Autor: Alexander Unzicker

STRAHLENDE RAUCHER? ODER: ÜBER DIE KOSMOLOGIE DES SCHWACHEN GLIMMENS

Vom All aus Raucher beobachten … ist das SMOKERmöglich?
Jedenfalls hatte sich eine Forschergruppe zur Aufgabe gemacht herauszufinden, wie die Raucher in einer Großstadt verteilt sind – und erwartete spektakuläre Erkenntnisse. Sie wertete Bilder von Satelliten aus, die mit so empfindlichen Messgeräte ausgestattet sind, dass sie das schwache Glimmen der Zigaretten aus der Höhe des Satellitenorbits noch erkennen können.

Die eigentliche Herausforderung bestand darin, dass das Glimmen der Zigaretten von den Millionen Lampen der Häuser, Straßen, Fahrzeuge, Flugplätze, Sportstadien usw. überstrahlt wird. Das Licht der Lampen ist um ein Vielfaches heller als die glühenden Zigaretten. Selbst die Fehlertoleranzen, die bei der computergestützten Filtermethode eingeräumt werden müssen, sind größer, als das zu messende Signal – also die Leuchtkraft der Zigaretten.

Sie kennen die Studie nicht? O.K., ich gebe es zu: Ich habe sie erfunden. Ganz an den Haaren herbeigezogen ist das Beispiel jedoch nicht. Ähnlichen Schwierigkeiten sahen sich die auswertenden Wissenschaftler der COBE- und WMAP-Daten gegenüber. Die beiden Satelliten COBE und WMAP haben den gesamten Himmel im Frequenzbereich der sogenannten Hintergrundstrahlung vermessen – einer Strahlung, von der vermutet wird, dass sie noch vom Urknall übrig ist.

Mithilfe von speziellen Computerprogrammen wurden aus den Messdaten dann die sogenannten Vordergrundsignale der Sterne, der Nebel und aller anderen Objekte herausgerechnet.

Ich weiß nicht, wie es Ihnen geht, aber ich würde diesen Daten nicht ganz trauen. Zu groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie an unzähligen Stellen falsch sind, weil das Signal durch die Vordergrundstrahlung komplett überdeckt ist und die Filtermethode Geisterwerte erzeugt.

Abgesehen von dieser Unsicherheit war das Ergebnis nicht so, wie erwartet. Die Kosmologen erhofften sich, eine ungleichmäßige Verteilung der Hintergrundstrahlung zu finden. Davon hätten sie eventuell eine Erklärung für die ungleichmäßige Massenverteilung ableiten können, wie sie heute im Weltall beobachtet werden kann: Massezusammenballungen in Form von Sternen, Nebeln und Galaxien stehen großen, fast völlig leeren Räumen gegenüber.

Der große Aufwand brachte jedoch eine fast völlige Gleichverteilung der Strahlung ans Licht, die die ausgeprägten Strukturen im Universum nicht erklären kann. Heute werden immer subtilere Eigenschaften aus den Daten herausgelesen, obwohl das angebliche Signal viel schwächer als der Vordergrund aus Sternen, Gaswolken und Galaxien ist – eben wie eine glimmende Zigarette oder schon wie eine ausgegangene.

Noch grundsätzlichere Kritik übt der von mir sehr geschätzte Pierre-Marie Robitaille an der Datenverarbeitung. Ob er Recht hat, wird sich zeigen, aber auf seine Argumente muss fundiert eingegangen werden. Saubere Datenauswertung wäre wichtiger, als Fantasiegeschichten über die ersten Momente des Universums.

Mehr darüber erfahren Sie in meinem Artikel, hier: www.heise.de/tp/artikel/44/44441/1.html

WE ARE BRITISH

Über die eigenartige kosmische Inflationstheorie habe ich ja schon einiges geschrieben, etwa bei telepolis, aber nicht alle Physiker äußern sich so direkt…. Eine Frage, die in diesem Zusammenhang immer wieder aufgeworfen wird, ist die Homogenität des kosmischen Mikrowellenhintergrundes. Sie lässt sich aber bei genauerem Hinsehen keineswegs leicht mit der Inflation erklären:

„Was auch immer die anfängliche Struktur war, wir können nicht erwarten, dass sie einfach durch die Physik eines Inflationsprozesses ausgebügelt wurde“

wie der renommierte britische Physiker Sir Roger Penrose in seinem Buch A Road to Reality  schreibt. Die ganze Idee, dass die beobachtete einheitliche Struktur durch einen Wärmeaustausch erfolgt sei, hält er für ein fehlerhaft es Konzept. Wie sehr muss ihm als einem der führenden Köpfe der Thermodynamik die immer größere Popularität der Inflationstheorie auf die Nerven gehen! Dennoch entschuldigt er sich als britischer Gentleman zehn Zeilen lang, bevor er vorsichtig formuliert:

„Ich denke es gibt gewichtige Argumente, die an der untersten Basis der inflationären Kosmologie zweifeln lassen, so dass ich diese dem Leser nicht vorenthalten sollte.“

Auf Deutsch: Er hält die ganze Idee für Mist. Martin Rees beschreibt in seinem Buch Our Universe and Others sogar, dass Penrose sich mündlich deutlicher ausdrückte:

„Die Inflation ist eine Mode, mit der die Hochenergiephysik die Kosmologie heimgesucht hat. Auch Erdferkel finden ihren Nachwuchs schön.“

Martin Rees selbst, Fellow der Royal Society und königlich-britischer Hofastronom, drückt dagegen seine Vorbehalte ebenfalls gentleman-like aus:

„Alle diese Ideen beleuchten die Verbindung zwischen dem Kosmos und der Mikrowelt – aber sie werden nicht bestätigt werden, bevor wir nicht ein richtiges Verständnis von Raum und Zeit erreichen, den Grundlagen der physikalischen Welt.“

Generell formulieren europäische Physiker die Thesen der Inflation oft im Konjunktiv, der auf dem Weg über den Atlantik meist herausgespült wird. Daher kommt es wohl, dass ein wesentlich frecherer Kritiker der Inflation, der Portugiese Joao Magueijo, schreibt:

 Im Laufe der Jahre nahm die Beliebtheit der Inflation bei Physikern unaufhaltsam zu. Schließlich wurde die Inflation selbst Teil der Mainstream-Physik, so dass sie allmählich zur einzig gesellschaftlich akzeptierten Art wurde, Kosmologie zu betreiben. Alle Versuche, sie zu umgehen, galten fortan als verschroben und abwegig. Aber nicht in den Ländern Ihrer Majestät, Königin Elisabeth II .

Die Inflationstheorie ist nur mehr mit Humor zu ertragen.

(vgl Vom Urknall zum Durchknall, Kap. 10)

100 JAHRE FÜR DIE TONNE

a lady fly in zero gravity roomWenn Außenseiter nach ihrem Tode immer noch Außenseiter bleiben, sind ihre Ideen entweder zu wirr oder zu avantgarde.

Die vom großen Physiker Ernst Mach sind weder das eine, noch das andere. Warum sie dennoch in der Physik nur als Anekdote betrachtet werden, lässt tief blicken – in die Köpfe der heutigen Physiker.

Warum ich das meine? Ernst Mach hat sich unter anderem mit der Frage beschäftigt, wie er Newtons Gravitationsgesetz verbessern könnte. Das hat nämlich – dieser Meinung sind außer Mach auch andere bedeutende Physiker wie Paul Dirac und Robert H. Dicke – einen veritablen Pferdefuß. Anlass für Machs Kritik ist das sogenannte Eimer-Experiment von Newton und seine Folgerungen daraus.

Stellen Sie sich einen halbvoll mit Wasser gefüllten Eimer vor. Dieser Eimer beginnt nun zu rotieren wie ein Karussell. Was macht das Wasser im Eimer?

Richtig: Erstmal gar nichts. Es bewegt newtonsEimersich nicht. Irgendwann überträgt sich die
Bewegung des Eimers jedoch auf das Wasser und es beginnt, sich mit dem Eimer zu drehen. Dabei steigt es an den Wänden des Eimers hoch. Wenn Sie den Eimer nun anhalten, dreht sich das Wasser noch eine Weile weiter und die Wölbung seiner Oberfläche lässt nur mit der Zeit langsam nach.

Wie kann es sein, dass das Wasser nicht sofort auf die Bewegung des Eimers reagiert? Newton nannte dieses Verhalten „Trägheit“ und seine Schlussfolgerung war, dass es außer der Bewegung des Eimers noch einen zweiten Bezug geben müsse, der das Wasser beeinflusst.

Um diesen zweiten Bezug zu erklären, nahm Newton einen absoluten Raum an, der alles beinhaltet, aber selber nicht direkt beobachtbar ist. Nur seine Wirkung bekommen Sie zu spüren – zum Beispiel als die Kraft, die an Ihren Armen zieht, wenn Sie sich drehen oder die das Wasser an der Eimerwand emporsteigen lässt.

„Was für eine Idee,“ sagen Sie jetzt vielleicht. Physikern wie Albert Einstein oder eben auch Ernst Mach bereitete Newtons Schlussfolgerung jedoch einige Kopfschmerzen. Dieser absolute Raum ist nämlich nur sehr schwer nachzuweisen und hat deshalb gute Chancen, ein ewiges a priori zu bleiben. Bis heute kann jedenfalls niemand behaupten, er hätte einen Beweis für den absoluten Raum gefunden.

Ernst Mach hatte dazu jedoch eine geniale Idee: Statt einen absoluten Raum anzunehmen, der nicht nachweisbar ist, könnte die Trägheit doch dadurch zustande kommen, dass alle Massen im Universum auf das Wasser einwirken.

Albert Einstein kannte diese Idee und zog sie mit ins Kalkül, während er seine Relativitätstheorie entwarf. Die Trägheit nicht von einem absoluten Raum abhängig zu machen, würde ja auch hervorragend zur Idee der Relativität von Zeit und Raum passen. Damit wäre auch die Gravitation von den entfernten Massen im Universum  abhängig. Leider konnte er Machs Vorschlag trotzdem nicht vollständig in seine Theorie integrieren.

Wenn Sie heute also Machs Idee wiederaufleben lassen wollen, müssen Sie sehr wahrscheinlich sowohl Newtons Gravitation – den Grundstein der klassischen Mechanik – als auch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie – den Grundstein der modernen Physik – überdenken. Das würde allerdings hundert Jahre etablierte Physik in Frage stellen, was nicht allen heutigen Physikern gefällt…

Und doch gibt es einige moderne Daten, die darauf hindeuten, dass Mach Recht hatte! Viele heute offene Fragen würden dann vielleicht geklärt.

 

Mit diesem faszinierenden Ansatz habe ich mich auch in meinem gerade erschienenen Buch „Einsteins verlorener Schlüssel – Warum wir die beste Idee des 20. Jahrhunderts übersehen haben“ beschäftigt. Wer es lesen möchte, findet es hier:
http://www.amazon.de/Einsteins-verlorener-Schlüssel-Jahrhunderts-übersehen/dp/1517045452/

DIE PHYSIK UND DAS AUTO – EINE PARALLELE ENTWICKLUNG?

Der Benz Patent-Motorwagen Nr. 1 war
ein einfaches Auto. MPatent-Motorwagen_Nr.1_Benz_1it etwas Geschick konnten Sie vieles selbst reparieren und selbst wenn nicht: Der Monteur fand den Fehler schnell und die Reparatur war in der Regel unproblematisch einfach.

Die Physik zur Zeit von Gottlieb Daimler und Karl Benz feierte viele Erfolge und es gab eine Koevolution von Wissenschaft und Technik, von deren Innovationspotenzial wir noch heute zehren.

Inzwischen sind die meisten Autos vollgestopft mit Technik und Elektronik. Die Physik hat ungefähr im selben Zeitraum eine ähnliche Entwicklung erfahren: Die einst recht einfachen Modelle und Theorien wurden erweitert, ausgebaut und so immer komplizierter und unübersichtlicher.

Klingt nicht schlecht, sagen Sie jetzt vielleicht. Die heutigen Autos sind zwar komplizierter geworden, aber auch schneller, bequemer und leistungsfähiger.

Leider hinkt der Vergleich zwischen der Entwicklung der Autos und der Entwicklung der Physik an dieser Stelle. Die Physik ist nicht nur so unübersichtlich geworden, dass Sie keinen Physiker mehr finden werden, der alle Teildisziplinen im Blick hat, sie wurde auch geradezu unfruchtbar.

Warum unfruchtbar, fragen Sie? Nun, das hängt mit der zunehmenden Komplexität zusammen. Die Standardmodelle leisten sich heute eine Vielzahl von Naturkonstanten. Beunruhigend daran ist, dass diese Konstanten Zahlen sind, die die Physik nicht erklären kann. Sie werden einfach gebraucht, um eine Diskrepanz zwischen Theorie und Praxis auszugleichen.

Sie können es auch so sehen: Wo es eine Naturkonstante gibt, hat es sich jemand einfach gemacht. Statt eine Lösung für das Problem zu finden, hat er sich mit einem Workaround begnügt. Erwin Schrödinger sagte dazu: „Ist das Problem erst mit einer Ausrede beseitigt, entfällt auch die Notwendigkeit, darüber nachzudenken.“

Zugegeben: Eine Naturkonstante zu eliminieren kann Jahrzehnte in Anspruch nehmen und bedarf unter Umständen einer veritablen Revolution zumindest eines Teilgebietes der Physik. Gerade diese schwierige Arbeit ist jedoch notwendig, wenn die Physik gesund und fruchtbar bleiben soll.

Darüber hinaus bedient sich die heutige Physik weiterer willfähriger Werkzeuge der Problembeseitigung, wie die Dunkle Materie und die Dunkle Energie in der Kosmologie und auch eine unübersichtliche Menge hunderter von Elementarteilchen in der Teilchenphysik. Leider ist es heute unmöglich und wird auch in Zukunft fast aussichtslos bleiben, sie zu beobachten – also in der Realität einen Nachweis ihres Daseins zu finden.

Eine Naturkonstante mehr, eine dunkle Substanz mehr, ein Elementarteilchen mehr ist also normalerweise kein Gewinn für die Wissenschaft, sondern ein Verlust an Klarheit.

Sie fragen zurecht, ob dann noch ein Erkenntnisgewinn möglich ist, denn wenn schon die theoretische Aussage unklar ist, gibt es auch keine Deutungsgrundlage für konkrete Beobachtungen und Messungen. Die Theorie bleibt Theorie und die Praxis steht mit leeren Händen da. Und das ist auch der Grund, warum die Physik seit Jahrzehnten unfruchtbar ist. Wo nichts Greifbares entsteht, da kann auch keine technische Innovation abgeleitet werden.

Zu Zeiten der ersten Autos gab es noch einige Physiker, die sich darum bemühten, Naturkonstanten zu eliminieren oder das physikalische Theoriegebäude sonstwie zu vereinfachen und auf diese Weise plausibler und erkenntnisreicher zu machen. Heute hat sich der Trend wie gesagt umgekehrt.

Da fällt mir doch noch eine weitere Parallele zu den heutigen Autos ein: Die Physik ist, wie auch die Autos, ungeheuer bequem geworden. Probleme müssen nicht mehr gelöst werden. Vereinfachung – die harte, kreative Arbeit des klassischen Theoretikers – ist kein Thema mehr. Der moderne Physiker postuliert einfach ein neues Teilchen oder eine neue dunkle Substanz und schon läuft die Karre wieder.

Wie wär’s? Haben Sie nicht auch Lust, mal ein Elementarteilchen zu erfinden? Vielleicht wird Ihnen ja sogar der Nobelpreis dafür verliehen.

 

Bildrechte: DaimlerChrysler AG, Lizenz: CC BY-SA 3.0

Revolution durch Reduktion

Isaac Newton

Wie schwer Sie sich fühlen, hängt vielleicht nicht nur von Ihrer eigenen Körpermasse ab, sondern von der Gesamtmasse des Universums.

Sie erinnern sich vielleicht: Sir Isaac Newton war es, der zum ersten Mal die Anziehungskraft zweier Körper in seinem Gravitationsgesetz beschrieb. Ernst Mach hatte dazu einen interessanten Gedanken: Die Stärke der Gravitationskraft könnte von der Gesamtmasse des Universums abhängen.

Warum dieser Gedanke so spannend ist?

Newton hatte für seine Berechnung der Gravitationskraft einen mathematischen Kunstgriff benötigt, der als Gravitationskonstante bezeichnet wird. Es ist ein fester Zahlenwert, dessen Existenz die Theorie jedoch nicht erklären kann.

Hinge die Gravitation jedoch von der Gesamtmasse des ganzen Universums ab, würde die Gravitationskonstante wegfallen. Statt einer unerklärten Zahl, gäbe es eine Erklärung für den Wert, der hinter dieser Zahl steckt. Diese Reduktion um eine Konstante könnte für die Physik eine Revolution bedeuten.

Und jetzt kommt der Clou: Diese Revolution könnte gelingen, wenn die Lichtgeschwindigkeit veränderlich wäre.

Die von Einstein entwickelte allgemeine Relativitätstheorie kann entweder durch einen gekrümmten Raum oder durch eine variable Lichtgeschwindigkeit beschrieben werden. Beide Möglichkeiten sind rechnerisch äquivalent, kommen also über einen anderen Weg auf die gleichen Ergebnisse.

Alle modernen Tests, die es heute dazu gibt, werden von beiden Möglichkeiten korrekt beschrieben – das wurde inzwischen ausführlich bewiesen.

Allerdings hat Einstein die Möglichkeit der variablen Lichtgeschwindigkeit nicht weiter verfolgt und inzwischen ist sie fast völlig in Vergessenheit geraten. Es ist ein bisschen so, als hätte die Physik einen Schatz noch nicht gehoben, der schon seit über hundert Jahren versunken in ihrem Hafenbecken liegt. Unglaublich? Aber wahr.

Welchen Zusammenhang die Gravitation mit einer variablen Lichtgeschwindigkeit haben könnte, dazu hatte der geniale amerikanische Astrophysiker Robert Dicke 1957 eine Idee. Sie basiert auf einer Formel, die Einstein 1911 entwickelte, als er an seiner Relativitätstheorie arbeitete: Die Summe aller Gravitationspotenziale des Universums könnten genau dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit entsprechen.

Das heutige Standardmodell der Kosmologie hat für diesen Zusammenhang jedoch keine Erklärung. Da diese Möglichkeit so ein faszinierendes, revolutionäres Potenzial hat, lohnt es sich, sie nochmal aus der Gruft der ad acta gelegten Ideen der Physik zu holen und zu prüfen, ob sie nicht doch reanimiert werden kann.

Sie dürfen sich durchaus aufgefordert fühlen. Wer weiß, vielleicht heben Sie ja den versunkenen Schatz?

Mehr zum Thema erfahren Sie in meinem Buch „Einsteins verlorener Schlüssel“, das im November erscheint.