Ist die Quantentheorie als Grundlagenforschung entstanden?

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Vor kurzem habe ich eine Debatte darüber gelesen, dass es sinnlos ist, von Forschungsbemühungen "Nützlichkeit" zu fordern, da das mögliche Ergebnis unvorhersehbar ist. Als Beweis für diese Aussage folgte eine Liste zufälliger Arbeiten von scheinbar nutzlosem oder einfach nur wissenschaftlichem Interesse. Eine davon war die Entwicklung der Quantentheorie zu Beginn des 20. Jahrhunderts.

Ich möchte mich nicht auf das Thema der Debatte selbst konzentrieren. Stattdessen habe ich mich gefragt, ob diese Prämisse, dass "die Quantentheorie als rein akademisch/intellektuelles Werk entstanden ist", tatsächlich wahr ist. Es ist immerhin eine Welt nach der industriellen Revolution und Patente, die sich mit Wärme/Elektrizität befassen, haben vielleicht die Bedürfnisse einer Gesellschaft vorangetrieben… oder auch nicht. Ich konnte nirgendwo Beweise dafür oder dagegen finden. Ich werde mich dann an Leute wenden, die sachkundiger sind als ich.


Soweit ich die Geschichte entnehmen kann, wäre es falsch zu behaupten, dass die Quantentheorie entweder vollständig als reine Forschung entstanden ist oder ihren Ursprung in der angewandten Wissenschaft hat. Um die Bühne zu bereiten, gibt es im Wesentlichen drei Zeiträume:

1900-1913: Plancks Arbeit über Schwarzkörperstrahlung (1900), Einsteins Arbeit über den photoelektrischen Effekt (1905).

1913-1927: Die alte Quantentheorie, Bohr-Modell, BKS-Theorie.

1927: Innerhalb von etwa einem Jahr entsteht eine neue Quantentheorie, die im Wesentlichen die Theorie in ihrer modernen Form ist.

Planck arbeitete fast ausschließlich in seiner eigenen theoretischen Welt, und seine Arbeit galt damals als äußerst obskur. Sein Brot und Butter machte er als Theoretiker an einer Universität. (Behauptungen, dass Planck von Glühbirnenfirmen finanziert wurde, scheinen falsch gewesen zu sein.) Obwohl Einstein ein ziemlich kompetenter Experimentalist, Erfinder und Ingenieur war und eine Weile beim Schweizer Patentamt arbeitete, war seine Arbeit über Quanten seiner Zeit weit voraus , und scheint reine Forschung gewesen zu sein, unmotiviert von irgendwelchen Anwendungen.

Mit Beginn der Bohr-Ära nimmt die Quantentheorie per se Gestalt an, und wir sehen ein starkes Zusammenspiel von Theorie und Experiment, oft mit klaren Anwendungen. Die Spektroskopie war vor, während und nach dieser Zeit reich an Anwendungen. Die Leute waren zum Beispiel daran interessiert, die Zusammensetzung von Gasen aus ihren Spektren zu bestimmen. Moseleys Arbeiten zu Röntgenspektren und Ordnungszahl wurden in enger Zusammenarbeit mit Bohr durchgeführt und führten beispielsweise zur Entdeckung von Hafnium. Die gesamte Chemie ist eine große Anwendung der Quantenmechanik, und die Chemie ist reich an Anwendungen. Offensichtlich erwartete die Gruppe um Bohr, dass ihre Arbeit Anwendung in der Chemie sowie in der Atom- und Molekülphysik finden würde, und das tat sie auch.

Mit dem Aufkommen der modernen Quantentheorie im Jahr 1927 sehen wir sehr schnell Anwendungen. Von diesem Zeitpunkt an waren es nur noch 15 Jahre bis zum Jahr, in dem der erste Nuklearstapel betrieben wurde (1942), und ich kann mir die Entwicklung der Kernkraft ohne Quantenmechanik nur schwer vorstellen.

Die Geschichte des Transistors scheint mehr oder weniger mit der Zeit der Entwicklung der Quantenmechanik zusammenzufallen. Das erste Patent stammte von Lilienfeld im Jahr 1925, aber es scheint lange gedauert zu haben, bis Fortschritte erzielt wurden, hauptsächlich weil die Menschen Halbleiter nicht gut genug reinigen konnten. Lilienfeld promovierte in Physik und hatte Planck als seinen Doktorvater. Er begann als akademischer Physiker in Leipzig und wechselte dann in die Industrie in den USA.

Einige der frühen Arbeiten zur Quantenphysik wurden mit Geldern von reichen Einzelpersonen und nicht von Regierungen oder Universitäten durchgeführt. Die Solvay-Konferenzen wurden von dem Chemiker und Industriellen Solvay finanziert, und das wichtige Stern-Gerlach-Experiment, das in schwierigen Zeiten in Deutschland während der beginnenden Hyperinflation durchgeführt wurde, wurde vom US-Banker Henry Goldman bezahlt. Ich würde sagen, dass diese Verbindungen ein Beweis dafür sind, was die typische Situation in Bezug auf die Verbindungen der Quantenmechanik mit Anwendungen zu sein scheint. Leute wie Solvay, ein Chemiker, haben sicherlich mit Bewerbungen gerechnet, aber die Bewerbungen waren nicht sofort und lukrativ, weshalb sich Goldman und Solvay nicht als Investoren, sondern als Geldgeber verstanden.


"Die Quantentheorie entstand mit Plancks Arbeit von 1900 über Schwarzkörperstrahlung und Einsteins Arbeit von 1905 über den photoelektrischen Effekt." - @jamesqf hat mit dieser Tatsache recht. Aber mit der Abstraktheit dieser Probleme hat er nicht recht. Andererseits:

Viele Erfinder versuchten damals, neue "Strahlen" zu erfinden. Es wurden sowohl Probleme der Strahlenerzeugung als auch Wirkungen durch Strahlen untersucht. Und das Ziel war absolut real - etwas Nützliches zu finden. Röntgenbilder waren die beste Ausgabe. Aber das bedeutet nicht, dass andere Forscher kein praktisches Ergebnis haben WOLLEN. Einfach mal hatten sie Glück und mal (häufiger) nicht. Und die Photoelektrizitätsgesetze waren für sie sehr wichtig.

Die Gesetze der Schwarzkörperstrahlung waren aufgrund der im vorigen Absatz erwähnten Probleme von Nutzen, aber nicht nur. Noch wichtigeres Thema dieser Zeit war die Erfindung neuer Motoren. Und dafür wollten die Erfinder die Gesetze der Thermodynamik kennen. Und dieses Gesetz war auch für sie wichtig und nützlich, denn es half, das Thema besser zu verstehen.

Der Abstand zwischen "abstrakter Wissenschaft" und "praktischer Anwendung" war damals in der Physik so eng, dass es praktisch keine abstrakte Wissenschaft in der Physik gab. Die abstraktesten Objekte der Wissenschaft dieser Tage - Operatoren von Heavyside und Quaternions von Hamilton ermöglichten direkt das verlustfreie Senden von Nachrichten und Funk. Aber die Zeit der Trennung der "abstrakten" Wissenschaft war nah - Heavyside, der Milliarden an Telefon- und Telegrafenfirmen gebracht hatte, starb in den 1920er Jahren in England in Armut.


Quantentheorie

Mit der Wende zum 20. Jahrhundert erlebte die Physik zwei große Wandlungen, etwa zur gleichen Zeit. Die erste war Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die sich mit dem universellen Bereich der Physik beschäftigte. Die zweite war die Quantentheorie, die behauptete, dass Energie in diskreten Paketen existiert – jedes als „Quantum“ bezeichnet. Dieser neue Zweig der Physik ermöglichte es Wissenschaftlern, die Wechselwirkung zwischen Energie und Materie bis hinunter in den subatomaren Bereich zu beschreiben.

Einstein sah in der Quantentheorie ein Mittel zur Beschreibung der Natur auf atomarer Ebene, bezweifelte jedoch, dass sie „eine nützliche Grundlage für die gesamte Physik“ darstellte. Aber einzelne Quantenwechselwirkungen können nicht direkt beobachtet werden, sodass Quantenphysiker keine andere Wahl haben, als die Wahrscheinlichkeit des Eintretens von Ereignissen vorherzusagen. Der Physiker Niels Bohr forderte Einstein heraus und trat für die Quantentheorie ein. Er argumentierte, dass die bloße indirekte Beobachtung des atomaren Bereichs das Ergebnis von Quantenwechselwirkungen verändert. Laut Bohr beschreiben auf Wahrscheinlichkeit basierende Quantenvorhersagen die Realität genau.

Niels Bohr und Max Planck, zwei der Gründerväter der Quantentheorie, erhielten für ihre Arbeiten über Quanten jeweils einen Nobelpreis für Physik. Einstein gilt als dritter Begründer der Quantentheorie, weil er in seiner Theorie des Photoelektrischen Effekts, für die er 1921 den Nobelpreis erhielt, Licht als Quanten beschrieb.

15. Mai 1935: Die Physische Überprüfung veröffentlicht das Papier von Einstein, Podolsky und Rosen (EPR), das behauptet, die Quantentheorie zu widerlegen.

Zeitungen teilten Einsteins Skepsis gegenüber der "neuen Physik" schnell mit der breiten Öffentlichkeit. Einsteins Aufsatz „Kann die quantenmechanische Beschreibung der physikalischen Realität als vollständig betrachtet werden?“ veranlasste Niels Bohr, eine Widerlegung zu schreiben. Moderne Experimente haben die Quantentheorie trotz Einsteins Einwänden bestätigt. Das EPR-Papier führte jedoch Themen ein, die die Grundlage für einen Großteil der heutigen Physikforschung bilden.

Einstein und Niels Bohr begannen auf der prestigeträchtigen Solvay-Konferenz von 1927, an der die damaligen Spitzenphysiker teilnahmen, über die Quantentheorie zu diskutieren. Nach den meisten Berichten dieser öffentlichen Debatte war Bohr der Sieger.


Frühen Lebensjahren

Max Karl Ernst Ludwig Planck war das sechste Kind eines angesehenen Juristen und Rechtsprofessors an der Universität Kiel. Die lange Familientradition der Hingabe an Kirche und Staat, herausragende wissenschaftliche Leistungen, Unbestechlichkeit, Konservatismus, Idealismus, Zuverlässigkeit und Großzügigkeit haben sich tief in Plancks eigenes Leben und Werk eingeprägt. Als Planck neun Jahre alt war, erhielt sein Vater eine Berufung an die Universität München, und Planck trat in das renommierte Maximilian-Gymnasium der Stadt ein, wo ein Lehrer, Hermann Müller, sein Interesse für Physik und Mathematik weckte. Aber Planck brillierte in allen Fächern und stand nach seinem Abschluss im Alter von 17 Jahren vor einer schwierigen Berufsentscheidung. Letztendlich entschied er sich für Physik gegenüber klassischer Philologie oder Musik, weil er leidenschaftslos zu dem Schluss gekommen war, dass in der Physik seine größte Originalität lag. Dennoch blieb die Musik ein fester Bestandteil seines Lebens. Er besaß die Gabe der absoluten Tonhöhe und war ein ausgezeichneter Pianist, der täglich Gelassenheit und Freude am Tasteninstrument fand und besonders die Werke von Schubert und Brahms genoss. Er liebte auch die Natur, machte jeden Tag lange Spaziergänge und wanderte und kletterte im Urlaub in den Bergen, selbst im hohen Alter.

Planck trat im Herbst 1874 an die Universität München ein, fand dort aber wenig Ermutigung durch den Physikprofessor Philipp von Jolly. Während eines Jahres an der Universität Berlin (1877–78) ließ er sich von den Vorlesungen von Hermann von Helmholtz und Gustav Robert Kirchhoff trotz ihrer wissenschaftlichen Berühmtheit unbeeindruckt. Seine intellektuellen Fähigkeiten wurden jedoch durch sein unabhängiges Studium, insbesondere der Schriften von Rudolf Clausius zur Thermodynamik, fokussiert. Nach München zurückgekehrt, promovierte er im Juli 1879 (dem Geburtsjahr Einsteins) im ungewöhnlich jungen Alter von 21 Jahren Habilitationsschrift (Qualifikationsarbeit) in München und wurde a Privatdozent (Dozent). 1885 wurde er mit Hilfe der beruflichen Verbindungen seines Vaters berufen ausserordentlicher Professor (Assoziierter Professor) an der Universität Kiel. 1889, nach dem Tod Kirchhoffs, erhielt Planck einen Ruf an die Universität Berlin, wo er Helmholtz als Mentor und Kollege verehrte. 1892 wurde er zum ordentlicher Professor (Ordinarius). Insgesamt hatte er nur neun Doktoranden, aber seine Berliner Vorlesungen zu allen Zweigen der theoretischen Physik wurden vielfach aufgelegt und übten großen Einfluss aus. Er blieb für den Rest seines aktiven Lebens in Berlin.

Planck erinnerte daran, dass seine „ursprüngliche Entscheidung, mich der Wissenschaft zu widmen, ein direktes Ergebnis der Entdeckung war… ermöglichen dem Menschen, einen Einblick in die Mechanismen der [Welt] zu gewinnen…“ Er entschloss sich also bewusst, Theoretischer Physiker zu werden, als die Theoretische Physik noch nicht als eigenständige Disziplin anerkannt war. Aber er ging noch weiter: Er kam zu dem Schluss, dass die Existenz physikalischer Gesetze voraussetzt, dass die „Außenwelt etwas Unabhängiges vom Menschen, etwas Absolutes ist, und die Suche nach den Gesetzen, die für dieses Absolute gelten, erschien … als das erhabenste wissenschaftliche Streben des Lebens. ”

Die erste Instanz eines Absoluten in der Natur, die Planck tief beeindruckte, sogar als Gymnasium Schüler, war der Energieerhaltungssatz, der erste Hauptsatz der Thermodynamik. Später, während seiner Studienzeit, war er ebenfalls davon überzeugt, dass das Entropiegesetz, der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, ebenfalls ein absolutes Naturgesetz ist. Der zweite Hauptsatz wurde Gegenstand seiner Doktorarbeit in München und bildete den Kern der Forschungen, die ihn zur Entdeckung des Wirkungsquantums führten, das heute als Plancksche Konstante bekannt ist h, in 1900.

In den Jahren 1859–60 hatte Kirchhoff einen Schwarzen Körper als ein Objekt definiert, das die gesamte auf ihn einfallende Strahlungsenergie wieder abstrahlt, d. h. er ist ein perfekter Emitter und Absorber von Strahlung. Daher hatte die Schwarzkörperstrahlung etwas Absolutes, und in den 1890er Jahren wurden verschiedene experimentelle und theoretische Versuche unternommen, ihre spektrale Energieverteilung zu bestimmen – die Kurve, die anzeigt, wie viel Strahlungsenergie bei verschiedenen Frequenzen bei einer gegebenen Temperatur des Schwarzen Körpers emittiert wird. Planck fühlte sich besonders von der 1896 von seinem Kollegen Wilhelm Wien an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (PTR) in Berlin-Charlottenburg gefundenen Formel angezogen und unternahm daraufhin eine Reihe von Versuchen, das „Wiener Gesetz“ auf der Grundlage des zweiten Hauptsatzes abzuleiten der Thermodynamik. Bis Oktober 1900 hatten jedoch andere Kollegen der PTR, die Experimentalisten Otto Richard Lummer, Ernst Pringsheim, Heinrich Rubens und Ferdinand Kurlbaum, eindeutige Hinweise darauf gefunden, dass das Wiensche Gesetz bei hohen Frequenzen gültig ist, bei niedrigen Frequenzen jedoch vollständig zusammenbricht.

Planck erfuhr von diesen Ergebnissen kurz vor einer Sitzung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft am 19. Oktober. Er wusste, wie die Entropie der Strahlung mathematisch von ihrer Energie im Hochfrequenzbereich abhängen musste, wenn dort das Wiensche Gesetz galt. Er sah auch, wie diese Abhängigkeit im niederfrequenten Bereich sein muss, um dort die Versuchsergebnisse zu reproduzieren. Planck vermutete daher, dass er versuchen sollte, diese beiden Ausdrücke auf möglichst einfache Weise zu kombinieren und das Ergebnis in eine Formel umzuwandeln, die die Energie der Strahlung mit ihrer Frequenz in Beziehung setzt.

Das Ergebnis, das als Plancksches Strahlungsgesetz bekannt ist, wurde als unbestreitbar richtig gefeiert. Für Planck war es jedoch nur eine Vermutung, eine „Glücksintuition“. Wenn es ernst genommen werden sollte, musste es irgendwie aus ersten Prinzipien abgeleitet werden. Das war die Aufgabe, auf die Planck sofort seine Kräfte richtete, und am 14. Dezember 1900 war ihm dies gelungen – allerdings mit großem Aufwand. Um sein Ziel zu erreichen, musste Planck eine seiner am meisten geschätzten Überzeugungen aufgeben, dass der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ein absolutes Naturgesetz sei. Stattdessen musste er sich Ludwig Boltzmanns Interpretation zu eigen machen, dass der zweite Hauptsatz ein statistisches Gesetz sei. Außerdem musste Planck davon ausgehen, dass die Oszillatoren, die den schwarzen Körper bilden und die auf sie einfallende Strahlungsenergie wiederemittieren, diese Energie nicht kontinuierlich, sondern nur in diskreten Mengen, in Energiequanten, nur durch statistische Verteilung dieser Quanten absorbieren können, die jeweils einen Betrag enthalten von Energie hν proportional zu seiner Frequenz, über alle im Schwarzen Körper vorhandenen Oszillatoren konnte Planck die Formel ableiten, auf die er zwei Monate zuvor gestoßen war. Er lieferte zusätzliche Beweise für die Bedeutung seiner Formel, indem er sie benutzte, um die Konstante auszuwerten h (sein Wert war 6,55 × 10 –27 erg-Sekunde, nahe dem modernen Wert von 6,626 × 10 –27 erg-Sekunde) sowie die sogenannte Boltzmann-Konstante (die fundamentale Konstante in der kinetischen Theorie und statistischen Mechanik), Avogadro-Zahl und die Ladung des Elektrons. Im Laufe der Zeit erkannten die Physiker immer deutlicher, dass die mikrophysikalische Welt, die Welt der atomaren Dimensionen, durch die gewöhnliche klassische Mechanik im Prinzip nicht beschrieben werden kann, da die Plancksche Konstante nicht Null war, sondern einen kleinen, aber endlichen Wert hatte. Eine tiefgreifende Revolution in der physikalischen Theorie war im Entstehen.

Plancks Konzept der Energiequanten widersprach also grundsätzlich allen bisherigen physikalischen Theorien. Er wurde durch die Kraft seiner Logik dazu getrieben, sie einzuführen, er war, wie ein Historiker es ausdrückte, ein widerstrebender Revolutionär. Es dauerte sogar Jahre, bis die weitreichenden Konsequenzen von Plancks Leistung allgemein anerkannt wurden, und dabei spielte Einstein eine zentrale Rolle. 1905 argumentierte Einstein unabhängig von Plancks Arbeit, dass die Strahlungsenergie unter bestimmten Umständen selbst aus Quanten (Lichtquanten, später Photonen genannt) zu bestehen scheint, und zeigte 1907 die Allgemeingültigkeit der Quantenhypothese, indem er sie zur Interpretation der Temperaturabhängigkeit nutzte der spezifischen Wärme von Feststoffen. 1909 führte Einstein den Welle-Teilchen-Dualismus in die Physik ein. Im Oktober 1911 gehörten Planck und Einstein zu der Gruppe prominenter Physiker, die an der ersten Solvay-Konferenz in Brüssel teilnahmen. Die Diskussionen dort regten Henri Poincaré an, einen mathematischen Beweis dafür zu liefern, dass Plancks Strahlungsgesetz notwendigerweise die Einführung von Quanten erforderte – ein Beweis, der James Jeans und andere zu Anhängern der Quantentheorie machte. Auch Niels Bohr trug 1913 mit seiner Quantentheorie des Wasserstoffatoms wesentlich zu ihrer Etablierung bei. Ironischerweise war Planck selbst einer der letzten, der für eine Rückkehr zur klassischen Theorie kämpfte, eine Haltung, die er später nicht mit Bedauern betrachtete, sondern als Mittel, mit dem er sich gründlich von der Notwendigkeit der Quantentheorie überzeugt hatte. Der Widerstand gegen Einsteins radikale Lichtquantenhypothese von 1905 hielt bis nach der Entdeckung des Compton-Effekts im Jahr 1922 an.


Max Planck und das Problem der Schwarzkörperstrahlung

Wärmestrahlung

Der erste Hinweis darauf, dass Strahlung auch teilchenähnliche Eigenschaften haben könnte, kam im Jahr 1900. Es entstand in scheinbar harmlosen Arbeiten zur Wärmestrahlung. Diese Art von Strahlung ist jedem bekannt. Es ist die Strahlung, die unsere Hände vor dem Feuer wärmt, den Toast verbrennt und den intensiven Glanz eines Ofens erzeugt. Physiker hatten gemessen, wie viel Energie in jeder der verschiedenen Frequenzen (d. h. Farben) enthalten ist, aus denen Wärmestrahlung besteht. Diese Verteilung variiert mit der Temperatur der Strahlung. Wenn ein Körper, der Strahlung aussendet, von roter über orange zu weißer Wärme übergeht, ändern sich die Frequenzen mit der größten Energie entsprechend.

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Im Jahr 1900, als die neuesten und neuesten Daten eingingen, arbeitete Max Planck in Berlin daran, die physikalischen Prozesse zu verstehen, die zu diesen Energieverteilungen führten. Er war sich der neuesten Ergebnisse seiner Berliner Kollegen Lummer und Pringsheim bewusst, und dass keine aktuelle Theorie mit ihren neuesten experimentellen Daten übereinstimmte. Er entwickelte ein neues Konto, das sehr gut passte. Wärmestrahlung ist seiner Ansicht nach ein Durcheinander vieler Frequenzen elektromagnetischer Wellen, die in einem Hohlraum zum Gleichgewicht gekommen sind. Die Wellen werden durch oszillierende Ladungen in den Wänden des Hohlraums absorbiert und emittiert. So kann die Temperatur der Wände auf die Strahlung selbst übertragen werden. Der Hohlraum ist wirklich nur ein Ofen und füllt den Innenraum mit Wärmestrahlung. Diese Strahlung innerhalb der Kavität wurde als „Cavity-Strahlung“ bezeichnet.

Würde ein winziges Fenster in den Wänden des Hohlraums geöffnet, hätte die freigesetzte Strahlung auch die Temperatur des Hohlraums. Einige kluge thermodynamische Argumente zeigten, dass es genau die gleiche Zusammensetzung wie die von einem Körper bei derselben Temperatur wieder emittierte Strahlung hatte, wenn dieser Körper die besondere Eigenschaft hatte, alle auf ihn fallende Strahlung perfekt zu absorbieren, bevor er sie wieder abstrahlte. Solche Körper werden "schwarz" genannt, so dass diese Form der Strahlung als "Schwarzkörperstrahlung" bekannt ist.

Plancks Analyse von 1900

Planck fand eine sehr einfache Formel, die sehr gut zu den neuesten experimentellen Ergebnissen passte. Sein Problem bestand darin, eine theoretische Geschichte darüber zu erzählen, wie diese Formel zustande kam. Nach einigem Zögern fand er eine solche Geschichte. Die wesentliche Berechnung in seiner Geschichte hing jedoch von einer sehr seltsamen Annahme ab. (Die Debatte geht heute weiter darüber, ob Planck tatsächlich erkannte, wie radikal diese Annahme war und wie entscheidend sie für seine Darstellung war.) Planck modellierte die Wärmestrahlung so, dass sie von energiegeladenen elektrischen Resonatoren stammt.

Gewöhnliche Resonatoren der klassischen Physik sind nur auf Federn schwingende Massen, wie in der Abbildung gezeigt. Sie können einen kontinuierlichen Energiebereich aufnehmen.

Plancks Geschichte verlangte, dass diese Resonatoren nicht über einen kontinuierlichen Energiebereich mit Energie versorgt werden. Stattdessen könnten sie Energien von beispielsweise 0, 1, 2, 3, . Einheiten, aber nichts zwischen . Energien von sagen wir 1,2 oder 3,7 Einheiten waren verboten.

Es erwies sich als wichtig zu entscheiden, was diese Einheiten waren. Die Energieeinheiten waren an die Resonanzfrequenz des Resonators gebunden. Sie wurden durch die Plancksche Formel gegeben:

Das bedeutet, dass die zulässigen Energien (h x Frequenz), zweimal (h x Frequenz), dreimal (h x Frequenz) usw. sind.

Der Buchstabe h steht für eine neue Naturkonstante, die von Planck eingeführt wurde und nun "Plancksche Konstante" genannt wird. Diese neue Konstante spielt in der Quantentheorie die gleiche Rolle wie die Lichtgeschwindigkeit in der Relativitätstheorie. Sie sagt uns, wann Quanteneffekte wichtig sein werden. Die Zahl ist sehr klein, was darauf hindeutet, dass im Kleinen Quanteneffekte zu erwarten sind, zum Beispiel werden die Energieeinheiten der Planck-Formel für gewöhnliche Frequenzen sehr klein sein, sodass wir die erforderliche Granularität nicht bemerken, wenn wir uns die größere Energien von Systemen gewöhnliche Erfahrung. (h = 6,62 x 10 -27 erg-Sekunden.)

Plancks ursprüngliche Formel auf die Energie der Resonatoren angewendet. Er bemühte sich, die Diskontinuität, die es suggerierte, auf diese Resonatoren und sogar nur auf die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Resonatoren zu beschränken. Im Laufe des nächsten Jahrzehnts begannen andere Physiker zu erkennen, dass die Diskontinuität nicht begrenzt werden konnte. Berechnungen analog denen von Planck aus dem Jahr 1900 ließen sich direkt auf die Wärmestrahlung übertragen. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Plancksche Formel auch direkt auf die Wärmestrahlung anwendbar ist. Bei jeder Frequenz muss die Energie der Wärmestrahlung in ganzen Einheiten von h x Frequenz vorliegen. Diese Schlussfolgerung ist schwer mit der Vorstellung zu vereinbaren, dass Wärmestrahlung ein reines Wellenphänomen ist.


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"Ein reiner Zustand ist der Quantenzustand, in dem wir genaue Informationen über das Quantensystem haben. Und der gemischte Zustand ist die Kombination von Wahrscheinlichkeiten der Informationen über den Quantenzustand. unterschiedliche Verteilungen reiner Zustände können äquivalente gemischte Zustände erzeugen. Ich habe es nicht verstanden wie eine Kombination exakter Informationen zu einer Kombination von Wahrscheinlichkeiten führen kann."

Auf einer Bloch-Kugel werden reine Zustände durch einen Punkt auf der Kugeloberfläche dargestellt, während gemischte Zustände durch einen inneren Punkt dargestellt werden. Der vollständig gemischte Zustand eines einzelnen Qubits $<<2>>I_<2>,>$ wird durch den Mittelpunkt der Kugel durch Symmetrie dargestellt. Die Reinheit eines Zustands kann als Grad seiner Nähe zur Kugeloberfläche visualisiert werden.

In der Quantenmechanik wird der Zustand eines Quantensystems durch einen Zustandsvektor (oder Ket) $| . dargestellt psi angle$. Ein Quantensystem mit einem Zustandsvektor $| psi angle$ heißt reiner Zustand. Es ist jedoch auch möglich, dass sich ein System in einem statistischen Ensemble verschiedener Zustandsvektoren befindet: Beispielsweise kann es eine Wahrscheinlichkeit von 50% geben, dass der Zustandsvektor $| . ist psi_1 angle$ und eine 50%ige Chance, dass der Zustandsvektor $| . ist psi_2 angle$.

Dieses System wäre in einem gemischten Zustand. Die Dichtematrix ist besonders nützlich für gemischte Zustände, da jeder Zustand, rein oder gemischt, durch eine einzige Dichtematrix charakterisiert werden kann.

Der Zustandsvektor $|psi angle$ eines reinen Zustands bestimmt vollständig das statistische Verhalten einer Messung. Der Konkretheit halber nehmen wir eine beobachtbare Größe und seien A der zugehörige beobachtbare Operator, der eine Darstellung auf dem Hilbertraum $>$ des Quantensystems. Nehmen wir für jede reellwertige, analytische Funktion $F$ an, die auf den reellen Zahlen definiert ist, dass $F(A)$ das Ergebnis der Anwendung von $F$ auf das Ergebnis einer Messung ist. Der Erwartungswert von $F(A)$ ist

$langle psi | F(A) | psi angle, .$

Betrachten wir nun einen gemischten Zustand, der durch statistische Kombination zweier verschiedener reiner Zustände erzeugt wird $| psi angle$ und $| phi angle$, mit den zugehörigen Wahrscheinlichkeiten $p$ bzw. $1 − p$. Die damit verbundenen Wahrscheinlichkeiten bedeuten, dass der Vorbereitungsprozess für das Quantensystem im Zustand $|psi angle$ mit Wahrscheinlichkeit $p$ und im Zustand $|phi angle$ mit Wahrscheinlichkeit $1 − p$ endet.


Haben Quantenfluktuationen das Universum erschaffen?

Angesichts der Diskussion, die Stephen Hawkings neuestes Buch aufgeworfen hat, könnten einige unserer Leser diese Antwort, die von Professor Edgar Andrews in einem Diskussionsthread von Amazon.co.uk gepostet wurde, nützlich finden:

“Niemand hat Evolution gemacht. Es entsteht als eine natürliche und unausweichliche Folge der Naturgesetze des Universums, in dem wir uns befinden, die selbst eine natürliche und unausweichliche Folge der völlig zufälligen Quantenfluktuation sind, die den Urknall verursacht hat, an welchem ​​Punkt die “Gesetze. 8221 der Kausalität bricht zusammen, daher ist es bedeutungslos zu fragen, wer oder was das verursacht hat.”

“Aber das wäscht wirklich nicht, oder? Im gleichen Atemzug sagen Sie, der Urknall sei durch Quantenfluktuationen verursacht worden und behaupte dann, es sei sinnlos, nach der Ursache des Urknalls zu fragen. Das mag Postmoderne sein, aber es ist sicherlich keine Logik (oder Physik). Aber es gibt tiefere Trugschlüsse mit Ihren Erklärungen, wie folgt:

1) Die Naturgesetze, sagen Sie, sind die “unausweichlichen Konsequenzen” von “völlig zufälligen Quantenfluktuationen”. Nach welcher Logik können aus zufälligen Ereignissen unausweichliche Konsequenzen entstehen? Zufällige Ereignisse können nur zu bedingten Konsequenzen führen, aber um “unausweichlich zu sein, können die Konsequenzen nicht kontingent sein, sondern müssen bestimmt (erforderlich) sein.

2) Damit die Naturgesetze eine “Folge” von irgendetwas sind, muss das Kausalitätsprinzip gelten. Ohne Kausalität kann es weder Ursachen noch Folgen geben. Aber Sie sagen uns dann, dass die Gesetze der Kausalität jenseits des Urknalls zusammenbrechen. Beides kann man wirklich nicht haben.

3) Sie sagen, der Urknall wurde durch “zufällige Quantenfluktuationen” verursacht. Ganz abgesehen davon, dass ich meinen letzten Punkt bekräftige, indem ich die Kausalität vor der Existenz des Kosmos beschwöre, musst du eine andere Frage beantworten: … Fluktuationen in was? Vor dem Urknall gab es weder Materie, Energie, Raum noch Zeit, also konnte es per Definition keine Fluktuationen in diesen Entitäten geben. (Wenn Sie behaupten, dass es vor dem Urknall etwas materielles “dort” gab, sprechen wir nicht mehr über den ultimativen Ursprung des Universums).

3) Als nächstes kommt eine andere Frage. Sind Quantenfluktuationen nicht selbst eine Manifestation von Naturgesetzen (z.B. den Gesetzen der Quantenmechanik)? Wie könnten dann Quantenfluktuationen die ultimative Ursache des Naturgesetzes sein, wie Sie behaupten? Haben sich die Gesetze der Quantenfluktuation selbst erfunden? Das glaubt nicht einmal Stephen Hawking.”[/pk_box]

Edgar Andrews ist emeritierter Professor für Materialien an der University of London und Autor des ausgezeichneten Buches, Wer hat Gott erschaffen? Auf der Suche nach einer Theorie von allem. Wer hat Gott erschaffen? ist bei Amazon und in neuseeländischen Buchhandlungen erhältlich (Grace & Truth Publications hat Exemplare für 24 NZD erhältlich).

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Ich habe immer an der Urknalltheorie gezweifelt. Für mich ist das Universum unendlich, wie Energie unendlich ist und das Universum reine Energie ist, alles was aus Energie und Energie gebildet wird, kann nicht verloren gehen nur die Informationen in der Energie, siehe die jüngsten Entwicklungen in der Schwarzlochforschung, wo sie sich als gerecht erwiesen haben das, so ist es wirklich einfach, das universum war immer einfach nicht so, wie wir es kennen. Zu denken, es gäbe nichts und dann plötzlich ein Universum zu knallen, ist so lächerlich wie die christliche Vorstellung von der Schöpfung. Stellen Sie sich das so vor: Schwarze Löcher saugen Energie aus dem Universum und Sonnen oder Weiße Löcher, die das genaue Gegenteil eines Schwarzen Lochs sind, speien Energie zurück ins Universum und die Informationen der Energie werden dabei verändert . Sie können nicht mehr Energie erzeugen oder Energie verbrauchen, Sie können nur Energie umwandeln.. Wahre Unendlichkeit.

Energie ist nicht unendlich. Wo Sie herausgefunden haben, dass es keine seriöse Quelle war. Es ist wahrscheinlich der Fall, dass Sie das Gelesene falsch verstanden haben. Energie, zusammen mit dem Universum, begann gemäß den Vorhersagen des Standard-Urknallmodells zu existieren.

Sie sagen: “Zu denken, es gäbe nichts und dann plötzlich ein Universum zu knallen, ist so lächerlich wie die christliche Idee der Schöpfung.”
Nun, nichts dann ist BANG, ein Universum, lächerlich, da stimme ich zu. Nichts kommt von nichts, wie die Philosophen sagen. Aber das ist nicht SO lächerlich wie die christliche Schöpfungsidee. Der christliche Schöpfungsgedanke schreibt Gott die Ursache des Universums zu. Die christliche Sichtweise stimmt mit der philosophischen Maxime überein, denn nach dieser Sicht kam etwas (das Universum) von etwas (Gott), nicht dass etwas aus dem Nichts kam.

Besagt das Energieerhaltungsgesetz in der Physik nicht, dass Energie nicht erzeugt oder zerstört werden kann, sondern nur in andere Energieformen umgewandelt werden kann, wie das Prinzip der Masse-Materie-Umwandlung bei Materie? Wenn sowohl Energie als auch Materie in einem geschlossenen System (Das Universum würde als geschlossenes System gelten, da was außerhalb des kosmologischen Horizonts des Urknalls liegt?) sie bleiben in diesem geschlossenen System eines Universums, in dem wir leben, konstant, wie es die Gesetze der Physik vorschreiben. Wäre es nicht logisch zu glauben, dass all diese Masse und Energie, die unser Universum ausmacht, IMMER existiert hat?

Der Urknall besagt, dass das Universum einst eine Singularität war, da dies aufgrund der Gesetze der Physik, wie wir sie kennen, vollständig zusammenbricht und dann von dort aus expandiert wird. Vielleicht existierte alle Materie und Energie im Universum in dieser Singularität und hat immer existiert, ohne dass es einen Schöpfer oder Gott brauchte? Vielleicht müssen die Gesetze der Physik eine Weile schlafen, wie wir denken, dass sie es in Singularitäten tun, damit die Quantenfluktuationen ihre Arbeit tun?

John, Ihre Behauptung hat mehrere unüberwindliche Schwierigkeiten. Erstens können Sie die ursprüngliche Frage, die Hawking und andere theoretische Physiker seit Jahrzehnten plagt, nicht erklären: Warum etwas lieber als nichts? Unabhängig von der “size” Ihrer Singularität (in jedem Sinne relativ) muss sie berücksichtigt werden. Berücksichtigen Sie zweitens die Bedingungen, die zur “Instabilität” der Singularität führten, die das anfängliche Wachstum verursachte (Hyperinflation). Warum für eine Ewigkeit im Schlaf sitzen und sich dann radikal ändern. Woher der Anstoß? Eine Zustandsänderung erfordert eine Kausalität. Außerdem ist die Wahrscheinlichkeit von Quantenereignissen direkt proportional zu Zeitintervallen. Mit abnehmender Zeit nimmt die Wahrscheinlichkeit ab. Für ein Singularitätsereignis des “creation”-Momentes ist time=null, also Wahrscheinlichkeit=null. Es gibt keine Rechtfertigung, das Gesetz von Ursache und Wirkung zu leugnen, nur weil es theologisch oder philosophisch unbequem ist. Additionally the existence of information and intelligence mandates a prior intelligence to the formation of the universe, it is inescapable. If we were to approach any other discipline, such as forensics or engineering, with the same degree of closed-mindedness of pure naturalism, we would of necessity arrive at ludicrous and illogical conclusions.

The laws of thermodynamics (and specifically, the first law you mentioned that states energy cannot be created or destroyed) only applies once the universe is created – not before there is a universe. It only aplies within the universe – not on the universe. So there’s no contradiction here with the science of thermodynamics and the idea that the universe began to exist.

You make some interesting points of course. However, The Big Bang as a cosmological Theory is still relatively incomplete. I was simply postulating a possibility, that matter and energy, and by necessity our universe, in one state or another is eternal. I will say it truthfully, I can’t account for what caused hyper inflation to begin with, there are a couple of ideas out there, like i said with quantum fluctuations being a possible source, but of course modern science cant push our theoretical framework passed the Planck scale, because once you go passed that, everything breaks down, including the laws of thermodynamics I believe, Stuart.

However Ktisis, you then go on to say that information and intelligence existing as part of this universe must necessitate a prior intelligence. You are making this claim on what grounds? Why is it mandated that intelligence needs a source? Why isn’t it a by-product of evolution? No where in science does it say we know how the universe started, because we dont know, we have theories, ideas of how it might have happened, based on measurable phenomenon we are currently able to observe, but no concrete ” Yeah, this is how it went down”. When you say God did it, the burden of proof is on you.

Apply Occam’s Razor then – What is simplest? God did it, which of course brings to mind all kinds of stuff like, if God created the universe, who created God?

Or the universe has always existed, in one state or another? We can see the universe, we can test the universe. Theres all kinds of matter and energy, abundunt everywhere, but no proof, no testable effect, of God having done it.

I’d like to ask before hand you guys disregard the general anti-religious flavor of the above video, as it is hosted by Richard Dawkins. It’s a presentation by Lawrence Krauss (also an atheist, forgive him his Religious snide commentary) on the possibility of the beggining of the universe. It’s interesting to watch, if you love science.

I’d also like to say that I myself am not an atheist, i honestly couldn’t categorize, as I neither believe in any of the dominant religions of our day and age, nor hold any particular atheistic views, I guess I’m agnostic. However, I find some of the anti-religious rhetoric that comes from people like Dawkins a tad distasteful, so I simply ask for a little forgiveness.

Actually you can test Theism as a hypothesis. For instance, If God (as concieved by Christians) exists, then the universe had a beginning.

Your theory that matter and energy are eternal will not work. Two philosophical proofs, (1) from the impossibilty of an acutal infinite, and (2) from the impossibilty of reaching an actual infinite by a series of equal successions, rule this out. Otherwise, there are scientific proofs that the universe is not eternal in the past. (3) The second law of Thermodynamics, the law of energy conservation indicates that the universe is not eternal in the past, and (4) the predictions of the Standard Big Bang Model. Here you say the theoretical framework cannot be extended beyong the planck time. Thats wrong. It is observation that cannot be extended beyond the planck time, not the theory. Only the breifest glance at the history of 20th century cosmogonies is enough to show this. However, due to the lengthy procession of failed theories that have sought to divert the absolute beginning of the universe predicted by the Standard Model and extend its life into the infinite past, we have good reason to think that future attempts will also be unsuccessful. Secondly, the Bord Guth Vilenkin theorum (c. 2004) positively proves that the universe had a beginning, by showing that any universe that has been in a state of cosmic inflation cannot be extended into the infinite past, but had an absolute beginning.

So given the universe had a beginning (premise 2, KCA), and that nothing can come from nothing (premise 1, KCA), applying Occam’s Razoris not detrimental to the conclusion of the KCA, nor Theism since we are ‘not positing anything beyond necessity.’ Thats Occam’s Razor. Occam’s Razor is not whatever explanation is simplest. And for whatever its worth, God as the cause of the universe is an advance in simplicity anyway, since God is simple compared to the effect – the complex material universe. God is an immaterial mind – tremendously simple entity (even if God did have a cause).

Sure you can hypothesize with theism to your heart’s content, but there is no empirical data, no measurable effect to prove your hypothesis. What do you use as empirical data to prove God? I’m not even referring to any particular one, for sake of argument, we will list God as the being who created the universe, hypothetically

Also, you say you cant get something from nothing, which is of course correct. The problem is, there is no such thing as “Nothing” The Quantum Vacuum as shown in the Casimir Effect shows this. Even in Vacuum there are quantum fluctuations, with virtual particles popping in and out of existence.

Also, you keep mentioning the law of thermal dynamics, but physical laws as we know them break down at the singularity and no longer apply, hence why observation doesn’t extend past the Planck scale of the cosmological singularity predicted in the Standard Model, because the laws and rules of the universe that we use for most science dont apply at the singularity, they don’t do what they are supposed to.

The thing is, we have no clue what happened prior to the Big Bang. The difference is, you claim that at the beggining it was God that set the ball rolling. Where is the Proof? There isn’t any. I was just theorizing, and of course, as you pointed out, there are many reasons for my theory to not be correct. The theistic Idea however, has no evidence to support it whatsoever, It’s totally in the domain of philosophy.

Saying the universe has a begining is not the same as saying it came from nothing.. It simply suggests that there is something external. It doesn’t have to be a God.

the fact is nobody knows. Saying God did it explains nothing.

Hey what happened to my previous post

Censorship isn’t fair in a debate guys

Also, The BGV theorem has this to say, quoted directly from the paper

Many inflating spacetimes are likely to violate the weak energy condition, a key assumption of singularity theorems. Here we offer a simple kinematical argument, requiring no energy condition, that a cosmological model which is inflating — or just expanding sufficiently fast — must be incomplete in null and timelike past directions. Specifically, we obtain a bound on the integral of the Hubble parameter over a past-directed timelike or null geodesic. Thus inflationary models require physics other than inflation to describe the past boundary of the inflating region of spacetime.
……
and later

Whatever the possibilities for the boundary, it is clear
that unless the averaged expansion condition can somehow
be avoided for all past-directed geodesics, inflation
alone is not sufficient to provide a complete description of
the Universe, and some new physics is necessary in order
to determine the correct conditions at the boundary

“inflation alone is not sufficient to provide a complete description of
the Universe, and some new physics is necessary in order
to determine the correct conditions at the boundary”

It doesn’t say anything about God, Just that there is some kind of new physics that we are not aware of that would be responsible.
Your twisting that paper to suit your preconceptions Stuart. You’re inserting “God” As the new physics. Youre combining philosophy and science., not a very logical thing to do.

You also make some other wild assumptions that have no basis in fact.
“God is an immaterial Mind” What do you base this off? Where is your empirical evidence of this?
“God is Simple ” Once again, evidence? Where is your evidence?
The existence of God as the cause immediatley leads to infinite regression, as if God is the cause of the universe what is the cause of god? Thats complex, not simple.

John, it doesn’t really reflect well on you when you jump to the conclusion that your comment wasn’t immediately published because of “censorship”.

Our comment filter is fairly stringent to avoid spam, which we get a lot of. So most comments have to be manually approved. And believe it or not, we don’t sit in the WordPress dashboard all day hitting the Refresh button P

There is a major philosophical problem with your above comments. I will freely admit there is no purely empirical evidence for God. However, empirical evidence can be used to support a premise, which when combined with philosophical notions in other premises can lead toward a logical conclusion. You say comining philosophy and science is illogical? No. This method describes the process of forming every other reasonable belief, including scientific beliefs formed by responsible empirical enquiry.

For instance, one could say, there is a creature out there with certain attributes, say for instance it has wings, can swim as well as a fish, the male sits on the eggs to keep it warm, it can grow as tall as 100cm. We can be skeptical about it, because its doesn’t sound like anything we’ve ever seen or experienced. But when we hear about the emperor penguin, (perhaps you saw it for yourself, perhaps you read about it, or heard it described on the BBC by David Attinborough) you say to youself, ‘Hey, this fits the description.’ Then we combine this empirical evidence a philosophical assumption (hidden premise), i.e. “The report I am recieving from my senses is trustworthy,” and/or “This creature is not logically impossible,” and/or ” Likewise, Attinborough would not make this up, but he and his crew would have a direct and immediate sensory impression.” We then can conclude justifiably ‘My hypothesis [of such a creture with certain attributes] was right after all.’ Likewise, we have a concept of God as having certain attributes, we know from the KCA that the universe has a cause, and then when we consider what it would mean for something to be a cause of the universe, then we can say, ‘Hey, this fits the description of such a being.’

This is like Aquinas saying, ‘And this being, everyone calls God.’ What properties does the “something external [to the universe]” have, do you think? Now doesn’t such a description fit the concept of God quite nicely? And what are you going to call it? This being/cause/whatever, afterall, created the universe.

I agree there is no such THING as nothing. After all, thats the meaning of nothing – No-thing. Some people call the vacuum “nothing” but it is clearly not nothing. It is something, endowed and governed by physical laws. The universe however began from nothing in the sense of creatio ex nihilo, No-thing.

This is the prediction of the Standard Big Bang Model. Other models that have tried to extend the universe into the infinite past have continually failed to recommend themselves to the scietific community, and because of the Bord Guth Vilenkin theorem, cannot be infinite in the past since the theorem is independant of a physical description of the past universe. It was Alan Guth, I believe, who said, “With the proof now in, cosmologists must now face the problem of an absolute beginning.”

I’m not inserting God here as the new physics! I’m using the Bord Guth Vilenkin theorem as support for the beginning of the universe.

“God is an immaterial mind.” I base this off the revealed and traditional concept of God. But is there another reason why the creator or cause of the universe would be an immaterial mind. Since the universe is all that is material, the cause of the universe must be immaterial. Since the only immaterial things that philsophers are aware of are minds and abstract objects, and since abstract objects cannot cause anything, then the cause of the unvierse must be a mind. Thus, the cause of the universe must be an immaterial mind. God is an immaterial mind. And an immaterial mind is tremendously simple. It cannot be divided since it has not physical parts – it has no components to put together.

“The existence of God as the cause immediatley leads to infinite regression, as if God is the cause of the universe what is the cause of god? Thats complex, not simple.”

If God had a cause that wouldn’t mean he was complex. But what is your problem with infinite regressions anyway? Its an eternal universe that ist an infinite regression, which based on your above comments above, you don’t have a problem with. A major inconsistancy in your arguments here.

And why would you think that a being that bought time into existence with the universe, itself began to exist? This is your burden if you’re to advance this argument. It is unfortunately for those who advance the argument immediately apparent the very question is ridiculous. The cause of the universe (all space and time) must be timeless, thus be beginningless and unchanging. That which is beginningless and unchanging is necessary: the universe is contingent (it didn’t have to exist) – the cause of the unverse must be not-contingent, i.e. necessary (it had to exitst). So the question “Who made God?” is therefore exactly “What was the cause of an uncaused cause?” Analogously, it is like the question “What is the name of the bachelor’s wife?” or like saying “The area of the circle is the square of both its sides.” It’s idiotic. Wirklich! Why people think its profound is beyond me.

Refer to the website address at http://en.wikipedia.org/wiki/Dark_energy pertaining to dark energy.

The following is the extract of the second paragraph under the sub-title of “Negative Pressure” for the main subject of the ‘Nature Of Dark Energy’:

According to General Relativity, the pressure within a substance contributes to its gravitational attraction for other things just as its mass density does. This happens because the physical quantity that causes matter to generate gravitational effects is the Stress-energy tensor, which contains both the energy (or matter) density of a substance and its pressure and viscosity.

As the phrase, the physical quantity that causes matter to generate gravitational effects is mentioned in the extracted paragraph, it gives the implication that physical quantity of matter has to exist prior to the generation of gravitational effects. Or in other words, it opposes the principality that gravitational effects could occur at the absence of matter. As it is described pertaining to Dark Energy, it implies that Dark Energy could only be derived from the existence of the physical quantity of matter. This certainly rejects Stephen Hawking’s theory in which dark energy could exist prior to the formation of the universe as if that dark energy could exist the support or influence from the physical quantity of matter.

The following is the extract of the third paragraph under the sub-title of ‘Cosmological Constant’ for the main subject of the ‘Nature of Dark Energy’:

The simplest explanation for dark energy is that it is simply the “cost of having space”: that is, a volume of space has some intrinsic, fundamental energy. This is the cosmological constant, sometimes called Lambda (hence Lambda-CDM model) after the Greek letter ?, the symbol used to mathematically represent this quantity. Since energy and mass are related by E = mc2, Einstein’s theory of general relativity predicts that it will have a gravitational effect..

E = mc2 has been used to be related to Dark Energy. As energy and mass are related in according to General Relativity and if m = 0, no matter how big the number that c could be, E (the dark energy) would turn up to be 0 since 0 is multiplied by c2 always equal to 0. Or in other words, E (the dark energy) should be equal to 0 at the absence of substance. Stephen Hawking’s theory certainly contradicts Eistein’s theory in the sense that he supports that dark energy could exist even though there could not be any matter existed prior to the formation of the universe. As E (the dark energy should be equal to 0) when m=0, it provides the proof that there would not be at dark energy prior to the formation of the universe. As there would not be any dark energy prior to the formation of the universe, how could Stephen Hawking uses quantum theory to support that gravity or the so-called, dark energy, could create something out of nothing. Thus, Stephen Hawking has twisted Eistein’s theory to support his own theory.

Refer to the website address at: http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/history/newtongrav.html pertaining to the law of universal gravitation. The following is the extract of the definition of law of universal gravitation:

Every object in the universe attracts every other object with a force directed along the time of centers for the two objects that is proportional to the product of their masses and inversely separation between the two objects. Fg = G(m1 m2)//r2. (Fg is the gravitational force m1 & m2 are the masses of the two objects r is the separation between the objects and G is the universal gravitational constant. From the formula, we note that Fg (the gravitational force or in replacement of dark energy) has a direct influence from two masses (m1 & m2). If either of the m is equal to 0, Fg would turn up to be 0. Isaac Newton’s theory certainly opposes Stephen Hawking in which gravity or the so-called, dark energy, could exist at the absence of matter prior to the formation of this universe in this energy or gravity could create something out of nothing.

From the above analyses, it would come to the conclusion that Stephen Hawking has twisted both Newton’s theory as well as Eistein to support his quantum theory in which gravity, or the so-called, dark energy, could create something out of nothing.

As Stephen Hawking has twisted both Newton’s gravitational theory and Eistein to support his theory that quantum fluctuation could create the universe, this gives us the idea that his theory contradicts sicence in realtiy and that put his theory to be in doubts about its reliability and acceptability.

Stephen Hawking might mention that both Newton’s gravitational theory and Eistein are wrong. As he was not born at the time of the formation of the universe to observe its creation, his theory is simply not tested and ithrough his wild imagination by twisting scientific theories to suit his concept.

Could we have some rebuttal from John for Stuart? The debate was going very nicely, and I would love to see how John would come back, and I’m sure Stuart would too!


The real history of quantum biology

Credit: CC0 Public Domain

Quantum biology, a young and increasingly popular science genre, isn't as new as many believe, with a complicated and somewhat dark history, explain the founders of the world's first quantum biology doctoral training centre.

In a paper published by the Royal Society journal, Proceedings of the Royal Society A, Professors Johnjoe McFadden and Jim Al-Khalili from the University of Surrey trace the origins of quantum biology as far back as the late 1920s when the Danish physicist, Niels Bohr, delivered an influential lecture on whether the then new 'atomic theory' could help solve the mystery of life.

In their paper, The origins of quantum biology, McFadden and Al-Khalili examine nearly 100 years of pioneering and improbable questions about the relationship between the fuzzy and almost magical world of quantum physics and the rigid and organised field of biology.

Quantum biology seeks to understand whether quantum mechanics plays a role in biological processes. Recent research has already shown phenomena such as photosynthesis, respiration, bird navigation and even the way we think are all influenced by quantum mechanics.

Earlier this year, Professors McFadden and Al-Khalili opened the doors to their new Doctoral Training Centre for Quantum Biology. The centre, which is supported by the Leverhulme Trust, trains a new generation of scientists who can operate across the boundaries of biology, chemistry and quantum physics to pioneer research in quantum biology.

Johnjoe McFadden, Professor of Molecular Genetics and Co-Director of the Centre for Quantum Biology at the University of Surrey, said: "Quantum biology is wrongly regarded as a very new scientific discipline, when it actually began before the Second World War. Back then, a few quantum physicists tried to understand what was special about life itself and whether quantum mechanics might shed any light on the matter. In this paper we tell the story of how it all began and why it is only now making a comeback."

Jim Al-Khalili, Professor of Physics and Co-Director of the Centre for Quantum Biology at the University of Surrey, said: "With the University of Surrey now hosting the world's first doctoral training centre in quantum biology and training Ph.D. students in this interdisciplinary field, we felt it was a good time tell the world something about its origins.

"We had wanted to lay out the history of quantum biology as far back as 2015, when Johnjoe and I wrote our popular science book,Life on the Edge, which has already been translated into 16 languages and was shortlisted for the Royal Society Winton Book Prize."


Plum Pudding Model and Rutherford Model

JESPER KLAUSEN / SCIENCE PHOTO LIBRARY / Getty Images

Up to this point, atoms were believed to be the smallest units of matter. In 1897, J.J. Thomson discovered the electron. He believed atoms could be divided. Because the electron carried a negative charge, he proposed a plum pudding model of the atom, in which electrons were embedded in a mass of positive charge to yield an electrically neutral atom.

Ernest Rutherford, one of Thomson's students, disproved the plum pudding model in 1909. Rutherford found that the positive charge of an atom and most of its mass were at the center, or nucleus, of an atom. He described a planetary model in which electrons orbited a small, positive-charged nucleus.


Inhalt

Origin and education Edit

Louis de Broglie belonged to the famous aristocratic family of Broglie, whose representatives for several centuries occupied important military and political posts in France. The father of the future physicist, Louis-Alphonse-Victor, 5th duc de Broglie, was married to Pauline d’Armaille, the granddaughter of the Napoleonic General Philippe Paul, comte de Ségur. They had five children in addition to Louis, these are: Albertina (1872–1946), subsequently the Marquise de Luppé Maurice (1875–1960), subsequently a famous experimental physicist Philip (1881–1890), who died two years before the birth of Louis, and Pauline, Comtesse de Pange (1888–1972), subsequently a famous writer. [13] Louis was born in Dieppe, Seine-Maritime. As the youngest child in the family, Louis grew up in relative loneliness, read a lot, was fond of history, especially political. From early childhood, he had a good memory and could accurately read an excerpt from a theatrical production or give a complete list of ministers of the Third Republic of France. For him was predicted a great future as a statesman. [14]

De Broglie had intended a career in humanities, and received his first degree in history. Afterwards he turned his attention toward mathematics and physics and received a degree in physics. With the outbreak of the First World War in 1914, he offered his services to the army in the development of radio communications.

Military service Edit

After graduation, Louis de Broglie as a simple sapper joined the engineering forces to undergo compulsory service. It began at Fort Mont Valérien, but soon, on the initiative of his brother, he was seconded to the Wireless Communications Service and worked on the Eiffel Tower, where the radio transmitter was located. Louis de Broglie remained in military service throughout the First World War, dealing with purely technical issues. In particular, together with Léon Brillouin and brother Maurice, he participated in establishing wireless communications with submarines. Prince Louis was demobilized in August 1919 with the rank of adjudant. Later, the scientist regretted that he had to spend about six years away from the fundamental problems of science that interested him. [14] [15]

Scientific and pedagogical career Edit

His 1924 thesis Recherches sur la théorie des quanta [16] (Research on the Theory of the Quanta) introduced his theory of electron waves. This included the wave–particle duality theory of matter, based on the work of Max Planck and Albert Einstein on light. This research culminated in the de Broglie hypothesis stating that any moving particle or object had an associated wave. De Broglie thus created a new field in physics, the mécanique ondulatoire, or wave mechanics, uniting the physics of energy (wave) and matter (particle). For this he won the Nobel Prize in Physics in 1929.

In his later career, de Broglie worked to develop a causal explanation of wave mechanics, in opposition to the wholly probabilistic models which dominate quantum mechanical theory it was refined by David Bohm in the 1950s. The theory has since been known as the De Broglie–Bohm theory.

In addition to strictly scientific work, de Broglie thought and wrote about the philosophy of science, including the value of modern scientific discoveries.

De Broglie became a member of the Académie des sciences in 1933, and was the academy's perpetual secretary from 1942. He was asked to join Le Conseil de l'Union Catholique des Scientifiques Francais, but declined because he was non-religious. [17] [18] On 12 October 1944, he was elected to the Académie Française, replacing mathematician Émile Picard. Because of the deaths and imprisonments of Académie members during the occupation and other effects of the war, the Académie was unable to meet the quorum of twenty members for his election due to the exceptional circumstances, however, his unanimous election by the seventeen members present was accepted. In an event unique in the history of the Académie, he was received as a member by his own brother Maurice, who had been elected in 1934. UNESCO awarded him the first Kalinga Prize in 1952 for his work in popularizing scientific knowledge, and he was elected a Foreign Member of the Royal Society on 23 April 1953.

Louis became the 7th duc de Broglie in 1960 upon the death without heir of his elder brother, Maurice, 6th duc de Broglie, also a physicist.

In 1961, he received the title of Knight of the Grand Cross in the Légion d'honneur. De Broglie was awarded a post as counselor to the French High Commission of Atomic Energy in 1945 for his efforts to bring industry and science closer together. He established a center for applied mechanics at the Henri Poincaré Institute, where research into optics, cybernetics, and atomic energy were carried out. He inspired the formation of the International Academy of Quantum Molecular Science and was an early member. [19] His funeral was held 23 March 1987 at the Church of Saint-Pierre-de-Neuilly. [20]

Louis never married. When he died in Louveciennes, [6] he was succeeded as duke by a distant cousin, Victor-François, 8th duc de Broglie.

Physics of X-ray and photoelectric effect Edit

The first works of Louis de Broglie (early 1920s) were performed in the laboratory of his older brother Maurice and dealt with the features of the photoelectric effect and the properties of x-rays. These publications examined the absorption of X-rays and described this phenomenon using the Bohr theory, applied quantum principles to the interpretation of photoelectron spectra, and gave a systematic classification of X-ray spectra. [14] The studies of X-ray spectra were important for elucidating the structure of the internal electron shells of atoms (optical spectra are determined by the outer shells). Thus, the results of experiments conducted together with Alexandre Dauvillier, revealed the shortcomings of the existing schemes for the distribution of electrons in atoms these difficulties were eliminated by Edmund Stoner. [21] Another result was the elucidation of the insufficiency of the Sommerfeld formula for determining the position of lines in X-ray spectra this discrepancy was eliminated after the discovery of the electron spin. In 1925 and 1926, Leningrad physicist Orest Khvolson nominated the de Broglie brothers for the Nobel Prize for their work in the field of X-rays. [13]

Matter and wave–particle duality Edit

Studying the nature of X-ray radiation and discussing its properties with his brother Maurice, who considered these rays to be some kind of combination of waves and particles, contributed to Louis de Broglie's awareness of the need to build a theory linking particle and wave representations. In addition, he was familiar with the works (1919–1922) of Marcel Brillouin, which proposed a hydrodynamic model of an atom and attempted to relate it to the results of Bohr's theory. The starting point in the work of Louis de Broglie was the idea of A. Einstein about the quanta of light. In his first article on this subject, published in 1922, the French scientist considered blackbody radiation as a gas of light quanta and, using classical statistical mechanics, derived the Wien radiation law in the framework of such a representation. In his next publication, he tried to reconcile the concept of light quanta with the phenomena of interference and diffraction and came to the conclusion that it was necessary to associate a certain periodicity with quanta. In this case, light quanta were interpreted by him as relativistic particles of very small mass. [22]

It remained to extend the wave considerations to any massive particles, and in the summer of 1923 a decisive breakthrough occurred. De Broglie outlined his ideas in a short note "Waves and quanta" (French: Ondes et quanta, presented at a meeting of the Paris Academy of Sciences on September 10, 1923), which marked the beginning of the creation of wave mechanics. In this paper, the scientist suggested that a moving particle with energy E and velocity v is characterized by some internal periodic process with a frequency E / h , where h is Planck's constant. To reconcile these considerations, based on the quantum principle, with the ideas of special relativity, de Broglie was forced to associate a "fictitious wave" with a moving body, which propagates with the velocity c 2 / v /v> . Such a wave, which later received the name phase, or de Broglie wave, in the process of body movement remains in phase with the internal periodic process. Having then examined the motion of an electron in a closed orbit, the scientist showed that the requirement for phase matching directly leads to the quantum Bohr-Sommerfeld condition, that is, to quantize the angular momentum. In the next two notes (reported at the meetings on September 24 and October 8, respectively), de Broglie came to the conclusion that the particle velocity is equal to the group velocity of phase waves, and the particle moves along the normal to surfaces of equal phase. In the general case, the trajectory of a particle can be determined using Fermat's principle (for waves) or the principle of least action (for particles), which indicates a connection between geometric optics and classical mechanics. [23]

This theory set the basis of wave mechanics. It was supported by Einstein, confirmed by the electron diffraction experiments of G P Thomson and Davisson and Germer, and generalized by the work of Schrödinger.

However, this generalization was statistical and was not approved of by de Broglie, who said "that the particle must be the seat of an internal periodic movement and that it must move in a wave in order to remain in phase with it was ignored by the actual physicists [who are] wrong to consider a wave propagation without localization of the particle, which was quite contrary to my original ideas."

From a philosophical viewpoint, this theory of matter-waves has contributed greatly to the ruin of the atomism of the past. Originally, de Broglie thought that real wave (i.e., having a direct physical interpretation) was associated with particles. In fact, the wave aspect of matter was formalized by a wavefunction defined by the Schrödinger equation, which is a pure mathematical entity having a probabilistic interpretation, without the support of real physical elements. This wavefunction gives an appearance of wave behavior to matter, without making real physical waves appear. However, until the end of his life de Broglie returned to a direct and real physical interpretation of matter-waves, following the work of David Bohm. The de Broglie–Bohm theory is today the only interpretation giving real status to matter-waves and representing the predictions of quantum theory.

Conjecture of an internal clock of the electron Edit

In his 1924 thesis, de Broglie conjectured that the electron has an internal clock that constitutes part of the mechanism by which a pilot wave guides a particle. [24] Subsequently, David Hestenes has proposed a link to the zitterbewegung that was suggested by Erwin Schrödinger. [25]

While attempts at verifying the internal clock hypothesis and measuring clock frequency are so far not conclusive, [26] recent experimental data is at least compatible with de Broglie's conjecture. [27]

Non-nullity and variability of mass Edit

According to de Broglie, the neutrino and the photon have rest masses that are non-zero, though very low. That a photon is not quite massless is imposed by the coherence of his theory. Incidentally, this rejection of the hypothesis of a massless photon enabled him to doubt the hypothesis of the expansion of the universe.

In addition, he believed that the true mass of particles is not constant, but variable, and that each particle can be represented as a thermodynamic machine equivalent to a cyclic integral of action.

Generalization of the principle of least action Edit

In the second part of his 1924 thesis, de Broglie used the equivalence of the mechanical principle of least action with Fermat's optical principle: "Fermat's principle applied to phase waves is identical to Maupertuis' principle applied to the moving body the possible dynamic trajectories of the moving body are identical to the possible rays of the wave." This equivalence had been pointed out by Hamilton a century earlier, and published by him around 1830, in an era where no experience gave proof of the fundamental principles of physics being involved in the description of atomic phenomena.

Up to his final work, he appeared to be the physicist who most sought that dimension of action which Max Planck, at the beginning of the 20th century, had shown to be the only universal unity (with his dimension of entropy).

Duality of the laws of nature Edit

Far from claiming to make "the contradiction disappear" which Max Born thought could be achieved with a statistical approach, de Broglie extended wave–particle duality to all particles (and to crystals which revealed the effects of diffraction) and extended the principle of duality to the laws of nature.

His last work made a single system of laws from the two large systems of thermodynamics and of mechanics:

When Boltzmann and his continuators developed their statistical interpretation of Thermodynamics, one could have considered Thermodynamics to be a complicated branch of Dynamics. But, with my actual ideas, it's Dynamics that appear to be a simplified branch of Thermodynamics. I think that, of all the ideas that I've introduced in quantum theory in these past years, it's that idea that is, by far, the most important and the most profound.

That idea seems to match the continuous–discontinuous duality, since its dynamics could be the limit of its thermodynamics when transitions to continuous limits are postulated. It is also close to that of Leibniz, who posited the necessity of "architectonic principles" to complete the system of mechanical laws.

However, according to him, there is less duality, in the sense of opposition, than synthesis (one is the limit of the other) and the effort of synthesis is constant according to him, like in his first formula, in which the first member pertains to mechanics and the second to optics:

Neutrino theory of light Edit

This theory, which dates from 1934, introduces the idea that the photon is equivalent to the fusion of two Dirac neutrinos.

It shows that the movement of the center of gravity of these two particles obeys the Maxwell equations—that implies that the neutrino and the photon both have rest masses that are non-zero, though very low.

Hidden thermodynamics Edit

De Broglie's final idea was the hidden thermodynamics of isolated particles. It is an attempt to bring together the three furthest principles of physics: the principles of Fermat, Maupertuis, and Carnot.

In this work, action becomes a sort of opposite to entropy, through an equation that relates the only two universal dimensions of the form:

As a consequence of its great impact, this theory brings back the uncertainty principle to distances around extrema of action, distances corresponding to reductions in entropy.


Later career and writings

After receiving his doctorate, de Broglie remained at the Sorbonne, becoming in 1928 professor of theoretical physics at the newly founded Henri Poincaré Institute, where he taught until his retirement in 1962. He also acted, after 1945, as an adviser to the French Atomic Energy Commissariat.

In addition to winning the Nobel Prize for Physics, de Broglie received, in 1952, the Kalinga Prize, awarded by the United Nations Economic and Social Council, in recognition of his writings on science for the general public. He was a foreign member of the British Royal Society, a member of the French Academy of Sciences, and, like several of his forebears, a member of the Académie Française.

De Broglie’s keen interest in the philosophical implications of modern physics found expression in addresses, articles, and books. The central question for him was whether the statistical considerations that are fundamental to atomic physics reflect an ignorance of underlying causes or whether they express all that there is to be known the latter would be the case if, as some believe, the act of measuring affects, and is inseparable from, what is measured. For about three decades after his work of 1923, de Broglie held the view that underlying causes could not be delineated in a final sense, but, with the passing of time, he returned to his earlier belief that the statistical theories hide “a completely determined and ascertainable reality behind variables which elude our experimental techniques.”


Schau das Video: 13: Částice vs. vlny. Úvod do kvantové fyziky


Bemerkungen:

  1. Shakabei

    Ich denke, er ist falsch. Ich bin sicher. Lassen Sie uns versuchen, dies zu besprechen. Schreiben Sie mir in PM, sprechen Sie.

  2. Weallcot

    Hat nicht absolut verstanden, dass Sie es sagen wollten.

  3. Faukinos

    Ich entschuldige mich, ich kann nichts helfen. Ich denke, Sie werden die richtige Entscheidung finden. Nicht verzweifeln.

  4. Deke

    die sehr schnelle Antwort :)

  5. Abdul-Wadud

    Du hast nicht recht. Ich bin sicher. Ich kann meine Position verteidigen.



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