Die Geschichte

Neue Form von Materie, die von Wissenschaftlern mit Licht geschaffen wurde


Wenn wir über Materie sprechen, haben wir normalerweise etwas Substanzielles im Kopf, das wir berühren und halten können. Wissenschaftler von Harvard und MIT haben jedoch unsere Überzeugungen über Materie und die Art und Weise, wie wir Licht wahrnehmen, in Frage gestellt, indem sie einen Weg entdeckt haben, wie Photonen (ein Teilchen, das ein Lichtquant darstellt) verwendet werden können, um Moleküle zu bilden.

Diese Entdeckung, so Professor Mikhail Lukin von der Harvard University, widerspricht dem, was seit Jahrhunderten über die Natur des Lichts angenommen wird, nämlich dass Photonen Elementarteilchen sind, die keine Masse haben und nicht miteinander wechselwirken.

Dem wissenschaftlichen Team ist es gelungen, ein Medium zu schaffen, in dem Photonen so stark wechselwirken, dass sie Moleküle bilden und Masse erzeugen.

Eine solche Entdeckung könnte in Zukunft viele Anwendungen haben, wenn die Mechanik besser verstanden wird. Die erste große Hilfe werden Quantencomputer sein, wo sie möglicherweise Photonen manipulieren und logische Operationen auf molekularer Ebene durchführen können. Um es in Zukunft noch weiter zu treiben, könnte es möglich sein, komplexe dreidimensionale Strukturen wie Kristalle komplett aus Licht zu erschaffen.

Zu diesem neuen Thema gibt es viel zu forschen. Schließlich handelt es sich um eine neue Form von Materie, der wir noch nie zuvor begegnet sind. Wie Professor Lukin sagte: „Wir machen das zum Spaß und weil wir die Grenzen der Wissenschaft verschieben“.

Es sieht so aus, als ob das Lichtschwert von Star Wars doch noch Realität werden könnte…


    Geschichte der Lichtforschung

    Viele Forscher haben sich im Laufe der Jahrhunderte der Herausforderung gestellt, &ldquoWas ist Licht?&rdquo . herauszufinden
    Die Optik gilt neben der Mechanik als die älteste Disziplin.
    Der Fortschritt in der Erforschung des Lichts wurde von den hier vorgestellten großen Gelehrten aus verschiedenen Bereichen erzielt, während sie andere Disziplinen leiteten und eng mit dem Wachstum von Industrie und Kultur verbunden waren.


    Inhalt

    Der Massenerhaltungssatz kann in der klassischen Mechanik nur formuliert werden, wenn die einem isolierten System zugeordneten Energieskalen viel kleiner als mc 2 > sind, wobei m die Masse von a . ist typisches Objekt im System, gemessen im Bezugssystem, in dem sich das Objekt in Ruhe befindet, und c ist die Lichtgeschwindigkeit.

    Mathematisch lässt sich das Gesetz auf den Gebieten der Strömungsmechanik und der Kontinuumsmechanik formulieren, wo die Massenerhaltung üblicherweise mit der Kontinuitätsgleichung ausgedrückt wird, die in Differentialform gegeben ist als

    Dabei ist ρ < extstyle ho >die Dichte (Masse pro Volumeneinheit), t < extstyle t>die Zeit, ∇ ⋅ < extstyle abla cdot >die Divergenz und v < extstyle mathbf > ist das Strömungsgeschwindigkeitsfeld. Die Interpretation der Kontinuitätsgleichung für Masse ist folgende: Für eine gegebene geschlossene Fläche im System ist die zeitliche Änderung der von der Fläche eingeschlossenen Masse gleich der Masse, die die Fläche durchquert, positiv, wenn Materie eindringt und negativ, wenn Sache geht aus. Für das gesamte isolierte System bedeutet diese Bedingung, dass sich die Gesamtmasse M < extstyle M>, die Summe der Massen aller Komponenten im System, zeitlich nicht ändert, d.h.

    wobei d V < extstyle < ext>V> ist das Differential, das das Integral über das gesamte Volumen des Systems definiert.

    Die Kontinuitätsgleichung für die Masse ist Teil der Eulerschen Gleichungen der Fluiddynamik. Viele andere Konvektions-Diffusions-Gleichungen beschreiben die Erhaltung und den Fluss von Masse und Materie in einem gegebenen System.

    In der Chemie basiert die Berechnung der Menge an Edukt und Produkten in einer chemischen Reaktion oder Stöchiometrie auf dem Massenerhaltungssatz. Das Prinzip besagt, dass bei einer chemischen Reaktion die Gesamtmasse der Reaktanten gleich der Gesamtmasse der Produkte ist. Zum Beispiel in der folgenden Reaktion

    wobei ein Molekül Methan ( CH
    4 ) und zwei Sauerstoffmoleküle O
    2 werden in ein Molekül Kohlendioxid ( CO
    2 ) und zwei Wasser (H
    2 Ö ). Die Zahl der aus der Reaktion resultierenden Moleküle lässt sich aus dem Massenerhaltungssatz ableiten, da zunächst vier Wasserstoffatome, 4 Sauerstoffatome und ein Kohlenstoffatom vorhanden sind (sowie im Endzustand), dann die Zahl der Wassermoleküle Pro produziertem Kohlendioxid-Molekül müssen genau zwei sein.

    Viele technische Probleme werden gelöst, indem man der Massenverteilung eines gegebenen Systems in der Zeit folgt, diese Praxis wird als Massenbilanz bezeichnet.

    Eine wichtige Idee in der antiken griechischen Philosophie war, dass "Nichts von nichts kommt", so dass das, was jetzt existiert, immer existiert hat: Keine neue Materie kann entstehen, wo vorher keine war. Eine explizite Aussage dazu, zusammen mit dem weiteren Grundsatz, dass nichts in Nichts vergehen kann, findet sich bei Empedokles (ca. 4. Jahrhundert v herbeigeführt oder davon gehört werden soll, dass das, was ist, völlig zerstört werden sollte." [4]

    Ein weiteres Erhaltungsprinzip wurde von Epikur um das 3. Jahrhundert v. Chr. aufgestellt, der die Natur des Universums beschrieb und schrieb, dass "die Gesamtheit der Dinge immer so war, wie sie jetzt ist und immer sein wird". [5]

    Die Jain-Philosophie, eine nicht-kreationistische Philosophie, die auf den Lehren von Mahavira (6. Der Jain-Text Tattvarthasutra (2. Jahrhundert n. Chr.) besagt, dass eine Substanz dauerhaft ist, ihre Modi jedoch durch Schöpfung und Zerstörung gekennzeichnet sind. [7] Ein Prinzip der Erhaltung der Materie wurde auch von Nasīr al-Dīn al-Tūsī (um das 13. Jahrhundert n. Chr.) aufgestellt. Er schrieb: "Ein Materiekörper kann nicht vollständig verschwinden. Er ändert nur seine Form, seinen Zustand, seine Zusammensetzung, seine Farbe und andere Eigenschaften und wird zu einem anderen komplexen oder elementaren Stoff". [8]

    Entdeckungen in der Chemie Bearbeiten

    Im 18. Jahrhundert wurde das Prinzip der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen weit verbreitet und war eine wichtige Annahme bei Experimenten, noch bevor eine Definition formal festgelegt wurde, [9] wie in den Arbeiten von Joseph Black, Henry Cavendish und . zu sehen ist Jean Rey. [10] Der erste, der das Prinzip skizzierte, war Mikhail Lomonosov im Jahr 1756. Er könnte es durch Experimente demonstriert haben und hatte das Prinzip sicherlich 1748 in Korrespondenz mit Leonhard Euler [11] diskutiert, obwohl seine Behauptung zu diesem Thema manchmal in Frage gestellt wird. [12] [13] Laut dem sowjetischen Physiker Yakov Dorfman:

    Das universelle Gesetz wurde von Lomonosov auf der Grundlage allgemein philosophisch-materialistischer Überlegungen formuliert, es wurde von ihm nie in Frage gestellt oder geprüft, sondern diente ihm im Gegenteil zeitlebens als solide Ausgangsbasis für alle Forschungen. [14]

    Eine verfeinerte Reihe von Experimenten wurde später von Antoine Lavoisier durchgeführt, der 1773 seine Schlussfolgerung zum Ausdruck brachte und das Prinzip der Massenerhaltung populär machte. Die Demonstrationen des Prinzips widerlegten die damals populäre Phlogiston-Theorie, die behauptete, Masse könne durch Verbrennungs- und Wärmeprozesse gewonnen oder verloren werden.

    Die Massenerhaltung war Jahrtausende lang unklar, weil die Erdatmosphäre auf das Gewicht von Gasen auftriebsstark wirkte. Zum Beispiel wiegt ein Stück Holz nach dem Verbrennen weniger, was darauf hindeutet, dass ein Teil seiner Masse verschwindet, umgewandelt wird oder verloren geht. Dies wurde nicht widerlegt, bis sorgfältige Experimente durchgeführt wurden, bei denen chemische Reaktionen wie Rosten in verschlossenen Glasampullen stattfinden durften. Es wurde festgestellt, dass die chemische Reaktion das Gewicht des verschlossenen Behälters und seines Inhalts nicht veränderte. Das Wiegen von Gasen mit Waagen war erst mit der Erfindung der Vakuumpumpe im 17. Jahrhundert möglich.

    Einmal verstanden, war die Erhaltung der Masse von großer Bedeutung für den Übergang von der Alchemie zur modernen Chemie. Als die frühen Chemiker erkannten, dass chemische Stoffe nie verschwanden, sondern nur in andere Stoffe mit gleichem Gewicht umgewandelt wurden, konnten diese Wissenschaftler erstmals quantitative Untersuchungen der Stoffumwandlungen durchführen. Die Idee der Massenerhaltung und die Vermutung, dass bestimmte "Elementarstoffe" auch durch chemische Reaktionen nicht in andere umgewandelt werden könnten, führten wiederum zu einem Verständnis chemischer Elemente sowie zu der Idee, dass alle chemischen Prozesse und Umwandlungen (wie das Verbrennen) und Stoffwechselreaktionen) sind Reaktionen zwischen unveränderlichen Mengen oder Gewichten dieser chemischen Elemente.

    Nach den bahnbrechenden Arbeiten von Lavoisier bestätigten die ausführlichen Experimente von Jean Stas die Konsistenz dieses Gesetzes bei chemischen Reaktionen [15], obwohl sie mit anderen Absichten durchgeführt wurden. Seine Forschungen [16] [17] zeigten, dass bei bestimmten Reaktionen der Verlust oder Gewinn nicht mehr als 2 bis 4 Teile von 100.000 betragen konnte. [18] Der Unterschied in der angestrebten und erreichten Genauigkeit von Lavoisier einerseits und Morley und Stas andererseits ist enorm. [19]

    Moderne Physik Bearbeiten

    Das Massenerhaltungsgesetz wurde mit dem Aufkommen der speziellen Relativitätstheorie in Frage gestellt. In einer der Arbeiten von Annus Mirabilis von Albert Einstein aus dem Jahr 1905 schlug er eine Äquivalenz zwischen Masse und Energie vor. Diese Theorie implizierte mehrere Behauptungen, wie die Idee, dass die innere Energie eines Systems zur Masse des gesamten Systems beitragen könnte oder dass Masse in elektromagnetische Strahlung umgewandelt werden könnte. Wie Max Planck betonte, ist jedoch eine Massenänderung durch Extraktion oder Zugabe chemischer Energie, wie von Einsteins Theorie vorhergesagt, so gering, dass sie mit den verfügbaren Instrumenten nicht gemessen und nicht als Test präsentiert werden konnte zur speziellen Relativitätstheorie. Einstein spekulierte, dass die mit der neu entdeckten Radioaktivität verbundenen Energien im Vergleich zur Masse der sie produzierenden Systeme signifikant genug waren, um ihre Massenänderung messen zu können, sobald die Energie der Reaktion aus dem System entfernt wurde. Dies erwies sich später tatsächlich als möglich, obwohl es schließlich die erste künstliche nukleare Transmutationsreaktion im Jahr 1932 war, die von Cockcroft und Walton demonstriert wurde und die den ersten erfolgreichen Test von Einsteins Theorie über Massenverlust mit Energieverlust bewies.

    Der Massenerhaltungssatz und der analoge Energieerhaltungssatz wurden schließlich durch ein allgemeineres Prinzip, das als Masse-Energie-Äquivalenz bekannt ist, außer Kraft gesetzt. Die spezielle Relativitätstheorie definiert auch das Konzept von Masse und Energie neu, die austauschbar verwendet werden können und sich auf den Bezugssystem beziehen. Aus Konsistenzgründen mussten mehrere Definitionen definiert werden, z Restmenge eines Teilchens (Masse im Ruhesystem des Teilchens) und relativistische Masse (in einem anderen Rahmen). Letzterer Begriff wird in der Regel seltener verwendet.

    Spezielle Relativitätstheorie Bearbeiten

    In der speziellen Relativitätstheorie gilt die Massenerhaltung nicht, wenn das System offen ist und Energie entweicht. Sie gilt jedoch weiterhin für vollständig geschlossene (isolierte) Systeme. Wenn Energie einem System nicht entweichen kann, kann seine Masse nicht abnehmen. In der Relativitätstheorie weist diese Energie, solange irgendeine Art von Energie in einem System zurückgehalten wird, Masse auf.

    Außerdem muss Masse von Materie unterschieden werden, da Materie nicht in isolierten Systemen perfekt erhalten bleiben, obwohl die Masse in solchen Systemen immer erhalten bleibt. Materie ist jedoch in der Chemie so nahezu konserviert, dass Verletzungen der Materieerhaltung erst im Kernzeitalter gemessen wurden, und die Annahme der Materieerhaltung bleibt ein wichtiges praktisches Konzept in den meisten Systemen in der Chemie und anderen Studien, die nicht die für typischen hohen Energien beinhalten Radioaktivität und Kernreaktionen.

    Die mit chemischen Energiemengen verbundene Masse ist zu klein, um sie zu messen Bearbeiten

    Die Massenänderung bestimmter Arten offener Systeme, in denen Atome oder massive Teilchen nicht entweichen dürfen, aber andere Arten von Energie (wie Licht oder Wärme) eintreten, entweichen oder verschmelzen dürfen, blieb im 19. Jahrhundert unbemerkt. weil die Massenänderung, die mit der Zugabe oder dem Verlust kleiner Mengen thermischer oder Strahlungsenergie bei chemischen Reaktionen verbunden ist, sehr gering ist. (Theoretisch würde sich die Masse bei Experimenten, die in isolierten Systemen durchgeführt werden, bei denen Wärme und Arbeit nicht ein- oder ausgelassen werden dürfen, überhaupt nicht ändern.)

    Die Massenerhaltung bleibt korrekt, wenn keine Energie verloren geht Bearbeiten

    Die Erhaltung der relativistischen Masse impliziert den Standpunkt eines einzelnen Beobachters (oder die Ansicht aus einem einzelnen Inertialsystem), da sich ändernde Inertialsysteme zu einer Änderung der Gesamtenergie (relativistischer Energie) für Systeme führen können und diese Größe die relativistische Masse bestimmt.

    Das Prinzip, dass die Masse eines Teilchensystems gleich der Summe ihrer Ruhemassen sein muss, kann, obwohl es in der klassischen Physik gilt, in der speziellen Relativitätstheorie falsch sein. Der Grund dafür, dass Ruhemassen nicht einfach addiert werden können, liegt darin, dass andere Energieformen wie kinetische und potentielle Energie und masselose Teilchen wie Photonen, die alle die Gesamtmasse von . beeinflussen können (oder auch nicht), nicht berücksichtigt werden Systeme.

    Für die Bewegung massiver Teilchen in einem System bedeutet die Untersuchung der Ruhemassen der verschiedenen Teilchen auch die Einführung vieler verschiedener Trägheitsbeobachtungssysteme (was verboten ist, wenn die gesamte Systemenergie und der Gesamtimpuls erhalten werden sollen) und auch im Ruhesystem von einem Teilchen, ignoriert dieses Verfahren die Impulse anderer Teilchen, die sich auf die Systemmasse auswirken, wenn die anderen Teilchen in diesem System in Bewegung sind.

    Für die spezielle Art von Masse, die als invariante Masse bezeichnet wird, hat die Änderung des Inertialsystems für ein ganzes geschlossenes System keinen Einfluss auf das Maß der invarianten Masse des Systems, die sowohl erhalten als auch invariant (unveränderlich) bleibt, selbst für verschiedene Beobachter, die betrachten das gesamte System. Invariante Masse ist eine Systemkombination aus Energie und Impuls, die für jeden Beobachter invariant ist, denn in jedem Inertialsystem addieren sich die Energien und Impulse der verschiedenen Teilchen immer zur gleichen Größe (der Impuls kann negativ sein, die Addition beträgt also ein Abzug). Die invariante Masse ist die relativistische Masse des Systems im Zentrum des Impulsrahmens. Es ist die minimale Masse, die ein System aufweisen darf, von allen möglichen Inertialsystemen aus betrachtet.

    Die Erhaltung sowohl der relativistischen als auch der invarianten Masse gilt sogar für durch Paarbildung erzeugte Teilchensysteme, bei denen die Energie für neue Teilchen aus der kinetischen Energie anderer Teilchen oder aus einem oder mehreren Photonen als Teil eines Systems stammen kann, das neben a noch andere Teilchen enthält Photon. Auch hier ändert sich weder die relativistische noch die invariante Masse von vollständig geschlossenen (dh isolierten) Systemen, wenn neue Teilchen erzeugt werden. Unterschiedliche Trägheitsbeobachter werden sich jedoch über den Wert dieser Erhaltungsmasse nicht einig sein, wenn es sich um die relativistische Masse handelt (d. h. die relativistische Masse ist erhalten, aber nicht invariant). Alle Beobachter sind sich jedoch über den Wert der Erhaltungsmasse einig, wenn die gemessene Masse die invariante Masse ist (d. h. die invariante Masse ist sowohl erhalten als auch invariant).

    Die Masse-Energie-Äquivalenzformel liefert in nicht isolierten Systemen eine andere Vorhersage, da, wenn Energie aus einem System entweichen darf, sowohl die relativistische Masse als auch die invariante Masse entweichen. In diesem Fall sagt die Masse-Energie-Äquivalenzformel voraus, dass Veränderung in Masse eines Systems ist verbunden mit dem Veränderung in seiner Energie aufgrund von Energie hinzugefügt oder subtrahiert: m = Δ E / c 2 . .> Diese Form der Veränderungen war die Form, in der diese berühmte Gleichung ursprünglich von Einstein präsentiert wurde. In diesem Sinne werden Massenänderungen in jedem System einfach erklärt, wenn die Masse der dem System hinzugefügten oder entzogenen Energie berücksichtigt wird.

    Die Formel impliziert, dass gebundene Systeme eine invariante Masse (Ruhemasse für das System) haben, die kleiner ist als die Summe ihrer Teile, wenn die Bindungsenergie nach der Bindung des Systems aus dem System entweichen konnte. Dies kann geschehen, indem die potentielle Energie des Systems in eine andere Art von aktiver Energie umgewandelt wird, wie beispielsweise kinetische Energie oder Photonen, die einem gebundenen System leicht entkommen. Die Differenz der Systemmassen, auch Massendefekt genannt, ist ein Maß für die Bindungsenergie in gebundenen Systemen – also die Energie, die benötigt wird, um das System auseinander zu brechen. Je größer der Massendefekt, desto größer die Bindungsenergie. Die Bindungsenergie (die selbst Masse hat) muss freigesetzt werden (als Licht oder Wärme), wenn sich die Teile zum gebundenen System verbinden, und deshalb nimmt die Masse des gebundenen Systems ab, wenn die Energie das System verlässt. [20] Die gesamte invariante Masse bleibt tatsächlich erhalten, wenn man die Masse der entwichenen Bindungsenergie berücksichtigt.

    Allgemeine Relativitätstheorie Bearbeiten

    In der Allgemeinen Relativitätstheorie nimmt die gesamte invariante Masse von Photonen in einem expandierenden Raumvolumen aufgrund der Rotverschiebung einer solchen Expansion ab. Die Erhaltung von Masse und Energie hängt daher von verschiedenen Korrekturen der Energie in der Theorie aufgrund der sich ändernden potentiellen Gravitationsenergie solcher Systeme ab.


    Wissenschaftler entdecken nach 80-jähriger Suche, wie man Licht in Materie umwandelt

    Imperiale Physiker haben entdeckt, wie man Materie aus Licht erzeugt – eine Leistung, die vor 80 Jahren als unmöglich galt, als die Idee zum ersten Mal theoretisiert wurde.

    An nur einem Tag arbeiteten drei Physiker bei mehreren Tassen Kaffee in einem winzigen Büro im kaiserlichen Blackett Physics Laboratory einen relativ einfachen Weg, um eine Theorie physikalisch zu beweisen, die erstmals 1934 von den Wissenschaftlern Breit und Wheeler entwickelt wurde.

    Breit und Wheeler schlugen vor, dass es möglich sein sollte, Licht in Materie zu verwandeln, indem nur zwei Lichtteilchen (Photonen) zusammengeschlagen werden, um ein Elektron und ein Positron zu erzeugen – die einfachste Methode, Licht in Materie zu verwandeln, die je vorhergesagt wurde. Die Berechnung erwies sich als theoretisch fundiert, aber Breit und Wheeler sagten, dass sie nie erwartet hätten, dass jemand ihre Vorhersage physisch demonstrieren würde. Es wurde noch nie im Labor beobachtet und frühere Experimente, um es zu testen, erforderten die Zugabe von massiven hochenergetischen Teilchen.

    Die neue Studie, die in Nature Photonics veröffentlicht wurde, zeigt erstmals, wie die Theorie von Breit und Wheeler in der Praxis bewiesen werden könnte. Dieser &lsquoPhoton-Photon-Collider&rsquo, der mit bereits verfügbarer Technologie Licht direkt in Materie umwandeln würde, wäre eine neue Art von Hochenergie-Physik-Experiment. Dieses Experiment würde einen Prozess nachbilden, der in den ersten 100 Sekunden des Universums wichtig war und der auch in Gammastrahlenausbrüchen zu sehen ist, den größten Explosionen im Universum und einem der größten ungelösten Rätsel der Physik.

    Die Wissenschaftler hatten nicht verwandte Probleme der Fusionsenergie untersucht, als sie erkannten, dass das, woran sie arbeiteten, auf die Breit-Wheeler-Theorie übertragen werden konnte. Der Durchbruch gelang in Zusammenarbeit mit einem befreundeten theoretischen Physiker vom Max-Planck-Institut für Kernphysik, der zufällig Imperial besuchte.

    Die Demonstration der Breit-Wheeler-Theorie würde das letzte Puzzleteil eines physikalischen Puzzles liefern, das die einfachsten Arten beschreibt, wie Licht und Materie interagieren (siehe Bild). Die sechs anderen Teile dieses Puzzles, darunter die Theorie von Dirac von 1930 über die Vernichtung von Elektronen und Positronen und Einsteins Theorie von 1905 über den photoelektrischen Effekt, sind alle mit der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Forschung verbunden (siehe Bild).

    Professor Steve Rose vom Department of Physics am Imperial College London sagte: &bdquoObwohl alle Physiker die Theorie als wahr akzeptierten, sagten Breit und Wheeler, als sie die Theorie zum ersten Mal vorschlugen, dass sie nie erwartet hätten, dass sie im Labor gezeigt wird. Heute, fast 80 Jahre später, beweisen wir, dass sie falsch liegen. Was uns so überraschte, war die Entdeckung, wie wir mit der Technologie, die wir heute in Großbritannien haben, Materie direkt aus Licht erzeugen können. Da wir Theoretiker sind, sprechen wir jetzt mit anderen, die unsere Ideen nutzen können, um dieses bahnbrechende Experiment durchzuführen.&rdquo

    Theorien, die Licht- und Materiewechselwirkungen beschreiben. Bildnachweis: Oliver Pike, Imperial College London

    Das von den Wissenschaftlern vorgeschlagene Collider-Experiment umfasst zwei wichtige Schritte. Zunächst würden die Wissenschaftler einen extrem leistungsstarken Hochleistungslaser verwenden, um Elektronen auf knapp unter Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Sie würden dann diese Elektronen in eine Goldplatte feuern, um einen Photonenstrahl zu erzeugen, der eine Milliarde Mal energiereicher ist als sichtbares Licht.

    Die nächste Stufe des Experiments beinhaltet eine winzige Golddose, die als Hohlraum bezeichnet wird. Wissenschaftler würden einen hochenergetischen Laser auf die Innenfläche dieser Golddose feuern, um ein thermisches Strahlungsfeld zu erzeugen, das Licht erzeugt, das dem von Sternen emittierten Licht ähnelt.

    Sie würden dann den Photonenstrahl aus der ersten Stufe des Experiments durch die Mitte der Dose richten, wodurch die Photonen der beiden Quellen kollidieren und Elektronen und Positronen bilden. Dann wäre es möglich, die Bildung der Elektronen und Positronen beim Austritt aus der Dose zu detektieren.

    Der leitende Forscher Oliver Pike, der derzeit in Plasmaphysik promoviert, sagte: &bdquoDie Theorie ist zwar konzeptionell einfach, aber experimentell sehr schwer zu überprüfen. Die Idee für den Collider konnten wir sehr schnell entwickeln, aber das von uns vorgeschlagene Versuchsdesign lässt sich relativ einfach und mit vorhandener Technik umsetzen. Innerhalb weniger Stunden nach Anwendungen von Hohlräumen außerhalb ihrer traditionellen Rolle in der Fusionsenergieforschung, waren wir überrascht, dass sie die perfekten Bedingungen für die Herstellung eines Photonenbeschleunigers boten. Das Rennen um die Durchführung und den Abschluss des Experiments ist eröffnet!&rdquo

    Referenz: Pike, O, J. et al. 2014. &lsquoEin Photon&ndashphoton Collider in einem Vakuumhohlraum&rsquo. Naturphotonik, 18. Mai 2014.


    Welche Bedeutung hätte die Entstehung eines Schwarzen Lochs am LHC?

    Die Entstehung eines Schwarzen Lochs am LHC würde Theorien bestätigen, dass unser Universum nicht 4-dimensional ist (3 Raum- plus 1 Zeit-Dimensionen), sondern tatsächlich andere Dimensionen beherbergt. Es wäre ein ziemlich spektakuläres philosophisches Ergebnis! So wie die Relativitätstheorie oder die Quantenmechanik unser Denken revolutioniert haben, wäre die Entdeckung der Existenz zusätzlicher Dimensionen ein wichtiger neuer Meilenstein in unserem Verständnis des Universums.

    Es gibt keine offensichtliche Anwendung dafür, dies zu wissen. Viele Leute werden darüber spekulieren, diese zusätzlichen Dimensionen für Raum- und Zeitreisen oder als Quelle für saubere Energie zu nutzen, und wer weiß was noch. [CERN]

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    Neue Form der Materie, die von Wissenschaftlern mit Licht geschaffen wurde - Geschichte

    Louis de Broglie, Materie und Licht: Die neue Physik, übers. W. H. Johnston (Allen &. Unwin, 1937) präsentiert in Heisenberg, Die Naturauffassung des Physikers, 176-178.

    . Die Laborforschung der letzten Jahre hat fast täglich zu Ergebnissen von höchstem Interesse geführt. Aber auch die theoretische Physik, deren Funktion es ist, der experimentellen Physik eine Orientierungshilfe zu geben, ist nicht untätig geblieben.

    In der Geschichte der theoretischen Physik gibt es also in den letzten dreißig Jahren zwei große Meilensteine: die Relativitätstheorie und die Quantentheorie, zwei Lehren von weitem Umfang und während die Relativitätstheorie weniger eng mit der Weiterentwicklung der Atomphysik, sie ist dem Mann auf der Straße bekannter. Sein Ursprung liegt in bestimmten Phänomenen der Lichtausbreitung, die nicht durch die älteren Theorien erklärt werden konnten, sondern durch eine intellektuelle Anstrengung, die immer einen herausragenden Platz in den Annalen der Wissenschaft einnehmen wird das Wesen von Raum und Zeit und ihre Wechselbeziehungen. Daher der Ursprung dieser bemerkenswerten Relativitätstheorie, die später eine noch allgemeinere Tragweite erlangte, indem sie uns eine völlig neue Konzeption der Gravitation lieferte. Es ist wahr, dass einige der experimentellen Überprüfungen der Theorie umstritten waren und noch immer sind, aber es ist ziemlich sicher, dass sie uns äußerst neue und fruchtbare Standpunkte liefert. Denn sie hat gezeigt, wie die Beseitigung bestimmter vorgefasster Meinungen, die eher aus Gewohnheit als aus Logik übernommen wurden, es ermöglichte, als unüberwindlich angesehene Hindernisse zu überwinden und so unerwartete Horizonte zu entdecken, und für die Physiker war die Relativitätstheorie eine wunderbare Übung zur Überwindung der mentalen Starre .

    Die Quantentheorie und ihre Entwicklungen, wenn auch weniger allgemein bekannt, sind sicherlich mindestens ebenso wichtig, da es möglich war, mit Hilfe dieser Theorie die Entdeckungen der Experimentalphysik zu einer Wissenschaft der atomaren Phänomene zu machen. Als eine genauere Beschreibung dieser Phänomene für notwendig erachtet wurde, zeigte sich als grundlegende Tatsache die Notwendigkeit, völlig neue Konzepte einzuführen, die der klassischen Physik völlig unbekannt waren. Denn um die atomare Welt zu beschreiben, reicht es nicht aus, die im menschlichen oder im astronomischen Maßstab gültigen Methoden und Bilder in einen anderen und sehr viel kleineren Maßstab zu transportieren. Wir sahen, dass es den Wissenschaftlern nach Bohr gelungen ist, sich Atome als Miniatur-Sonnensysteme vorzustellen, in denen die Elektronen die Rolle der Planeten spielen, und ihre Bahnen um eine positiv geladene Zentralsonne zu verfolgen. Aber wenn dieses Bild wirklich wertvolle Ergebnisse liefern sollte, war es notwendig, noch weiter anzunehmen, dass das atomare Sonnensystem den Quantengesetzen gehorchte und diese sich von den Gesetzen der Systeme, mit denen sich die Astronomie beschäftigt, völlig unterschieden. Je sorgfältiger dieser Unterschied betrachtet wurde, desto mehr wurde jedoch auch seine weite Tragweite und grundlegende Bedeutung für den Eingriff der Quanten erkannt, der die Einführung der Diskontinuität in die Atomphysik bewirkte, und diese Einführung ist von wesentlicher Bedeutung, da ohne sie die Atome instabil sein und Materie könnte nicht existieren.

    Wir sahen, dass der Entdeckung der Doppelnatur der Elektronen, als korpuskular und wellenförmig zugleich, eine Änderung in der Quantentheorie folgte, so dass diese vor einigen Jahren eine neue Form erhielt, die als Wellenmechanik bezeichnet wurde. Die neue Form hat vielfachen Erfolg gehabt, und die Wellenmechanik hat zu einem besseren Verständnis und einer besseren Vorhersage jener Phänomene geführt, die von der Existenz quantisierter stationärer Zustände für Atome abhängen. Alle Wissenschaftszweige, auch die Chemie, haben von den Impulsen der neuen Theorie profitiert, weil sie eine völlig neue und interessante Art der Interpretation chemischer Kombinationen mit sich gebracht hat.

    Die Entwicklung der Wellenmechanik hat also die Physiker gezwungen, ihren Konzepten immer mehr Spielraum zu geben. Denn nach den neuen Prinzipien haben die Naturgesetze nicht mehr den strengen Charakter, den sie in der klassischen Physik tragen: Phänomene (anders ausgedrückt) unterliegen nicht mehr einem strengen Determinismus, sie gehorchen nur noch den Wahrscheinlichkeitsgesetzen. Das berühmte Ungewißheitsprinzip von Heisenberg gibt dieser Tatsache eine genaue Formulierung. Sogar die Begriffe der Kausalität und der Individualität mussten einer neuen Überprüfung unterzogen werden, und es scheint sicher, dass diese große Krise, die die Leitprinzipien unserer physikalischen Konzepte betrifft, die Quelle philosophischer Konsequenzen sein wird, die noch nicht klar erkennbar sind.


    "Einstein hatte Recht: Sie können Energie in Materie verwandeln"

    Im Wesentlichen besagt die Gleichung, dass Masse und Energie eng miteinander verbunden sind. Atombomben und Kernreaktoren sind praktische Beispiele für die Formel, die in eine Richtung arbeitet und Materie in Energie umwandelt.

    Aber bis jetzt gab es keine Möglichkeit, das Gegenteil zu tun, nämlich Energie in Materie umzuwandeln. Was es besonders schwer macht, ist das c 2 Begriff, die Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat. Es ist verantwortlich für die enormen Energiemengen, die bei Kernreaktionen freigesetzt werden, und die riesige Menge, die Sie injizieren müssten, um Energie in Materie umzuwandeln.

    Bisherige Experimente erforderten immer ein bisschen Masse, auch wenn es nur ein Elektron war.

    Albert Einsteins berühmte Formel triumphiert erneut (Bildnachweis: DonkeyHotey)

    Aber Wissenschaftler am Imperial College London (darunter ein Gastphysiker vom deutschen Max-Planck-Institut für Kernphysik) glauben, herausgefunden zu haben, wie man Energie direkt in Materie umwandeln kann.

    Oliver Pike, Felix Mackenroth, Edward Hill und Steve Rose haben einen Weg vorgeschlagen, ein Paar Photonen, Lichtteilchen, in ein Elektron und sein Antiteilchen, ein Positron, zu verwandeln.

    Die Idee kam ihnen in weniger als einem Tag bei mehreren Tassen Kaffee im Blackett Physics Laboratory von Imperial.

    Sie begannen, über Fusion zu sprechen, erkannten jedoch, dass ihre Arbeit auf ein früheres Problem angewendet werden konnte, eine Idee, die 1934 von zwei US-Wissenschaftlern, Gregory Breit und John Wheeler, vorgeschlagen wurde.

    Breit und Wheeler, die später am amerikanischen Manhattan-Projekt arbeiteten, um die erste Atombombe zu bauen, hielten es theoretisch für möglich, zwei Photonen zusammenzuschlagen, um ein Elektron und ein Positron zu erzeugen.

    „Obwohl alle Physiker die Theorie als wahr akzeptierten, sagten Breit und Wheeler, als sie die Theorie zum ersten Mal vorschlugen, dass sie nie erwartet hätten, dass sie im Labor gezeigt wird“, sagte Professor Rose. „Heute, fast 80 Jahre später, beweisen wir, dass sie falsch liegen.“

    Ihr Artikel in Naturphotonik schlägt vor, eine neue Art von Collider zu bauen, die Photonen statt Protonen zertrümmert, wie beim Large Hadron Collider am CERN, wo letztes Jahr das Higgs-Boson entdeckt wurde.

    Ihre Leistung hat enorme Auswirkungen, sie beweist nicht nur erneut einen Aspekt von Einsteins Theorien, sondern stellt einen „Prozess wieder her, der in den ersten 100 Sekunden des Universums wichtig war und der auch in Gammastrahlenausbrüchen zu sehen ist, die die größten Explosionen sind“. im Universum“, sagte Imperial.

    Der erste Schritt wäre, Elektronen mit einem Hochenergielaser auf knapp unter Lichtgeschwindigkeit (300.000 km/s) zu beschleunigen und sie in eine Goldplatte zu zerschlagen, die einen Lichtstrahl erzeugen würde, der eine Milliarde Mal stärker ist als der Licht von der Sonne.

    Dies würde in eine hohle Goldschale namens a . zielen hohlraum (Deutsch für leeren Raum). Die Hülle würde von einem anderen Laser angeregt, um ein thermisches Strahlungsfeld zu erzeugen, das Licht wie Sternenlicht aussendet.

    Wenn sich die beiden Lichtquellen kreuzen, kollidieren einige und erzeugen Elektronen und ihre entsprechenden Antimaterie-Teilchen, Positronen, die beim Verlassen des Lichts nachgewiesen werden könnten hohlraum. Sie berechnen, dass das Experiment 100.000 Teilchenpaare produzieren sollte.

    „Was uns so überrascht hat, war die Entdeckung, wie wir mit der heutigen Technologie Materie direkt aus Licht erzeugen können“, sagte Rose. “As we are theorists we are now talking to others who can use our ideas to undertake this landmark experiment.”

    Pike, the lead author on the paper, said: "Although the theory is conceptually simple, it has been very difficult to verify experimentally. We were able to develop the idea for the collider very quickly, but the experimental design we propose can be carried out with relative ease and with existing technology. Within a few hours of looking for applications of hohlraums outside their traditional role in fusion energy research, we were astonished to find they provided the perfect conditions for creating a photon collider. The race to carry out and complete the experiment is on."

    Among candidate locations for the experiment are the Omega laser in Rochester, New York and the Orion laser at Aldermaston, the UK atomic weapons facility in Berkshire.


    Artificial life breakthrough after scientists create new living organism using synthetic DNA

    In a major step toward creating artificial life, US researchers have developed a living organism that incorporates both natural and artificial DNA and is capable of creating entirely new, synthetic proteins.

    The work, published in the journal Natur, brings scientists closer to the development of designer proteins made to order in a laboratory.

    Previous work by Floyd Romesberg, a chemical biologist at the Scripps Research Institute in La Jolla, California, showed that it was possible to expand the genetic alphabet of natural DNA beyond its current four letters: adenine(A), cytosine(C), guanine (G) and thymine(T).

    In 2014, Romesberg and colleagues created a strain of E. coli bacteria that contained two unnatural letters, X and Y.

    Empfohlen

    In the latest work, Romesberg’s team has shown that this partially synthetic form of E. coli can take instructions from this hybrid genetic alphabet to make new proteins.

    “This is the first time ever a cell has translated a protein using something other than G, C, A or T,” Romesberg said.

    Although the actual changes to the organism were small, the feat is significant, he said in a telephone interview. “It’s the first change to life ever made.”

    It’s a goal Romesberg has been working toward for the past 20 years. Creating new forms of life, however, is not the main point. Romesberg is interested in using this expanded genetic alphabet to create new types of proteins that can be used to treat disease.

    In 2014, he formed a company called Synthorx Inc, which is working on developing new protein-based treatments.

    Empfohlen

    “A lot of proteins that you want to use as drugs get cleared in the kidney very quickly,” Romesberg said. The new system would allow scientists to attach fat molecules to drugs to keep them in the body longer.

    Romesberg is aware that the creation of semi-synthetic organisms might raise concerns of hybrid life forms spreading beyond the lab, but the system they used makes such an escape unlikely.

    For example, in natural DNA, base pairs are attracted to each other through the bonding of hydrogen atoms. Romesberg’s X and Y bases are attracted through an entirely different process, which prevents them from accidentally bonding with natural bases.


    Scientists Create Solid Light

    On a late summer afternoon it can seem like sunlight has turned to honey,਋ut could liquid—or even solid—light be more than a piece of poetry? Princeton University electrical engineers say not only is it possible, they’ve already made it happen.

    In Physical Review X, the researchers reveal that they have locked individual photons together so that they become like a solid object.

    "It&aposs something that we have never seen before," says Dr. Andrew Houck, an associate professor of electrical engineering and one of the researchers. "This is a new behavior for light."

    The researchers constructed what they call an 𠇊rtificial atom” made of 100 billion atoms engineered to act like a single unit. They then brought this close to a superconducting wire carrying photons. In one of the almost incomprehensible behaviors unique to the quantum world, the atom and the photons became entangled so that properties passed between the 𠇊tom” and the photons in the wire. The photons started to behave like atoms, correlating with each other to produce a single oscillating system.

    As some of the photons leaked into the surrounding environment, the oscillations slowed and at a critical point started producing quantum divergent behavior. In other words, like Schroedinger&aposs Cat, the correlated photons could be in two states at once.

    "Here we set up a situation where light effectively behaves like a particle in the sense that two photons can interact very strongly," said co-author Dr. Darius Sadri. "In one mode of operation, light sloshes back and forth like a liquid in the other, it freezes."

    As cool as it is to produce solidified light, the team was not acting out of curiosity alone. When connected together the photons of light behave like subatomic particles, but are in some ways easier to study. Consequently, the team is hoping to use the solid light to simulate subatomic behavior.

    Attempts to model the behavior of large numbers of particles usually use statistical mechanics, and often simplify by assuming no interaction between particles and a system at equilibrium. However, in a point we can all relate to, Houck and his colleagues note, “The world around us is rarely in equilibrium.” The solidified light offers a chance to observe a subatomic system as it starts to diverge from equilibrium, with potential for a basic understanding of how these systems operate.

    The system created so far is very simple, with the light entangled with the atom at two points. However, it should be possible to increase this, greatly expanding the complexity and range of possibilities of what is being constructed.

    As well as providing an easy-to-study model of atomic systems that actually exist, Houck and his team hope the frozen light could be made to behave like materials that do not exist, but have been hypothesised by physicists, allowing them to explore how these things would react if they were real.


    Something from Nothing? A Vacuum Can Yield Flashes of Light

    A vacuum might seem like empty space, but scientists have discovered a new way to seemingly get something from that nothingness, such as light. And the finding could ultimately help scientists build incredibly powerful quantum computers or shed light on the earliest moments in the universe's history.

    Quantum physics explains that there are limits to how precisely one can know the properties of the most basic units of matter&mdashfor instance, one can never absolutely know a particle's position and momentum at the same time. One bizarre consequence of this uncertainty is that a vacuum is never completely empty, but instead buzzes with so-called &ldquovirtual particles&rdquo that constantly wink into and out of existence.

    These virtual particles often appear in pairs that near-instantaneously cancel themselves out. Still, before they vanish, they can have very real effects on their surroundings. For instance, photons&mdashpackets of light&mdashcan pop in and out of a vacuum. When two mirrors are placed facing each other in a vacuum, more virtual photons can exist around the outside of the mirrors than between them, generating a seemingly mysterious force that pushes the mirrors together.

    This phenomenon, predicted in 1948 by the Dutch physicist Hendrick Casimir and known as the Casimir effect, was first seen with mirrors held still . Researchers also predicted a dynamical Casimir effect that can result when mirrors are moved, or objects otherwise undergo change. Now quantum physicist Pasi Lähteenmäki at Aalto University in Finland and his colleagues reveal that by varying the speed at which light can travel, they can make light appear from nothing.

    The speed of light in a vacuum is constant, according to Einstein's theory of relativity, but its speed passing through any given material depends on a property of that substance known as its index of refraction. By varying a material's index of refraction, researchers can influence the speed at which both real and virtual photons travel within it. Lähteenmäki says one can think of this system as being much like a mirror, and if its thickness changes fast enough, virtual photons reflecting off it can receive enough energy from the bounce to turn into real photons. "Imagine you stay in a very dark room and suddenly the index of refraction of light [of the room] changes," Lähteenmäki says. "The room will start to glow."

    The researchers began with an array of 250 superconducting quantum-interference devices, or SQUIDs&mdashcircuits that are extraordinarily sensitive to magnetic fields. They inserted the array inside a refrigerator. By carefully exerting magnetic fields on this array, they could vary the speed at which microwave photons traveled through it by a few percent. The researchers then cooled this array to 50 thousandths of a degree Celsius above absolute zero. Because this environment is supercold, it should not emit any radiation, essentially behaving as a vacuum. "We were simply studying these circuits for the purpose of developing an amplifier, which we did," says researcher Sorin Paraoanu, a theoretical physicist at Aalto University. "But then we asked ourselves&mdashwhat if there is no signal to amplify? What happens if the vacuum is the signal?"

    The researchers detected photons that matched predictions from the dynamical Casimir effect. For instance, such photons should display the strange property of quantum entanglement&mdashthat is, by measuring the details of one, scientists could in principle know exactly what its counterpart is like, no matter where it is in the universe, a phenomenon Einstein referred to as "spooky action at a distance." The scientists detailed their findings online February 11 in Proceedings of the National Academy of Sciences.

    "This work and a number of other recent works demonstrate that the vacuum is not empty but full of virtual photons," says theoretical physicist Steven Girvin at Yale University, who did not take part in the Aalto study.

    Another study from physicist Christopher Wilson and his colleagues recently demonstrated the dynamical Casimir effect in a system mimicking a mirror moving at nearly 5 percent of the speed of light. "It's nice to see further confirmation of this effect and see this area of research continuing," says Wilson, now at the University of Waterloo in Ontario, who also did not participate in the Aalto study. "Only recently has technology advanced into a new technical regime of experiments where we can start to look at very fast changes that can have dramatic effects on electromagnetic fields," he adds.

    The investigators caution that such experiments do not constitute a magical way to get more energy out of a system than what is input. For instance, it takes energy to change a material's index of refraction.

    Instead, such research could help scientists learn more about the mysteries of quantum entanglement, which lies at the heart of quantum computers&mdashadvanced machines that could in principle run more calculations in an instant than there are atoms in the universe. The entangled microwave photons the experimental array generated "can be used for a form of quantum computation known as 'continuous variable' quantum information processing,&rdquo Girvin says. &ldquoThis is a direction which is just beginning to open up.&rdquo

    Wilson adds that these systems &ldquomight be used to simulate some interesting scenarios. For instance, there are predictions that during cosmic inflation in the early universe, the boundaries of the universe were expanding nearly at light-speed or faster than the speed of light. We might predict there'd be some dynamical Casimir radiation produced then, and we can try and do tabletop simulations of this."

    So the static Casimir effect involves mirrors held still the dynamical Casimir effect can for instance involve mirrors that move.

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