Sie erinnern sich wahrscheinlich an Elektronen aus dem naturwissenschaftlichen Unterricht. Sie sind stabile subatomare Teilchen, die eine negative elektrische Ladung haben. Sie kommen in Atomen vor und sind der primäre Träger von Elektrizität in festen Materialien. Aber, was Sie wahrscheinlich noch nicht gehört haben, ist die Idee, dass jedes Elektron existiert… ist eigentlich genau das gleiche Elektron.
Diese Theorie besagt, dass jedes Elektron im Universum tatsächlich ein Teilchen ist, das sich kontinuierlich durch die Zeit vorwärts und rückwärts bewegt. Es gibt eine Menge komplizierter Mathematik, aber es löst einige der größten unbeantwortbaren Fragen der Quantenphysik.
Die Theorie wurde zuerst von John Archibald Wheeler erfunden, einem theoretischen Physiker, der an der Wasserstoffbombe in Los Alamos arbeitete und später in Princeton lehrte. Er ist vor allem dafür bekannt, das Interesse an der Allgemeinen Relativitätstheorie in den 1940er und 1950er Jahren wiederzubeleben.
Wie viele Quantentheorien ist die Idee, dass jedes Elektron dasselbe Elektron ist, bekannt als die Ein-Elektronen-Theorie, eher ein Gedankenexperiment als eine Theorie.
Also lasst es uns aufschlüsseln.
Elektronen sehen alle gleich aus
Einer der Hauptgründe, warum dieses Gedankenexperiment von Wheeler vorgeschlagen wurde, ist, dass jedes Elektron genau gleich aussieht. Sie haben alle die gleiche Masse und die gleiche elektrische Ladung.
Dies bedeutet letztendlich, dass es unmöglich ist, Elektronen überhaupt voneinander zu unterscheiden. Es ist also nicht verwunderlich, dass Wheeler die Idee hatte, dass, wenn alle Elektronen gleich aussehen und sich gleich verhalten, sie vielleicht dasselbe Elektron sind.
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Der Vorschlag, dass das gesamte Universum nur ein Elektron enthält, mag nicht so absurd erscheinen, wenn wir bedenken, dass die einzige Änderung die Idee wäre, was ein Elektron ist. In der Praxis würde immer noch alles gleich funktionieren.
Nach der Ein-Elektronen-Theorie könnte das Elektron, genauso wie ein Elektron im Raum herumgesprungen werden kann, wenn es mit Licht getroffen wird, auch in der Lage sein, in der Zeit rückwärts zu springen. Dies hat zur Folge, dass Elektronen, die sich zeitlich rückwärts bewegen, Positronen sind, die Antimateriekomponente von Elektronen. So sind nicht nur alle Elektronen das gleiche Elektron, sondern alle Positronen sind auch das gleiche Elektron, das sich rückwärts bewegt.
Als Professor unterrichtete Wheeler den inzwischen berühmten Physiker Richard Feynman, als er Doktorand war. Feynman brachte Wheelers Theorie berühmt zur Sprache, als er 1965 seinen Nobelpreis entgegennahm. Hier ist, was Feynman sagte:
Ich erhielt eines Tages am Graduiertenkolleg in Princeton einen Anruf von Professor Wheeler, in dem er sagte: „Feynman, ich weiß, warum alle Elektronen die gleiche Ladung und die gleiche Masse haben.“ „Warum?“Weil sie alle das gleiche Elektron sind!“ Und dann erklärte er am Telefon: „Nehmen wir an, dass die Weltlinien, die wir normalerweise vorher in Zeit und Raum betrachteten, anstatt nur in der Zeit aufzusteigen, ein gewaltiger Knoten waren, und dann, wenn wir den Knoten durchschneiden, durch die Ebene, die einer festen Zeit entspricht, würden wir viele, viele Weltlinien sehen und das würde viele Elektronen darstellen, mit Ausnahme einer Sache. Wenn dies in einem Abschnitt eine gewöhnliche Elektronenweltlinie ist, haben wir in dem Abschnitt, in dem sie sich umkehrt und aus der Zukunft zurückkehrt, das falsche Vorzeichen zur richtigen Zeit – zu den richtigen vier Geschwindigkeiten – und das entspricht einer Änderung des Vorzeichens der Ladung, und daher würde sich dieser Teil eines Pfades wie ein Positron verhalten.“
Für viele Physiker schien das, was Wheeler vorschlug, wirklich nicht so absurd. Physiker arbeiteten bereits mit der Idee von Elektronen und Positronen, Wheeler schlug nur einen Weg vor, jeden einzelnen existierenden gleichzeitig zu verbinden, um zu erklären, warum niemand den Unterschied zwischen ihnen erkennen konnte.
Wie würde diese Theorie eigentlich aussehen?
Es wird geschätzt, dass es im Universum etwa 10 bis 80 Atome gibt. Wenn wir die Tatsache ignorieren, dass viele Atome mehr als ein Elektron haben, können wir die Anzahl der Elektronen im Universum als etwa 10 auf die Potenz von 80 vereinfachen.
Obwohl Elektronen für theoretische Zwecke als stabil behandelt werden, wird die experimentelle Untergrenze für die mittlere Lebensdauer des Elektrons oft mit 6,6 × 1028 Jahren angegeben. Damit können wir eine Vorstellung davon bekommen, wie diese Theorie tatsächlich abläuft.
Die Theorie und diese Zahlen implizieren, dass das eine existierende Elektron 1080 Mal durch das Universum gereist ist, wobei jedes Mal 460 Trillionen Jahre benötigt wurden. Wir können diese Zahlen für jedes Mal verdoppeln, wenn das Elektron durch die Zeit zurückgehen musste, was bedeutet, dass das eine Elektron in der Ein-Elektronen-Theorie 10105 Jahre alt ist.
Der Datenfehler in der Theorie
All dies ist ziemlich interessant zu betrachten, aber es gibt ein Problem an der Wurzel dieses Gedankenexperiments.
Wenn sich ein einzelnes Elektron als Elektron vorwärts durch die Zeit und als Positron rückwärts durch die Zeit bewegt, würde dies bedeuten, dass es zu einem bestimmten Zeitpunkt die gleiche Anzahl von Positronen geben sollte wie Elektronen.
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Wir wissen, dass dies nicht wahr ist, und da dies der Fall ist, können wir mit großer Zuversicht ableiten, dass die Ein-Elektronen-Theorie nicht halten kann.
Es ist wahrscheinlich, dass Wheeler wusste, dass dies die ganze Zeit der Fall war. In seinen Memoiren schreibt er:
„Ich wusste natürlich, dass es zumindest in unserer Ecke des Universums viel mehr Elektronen als Positronen gibt, aber ich fand es immer noch eine aufregende Idee, an Trajektorien in der Raumzeit zu denken, die uneingeschränkt in jede Richtung gehen können — vorwärts in der Zeit, rückwärts in der Zeit, auf, ab, links oder rechts.“
Wheeler war sich fast sicher, dass sein Gedankenexperiment keine Reflexion der tatsächlichen Quantenrealität war, aber er bemerkte, dass die Idee, dass es nicht die gleiche Anzahl von Positronen wie Elektronen gibt, nur für unser beobachtbares Universum gilt. Es ist möglich, dass dies für die Gesamtsumme des Universums nicht der Fall ist.
Am Ende des Tages ist die Ein-Elektronen-Theorie ein ziemlich interessantes Gedankenexperiment, über das man nachdenken sollte, auch wenn Physik nicht dein Jam ist. Zu denken, dass es theoretisch möglich ist, obwohl höchst unwahrscheinlich, dass ein Teilchen, das überall im Universum existiert, tatsächlich dasselbe Teilchen ist, das durch die Zeit reist – nun, das ist ziemlich cool.