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Schneller als das Licht?
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Schneller als das Licht?

 

Artikel von 3 sat Sendung nano übernommen...


Reisen schneller als das Licht

Einstein ein Schnippchen schlagen


Wenn Licht, Radiowellen hoher Frequenz, durch einen Engpass geschickt wird, tunnelt ein Teil der Strahlung durch diesen Engpass - die Quantenmechanik schlägt Einstein ein Schnippchen: Egal, wie lang die Tunnelstrecke auch ist, die Strahlung ist sofort am anderen Ende. Bei dem Versuch im kalifornischen Berkely kam man so auf die dreifache Lichtgeschwindigkeit.




Doch was für kleinste Lichtteilchen, ja sogar Atome geht, das versagt bei großen Körpern. Astronauten werden vorerst nicht in ferne Welten tunneln.


Neue Experimente zum Tunneln - schneller als das Licht?

Deutsche Wissenschaftler testen neuen Aufbau zur Quantenmechanik

Das bereits seit über zehn Jahren in der Wissenschaft diskutierte "Tunneln" von Photonen wurde in einem neuen Experiment erneut beobachtet. Dabei sollen sich Photonen mit Überlichtgeschwindigkeit von einem Ort zum anderen bewegt haben.

Bereits 1995 zeigten Günter Nimtz und Alfons Stahlhofen, heute tätig an den Universitäten von Köln und Koblenz, den Tunneleffekt von Mikrowellen: In einem Metallrohr sollte ein sich verjüngender Abschnitt als Barriere für die Wellen dienen. Tatsächlich kamen am Ende der Strecke aber Photonen an, noch bevor am Anfang Teilchen abgeschickt wurden.

Dieses Experiment wurde in der Wissenschaftswelt kontrovers diskutiert, bis es einige Monate später an der US-Universität von Berkeley mit einem ähnlichen Aufbau bestätigt werden konnte. Seitdem wurden mehrere Theorien zu den Ursachen des unzweifelhaft vorhandenen Effekts entwickelt. Am populärsten ist eine Erklärung unter der Annahme noch nicht nachgewiesener Teilchen, in die die Photonen am Beginn der Strecke aufgespalten werden. Falls dabei noch die Heisenberg'sche Unschärferelation greift, können einige der Teilchen quasi sofort das Ende der Strecke erreichen. Laut Heisenberg lassen sich Impuls und Ort eines Teilchens nicht gleichzeitig bestimmen, so dass die Partikel im Rahmen der Messung die Regeln Einsteins durchbrechen und schneller als das Licht reisen.

Nimtz und Stahlhofen wollten für ihr neues Experiment wissen, wie weit die Strecke der Sofort-Übertragung sein darf. Sie wählten dabei als Barriere ein Doppelprisma, das aus einem in der Diagonale in zwei Hälften geteilten Glaswürfel von 40 Zentimeter Kantenlänge besteht. Die Schnittflächen spielten eine optische Sperrschicht. Dabei "tunneln" einige Photonen aber dennoch durch die Barriere aus Luft. Da die Wellen eine Länge von 33 Millimetern hatten, konnten sie im Prisma stets gebrochen werden.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass dieser Effekt unabhängig von der Entfernung der beiden Prismen auftritt, sie konnten ihn aber nicht bei Distanzen größer als 1 Meter beobachten. Das Experiment gewinnt derzeit an Anerkennung, so berichtet unter anderem das Magazin New Scientist darüber.


http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0708/0708.0681.pdf

http://www.abenteuer-universum.de/einstein/ftl.html

http://www.newscientist.com/channel/fundamentals/mg19526173.500-photons-challenge-the-light-barrier.html





Den Raum verbiegen und verzerren

 

 "Es wird gezeigt, dass es im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie und ohne dass Wurmlöcher dazu gebraucht werden, möglich ist, die Raumzeit so zu verzerren, dass ein Raumschiff mit beliebig hoher Geschwindigkeit reisen kann", so der Physik-Professor Miguel Alcubierre.

 Das Raumschiff fliegt gar nicht schneller als das Licht, aber es verändert die Raumzeit um sich herum. Vor dem Raumschiff wird der Raum gestaucht und dafür dahinter ausgedehnt.
Es reicht, wenn das nur innerhalb einer dünnen Hülle um das Raumschiff herum geschieht. Auch Nasa-Experten beschäftigen sich mit dem Warp-Antrieb. Der Schönheitsfehler ist nur: Man braucht negative Energie dazu. Es wird heiß diskutiert, wie viel davon nötig ist und wo um Himmels willen so etwas zu finden wäre





Negative Energie - nicht zu verwechseln mit Antimaterie, denn auch die hat positive Energie - gibt es tatsächlich. Gezeigt wurde es durch den Casimir-Effekt: Im Vakuum entsteht zwischen zwei sehr eng benachbarten Platten ein Sog - ein negativer Druck. Da die Energie des Vakuums gleich null ist, muss dort also negative Energie herrschen. Die Erklärung ist eine quantenmechanische: Das Vakuum ist nicht gänzlich leer. Spontan entstehen virtuelle Teilchen und ihr Antiteilchen und vernichten sich sogleich wieder.

Das ist nicht einmal die Erschaffung der Materie aus dem Nichts: Denn die Energie wird nur "ausgeborgt" und gleich wieder "zurückgegeben". Die Heisenbergsche Unschärferelation erlaubt das. Zwischen den beiden Platten ist der Raum allerdings sehr eng: Nur Teilchen sehr kleiner Wellenlänge "passen" da zwischen, "größere" nicht - es entsteht wie beim Unterdruck der Luft ein Sog.

 Dort muss also weniger "Druck", weniger Energie sein als im umgebenden Vakuum - da dessen Energie gleich null ist, muss die Energie dort kleiner null, also negativ, sein. Wenn man diese negative Energie stabilisieren könnte, wären Wurmlöcher möglich. Nur diese extrem seltsame Materieform könnte die Wand eines Wurmlochs stabilisieren. Doch eine Reise hindurch wäre schwierig, denn diese "ganz normale" Materie mit positiver Energie würde die Wandung direkt instabilisieren. Hinzu kommt der "Quantenzins" dieses Energiedarlehens: "Wie Schulden negatives Geld sind, das zurückgezahlt werden muss, so ist negative Energie ein Energiedefizit

 
Je größer das Darlehen, desto kleiner die maximal zulässige Darlehensdauer", schreiben Lawrence H. Ford und Thomas A. Roman, Physik-Professoren an der "Tufts University" in Massachusetts und an der "Central Connecticut State University". "Die Natur ist ein unerbittlicher Bankier und fordert Schulden stets zurück Quantenschulden sogar mit Zinsaufschlag.

 

Tachyonen können schneller als das Licht sein

 

 
Andere Ideen zu überlichtschnellen Reisen beruhen auf dem Schauer exotischer Teilchen, die die Teilchenphysiker erzeugen. Könnten sich da nicht auch Tachyonen finden, jene mystischen Teilchen, die sich grundsätzlich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen, die gar nicht langsamer können?

 Ideen zu überlichtschnellen Reisen beruhen auf dem Schauer exotischer Teilchen, die die Teilchenphysiker erzeugen. Könnten sich da nicht auch Tachyonen finden, jene mystischen Teilchen, die sich grundsätzlich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen, die gar nicht langsamer können? Noch hat sich in den Detektoren des CERN keine Spur von ihnen gezeigt. Doch manchen Theoretikern würden sie gut in ihre Formeln passen. Nur bleibt damit auch ein Antrieb eine rein theoretische Angelegenheit.

In der Welt der Teilchenwissenschaft lernen wir jeden Tag etwas dazu", so Nasa-Wissenschaftler John Cole. "Wir, die Nasa, wir sind an allen Erkenntnissen, an allen Plänen interessiert, die vielleicht die Entwicklung von Antrieben ermöglichen, die über die heutige Physik hinausgehen." Tachyonen fliegen in der Zeit zurück und werden schneller, wenn man sie abbremst. Sie müssten allerdings eine imaginäre Masse haben, da sie sonst der Relativitätstheorie Einsteins widersprächen.

Dieser Begriff stammt aus der Mathematik: Das Quadrat ihrer Ruhemasse wäre negativ, die einfache Masse ist zu messen in Einheiten aus √(-1). Nur aufgrund ihrer Überlichtgeschwindigkeit haben sie eine reale Masse. Doch gerade diese absurd erscheinenden Eigenschaften lassen sie für ein Triebwerk als geeignet erscheinen: Tachyonen haben wie "normale" Photonen einen Impuls - und ein Impuls kann in den Schub eines Raumschiffs umgesetzt werden. Man könnte sogar mit minimalen Energieaufwand riesige Mengen dieser Teilchen erzeugen.


Unterwegs per Atom





Um noch weiter als bis zum Mars zu kommen, wäre ein selbst ein Kernspaltungs-Antrieb - wenn wir einen bauen könnten - nicht ausreichend, um Menschen zu den äußeren Planeten zu bringen", so Nasa-Wissenschaftler John Cole.

Man brauchte dann einen Antrieb, dessen Leistungsfähigkeit etwa 50 mal so stark sein müsste wie der Hauptantrieb des Space-Shuttle, rechnet er vor. "Man könnte das vielleicht mit einem Fusionsantrieb erreichen. Wenn es je gelingen sollte, die Fusionsenergie nutzbar zu machen, dann wäre ein solcher Flug im Bereich des Möglichen." Mit einfachsten Mitteln ist bereits ein erster Schritt gelungen - im Mikro-Maßstab. Durch Schall und Neutronenstrahlung erzeugte Bläschen sollen die Bedingungen für die Kernfusion schaffen, die noch weitaus mehr Energie erzeugt als die Kern-Spaltung.

Ein alternativer Antrieb wäre der durch Antimaterie: Trifft sie auf "normale" Materie, zerstrahlen sich beide nach der Gleichung Albert Einsteins E=mc2 vollständig in Energie. Im Teilchenbeschleuniger-Zentrum CERN stellt man Antimaterie schon fast routinemäßig her - aber in minimalen Mengen: Tausende von Atomen sind hier schon ein Durchbruch.


Wissenschaftler beamen Lichtquanten


Beam me up, Scotty" wird möglicherweise Wirklichkeit: Wissenschaftler an der Australian National University (ANU) in Canberra haben nach eigenen Angaben mit "Star-Trek"-Technologie erstmals eine Nachricht mit Lichtquanten innerhalb eines Laserstrahls einen Meter weit "teletransportiert". Wie die Zeitung "The Australian" berichtete, bedienten sie sich dabei der "Quantenverknüpfung".


Sie zerlegten demnach den Laserstrahl am einen Ende eines optischen Kommunikationssystems und stellten einen Meter entfernt eine identische Nachbildung her. Der Leiter des Teams, der chinesisch-australische Physiker Ping Koy Lam, betonte, die Technologie sei die Gleiche wie die an Bord des Raumschiffs "Enterprise". Das Potenzial für den Einsatz der neuen Technologie ist enorm: Die Kommunikationstechnik könnte entscheidend verbessert werden, in der Computertechnologie könnte sie zu einer neuen Generation mit drastisch verbesserter Geschwindigkeit führen.
Nach Lams Angaben eröffnet die Technologie auch neue Perspektiven in der Chiffrierungstechnik für Banken und Regierungen und könnte die Übermittlung von Informationen beschleunigen. Bis die Wissenschaftler einen Menschen wie Scotty von einem Ort zum anderen beamen können, sei es jedoch noch eine Weile hin, sagte Lam





Dafür sei der Bau einer Maschine notwendig, die die Billionen Atome des menschlichen Körpers erfasst und analysiert. Lam betont jedoch: "Das heißt nicht, dass das in ferner Zukunft nicht möglich ist." Das Team der ANU lieferte sich in den vergangenen Monaten ein Wettrennen mit Forschern in den USA und Europa, einen Laserstrahl zuverlässig und einheitlich zu "teletransportieren".

In den USA gelang es einem Team von Wissenschaftlern allerdings schon 1997, Lichtquanten über eine gewisse Entfernung zu beamen

Bisher galt das "Beamen" à la "Enterprise" entweder als Science-fiction oder als quantenmechanische Kuriosität ohne Nutzanwendung. Bisher waren es nur einzelne Teilchen, deren ein einziger Informationszustand schneller als das Licht übertragen werden konnte. Bisher

Teilchen, die klein genug sind, um den Gesetzen der Quantenmechanik zu folgen, können einen besonderen Zustand einnehmen, den man entanglement ("Verschränkung") nennt. Ein Paar von Teilchen kann in einem unbestimmten Quantenzustand sein. Dieser Zustand wie Spin oder Polarisation offenbart sich erst mit seiner Messung. Das besondere an einem verschränkten Paar: Wenn der Zustand des einen Teilchens gemessen wird, geht auch das zweite Teilchen unmittelbar in einen bestimmten Zustand über, egal, wie weit es von seinem Partner entfernt ist (Mikrometer oder Lichtjahre).

Über ein drittes Teilchen (das dabei verschwindet) kann man so dem weit entfernten Teilchen eine Innformation geben, die dieses dritte Teilchen hatte. Es ist eine Kopie, wie sie exakter nicht sein könnte. Das ist nichts neues und theoretisch seit den 30er Jahren bekannt. Anton Zeilinger aus Innsbruck hat es erstmals experimentell nachgewiesen, dass durchaus makroskopische Entfernungen so zum Beamen genutzt werden können.

Zeilinger ist oft gefragt worden, ob man auf diese Weise auch Menschen über große Entfernungen beamen könnte. Seine Antwort war immer: "Nein!" Denn es wäre noch ein weiter Weg, bis es gelingen könnte, nicht nur einzelne Photonen, bestenfalls eine Handvoll Atome zu beamen, geschweige denn einen ganzen Menschen. Doch jetzt ist es gelungen, 1012, also Trillionen, Teilchen in einen verschränkten Zustand zu versetzen. Damit ist die entscheidende Grundlage für das Beamen nicht nur über makroskopische Entfernungen, sondern auch von makroskopischen Objekten geschaffen worden.

Dieses Kunststück gelang Physikern um Prof. Eugene S. Polzik an der Universität Aarhus in Dänemark an Cäsiumatomen. Die Trillionen Teilchen verharrten - für quantenmechanische Verhältnisse ungewöhnlich lang, über 0,5 Millisekunden in einem verschränkten Zustand. Das ist zwar noch kein Beamen, aber ein wesentlicher Schritt hierzu.




Wenn Physiker beamen, dann heißt das nicht, dass Materie durch den Raum saust, sondern dass Informationen, Quantenzustände übertragen werden, die es erlauben, am anderen Ende mit dort vorhandener Materie - eine exakte Kopie zu erstellen. Prof. Polzik erläutert das mit einem einfachen Beispiel: "Eine Münze hat zwei Seiten. Wenn wir zwei miteinander verknüpfte Münzen so starten, und dann eine Messung machen bei der einen und dadurch auch bei der anderen, dann sollte, wenn sie verknüpft sind, immer wenn die eine Münze Kopf zeigt, die andere Zahl zeigen. Immer."

Es wird wohl darauf hinauslaufen, dass wir die Verknüpfung für Teleportations-Versuche nutzen werden. Das heißt nicht, dass wir in naher Zukunft einen Menschen beamen werden. Nicht wegen der vielen Billionen Atome, sondern wegen der schieren Zahl der möglichen Kombinationen dieser Atome, die einen menschlichen Körper bilden. Das ist einfach eine enorme Menge an klassischen Informationen, die übertragen werden müssten. Aber wir werden versuchen, diese Verknüpfung und die Teleportation für neue Kommunikationstechniken zu nutzen, für Quantencomputer und für deren Speicher."





Tiefkühl-Tempo



Bei der Nasa versucht man im Rahmen des "Breakthrough Physics Programs", die Schwerkraft abzuschirmen. Dies soll mit schnell drehenden Supraleitern geschehen

Die Experimente, durchgeführt seit 1997, gehen zurück auf Entdeckungen, die Eugenejew Podkletnov durch Zufall machte. Der in Finnland lebende russischer Materialwissenschaftler Er ist überzeugt, dass sich damit Fluggeräte bauen lassen, die an UFOs erinnern: "Aber im Gegensatz zu UFOs ist das hier real. Das ist die Transportmaschine für das 21. Jahrhundert." Der Nasa ist es noch nicht gelungen, sein Experiment originalgetreu zu wiederholen

Ein positives Ergebnis gibt es deshalb noch nicht. Jetzt geht auch noch das Geld aus und alles ist vorerst auf Eis gelegt. Statt dessen interessieren sich plötzlich private Firmen wie die Flugzeughersteller Boeing und die British Aerospace dafür







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