John Archibald Wheeler - GEO600
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John Archibald Wheeler - GEO600
John Archibald Wheeler 1911 – 2008 Peter Aufmuth Albert-Einstein-Institut Institut für Gravitationsphysik Leibniz Universität Hannover 9. Juli 2008 Kollegen über Wheeler Die Geschichte wird JAW als einen der überragenden Geister des 20. Jahrhunderts beurteilen. Max Tegmark Einige seiner Konzepte sind so radikal, daß man ihnen nicht gerecht wird, wenn man sie „revolutionär“ nennt. Für mich war er der letzte Titan, der einzige noch lebende Superheld der Physik. Paul C.W. Davies Anton Zeilinger Leben & Werk Jugend & Studium Geb. am 9. Juli 1911 in Jackson, FL als erstes von vier Kindern. Eltern: Joseph & Mabel Wheeler (Bibliothekar & Hausfrau). Häufige Umzüge: Florida, Kalifornien, Ohio, Washington, D.C., Maryland und Vermont. JAW beginnt das Studium an der Johns Hopkins University mit 16 und promoviert mit 21 Jahren bei Karl Ferdinand Herzfeld. „Dispersion and Absorption of He“ Dissertation 1932; Phys. Rev. (Jan. 1933) Mit 27 Jahren wird er als Professor nach Princeton berufen. Leben & Werk Akademische Karriere 1938 – 76 Prof. of Physics, Princeton University 1976 – 86 Center for Theoretical Physics University of Texas, Austin seit 1986 Joseph Henry Prof. of Physics Emeritus Princeton University Princeton Austin Leben & Werk Wissenschaftliche Karriere 1933 – 34 1934 – 35 1935 – 38 1937 – 38 1938 – 39 1945 1952 – 55 Arbeit mit Gegory Breit, NYU Arbeit mit Bohr, Kopenhagen Assistent Prof., UNC Arbeit mit Edward Teller Arbeit mit Willis Lamb Gründer & Direktor des Cosmic Ray Lab, Princeton Diskussionen mit Einstein Mitgliedschaften: American Physical Society (Präsident) American Philosophical Society Royal Academy Accademia Nazionale dei Lincei Royal Academy of Sciences Leben & Werk Auszeichnungen Enrico Fermi Award 1968 Franklin Medal 1969 National Medal of Science 1970 Niels Bohr Int. Gold Medal 1982 Oersted Medal 1983 Albert Einstein Medal 1988 Mateucci Medal 1993 Wolf Prize 1997 1991 John Archibald Wheeler/Batelle Professorship in Physics (Princeton University 2001) Leben & Werk Wheelers Familie JAW heiratete 1935 Janette Hegner. Sie starb im Oktober 2007 mit 99 Jahren. Sie haben drei Kinder, 8 Enkel und 16 Urenkel. John & Janette 1985 Janette 1936 Familie Wheeler 1985 Leben & Werk Letzte Meldungen D.E. Holz & JAW Retro-MACHOs: pi in the sky ? Astrophysical Journal 578 (2002) 330 – 334 M.A. Cirone, K. Rzazewski, W.P. Schleich, F. Straub & JAW Quantum anticentrifugal force Physical Review A 65 (2002) # 022101 Princeton Physics News, Winter 2006: JAW besucht immer noch zweimal die Woche sein Büro in Princeton (Jadwin Hall) JAW † 13. April 2008 Hightstown, N.J. 2006 Benson, Vt. Leben & Werk Wheeler als Lehrer Warum hat eine Universität Studenten ? Damit die Professoren etwas lernen ! Aber um von den Studenten zu lernen, muß man ihnen gute Fragen stellen. Leben & Werk Wheelers Schüler Richard P. Feynman Kip S. Thorne Charles W. Misner Hugh Everett III James B. Hartle Robert H. Dicke Jacob Bekenstein Robert M. Wald Ignazio Ciufolini Clifford M. Will Kent Harrison Kenneth Ford Dieter Brill John Klauder u.v.a. Masamit Wakano Joseph Weber Leben & Werk Einfluß auf die Physik ix r t a M S- Stellarator Schwarzes Loch Leben & Werk Wheelers Sprüche Wheelers 1. moralisches Prinzip: Führe nie eine Berechnung durch, bevor Du nicht die Antwort weißt. Ein Tag ohne neue Erkenntnis ist ein verlorener Tag. Wenn man etwas Neues macht, ist man notwendigerweise ein Amateur. Wheelers Ratschlag für Autoren: Vereinfache! Vereinfache! Vereinfache! Wahrheit ist erst dann Wahrheit, wenn sie bekannt wird. Wir werden erst dann verstehen, wie einfach das Universum ist, wenn wir erkennen, wie seltsam es ist. Leben & Werk Wheelers Poesie Law without law Mass without mass Charge without charge Order from disorder Oh Gravitationswelle, Kein Suchender hat Dich je erblickt, Goldenes Vlies unserer Tage. Wagemutige Abenteurer suchen Dich Mit all dem Scharfsinn eines Jason, Mit der Hexenkraft von Lasern und Elektronik. Leben & Werk Wheeler als Autor Dez. 1963: Dallas International Symposium on Gravitational Collapse and Relativistic Astrophysics. JAWs Report erscheint nicht in den „Proceedings“, sondern als eigenes Buch: Gravitation Theory and Gravitational Collapse by B.K. Harrison, K.S. Thorne, M. Wakano, JAW 177 S. Großformat und Kleindruck Das Schreiben langer Artikel wurde zum Dauerleiden und brachte mir manchen Ärger mit Herausgebern ein. Charles W. Misner, Kip S. Thorne, JAW Gravitation (1973) 1279 S. (Zettels Traum der Physik) Leben & Werk 1962 1964 1966 1966 1973 1974 1990 1994 1995 1998 2000 Wheelers Bücher Geometrodynamics (Aufsätze) Gravitation Theory and Gravitational Collapse Spacetime Physics Einstein’s Vision (dt. Einsteins Vision) Gravitation Black Holes, Gravitational Waves and Cosmology A Journey into Gravity and Spacetime (dt. Gravitation und Raumzeit) At Home in the Universe (Aufsätze) Gravitation and Inertia Geons, Black Holes and Quantum Foam (Autobiographie) Exploring Black Holes DAS ZIEL: Alle Macht dem Leser ! Edwin F. Taylor J.A.W. Leben & Werk Wheeler als Forscher Grundfrage: Was ist der fundamentale Baustoff des Universums ? Wheelers Prinzipien: 1934 – 1954: Elementarteilchen (Elektron, Photon) 1954 – 1974: Felder – Geometrie (Raumzeit) Seit 1974: Information (Quantenphänomene) Alles bis zur letzten Konsequenz durchdenken. Einfachheit als Kriterium der Wahrheit. Teilchenphysik Bohr & Wheeler JAW 1934 an Bord eines Dampfers nach Kopenhagen Edward Teller, Gregory Breit, Fritz Kalckar, JAW, George Gamow, Hans Bethe, I.I. Rabi, Niels Bohr 1934 – 36: Tröpfchenmodell des Atomkerns (w/ Bohr) 1936 – 37: Streumatrix für Kernprozesse 1937: Rotationsniveaus (w/ Teller) 1940: Spin-Bahn-Kopplung (w/ Barschall) Teilchenphysik Polyelektronen Positronium und Myonen-Atom JAWs Notizbuch 1935 Eine Welt nur aus Elektronen = Elektron/PositronPaare 1946 Teilchenphysik Wheeler & Feynman Doktorand 1939 – 1942 Richard P. Feynman (1918 – 1988) Alle Elektronen und alle Positronen habe die gleiche Ladung und die gleiche Masse, weil es sich um das gleiche Teilchen handelt ! (Nächtlicher Anruf von JAW) Ein Positron ist ein Elektron, das in der Zeit rückwärts läuft. → Feynman-Diagramme Teilchenphysik Strahlungsdämpfung Problem: Feldstärke unendlich in der Nähe einer Punktladung Läßt sich die elektromagnetische Wechselwirkung als Fernwirkung darstellen ? Man muß sowohl die retardierten als auch die avancierten Lösungen der Maxwell-Gleichungen berücksichtigen ! Feynman & Wheeler 1945, 1949 Elektrodynamik ohne Felder ? Zukunft ↓ • ↑ Vergangenheit Teilchenphysik WW Absorber – Emitter Mathematisch konsistente komplementäre Darstellung ! S → ← • • - Kein elektromagnetisches Feld - Keine Selbst-WW der Ladung - Symmetrie zwischen Vergangenheit und Zukunft A Ohne Absorber kein Strahler Gäbe es nur ganz wenig Materie im Universum, würde die Zukunft die Vergangenheit beeinflussen. Viele Teilchen (~ 1078): Die Einbahnstraße der Zeit ist ein statistischer Effekt Teilchenphysik Kommentar Einige Leute glauben, Wheeler sei im späteren Leben übergeschnappt – aber das war er schon immer. Typisch für Wheelers Denken: Fernwirkungstheorie Aufgabe der Kausalität Zukunft → Vergangenheit Feynman Teilchenphysik Kernspaltung Dezember 1938: Otto Hahn & Fritz Strassmann beschießen Uran mit Neutronen n → 92U → 56Ba + 36Kr Otto Frisch & Lise Meitner: Kernspaltung ! Theorie von Bohr & Wheeler im Frühjahr 1939 großes Z²/A p gerade n ungerade SEPTEMBER 1, 1939 Beginn WW II PHYSICAL REVIEW VOLUME 56 The Mechanism of Nuclear Fission NIELS BOHR AND JOHN ARCHIBALD WHEELER 235U 238U 239Pu Teilchenphysik Kettenreaktion Einsicht: Kettenreaktion möglich (Zeldovich 1939) → Reaktor oder Bombe Brennstoff: 235U oder 239 Pu 235U Brief an Roosevelt 2. 8. 1939 – muß von 238U getrennt werden (Zentrifuge) 239Pu – muß in einem Reaktor hergestellt werden Nach Pearl Harbour (Dez. 1941): Beschluß zum Bau einer Atombombe J. Robert Oppenheimer, Gregory Breit, Hans Bethe, John Van Vleck, Edward Teller, Felix Bloch, JAW, ... Teilchenphysik Das „Manhattan“-Projekt Wheelers Aufgabe: Entwurf eines Reaktors zur Herstellung von Plutonium Ab Jan. 1942 in Chicago, ab Sept. 1944 in Hanford „Vergiftung“ des Reaktors durch 135Xe(T½ 9,2 h) (großer Wirkungsquerschnitt für Neutroneneinfang) Lösung: gesteuertes Brennen Hanford 1945 Juli 1945: Test der Pu-Bombe August 1945: Abwurf einer Pu-Bombe („Fat Man“) auf Nagasaki Teilchenphysik Wheelers Motiv Hätten wir die Bombe ein Jahr eher gehabt, so hätten wir 15 Millionen Menschen retten können, darunter meinen Bruder Joe. Den Krieg beenden, um Soldaten und Zivilisten zu retten. Wheelers erstes Buch „Geometrodynamics“ trägt die Widmung: To the memory of my brother JOSEPH TOWNE WHEELER Born Glendale, California, 10 August 1914 Killed in action between Florence and Bologna 25 October 1944 Der Tod seines Bruders Joe hat JAW Zeit seines Lebens belastet. Teilchenphysik Quantenelektrodynamik Shelter Island Conference 1947 = Geburtsstunde der QED Willis Lamb, JAW, Abraham Pais, Richard Feynman, Hermann Feshbach, Julian Schwinger Teilchenphysik „Matterhorn B“ Seit 1949 Entwicklung der H-Bombe in der UdSSR JAW und Ed. Teller beteiligen sich an der Entwicklung einer amerikanischen Bombe („Mike“) Test: 1. Nov. 1952 in Eniwetok Erhaltung des strategischen Gleichgewichts Loyalität zum Staat – nationale Aufgabe Enrico Fermi Award 1968 JAW mit Vater, Präsident, Sohn & Enkel Geometrodynamik Nach der Bombe John A. Wheeler 1998 in seiner Autobiographie: Am 6. Mai 1952 nahm ich ein neues gebundenes Notizbuch aus dem Regal, gab ihm den Namen “Relativity I” und schrieb auf Seite 1: “1755. Erhielt vor einer ½ Stunde von Shenstone die gute Nachricht, daß ich nächstes Jahr Relativität lesen darf […].” Ich wollte Relativität ganz einfach deswegen unterrichten, um das Gebiet zu lernen. In diesem Herbst schrieben sich fünfzehn Studenten in meinem Kurs ein […]. Geometrodynamik Einstein & Wheeler „Der Raum sagt der Materie, wie sie sich bewegen soll, und die Materie sagt dem Raum, wie er sich krümmen muß.“ „Die Trägheit hier wird durch die fernen Massen dort bestimmt.“ Einstein, Yukawa & Wheeler, Princeton 1954 Geometrodynamik Das Schicksal der Sterne Was ist der Endzustand eines Systems von A Baryonen, wenn A sehr groß ist ? z.B. A ~ 1058 ~ 15 M~ r = 107 km r = 10 km Kompressbilität log p Strahlungsdruck Entartungsdruck Dichte Harrison-Wheeler-Gleichung Geometrodynamik Schwarze Löcher Nach dem Ende der Fusionsprozesse: 56Fe-Kern. Gravitativer Zusammensturz bis auf einen Punkt: „Schwarzes Loch“ (JAW 1967) „Schwarze Löcher haben keine Haare.“ (No-Hair-Theorem) Geometrodynamik Gravitationswellen Von Januar bis September 1956 hält JAW Vorlesungen über Quantengeometrodynamik an der Universität Leiden. Unter seinen Zuhörern: Joe Weber. Zusammen mit Ch. Misner und P. Putnam diskutieren sie über Gravitationswellen. Joseph Weber (1919 – 2000) Geometrodynamik Weber & Wheeler Er warf sich mit religiöser Inbrunst auf die Gravitationswellen und verfolgte sie für den Rest seiner Laufbahn. Manchmal frage ich mich, ob ich ihn nicht mit zuviel Enthusiasmus für diese monumentale Aufgabe erfüllt habe. John A. Wheeler 1998 in seiner Autobiographie Geometrodynamik Die Seinsfrage Princeton 1971: „Magic without Magic“ Warum existiert überhaupt Etwas und nicht vielmehr Nichts ? G. W. Leibniz (1646 – 1716) Geometrodynamik Das Cartansche Prinzip Um Alles aus Nichts abzuleiten, genügt ein einziges Prinzip. Der Rand eines Randes verschwindet: ∂∂ = 0 Élie Cartan ∂(n-dim. orientierte differen(1869 – 1951) zierbare Mannigfaltigkeit M) = Summe Σ ihrer Hyperflächen. ∂(Σ) = Summe der Kanten = 0 Geometrodynamik Geometrisierung ! Dieses rein geometrische Prinzip bestimmt (zusammen mit dem Stokesschen Satz) Form und Erhaltungssätze aller Feldtheorien: Elektrodynamik Geometrodynamik Chromodynamik. ∫ ddθ = ∫ dθ = ∫θ M ∂M ∂∂ M = 0 =0 d * J = 0 d *G = 0 d *T = 0 Programm: Geometrisierung der Physik ! Geometrodynamik Raum und Materie Die Unterscheidung zwischen dem Raum und anderen dreidimensionalen Größen ist nur durch Erfahrung möglich. Die Änderung in der Krümmung des Raums ist das, was wir die Bewegung der Materie nennen. 1854 1870 Bernard Riemann (1826 – 1866) William Clifford (1845 – 1879) Geometrodynamik Alles ist Nichts Können wir den Materiebegriff nicht einfach fallenlassen und eine reine Feldphysik entwickeln ? E = mc 2 Der Raum ist das Feld. Albert Einstein (1879 – 1955) Die Materie ist nur eine Anregung des leeren gekrümmten Raumes. Geometrodynamik Leerer gekrümmter Raum Geometrisches Modell der Masse: „Geon“ Geometrisches Modell der Ladung: El.-magn. Wellen und GW, die durch die eigene Gravitation zusammenhalten Feldlinien, die in einem Wurmloch gefangen sind Masse ohne Masse Ladung ohne Ladung Geometrodynamik Einheitliche Feldtheorie Das EM-Feld enthält Energie u. muß daher im Energie-Impuls-Tensor berücksichtigt werden. So prägt es der Geometrie seine Spur auf (Rainich 1925, Misner 1957) : EM-Feld Fik → Tik f ik = G Fik 2 c → Geometrie Tik ⊕ f ik Geometrodynamik Quantenschaum Auf dem Niveau der Planck-Länge LP = 10–35 m kommt es zu Quantenfluktuationen der Geometrie. Raum und Zeit lösen sich auf → Keine Kausalität ! → Keine Raumzeit-Punkte ! → Keine Geometrie ! Geometrodynamik Machsches Prinzip Die fernen Massen beeinflussen die Trägheit im Sonnensystem. Die Masse dort bestimmt die Trägheit hier. Mach Das Machsche Prinzip liefert die Randbedingungen für die Lösung der Einstein-Gleichung (→ räumlich geschlossenes Universum) Geometrodynamik Singularitäten Schwarze Löcher und der Big Bang sind unvermeidliche Lösungen der Feldgleichungen und stehen damit für den Zusammenbruch der Geometrodynamik. Sie sind Paradigmata für das Ende der klassischen Physik. Beyond the End of Time (1971) Die größte Krise in der Geschichte der Physik ! Geometrodynamik Superraum → Quantengeometrodynamik ! Das dynamische Objekt der Geometrodynamik ist nicht die Raumzeit, sondern der Raum. Der Wirkungsbereich der Quantengeometrodynamik ist der Superraum = eine Mannigfaltigkeit, deren Elemente jeweils eine ganze 3-Geometrie (3)G repräsentieren. „Die Zeit ist keine ursprüngliche Größe.“ (Wheeler 1979) Geometrodynamik Wheeler-DeWitt-Gleichung ⎡ ⎢− ⎢⎣ ∇2 (δ G ) (3) 2 + (3) ⎤ R ⎥ Ψ ( (3)G ) = 0 ⎥⎦ „Einstein-Schrödinger-Gleichung“ Hˆ | Ψuniv 〉 = 0 Wellenfunktion des Universums Der Übergang zwischen den 3-Geometrien definiert eine Funktion t(x,y,z) = Zeit ( 3) G → (3)G + δ (3)G t ( x, y, z ) → t ( x, y, z ) + δt ( x, y, z ) Geometrodynamik 1970 Probleme der QGMD Kein Platz für Spin ½-Teilchen Kein Platz für Neutrinos Diskontinuierliche Topologie Unvermeidliche Singularitäten Zahl der Freiheitsgrade: ∞ Problem der Zeit Ich löse lieber erstmal die Probleme der Quantentheorie ! Quantenphänomene Die Pfad-Integral-Methode Doktorand von JAW 1941 A Principle of Least Action in Quantum Mechanics Ph.D. thesis 1942 REVIEWS OF MODERN PHYSICS VOL. 20 APRIL, 1948 Space-Time Approach to Non-Relativistic Quantum Mechanics R.P. FEYNMAN R.P. Feynman (1918 – 1988) Glauben Sie nicht, daß man diese Theorie akzeptieren kann ? JAW JAW: „sum over histories“ Ich kann immer noch nicht glauben, daß der liebe Gott würfelt. Aber ich habe das Recht erworben, meine eigenen Fehler zu machen. Quantenphänomene „Viele Welten“-Deutung Doktorand von JAW 1957 On the Foundations of Quantum Mechanics Ph.D. thesis 1957 REVIEWS OF MODERN PHYSICS VOL. 29 JULY, 1957 “Relative State” Formulation of Quantum Mechanics HUGH EVERETT, III Hugh Everett III (1930 – 1982) Problem der QM: Kollaps der Wellenfunktion Lösung: Alle Möglichkeiten werden verwirklicht ! Aber: Jede in ihrem eigenen Universum. Everetts Deutung vermeidet den Gegensatz „Quantenwelt“ – „klassische Welt“. Es gibt nur Quantensysteme, und der Beobachter ist ein Teil davon. Quantenphänomene Kern der Bohr-EinsteinDebatte Es muß eine den Erscheinungen zugrunde liegende reale Welt geben. Einstein und Bohr Realität ?! Was ist Realität ? Welche Rolle spielt der Beobachter ? Es gibt keine tiefere Realität ! Ist der Mond da, wenn keiner hinguckt ? Realität wird erst durch Beobachtung erschaffen. JAW Quantenphänomene Teilnehmer-Universum Ein elementares Phänomen ist erst dann ein Phänomen, wenn es registriert ist. Registrierung = Beobachtung hergestellt durch einen irreversiblen Akt der Verstärkung und sprachlich mitteilbar (Bohr) Vom Beobachter zum Teilnehmer Der Baustoff des Universums: das elementare Quantenphänomen ? Quantenphänomene „Delayed choice“ Änderung der Versuchsanordnung kurz vor Vollendung der Messung (Gedankenexperiment, JAW 1978) Einsatz des 2. Strahlteilers → Interferenzmuster (Beide Wege: Licht als Welle) Fehlen des 2. Strahlteilers → Intensitätsmaximum je Weg (Ein Weg: Licht als Photon) Die Anordnung entscheidet über den Verlauf des Experiments Experiment mit nachträglicher Wahl Quantenphänomene Änderung der Versuchsanordnung kurz vor Vollendung der Messung (Experiment, A. Aspect 2006 ) 5 ns ∆t = 40 ns 48 m Das Verhalten des Photons im Interferometer hängt von der Wahl der Observablen ab, selbst wenn der Eintritt des Photons raumartig zu dieser Wahl erfolgt. Die Wahl erfolgt durch einen Zufallszahlengenerator. Quantenphänomene Wahl der Vergangenheit Einstein-Kreuz Interferenz verschiedener Bilder des Quasars. Durch die Anordnung (Strahlteiler oder nicht) wird heute entschieden, was das Photon vor fünf Milliarden Jahren gemacht hat (ein Weg oder beide). Die Vergangenheit existiert erst durch eine gegenwärtige Messung Quantenphänomene Selbstschöpfung des Universums ? Ein elementarer Quantenprozeß erschafft die Vergangenheit Schöpfung durch Beobachtung Das Universum – ein Schwingkreis mit Selbsterregung ? Quantenphänomene „It from bit“ Keine Frage ? Keine Antwort ! S= 1 kB A 4 hG J.D. Bekenstein (1972): Die Fläche des Horizonts eines Schwarzen Lochs ist ein Maß für dessen Entropie = der im Schwarzen Loch enthaltenen Information. Die Welt ist aufgebaut aus Ja/Nein-Entscheidungen und ihrer Registrierung. Der Ursprung von Allem liegt in der Information. X → Photon → Detektor → Zähler → „Klick“ = 1 Bit Besteht die Welt aus Information ? Quantenphänomene Ewige Gesetze ? Alle physikalischen Gesetze erfordern „Raum“ und „Zeit“ Hatte Gott eine Wahl bei der Erschaffung des Universums ? Wenn Raum und Zeit im Big Bang entstanden sind und in der Singularität eines Schwarzen Lochs wieder verschwinden, dann kann es keine ewigen Gesetze geben. Es gibt nur ein Gesetz: daß es kein Gesetz gibt. Gesetz ohne Gesetz Quantenphänomene Wandelbarkeit der Physik ? Gibt es Evolution nur in der Biologie ? Oder entwickeln sich auch die physikalischen Gesetze und Konstanten durch einen Prozeß der natürlichen Auslese ? Wandelbarkeit Warum 3 + 1 Dimensionen ? Warum nicht mehr ? Quantenphänomene Letzte Fragen How come the quantum ? How come existence ? Quantenphänomene Journal, 29. Januar 2002: Letzte Frage Am 9. Januar 2001 hatte ich einen Herzanfall. Das ist ein Zeichen: Ich habe nur begrenzte Zeit. So werde ich mich auf eine Frage konzentrieren: Warum existiert Etwas ? Kein Raum, keine Zeit, keine Gravitation, kein Elektromagnetismus, keine Teilchen. Nichts. Wir sind wieder da angekommen, wo Plato, Aristoteles und Parmenides mit den großen Fragen gerungen haben: Warum gibt es das Universum, Warum gibt es uns, Warum gibt es überhaupt Etwas ? Quantenphänomene Einfachheit Ich bin sicher: Eines Tages werden wir die zentrale Idee von all dem erfassen, und sie wird so einfach, so schön und so offensichtlich sein, daß wir einander fragen: „Wie konnte es anders sein?“ dF = 0 d*J = 0 d*G = 0 d*T = 0 ∂∂ = 0 John Archibald Wheeler 1911 – 2008