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Galaxien bleiben am selben Ort, aber es ist der Raum, der die Galaxien trennt. Ist mein Verständnis richtig?
Nach meinem Verständnis. Galaxien, die sich mit hoher Geschwindigkeit auseinander bewegen, ist auf die Vergrößerung des Raums zwischen den Galaxien zurückzuführen (d. h. zwischen den Galaxien wird ein neuer Raum geschaffen, der die Galaxien auseinanderdrückt). Deshalb sagt man, dass jeder Punkt im Universum das Zentrum des Universums ist, weil nach dem Urknall Raum zwischen den Galaxien geschaffen wurde und er begann, die Galaxien aufzuspalten.
Ist mein Verständnis richtig?
Interaktion von Galaxien
Die MäusegalaxienDie paar Projekte, die ich in meinem Master-Abschluss gemacht habe, konzentrierten sich hauptsächlich auf Galaxieninteraktionen. Also dachte ich daran, einen Absatz darüber zu schreiben.
Als Hubble anfing, die Galaxien zu klassifizieren, teilte er sie in 4 Gruppen ein, wie wir oben besprochen haben. Aber später, als mehr Beobachtungen mit besseren Teleskopen gemacht wurden, wurden auch viele ‘eigenartige Galaxien’ entdeckt. Die meisten von ihnen passten nicht gut in das Klassifikationsschema von Hubble. Ein besonderer Katalog solcher eigentümlichen Galaxien war der Arp-Katalog von Prof. Halton Arp. (Sie können hier über mein Projekt im Arp-Katalog lesen). Ein Großteil dieser Galaxien wurde von wechselwirkenden Galaxien aufgenommen. In den letzten 50 Jahren wurde viel geforscht, um zu wissen, was passiert, wenn zwei Galaxien miteinander interagieren oder miteinander verschmelzen.
Arp 148 ist die erstaunliche Folge einer Begegnung zwischen zwei Galaxien, die zu einer ringförmigen Galaxie und einem langschwänzigen Begleiter führte. Die Kollision zwischen den beiden Muttergalaxien erzeugte einen Stoßwelleneffekt, der Materie zuerst ins Zentrum zog und sie dann ringförmig nach außen ausbreitete.
Wenn eine Galaxie in die Nähe einer anderen Galaxie kommt, beginnt sie die Gravitationseffekte zu ‘spüren’. Die Gezeitenkräfte, die auf diese Galaxien einwirken, ändern ihre Form. In den meisten Fällen beginnen sich Gezeitenschwänze zu bilden, wie oben im Fall von Mäusegalaxien gezeigt. Ein wesentlicher Einfluss von Galaxieninteraktionen ist auf die Sternentstehungsrate. Es wurde gezeigt, dass Galaxieninteraktionen zu einer erhöhten Sternentstehungsrate führen. Diese Verstärkung ist bei verschmelzenden Galaxien maximal. Ein klassisches Beispiel für Verschmelzungen ist NGC 4038 (die Antennengalaxien), die unten gezeigt wird.
Bild: NASA, ESA, Hubble
Gaswolken sind in leuchtendem Rosa und Rot zu sehen und umgeben die hellen Blitze der blauen Sternentstehungsregionen – von denen einige teilweise von dunklen Staubflecken verdeckt sind. Die Sternentstehungsrate ist so hoch, dass sich die Antennengalaxien im Starburst-Zustand befinden, einer Periode, in der das gesamte Gas innerhalb der Galaxien zur Bildung von Sternen verwendet wird. Dies kann nicht ewig andauern, und die einzelnen Galaxien können auch nicht, schließlich werden die Kerne verschmelzen und die Galaxien werden ihren Rückzug als eine große elliptische Galaxie beginnen.
Zusammenfassung: Dunkle Materie und Galaxienrotation
In den späten 1970er Jahren beobachteten die Astronomen Vera Rubin und Kent Ford von der Carnegie Institution unseren bekanntesten galaktischen Nachbarn: die Andromeda-Galaxie. Und als sie es taten, stellten sie fest, dass sich die Galaxie nicht so drehte, wie sie es erwartet hatten. In unserem Sonnensystem drehen sich die Planeten unterschiedlich schnell um die Sonne. Der nahe Merkur bewegt sich viel schneller als der ferne Neptun. In Andromeda bewegt sich das sichtbare Material am äußeren Rand der Galaxie jedoch genauso schnell wie das Material, das sich in der Nähe des Kerns der Galaxie umkreist.
Rubin und Ford waren perplex. Dies bedeutete, dass die Andromeda-Galaxie mit riesigen Mengen unsichtbarer Materie gesättigt sein musste, die sich weit vom Zentrum der Galaxie erstreckte. Letztlich stellte sich ihre Entdeckung als erster direkter Beweis für Dunkle Materie heraus.
In den folgenden Jahrzehnten erkannten Astronomen, dass jede Galaxie voller dunkler Materie zu sein schien, einer Substanz, die außer durch die Schwerkraft nicht mit normaler Materie oder Licht interagiert. Dann, im Jahr 2018, fanden Forscher um Pieter van Dokkum von der Yale University eine bizarre, geisterhafte Galaxie namens NGC 1052-DF2, die, wenn überhaupt, nur sehr wenig dunkle Materie zu enthalten schien.
"Wir dachten, dass jede Galaxie dunkle Materie hat und dass dunkle Materie der Anfang einer Galaxie ist", sagte van Dokkum in einer Pressemitteilung nach der Entdeckung. „Diese unsichtbare, mysteriöse Substanz ist der dominanteste Aspekt jeder Galaxie. Es ist also unerwartet, eine Galaxie ohne sie zu finden. Es stellt die Standardvorstellungen darüber in Frage, wie wir denken, dass Galaxien funktionieren, und es zeigt, dass Dunkle Materie real ist: Sie hat ihre eigene separate Existenz getrennt von anderen Komponenten von Galaxien."
Nur wenige Monate später entdeckten van Dokkum und sein Team eine zweite Galaxie ohne nennenswerte Dunkle Materie: NGC 1052-DF4 . Und wie NGC 1052-DF2 hat diese ultra-diffuse Galaxie viele Augenbrauen in der astronomischen Gemeinschaft ausgelöst.
Ein Kritiker war der Astronom Ignacio Trujillo vom Instituto de Astrofisica de Canarias in Spanien.
"Etwas, das meine Aufmerksamkeit sehr früh erregte, war die Tatsache, dass die Galaxie [DF2] nicht nur anomal war, weil sie keine Dunkle Materie hatte, sondern auch eine außergewöhnlich helle Population von Kugelsternhaufen", sagte Trujillo gegenüber Astronomy. "Ich erinnere mich, dass ich dachte: 'Zwei Anomalien gleichzeitig sehen wirklich seltsam aus.'"
NGC1052-DF2, hier vom Hubble-Weltraumteleskop abgebildet, ist eine große, aber sehr diffuse Galaxie, von der angenommen wird, dass sie eine vernachlässigbare Menge an Dunkler Materie enthält. NASA/ESA/P. van Dokkum (Yale-Universität)
Doch nach einem akademischen Back-in-Forward, bei dem Trujillo und van Dokkum Salven in Form von Forschungsarbeiten tauschten, bleibt die Antwort, ob diesen Galaxien wirklich ihre dunkle Materie fehlt, noch ungewiss.
Supercluster
Supercluster
Das Clustering-Phänomen hört bei Galaxien nicht auf. Galaxienhaufen ziehen sich gegenseitig an, um zu produzieren Supercluster von Dutzenden bis Hunderten von Clustern.
Supercluster von Galaxien aus der 2dF-Rotverschiebungsdurchmusterung - II. Vergleich mit Simulationen p. 397
J. Einasto, M. Einasto, E. Saar, E. Tago, LJ Liivam gi, M. J eveer, I. Suhhonenko, G. H tsi, J. Jaaniste, P. Hein m ki et al . (3 mehr)
DOI: .
Supercluster und Leere
Nachdem Astronomen Galaxienhaufen entdeckt hatten, fragten sie sich natürlich, ob es im Universum noch größere Strukturen gibt. Versammeln sich Galaxienhaufen? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir große Teile des Universums dreidimensional abbilden können.
(was für ein cleverer Name - klingt fast wie ein Superheld).
sind sehr groß und sehr massiv:
Verteilung von 10 bis 100 Mpc
Masse um das 100.000.000.000.000.000-fache der Sonne (ich würde hier wissenschaftliche Notation verwenden, aber die unbearbeitete Zahl ist dramatischer!) .
gehören zu den größten Strukturen im bekannten Universum.
Sie bestehen aus Gruppen, wie unserer eigenen Lokalen Gruppe, die Dutzende von Galaxien enthalten, und massiven Haufen, die Hunderte von Galaxien enthalten, die alle in einem Netz aus Filamenten miteinander verbunden sind.
sind keine entspannten Systeme - das bedeutet, dass sie sich immer noch mit dem Universum ausdehnen, während Gruppen und Haufen (im Allgemeinen) durch die gegenseitige Schwerkraft der Galaxien in ihnen zusammengehalten werden und sich daher nicht mehr mit dem Universum ausdehnen.
der Galaxien sind in Strukturen angeordnet, die wie Platten oder Wände aussehen, umgeben von Hohlräumen und Filamenten in der großräumigen Struktur des Universums. Wände, Hohlräume und Filamente zusammen bewirken, dass die großräumige Struktur des Universums Schaumblasen ähnelt.
sind, wo die verschiedenen Wände zusammenkommen. Der Supercluster Jungfrau ist nur ein Ort, an dem all diese verschiedenen Wände zusammenkommen.
Fraser: Okay, ich brauche eine Art Analogie. Ich denke Mauern.
Pamela: Schweizer Käse.
enthalten Zehntausende von Galaxien, die in Haufen, Gruppen und manchmal auch einzeln vorkommen. Auf der Superhaufen-Skala sind Galaxien in Schichten und Filamenten angeordnet, die riesige leere Hohlräume umgeben.
innerhalb des nahen Universums, wobei Laniakea gelb dargestellt ist. Bild über Wikimedia Commons.
Fazit: Ein Wort zu unserer Milchstraße innerhalb der Lokalen Gruppe und darüber hinaus.
Teilen .
kann so viel Mate-
rial als 10.000 oder mehr Milchstraßen-Galaxien und strecken
über Hunderte Millionen Lichtjahre.
Hat das Universum noch größere Gruppierungen von Materie oder stehen Galaxienhaufen an der Spitze der kosmischen Hierarchie? Die meisten Astronomen glauben, dass die Galaxienhaufen selbst gruppiert sind und titanische Ansammlungen von Materie bilden, die als bekannt sind
zuerst.
Lerner gibt das Beispiel von Filamenten oder Platten in einem Abstand von 150 Millionen Lichtjahren in Abbildung 1.1 und behauptet dann, dass das Material 270 Millionen Lichtjahre zurücklegen müsste, um die Struktur herzustellen. Offensichtlich würden 75 Millionen Lichtjahre ausreichen.
entstand im frühen Universum, als Materie unter dem Einfluss der Schwerkraft zusammenklumpte.
Diese Störungen großer Masse werden heute als die größten bekannten identifiziert
von Galaxien. Die anschließende Abkühlung und Fragmentierung innerhalb der Gesamtdichtestörung erzeugt dann kleinere Galaxienhaufen (mit einer Masse von 1014-1015 M).
. Es gibt etwa 100 Galaxiengruppen im Virgo Supercluster und befinden sich in einem Durchmesser von 110 Millionen Lichtjahren.
können enorme Größen von bis zu mehreren hundert Millionen Lichtjahren erreichen und stehen oft großen Hohlräumen im Weltraum gegenüber, in denen nur wenige Galaxien existieren.
Mit der Kraft des Hubble-Gesetzes zur Messung der Entfernungen zu einer großen Anzahl von Galaxien können wir die Verteilung dieser Objekte im Universum untersuchen. Bisher haben wir uns nur einige Beispiele in der Nähe angesehen: die Lokale Gruppe und den Virgo-Cluster.
Galaxienhaufen selbst neigen dazu, sich zu
. Ein Beispiel ist der Virgo-Galaxienhaufen, der relativ nahe (20 Mpc) ist, einen Durchmesser von etwa 4 Mpc hat und etwa 2000 Galaxien enthält, von denen die meisten Zwerge sind. Ein weiterer wichtiger Cluster ist der Coma-Cluster.
Obwohl wir fast ausschließlich im Zusammenhang mit der Bildung von Galaxien über hierarchische Cluster gesprochen haben, ist dies auch ein wichtiger Mechanismus auf viel größeren Skalen - denen von Galaxienhaufen und
. Diese Strukturen werden wiederum durch das Zusammenführen kleinerer Komponenten gebildet.
Cluster werden dann zusammen gruppiert in
sind in Platten mit riesigen Hohlräumen dazwischen angeordnet, und diese Materie im Universum ist in einer fadenförmigen Struktur angeordnet.
SpaceBook-Startseite.
bilden dann Oberflächen wie die Oberflächen von Blasen mit virtuellen Hohlräumen dazwischen (Margaret J. Geller, John P. Huchra und Valerie De Laapparen, 1986). 1989 entdeckten Geller und Huchra diese "Große Mauer", eine Galaxienschicht, die sich über mindestens 500 Millionen Lichtjahre erstreckt, vielleicht sogar noch mehr.
Großräumige Strukturen wie Galaxien, Haufen und
, hatten ihre Gerüste in die anfänglichen riesigen Gaswolken gelegt. Als sich Sterne in derselben Umgebung bildeten, wurden sie gravitativ gebunden, und es bildeten sich Galaxien und Galaxienhaufen.
Der Galaxienhaufen ist Teil der Großen Mauer der Haufen und
, die größte bekannte Struktur im Universum. Die beiden Spiralgalaxien sind durch ihre wirbelnden Arme verbunden. Arp 272 befindet sich etwa 450 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt und ist die Nummer 272 in Arps Atlas of Peculiar Galaxies.
void Große, relativ leere Region des Universums, um die herum
von Galaxien organisiert sind.
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
60 Garden Street, Cambridge, MA 02138 USA
Telefon: 617.496.7941 Fax: 617.495.7356 .
Gravitation dient auch dazu, Milliarden von Sternen zu Galaxien zu gruppieren und Galaxien zu Haufen zu gruppieren und
, und die Gravitation führt auch dazu, dass sich die meisten Galaxien entlang dichter strangartiger Strukturen aus dunkler Materie ansammeln, mit enormen Hohlräumen zwischen den Strängen.
Der Haufen bildet zusammen mit dem Coma-Cluster (Abell 1656) das Herz des Coma-Superhaufens, dem Superhaufen, der unserem eigenen Jungfrau-Superhaufen am nächsten ist und das Herz der Großen Mauer, ein riesiger Faden aus Galaxienhaufen und
500-750 Millionen Lichtjahre lang soll eine der größten Strukturen sein.
In größeren Maßstäben ist es ähnlich, da Galaxien durch Raumvolumina getrennt sind, die mit Gas und Staub gefüllt sind. Im größten Maßstab, wo Galaxienhaufen und
existieren, haben Sie ein feines Netzwerk großräumiger Strukturen, bestehend aus dichten Materiefilamenten und gigantischen kosmischen Leerstellen.
Die Lokale Gruppe befindet sich in einem kleinen Filament am Rande des Superhaufens. Es ist angedacht, dass
können auch in noch größeren Strukturen, den sogenannten Mauern, angeordnet sein (wie der Sloan Great Wall, die etwa 1,5 Milliarden Lichtjahre lang ist), .
Die Verteilung der Materie im Universum auf den größten Skalen, von Gruppen und Haufen von Galaxien bis hin zu
von Galaxien.
Breite
Der Winkelabstand nach Norden oder Süden eines Objekts wird vom Äquator aus gemessen.
Voids – Große Regionen des leeren Raums inmitten von Galaxienhaufen und
.
Flüchtige Stoffe - Chemische Verbindungen, die bei sehr niedrigen Temperaturen gasförmig werden.
Leerstellen. Riesige Regionen mit relativ leerem Raum zwischen Galaxie
.
Flüchtige Stoffe. Chemische Verbindungen, die bei niedrigen Temperaturen gasförmig sind.
Volumen. Der von einem Körper oder einer Flüssigkeit eingenommene Raum.
Galaxienhaufen:
Gruppe physikalisch benachbarter und gravitativ gebundener Galaxien. Zumindest sind fast alle Galaxien Mitglieder kleiner Gruppen (wie unserer Lokalen Gruppe) oder großen Galaxienhaufen (wie dem Virgo-Galaxienhaufen). Galaxienhaufen neigen zur Bildung
Ein Stern ist ein massiver, leuchtender Plasmaball, der durch seine eigene Schwerkraft zusammengehalten wird. Der der Erde am nächsten gelegene Stern ist die Sonne, die den größten Teil der Energie auf der Erde liefert.
s, die meisten Sterne zu Galaxien, die meisten Galaxien zu Haufen,
Brechen Sie es auf
MUSE ist ein leistungsstarkes Instrument, das Bilder, die es sieht, in 24 kleinere Einheiten aufteilt, die als Unterfelder bezeichnet werden. Es ist, als würde man ein Gitter über das Bild einer Galaxie legen, um es in 24 Kästchen aufzuteilen. Jede dieser Boxen sendet Licht an einen Spektrographen, der das Licht nach Wellenlänge zerlegt, um Informationen wie Zusammensetzung und Bewegung, einschließlich Geschwindigkeit und Richtung, zu erhalten. Anstatt globale Eigenschaften oder nur grundlegende Informationen über den Halo als Ganzes auszuspucken, können Astronomen mit dieser Technik in bestimmte Teile des Halos hineinzoomen, um nach Variationen im Gas zu suchen.
Basierend auf ihren Beobachtungen wird das Team von Claeyssens nun die Kinematik oder Bewegung und andere Eigenschaften des Gases untersuchen, nicht nur als Ganzes, sondern über den Halo hinweg. Das ist wichtig, denn das Team kann sehen, ob das Gas im gesamten Halo die gleiche Zusammensetzung und Bewegung hat oder ob es sich je nach Entfernung oder Position in der Galaxie unterscheidet.
Solche Informationen wiederum werden Astronomen mehr darüber erzählen, wie Galaxien entstehen und sich entwickeln, einschließlich wie sie durch diese massiven Gashüllen Material verlieren, gewinnen oder teilen können.
Galaxien bleiben am selben Ort, aber es ist der Raum, der die Galaxien trennt - Astronomie
Ich war auf der APOD-Seite und das heutige Bild zeigt zwei kollidierende Galaxien. Meine Frage ist, wie kollidieren Galaxien? Wenn die Dinge im Urknall begannen – sich von allem anderen wegbewegen – was würde dazu führen, dass eine Masse von der Größe einer Galaxie ihre Richtung ändert und sich in eine andere Galaxie bewegt?
Es ist interessant, dass Sie eine Frage zu diesem Bild stellen. Es wurde mit der Weitfeld-Infrarotkamera (WIRC) am Palomar-Observatorium aufgenommen. Diese Kamera wurde von Astronomen hier in Cornell gebaut und ein guter Freund von mir war an den Beobachtungen beteiligt, bei denen dieses Bild aufgenommen wurde.
Wie auch immer, es ist ganz natürlich, dass Galaxien kollidieren, obwohl sich das Universum ausdehnt - obwohl ich verstehe, warum Sie darüber verwirrt sein könnten. Was passiert, ist, dass es einen Kampf zwischen den Gravitationskräften zwischen den beiden Galaxien (die versucht, sie zusammenzuziehen) und der Expansion des Universums (die versucht, sie auseinander zu ziehen) gibt. Bei Galaxien, die sehr nahe beieinander beginnen, gewinnt fast immer die Schwerkraft, sodass die Galaxien am Ende kollidieren. Dies wird höchstwahrscheinlich der Milchstraße und der Andromeda-Galaxie (unserem nächsten großen Nachbarn) in einigen Milliarden Jahren passieren.
Vielen Dank, Karen, für Ihre Zeit, eine kurze Nachverfolgung, wenn Sie möchten. Wenn Galaxien kollidieren, ist das das Ende von ihnen oder vermischen sie sich zu einer großen Galaxie.
Es wird angenommen, dass das Endergebnis, wenn zwei große Spiralen kollidieren, elliptisch ist und dass Wechselwirkungen mit kleinen Galaxien tatsächlich die Spiralmuster in großen Spiralgalaxien ausmachen. Es wird die Idee, dass sich die Morphologie einer Galaxie im Laufe ihrer Lebensdauer stark ändert, wenn sie mit anderen Galaxien interagiert. Beachten Sie, dass Sterne bei galaktischen Kollisionen nicht kollidieren.
Diese Seite wurde zuletzt am 27. Juni 2015 aktualisiert
Über den Autor
Karen Meister
Karen war von 2000-2005 Doktorandin bei Cornell. Anschließend arbeitete sie als Forscherin in Galaxien-Rotverschiebungsstudien an der Harvard University und ist jetzt an der Fakultät der University of Portsmouth in ihrem Heimatland Großbritannien. Ihre Forschung konzentrierte sich in letzter Zeit darauf, die Morphologie von Galaxien zu nutzen, um Hinweise auf ihre Entstehung und Entwicklung zu geben. Sie ist die Projektwissenschaftlerin für das Galaxy Zoo-Projekt.
Die seltsamen, aber wahren Beweise für "Spooky Action" aus der Ferne (Kavli Hangout)
In was für einem Universum leben wir? Der niederländische Physiker Ronald Hanson hat die vielleicht beste Antwort bisher geliefert – und Albert Einstein würde das nicht gefallen.
Die Frage dreht sich um ein Phänomen namens Quantenverschränkung, das voraussagt, dass die Veränderung eines Teilchens augenblicklich das andere verändert – selbst wenn sie sich auf gegenüberliegenden Seiten der Galaxie befinden, 100.000 Lichtjahre voneinander entfernt.
Einstein nannte diese Idee "spukhafte Fernwirkung". Und er wies es ab und argumentierte, dass sich nichts schneller als das Licht bewegen könne, also könne es keine Verstrickung geben. Stattdessen schlug er vor, dass unbekannte "lokale Faktoren" die seltsamen Eigenschaften dieser sogenannten verschränkten Teilchen bestimmen müssen.
Wie hat Hanson ihm das Gegenteil bewiesen? Er trennte ein Paar verschränkter Teilchen so weit auseinander, dass lokale Kräfte nicht auf beide gleichzeitig wirken konnten, maß deren Eigenschaften und stellte fest, dass die Teilcheneigenschaften korrelierten.
Es ist der bisher stärkste Beweis der Quantentheorie und wirft alle möglichen Fragen über die Natur des Universums auf. Die Kavli Foundation stellte Ronald Hanson und Renato Renner, einem theoretischen Physiker, der Quantenkryptographie studiert, in einem Google+ Hangout einige dieser Fragen. (Sehen Sie sich das Originalvideo an.) Das Folgende ist eine bearbeitete Abschrift ihres Gesprächs.
Ronald Hanson ist Professor in der Abteilung für Quanten-Nanowissenschaften an der Delft University of Science and Technology und Mitglied des Kavli Institute of Nanoscience der Schule. Er hat den bisher stärksten Test der Quantenverschränkung durchgeführt.
Renato Renner leitet die Eidgenössische Technische Hochschule (ETH), das Institut für Theoretische Physik Zürich und die Gruppe Quanteninformationstheorie (QIT). Er ist führend in der Anwendung der Quantenphysik auf die Datensicherheit.
Die Kavli-Stiftung: Lassen Sie mich mit einer offensichtlichen Frage beginnen. Was meinen wir, wenn wir sagen, dass ein Teilchen verschränkt ist? Wenn ich meine Finger zusammenflechte, verheddern sie sich? Reden wir davon?
Ronald Hanson: Verschränkung und die Theorie der Quantenphysik sind wirklich anders. Wenn sich Teilchen verschränken, verlieren sie ihre Identität. Bevor sie sich also verheddern, können Sie ihnen bestimmte Eigenschaften zuweisen. Sie können bestimmte Werte haben. Aber wenn sie einmal miteinander verstrickt sind, haben sie nur noch eine gemeinsame Identität als Ganzes. Das Seltsame ist, dass diese Verschränkungsbindung auch dann dort bleibt, wenn Sie die Partikel auseinanderziehen. Selbst wenn Sie diese Partikel auf gegenüberliegenden Seiten der Galaxie platzieren, verhalten sie sich also so, als wären sie tatsächlich ein Partikel.
TKF: Renato, ist das so ziemlich das, was du siehst?
Renato Renner: Das ist eine sehr schöne Erklärung, und sie enthält bestimmte Dinge, die wir gelernt haben, nachdem Einstein seine Bemerkungen über die Kommunikation über Lichtgeschwindigkeit gemacht hat. Er argumentierte, dass sich nichts schneller als Licht bewegte und daher einzelne Teilchen unmöglich miteinander kommunizieren könnten.
Wir haben gelernt, dass verschränkte Teilchen ihre Identität verlieren. Sie verlieren sogar ihre Eigenschaften. Man kann nicht mehr sagen, dass ein verschränktes Teilchen eine bestimmte, spezifische Eigenschaft besitzt. Zum Beispiel könnte sich ein Teilchen vor der Verschränkung nach oben oder unten gedreht haben. Einmal verheddert, verliert es diese Eigenschaft. [Einsteins unvollendeter Traum: Die Relativität mit der Quantenwelt heiraten]
Das findet man in der klassischen Welt nicht. Es ist eine besondere Eigenschaft der Quantenwelt und etwas, das wir irgendwie akzeptieren lernen müssen.
TKF: Wie kommt es eigentlich zu Verstrickungen? Gibt es einen physikalischen Mechanismus, der diese Teilchen miteinander verbindet? Ich meine, wie würde es aussehen? Haben wir eine Idee?
RH: Verschränkung geschieht nicht automatisch. Es erfordert eine Wechselwirkung zwischen Partikeln. Also müssen zwei Teilchen entweder nahe beieinander liegen oder sie müssen mit einem dritten oder vierten Teilchen wechselwirken, eine Technik, die wir in unseren Experimenten verwendet haben. Aber wir müssen eine Verbindung durch die üblichen physikalischen Gesetze herstellen, die wir kennen.
Das Eigentümliche ist, dass diese Verstrickung, sobald sie einmal hergestellt ist, dort bleiben wird. Dann – ohne jede Interaktion, ohne ein Seil, das die beiden Teilchen verbindet, ohne irgendetwas – kannst du sie auseinander bewegen und die Verschränkung wird bestehen bleiben. Es ist wirklich der Zustand des Teilchens. Es hat nichts mit physikalischen Gesetzen oder Dynamik zu tun.
TKF: Und doch sind sie verbunden.
RH: Ja, wenn wir Experimente machen, scheinen sie verbunden zu sein. Aber vielleicht sollten wir das qualifizieren. Sie sind in dem Sinne verbunden, dass eine Messung des einen mit einer Messung des anderen korreliert, obwohl die Messungen so schnell durchgeführt werden können, dass keine Zeit für die Kommunikation zwischen den Teilchen bleibt.
TKF: Dies deutet darauf hin, dass wir mit Überlichtgeschwindigkeit kommunizieren könnten, oder? Die Galaxie ist 100.000 Lichtjahre breit, aber dies geschieht augenblicklich. Bewegt sich also etwas schneller als das Licht?
R. R.: Nein. Nichts bewegt sich schneller als das Licht. Natürlich wäre die erste Erklärung, die wir finden würden, dass es etwas braucht, das sich schneller als das Licht bewegt, um dieses Verhalten zu erklären. Aber wenn man tiefer nachdenkt, erkennt man, dass es andere Erklärungen geben kann.
Wir haben zum Beispiel gerade gesagt, dass verschränkte Teilchen ihre individuellen Eigenschaften verlieren. Aber nehmen wir für einen Moment an, dass sie noch ihre Eigenschaften haben. Dann wäre die einzige Erklärung tatsächlich, dass sich etwas schneller als das Licht bewegt.
Aber denken wir anders darüber nach und sagen, dass sie diese Eigenschaften einfach nicht haben. Diese Eigenschaften entstehen nur, wenn wir sie beobachten. Dann gibt es keinen Grund, an einen physikalischen Mechanismus zu denken, der Informationen über die Eigenschaft eines Teilchens an das andere Teilchen übermittelt, da keines der Teilchen diese Eigenschaft hat, zu kommunizieren. Die Eigenschaft erscheint nur zu dem Zeitpunkt, zu dem wir sie beobachten.
TKF: Wenn es sich also nicht um Kommunikation handelt, sagt dies etwas über die Struktur des Universums aus? Mit anderen Worten, was macht dieses Verhalten möglich? Haben wir eine Ahnung? Wissen wir überhaupt, wo wir suchen müssen?
RH: Das ist eine sehr gute und tiefgreifende Frage, denke ich. Es läuft darauf hinaus, was Einstein zu tun versuchte, eine Theorie unter der Quantenmechanik zu finden, die in unserer Welt intuitiver ist.
Ich denke, es ist fair zu sagen, dass die Leute immer noch über die Auswirkungen der Bellschen Ungleichung diskutieren, die Gleichungen, die definieren, ob das Verhalten verschränkter Teilchen die Quantenphysik oder die klassische Physik widerspiegelt. Das haben wir in unserem Experiment getestet. Aber es gibt verschiedene Wege, um zu Bells Ungleichung zu gelangen, und verschiedene Prämissen, die darin enthalten sind. Sie können es aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten.
Einsteins Standpunkt war, dass es „lokale“ Faktoren gibt, die auf beide verschränkten Teilchen einwirken, und dass diese Teilchen „echte“ Eigenschaften haben, noch bevor wir sie beobachten. Wenn wir zum Beispiel eine blaue Murmel sehen, glauben wir intuitiv, dass die Murmel bereits blau war, bevor wir sie angeschaut haben.
Wenn Sie mit Einsteins Konzepten der Lokalität (lokale Kräfte) und des Realismus (reale Eigenschaften) beginnen, landen Sie bei der Bell-Ungleichung. Und in unserem Experiment wurde die Bellsche Ungleichung verletzt. Also müssen wir entweder Lokalität oder Realismus fallen lassen, damit es funktioniert.
TKF: Wenn ich Sie richtig verstehe, verwenden Forscher die Bellsche Ungleichung, um zu testen, ob Einstein in Bezug auf lokale Faktoren und Realismus richtig oder falsch lag. Was sagt die Bellsche Ungleichung? Gibt es eine einfache Möglichkeit, es zu erklären?
R. R.: Aufbauend auf dem, was Ronald gesagt hat, würde ich es folgendermaßen erklären: Sie machen bestimmte Annahmen. Eine Annahme ist, dass Teilchen reelle Eigenschaften haben. Eine andere Annahme ist, dass sich nichts schneller als Licht fortbewegt. Dies sind Ihre beiden Ausgangsannahmen.
Wenn Sie sie nun kombinieren und die Mathematik durchführen, erhalten Sie die Bellsche Ungleichung, die Ihnen sagt, dass bestimmte Dinge, die Sie messen können, kleiner als eine bestimmte Zahl sind.
Ronald hat diese Dinge gemessen und herausgefunden, dass sie nicht kleiner sind als diese bestimmte Zahl. Sie sind tatsächlich größer. Daraus schließen wir, dass eine der beiden Annahmen falsch sein muss.
Beide Annahmen sind Dinge, von denen wir natürlich denken würden, dass sie eindeutig wahr sind. Ronalds Experiment beweist, dass einer von ihnen falsch liegen muss. Wir haben immer noch die Wahl, welche unserer Meinung nach falsch ist, aber eine davon muss falsch sein.
TKF: Während wir uns unterhalten haben, haben mehrere Zuhörer Fragen gestellt. Man möchte wissen, ob höhere Dimensionen die Verbindung erklären könnten, die verschränkte Objekte verbindet. Ist dies eine Möglichkeit? Wissen wir das überhaupt?
R. R.: Menschen fragen oft nach höheren Dimensionen, wenn sie versuchen, einen Mechanismus zur Erklärung der Verschränkung zu finden. Wie ich bereits sagte und was Ronalds Experiment im Wesentlichen zeigt, ist, dass wir eine unserer Annahmen über lokale Kräfte oder Realismus aufgeben müssen. Wenn wir die Annahme des Realismus aufgeben – dass Dinge Eigenschaften haben – dann sind höhere Dimensionen eine gültige Erklärung.
Wir könnten Ronalds Experiment auch erklären, wenn wir die Annahme aufgeben, dass es nichts schneller als Licht gibt. Wenn wir das jedoch tun, und dies ist ein wichtiger Punkt, den ich die ganze Zeit hervorzuheben versuche, und schüchtern, dann haben wir Probleme mit unserer Annahme, dass wir die freie Wahl haben.
In Ronalds Experiment muss er beispielsweise wählen, was er misst. Er muss zwischen verschiedenen Maßen wählen. Wenn Sie nun die Annahme aufgeben, dass nichts schneller als Licht ist und Sie annehmen, dass es eine höhere Dimension gibt, in der sich die Dinge viel schneller ausbreiten können, dann können wir nicht länger an unserem Glauben festhalten, dass wir freie Wahl haben. Aber das ist etwas, was wir wahrscheinlich nicht aufgeben wollen.
TKF: Dies trifft den Kern dessen, was Einstein meinte, als er sagte: „Gott würfelt nicht“, oder? Er dachte, Partikel hätten Eigenschaften, auch wenn wir nicht wussten, was sie waren. Sie sagen, dass dieses Experiment zeigt, dass sie keine Eigenschaft haben, bis wir sie messen, und dann haben sie beide gleichzeitig dieselbe Eigenschaft. Verstehe ich das richtig?
RH: Ja. Es gibt immer noch zwei Möglichkeiten: Entweder würfelt Gott, in diesem Fall existiert die Realität, wie wir sie gerade definiert haben, nicht, oder Signale gehen schneller als Lichtgeschwindigkeit und können tatsächlich durch eine unbekannte Kraft miteinander sprechen. Dies sind also zwei mögliche Erklärungen für das Experiment. Oder wie Renato sagte, wir haben keinen freien Willen. Alles, was wir jetzt tun, die Leute, die das beobachten, laufen einfach wie eine Uhr auf völlig deterministische Weise ohne freien Willen.
TKF: Gott würfelt also im Wesentlichen, was uns einen freien Willen gibt. Es gibt ein gewisses Maß an Unwissenheit, was als nächstes passieren wird.
R. R.: Ja. Man muss ein Experiment so durchführen, dass das, was Sie messen werden, nicht vorhersehbar ist. Auf diese Weise sind die Ergebnisse des Experiments auch nicht vorhersehbar. Eine Möglichkeit, diese Zufälligkeit zu erreichen, besteht darin, dass wir frei wählen, was wir tun. Dies ist eine Annahme, aber dann erhalten wir Dinge, die aus dem Experiment nicht vorhersehbar sind. Also investieren wir in eine freie Wahl und bekommen etwas Zufälligkeit zurück. Dies ist, wie wir später noch besprechen werden, für die Kryptographie und Datensicherheit äußerst wichtig.
TKF: Nun, ich wollte Sie gerade nach der Sicherheit fragen. Das ist Ihr Interesse und Sie haben vorgeschlagen, dass wir die Verschränkung zum Schutz der Privatsphäre verwenden könnten. Wie?
R. R.: Wie Ronald sagte, wenn Teilchen verschränkt sind, verlieren sie ihre Eigenschaften. Sie erhalten erst Eigenschaften, wenn wir sie messen. So können beispielsweise verschränkte Partikel nach oben oder unten polarisiert werden. Da diese Eigenschaften vor der Messung nicht vorhanden sind, kann sie niemand sehen. In gewisser Weise können Sie also Daten verschlüsseln oder verbergen, weil diese Informationen für eine bestimmte Zeit einfach nicht existieren.
Um etwas genauer zu sein, beginnen wir damit, zwei entfernte Teilchen zu verschränken, Alice und Bob. Wenn wir sie messen, werden die Ergebnisse korreliert. Zwei Beobachter sehen beispielsweise beide entweder eine Null oder eine Eins. Aber da dieses zufällige Bit nicht existierte, bis wir Alice und Bob gemessen haben, konnte es möglicherweise niemand gestohlen oder sogar vorhergesagt haben.
Sie erhalten nicht nur ein korreliertes Zufallsbit, sondern auch ein Zufallsbit, das grundsätzlich von niemandem vorhersehbar ist. Das ist genau das, was Sie in der Kryptographie brauchen: eine Möglichkeit, sicherzustellen, dass Sie und ich bestimmte zufällige Bits haben, die wir beide kennen, aber sonst niemand kennt. Verschränkung erreicht genau das.
TKF: Durch diese zufälligen Bits weiß ich, wer Sie sind?
R. R.: Ja. Wir könnten dieses gemeinsame Wissen nutzen, um uns gegenseitig zu authentifizieren oder Nachrichten zu verbergen, damit nur wir beide sie sehen können. Wir könnten es als kryptografischen Schlüssel verwenden, um Nachrichten zu verschlüsseln. Sie können mir zum Beispiel eine wichtige Frage stellen, bei der die Antwort entweder ja oder nein lautet. Ich sage Ihnen also, dass, wenn unser zufälliges Bit "Null" ist, ich Ihnen eine klare Antwort gebe, aber wenn es "Eins" ist, gebe ich Ihnen eine Antwort, die das Gegenteil von dem ist, was ich meine.
Wenn ich nun "nein" antworte, kann jemand, der den Wert unseres Zufallsbits nicht kennt, nicht wissen, ob die Antwort tatsächlich "nein" war, weil unser Zufallsbit eine Null war, oder "ja", weil unser Zufallsbit eins war und Ich habe es umgedreht.
Wenn wir ein gemeinsames Zufallsbit teilen, das sonst niemand kennt, könnte ich Ihnen so antworten, dass nur Sie es entschlüsseln können. Niemand sonst würde je erraten können, was diese Antwort war. Das ist im Wesentlichen die Idee.
TKF: Aber dafür bräuchte man mehr als ein Bit, oder?
R. R.: Ja. Das macht die Quantenkryptographie so stark. Die Quantenkryptographie und insbesondere die Art von Experimenten, die Ronald durchführte, bietet uns die Möglichkeit, ständig neue zufällige Bits aus verschränkten Teilchen zu erzeugen. Wir können sie verwenden, um Schlüssel zum Verschlüsseln von Informationen zu erstellen.
Bei konventioneller Kryptographie erhalte ich das Passwort einmal. Vielleicht schickt es mir meine Bank. Es ist, als würde man mir einen Umschlag geben. Aber wann immer ich es benutze, könnte ein Gegner versuchen zu erraten, was es ist. Je mehr Nachrichten ich sende, desto mehr Informationen erfährt mein Gegner darüber. Irgendwann ist es aufgebraucht. Aber in der Quantenkryptographie können wir ständig neue geheime Schlüssel produzieren, ohne diesen geheimen Umschlag treffen und austauschen zu müssen.
TKF: Das klingt schwer zu hacken, aber die heutigen Sicherheitscodes sind auch ziemlich gut, oder? Ich habe gehört, dass sie 340 Undezillionen erzeugen – eine Zahl, die so groß ist, dass ich sie noch nie gehört habe – 340 Undezillionen mögliche Schlüssel. Es würde 800 Millionen Mal länger dauern als das Alter des Universums, bis unsere Computer sie knacken. What kind of threats are you envisioning here?
R.R.: I've never heard this number either.
TKF: It's 10 to the 36nd power [1036]. Which is pretty high. So isn't quantum security overkill?
R.R.: There are at least two answers to this. First, quantum technology will produce something else which we did not talk about, namely quantum computers. We don't know when the day will arrive, but there is a possibility that 20 years from now, we will have a quantum computer. It's known that most known public-key cryptography systems, the type we use every day on the Internet, can be broken in very short time using a quantum computer. In fact, a quantum computer could decrypt a message as quickly as an honest user could do it. So once quantum computers exist, the public key systems we use to communicate with banks and stores will be completely insecure. They can be broken in no time.
The second way to answer this question is that it takes so much time to crack today's security codes because we are referring to classical computers. Classical computers essentially go through every possibility and check all possible keys. If there are too many, the computer needs a very long time to do it. But quantum computers use a completely different approach. There are very clever algorithms that are known today and which I will not describe that can break this type of key within seconds.
TKF: Ronald, I know some of your work involves quantum computing. Are you building the type of computer that Renato needs to protect us against?
R.H.: That is indeed one of the goals of my research. We have a fairly new institute here in Delft called QuTech. One of our primary goals is to build a large-scale quantum computer. You could indeed use it to break cryptographic codes.
I'd also like to add two things to what Renato said. We may not have a quantum computer tomorrow or even in 10 years. But you have to realize that whatever we communicate now can be stored and deciphered 10 or 20 years from now, when we do have a quantum computer. So when thinking about information security, you already have to take into account that quantum computing may arrive in the future.
What is so nice about quantum cryptography is that you don't have to know what happens inside your device. It's really a black box approach to cryptography. As long as the box at the sender and the receiver violate Bell's inequality, then you know for sure that the key you are generating is secure. That's really powerful. It doesn't rely on other people not having enough computational power or enough access to your system. It relies on the fundamental laws of nature.
TKF: I've got a terrific question from a listener. Ronald, your experiment separated quantum particles by about one mile. Is it possible that there are local forces that might extend one mile, or 100 or 1,000 miles, or even several light years? Is that a possibility?
R.H.: The question asks if there is some length scale involved in quantum entanglement, and once we go beyond a certain distance it breaks down. So I think this is a good time to mention that in the experiment, it's not so much the distance between the entangled particles that matters, but the distance combined with the time it takes us to measure the particles. We do our measurements so fast, there's not enough time, even at the speed of light, for the signal to go from one particle and influence the measurement of the other. So the mile is important because we are dealing with a time scale of a few millionths of a second. That's the time that it actually takes us to do the measuring.
The other answer is that we don't really know. If we believe quantum physics, there should be no length scale involved in entanglement. It should also work if the two particles are separated basically by the size of the universe. Of course, such experiments have never been done. So the real answer is that, experimentally, we don't know.
TKF: One of our listeners has asked whether we could use quantum entanglement for communication.
R.H.: Ja. Actually, quantum entanglement allows you to teleport information, what we call quantum information. You can teleport quantum states over distance. Teleportation here really means that the information disappears on one side and at the same time reappears on the other side.
This sounds like faster-than-light communication, but one caveat here: Besides teleporting the quantum signal, you also have to send a classical signal to decipher what you have teleported. It's actually a very useful concept for a future quantum version of the Internet that we're trying to build, but it does not allow faster-than-light communication.
TKF: So we would be unable to, say, get our pictures of Pluto back to Earth instantaneously.
R.H.: Recht. With all that we know of nature and all the experiments that have been done so far, this seems to be impossible.
TKF: One of our listeners asks about relativity. Imagine we have one entangled particle here on Earth and another one in a craft that's moving at almost light speed, fast enough that time dilates. Will both particles change instantaneously?
R.H.: That's a good question for Renato to answer.
TKF: Give it to the theorist.
R.R.: Ja. Let's say I measure a particle in one lab. One would imagine that the change happens immediately to the sister particle in the second lab as well.
However, the only thing that we actually know is that when you take a measurement in one lab, you will see a correlated outcome in the other lab.
So you shouldn't think of it as a change that happens and spreads. It's more that if you take a measurement at the same time, which is now relative to the reference frame of the observer doing the measuring, then you see this correlation. From the particle's point of view, the speed of the particle or time dilatation is not relevant. What is relevant is that you're sitting in a lab, someone is sitting in another lab, and we take a measurement at the same time in our reference frame.
That said, there was recently an experiment carried out by Nicolas Gisin's group at University of Geneva that tried to look at this problem. He moved one observer relative to the other in a very clever way, so that each observer, from his point of view, appeared to take the measurement first. The experiment showed that despite the fact that they both seem to make the measurement first, they both see the correlation between the particles.
If we were to interpret this experiment in a way that assumes some sort of signaling between the particles, we would have to assume that the signal would have had to travel into the past. This is a strange explanation. It's much better to assume that there's no signaling, and try to come up with other explanations.
TKF: Speaking of strange explanations, let me ask you a question that's interested me: We entangle photons. We entangle electrons. We entangle atoms. Is there any reason we could not entangle — watch out, Starbucks ­— a cup of coffee?
R.H.: That's a very interesting question, and one that is on many physicists' minds. For example, my colleague, Gary Steele at Delft's Kavli Institute is trying to create quantum superpositions with very small objects, and many other people around the world are actually exploring this. They want to see what happens if we make things bigger, more massive.
Wer weiß? Maybe we will have to rethink the laws of physics that we know up to now. Quantum physics has very good laws for describing what happens in the world of small particles. But if we look at our everyday lives, we never see such things. Your cup of coffee from Starbucks is always in one place. It's not in two places at the same time, and it does not appear to be entangled with something else.
So where is the transition in scaling up from the quantum world of small particles to the classical world we perceive, where things have well-defined properties and seem to be in the right places? Quantum theory defines these two domains and gives them different laws, but we do not fully understand how to connect these two worlds. Some people call this the measurement problem or the measurement paradox. But it really has to do with what happens when we go from a quantum mechanical picture up to some measurement result that we see on the screen. Maybe there is some clue when we scale up to bigger particles. Wer weiß?
R.R.: Whether the laws of quantum physics also apply to large objects is one of the most important questions we should answer in physics. We could go even further, and ask, "What happens if humans are entangled? What happens if I'm entangled with a particle?" To add to Ronald's reply, one possibility indeed is that there is a transition point. Once we get to large enough objects, they become more classical and behave the way we think and perceive them.
There are also other explanations. One explanation is that everything is actually entangled. If I just look at an object, I become entangled with it. But because I am now part of this entangled thing, I don't perceive it as entanglement. It would only look entangled from the outside. To me, the object looks as if it has a well-defined property.
We don't know which of these explanations is the case. So we have at least two consistent explanations. One says everything is quantum, things are entangled, and we are entangled with one another. The other, maybe less adventurous, says that when things get larger, they become classical and all these strange behaviors disappear. Deciding between these two possibilities is something I think we should do in the future. Trying to do experiments with larger and larger objects is a nice way to achieve that.
TKF: That would be an interesting set of experiments. We're going to wrap this up since we're already a few minutes over, but I do have one final question. If Einstein could join us today, how do you think he would react to this experiment? What avenues of research do you think it might suggest to him?
R.H.: If you look at Einstein's life, he started out overthrowing the physics of his time. Relativity theory was a complete break with everything that was known before. But by the time quantum physics really matured, he seemed to have grown more conservative. When he analyzed quantum entanglement, he didn't say, "Let's take this quantum entanglement and see what the properties are and what it can tell me about the world." Instead, he said, "I think the world should be local and obeying realism and therefore quantum theory is incomplete"' So on this point, he seems quite a bit stubborn.
My guess is that even after seeing the results of our experiment, he would not be convinced. He would still say, "My theory is still there." But we don't really know, because he did not get to see Bell's inequality, and maybe that would have convinced him. I'm not so sure.
Galaxies the way they were
A Hubble image of a field of distant galaxies. The CANDELS project has analyzed these and other data to study how galaxies form and evolve in the early universe. Credit: NASA/Hubble(Phys.org) —Galaxies today come very roughly in two types: reddish, elliptically shaped collections of older stars, and bluer, spiral shaped objects dominated by young stars. The conventional wisdom is that the two types are related to one another, ellipticals representing an older, more evolved stage of galaxies. Astronomers have discovered during the past decade that these two categories seem also to apply to galaxies in the early universe. In particular, galaxies so distant from us that their light has been traveling for about eleven and one-half billion years, 84% of the age of the universe, also generally fall into these two groups.
A major puzzle about these early galaxy types involves their specific properties: Red elliptical galaxies today are generally large in diameter, but in the distant cosmos the corresponding galaxies are much smaller - perhaps five times smaller than local ones of the same mass and much smaller than their blue, star-forming colleagues. If galaxies gain in mass with time, through collisions or other processes, they would be expected also to increase in size with time. Therefore, if the early red galaxies really do represent older stages of bluer objects, then as a class they should be more massive and larger, not smaller.
The CANDELS project (Cosmic Assembly Near-Infrared Deep Extragalactic Legacy Survey) has acquired a very large database of optical and infrared observations of distant galaxies. Writing in one of their new papers this month, CfA astronomer Matt Ashby and the CANDELS team propose a solution to the dilemma. They studied a set of galaxies whose light has been en route for between about nine and twelve billion years. Based on the measured rates of star formation in blue galaxies inferred from the radiation, they conclude that they have undergone collisions that induce star formation. That's what makes them shine exceptionally brightly. After a billion years or so, however, these starbursts leave many of them depleted in fuel, and as a result the galaxies shrink in size to become the compact red galaxies that are so puzzling. In the later universe star-forming galaxies have grown to considerably larger sizes, and their star formation is consequently spread across much larger volumes, so that the same quenching mechanism does not take place, leaving them to retain their sizes as ellipticals.