Hintergrundinformationen

Damit in den Sternen Kohlenstoff, die Grundlage des Lebens, entstehen kann, spielt eine bestimmte Form des Kohlenstoffkerns eine entscheidende Rolle. Physiker der Universität Bonn und der Ruhr-Universität Bochum haben jetzt gemeinsam mit US-Kollegen diesen legendären Kohlenstoffkern berechnet. Damit haben sie ein Problem gelöst, das die Wissenschaft seit mehr als 50 Jahren vor Rätsel gestellt hat.

„Seit 1954 hat man vergeblich versucht, den Hoyle-Zustand zu berechnen“, berichtet Professor Dr. Ulf-G. Meißner (Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn), „und wir haben es jetzt geschafft!“ Der Hoyle-Zustand ist eine energiereiche Form des Kohlenstoffkerns. Er ist der Bergpass, über den man von einem Tal ins andere gelangt: von drei Kernen des Gases Helium zum sehr viel größeren Kohlenstoffkern. Diese Verschmelzungsreaktion findet im heißen Inneren schwerer Sterne statt. Gäbe es den Hoyle-Zustand nicht, hätten im Weltall nur sehr wenig Kohlenstoff oder andere höhere Elemente wie Sauerstoff, Stickstoff und Eisen entstehen können. Ohne diese Art von Kohlenstoffkern wäre daher vermutlich auch kein Leben möglich gewesen.

Die Suche nach dem „Nebensender“

Bereits im Jahr 1954 hat man den Hoyle-Zustand experimentell nachgewiesen, aber seine Berechnung scheiterte stets. Denn diese Form des Kohlenstoffs besteht lediglich aus drei sehr lose gebundenen Heliumkernen − ein eher wolkiger diffuser Kohlenstoffkern. Und er liegt nicht einzeln vor, sondern stets zusammen mit anderen Formen von Kohlenstoff. „Das ist, wie wenn sie ein Radiosignal untersuchen wollen, bei dem ein Hauptsender und mehrere schwächere Sender überlagert sind“, erläutert Prof. Dr. Evgeny Epelbaum (Institut fuer Theoretische Physik II der Ruhr-Universität Bochum). Der Hauptsender ist der stabile Kohlenstoffkern, aus dem unter anderem auch der Mensch aufgebaut ist. „Wir interessieren uns aber für einen der instabilen, energiereichen Kohlenstoffkernen, also müssen wir irgendwie mit einem Rauschfilter den schwächeren Radiosender von dem dominierenden Signal abtrennen.“

Möglich wurde das mit einer neuen, besseren Rechenmethode der Forscher, welche die Kräfte zwischen mehreren Kernbausteinen präziser als zuvor berechnet. Mit JUGENE, dem Supercomputer am Forschungszentrum Jülich, stand auch das passende Werkzeug parat. Eine knappe Woche hat JUGENE gerechnet. Das Rechenergebnis stimmt so gut mit den experimentellen Daten überein, dass die Forscher sicher sein können, den Hoyle-Zustand tatsächlich von Grund auf berechnet zu haben.

Mehr über die Entstehung des Universums

„Jetzt können wir diese spannende und wichtige Form von Kohlenstoffkern ganz genau untersuchen“, erläutert Prof. Meißner. „Wir werden schauen, wie groß er ist und wie er aufgebaut ist. Und damit können wir jetzt auch die gesamte Kette der Elemententstehung unter die Lupe nehmen.“

Sogar philosophische Fragen sind in Zukunft vermutlich wissenschaftlich zu beantworten. Seit Jahrzehnten gilt der Hoyle-Zustand als Paradebeispiel für die Theorie, dass die Naturkonstanten bei der Entstehung unseres Universums genauso und nicht anders aufeinander abgestimmt sein mussten, da wir sonst nicht hier wären, um das Universum zu beobachten (Anthropisches Prinzip). „Für den Hoyle-Zustand heißt das: Er muss genau diese Energie haben, die er hat, weil es uns sonst nicht gäbe“, sagt Prof. Meißner. „Wir können jetzt berechnen, ob in einer veränderten Welt mit anderen Parametern der Hoyle-Zustand im Vergleich zur Masse von drei Heliumkernen tatsächlich eine andere Energie hätte.“ Wenn dem so ist, spräche das für das anthropische Prinzip. (Quelle: idw)

Der expandierende Kosmos scheint ein Grundgesetz der Physik zu verletzen.

Energie kann weder erzeugt noch zerstört werden. Dieser Erhaltungssatz gilt Physikern als sakrosankt. Er beherrscht jeden Lebensbereich – das Aufwärmen einer Tasse Kaffee, die chemischen Reaktionen, mit denen Blätter Sauerstoff erzeugen, die Bahn der Erde um die Sonne und die Nahrung, die wir brauchen, damit unser Herz schlägt. Ohne Essen können wir nicht leben, das Auto fährt nicht ohne Kraftstoff, und Perpetuum mobiles sind pure Fiktion. Darum schöpfen wir mit Recht sofort Verdacht, wenn etwas den Energieerhaltungssatz zu verletzen scheint. Kommt so etwas überhaupt vor?

Scheinbar doch. Kehren wir einmal kurz der Erde den Rücken und wenden uns dem Weltall zu, schlägt die australische Astrophysikerin Tamara Davis vor. Fast alle Informationen über den fernen Weltraum gewinnen wir in Form von Licht, das auf seinem langen Weg von fernen Galaxien durch das expandierende Universum eine Rotverschiebung erfährt; die elektromagnetischen Wellen werden gemäß Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie gestreckt. Doch wir wissen: Je größer die Wellenlänge, desto kleiner die Energie. Das wirft die Frage auf, wohin die Energie verschwindet, wenn das Licht durch die kosmische Expansion röter wird. Geht sie verloren – und verletzt damit das Erhaltungsprinzip?

Letztlich nein, beruhigt uns Tamara Davis in der November-Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft. Auch hier auf der Erde finden ständig solche Verschiebungen statt. Angenommen, Sie fahren an einer Radarfalle vorbei, mit der die Polizei gern Temposünder überführt. Während Ihr Auto sich dem Gerät nähert, würden Ihnen die elektromagnetischen Radarwellen – wenn Sie sie sehen könnten – ein wenig gestaucht erscheinen; nachdem Sie das Gerät passiert haben, sähen die Wellen etwas gestreckt aus. Das ist der Dopplereffekt – das elektromagnetische Pendant zu dem bekannten akustischen Phänomen, dass sich die Tonhöhe einer Hupe beim Vorbeifahren zu ändern scheint. Das Polizeiradargerät ermittelt aus der Dopplerverschiebung der reflektierten Radarstrahlen Ihre Geschwindigkeit.

Dopplerverschiebung entsteht durch die Relativbewegung von Sender und Empfänger. Dabei verlieren oder gewinnen die Photonen keine Energie; sie sehen nur für den Empfänger anders aus als für den Sender. Doch die kosmologische Rotverschiebung hat nach gängiger Auffassung einen anderen Grund. Den Lehrbüchern zufolge wird sie dadurch verursacht, dass der Raum, durch den das Licht wandert, sich selbst ausdehnt wie ein aufgeblasener Luftballon.

Aber, hält Tamara Davis dagegen, in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist der Raum relativ; was wirklich zählt ist die Geschichte einer Galaxie – die Bahn, die sie in der Raumzeit beschreibt. Darum sollten wir, wenn wir die Relativgeschwindigkeit der fernen Galaxie in Bezug auf uns berechnen, deren Trajektorie in der Raumzeit und unsere vergleichen. Der Betrag der Rotverschiebung, den der irdische Beobachter an der Galaxie feststellt, erweist sich so gesehen nicht anders als die Dopplerverschiebung, die er an einem Auto sähe, das sich mit derselben Relativgeschwindigkeit entfernt.

Und genau wie im Fall der vorbeibewegten Hupe – wo uns nicht einfiele, dass der Schall Energie gewinnt oder verliert – bewirkt auch hier die Relativbewegung von Sender und Beobachter bloß, dass die Beiden die Photonen aus unterschiedlicher Perspektive sehen, und nicht, dass die Photonen unterwegs Energie verloren haben.

Letzten Endes umgibt kein Rätsel den Energieverlust der Photonen: Die Energien werden von Galaxien aus gemessen, die sich voneinander entfernen, und die Energieabnahme ist nur eine Frage des Standpunkts und der Relativbewegung.

Die Physiker können also beruhigt sein, das Universum hat kein Leck. Wenn sie zu klären versuchen, ob die Energie des ganzen Universums erhalten bleibt, stoßen sie vielmehr an eine fundamentale Grenze, denn sie können der Energie des Universums keinen eindeutigen Wert zuweisen. Darum verletzt das Universum den Energieerhaltungssatz nicht; vielmehr liegt es jenseits von dessen Geltungsbereich.
Quelle: Spektrum der Wissenschaft, November 2010

Mehr dazu:
1. Äquivalenz von Information und Energie: Auf der Suche nach den Grundbausteinen der Welt
2. Supervereinigung: Wie aus nichts alles entsteht. Ansatz einer großen einheitlichen Feldtheorie

Wenn man eine drohende Katastrophe schon nicht vorausberechnen kann, dann kann man wenigstens Statistik betreiben. Die einzelne Wasserwelle, die an die Küste schwappt, ist weder vorhersagbar noch besonders interessant – es sei denn, sie wäre höher als der Deich, und das kommt glücklicherweise selten vor. Es müssten sich schon die Effekte, die die kleinen Wellen verursachen, alle mit dem gleichen Vorzeichen zur gleichen Zeit zusammentun, damit eine solche Katastrophe eintritt.

Einige dieser Effekte sind bekannt und ohne weiteres berechenbar: Das sind Ebbe und Flut. Von den anderen nehmen wir an, dass sie vom Zufall verursacht sind, und zwar alle von derselben Sorte Zufall. Über diesen Zufall stellt man Vermutungen an, gleicht diese mit der bisher beobachteten Realität ab und kommt so zu einer brauchbaren Prognose. Nicht wann die nächste Sturmflut kommt und wie hoch sie ausfällt, aber immerhin Aussagen der Art, dass eine Sturmflut von mehr als acht Metern Höhe im Durchschnitt nur alle hundert Jahre zu erwarten ist.

Das ist alles wohletablierte Mathematik. Carl Friedrich Gauß (1777–1855) hat, neben anderen mathematischen Großtaten, dafür die theoretische Grundlage gelegt, und wir durften immerhin fast zehn Jahre lang das wesentliche Ergebnis, nämlich die gaußsche Glockenkurve samt Formel, mit uns herumtragen – in Gestalt des letzten Zehnmarkscheins. Der Ärger ist nur: Die Realität hält sich nicht an die Theorie. Ein Ereignis, sagen wir ein Hochwasser, ist umso seltener, je höher es ist. Aber die Gauß-Kurve sagt darüber hinaus, die ganz großen Hochwässer müssten geradezu absurd selten sein. Was nicht der Fall ist, denn sie kommen ja vor.

Darauf stellen sich die nahe liegenden Fragen: Was ist falsch an der Theorie? Und wie kann man es besser machen? Die erste Frage ist schnell beantwortet: Unter den Annahmen, die der Gauß-Verteilung zu Grunde liegen, ist auch die Linearität. Zwei verschiedene Effekte addieren sich einfach auf. Das ist zwar für Wasserwellen der Fall – in der Experimentierwanne des Physikers. Im Ozean mit seinem zuweilen gebirgigen Meeresboden und der großen Ausdehnung stimmt das offensichtlich nicht mehr. Seit man auf Satellitenbildern sogar die Höhe einzelner Wellenkämme bestimmen und auszählen kann, ist erwiesen, dass die Monsterwellen, die ganze Schiffe zerbrechen können, kein Seemannsgarn sind. Bei Erdbeben scheint es sogar einleuchtend, dass die doppelte Gesteinsverschiebung zwar die doppelte Spannung im Gestein aufbaut, aber die Entladung dieser Spannung, das heißt das Erdbeben, vielleicht viel schlimmer als nur doppelt so stark ausfällt.

Die zweite Frage ist viel schwieriger. Wenn das Phänomen nichtlinear ist, kommen viel mehr theoretische Modelle in Frage, als man durch Abgleich mit den Daten aussortieren kann. Vielleicht bleibt eine große Wasseranhäufung lange genug bestehen, um eine über sie hinweglaufende Welle wie eine Sammellinse zu bündeln, mit dramatischen Wirkungen im Brennpunkt der Linse. Bei den Erdbeben kommt man immerhin zu Aussagen der Art, dass ein Erdstoß das Gestein in dieser Region so weit entlastet hat, dass der nächste eine Weile auf sich wird warten lassen. Aber eine Theorie mit überprüfbaren Vorhersagen ist das in beiden Fällen noch nicht.

Wie Frank Grotelüschen in der neuesten Ausgabe von “Spektrum der Wissenschaft” berichtet, verfallen die Wissenschaftler in dieser Situation auf mehrere Auswege. Erstens Statistiken, die kein theoretisches Modell voraussetzen, sondern nur Datenreihen aus der Vergangenheit intensiv analysieren. Man passt Kurven mit freien Parametern diesen vergangenen Daten an und hofft, dass die unbekannten Mechanismen hinter dem Phänomen sich nicht wesentlich geändert haben. Das lässt die Warnung vor einer Katastrophe angesagt erscheinen, wenn die aktuellen Daten genauso aussehen wie die Daten vor der letzten Katastrophe. In Zeiten des Klimawandels kann man sich allerdings nicht einmal auf die Konstanz der zu Grunde liegenden Mechanismen verlassen.

Zweitens “Spielzeugmodelle”. Da studiert man tatsächlich statt echter Erdbeben Lawinen an Sandhaufen, die von oben mit frischem Sand berieselt werden. Das ist auf den zweiten Blick gar nicht so albern: In beiden Fällen bauen sich Energien auf, die sich plötzlich wieder entladen. Die Größe der Sandlawinen verteilt sich nach einem Muster, für das man sogar, weil Sandhaufen vergleichsweise einfache physikalische Systeme sind, eine Theorie findet. Das ergibt wieder eine Schar von Kurven mit freien Parametern; und vielleicht gelingt es ja, auf diesem Wege sogar eine brauchbare Erdbebenprognose zu erstellen. Allerdings muss man dafür warten, bis ausreichend extreme Ereignisse eingetreten sind. Die sind zwar nicht so selten, wie die klassische Theorie vorhersagt, aber immerhin so selten, dass es sehr schwierig ist, daran die richtigen von den falschen Theorien zu unterscheiden. Seien wir froh darüber. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Januar 2010 - Abb. Temari09 (flickr) cc-by-sa )

Video: Die Entstehung des Kosmos.

Das Reich der Physik ist immer gut für Überraschungen. Und manche der Überraschungen beginnen mit Vermutungen namhafter Physiker. Eine in letzter Zeit häufiger geäußerte Vermutung ist die, dass Information ein Grundbaustein der Welt sei.

»Es stellt sich letztendlich heraus, dass Information ein wesentlicher Grundbaustein der Welt ist«, äußerte sich der durch ein medienwirksames Experiment der Quantenteleportation bekanntgewordene Prof. Dr. Anton Zeilinger in einem Interview. Vermutungen, die nicht weiter begründet sind, haben allerdings wenig Durchsetzungskraft. Sie werden zwar gelesen oder angehört, doch sie gehören praktisch zum Smalltalk der Wissenschaft.

Wenn eine Vermutung zu einer Hypothese oder sogar einer Theorie werden soll, dann braucht der Physiker Formeln. Er braucht das mathematische Werkzeug, damit er auf bequeme Weise Vorhersagen machen kann, die sich durch empirische Daten widerlegen oder bestätigen lassen. Allerdings sind Formeln nicht alles in der Physik. Das zeigt uns die Quantenmechanik. Die Vorhersagen der Quantenmechanik wurden zwar noch niemals widerlegt, aber Formeln können das Phänomen nicht plausibler machen, das als Welle-Teilchen-Dualität bekannt ist, und können schon gar nicht die nichtlokale Wechselwirkung von verschränkten Photonen erklären. Die Physiker haben sich an die Kuriositäten der Quantenmechanik gewöhnt und trösten sich mit exakten mathematischen Vorhersagen.

Ist Information eine Substanz?

Erst eine gute modellhafte Beschreibung der Wirklichkeit und der beobachteten Phänomene erlaubt es, Neuland zu entdecken. Alle, die sich vom allgemeinwissenschaftlichen und philosophischen Standpunkt aus für die Grundbausteine der Welt interessieren, finden Neuland in dem Fach-Büchlein mit dem Titel »Äquivalenz von Information und Energie«. Es beginnt mit einem physikalischen Modell für das Phänomen der Information, bevor in einem weiteren Kapitel der bei Physikern so beliebte mathematische Werkzeugkasten skizziert wird, ohne dabei den mathematischen Apparat der theoretischen Physik vorauszusetzen. Diese Vorgehensweise zeitigt ein überraschendes Ergebnis: Information ist keineswegs nur eine Angelegenheit der geistigen Ebene.

Eine der physikalisch relevanten Informationsarten ist eine Substanz, aus der sogar Elementarteilchen gebildet werden können. Die Anwendung der neu gewonnenen Erkenntnisse auf Einsteins allgemeine Relativitätstheorie führt zu der Folgerung, dass selbst Raum und Zeit aus Information entstanden sein können. Im Augenblick der Singularität des Urknalls als Energie vorhanden war, aber noch kein Raum und keine Zeit, konnte Energie nicht in Form von Massen, Feldern oder Strahlung vorliegen, sondern nur in Form von äquivalenter Information. Überraschender kann das Ergebnis kaum sein.

Mehr dazu in Äquivalenz von Information und Energie: Auf der Suche nach den Grundbausteinen der Welt. Von Klaus-Dieter Sedlacek.

Geheimnisse des Universums: Dunkle Materie / Dunkle Energie

Umstrittene Dunkle Energie

Kein Wunder, dass immer wieder alternative Modelle entwickelt werden, um vielleicht ohne exotischen Energieformen auszukommen. Wie zwei Kosmologen von der Oxford University im aktuellen August-Heft von “Spektrum der Wissenschaft” in der Titelgeschichte beschreiben, könnte ein solches Alternativmodell so aussehen: Falls wir kosmisch gesehen inmitten einer Region leben, in der weniger Sterne und andere Materie zu finden sind als anderswo, dann würde sich der astronomische Befund vom gleichmäßig beschleunigten Universum anders darstellen. Dann variiert nämlich die kosmische Expansionsrate mit dem Ort – und das würde den Astronomen eine kosmische Beschleunigung nur vorspiegeln, ohne es wirklich zu sein.

Könnte es also sein, dass wir im Universum nicht in einer gleich verteilten Ansammlung von Sternen und Galaxien leben, wie das kosmische Standardmodell annimmt? Eine riesige Leere um die Erde und ihr Milchstraßensystem herum kommt den meisten Kosmologen deshalb auch sehr unwahrscheinlich vor, doch einige Forscher ziehen sie der mysteriösen Dunklen Energie vor. Was spricht dafür? Was spricht dagegen?

Die Entdeckung des beschleunigten Universums kündigte sich vor vor elf Jahren an. Aus einer winzigen Abweichung in der Helligkeit explodierender Sterne folgerten die Astronomen, sie hätten keine Ahnung, woraus über 70 Prozent des Kosmos bestehen. Sie konnten nur feststellen, dass der Raum anscheinend von einer ganz unvergleichlichen Substanz erfüllt wird, welche die Expansion des Universums nicht bremst, sondern vorantreibt. Diese Substanz erhielt damals den Namen Dunkle Energie.

Inzwischen ist ein Jahrzehnt vergangen, und die Dunkle Energie gibt noch immer so viele Rätsel auf, dass einige Kosmologen die grundlegenden Postulate, aus denen ihre Existenz gefolgert wurde, in Zweifel ziehen. Eines dieser Postulate ist das kopernikanische Prinzip. Ihm zufolge nimmt die Erde keinen zentralen oder sonst wie ausgezeichneten Platz im All ein. Wenn wir dieses Grundprinzip preisgeben, bietet sich eine überraschend einfache Erklärung für die neuen Beobachtungen an.

Wir haben uns längst an die Idee gewöhnt, dass unser Planet nur ein winziger Fleck ist, der irgendwo am Rand einer durchschnittlichen Galaxie einen typischen Stern umkreist. Nichts scheint unseren Ort inmitten von Milliarden Galaxien, die sich bis an unseren kosmischen Horizont erstrecken, besonders auszuzeichnen. Doch woher nehmen wir diese Bescheidenheit? Und wie könnten wir herausfinden, ob wir nicht doch einen speziellen Platz einnehmen? Meist drücken sich die Astronomen um diese Fragen und nehmen an, unsere Durchschnittlichkeit sei offensichtlich genug. Die Idee, wir könnten tatsächlich einen besonderen Ort im Universum bewohnen, ist für viele undenkbar. Dennoch ziehen einige Physiker dies seit Kurzem in Betracht.

Zugegeben: Die Annahme, wir seien kosmologisch unbedeutend, erklärt viel. Mit ihrer Hilfe können wir von unserer kosmischen Nachbarschaft auf das Universum im Großen und Ganzen schließen. Alle gängigen Modelle des Universums beruhen auf dem kosmologischen Prinzip. Die beschleunigte Expansion war also die große Überraschung, mit der die aktuelle Revolution in der Kosmologie begann.

Angenommen, die Expansion verlangsamt sich überall, weil die Materie an der Raumzeit zieht und sie bremst. Nehmen wir ferner an, dass wir in einer gigantischen kosmischen Leere leben – in einem Gebiet, das zwar nicht völlig leer gefegt ist, wo aber die mittlere Materiedichte nur etwa halb so groß ist wie anderswo. Je leerer eine Raumregion ist, desto weniger Materie bremst dort die räumliche Expansion, und entsprechend höher ist die Expansionsgeschwindigkeit innerhalb des Leerraums. Am höchsten ist sie in der Mitte; zum Rand hin, wo sich die höhere Dichte des Außenraums bemerkbar macht, nimmt sie ab. Zu jedem Zeitpunkt expandieren verschiedene Raumpartien unterschiedlich schnell – wie der ungleichmäßig aufgeblasene Luftballon.

Wie ausgefallen ist diese Idee einer monströsen Abnormität? Auf den ersten Blick sehr. Sie scheint in eklatantem Widerspruch zur kosmischen Hintergrundstrahlung zu stehen, die bis auf Hunderttausendstel genau gleichförmig ist, ganz zu schweigen von der im Großen und Ganzen ebenmäßigen Verteilung der Galaxien. Doch bei näherer Betrachtung muten diese Indizien weniger zwingend an. Die Gleichförmigkeit der Reststrahlung erfordert nur, dass das Universum in jeder Richtung nahezu gleich aussieht. Wenn eine Leere ungefähr kugelförmig ist und wir einigermaßen nahe ihrem Zentrum sitzen, muss sie nicht unbedingt den Beobachtungen widersprechen.

In kommenden Jahren werden Himmelsbeobachtungen zwischen beiden Erklärungen entscheiden.
Quelle: Spektrum der Wissenschaft, August 2009

Der Nobelpreisträger Max Planck (1858-1947) war einer der Pioniere der Quantenphysik und deshalb nicht verdächtig einem esoterischen Weltbild anzuhängen. Er vermutete hinter der Kraft, welche die Atomteilchen in Schwingung bringt und die Materie zusammenhält »einen bewussten, intelligenten Geist«. Diesen hielt er für den »Urgrund aller Materie«. Das waren seine Worte auf einem Vortrag, den er 1944 in Florenz hielt. Er sagte außerdem noch, dass es »keine Materie an sich gibt«.

Das materialistische Weltbild des 19. Jahrhunderts, dessen Nachbeben wir bis heute spüren, sah Materie als etwas an, das aus ewigen, unteilbaren und unvergänglichen Atomen aufgebaut ist. Über das, was es mit der angeblichen Unteilbarkeit von Atomen auf sich hat, weiß die Allgemeinheit zumindest seit Hiroshima Bescheid. Was die Allgemeinheit weniger weiß ist, dass die Atomspaltung nicht nur mit Zerstörung gleichzusetzen ist, sondern einhergeht mit Erkenntnissen, denen wir das Handy, den CD-Player, den PC und den Scanner in den Supermarktkassen verdanken. Wie von Zauberhand erscheinen nach dem Scannen der Ware Preise auf dem Kassendisplay. Welchen Vorstellungen von der Materie verdanken wir diese Errungenschaften unserer Wissenschaft, die einen mittelalterlichen Magier zum größten Zauberer seiner Zeit gemacht hätten, wenn er sie nur hätte vorführen können?

Für die heutige Physik gehört alles zur Materie, was aus Elektronen und Quarks und zwar aus Up-Quarks und Down-Quarks aufgebaut ist. Das muss man erst einmal verinnerlichen: Materie ist alles, was aus nur drei elementaren Bestandteilen besteht! Egal ob Gold, Blei, Wasserstoff oder Kohlenstoff. Egal ob ein Holzstuhl oder ein Hamburger. Alles besteht nur aus drei sogenannten Elementarteilchen: den Elektronen und zwei Sorten Quarks.

Elektronen kann man leicht erzeugen und beobachten. Die alten Röhrenfernseher liefern ein Zeugnis davon. Bei den Quarks ist das anders. Noch nie hat jemand Quarks beobachten, geschweige denn vorführen können. Und dennoch sollen die Protonen und Neutronen im Kern des Atoms aus diesen Quarks bestehen. Die Physiker schließen auf die Existenz von Quarks aufgrund von Beobachtungen, die sie machen, wenn sie in den Teilchenbeschleunigern wie CERN Protonen des Atomkerns mit anderen Teilchen und hoher Geschwindigkeit zusammenstoßen lassen. Das ist so, als würde man davon ausgehen, dass ein Fliegengewichtsboxer, der ein Schwergewicht K. O. schlägt, ein Hufeisen in seinem Boxhandschuh versteckt habe. Bevor man nicht in den Boxhandschuh reinschauen kann, weiß man es aber nicht.

Noch seltsamer mutet einem die Vorstellung von Materie an, wenn man weiß, dass Atome fast ausschließlich aus leerem Raum bestehen. Der Atomkern, in dem man die Protonen mit den Quarks finden kann, macht höchstens den zehntausendsten Teil des Atomdurchmessers aus. Der Raum um den Kern herum ist der Bereich, für den es eine größere Wahrscheinlichkeit gibt, dass man dort ein Elektron findet. Aber das gilt nicht als sicher. Die Regeln der Quantenphysik besagen, dass man das Elektron eines bestimmten Atoms genauso gut auch in New York oder sonst wo im Weltall finden kann, wenn auch mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit. Aber unmöglich ist es nicht.

Völlig unerklärlich ist, dass Atome, Elektronen oder Protonen bei bestimmten Untersuchungen überhaupt nichts Materielles mehr an sich haben. Sie scheinen Welleneigenschaft zu besitzen und auf dem Beobachtungsschirm tauchen Wellenmuster auf. So verflüchtigt sich auf einmal das noch verbliebene Materielle an der Materie. Wenn es »keine Materie an sich gibt«, wie Planck sagte, was ist es dann, was die Materie ausmacht? Ist es eine Art Geist?

Eine Form von Geist, der in der Materie steckt, ist Information. Das kann man sich klar machen, wenn man ein Beispiel betrachtet, das drei Bausteine zum Gegenstand hat und damit dem Aufbau der Atome aus drei Elementarteilchen entspricht. Beispielsweise kann man sich zwei Kinder, einen Jungen und ein Mädchen vorstellen. Sie besitzen einen Eimer voll mit Lego-Bausteinen. Es sind drei Sorten Steine, nämlich solche mit zwei, vier und acht Noppen. Aus diesen Steinen baut das Mädchen ein kleines Puppenhaus mit zwei Zimmern, Möbeln, Ofen usw. Der Junge baut dagegen eine große Burg mit mächtigen Mauern, Zinnen, Toröffnung und Graben.

Die Frage ist nun, worin sich Puppenhaus und Burg unterscheiden? Beide Bauwerke sind aus den gleichen Steinen hergestellt. Die einzige Unterscheidung zwischen Puppenhaus und Burg ist die Zahl und Anordnung der Steine. Das gleiche gilt für unsere Welt, in der die unterschiedlichen Elemente Gold, Blei, Wasserstoff oder Kohlenstoff usw. sich nur in der Zahl und Anordnung der Elementarteilchen unterscheiden. Da alle Materie aus den Elementen aufgebaut ist, unterscheidet sich alles, was materiell existiert nur durch die Zahl und Anordnung der Elementarteilchen.

Die Anordnung ist nichts anderes als Information. Die Formen, anhand denen man erkennt, ob es sich um ein Puppenhaus oder eine Burg handelt, sind Informationen und auch die unterschiedlichen Formen und Muster der materiellen Welt sind alles Informationen. Aber Information ist sicher nicht der Geist, den Planck meinte. Denn Information ist nichts Lebendiges. Information ist passiv. Planck sprach dagegen von einem bewussten, intelligenten Geist und ein bewusster Geist ist etwas Lebendiges.

Einen Hinweis auf diesen bewussten Geist finden wir in der Interpretation der physikalischen Experimente mit Quanten. Quanten sind winzige Energiepakete, die sich je nach Art der Messung als Wellen oder Teilchen zeigen. Wegen dieses Verhaltens gelten Atome, Elektronen, Photonen (Lichtteilchen) und dergleichen - gleichgültig, ob die Objekte zur Materie zählen oder nicht - alle als Quanten. Zu einem der wichtigsten Experimente der Quantenphysik gehört jenes, bei dem man Lichtteilchen oder Elektronen auf eine Wand schickt, in der sich ein kleiner Doppelspalt befindet. Dahinter fängt man auf einem Beobachtungsschirm auf, was durch die Spalte hindurchkommt. Auf diese Weise beobachtet man das Verhalten der Quantenobjekte und kann es interpretieren.

Um Bewusstsein bei Quanten feststellen zu können, muss man wissen, anhand welcher Kriterien man Bewusstsein überhaupt feststellen kann. Bewusstsein ist kein Untersuchungsgegenstand der Quantenphysik. Deshalb findet man in dieser Disziplin keine geeigneten Kriterien zur Erkennung von Bewusstsein. Hier muss die Psychologie aushelfen. Die Psychologie hat mithilfe geeigneter Kriterien schon bei zahlreichen Tierarten Bewusstsein nachgewiesen. Das Hauptkriterium zur Erkennung einer primären Form von Bewusstsein, das allerdings noch nicht das höhere Ich-Bewusstsein einschließt, ist erstens die Fähigkeit, sich auf unerwartete Veränderungen der Wirklichkeit einzustellen und zweitens ein nicht sicher vorhersehbares, eigengesteuertes Verhalten.

Das ist aber genau das, was man an dem Verhalten von Lichtteilchen oder anderen Quanten feststellen kann, die offensichtlich selbst entscheiden, welchen Weg sie an einem Strahlenteiler durchlaufen oder welche Polarisierung sie bei einer Polarisationsmessung annehmen. Es gibt keine Formeln oder physikalischen Gesetze, anhand derer man dieses Verhalten vorausberechnen könnte. Man hat nur die Möglichkeit das Verhalten mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorauszusagen. Sicherheit gibt es aber nicht. Und das entspricht beim Kriterium für primäres Bewusstsein, dem nicht sicher vorhersehbaren, eigengesteuerten Verhalten.

Immer wenn Lichtteilchen sich unbeobachtet glauben, bilden sie ein Wellenmuster auf dem Beobachtungsschirm beim Doppelspaltexperiment. Sie sind allerdings sehr eigenwillig: Wenn man nämlich einzelnen Quanten nachspürt, um mehr zu erfahren, verschwindet das Wellenmuster und es bleiben nur noch zwei Streifen übrig. Das gleiche gilt, wenn man abwechselnd einen der Spalte schließt, um mit Sicherheit sagen zu können, durch welchen Spalt ein bestimmtes Lichtteilchen gegangen ist. Die Quanten stellen sich auf alle Veränderungen der Wirklichkeit sofort ein. Ein Psychologe würde aus dem eigenwilligen Verhalten schließen, dass Quanten primäres Bewusstsein zeigen.

Planck kannte natürlich die grundlegenden Experimente der Quantenphysik einschließlich des Doppelspalt-Experiments. So ließ ihn möglicherweise das in den Experimenten offengelegte Verhalten der Materie zu dem Schluss kommen, dass ein bewusster, intelligenter Geist der »Urgrund aller Materie« ist. - Klaus-Dieter Sedlacek

Der Text enthält zum Teil Inhalte aus dem Sachbuch mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein – Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen« (ISBN 978-3837043518 )

Projezierte Dichte der Dunklen Materie in einer simulierten Galaxie mit der Größe der Milchstraße. Myriaden von Klumpen aus Dunkler Materie kreisen in dem Halo der Galaxie. Ihre dichten Zentren strahlen energiereiche Gammastrahlung ab, die durch gegenseitige Vernichtung von Teilchen der Dunklen Materie erzeugt wird.Bild: Max-Planck-Institut für Astrophysik

Supercomputer berechnen, wo Astrophysiker gezielt suchen müssen

Ein internationales Team von Astrophysikern, das Volker Springel vom Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) in Garching leitet, hat jetzt mithilfe eines der größten Supercomputer Europas gezeigt, wohin das neueste Satellitenobservatorium der Nasa blicken muss, um die geheimnisvolle Dunkle Materie im Universum zu entdecke.

Das Fermi-Teleskop, das schon seit einigen Monaten den Himmel nach Gammastrahlen durchsucht, könnte in den nächsten Jahren ein schwaches Glimmen der Dunklen Materie aufspüren. Während deren Gravitationswirkung bereits vor über 75 Jahren entdeckt wurde, bleibt die Dunkle Materie bis heute für alle Teleskope unsichtbar, obwohl sie rund 85 Prozent aller kosmischen Materie ausmacht. Unter den richtigen Bedingungen könnte diese neue Art von Elementarteilchen genügend Gammastrahlen produzieren, um vom Fermi-Teleskop entdeckt werden zu können. Darüber hinaus soll der Teilchenbeschleuniger “Large Hadron Collider” (LHC) in der Nähe von Genf Belege dafür finden.

Aber wohin soll das Fermi-Teleskop ausgerichtet werden, um die Gammastrahlen-Signatur der Dunklen Materie zu sehen? Astrophysiker aus Deutschland, Großbritannien, Kanada und den Niederlanden, die sich zum “Virgo-Konsortium” zusammengeschlossen haben, simulierten jetzt mithilfe eines extrem leistungsfähigen Supercomputers am Leibniz-Rechenzentrum in Garching die Entstehung der Strukturen Dunkler Materie, die eine Galaxie wie unsere Milchstraße umgeben. Solche Halos sind mehr als eine Billion Mal so massiv wie unsere Sonne und stellen die Grundeinheiten der kosmischen Struktur dar.

Der Halo der Milchstraße entstand vermutlich durch eine Reihe gewaltiger Kollisionen viel kleinerer Klumpen, die aus dem Urknall hervorgingen, und dann verschmolzen. Die meisten davon wurden auseinandergerissen, aber einige haben den Prozess überstanden. Die größten davon beherbergen heute bekannte Satellitengalaxien wie die Magellanschen Wolken oder die Sagittarius-Zwerggalaxie. Andere Klumpen waren zu klein, als dass Sterne aus ihnen hätten entstehen können. Astronomen vermuten aber, dass sie sich immer noch im Halo unserer Galaxie verbergen, wenngleich kein Teleskop sie bisher entdeckt hat.

Gammastrahlen werden in Regionen mit einer hohen Dichte von Dunkler Materie erzeugt, wenn die Teilchen zusammenstoßen und zerstört werden. Viele Kosmologen gehen bisher davon aus, dass das Fermi-Teleskop nach Gammastrahlen aus den Trabanten der Milchstraße suchen solle, da deren Zentren sehr dicht sind. Die Simulationen des Virgo-Teams zeigen aber, dass dies nicht der beste Ort für die Suche ist. Die sorgfältigen Berechnungen der Wissenschaftler belegen, dass Signale am leichtesten in Regionen der Milchstraße entdeckt werden könnten, die zwar innerhalb der Umlaufbahn der Sonne um das galaktische Zentrum, aber nicht zu nah an diesem liegt.

Auf der Suche nach Gammastrahlen

Genau ins Zentrum zu blicken, wäre eine schlechte Strategie für das Fermi-Teleskop. Das Signal könnte dabei durch Gammastrahlen von anderen Quellen, wie beispielsweise den Überbleibseln von Supernovae oder von Gaswolken gestört werden, in denen sich Sterne bilden. Stattdessen empfehlen die Wissenschaftler, 10 bis 30 Winkelgrade außerhalb des Zentrums zu suchen. Die Dunkle Materie sollte dort in einem sich gleichmäßig verändernden und charakteristischen Muster leuchten.

“Wenn das Teleskop tatsächlich die vorausberechnete Emission aus dem gleichmäßigen inneren Halo der Milchstraße entdeckt, dann könnte es, wenn wir Glück haben, auch Gammastrahlen aus kleinen (und ansonsten unsichtbaren) Klumpen von Dunkler Materie sehen, die zufällig besonders nah an der Sonne liegen”, sagt Volker Springel, der die Rechnerkalkulation überwachte. Diese Klumpen werden deutlich lichtschwächer sein als der Haupthalo, könnten aber dennoch entdeckt werden. Die bekannten Satellitengalaxien würden ebenfalls in Gammastrahlen sichtbar sein, obwohl ihre Entdeckung aufgrund ihres größeren Abstandes noch schwieriger ist.

Die Simulation benötigte insgesamt 3,5 Millionen Rechnerstunden. “Mitunter glaubte ich, sie wird nie fertig”, sagt Volker Springel.

“Diese Berechnungen erlauben uns endlich, zu sehen, wie die Verteilung der Dunklen Materie nahe der Sonne aussehen sollte”, erklärt Simon White, Direktor am Max-Planck-Institut für Astrophysik. “Das Rätsel um die Dunkle Materie zu lösen, wäre eine der größten wissenschaftlichen Leistungen unserer Zeit. Es ist bemerkenswert, dass sogar theoretische Fortschritte auf einem so wichtigen Gebiet jetzt in internationaler Zusammenarbeit erzielt werden”, sagt Carlos Frenk, Direktor des Institute for Computational Cosmology an der Durham University. (Quelle: idw)

Das Vakuum gilt gemeinhin als Synonym für die absolute Leere. Doch weiß man inzwischen, dass selbst im Labor, wo fast das absolute Nichts erzeugt werden kann, Kräfte im Vakuum wirken. Was Heisenbergs Unschärferelation möglich macht, benutzen Holger Gies und sein Team. Sie waren die erste Gruppe, die die sogenannte Casimirkraft zwischen beliebig geformten Körpern vorhersagen und berechnen konnte. “Wenn man Platten oder Kugeln ins Vakuum einbringt, verändert man es”, sagt der neue Professor für Theoretische Physik/Quantenfeldtheorie der Universität Jena. “Diese Reorganisation führt dazu”, so Prof. Gies, “dass die Casimirkräfte entstehen.”

Diese Entdeckung war nicht nur ein Höhepunkt im wissenschaftlichen Werdegang des heute 36-Jährigen. Sie führte ihn auch von den theoretischen Überlegungen zur Anwendung. “Der Transfer ist es, der mich mittlerweile interessiert”, sagt Prof. Dr. Holger Gies.

An der Friedrich-Schiller-Universität geht er jetzt auf die Jagd “nach dem kleinen Bruder von Elektron oder Photon”. Denn der Theoretische Physiker ist sich sicher, dass man mit Licht nach neuen Teilchen suchen kann - auch dafür sei Jena der richtige Ort. Außerdem will der sportliche Physiker hier die Starke Wechselwirkung untersuchen. Wie entsteht die Masse? - Wie wird aus einem leichten Quark ein schweres Proton? Diese Fragen beschäftigen den begeisterten Hochschullehrer, der unter seinen Studierenden “eine Atmosphäre des Fragens schaffen” will.

Fragen haben ihn selber auf seinem wissenschaftlichen Weg immer weiter geführt. Was ist das Nichts? - diese Frage beantwortete er in seiner Dissertation (1999), indem er die Eigenschaften des Quantenvakuums in starken Feldern ermittelte. Die Quantenfeldtheorie, die für ihn “eine universelle Sprache” ist, treibe ihn. (Quelle: idw)

Kommentar:

Die Quantentheorie ist ein abstrakter mathematischer Formalismus, dessen Vorhersagen immer wieder beeindruckend gut bestätigt werden. Aber kann ein Formalismus tatsächlich die Welt erklären? Der Autor und Verfasser des Sachbuchs Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen begnügt sich nicht mit einem Formalismus, sondern führt eine weitere Erklärungsebene ein. Er beantwortet die Frage nach den Eigenschaften des absoluten Nichts, indem er für sonst unerklärliche Quantenphänomene eine Erklärung findet.