»Ich mache nie Voraussagen und werde das auch niemals tun.« Paul Gascoigne, englischer Kicker

Zur Zukunft der Kosmologie: Das Urknall-Modell ist quasi als wissen­schaft­liche Version der Schöpfungs­geschichte vom Vatikan abgesegnet – einer der Gründe, warum man es nicht schon längst verworfen hat. Betrachtungen zum menschlichen Kenntnis­stand nebst Spekulationen über dessen Zukunft …

 

Zur Zukunft der Kosmologie

Babylon-IMit dem Erleuchter »Babylon I«, der in nahezu identischer Bauart bereits bei den frühesten Vorläufern der Illuminaten in Verwendung war, lässt sich schon sehr gut das ganze Universum in seiner Vier­dimensionalität sehen.

Viele Kontroversen um das sogenannte Standard-Modell entstanden dadurch, dass die englische Sprache oft weit weniger exakt ist als die deutsche (u.a. weit mehr Verkürzungen zulässt), und man hierzulande geneigt ist, 1:1 übernommene und teils falsch übersetzte Begriffe kleinlich-exakt zu verstehen. Wenn wir den Begriff ›dark matter‹ nicht wörtlich über­setzen, sondern korrekt von einer ›Gravitations-Wirkung unge­klärter Herkunft‹ sprechen, wird das Thema schon besser verdaulich …

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Kosmologie ab 1900

Zur Beständigkeit von Weltbild und Kenntnisstand: Einem gewissen Max Planck riet die Studienberatung vom Fach »Physik« ab, da dies eine annähernd vollständig erklärte Wissenschaft sei, die als solche kurz vor ihrem natürlichen Exitus stehe. Er hielt sich nicht an die Empfehlung und revolutionierte 25 Jahre später das physikalische Weltbild grundlegend – durch eine kleine Idee, wie man ein Paradoxon (fehlender UV-Anteil im Spektrum glühender Materie) mathematisch richtig beschreiben konnte.

Update gefällig?

Dass unser kosmologisches Standardmodell ein Update braucht, kann man vielen Veröffentlichungen über neue Forschungsergebnisse entnehmen, z.B. bei Spiegel Online¹ (Top Ten der Forschung – Entdeckungen des Jahres 2003):

»Angefangen hat alles 1998: Damals mussten Astronomen, als sie sterbende Sterne beobachteten, zu ihrem Erstaunen feststellen, dass sich das Universum mit immer höherer Geschwindigkeit ausdehnt. Nach den Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie müsste dieses Tempo aber kontinuierlich abnehmen. … [So] berechneten die WMAP-Forscher, dass sich das Universum nur zu vier Prozent aus bekannter Materie zusammensetzt … 23 Prozent macht dagegen die dunkle Materie aus, über deren Struktur die Forscher nach wie vor grübeln. Der größte Teil, 73 Prozent, existiert in Form dunkler Energie. Die unbekannte Energieform ist für die herrschenden Kräfteverhältnisse im Universum verantwortlich.«

Es wird ganz neue Physikbücher geben, vielleicht schon bald.

Im frühen 20. Jahrhundert war man überzeugt, dass die Galaxis (deren Ausdehnung man mit der Entstehung durch eine explodierende Urform erklärte) und das Universum identisch seien – bis Hubble (der Astronom, nicht das nach ihm benannte Teleskop) im Jahr 1922 Objekte außerhalb der Milchstraße (den Andromeda-Nebel) nachweisen konnte. Daraufhin erweiterte man die Urknall-Hypothese auf das ganze Universum (ca. 1930, Lemaître). Gegenwärtig brauchen wir unvorstellbare Mengen (je nach Berechnung <= 97%) an dunkler (unsichtbarer und nicht direkt nachgewiesener) Materie und Energie, um dieses Modell am Leben zu erhalten. Das kann ein Indiz sein, dass wir kurz vor der nächsten Revolution unseres Wissens stehen. Machen wir uns also ein paar Gedanken, was da kommen mag …

Kosmologie in der Schule

»Wollen wir jetzt mal auf die Schnelle die Welt erklären. Also: Wir leben in einer vierdimensionalen Dings. Länge, Breite, Höhe und, so sagt der Physiklehrer, Zeit. Punkt. Und angefangen hat alles mit einem Mords-»Bumm«. Seither driftet alles gleichförmig auseinander und kühlt ab. Materie klumpt zusammen wie Mehl in der Brennsuppe und bildet Sonne, Mond und Sterne. Ach ja, am Anfang gab es nur Wasserstoff (warum eigentlich? wenn doch alles so unendlich dicht war? aber wir sind ja in der Schule, fragen nicht), und aus dem sind nach und nach die schwereren Elemente entstanden. So wie die Sonne Helium aus Wasserstoff macht.

Schwere Elemente sind was irre Wichtiges, denn ohne Eisen hätten wir keine Eisenbahn, und ohne Uran keinen Atommüll: Was also sollten wir per Eisenbahn transportieren? Jo, und von dem »Bumm« und seinen Wahnsinns-Temperaturen sind jetzt noch -270°C oder 3 Kelvin übrig – ned viel. Und wenn die 3 Kelvin auch noch weggekühlt sind, erstarrt das Universum und ist kaputt. Krass.«

Warum mache ich mich über unser festgefügtes Weltbild lustig? Weil es lächerlich ist. Zu kurz gesprungen. Der Mensch meint, dass alles so ist, wie er es mit seinen Primaten-Sinnen wahrnimmt. Und er wähnt sich stets kurz vor der Erleuchtung. Nichts dagegen, wenn jemand sagt: »das ist unser derzeitiges Erklärungsmodell, von dem aus wir uns weiter entwickeln«. Leider ist diese Einstellung bei den Vertretern unserer Institutionen – besonders des akademischen Nachwuchses – nicht Standard.

Schleifen-Quantengravitation

Wir wissen nicht, ob die Schleifen-Quantengravitation (LQG, theory of loop quantum gravity) die Antwort auf unsere offenen Fragen bringt, aber möglich ist das. Zusammengefasst geht die Theorie davon aus, dass die Methoden der Allgemeinen Relativitätstheorie ab einer bestimmten Dichte des Universums (also in der Frühzeit nach dem postulierten Urknall) nicht mehr exakt genug sind und hier Quanteneffekte zu berücksichtigen sind. An der Pennsylvania State University haben Forscher ein entsprechendes Modell aufgestellt und durchgerechnet. Die Folge: Es gibt eine Grenze der Komprimierbarkeit von Materie, Raum und Zeit. Rechnet man über diese Grenze zurück, wird das Universum wieder größer. Die »Schöpfung« hat nach diesem Modell jedenfalls nicht in Form eines »Big Bang« stattgefunden.

Abhay Ashtekar, Direktor des Institutes für Gravitationsphysik und Geometrie: »Statt eines Urknalls sahen wir so etwas wie eine Quantenabstoßung, also einen Big Bounce statt eines Big Bang.« Mehr dazu bei Astronews, 16.5.2006, Die Zeit vor dem Urknall¹

Martin Bojowald, ein deutscher Forscher an diesem Institut, hat darüber ein Buch geschrieben, das sich an den interessierten Laien wendet: »Zurück vor den Urknall: Die ganze Geschichte des Universums« – »… mit verblüffenden Erkenntnissen über eine aufregend unbekannte Welt mit negativer Zeit, 'umgestülpten Raumverhältnissen' und einem Kosmos, der sich zusammenzieht, um nach dem 'Big Bang' zu expandieren.;« Link: Spiegel, 30.03.2009, Eine Zeit vor unserer Welt¹

Es bleibt auf jeden Fall interessant, kosmologische Artikel zu lesen – nichts ist langweiliger als beantwortete Fragen …

 

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Dimensionen

Länge, Breite, Höhe, Zeit. Schön. Das ganze bemaßt in Metern und Sekunden. Und jeder Zahlenwert ist dabei möglich. Stetig nennt man das. Ein Raum-Zeit-Kontinuum. Prima. So weit, so gut, alles halbwegs anschaulich.

Löcher im Käse

Nun kommt ein schweizer Patent-Sachbearbeiter daher und behauptet, dass es im Universum seltsame Teile gibt, in denen die Materie unendlich dicht wird, so dass die Gesetze des sonstigen Universums dort nicht anwendbar sind, und die als Unstetigkeitsstellen in unserer Raumzeit zu betrachten sind. Schwarze Löcher. Und entdeckt hat man die Dinger auch noch. Mist. Es gibt sie. Zwar lacht der Physik-Assi noch und sagt, »Niemand hat die Absicht, ein Kontinuum zu definieren!«, aber mit diesen Löchern in der Raumzeit war für die klassische Kosmologie etwas schlimmeres passiert als wenn der Papst Moslem würde.

Die Existenz Schwarzer Löcher in diesem, naja, eben-nicht-Kontinuum erlaubt zudem die Existenz anderer Unstetigkeitsstellen, z.B. die oft postulierten und in der SF gerne zitierten Wurmlöcher (spontane Verbindungen zwischen zwei Raumpunkten via Superraum / Hyperraum). Ob die Dinger allerdings dazu taugen, mit einem großen Raumschiff durchzuschippern, lässt sich nicht voraussagen. Aber die Möglichkeit bleibt … in der Literatur allemal.

Einfache Topologie

Natürlich kann uns unsere Anschauung bei dieser Überlegung einen Streich spielen – aber das soll uns im Moment egal sein, denn wir wollen ja selbst nachdenken, den Job nicht allein den Institutionen überlassen. Wer weiter kommen will – intelligence increase – darf sich nicht vor Fehlern fürchten!

3dZurück zu diesem Schweizer. Anstatt dass er es bei diesem einen Piratenakt gegen die heile Welt der Wissenschaft bewenden ließe – »da chkchänned Sie d Schwyzchrch iid«, sagt der, dass Materie den Raum krümmt. Und kann das auch noch beweisen.

Bild links: Stellen wir uns ein Stück geraden Draht vor, als eindimensionales Gebilde, das sich mit einer Längenangabe schon recht eindeutig beschreiben lässt. Biege ich daraus eine Büroklammer, habe ich bereits ein 2-dimensionales Objekt. Lege ich diese auf den Tisch und biege ein Ende nach oben ab, dann habe ich ein 3-dimensionales Objekt (nun, auf dem 2-dimensionalen Bildschirm ist das nicht ganz so gut zu erkennen, aber man kann es sich vorstellen). Also: Aus einem eindimensionalen Objekt wird durch Krümmen nach zwei verschiedenen Richtungen (Dimensionen) ein dreidimensionales.

Der Schweizer sagt also, dass Materie den umgebenden Raum krümmt (wir rechnen nach: um etwas Dreidimensionales nach drei Dimensionen zu krümmen, brauchen wir deren sechs). Nach der Logik unseres Draht-Beispiels entsteht also ein sechsdimensionales Gebilde (nicht etwa ein 4-dimensionales, wie Käseblätter das gerne darstellen). Wir brauchen einen Superraum mit sechs räumlichen Dimensionen, damit der durch Materie gekrümmte dreidimensionale Raum »reinpasst«.

Fortsetzung unten: »verzwickte Topologie«

Schwerkraft ohne Kraftstoff

Und jetzt wirds gravierend: Es geht um Gravitation. Schwerkraft. Wie wir wissen, braucht Kraft Energie. Wenn die Energie aufgebraucht ist, ist die Kraft auch weg. Kennen wir vom Kraftwagen und seinem teuren Kraftstoff.

Nun sagt da jemand, »Und der Magnet? Ein Dauermagnet braucht keine Batterie!«. Stimmt. Allerdings ist die Magnetkraft eine sekundäre Wirkung der molekularen Bewegungen im Material. Die Wärme eines Körpers bedingt diese Bewegungen, und ihnen entspringt u.A. der Magnetismus. In einem Dauermagneten sind diese Bewegungen gleich ausgerichtet, deswegen spüren wir den Magnetismus außen. Laufen die Bewegungen ungeordnet ab, heben sie sich in ihrer Außenwirkung auf.

Wenn man einen Dauermagneten auf null Kelvin (-273°) abkühlt, hören diese Molekularbewegungen auf: man wird keine Magnetwirkung mehr feststellen. Nur die doofe Gravitation bleibt bestehen, auch wenn man Materie totkühlt. Sie ist also offensichtlich keine Kraft, die aus Energie gespeist wird, sondern ganz etwas Anderes.

Stutzig macht uns, wenn wir darüber nachdenken, dass Gravitation und Beschleunigung genau die gleiche Kraftwirkung ausübt. Sollte die Gravitation am Ende nur eine geometrische Wirkung der Raumkrümmung sein?

Verzwickte Topologie

Spinnen wir die Idee ruhig mal weiter, sehen uns die Maßeinheiten an und überlegen, was das geometrisch bedeutet: Bei Beschleunigung und Gravitation haben wir die Einheiten m/s² (Meter pro Sekunde im Quadrat) – das Quadrat lässt vermuten, dass wir es nicht, wie wir (bisher) wissen, mit einer, sondern mit zwei zeitlichen Dimensionen zu tun haben – eine Vermutung, die keineswegs richtig sein muss, wie eingangs schon gesagt.

Zusammen mit den oben postulierten sechs räumlichen Dimensionen ergibt das nun einen achtdimensionalen Superraum, der notwendig ist, damit unsere gekrümmte Raumzeit nebst Gravitation darin »Platz hat« (die »böse Acht« finden wir übrigens auch im chemischen Periodensystem der Elemente wieder … und in Learys acht »circuits« – das kann Zufall sein, aber das kann auch ein kosmisches Prinzip sein).

Nicht zuletzt hätte vieles in einem achtdimensionalen Universum Platz, was wir mit unserem vierdimensionalen Modell nicht erklären können: Unstetigkeitsstellen, die eigentlich weit entfernte Punkte des Raumes miteinander verbinden (s.o.), aber auch allerhand Esoterisches, all die »höheren Ebenen«.

Genau genommen müssen wir von mindestens acht Dimensionen reden, da wir sonst wieder den Fehler machen, nur das zuzulassen, was unsere Primatensinne wahrnehmen können und was darüber hinaus unser Primatenverstand erschließen kann!

Leider sind Superräume mit mindestens 8 Dimensionen etwas wenig anschaulich …

Schlussfolgerung

Ich will mit dem Szenario zeigen, wie schnell geringe Veränderungen an den Grundlagen unserer Erkenntnisse das ganze Weltbild über den Haufen werfen können – und werden, davon bin ich überzeugt. Die Welt dürfte insgesamt viel, viel komplizierter aufgebaut sein als wir das mit unserem Verstand jemals nachvollziehen können!

Übrigens bin ich mit derartigen Überlegungen keineswegs alleine:

 

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Noch mehr Spekulationen

Relativität, Gleichzeitigkeit, absolute Wahrheiten

Die Relativitätstheorie besagt, dass es eine Sache der Beobachtungsposition ist, ob zwei Dinge gleichzeitig ablaufen oder nicht. Sie tun das genau dann, wenn das Licht gleichzeitig beim Beobachter eintrifft. So weit, so gut. Doch was bedeutet das genau?

DreieckNehmen wir ein gleichschenkliges Dreieck mit den Eckpunkten A, B, C. Die Verbindungslinien sind also gleich lang, sagen wir, jeweils eine Lichtsekunde (also die Strecke, die das Licht, dessen Geschwindigkeit im luftleeren Raum stets gleich ist, in einer Sekunde zurück legt). C sei der Beobachter, der einen Lichtblitz aussendet, welcher dann sofort jeweils von A und B aus beantwortet wird. Also, ein Blitz zur Zeit t=0 geht von C aus. Bei t=1s kommt dieser jeweils bei A und B an, wird bei t=1s beantwortet. Beide Antworten kommen bei t=2s am Ort C an. Schön, für C haben also A und B gleichzeitig geantwortet.

Wie nehmen aber Beobachter auf A und B die Situation wahr? A empfängt den Blitz von C bei t=1, den eigenen auch bei t=1, den Blitz von B aber erst bei t=2. Logisch. Für A findet das Ereignis auf B somit später statt als das eigene. Umgekehrt ist das genauso: Für B findet der Lichtblitz auf A später statt als der auf B. Knifflig. Nein, anschaulich ist das gar nicht mehr. Es gibt keine einheitliche Betrachtung »gleichzeitiger« Ereignisse, ob uns das in den Kopf will oder nicht.

Daraus müssen wir leider folgern, dass das ganze Universum für A, B und C unterschiedlich aussieht.

Wir haben also Universum A, B und C, jedenfalls nach der jeweiligen Beobachtung. Alle drei sehen anders aus, aber es wirken die gleichen Kräfte, die es zusammen halten.

Unser Universum sieht also nicht so aus, wie wir es sehen. Liegt vielleicht hier die Fehlerquelle, die uns zu Hilfskonstruktionen und Mutmaßungen wie dunkle Materie, dunkle Energie und Äther veranlasst? Können wir das Universum tatsächlich erkennen und erklären, wenn wir nur ein individuelles Abbild des Ganzen sehen?

Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitation

WellenUnd jetzt wirds langsam kompliziert: Auch die Gravitation breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit, mit dem sogenannten Ereignishorizont, aus. Das hat man fotografiert anhand von Stoßwellen, die eine Supernova oder ein Pulsar aussendet (vgl. astronomisches Glossar von H. P. Jäger¹, Artikel bei physics central¹ und cosmic astronomy¹, letzterer mit vielen Bildern, rechts ein Beispiel). Auch kleinräumigere Effekte lassen auf das Ausbreitungsverhalten der Gravitation schließen (vgl. New Scientist¹ »First speed of gravity measurement revealed«, 7.1.2003).

Was bedeutet das? Wir spüren nur die Gravitation von Dingen, die wir auch sehen können. Ereignisse, deren Lichtsignale noch nicht bei uns sind, spüren wir nicht, auch nicht deren Gravitation, in diesem »Woanders«, das wir noch nicht sehen, findet also die Zukunft für uns statt, für einen näher gelegenen Beobachter ist unsere Zukunft bereits Gegenwart oder Vergangenheit.

Beispiel Supernova: Der Stern explodiert, seine Masse ist nicht mehr an einem Punkt angeordnet, sondern hat sich teils in Energie umgewandelt und fliegt teils in kleinen Bruchstücken davon. Mit diesem Ereignis ändert sich die Raumkrümmung also entscheidend. Das Un-Anschauliche dabei ist, dass wir von dieser Veränderung des Raumes noch nichts spüren, weil das Licht der Explosion noch nicht bei uns ist, aber für einen weniger weit von der Nova befindlichen Beobachter hat die Raum-Veränderung schon längst statt gefunden. Klingt kurios, ist aber bewiesen.

Auch daraus folgt, dass das Universum keinen »Ist-Zustand« hat, sondern für jeden Beobachter signifikant anders aussehen kann.

Sterne und Galaxien bewegen sich folglich nicht nach den Kräften und der Raumkrümmung, die wir dort sehen, sondern nach dem, was sie selbst in ihrem eigenen, relativen »Jetzt« sehen.

Schwarzes Loch

Wenn die Schwerkraftwirkung dem Licht bsz. dem Ereignishorizont folgt – die gerade vorgetragene Darlegung lässt darauf schließen –, dann kann einem Schwarzen Loch überhaupt keine Schwerkraft entweichen. Die Ansammlung von Material um ein solches Gebilde stammte dann aus der Zeit, bevor es ein Schwarzes Loch wurde und in seinem singularen Ereignishorizont verschwand. Die Gravitation dieser umgebenden Materie wirkt dann auf die Umgebung – nicht aber die des SL selbst.

Noch schlimmer: Die Erkenntnis, dass sich die Auswirkung der Gravitation ausbreitet wie das Licht, legt nahe, dass jeder Körper dort gravitativ wirkt, wo wir ihn sehen, nicht dort, wo wir ihn kartographieren (sofern sich die Positionen unterscheiden): Wenn die Venus hinter der Sonne verschwindet, können wir den Effekt beobachten, dass ihr Licht von der Sonne abgelenkt wird, wir sehen die Venus noch neben der Sonne, wenn sie »in Wirklichkeit« schon dahinter verschwunden ist. All das müssen wir berücksichtigen, wenn wir das Universum nachrechnen wollen, und das ist, mit einem Wort, uferlos.

Wenn wir Pech haben, werden wir vielleicht feststellen, dass es aufgrund dieser Relativität des »Ist-Zustandes« überhaupt nicht möglich ist, das Universum zu beschreiben. Womöglich handelt es sich um einen so komplizierten dynamischen Prozess, dass wir ihn in unserer Primaten-Denkweise gar nicht erfassen können.

Wir sehen von unserem Standpunkt aus, dass die (für unsere Beobachtung) vorhandene Materie im Universum nicht ausreicht, um die stabilen Bewegungsvorgänge (Rotationsverhalten etc.) verursachen zu können. Wir rätseln u.A., ob es »dunkle Materie« und »dunkle Energie« mit sehr seltsamen Eigenschaften gibt.

Aber genauso, wie vor etwa 100 Jahren die Suche nach dem Äther, der keine Eigenschaften hat außer der, elektromagnetische Wellen zu transportieren, ein Holzweg war (die Lösung war verblüffend einfach: diese Wellen haben nach de Broiglie auch materielle Eigenschaften und können deshalb wie ein Steinbrocken durch das Vakuum »fliegen«), mag auch unsere heutige Suche nach der »black matter« ein Holzweg sein. Vermutlich wird die Lösung furchtbar einfach klingen – lassen wir uns überraschen.

Ich spekuliere wie folgt: Die Materie und Energie, die dem Universum zu fehlen scheint, wird nicht durch misteriöse »Dunkle Materie« und »dunkle Energie« (seltsame Konstrukte, die wirken, aber doch unsichtbar sind – vgl. »Äther«) ausgeglichen, sondern durch etwas ganz anderes. Die Lösung liegt vielleicht bereits in der Schublade eines kleinen Patentsachbearbeiters, dessen lächerliche Privatforschungen die Institutionen der Wissenschaft nicht einmal zur Kenntnis nehmen.

Jedoch bin ich nicht der Einzige, der hier wild rumspekuliert: Richtige Wissenschaftler, also das, was so manch Laie oder auch Student gerne wäre, beschäftigen sich ebenfalls mit der Frage, ob ein Raum mit mehr als vier Dimensionen nicht Dinge wie dunkle Energie besser erklären kann – allerdings zu dem Preis, dass wir dann die Urknalltheorie vergessen müssen … Vgl. Beitrag »Once-bizarre concept of extra dimensions showing hints of scientific revolution« von Andrew Yee in sci.space.news vom 17.2.2003, Message-ID: <3E512951.77000F19@nova.astro.utoronto.ca>.

Am Ende ist die Raumausdehnung in nichts anderem begründet als das stetige Voranschreiten der Zeit … aber das führt jetzt zu weit ins Philosophische.

Ein Gutes hat unser mindestens achtdimensionales Super-Universum wenigstens: Es lässt Platz für »Abkürzungen« durch die für uns wahrnehmbaren Raumzeit zu, so dass trotz der Einschränkung, dass Materie niemals die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit 'c' erreichen (geschweige denn überschreiten) kann, interstellare Reisen plötzlich doch möglich werden. Für uns genauso wie für außerirdische Besucher.

Auch PSI-Phänomene wie Telepathie über große Entfernungen hinweg oder 'Erinnerungen' an Ereignisse, die lange vor der Lebenszeit des Mediums passiert sind, bekommen plötzlich die Chance auf physikalische Erklärbarkeit!

 

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Gravitation und Vril

Durch das Internet rattern seltsame Geschichten von UFOs, die nichts weiter seien als geheime Fluggeräte einer geheimen Organisation, die über einen geheimen Antigrav-Antrieb verfügen, der so geheim ist, dass die angeblichen physikalischen Grundlagen gleich an Ort und Stelle verbraten werden.

Natürlich ist das ausgemachter Schwachsinn, allerdings wird durch diese Geschichten eine ziemlich grauselige Übermenschen-Ideologie transportiert, so dass ich an dieser Stelle schon auf die angebliche »Vril«-Technologie eingehen werde:

Die Grundzüge der Theorie ist recht simpel. In jeder Formelsammlung lässt sich nachlesen, wie sich elektrische und magnetische Welle zueinander verhalten: Sie laufen in gleicher Amplitude (also: Wellenberg elektrisch ist auch Wellenberg magnetisch), aber senkrecht zueinander (was bedeutet, dass hier die beiden Eigenschaften wie zwei unterschiedliche Dimensionen gerechnet werden) entlang der Ausbreitungsrichtung. Also: Ein Wellenberg der elektrischen Komponente entspricht einem Wellenberg der magnetischen Komponente, die ihrerseits um 90 Grad gespiegelt ist, weil die elektrische Feldstärke eben in die eine Richtung eingezeichnet wird und die magnetische in eine andere.

Nun erinnern sich diese Buben daran, dass Materie und Energie gleichzusetzen ist, jedenfalls nach Einstein, dessen Werke sie ansonsten gerne als »jüdische Un-Wissenschaft« abtun. Nun, der Zweck scheint die Mittel zu rechtfertigen.

Genauso wie mit der elektrischen Kraft die magnetische einhergeht, wird also postuliert, geht mit der Masse die Gravitation einher. Sie zeichnen ein ähnlich aussehendes Schaubild, und soweit ist das jedenfalls nicht falsch (bekannt und experimentell reproduzierbar ist, dass sich großflächige Kondensatoren bewegen, wenn sie mit Hochspannung aufgeladen werden. Ob das nun an dem postulierten »Biefeld-Brown-Effekt« liegt oder nicht, kann anhand der teils widersprüchlichen Datenlage nicht entschieden werden).

Nach diesem bisher brauchbaren Ansatz kommt eine haarsträubende Behauptung: Wenn die elektrische und die magnetische Komponente einer EM-Strahlung »in Resonanz treten«, entstünde dadurch die gravitative Komponente der Masse, also die Schwerkraft. Nein, weiter begründen sie das nicht, wie das gehen soll. Aus gutem Grund:

Da die magnetische und elektrische Komponente stets im Gleichtakt laufen, also das Eine das Andere direkt bedingt, können überhaupt keine Resonanzeffekte auftreten. Resonanz gibt es nur dann, wenn sich z.B. Wellen aus unterschiedlichen Quellen (oder direkte und gespiegelte Welle) gegenseitig aufschaukeln, verstärken. Dabei addieren sich dann die Wellenberge, allerdings addieren sich immer nur die elektrischen Komponenten mit den elektrischen und die magnetischen mit den magnetischen. Dabei kann alles mögliche entstehen, aber keine Schwerkraft. Pech gehabt.

Wenn wir den UFO-Berichten glauben, dann stellt sich deren Flugverhalten so dar, als verfügten sie über künstliche Gravitation. Mag ja sein, nichts spricht dagegen. Wir haben eine solche Technologie nicht, aber sollte sie deswegen unmöglich sein? Nein.

Nur eines ist klar: so wie die Vril-Demagogen uns das weis machen wollen, kann die Geschichte nicht funktionieren. Vergessen wir den Schmarrn also auf der Stelle.

 

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Müdes Licht?

Machen wir uns nichts vor: Mit jeder Entdeckung im Bereich der ganz kleinen und ganz großen Dinge (also Quantenmechanik und Kosmologie) wird alles immer weniger anschaulich, immer verrückter:

wenn das universum werk eines schöpfer-gottes ist, sollte der mal dringend zur drogenberatung gehen

Man hat wirklich kaum eine Chance, das alles wirklich zu kapieren.

Rotverschiebung

Wir, d.h. ein paar teils damit berühmt gewordene Wissenschaftler, haben festgestellt, dass sich offenbar alle weit entfernten kosmischen Körper voneinander wegbewegen, und zwar um so schneller, je weiter sie entfernt sind.

Ursache für diese Anschauung ist die Rotverschiebung der markanten Spektrallinien im Licht entfernter Galaxien. Ähnlich wie beim akustischen Doppler-Effekt¹ werden die Lichtwellen niederfrequenter bzw. langwelliger. Die Lösung, die die Wissenschaft heute dafür hat, ist die, dass sich der Raum ausdehnt, paradoxerweise sogar beschleunigt ausdehnt.

Wir können uns natürlich damit abfinden, dass sich dieser Raum zumindest scheinbar ausdehnt. Soll er doch. Ansonsten kann man vielleicht darauf warten, dass die Wissenschaft irgendwann eine ›schönere‹ Kosmologie findet.

Nun gibt es Leute, die sich nicht abfinden können. Manche von ihnen versuchen, neue Erklärungen auszuarbeiten. Eine für die seltsame Rotverschiebung ist die These, dass das Licht eben Energie verliert, wenn es ein paar Milliarden Jahre lang unterwegs ist und daher langwelliger wird: ›müdes Licht‹.

Inzwischen wirklich gesichertes Wissen ist, dass für Photonen keine Zeit vergeht, sie altern nicht. Also ermüdet Licht nicht, geht nicht. — Trotzdem zerfallen Photonen bisweilen spontan; das spricht erst einmal gegen die gerade geäußerten Worte. Dennoch, die Quantenmechanik lehrt uns, dass es ganz normal ist, wenn gelegentlich Dinge passieren, die nicht sein dürfen. Deswegen altert Licht noch lange nicht, es verschwindet höchstens spontan in winzigen Anteilen – und das ist schon seltsam genug.

So ist also das mit dem gealterten Licht ein schöner Versuch, der allerdings mehr Probleme schafft als er löst, indem er Bekanntes aufgibt, um Unbekanntes zu erklären. So wird das wohl nicht funktionieren.

 

Die These mit dem alternden Licht ist demnach wohl vom Tisch, aber auch die der beschleunigten Ausdehnung des Raumes muss deswegen keinesfalls Bestand haben. Es wird einmal eine bessere geben, irgendwann.

 
 

 

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Hawking und Schwarze Löcher

Steven Hawking gilt als der bedeutendste Physiker unserer Zeit. Er hat einige der Grundfesten unserer Naturwissenschaft in Frage gestellt, viele neue Theorieansätze entwickelt. Und das trotz seiner Behinderung, die ihm ein einfaches Referat etwa so beschwerlich macht als würde unsereins die komplette Bibel am Stück verlesen.

Bisher war Hawking davon ausgegangen, dass Schwarze Löcher (vgl. oben, »Spekulationen«) eine absolute Singularität darstellen, d.h. dass sie dem restlichen Universum nie wieder preis geben, was sie einmal geschluckt haben. Lediglich am Rand, im Grenzbereich des Ereignishorizontes, können Energie, Materie und Informationen wieder nach draußen dringen (vgl. Unschärferelation).

Eines der Probleme dabei war, dass aus anderen physikalischen Gründen nicht möglich ist, dass sich irgendwo unendliche Energie ansammelt. Die verstrahlte Materie muss also »irgendwo hin«. Hawking hatte die Option erwogen, der Inhalt eines Schwarzen Loches könne sich in eine Art Paralleluniversum ergießen, also an völlig anderer Stelle außerhalb unseres Universums wieder frei werden. Das gefiel zwar uns SF-Fans, aber nicht den Wissenschaftlern – einschließlich Hawking selbst.

Am 21. Juli 2004 gab er nun ein Papier heraus auf der »International Conference on General Relativity and Gravitation« in Dublin, wonach diese Singularitäten keineswegs absolut, sondern vorübergehend sind – auch wenn es sich dabei um unvorstellbar lange Zeiträume handelt – und dass auch Schwarze Löcher irgendwann zerfallen und ihre Materie/Energie/Information wieder »zurück geben«.

Was bedeutet das nun für uns? Wir müssen uns mit der Idee anfreunden, dass auch diese Exoten nicht auf Ewigkeit existieren, und dass sie nicht das Universum in sich hinein saugen werden. Die begrenzte Lebenszeit erlaubt uns, zu akzeptieren, dass es eine sehr, sehr große Anzahl solcher Schwarzer Löcher geben kann.

Noch ist die Frage nicht gelöst,; ob es Außenwirkung eines solchen Gebildes gibt, einschließlich der gravitativen, oder ob der Ereignishorizont absolut ist.

Mag sein, dass wir dadurch der »Dunklen Materie/Energie« einen Schritt näher kommen (Existenz oder Nichtexistenz, ggf. Beschaffenheit), dass wir noch mehr Formen zeitweise exotischer Zustände der »normalen« Materie/Energie finden werden.

Insgesamt passt die Existenz von Singularitäten, also »Löchern im Käse« der Raumzeit, wesentlich besser zu den bisher belegten Modellen des Kosmos, wenn diese vorübergehenden Charakter haben.

Was wird nun aus den Vorstellungen, dass außerhalb unseres sichtbaren Universums »noch mehr« existiert? Hier ändert sich nichts. Wir brauchen nur eine Hilfskonstruktion weniger, um uns mit bekannten, aber rätselhaften stellaren Exoten abzufinden.

Mit anderen Worten: Schwarze Löcher sind nicht länger als (eventueller) Beleg für Welten außerhalb der unsrigen anzusehen, das ist alles. Ansonsten bleibt es dabei, dass wir über solche exotischen Welten nichts aussagen können – es ist genauso vermessen, zu behaupten, sie existierten nicht, wie zu behaupten, man könne über ihre Beschaffenheit etwas Genaues aussagen.

Ja, liebe Skeptiker: An der topologischen Problematik (vgl. oben, »Dimensionen«) dass jedenfalls nach unserem geometrischen Verständnis ein übergeordneter Raum notwendig ist, in dessen Dimensionen unsere Raumzeit sich entsprechend der Relativitätstheorie krümmen kann, ändert sich dadurch nichts.

Hawking war schon lange auf der Suche nach einer Regel für vermeintlich Irreguläres (die Schwarzen Löcher), und es scheint, als hätte er zumindest einen neuen Ansatz gefunden. Gut so.

 

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Probleme mit dem Urknall

Nochmal zurück zum »Bumm«, den Schwarzen Löchern und unserem Schweizer: Sobald die Massenansammlung eines entstehenden Schwarzen Lochs einen bestimmten Grenzwert erreicht (kann man ausrechnen), verbiegt die Gravitation dieser Materie den umgebenden Raum derart, dass sich der Raum komplett darum herumwickelt, so dass nichts mehr aus dieser 'Raumblase' entweichen kann. Ebenso bewirkt die große Masse, dass die Zeit dort »einfriert«, sich ganz bestimmt nicht mehr so verhält, wie wir das kennen. Es herrscht dort also eine völlig andere, exotische Physik.

Gleiches gilt natürlich für die Phase des Urknalls, in der die noch nicht weit genug expandierte Urmaterie eben diese kritische Dichte hatte. Das bedeutet, dass es »die ersten paar Minuten/Tage/sonstwas« eben keine Zeit gab, auch keinen Raum mit nach allen Seiten offenen Dimensionen, sondern etwas ganz anderes, über das wir keine Aussage treffen können. Die lineare Rückführung der beobachteten Expansion des Universums auf einen Urknall hin ist somit Unfug, jedenfalls ab dem genanntem kritischen Punkt.

Denken wir immer daran, wie unsere Logik funktioniert: Wir sehen, dass sich das Universum ausweitet. Sofort schließen wir auf einen bekannten Prozess, ausgelöst durch eine zentrale Explosion. Doch wir wissen das nicht wirklich. Jetzt stellt sich heraus, dass die Geschwindigkeit zu- statt abnimmt. Statt zu sagen: »gut, wir werden ein neues Modell finden müssen«, verteidigen die Anhänger ihr altes Modell bis aufs Messer, stellen alle Gegenredner als Spinner hin. Das ist ungefähr genauso sinnvoll wie der Versuch der Nazis, Einsteins Theorien zu ignorieren, nur weil er jüdischer Abstammung war. Lassen wir also lieber die Spinner so lange spinnen, bis sie eine bessere Lösung haben …

Doch die Urknalltheorie birgt noch mehr Probleme. Von Hawking angefangen, haben viele namhafte Wissenschaftler Fakten aufgezeigt, die unsere heilige Kuh, Verzeihung, unser gängiges kosmologisches Standardmodell zum Wackeln bringen. Hawking beispielsweise fordert in einem seiner Theorieentwürfe die Existenz von weit mehr Dimensionen als meine aus primitiver Geometrie abgeleiteten läppischen acht Stück. Auch Burkhard Heim, der leider gestorben ist, bevor er ein komplett neues Bild der Physik fertigstellen konnte, sah unsere erfahrbare Welt nur als winzigkleine Untermenge der eigentlichen Realität.

Mal ganz abgesehen davon, dass bei einer zentralen Ur-Explosion ein Zentrum erkennbar sein sollte, und ein »Außenrand«. Beides sehen wir nicht. Mit immer besseren Teleskopen sehen wir weiter ins All, und damit weiter zurück in der Zeit (liegt an der Lichtgeschwindigkeit, mit der das Sichtbare und das »Jetzt« zu uns transportiert wird), sehen immer eigenartigere Dinge, aber weder ein Zentrum noch einen Rand. Somit ist die Theorie einer zentralen Ur-Explosion zu einfach, mit einem Wort: insgesamt unbrauchbar.

Jetzt brechen unsere Freunde der Reinen und Wahren Wissenschaft™ mal wieder in Hohngelächter aus und sagen: »Ja, das liegt daran, dass unser Weltall eben unendlich (wenn auch nicht unbegrenzt) ist, so wie die Oberfläche einer Kugel oder die Innenfläche einer Hohlkugel. Nur eben in höheren Dimensionen gekrümmt.« – während sie an anderer Stelle die Existenz höherer Dimensionen als »Speku« (von: Spekulation, nicht: Spekulazius) abtun, ist die gleiche Speku an dieser Stelle gerade recht, um das (Speku-) Modell des Big Bang zu patchen (von: Patchwork, aus Flicken zusammengesetzte Decken mittelwestamerikanischer Farmersfrauen). Doch, betrachten wir das andersherum: Wenn wir von übergeordneten Dimensionen ausgehen, so müssen wir auch die Raumausdehnung, die wir sehen bzw. messen können, in einer mehrdimensionalen Topologie betrachten – und schon wird die Big-Bang-Theorie wieder zu stark vereinfachend. Ja, das Leben im n-dimensionalen Raum ist sehr schwer.

Und vergessen wir dabei nicht, dass das Universum aus Gründen der Relativitätstheorie für jeden Beobachter, an jedem Ort komplett unterschiedlich aussieht. Wir brauchen eben mal wieder eine grundlegend revolutionäre neue Theorie. Unsere alten Modelle aus Zeiten der optischen Astronomie sind ausgereizt.

 

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Dunkle Materie, dunkle Energie

Vorab muss man wissen, dass die englisch/amerikanische Sprache viel weiter bzw. ganz anders abstrahiert als die deutsche.

let it be dark
Angefangen hat das Drama mit einem neuen Instituts-Computer: Wissen­schaftler hatten die Idee, die Masse einer Galaxie aus den Einzelmassen ihrer Sterne berechnen zu lassen (was der neue Computer erstmals schaffte) – und stellten fest, dass die Keplerschen Gesetze nicht aufgingen; die Masse reichte nicht. Zudem rotieren die Außen-Regionen zu schnell und müssten nach der Theorie eigentlich davon­fliegen. Besonders stark sieht man das bei sehr großen scheiben­förmigen Galaxien.

Das ›Blöde‹ dabei war die Größenordnung: Im Falle eines Galaxien-Haufens schien über 100-mal mehr Gravitation zu wirken als materielle Masse zu sehen war. Scientists were not amused …

Als Ausweg rechnet man heute mit ›dunkler Materie‹, virtueller, jedenfalls nicht-atomarer Masse. Bis auf ein paar Probleme klappt das ganz gut, aber: die Suche nach dieser Materie ist bislang erfolglos.

Mag sein, dass es ausgerechnet in unserem Bereich der Galaxie keine dunkle Materie gibt, dann können wir natürlich hier keine finden. Aber zumindest in anderen Gebieten der Milch­straße müsste sie manifest werden; tut sie aber nicht.

Natürlich ist denkbar, dass die Kepler-Gesetze nicht universell anwendbar sind, dass die Reduktion auf Masse-Punkte bei großen komplexen Gebilden eine unzulässige Vereinfachung ist.

Mag sein, dass auf Körper im Inneren effektiv weniger Schwerkraft wirkt, weil sich der ›gravitative Zug‹ der Materie im Außenbereich gegen­einander aufhebt, während auf Körper im Außen­bereich die gesamte Materie der Galaxie gravitativ wirkt. Damit ist (sofern der Ansatz stimmt) man dem Paradoxon der zu hohen Rotations­geschwindigkeit der äußeren Regionen einen Schritt näher; das Problem der zu geringen Gesamt-Masse bleibt aber (sofern sich das nicht anders löst, z.B. durch Neuberechnung nach Daten neuerer Teleskope).

Eine weitere Lösung wäre, sich von der Gravitation als absolute Größe zu verabschieden. Dann gelten eben unter verschiedenen Bedingungen unter­schied­liche Gravitations­konstanten.

Das brächte allerdings mit sich, dass man das ganze kosmo­logische Modell in die Tonne treten muss, was man natürlich nur ungern machen will.

Als Laie darf man spekulieren; als Physiker muss man eine wasser­dichte Gegen-Theorie vorlegen. Die hat noch niemand.

Trotzdem kann man heute sagen, dass sich die Kosmo­logie der Zukunft von der heutigen deutlich unterscheiden wird …

 

›Dark matter‹ heißt eben auch »obskure Angelegenheit«, und so ist der Bergiff zu verstehen: In großen, weit entfernten Galaxien scheint es Schwerkraft ohne erkennbaren Ursprung zu geben. Einfach deshalb, weil die Dinger für die darin enthaltene Materie zu schnell rotieren und somit gar nicht stabil sein dürften. Bis zur Klärung der Ursache hat man einfach so gerechnet, als gebe es für diese Wirkung unsichtbare Materie, nichts weiter. Die onimöse Materie, die sich ansonsten nicht manifestiert, wurde erst später (wohl fälschlicherweise) als reale Substanz angesehen – bei immer noch gegebener Unsichtbarkeit.

Also: Da ist eine ominöse Quelle von Schwerkraft (oder auch eine Variation der Schwerkraft-Wirkung), allerdings scheint sie nur in Teilen des Universums zu existieren. Bis man Näheres darüber weiß rechnet man einfach mit ihrem Materie-Äquivalent. Das darf man. Nur ist mit dieser Festlegung eben die Quelle dieser (realen oder vermeintlichen?) Kraft keineswegs geklärt (vgl. »Dunkle Materie ist einfach nicht da ...¹, derstandard.at, 04/2012

Wahrscheinlich gibt es diese unsichtbare Materie gar nicht, und mann muss irgendwo anders nach der Ursache des vermeintlichen Materie-Defizits suchen. Vielleicht ist die Physik dort ganz anders? Ganz sicher wirken Kräfte, die wir uns nicht erklären können. Aber was nicht ist, kann ja noch werden.

Ähnlich geht das mit der ominösen ›dark energy‹, die für die (vermeintliche?) Expansion des Universums verantwortlich gemacht wird. Auch sie hat keine Quelle, sie ist einfach nur da und stört. Am Ende gibt es sie gar nicht, und das was wir für die Expansion des Universums halten, ist in Wirklichkeit ein ganz anderer Effekt. Wer weiß?

Ich kann hier nur raten, aber die Wissenschaft kann hier auch nur raten. Im Moment steht es 0:0 zwischen Smi²le und Wissenschaft. Das ist so.

Die Physik befindet sich abermals nach Newton, Einstein, Planck usw. mal wieder – bzw. immer noch – in einer Phase des Umbruchs. Wir dürfen also weiter zweifeln und sind ausnahmsweise mal nicht verpflichtet, irgend etwas zu glauben. Die Lösung wird alle Menschen verblüffen, das steht fest.

Am 21.12.2012 geht die Welt unter – die Wissenschaft muss sich also beeilen …

 

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Orbital vs. Erbsensuppe

OrbitalmodellDiese kleine Animation zeigt, wie sich manche Leute den Einfluss von z-Orbitalen aus exotischer Materie auf Objekte in einer Spiral- oder Scheiben-Galaxie vorstellen. Den von der Wissenschaft erwünschten Anspruch auf möglichst wenig unbekannte Faktoren und Zusatz-Anahmen erfüllt das Modell jedoch nicht.

Wo ist die dunkle Materie?

Die DM ist, sofern sie überhaupt existiert, im Moment jedenfalls nicht greifbar. Jegliche Versuche, sie auf der Erde oder im nahen Sonnensystem nachzuweisen, sind bisher erfolglos geblieben. Existiert sie einfach hier, wo wie leben und messen,nicht – gibt es sie vielleicht nur an bestimmten Orten?

Also hat man sich überlegt, wo sie, jedenfalls rein rechnerisch, zu sein hat. Ein Modell vermutet sie – einem Elektronen-Hybrid-Orbital ähnlich – oberhalb und unterhalb flacher Galaxien – siehe Zeichnung (kugelförmige Galaxien scheinen ohne DM zu funktionieren; lediglich flache Galaxien leiden unter dem Manko, dass ihre Außenbereiche viel zu schnell rotieren und als Ausgleich dafür eigentlich eine sehr starke zusätzliche Gravitationswirkung benötigen). Die Zeichnung zeigt die Kraft-Vektoren, die sich aus einer solchen Anordnung ergeben; insbesondere wirkt die Schwerkraft der postulierten Orbitale (ober- und unterhalb der Hauptebene in der z-Achse bzw. Haupt-Drehachse) auf Objekte im Außenbereich viel stärker als auf solche im Innenbereich der Galaxie (und hebt sich im Zentrum komplett gegeneinander auf).

Diese Orbitale sieht man nicht; sie müssen also aus exotischer Materie bestehen, die eben mit der konventionellen nur auf ganz bestimmte Weise wechselwirkt. Schön. Jetzt muss man sie nur noch nachweisen …

Exotische, nicht-konventionelle Materie

Ein Proton, d.h. der Kern eines Wasserstoff-Atoms, hat die Masse von etwa 1 GeV / c² (›Atomgewicht 1‹). Die Art von Materie, die gesucht wird, muss aus ganz anderen Bestandteilen aufgebaut sein, aus wesentlich massereicheren, mindestens um den Faktor 100.

Im Moment wird nach einem solchen exotischen Teil gesucht: Das Higgs-Modell sagt ein Partikel voraus, das etwa 120mal so schwer ist wie ein Proton, das nicht direkt Bestandteil eines Atoms ist, und das auf wenig anschauliche Weise für die trägen Eigenschaften der makroskopischen Masse verantwortlich ist.

Dieses Partikel wiegt etwa so viel wie ein ganzes Zinn-Atom respektive wie zwei Eisen-Atome.

Bei Cern hat man Anzeichen dafür gefunden, dass ein solches Partikel ›ins Netz gegangen‹ ist. Ob es das ›Higgs-Boson‹ ist oder etwas ganz anderes, ist noch nicht klar. Allerdings ist eines belegt: Es gibt ›Elefantionen‹, es gibt neben der konventionellen Materie auch nicht-konventionelle.

Problem …

Wir sehen die Orbitale nicht, wir sehen die dunkle Materie nicht, und alles in allem bleibt festzustellen, dass wir nicht wissen, warum diese ›doofen‹ Galaxien partout anders rotieren als unsere mechanischen Gesetze das voraussagen.

Nun ist es in der Physik nicht gerade üblich, für nicht verstandene Dinge einen LKW voll unbelegter Hilfskonstruktionen anzukarren.

Insofern ist das beschriebene Modell zwar eine interessante Idee, aber durch die vielen notwendigen Zusatz-Annahmen nicht besonders wahrscheinlich.

Lösungs-Ansatz …

Durch Zufall bin ich bei youtube.com auf Lawrence Krauss¹ und seinen Lösungsvorschlag gestoßen, »The Universe of Nothing«: Danach besteht das »Nichts« im Universum aus insgesamt gewaltigen Quanten-Fluktuationen, die weit mehr als die Materie selbst eigenschaften und Aussehen des Universums beeinflussen.

Lawrence Krauss ist Professor für theoretische Physik in Arizona, Kosmologe, u.a. Autor von ›The Physics of Star Treck‹ und hat im Gegensatz zu den meisten seiner Kollegen keine Angst vor spekulativen Ideen zur Zukunft der Wissenschaft

Erbsensuppe (die aus der Dose) besteht aus Wasser, Maismehl, Palmöl, 5 % Trockenerbsen, Glutamat, Salz, Gewürzpulver (Mahlzeit!).

Wenn wir nun als ›Erbsen­zähler‹ versuchen, die Physik dieser Suppe an den Erbsen festzumachen, wird das nicht gelingen.

Liegt hier das Problem unseres materialistischen Weltbildes? Ist die Materie viel weniger wichtig als wir denken?

Erbsensuppe

Nach Krauss ist das Universum vielleicht mit einem Topf Erbsensuppe zu vergleichen, und unsere Wissenschaft hält die Erbsen für die Substanz, die die Eigenschaften der Suppe schafft. Natürlich kommt man so niemals auf die Physik im Suppentopf.

Wir warten auf die spezielle und die allgemeine Quanten-Fluktuations-Theorie …

 

 

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Äther

Auch das 19. Jahrhundert hatte seine ›dunkle Materie‹: den Äther.

Äther – was ist das?

Ganz einfach: Man hat sich gefragt, wie sich Wellen fortbewegen. Wellen kennt man vom Wasser. Wenn man einen Stein in den See wirft, kann man beobachten, wie sie sich ausbreiten. Offensichtlich brauchen Wellen ein Medium, dessen physikalische Eigenschaften die Geschwindigkeit der Ausbreitung beeinflussen, aber auch die Amplitude und die Dämpfung.

Brennsuppe

Wer das beschriebene Experiment real durchführen will, soll lieber Brennsuppe machen statt Kartoffelsuppe:

In einer Pfanne oder einem Topf ohne Beschichtung bereite man eine Mischung aus Mehl (Weizen, Roggen, Dinkel, kann auch grob gemahlen, Gries sein oder gemischt mit Kleie), etwa dem gleichen Volumen Wasser und 5 - 10 % Öl (kein 20W50, kein geschmackloses Industrie-Zeug, sondern Olivenöl, Leinöl, Rapsöl, nichts edles – muss aber Eigengeschmack haben), dazu etwas Salz, lasse das quellen, dann ankochen und am Schluss leicht anbräunen (nicht anbrennen). Nun ein wenig Chili, Knoblauch, Kräuter dazu geben (oder auch nicht), im Falle der Zubereitung in der Pfanne in einen Topf umfüllen und mit viel Wasser ein paar Minuten aufkochen lassen. Kostet fast nichts, schmeckt fein, man kann damit auch am Rande kleine Experimente zur Viskosität anstellen und gemäß bairischen Sprachgebrauches darüber philosophieren, wer/was auf der Brennsuppe schwimmt.

 

Betrachten wir Kartoffelbrei statt Wasser: Wenn der zu kochen (sieden) beginnt, gibt es Blasen; das sind Wellen mit großer Amplitude und großer Dämpfung. Kocht man den Brei dünner (in Richtung sämiger Kartoffelsuppe; wahlweise Brenn­suppe), wird die Amplitude kleiner, die Dämpfung ebenso.

Machen wir das Medium noch dünner: Luft. Die Existenz der Luft wurde öffentlich als Fakt akzeptiert, als Guericke ...¹ um 1657 das Vakuum im Gegensatz zum mit Luft erfüllten Raum augenscheinlich belegte. Luft transportiert als Medium zwar keine durch Stein­würfe erzeugte Wellen, aber immerhin doch Schall, Lärm.

Nächstes Problem: Es war zu hell in der Welt, und zu warm auf der Erde. Zwischen Sonne und Erde war und ist ja keine Luft, aber offensichtlich kamen die Licht-Wellen trotzdem durch, auch Wärme-Energie kommt von der Sonne aus hier an – kann eigentlich nicht sein.

Also postulierte man den Äther. Der hatte eigentlich keine Eigenschaften, vor allem keine Masse (sonst wäre das ja ein Gas, das aber auch im Magdeburger Vakuum vorhanden sein müsste). Allerdings musste es Wechsel­wirkungen geben, die die Ausbreitung von Licht-Wellen ermöglichten. Somit wurde der Äther in das damalige Standard-Modell der Physik aufgenommen.

Vermeintliche Lösung des Problems: Lichtwellen werden offenbar in Abwesenheit von Luft vom Äther weitergetragen, Wärme­strahlung ebenso.
Der Äther ist eigentlich gar nicht da, kann aber Wellen transportieren, die die Erde beleuchten.
Die heutige dunkle Materie ist auch gar nicht da, kann aber Schwerkraft erzeugen, die Galaxien zusammen hält.

Lange galt der Äther als unbewiesene Selbst­ver­ständlichkeit: Gäbe es das exotische Trägermaterial für Licht-Wellen nicht, wäre es ja dunkel. Ist doch logisch.

Nun nahm man an, dass der Äther im All ruhte – gäbe es Strömungen, müsste man das an jahreszeitlich unterschiedlich abgelenkten Lichtstrahlen der Sterne sehen. Konsequenz der Annahme war, dass die Lichtgeschwindigkeit in aequatorialer und polarer Richtung auf der Erde leicht unterschiedlich sein musste. Das musste man allerdings messen können …

Im Jahr 1881 baute der Physiker Michelson ...¹ in Potsdam ein Experiment auf, um diesen Äther-Wind nachzuweisen. Er spaltete einen streng einfarbigen (monochromatischen) Lichtstrahl mit einem halbdurchlässigen Spiegel in eine gerade und eine rechtwinklig abzweigende Komponente auf. Die Strahlen wurden durch weitere Spiegel wieder zusammen­geführt und ergaben einen Interferenz-Effekt. Das Experiment war drehbar aufgebaut; somit mussten die Interferenz-Muster bei verschiedenen Winkeln zum Äther-Wind unterschiedlich sein (resultierend aus der minimal unterschiedlichen Licht­geschwindigkeit).

Die Ergebnisse waren niederschmetternd: Die Unterschiede hätten mit Äther-Wind deutlich groß sein müssen, ohne diesen genau null. Beides war nicht der Fall. Das Experiment wurde mehrfach wiederholt, der Versuchsaufbau verfeinert. Der Äther wurde schließlich als widerlegt verworfen.

Was lernen wir daraus?

… auch die heutige Dunkle Materie ist jeden­falls ein guter Kandidat für weitere komplett neu zu entdeckende physikalische Gesetze. Mag sein, dass ihr direkter Nachweis gelingt, dann fehlt heute jedoch das genaue Wissen um die Beschaffenheit. Ebenso möglich ist, dass sie komplett widerlegt wird, dazu muss dann aber die Natur der von ihr vermeintlich ausgehenden Gravitation verstanden werden. Als Physiker muss man eine bessere Theorie liefern, wenn man die momentan akzeptierte (hier das Standard-Modell der Kosmologie) verwirft; als Laie oder gar als SF-Autor darf man wild phantasieren (man sollte allerdings dazu sagen, dass es sich um Phantasie handelt).

Spekulation: Genauso wie die Spezielle Relativitätstheorie eine Änderung des Raumes selbst beschreibt, mag es noch weitere Effekte geben, die den Raum verändern (von der Vorstellung eines geometrisch anschaulichen Raumes haben wir uns ja mit Einstein bereits verabschiedet, auch wenn wir uns damit schwertun). Damit ergibt sich die Chance, die beobachtete gravitative Wirkung offensichtlich fehlender Materie (nichts anderes beschreibt der Platz­halter namens ›dark matter‹) endlich loszuwerden – genauso wie den Äther.

 

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Naturkonstanten

Wie der Name schon besagt, gehen wir davon aus, dass die Naturkonstanten überall und zu jeder Zeit gleich sind. Nehmen wir als Beispiel die Licht­geschwindig­keit im Vakuum, knapp 300 000 000 Meter pro Sekunde. Es gibt Belege dafür, dass dies so ist, bzw. dass es keine Anzeichen dafür gibt, dass dies nicht der Fall wäre.

Was aber, wenn das Vakuum nicht überall und zu jeder Zeit die gleichen Eigenschaft hätte? Wenn etwa die mittlere Dichte der Quanten-Fluktuation des Vakuums im Lauf der kosmischen Evolution abgenommen hätte (weil das Universum damals ja viel kleiner gewesen sein soll nach unserem Standard­modell)? … dann wäre die damalige Licht­geschwindigkeit wohl niedriger gewesen als jetzt.

Zuerst einmal wären die Auswirkungen auf das einzelne Individuum nicht so dramatisch. Diese Feststellung gilt für alle Individuen dieses Universums mit Ausnahme zumindest der irdischen Physiker und Astronomen.

Hier müssen wir daran denken, dass nach der Relativitäts­theorie auch die Gleich­zeitigkeit relativ ist: War wie jetzt von der Andromeda-Galaxie sehen, ist der Status von vor 2 ½ Mio Jahren, denn so lange hat das Licht von dort hierher gebraucht. Wie es 'jetzt gerade' dort aussieht, sehen wir erst in 2 ½ Mio Jahren.

Für die gerade genannte Teilmenge aller Individuen wäre das allerdings ein Problem: Mit wachsender Entfernung von unserem Sonnensystem brächte das eine erhebliche Verzerrung des Koordinatensystems mit sich, d.h. wenn das Licht in einem frühen Universum mit größerer Quanten­fluktuations-Dichte des damaligen Vakuum langsamer gewesen sein sollte, dann wäre unsere Kartographie dieses Teils des Universums schlichtweg falsch.

Was ist daran problematisch, wenn die menschliche Kartographie der Andromeda-Galaxie nicht stimmt?

Für die Menschen ändert sich nichts – abgesehen von besagter Teilmenge. Sie hätten damit zwar ihren Berufs­stand für die nächsten paar hundert Jahre gesichert, allerdings auch den ihrer beigeordneten medizinisch-psychologischen Kollegen.

Mit anderen Worten: Sollten sich im Sinne der hier geäußerten Thesen kleine Randbedingungen ergeben, die den Vermutungen und Erkenntnissen heutiger Wissenschaft entgegenstehen, ist unser ganzes kosmologisches Modell im Eimer.

Wir sollten uns also immer dessen gewiss sein, dass der 'Stein der Weisen' bisher nicht gefunden wurde.

Alles andere wäre aber auch langweilig.

 

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Higgs-Boson

Im Moment, Anfang Juli 2012, interessiert sich die Welt mehr für die Physik als für Ballsport. Das ist selten.

Was ist passiert? Man hat in der Schweiz, bei CERN, etwas gefunden, an das trotz korrekt formulierter mathematischer Voraussagen seiner Existenz viele Leute schon nicht mehr geglaubt hatten. Nun gut, ob es sich genau um das vorausgesagte Ding handelt, ist noch nicht sicher, aber man hat auf jeden Fall etwas sehr ähnliches gefunden, immerhin.

In der Schweiz wird ja viel gefunden – angefangen von Schwarzgeld, Schmuggelware und dem grundlegenden Rezept für Kräuter-Bonbons. Im Moment geht es um das Higgs-Boson.

Higgs-Boson, was ist das?

Also: Das Atom hielt man, der Name sagt das aus, für das kleinste Bauteil der Materie. Etwa zeitgleich mit dem Nachweis seiner Existenz vor etwa 100 Jahren entdeckte man, dass es absolut nicht das unteilbare kleinste 'Ding' ist, sondern aus einem Kern und diesen planeten-ähnlich umkreisenden Elektronen besteht. Der Kern wiederum besteht aus zwei verschiedenen Partikeln, Protonen und Neutronen, beide wesentlich schwerer als Elektronen (das Neutron kennt man seit 1932, es beantwortete die Frage, warum der Helium-Kern viermal und nicht nur zweimal so schwer ist wie der Wasserstoff-Kern).

Der Unterschied in Größe und Gewicht der Kern-Bausteine einerseits und der Elektronen andererseits legte nahe, dass erstere aus weiteren, noch kleineren Bestandteilen aufgebaut sind. Tatsächlich zeigten Beschleuniger-Experimente, dass Elektronen bei Zerstörung direkt in Energie umgewandelt werden, Protonen und Neutronen jedoch zuerst in kleinere Bauteile zerfallen. Die Quarks waren entdeckt (postuliert wurden sie um 1969), und das Elektron schien in die gleiche Klasse wie diese Quarks zu gehören, nennen wir sie mal fundamentale Partikel der Materie (das Elektron war offenbar das einzige, das für sich alleine existieren kann – jedenfalls vorerst).

Teilchen-Zoo

• klassische Bausteine des Atoms
Proton, Neutron - bilden den Kern, sind ihrerseits aus Quarks zusammengesetzt (Quarks gehören zu den fundamentalen Partikeln der Materie)
Elektron - bildet die Atom­hülle (ein fundamentales Partikel, nicht weiter teilbar)

• klassische Quanten-Partikel
Photon - Licht, Wärme­strahlung, Radiowellen usw.
Gluon, Neutrino - Bindung im Atomkern (noch nicht wirklich erklärt)

• exotische Quanten-Partikel
Graviton - masse­loser ›Bote‹ der ›schweren Masse‹ des Atoms (bislang hypothetisch)
Higgs-Boson - super­schwerer ›Bote‹ der ›trägenen Masse‹ des Atoms, kein Bestandteil des Atoms an sich (wird gerade bei Cern erforscht)

• ›Super-Exoten‹
Top Quark - extrem schweres Elementarteilchen span class="hri">(350 Milionen Elektronenmassen), das nach Theorie in frühreren Phasen des Universums stabil existiert haben soll, heute extrem kurzlebig, konnte in Beschleuniger-Experimenten indirekt nachgewiesen werden

• ›spooky stuff‹
Myon - entsteht beim atomaren Zerfall u.a. von Protonen als Zwischenstufe, um gleich weiter in je ein Elektron und zwei unter­schiedliche Neutrinos nebst Strahlung zu zerfallen (Myonen sind jenoch fundamentale Partikel, bestehen im Gegensatz zu Protonen nicht aus Quarks! --- daher ›spooky«)

Letztere Gruppe weist auf das Berufsbild künftiger Wissenschaftler hin: Man wird erforschen müssen, wie sich zusammengesetzte Partikel in fundamentale (plus Strahlung) umwandeln können, – und die sich wiederum in andere.


Der Physiker schimpft:
»warum kannst du blödes Proton nicht einfach in deine Teile, in Quarks zerfallen? Warum bildest du ein komplett anderes Teilchen? Spinnst du?«
… während der Buddhist sagt:
»das Sein besteht im Wandel, eh klar …«


Diese verkürzte Darstellung will in erster Linie die Nicht-Anschaulichkeit der Quanten­physik veranschaulichen und dem geneigten Leser zeigen, wie wenig wir heute vom Aufbau der Welt tatsächlich wissen, und vor allem wie viele Optionen die Zukunft noch bringen mag …

 

Leider vereinfachten weitere Experimente das Modell keineswegs; immer neue fundamentale Partikel wurden entdeckt, weitere zusätzlich aufgrund mathematischer Berechnungen postuliert. Dazu gehören die (beinahe) massen­losen Neutrinos genauso wie die Myonen aus der kosmischen Strahlung (200 Elektronem­massen, Ladung gleich der des Elektrons) sowie die Klasse der Bosonen, deren Mitglieder von den masse­losen Photonen und Gluonen über die schweren Eichbosonen W+, W und Z (1/5 Million Elektronen­massen) bis hin zu superschweren ›Artgenossen‹ (1/4 Milliarde Elektronen­massen) reichen und sich quasi darin überbieten, das menschliche Bedürfnis nach Anschaulichkeit und Harmonie ad absurdum zu führen.

So wie das Elektron für die Elektrizität zuständig ist (wie auch immer das funktioniert – anschaulich ist da gar nichts), fehlte in der Inventur bekannter Partikel eines, das für die träge Masse (im Gegensatz zur schweren Masse) – also das, was Beschleunigungs-Energie beansprucht –, in wie auch immer gearteter Form verantwortlich ist. Nach dem Physiker, der das Teilchen postulierte, ist es als ›Higgs-Boson‹ benannt.

Ob es das Higgs-Boson in der postulierten Form gibt, und ob das bei Cern gefundene Dings wirklich das Higgs-Boson ist, wird sich zeigen.

Jedenfalls ist es schon sensationell genug, dass man ein subatomares Partikel mit etwa 100-facher Protonen­masse (s.o.: 1/4 Milliarde Elektronen­massen) nachweisen konnte:

Dies bedeutet unter anderem, dass es niemals Bestandteil eines Atoms sein kann (so wie ein Elektron etwa, das von diesem aufgenommen oder abgegeben wird), sondern in ganz anderer, seltsamer Verbindung mit diesem steht.

Damit beginnt abermals ein neues Kapitel der Physik …

(so ist auch Hawkings Wette als Hinweis darauf zu verstehen, dass die Existenz derart schwerer Quantenteilchen eigentlich nicht besonders wahrscheinlich ist)

Das Higgs-Boson hat ein paar Probleme: Es kommt isoliert praktisch nie vor (man muss es also in einer furchtbar kurzen Zeit zwischen Abtrennung vom Atom bzw. dem Atom-Konglommerat und dem Zerfall respektive dem Entstehen neuer Bindungen beobachten), und es ist vergleichsweise schwer, 200 000-mal so schwer wie ein Elektron und etwa 130-mal so schwer wie ein Proton (was wieder erklärt, warum es für sich alleine nicht stabil existieren kann).

Higgs' postuliertes Partikel ist also aufgrund seiner Masse keinesfalls Bestandteil eines Atomkerns, sondern lagert sich 'irgendwie' an eine Ansammlung von Atomkernen an. Very strange.

Die Logik lässt vermuten, dass, sofern das Higgs-Boson wirklich für die träge Masse zuständig ist (und es aufgrund seiner eigenen Masse in einem einzelnen isolierten leichten Atom keinesfalls existieren kann), dann eben einzelne leichte Atom keine träge Masse haben können. Hier beginnt mal wieder eine neue Physik, die es zu erforschen gilt.

Andererseits liegt in der Tatsache, dass das Higgs-Boson außerhalb des eigentlichen Atoms existiert, vielleicht sogar der Schlüssel zur 'dunklen Materie'. Wenn es Quarks mit 100-facher Protonen-Masse gibt, dann sind auch solche mit xxx-Milliarden-facher denkbar, die erst Massen-Ansammlungen in der Größenordnung einer Galaxie eine Art Super-Gravitation verleihen, aber im Nahbereich keinerlei Wechselwirkung zeigen: Solche 'Teilchen' wären in unserer Umgebung mangels Wechselwirkung mit 'wenig' Materie nicht einmal direkt nachweisbar und sorgten dennoch für den Zusammenhalt der Galaxien, genau so wie das die ominöse 'dunkle Materie' anscheinend macht.

Natürlich kann auch sein, dass wir uns komplett auf dem Holzweg befinden …

Jedenfalls wird die Physik von Tag zu Tag unübersichtlicher, und das ist auch gut so.

Nach dem Standardmodell ist die 'dunkle Energie' eine Kraft, die das ganze Universum dazu bringt, in aberwitzigem Tempo zu expandieren. Falls es gelingen sollte, dieser Kraft eine Art Mega-Higgs-Anti-Bosonen zuzuordnen und diese womöglich auch noch künstlich herzustellen, sind SF-Phantasien wie Warp-Felder und jenseits relativistischer Physik gelegene Abkürzungen durch die Raum-Zeit absolut 'science' und nicht mehr 'fiction'.

Albert Einstein wird zitiert, dass er mit einer grundlegend neuen Physik etwa 100 Jahre nach seiner Relativitätsthorie rechnete. Es sieht so aus, als hätte er Recht, und sowohl der Physik als auch der SF stehen interessante Zeiten bevor.

 

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Rätselhaftes Wissen

Dogon

Kosmologie ist also ein hochinteressantes Thema. Von wirklichen Erkenntnissen oder gar Lösungen sind wir noch weit, sehr weit weg. Egal was die Schulbücher uns glauben machen wollen. Manchmal drängt sich sogar der Verdacht auf, dass auch hier interessierte Kreise zum Zweck der Machterhaltung (politisch wie wissenschaftlich) »verbotenes Wissen« vom Volk fernhalten. Wie im Mittelalter:

Zumindest unsere Vorstellungen von Geschichte und Geschichte der Wissenschaften erscheinen hier nicht stimmig.

antigravische Kraft?

Neueren Meldungen zufolge basteln Astrophysiker an einem Erklärungsversuch für die Kosmische Konstante (Einstein) und die Expansion des Universums – sie gehen dabei von der Möglichkeit einer antigravitativen Kraft als Ursache aus. Vielleicht ein Schritt nach vorne? Dranbleiben …

 

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Literatur