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CERN, Teilchenphysik & Co.


JMLAB

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  • 8 Monate später...

Zum Teilchenbeschleuniger am CERN kommt mir immer der hier in den Sinn:

 

Large hadron collider

 

Sorry, konnts mir nicht verkneifen :)

 

Ich würde das CERN gerne mal besuchen und den LHC besichtigen. Aber dazu muss man sich leider in ne sehr lange Warteschlange einreihen.

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Ich würde das CERN gerne mal besuchen und den LHC besichtigen.

 

Aber dazu muss man sich leider in ne sehr lange Warteschlange einreihen.

.

 

 

 

Das wäre auch so ein Lebenstraum von mir, einmal CERN als den vielleicht heiligsten Tempel der Physik betreten zu dürfen und als Höhepunkt eine Besichtigung des LHC.

 

Habe gestern durch Wikipedia gesurft wieder einmal nach Begriffen wie Ereignishorizont, Raumzeit, Higgs-Boson, Higgs-Standardmodell ...

 

Einfach ist das alles zusammen gerade nicht zu verstehen aber umsomehr faszinierend in einer Zeit leben zu dürfen, die Antworten auf offene Fragen finden kann.

 

Eines ist sicher, die kommenden zehn Jahre werden die bisherige Erkenntnis der Physik revolutionieren.

 

Es ist und wird spannend, sehr spannend!

 

 

 

Auszug >

 

 

(Higgs-) Standardmodell der Elementarteilchenphysik >

 

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik (SM) ist eine physikalische Theorie, welche die bekannten Elementarteilchen und die Wechselwirkungen zwischen ihnen beschreibt. Die drei vom Standardmodell beschriebenen Wechselwirkungen sind

 

die starke Wechselwirkung,

die schwache Wechselwirkung und

die elektromagnetische Wechselwirkung.

 

Das SM ist eine Quantenfeldtheorie: ihre fundamentalen Objekte sind Felder in der Raumzeit (Feldtheorie), die nur in diskreten Paketen verändert werden (Quantentheorie). In einer passenden Darstellung entsprechen die diskreten Pakete gerade den beobachteten Teilchen. Das SM ist insbesondere relativistisch, d.h., es gehorcht den Gesetzen der speziellen Relativitätstheorie.

 

Die Voraussagen des SM sind durch teilchenphysikalische Experimente recht gut bestätigt. Allerdings bezieht das SM die Gravitation nicht mit ein und kann einige Beobachtungen nicht erklären. Außerdem müssen immerhin 18 Parameter, deren Werte nicht aus der Theorie hervorgehen, anhand von experimentellen Ergebnissen festgelegt werden. Es wird dadurch recht „biegsam“, so dass es sich in einem gewissen Rahmen den tatsächlich gemachten Beobachtungen anpassen kann. Obwohl das Standardmodell die Grundlage der modernen Teilchenphysik darstellt, reicht es zur Erklärung der Welt nicht aus. Es gibt deshalb zahlreiche Bemühungen, es zu erweitern oder abzulösen (s. u. "Physik jenseits des Standardmodells").

 

 

Neutrinos und Physik jenseits des Standardmodells >

 

http://www.mpp.mpg.de/forschung/theorie/neutrinos/

 

 

 

Manchmal denke ich dass der Triumph des menschlichen Geistes über die Mystik seines Seins in der Musik am edelsten und in höchster Vollendung ihren Ausdruck findet -

 

Es ist wie eine Verschmelzung und Vereinigung der physikalischen Vielfalt in eine grossartige und kaum zu beschreibende Einheit im Hier und Jetzt, wenn gleich oft leider nur für kurze Zeit.

 

 

Zitat von Ludwig van Beethoven:

 

"Musik ist höhere Offenbarung als alle Weisheit und Philosophie"

 

 

 

Gruss Robert

.

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Man kann das CERN besuchen, es gibt kostenlose Führungen für Gruppen mit 18-24 Personen (Voranmeldung im Internet notwendig).

Vielleicht finden sich ja im FF genügend Leute dafür (mit Fly-in).

Ich kann es sehr empfehlen. Es hat eine Ausstellung, wo man alte Maschinen anschauen kann und den ersten Webserver der Welt. Die technische Ausstattung ist sehr beeindruckend.

Zur Zeit kann man nicht in die Tunnels, da sich dort gerade die Higgsbosonen tummeln :-)

Die Tour Guides sind Wissenschafter und Ingenieure und können die meisten Fragen beantworten.

 

-Georg

http://outreach.web.cern.ch/outreach/visites/groupes.html

http://www.flickr.com/photos/polapix/sets/72157622763968685/with/4151434098/

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  • 5 Monate später...
  • 1 Monat später...

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Ein sehr bewegender Tag, vielleicht ein revolutionärer Tag der Physik >

 

 

04.07.2012

 

 

CERN >

 

Higgs Teilchen ist (fast) nachgewiesen -

 

 

3SAT Bericht vom Mittwoch, 4. Juli 2012 >

 

http://www.3sat.de/mediathek/?display=1&mode=play&obj=31673

 

http://www.3sat.de/page/?source=/nano/natwiss/159142/index.html

 

 

ARD Tagesschau Bericht vom Mittwoch, 4. Juli 2012 >

 

http://www.tagesschau.de/ausland/cern172.html

 

http://www.tagesschau.de/inland/cern178.html

 

http://www.tagesschau.de/multimedia/video/video1141924.html

 

 

Peter Higgs, sehr wahrscheinlich der nächste Nobelpreisträger der Physik >

 

cernpeterhiggs.jpg

 

 

peterhiggs04072012.jpg

 

 

 

CERN: Higgs-Teilchen ist - fast - nachgewiesen

 

Teilchenphysiker benötigen aber noch "mehr Daten"

 

Physiker des Europäischen Kernforschungszentrums (CERN) haben Higgs-Teilchen "wahrscheinlich" gefunden.

 

Die vorhandenen Daten zeigen mit sehr hoher Signifikanz ein Teilchen bei 125 GeV (Giga-Elektronenvolt). Die Forscher sind aber noch nicht hundertprozentig sicher, dass es sich um das Higgs-Teilchen handelt. "Wir benötigen mehr Daten", hieß es.

 

 

Daten liegen kurz vor statistischer Signifikanz

 

Die Daten zeigten klare Signale von einem neuen Teilchen im Signifikanzbereich von 5 Sigma. Das gilt als Grenze, damit eine Entdeckung wirklich anerkannt ist. "Die Ergebnisse sind vorläufig, aber das 5-Sigma-Signal im Bereich um 125 GeV, das wir sehen, ist drastisch", teilte das CERN mit. "Es ist schwer, nicht aufgeregt zu werden bei diesen Ergebnissen", sagte CERN Forschungsdirektor Sergio Bertolucci.

 

"Was sich hier anbahnt, ist für mich bisher die Entdeckung des Jahrhunderts", schwärmte Prof. Joachim Mnich, Forschungsdirektor des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (Desy). "Am deutlichsten überzeugt mich, dass wir in den zwei unabhängigen Datensätzen aus dem letzten und aus diesem Jahr das gleiche Signal sehen, und das konsistent in beiden Experimenten, Atlas und CMS."

 

"Mit dieser bedeutenden Beobachtung wird vielleicht die Tür in eine neue Welt der Teilchenphysik aufgestoßen", sagte Prof. Bernhard Spaan von der Technischen Universität Dortmund. Er ist Vorsitzender des deutschen Komitees für Elementarteilchenphysik.

 

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Ja, das war wirklich eine bemerkenswerte Meldung. Was mich (und die meisten Physiker) aber sehr stört, ist die reisserische Bezeichnung "Gottesteilchen" (die auch nur im deutschsprachigen Raum von gewissen Medienleuten benutzt wird). Das Higgs-Feld wurde schon vor langer Zeit von Peter Higgs in die Theorie eingeführt, um die seltsame Tatsache zu erklären, warum die W- und das Z-Boson Masse haben - bis dahin waren Bosonen - zum Beispiel die Photonen - masselos und bewegten sich mit Lichtgeschwindigkeit. Ganz generell erklärt das Standardmodell nicht, warum Teilchen Masse haben.

 

Das Higgs-Feld gibt den Teilchen - je nach Grad der Wechselwirkung - *etwas* Masse. Der Hauptanteil stammt aber von der "Starken Wechselwirkung". Die hält mit ihren speziellen Bosonen - den Gluonen - die Quarks zusammen und macht daraus Protonen, Neutronen und ein paar Mesonen. Die Summe der drei Quarkmassen eines Protons ist z.B. viel geringer als die Masse des Protons. Die Bindungsenergie steuert gemäss E=mc2 den größten Teil bei. Wir sind also nur zu einem recht kleinen Anteil schwer und träge, weil Peter Higgs sein Feld (und das zugehörige Teilchen) ersonnen hat :D

 

Auch nach dem höchstwahrscheinlich gelungenen Nachweis des Higgs-Bosons bleiben noch Fragen genug, z.B.: Wie gross ist die Neutrinomasse? Oder: Woher kommt die vermutete Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie? Ohne die gäb's nur Strahlung im Universum, keine Materie... Das Standardmodell gibt das (auch unter Einbeziehung des Higgs-Bosons) nicht her. Und so weiter.

 

Es gibt also noch beliebig viel zu tun. :008:

 

Viele Grüsse

Peter

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Was ich bisher nirgends gefunden habe: Wo befinden sich all diese Elementarteilchen im Standardmodell. Wieviele Quarks machen ein Neutron aus (ich weiss, zwei down, ein up), aber ich möchte das gerne für das gesamte Atommodell und all die anderen Teilchen.

 

Es gibt diese Tabelle überall:

 

Standard_Model_of_Elementary_Particles-de.svg

 

Aber es gibt nirgends eine nette Tabelle oder Grafik, aus welchen Elementarteilchen alle Teilchen innerhalb oder Ausserhalb des Atommodells gemacht sind. Und natürlich möchte ich dann auch noch, dass man das Higgs-Field und -Teilchen da irgendwo unterbringt.

 

Gibt's das? Oder denke ich viel zu mechanistisch?

 

Dani

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Dani, im Grunde steht es da ja: Die "normale", uns "vertraute" Materie besteht aus den Fermionen der Familie (Generation) 1:

 

Neutron: Drei Quarks, U,U,D, Summe der elektrischen Ladungen der Quarks = 0.

Proton: Drei Quarks, U,D,D, Summe der elektrischen Ladungen der Quarks = +1.

Elektron: Ladung -1

 

Die (instabilen) Mesonen bestehen jeweils aus zwei Quarks, davon gibs entsprechend viele unterschiedliche.

 

Das ist eigentlich schon (fast) alles. Es gibt natürlich noch Tabellen der Übergänge (Teilchenumwandlungen), die habe ich aber momentan nicht zur Hand.

 

Alle Fermionen haben halbzahligen Spin (sowas wie ein Eigendrehimpuls).

 

Die "Eichbosonen" haben ganzzahligen Spin, sie sind die Teilchen, die die Kräfte übermitteln (Photonen für Elektromagnetische, Gluonen für die Starke Kernkraft, die beiden W- und das Z-Boson für die schwache Kernkraft (beta-Zerfall). Aber: Higgs ist ziemlich sicher *nicht* das Eichboson der Schwerkraft. Es gibt den W- und Z-Bosonen und anderen Teilchen nur *etwas* Masse. Die Hauptmasse stammt eben aus der Bindugsenergie der Quarks.

 

Diese "normale" Familie wiederholt sich dann nochmal für höhere Energie und für ganz, ganz hohe Energie. So entspricht das Myon dem Elektron, ist aber 200mal schwerer. Das Tauon ist ebenfalls wie ein Elektron, diesmal aber rund 3400mal schwerer.

 

Erstmal. Für das Higgsfeld konsultiere ich sicherheithalber mal meine Bücher über Teilchenphysik, bevor ich allzuviel Unsinn erzähle. Es "passt" so einfach erstmal *nicht* in das Standardmodell, das Deine Abbildung wiedergibt. Aber zumindest bin ich mir sicher, dass das Higgs-Teilchen ganzzahligen Spin hat und daß es deshalb dem Ausschließungsprinzip nicht unterliegt... na klar, ist ja ein Boson... :005:

 

Gruss

Peter

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Die "normale", uns "vertraute" Materie besteht aus den Fermionen der Familie (Generation) 1:

 

ah, stimmt, so kann man es auch sehen. Aber die "Eichbosonen" (ja, wirklich ein unglücklicher Name, der Englische "Force Carrier", also Kraftübertrager, ist viel besser) müssen doch auch irgendwo im klassischen Atommodell sein.

 

Und das Higgs eben auch. Ich habe mir das erklären lassen, dass das halt eher Felder, Kräfte, Wolken sind, weil wir ja nie genau wissen wo sie sich befinden, aber man könnte das grafisch halbrichtig sicher darstellen.

 

Das Higgs wird übrigens in einigen Darstellungen auf einer neuen Reihe, gleich neben den Eichbosonen, hingestellt. Aber im Moment weiss ja noch niemand wo es genau hingehört.

 

Dani

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Die Eichbosonen heißen nach den "Eichtheorien", diese benutzen die Methodik der mathematischen Gruppentheorie. Weiteres Stichwort: Eich-Invarianz. Ist alles ziemlich abstrakt.

 

Ich versuch's aber mal mit einer Antwort auf die Frage, wo denn das Higgsfeld bzw das Higgs-Boson in Bezug zur Grafik steht, die das Standardmodell darstellt:

 

Es gibt ja z.B. das elektrische Feld, oder das Gravitationsfeld usw, die auch nicht in der Grafik vorkommen. Passende Teilchen interagieren mit einem solchen Feld: Elektronen werden z.B. im elektrischen Feld beschleunigt. Die darin entstehenden kraftübertragenden (virtuellen) Teilchen sind die Photonen, und die erscheinen in der Grafik.

 

Stellen wir uns mal (falls möglich) das NICHTS vor. Und denken an die Unschärferelation, die z.B. besagt, dass das Produkt aus Energie und Zeitintervall nicht kleiner sein kann als das Plancksche Wirkungsquantum, genauer: Delta-E mal Delta-t ist *immer* grösser oder gleich h durch vier Pi.

 

So, und jetzt schauen uns das NICHTS in einem ganz, ganz kleinen Zeitintervall an: In dieser kurzen Zeit wird also die Energieunsicherheit sehr gross, so gross, dass da spontan Teilchen vorhanden sind - die natürlich sofort wieder verschwinden.

 

Das reale NICHTS (das Vakuum) hat also eine von Null verschiedene positive potentielle Energie. Es wird durch ein symmetrisches Feld beschrieben, das eine etwas seltsame Form hat, es sieht aus wie der Boden einer Sektflasche: Nicht im Zentrum wird die potentielle Energie am kleinsten (wie bei E-Feld oder G-Feld, die einer 1/r^2-Funktion folgen), sondern schon weiter aussen, nach innen steigt die Energie dann wieder. Interagieren Teilchen mit dem Vakuum, so wird die Symmetrie des Feldes gestört, es entstehen virtuelle Teilchen, die dann die Kräfte übertragen.

 

Das spezielle Higgsfeld sieht ähnlich aus. Manche Teilchen (Photonen, Gluonen) bewegen sich darin ohne jede Störung, die Symmetrie des Feldes bleibt erhalten. Segelt nun ein W- oder Z-Boson hindurch, so wird die Symmetrie lokal gebrochen und die so entstehenden virtuellen Higgs-Bosonen "hängen sich an" die W und Z. Und auch an andere Teilchen, die durch diesen Mechanismus Masse erhalten.

 

Im LHC wurden nun *reale* Higgs-Bosonen erzeugt, die in andere Teilchen zerfallen. Die Energie des jetzt erzeugten Higgs stimmt sehr gut mit der Theorie überein, zu prüfen wäre noch, ob die Zerfallsprodukte ebenfalls passen.

 

Also, zur Frage, wo das Higgs-Feld in Bezug zur Grafik des Standardmodells liegt: Es liegt überall darüber. Alle realen Teilchen (des Standardmodells) bewegen sich im Higgsfeld (genauso wie im realen NCHTS). Manche interagieren mit dem Feld, ein paar andere nicht.

 

Meine schnelle Quelle: Guy Coughlan/James Dodd: Elementarteilchen, Vieweg-Verlag 1996,

ISBN 3-528-06621-0

 

Gruss

Peter

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Johannes, Gegenfrage:

 

Wozu waren die Relativitätstheorien oder die Quantenelektrodynamik gut? Sie waren erstmal reiner Erkenntnisgewinn.

 

Aber ohne die gäb's kein GPS, keine Laser, keine DVDs, keine hochdichten Harddisks, keine supraleitenden Kabel für den verlustarmen Transport ökoligisch unbedenklicher :D Windenergie usw. Ok, auch keine Kernwaffen.

 

Ich habe irgendwo gelesen, dass z.B. rund ein Drittel des Welt-Bruttosozialprodukts unmittelbar auf die Quantentheorien zurückgeht.

 

Also: ich weiß nicht, wozu die Ergebnisse am LHC mal gut sein könnten. Das ist eine Frage an die Ingenieure, nicht an die Physiker.

 

edit: Die Ergebnisse am LHC sagen zunächst nicht mehr, als dass der Higgs-Mechanismus keine theoretische Gedankenspielerei ist, sondern wohl tatsächlich funktioniert. Das löst einige Probleme bei dem Versuch, die (für uns relevante) Welt etwas besser zu verstehen.

 

Gruss

Peter

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Walter Fischer

Zum Glück war Bertie auch nur ein Mensch mit Schwächen- diese Schilderung z.B. macht ihn mir um vieles sympathischer:

 

Einstein trank gern, und er trank eine Menge. Da ist die Quellenlage eindeutig. Während der Arbeit an der speziellen Relativitätstheorie verklappte er vier Liter Bordeaux, fünf Flaschen roten Burgunder "Grand Cru", sieben Pflümli und acht Sechsämtertropfen. Die Entdeckung des Atoms war dagegen eine Kleinigkeit. Nach drei Flaschen Barolo und vier doppelten Grappa war es vollbracht. Die Idee, dass die jedem Lichtteilchen innewohnende Energie der Strahlungsfrequenz proportional ist, kam Einstein nach drei Vierteln Gewürztraminer. Als er noch sechs Edelzwicker und fünf Single Malt nachgegossen hatte, fiel dem Genie dazu auch gleich die richtige Formel ein: E = hu, wobei E die Strahlungsenergie, h eine universelle Konstante, das so genannte Planck'sche Wirkungsquantum, und u die Strahlungsfrequenz ist. Über die Rolle von Cabernet Sauvignon, Chardonnay und Zinfandel auf die Allgemeine Relativitätstheorie ist sich die Forschung noch nicht ganz einig. Fest steht nur so viel: Einstein hasste Sekt! Später in Amerika trank er nur noch bayerisches Bier (Kulmbacher) und Reiswein, um gegen den Abwurf der ersten Atombombe sowie gegen die notorische Verletzung des deutschen Reinheitsgebots seitens der amerikanischen Brauindustrie zu protestieren.

 

Nicht auszudenken, hätte es damals schon Red Bull gegeben:005:

 

Gruss Walti

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... Nicht auszudenken, hätte es damals schon Red Bull gegeben:005:

 

Gruss Walti

Herzig, Walti. Ich glaube, Du vergisst den Jägermeister. "Am Abend Kümmerling, am morgen danach Kummer," dies lernte ich mit einigen Damen in einem Urlaub in der Eifel.

Einewäg, die Schlussfolgerung aus Deiner Frage ist doch klar:

Wir würden heute wohl Energie aus Windkraft und Kohle gewinnen. Fossile Kraftstoffe in einer Art und Weise verbrennen, in der die Entsorgung über einen Kamin möglich ist, mit Hinterlassenschaften, deren Halbwertszeit und Umweltverträglichkeit keine Sau interessiert, einfach weil diese sich nicht dafür interessiert und das Zeug 10 Minuten später, dank dem Gotteswind eh beim Nachbarn ist.

Hast mir schon mal den Montag gerettet, Walti. Dafür ein herzliches Dankeschön!

Hans

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Missing Link zwischen Flightforum und Teilchenphysik >

 

 

Tipp: Doppelklick auf Screenshots >

 

fermilabtevatron1.jpg

 

 

fermilabtevatron2.jpg

 

 

Gruss Robert

 

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Auch nach dem höchstwahrscheinlich gelungenen Nachweis des Higgs-Bosons bleiben noch Fragen genug, z.B.: Wie gross ist die Neutrinomasse?

 

Da die Neutrinos offenbar mit "mindestens" Lichtgeschwindigkeit unterwegs sein sollen, können sie da überhaupt Masse haben?

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Walti, dank dir begreife ich langsam das Higgs Teilchen. Nur genug Alki konsumieren und schon kann man die Higgs nicht mehr unterdrücken. :p

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Da die Neutrinos offenbar mit "mindestens" Lichtgeschwindigkeit unterwegs sein sollen, können sie da überhaupt Masse haben?

 

Du beziehst Dich vermutlich auf das OPERA-Experiment. Das hatte Überlichtgeschwindigkeit von Neutrinos ergeben. Wie sich aber herausstellte, war das ein Messfehler durch ein nicht richtig verbundenes Lichtleiterkabel. Der Leiter des Experiments ist zurückgetreten, soweit man dem SPIEGEL vertrauen kann:

 

http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,824885,00.html

 

Man ist halt etwas vorschnell an die Öffentlichkeit getreten...

 

Teilchen die sich mit mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, haben keine Ruhemasse (Photonen, Gluonen), aber natürlich Masse aus m=E/c^2

 

Genau das wäre nämlich ein tolles Ergebnis von OPERA gewesen: Zu zeigen, *dass*`sich Neutrinos mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Zur Zeit bleibt also die Ruhemasse der Neutrinos weiterhin ungewiss, es gibt nur Abschätzungen für eine Obergrenze. Zudem ist das Neutrino kein Boson, sondern ein Lepton, es hat halbzahligen Spin. Lichtgeschwindigkeit und Ruhemasse Null würde ich eigentlich eher nicht erwarten. Ist aber Spekulation.

 

Viele Grüsse

Peter

 

P.S. Aus Danis Diagramm kann man leicht entnehmen:

Alles besteht aus Fermionen und Bosonen, das sind die kleinsten (unteilbaren) Bausteine der "Welt"

Fermionen haben halbzahligen Spin, sie unterliegen dem Pauli-Prinzip (Ausschließungsprinzip).

Bosonen haben ganzzahligen Spin (auch Spin Null), es können also in einem beobachteten Bereich beliebig viele davon existieren.

Fermionen wiederum werden unterteilt in Leptonen (Elektron und Neutrinos) und die Quarks.

 

Das ist in etwa die Vorstellung des "Standardmodells". Es fehlt aber ein Boson bzw ein Mechanismus für die Gravitation, die passt nicht ins Standardmodell. Die Stringtheorien und die supersymmetrischen Theorien (SUSY :D ) bemühen sich da um tiefere Einsicht. Bisher ohne Resultat, das einer experimentellen Prüfung zugänglich wäre.

 

Also: Leg einen Stein auf die flache Hand, etwa 1 Meter über dem Boden. Drehe die Hand um 180 Grad und Du kannst das grösste Rätsel der Natur beobachten... :002:

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  • 1 Monat später...

.

 

... die Fähigkeit zur Schöpfung ist ungeschaffen und ewig ...

 

... die Quantentheorie beweist die Existenz eines universellen Bewusstseins im Universum ...

 

... wenn Sie vom Glaube her unwiderruflich wissen dass es so ist, dann passiert es ...

 

... Wirklichkeit und Information sind dasselbe ...

 

... Information ist der Urstoff des Universums ...

 

... Geist beeinflusst Materie ...

 

... Verschränkung von Quanten-Spins ...

 

... Der erste Trunk aus dem Becher der Naturwissenschaften macht atheistisch, aber auf dem Grund des Bechers wartet Gott ...

 

 

Quantenphilosophie und Spiritualität - Dr. Ulrich Warnke

 

 

Gruss Robert

.

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... die Quantentheorie beweist die Existenz eines universellen Bewusstseins im Universum ...

 

Cool, denn ist das ja die erste Theorie, die etwas bewiesen hat.

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