John Archibald Wheeler 1911 – 2008
Peter Aufmuth Albert-Einstein-Institut Institut für Gravitationsphysik Leibniz Universität Hannover 9. Juli 2008 Kollegen über Wheeler
Max Tegmark Die Geschichte wird JAW als einen Einige seiner Konzepte der überragenden sind so radikal, daß man Geister des 20. ihnen nicht gerecht wird, Jahrhunderts wenn man sie beurteilen. „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 Arbeit mit Gegory Breit, NYU 1934 – 35 Arbeit mit Bohr, Kopenhagen 1935 – 38 Assistent Prof., UNC 1937 – 38 Arbeit mit Edward Teller 1938 – 39 Arbeit mit Willis Lamb 1945 Gründer & Direktor des Cosmic Ray Lab, Princeton 1952 – 55 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. Benson, Vt. 2006 Leben & Werk Wheeler als Lehrer
Warum hat eine Universität Studenten ? Aber um von den Damit die Professoren Studenten zu lernen, etwas 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
trix Stellarator Ma S- Schwarzes Loch Leben & Werk Wheelers Sprüche
Wheelers 1. moralisches Prinzip: Wheelers Ratschlag für Autoren: Führe nie eine Berechnung durch, Vereinfache! Vereinfache! bevor Du nicht die Antwort weißt. Vereinfache!
Ein Tag ohne neue Wahrheit ist erst dann Wahrheit, Erkenntnis ist ein wenn sie bekannt wird. verlorener Tag. Wir werden erst dann verstehen, Wenn man etwas wie einfach das Neues macht, ist man Universum ist, notwendigerweise wenn wir ein Amateur. 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 Charles W. Misner, Dauerleiden und brachte Kip S. Thorne, JAW mir manchen Ärger mit Gravitation (1973) Herausgebern ein. 1279 S.
(Zettels Traum der Physik) Leben & Werk Wheelers Bücher
1962 Geometrodynamics (Aufsätze) 1964 Gravitation Theory and Gravitational Collapse 1966 Spacetime Physics 1966 Einstein’s Vision (dt. Einsteins Vision) 1973 Gravitation 1974 Black Holes, Gravitational Waves and Cosmology 1990 A Journey into Gravity and Spacetime (dt. Gravitation und Raumzeit) 1994 At Home in the Universe (Aufsätze) 1995 Gravitation and Inertia 1998 Geons, Black Holes and Quantum Foam (Autobiographie) 2000 Exploring Black Holes
DAS ZIEL: Edwin F. Taylor Alle Macht dem Leser ! J.A.W. Leben & Werk Wheeler als Forscher
Grundfrage: 1934 – 1954: Elementarteilchen (Elektron, Photon) 1954 – 1974: Was ist der fundamentale Felder – Geometrie (Raumzeit) Baustoff des Universums ? Seit 1974: Information (Quantenphänomene) Wheelers Prinzipien:
Alles bis zur letzten Konsequenz durchdenken.
Einfachheit als Kriterium der Wahrheit. Teilchen- physik Bohr & Wheeler
JAW 1934 an Bord eines Edward Teller, Gregory Breit, Dampfers nach Kopenhagen 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) Teilchen- physik Polyelektronen
Positronium und JAWs Notizbuch 1935 Myonen-Atom
Eine Welt nur aus Elektronen = Elektron/Positron- Paare
1946 Teilchen- physik Wheeler & Feynman
Doktorand 1939 – 1942 (Nächtlicher Anruf von Alle Elektronen und alle JAW) Positronen habe die gleiche Ladung und die gleiche Masse, weil es sich um das gleiche Teilchen handelt ! Richard P. Feynman (1918 – 1988)
Ein Positron ist ein Elektron, das in der Zeit rückwärts läuft. → Feynman-Diagramme Teilchen- physik Strahlungsdämpfung
Problem: Feldstärke unendlich Man muß sowohl die in der Nähe einer Punktladung retardierten als auch die avancierten Lösungen der Läßt sich die Maxwell-Gleichungen elektromagnetische berücksichtigen ! Wechselwirkung als Fernwirkung Feynman & Wheeler darstellen ? 1945, 1949
Elektrodynamik Zukunft ↓ ohne Felder ? • ↑ Vergangenheit Teilchen- physik WW Absorber – Emitter
Mathematisch konsistente komplementäre Darstellung ! - Kein elektromagnetisches Feld - Keine Selbst-WW der Ladung → ← - Symmetrie zwischen Vergangenheit und Zukunft S • • A
Viele Teilchen (~ 1078): Die Einbahnstraße der Zeit Ohne Absorber kein Strahler ist ein statistischer Effekt
Gäbe es nur ganz wenig Materie im Universum, würde die Zukunft die Vergangenheit beeinflussen. Teilchen- physik Kommentar
Einige Leute glauben, Wheeler sei im späteren Leben übergeschnappt – aber das war er schon immer. Feynman
Typisch für Wheelers Denken:
Fernwirkungstheorie Aufgabe der Kausalität Zukunft → Vergangenheit Teilchen- physik 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 p gerade Z²/A n ungerade
SEPTEMBER 1, 1939 PHYSICAL REVIEW VOLUME 56 235U 238U Beginn The Mechanism of Nuclear Fission 239Pu WW II NIELS BOHR AND JOHN ARCHIBALD WHEELER Teilchen- physik Kettenreaktion
Einsicht: Kettenreaktion möglich (Zeldovich 1939) → Reaktor oder Bombe
Brennstoff: 235U oder 239 Pu
235U – muß von 238U getrennt werden (Zentrifuge)
239Pu – muß in einem Reaktor hergestellt werden Brief an Roosevelt 2. 8. 1939 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, ... Teilchen- physik 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 135 durch Xe(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 Teilchen- physik Wheelers Motiv
Den Krieg beenden, um Soldaten Hätten wir die Bombe ein und Zivilisten zu retten. Jahr eher gehabt, so hätten wir 15 Millionen Wheelers erstes Buch Menschen retten können, „Geometrodynamics“ darunter meinen Bruder trägt die Widmung: Joe. 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. Teilchen- physik Quantenelektrodynamik Shelter Island Conference 1947 = Geburtsstunde der QED
Willis Lamb, JAW, Abraham Pais, Richard Feynman, Hermann Feshbach, Julian Schwinger Teilchen- physik „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 Loyalität zum strategischen Staat – nationale Gleichgewichts Aufgabe
Enrico Fermi Award 1968 JAW mit Vater, Präsident, Sohn & Enkel Geometro- dynamik Nach der Bombe
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 John A. Wheeler 1998 in Studenten in meinem Kurs ein seiner Autobiographie: […]. Geometro- dynamik 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 Geometro- dynamik Das Schicksal der Sterne
Was ist der Endzustand 58 eines Systems von A Baryonen, z.B. A ~ 10 wenn A sehr groß ist ? ~ 15 M~
r = 107 km r = 10 km Kompressbilität
log p Strahlungsdruck Entartungsdruck
Dichte Harrison-Wheeler-Gleichung Geometro- dynamik 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) Geometro- dynamik 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) Geometro- dynamik 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 Geometro- dynamik Die Seinsfrage
Princeton 1971: „Magic without Magic“
Warum existiert überhaupt Etwas und nicht vielmehr Nichts ? G. W. Leibniz (1646 – 1716) Geometro- dynamik Das Cartansche Prinzip
Der Rand eines Randes verschwindet: ∂∂ = 0 Um Alles aus Nichts abzuleiten, genügt ein einziges Prinzip.
Élie Cartan ∂(n-dim. orientierte differen- (1869 – 1951) zierbare Mannigfaltigkeit M) = Summe Σ ihrer Hyperflächen. ∂(Σ) = Summe der Kanten = 0 Geometro- dynamik Geometrisierung !
Dieses rein geometrische Prinzip bestimmt (zusammen mit dem Stokesschen Satz) Form und Erhaltungssätze aller Feldtheorien: Elektrodynamik Geometrodynamik Chromodynamik.
ddθ = dθ = θ = 0 ∫M ∫∂ M ∫∂∂ M =0 d *J = 0 d *G = 0 d *T = 0 Programm: Geometrisierung der Physik ! Geometro- dynamik Raum und Materie
Die Unterscheidung zwischen Die Änderung in der dem Raum und anderen Krümmung des Raums dreidimensionalen Größen ist ist das, was wir die nur durch Erfahrung möglich. Bewegung der Materie nennen.
1854 1870
Bernard Riemann William Clifford (1826 – 1866) (1845 – 1879) Geometro- dynamik Alles ist Nichts
Können wir den Materiebegriff nicht einfach fallenlassen und eine reine Feldphysik entwickeln ?
E = mc2
Der Raum ist das Feld.
Die Materie ist nur eine Albert Einstein Anregung des leeren (1879 – 1955) gekrümmten Raumes. Geometro- dynamik Leerer gekrümmter Raum
Geometrisches Modell Geometrisches Modell der Masse: „Geon“ der Ladung:
El.-magn. Wellen und GW, Feldlinien, die in einem die durch die eigene Wurmloch gefangen sind Gravitation zusammenhalten
Masse ohne Masse Ladung ohne Ladung Geometro- dynamik 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 → Tik → Geometrie G F f = F T ⊕ f ik ik c2 ik ik ik Geometro- dynamik Quantenschaum
Auf dem Niveau der –35 Planck-Länge LP = 10 m kommt es zu Quantenfluktuationen der Geometrie.
Raum und Zeit lösen sich auf
→ Keine Kausalität ! → Keine Raumzeit-Punkte ! → Keine Geometrie ! Geometro- dynamik Machsches Prinzip
Die fernen Massen beeinflussen Die Masse dort die Trägheit im Sonnensystem. bestimmt die Trägheit hier.
Mach
Das Machsche Prinzip liefert die Randbedingungen für die Lösung der Einstein-Gleichung (→ räumlich geschlossenes Universum) Geometro- dynamik 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 ! Geometro- dynamik 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) Geometro- dynamik Wheeler-DeWitt-Gleichung
⎡ ∇2 ⎤ ⎢− + (3)R⎥ Ψ((3) ) = 0 (3) 2 G ⎣⎢ ()δ G ⎦⎥
„Einstein-Schrödinger-Gleichung“
ˆ H | Ψuniv 〉 = 0
Wellenfunktion des Universums
Der Übergang zwischen den 3-Geometrien definiert eine Funktion t(x,y,z) = Zeit
(3G) → (3)G + δ(3)G t(x, y, z) → t(x, y, z) + δt(x, y, z) Geometro- dynamik Probleme der QGMD
Kein Platz für Spin ½-Teilchen Kein Platz für Neutrinos Diskontinuierliche Topologie Unvermeidliche Singularitäten 1970 Zahl der Freiheitsgrade: ∞ Problem der Zeit
Ich löse lieber erstmal die Probleme der Quantentheorie ! Quanten- phänomene 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 JAW: „sum over histories“ (1918 – 1988) Ich kann immer noch nicht Glauben Sie nicht, glauben, daß der liebe Gott daß man diese würfelt. Aber ich habe das Theorie akzeptieren Recht erworben, meine kann ? eigenen Fehler zu machen.
JAW Quanten- phänomene „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
Problem der QM: Kollaps der Wellenfunktion Lösung: Alle Möglichkeiten werden verwirklicht ! Hugh Everett III Aber: Jede in ihrem eigenen Universum. (1930 – 1982)
Everetts Deutung vermeidet den Gegen- satz „Quantenwelt“ – „klassische Welt“. Es gibt nur Quantensysteme, und der Beobachter ist ein Teil davon. Quanten- phänomene Realität ?!
Kern der Was ist Realität ? Bohr-Einstein- Welche Rolle spielt Ist der Mond da, Debatte der Beobachter ? wenn keiner hinguckt ? Es muß eine den Erscheinungen zugrunde liegende Es gibt keine Realität wird erst reale Welt geben. tiefere Realität ! durch Beobachtung erschaffen.
Einstein und Bohr JAW Quanten- phänomene 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 ? Quanten- phänomene „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 Quanten- Experiment mit phänomene nachträglicher Wahl 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 Die Wahl erfolgt durch einen dieser Wahl erfolgt. Zufallszahlengenerator. Quanten- phänomene 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 Quanten- Selbstschöpfung des phänomene Universums ?
Ein elementarer Quantenprozeß erschafft die Vergangenheit
Schöpfung durch Beobachtung
Das Universum – ein Schwingkreis mit Selbsterregung ? Quanten- phänomene „It from bit“
Keine Frage ? Keine Antwort ! 1 k S = B A 4 hG Die Welt ist aufgebaut aus Ja/Nein-Entscheidungen und ihrer Registrierung. J.D. Bekenstein (1972): Der Ursprung von Allem Die Fläche des Horizonts eines liegt in der Information. Schwarzen Lochs ist ein Maß für dessen Entropie X → Photon → Detektor = der im Schwarzen Loch ent- → Zähler → „Klick“ = 1 Bit haltenen Information.
Besteht die Welt aus Information ? Quanten- phänomene Ewige Gesetze ?
Alle physikalischen Gesetze Wenn Raum und Zeit im Big erfordern „Raum“ und „Zeit“ Bang entstanden sind und in der Singularität eines Hatte Gott eine Wahl Schwarzen Lochs wieder bei der Erschaffung verschwinden, dann kann es des Universums ? keine ewigen Gesetze geben.
Es gibt nur ein Gesetz: daß es kein Gesetz gibt.
Gesetz ohne Gesetz Quanten- phänomene Wandelbarkeit der Physik ?
Gibt es Evolution nur in der Biologie ? Oder Warum 3 + 1 entwickeln sich auch die Dimensionen ? physikalischen Gesetze und Warum nicht mehr ? Konstanten durch einen Prozeß der natürlichen Auslese ?
Wandelbarkeit Quanten- phänomene Letzte Fragen
How come How come the quantum ? existence ? Quanten- phänomene Letzte Frage Am 9. Januar 2001 hatte ich einen Herzanfall. Das ist ein Zeichen: Ich habe nur begrenzte Zeit. So werde ich Journal, 29. Januar 2002: mich auf eine Frage konzentrieren: Warum existiert Etwas ?
Kein Raum, keine Zeit, keine Gra- vitation, 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 ? Quanten- phänomene 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 ∂∂ = 0 wir einander fragen: „Wie konnte es anders sein?“
dF = 0 d*J = 0
d*G = 0 d*T = 0 John Archibald Wheeler
1911 – 2008