkte aktiviert, andere durch einen."

Interessant dabei: Die einzelnen Neuronen waren zwar auf eine bestimmte Menge "eingestellt", sprachen aber auch auf leicht abweichende Mengen an. Eine Dreier-Hirnzelle feuerte demnach auch bei zwei oder vier Punkten, wie die Wissenschaftler berichten. Durch einen oder fünf Punkte ließ sie sich dagegen kaum noch aktivieren. Experten nennen das den "Numerical Distance Effect" - ein Phänomen, das bereits im Gehirn von Affen beobachtet wurde.

Ähnliches Prinzip bei Ziffern

Das abhängig von der gesehenen Menge erzeugte Aktivitätsmuster war dabei sehr spezifisch: "Wir haben einen Algorithmus geschrieben, der dieses Muster auswertet", erklärt Mormann. "Mit ihm konnten wir allein aus dem Erregungszustand der Nervenzellen ablesen, wie viele Punkte unsere jeweilige Versuchsperson gerade sah."

Ähnliches beobachteten die Forscher auch, als sie den Probanden statt Mengen in Form von Punkten konkrete Ziffern zeigten. So feuerten bei bestimmen Ziffern ebenfalls bestimmte Hirnzellen - allerdings mit entscheidenden Unterschieden. Denn die Ziffern-Neuronen waren nicht mit den Mengen-Neuronen identisch: Die Ziffer "3" regt demnach ganz andere Nervenzellen an als eine Menge von drei Punkten.

Dyskalkulie besser verstehen?

Analog zum Mengenexperiment gab es aber auch hier einen "Numerical Distance Effect", wie Mormann berichtet: "Sie lassen sich also ebenfalls nicht nur durch die genau passende Ziffer, sondern auch durch deren Nachbarn anregen." Für die Wissenschaftler zeichnet sich damit ab, dass wir uns Ziffern anders aneignen als andere einfache Zeichen - und dass diese Symbole in unserem Gehirn eng mit einer bestimmten Mengenvorstellung verwoben sind. Die Neuronen müssen demnach gelernt haben, dass sich eine "3" in ihrem Wert nur wenig von einer "2" oder einer "4" unterscheidet, sonst würden sie nicht auf diese beiden Ziffern ansprechen.

Die Forscher hoffen, dass diese neuen Erkenntnisse in Zukunft auch zu einem besseren Verständnis der Dyskalkulie beitragen werden - einer Entwicklungsstörung, die unter anderem mit einem schlechteren Mengenverständnis einhergeht. (Neuron, 2018; doi: 10.1016/j.neuron.2018.08.036 

(Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, 24.09.2018 - DAL)

Notabene! Meine Lieblingsidee, dass die Zahlen nicht durch Anschauung des Nebeneinanders von  Dingen im Raum, sondern aus dem Erleben vom Nacheinander des Geschehens in der Zeit entstanden ist, wird da- von nicht berührt. Das Einschätzen von Mengen ist noch nicht ihr Messen. Zu letzterem braucht man aller- dings - außer einer Maßeinheit - Zahlen. Fürs erstere reicht ein Ungefähr, wie das Experiment ja beweist. Wo die Zahlen herkommen, ist davon unberührt. Man sollte annehmen, dass sie schon da waren, als man daran ging, Mengen zu messen statt bloß zu schätzen; und dass man daran ging, weil sie schon da waren!
JE

Erbgut, das sich selbst erzeugt.

aus scinexx
 
Gene "aus dem Nichts"
Vorläufer neuer Gene in unserer DNA entstehen permanent spontan 

Plötzlich da: In unserem Erbgut entstehen ständig neue Gene spontan und quasi aus dem Nichts. Wie Forscher jetzt herausgefunden haben, bilden sich die Kandidaten für solche proteinkodierenden DNA-Abschnitte permanent aus der sogenannten Juni-Dna. Ein Großteil dieser Genvorläufer verschwindet allerdings schnell wieder. Nur aus einigen wenigen gehen wirklich funktionstüchtige Gene hervor – Code-Abschnitte, die einem Organismus grundlegend neue Eigenschaften bescheren können.

Kopieren und schrittweise verändern ist einfacher, als etwas völlig Neues zu entwickeln: Lange Zeit dachten Forscher, dieses Prinzip gelte auch für die Evolution von Genen. Demnach entstehen neue proteinkodierende Abschnitte der DNA durch die Vervielfältigung und punktuelle Veränderung bereits bestehender Gene. Dass vollständig neue Gene und damit neue Eigenschaften quasi aus dem Nichts auftauchen, galt dagegen jahrzehntelang als undenkbar.

Inzwischen beginnt dieses Dogma jedoch zu kippen. Denn jüngere Studien deuten darauf hin, dass Gene sehr wohl aus dem Nichts entstehen können - genauer gesagt: aus sogenannter Junk-DNA. Dies sind Erbgutabschnitte, die nicht für Proteine kodieren, also keine "echten" Gene enthalten. Doch wie häufig bilden sich in diesem Teil unseres DNA-Codes Kandidaten für neue Gene und wie viele davon setzen sich im Laufe der Evolution dann auch tatsächlich durch?

Neuen Genen auf der Spur

Dieser Frage sind nun Wissenschaftler um Jonathan Schmitz von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster nachgegangen. Sie haben die frühesten Stadien der Entstehung dieser Gene aus dem Nichts unter die Lupe genommen - und dafür das Erbgut von vier Säugetierarten untersucht: Maus, Ratte, Kängururatte und Opossum.

Letzteres gehört zu den Beuteltieren, deren Evolutionslinie sich früh von dem Zweig der Höheren Säugetiere abgespalten hat. Durch den Vergleich mit dieser Spezies konnten die Forscher somit 160 Millionen Jahre der Entwicklungsgeschichte der Säugetiere abdecken. Konkret fahndeten sie dabei nach sogenannten offenen Leserahmen im DNA-Code - speziellen Sequenzen, die häufig als Bauanleitungen für Proteine dienen.

Genvorläufer entstehen permanent

Die Auswertung zeigte: "Neue offene Leserahmen, also die Kandidaten für Bauanleitungen für neue Proteine, entstehen in nichtkodierenden DNA-Regionen permanent", berichtet Schmitz' Kollege Erich Bornberg-Bauer. Demnach entstehen im Vergleich viel weniger solcher Genkandidaten durch Veränderungen in proteinkodierenden Erbgutabschnitten.

Doch während neue Genvorläufer aus bewährten Genen meist lange im Erbgut erhalten bleiben, verschwinden die Genkandidaten aus dem Nichts und die daraus hervorgegangenen Transkripte meist so spontan wie sie entstanden sind: "Ein Großteil dieser neuen Kandidaten verschwindet ziemlich schnell wieder - wahrscheinlich, weil sie keine nützliche Funktion haben", schreiben die Forscher.

Erklärung für grundlegend neue Eigenschaften

Aus manchen Genvorläufern aber entwickeln sich voll funktionstüchtige Gene, wie das Team berichtet. Sie enthalten den Bauplan für funktionierende Proteine und bleiben über längere Zeit erhalten. "Diese Transkripte können dann in mehreren Abstammungslinien gefunden werden", erklärt Bornberg-Bauer. "Wahrscheinlich können sie über lange Zeiträume hinweg das Repertoire der bestehenden Proteine ergänzen und an das molekulare Wechselspiel mit diesen angepasst werden."

Manchmal übernimmt ein aus dem Nichts entstandenes Protein demnach tatsächlich eine Funktion im Organismus. "Damit haben wir auch eine Erklärung dafür, wie grundlegend neue Eigenschaften entstehen können. Allein durch punktuelle Veränderungen der genetischen Struktur ist das nämlich nicht erklärbar", schließt der Forscher. (Nature Ecology an Evolution, 2018; doi: 10.1038/s41559-018-0639-7)

(Westfälische Wilhelms-Universität Münster, 13.09.2018 - DAL)


Nota. - Dagegen war die Entdeckung der Epigenetik ja nur ein Klacks. Machen wir uns auf einiges gefasst! 
JE