NASA entwickelt Lichtgeschwindigkeitsantrieb

Darstellung von Helical Engine im Weltraum

Steht die NASA kurz davor einen Lichtgeschwindigkeitsantrieb zu bauen? Könnten wir bald schon unser Sonnensystem verlassen und zu weit entfernten Sternen reisen?

Wer nachts hoch zu den Sternen blickt, kennt das Gefühl: die Faszination über die Schönheit und Größe des Kosmos und gleichzeitig die Enttäuschung darüber, dass man diese fremden Systeme und Planeten vermutlich niemals zu Gesicht bekommen wird. Die Distanzen im Weltraum sind gigantisch groß und mit herkömmlichem Antrieb nicht zu überbrücken. Alleine unser Nachbarstern, also der nächste Stern an unserem Sonnensystem, Proxima Centauri, ist 4,2 Lichtjahre von uns entfernt. Unsere derzeitigen Antriebe reichen noch nicht mal annähernd dafür aus, den nächsten Exoplaneten, Proxima Centauri B, zu besuchen. Müssen wir die Hoffnung aufgeben, dass wir unseren nächsten Urlaub statt auf Malle vielleicht doch auf Proxima B verbringen können? 

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Lichtgeschwindigkeit: Ingenieur hat Bauplan erstellt

Es gibt Hoffnung, denn ein NASA-Ingenieur sagt, er habe einen Bauplan für einen Lichtgeschwindigkeitsantrieb entwickelt. David Burns hat ein Triebwerkskonzept entwickelt, das theoretisch auf 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen könnte – ganz ohne Treibstoff. Aber was heißt überhaupt Lichtgeschwindigkeit? Wie im normalen Leben auf der Erde gibt es auch im Universum gewisse Regeln. Die nennt man Naturgesetze und eines davon lautet: Schneller als Lichtgeschwindigkeit im Vakuum geht nicht. Die Relativitätstheorie besagt, dass sich die Geschwindigkeit von Licht, das sich durch ein Vakuum bewegt, nie verändert. Mit gerundet 300.000 Kilometern pro Sekunde erreicht Licht die höchstmögliche Geschwindigkeit im Universum. Das gilt übrigens nicht nur für Licht, sondern für alle anderen elektromagnetischen Wellen. 

Ein Raumschiff fliegt durch die Raumzeit

Diese Geschwindigkeit ist bekannt als maximale Geschwindigkeit c. Woraus ergibt sich diese maximale Geschwindigkeit? Ein Raumschiff, das durch den Kosmos fliegt, bewegt sich durch Raum und Zeit. Je schneller es sich durch den Raum bewegt, desto langsamer vergeht die Zeit. Ihr erinnert euch an das Konzept der Raumzeit. Jetzt stellen wir uns ein Photon vor, ein Lichtteilchen. Das bewegt sich natürlich wesentlich schneller als ein Raumschiff, nämlich mit der maximalen Geschwindigkeit c. Diese Geschwindigkeit hat einen derart massiven Einfluss auf die Raumzeit, dass die Zeitkomponente komplett entfällt. Die Zeit wird so sehr verlangsamt, dass sie stillsteht – für das Licht existiert so gesehen keine Zeit. Und das stellt die maximale Ausreizung der Beziehung zwischen Raum und Zeit dar. Mehr als das Wegfallen der Zeitkomponente geht nicht und deswegen ist an diesem Geschwindigkeitspunkt die maximale Geschwindigkeit erreicht. 

Wie kann man Lichtgeschwindigkeit erreichen?

Wie kann es denn nun gelungen sein, mit einem Antrieb annähernd Lichtgeschwindigkeit zu erreichen? David Burns nennt sein Konzept Helical Enginge, also auf Deutsch Helix-Antrieb, und es macht sich masseverändernde Effekte zunutze, die bei annähernder Lichtgeschwindigkeit auftreten. Stellt euch mal folgende Konstruktion vor: Ein Kasten befindet sich auf einer reibungsfreien Oberfläche. Im Inneren dieses Kastens befindet sich eine Stange, auf der ein Ring gleiten kann. Wenn eine Feder im Inneren des Kastens dem Ring einen Schubs gibt, gleitet der Ring entlang der Stange in die eine Richtung, während der Kasten in die andere zurückschnellt. Wenn der Ring das Ende des Kastens erreicht, springt er zurück, und die Rückstoßrichtung des Kastens ändert sich ebenfalls. Das ist das euch bestimmt bekannte Prinzip der Aktion und Reaktion – auch bekannt als Newtons drittes Bewegungsgesetz. 

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Genau dieses Aktion-Reaktion-Gesetz machen sich auch klassische Raketen zunutze, die Treibstoff in die eine Richtung abfeuern, um in die andere Richtung empor zu fliegen. So weit, so unspektakulär. In unserem Kasten würde das nun einfach dazu führen, dass der Kasten gleichmäßig hin und her wackeln würde, der Ring bekommt ja von jeder Feder immer denselben Rückstoß. Mit so einem Kasten kommen wir sicherlich nicht nach Proxima Centauri. Aber was wäre, wenn die Masse des Rings viel größer wäre? Dann würde der Kasten an einem Ende einen größeren Stoß erhalten als am anderen. Die Aktion würde die Reaktion übertreffen und die Kiste würde nach vorne beschleunigt – Richtung unendliche Weiten! 

Helical Drive: Möglich mit einem Teilchenbeschleuniger

Aber: Wenn die Aktion die Reaktion ohne externe Einwirkung übersteigt, hätten wir dann nicht Newtons drittes Gesetz und damit einen der Grundsätze der Physik verletzt? Nein, denn der Helical Drive macht sich Effekte zunutze, die nahe der Lichtgeschwindigkeit auftreten. Einsteins spezielle Relativitätstheorie besagt, dass Objekte an Masse gewinnen, wenn sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, ein Effekt, der übrigens auch in Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider im Forschungszentrum CERN berücksichtigt werden muss. Die Ausnutzung dieses Effekts ist das Kernstück des Helical Drives.

Ähnlich wie der Large Hadron Collider funktioniert auch Helical Engine

Aber natürlich funktioniert das Ganze im Weltraum nicht wirklich mit einem Kasten, einer Stange und einem Ring. Dann könntet Ihr das Ding ja Zuhause bauen. Was cool wäre, aber man müsste in der Realität wohl den Ring durch einen kreisförmigen Teilchenbeschleuniger ersetzen, in dem Ionen, also elektrisch geladene Atome, schnell auf immense Geschwindigkeit beschleunigt und ebenso schnell wieder abgebremst werden können. Und was machen wir mit dem Kasten und dem Stab? Brauchen wir gar nicht, stattdessen bauen wir den Teilchenbeschleuniger spiralförmig. Er fungiert dann sowohl als Kasten, Stange, Ring und Feder. Mit einem solchen spiralförmigen Teilchenbeschleuniger, der Ionen auf annähernde Lichtgeschwindigkeit bringt, könnten wir durch den massebeinflussenden Effekt der Lichtgeschwindigkeit also den Helical Drive Realität werden lassen. 

Das Problem mit der Energie

David Burns beschreibt das so: “Das Triebwerk beschleunigt die in einer Schleife eingeschlossenen Ionen auf mäßige relativistische Geschwindigkeiten und variiert dann ihre Geschwindigkeit, um ihre Masse leicht zu verändern. Das Triebwerk bewegt die Ionen dann entlang der Bewegungsrichtung hin und her, um Schub zu erzeugen.” Das klingt jetzt erst mal alles sehr durchdacht und raffiniert. Aber: Ein paar praktische Probleme gibt es doch. Einige Forscher haben nachgerechnet und kamen zu dem Schluss, dass das spiralförmige Gebilde gigantische Ausmaße haben müsste. Damit das Konzept funktioniert, müsste es etwa 200 Meter lang und zwölf Meter im Durchmesser sein. Das wäre sicherlich noch machbar, aber das größte Problem ist der Energieaufwand. Damit der Helix-Antrieb funktioniert, müsste man Unmengen an Energie hineinstecken. Denn er benötigt 165 Megawatt Leistung, um nur 1 Newton Schub zu erzeugen, was in etwa der Kraft entspricht, die man zum Tippen auf einer Tastatur benötigt. Also man müsste bereits große Mengen Energie investieren, um auch nur die Kraft eines Tippens auf einer Tastatur herauszubekommen. 

Andererseits könnte sich die Menge an Energie, die man reinstecken muss, im Vakuum des Weltraums reduzieren. Dennoch wird es wohl dabei bleiben, dass der Helix-Antrieb extremst energieineffizient bleibt. Aber das wichtigste ist: Der Helix-Antrieb würde funktionieren und er würde durch die Anwendung der speziellen Relativitätstheorie nicht das Aktion-Reaktionsprinzip verletzen und alleine dadurch hebt er sich schon von ähnlichen Konzepten wie beispielsweise dem sogenannten EM-Drive ab, der auf der Nutzung von Mikrowellen basiert, aber eben nach herrschender Meinung die newtonschen Gesetze verletzt. 

Bis wir wirklich einen praktisch einsetzbaren Helix-Antrieb haben, der uns zu den Sternen bringt, wird wohl noch etwas Zeit vergehen. Insbesondere brauchen wir dafür Durchbrüche in der Energieerzeugung, eventuell durch Kernfusion. Aber es ist ein erstes vielversprechendes Konzept und irgendwo muss man anfangen, um dann darauf aufzubauen.

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Befindet sich das Universum in einem Weißen Loch?

Künstlerische Darstellung Universum und Schwarzes Loch

Befindet sich unser Universum in einem Weißen Loch? Dafür gibt es starke Hinweise!

Wie ist eigentlich das Universum entstanden? Woher kommt all das hier und wie konnte es zu dem seltsamen Umstand kommen, dass wir auf der Erde sind und uns Gedanken über den rätselhaften Kosmos machen? 

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Ein kurzer Rückblick auf das, was bisher geschah: Unser Universum existiert nach der Ansicht der meisten Astrophysiker seit knapp 13,8 Milliarden Jahren. Der Anfangspunkt war nach herrschender Meinung der Urknall, ein Akt der Selbstschöpfung des Kosmos. All die Energie und Materie, die heute in Form von Planeten, Nebeln, Sternen und so weiter durch das All fliegt, war in einem winzigen Punkt zusammengequetscht, einer sogenannten Singularität. Aus ominösen Gründen begann dieser Punkt zu wachsen und zu wachsen – bis heute. 

Mit dem Urknall begann das Universum

Warum ist der Kosmos, wie er ist?

Und heute hat der Weltraum gigantische Ausmaße erreicht. Er ist gefüllt mit Milliarden wenn nicht Billionen von Galaxien. Und er dehnt sich immer noch aus. Die allermeisten Galaxien bewegen sich in diesem Moment von uns weg. Das ist der kosmologische Stand der Dinge, ganz grob zusammengefasst und da könnte man ja eine sehr berechtigte Frage stellen: Warum ist das überhaupt so?

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Die meisten Astrophysiker sagen: Einfach so. Das Universum ist aus dem Nichts entstanden und vor dem Universum war demnach einfach nichts. Es gibt aber auch andere Hypothesen, unter anderem, dass sich unser Universum in einem Schwarzen Loch befindet. Eine andere lautet: Unser Universum ist in einem Weißen Loch. Um das zu verstehen, müssen wir erstmal klären, was ein Weißes Loch überhaupt ist. Ihr könnt euch ein Weißes Loch vorstellen wie das Gegenstück zu einem Schwarzen Loch. Ganz vereinfacht gesprochen: Schwarze Löcher ziehen Dinge an, Weiße Löcher spucken Dinge aus. Während hinter dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs keine Kraft der Physik mehr entkommen kann, noch nicht mal das Licht, könnte den Ereignishorizont eines Weißen Lochs keine Kraft der Physik die Grenze von außen überwinden, man käme also gar nicht rein. 

Die Theorie der Einstein-Rosen-Brücke

Wenn man die Idee weiter spinnt, könnte jedes Schwarze Loch mit einem Weißen Loch verbunden sein. Diese Verbindung, dieser Raumzeittunnel wäre eine Einstein-Rosen-Brücke oder umgangssprachlich auch ein Wurmloch. Wer sich fahrlässigerweise in ein Schwarzes Loch einsaugen lässt, könnte ganz woanders im Universum aus einem Weißen Loch ausgespuckt werden. Das ist aber alles nur Theorie. Der praktische Beweis für die Existenz Weißer Löcher steht noch aus, man hat noch keines in freier Wildbahn gefunden. 

So könnte die Einstein-Rosen-Brücke aussehen

Aber sie sind im Rahmen von Albert Einsteins berühmten Feldgleichungen möglich. Durch die Lösung konnte man schon die Existenz Schwarzer Löcher theoretisch vorhersagen, lange bevor man wirklich das erste Bild eines Schwarzen Lochs machen konnte. Bisher hatte Albert Einstein eigentlich mit allem Recht und deswegen könnte man argumentieren, dass auch Weiße Löcher existieren, wir sie aber eben wegen mangelhafter technischer Mittel noch nicht entdeckt haben. 

Was ist das Informationsparadoxon?

Ein weiteres Argument für die Existenz Weißer Löcher ist das sogenannte Informationsparadoxon. Wenn etwas hinter dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs verschwindet und dann Teil der Singularität wird, gehen Informationen des verschluckten Etwas verloren – denn das Innere eines Schwarzen Lochs besitzt keine Informationen mehr außer Informationen über die Masse, die elektrische Ladung und den Drehimpuls. Mehr Daten kann man über ein Schwarzes Loch nicht erheben. Der berühmte Physiker John Wheeler beschrieb das etwas seltsam mit dem Satz: Schwarze Löcher haben keine Haare. Also haben sie quasi nichts, anhand dessen man sie beschreiben könnte. Es gibt einen quantenphysikalischen Grundsatz, der besagt, dass Informationen nicht verloren gehen können, das Postulat der Unitarität der Zeitentwicklung.

Einfacher formuliert: Gemäß der Quantenphysik können Informationen nicht unwiederbringlich verloren gehen. In einem Schwarzen Loch scheint aber genau dies zu geschehen. Paradox. Die Lösung für dieses Informationsparadoxon könnten – richtig – Weiße Löcher sein. Die Informationen gehen vielleicht gar nicht verloren, versteckt vor unseren neugierigen Blicken werden sie irgendwo anders aus einem Weißen Loch wieder herausgepült. 

Darstellung eines Weißen Lochs

Der Physiker Hal Haggard hält das für sehr gut möglich und sagt: “Warum sollte man nicht untersuchen, ob Weiße Löcher derart interessante Konsequenzen haben? Die Geometrie ist in beiden Fällen sehr ähnlich. Das geht sogar so weit, dass sie manchmal mathematisch identisch sind.” Der Anknüpfungspunkt ist die Singularität. Sowohl im Zentrum von Schwarzen Löchern wie auch von Weißen Löchern befindet sich eine Singularität. Und auch unser Universum begann in einer Singularität. Könnte unser Universum also aus einem Weißen Loch geboren sein, dessen Singularität quasi ein Universumssamen war und aus dem alles nun seit Milliarden Jahren wie ein zartes Pflänzlein erblüht? 

Um das noch besser zu verstehen, müssen wir uns in den Bereich der Quantenphysik bewegen, also dem ominösen Teil der Physik, der sich mit den allerkleinsten Elementarteilchen befasst. Bei Singularitäten versagen die Prinzipien der klassischen Physik ein wenig, da ein unendlich kleiner, unendlich verdichteter Punkt nicht wirklich möglich oder beschreibbar ist. Einige Quantentheorien quantifizieren daher die Raumzeit und postulieren eine Quantentheorie der Schwerkraft. Sie kommen zu dem Schluss, dass die Sichtweise der klassischen Physik auf Schwarze Löcher und Co. unvollständig ist. Nach der Theorie der Schleifen-Quantengravitation haben die Grundbausteine der Raumzeit die Form von extrem kleinen Schleifen. Quantenschleifen. Und diese Schleifen haben eine endliche, beschreibbare Größe, stünden also im Einklang mit der Physik. 

Stellen wir uns mal einen sehr schweren Stern vor, der kurz vor dem Kollaps steht, das heißt er endet in einer Hypernova und verdichtet seine Restmasse derart, dass ein Schwarzes Loch entsteht. Gemäß der Quantenschleifentheorie kann diese Zusammenquetschung des Sterns nicht bis zum Punkt der Singularität, also dem Punkt der unendlichen Dichte, reichen. Stattdessen würde der Stern, bevor er den Punkt der Singularität erreicht, einen Quantensprung erleben. Ab einem gewissen Druck, der auf der Restmasse des Sterns lastet, verwandelt sich das Schwarze Loch in ein Weißes Loch. Dieser Prozess der Umwandlung eines Schwarzen Lochs in ein weißes Loch würde nur Bruchteile einer Sekunde dauern. Und genau dieser Schleifenquantensprung eines sterbenden Sterns könnte doch der Startpunkt eines neuen Universums sein. 

Unser Universum könnte entstanden sein, in dem irgendwo anders, in einem Mutteruniversum ein sehr schweres Objekt kollabiert ist und durch einen Quantensprung ein Weißes Loch erschaffen wurde. Durch einen kosmischen Rülpser, um diesen Fachterminus mal weiter zu verwenden, wurde schließlich die gesamte Masse und Energie über den Ereignishorizont des Weißen Loches geschleudert und unser Universum erblickte das Licht der Welt. Der Physiker Lee Smolins machte diese Theorie populär und er beschreibt es so: “Ein Stern, der zu einem schwarzen Loch kollabiert, wird sehr schnell auf eine unendliche Dichte zusammengedrückt und die Zeit bleibt stehen. Anstatt auf eine unendliche Dichte zu kollabieren, kollabiert der Stern auf eine bestimmte extreme Dichte, prallt dann zurück und beginnt wieder zu expandieren. Der Punkt, an dem die Zeit im Inneren eines Schwarzen Lochs endet, wird mit dem Punkt verbunden, an dem die Zeit in einem Urknall in einem neuen Universum beginnt.”

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Leben wir in einem Schwarzen Loch?

Schwarzes Loch

Befindet sich unser Universum in einem Schwarzen Loch? Dafür gibt es neue Hinweise. Was es damit auf sich hat, erfahrt Ihr in diesem Beitrag.

Wir könnten in einem Schwarzen Loch leben – und auch wenn Ihr jetzt denkt, dass ich vielleicht übergeschnappt bin: Ich bin mir sicher, dass ich euch gute Argumente dafür liefern kann. Starten wir mit einer Idee von Stephen Hawking. Hawking hielt es für möglich, dass jedes Mal, wenn in unserem Universum ein Schwarzes Loch erzeugt wird, ein „Baby-Universum“ entstehen könnte, das nur für einen Beobachter zugänglich ist, der sich innerhalb des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs befindet. Was für ein faszinierender Gedanke: Stellt euch mal vor, Ihr würdet von der Gravitation eines Schwarzen Loches erfasst, übertretet den Ereignishorizont und vielleicht erwartet euch dann nicht der Tod sondern ein gänzlich neues, aufregendes Universum. 

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Wenn man diese Idee von Stephen Hawking weiterspinnt, dann liegt der Gedanke nahe, dass auch unser Universum sich in einem Schwarzen Loch befinden könnte. Der Astrophysiker Ethan Siegel hat sich damit beschäftigt und viele Indizien zusammengetragen, die diese Theorie wahrscheinlich erscheinen lassen: “Könnte unser Universum tatsächlich von einem schwarzen Loch hervorgebracht worden sein, das in einer Art großem „Mutteruniversum“ entstanden ist, und gebären wir jedes Mal ein neues Universum, wenn ein neues schwarzes Loch entsteht? Das ist eine faszinierende Idee, die es wert ist, erforscht zu werden.”

Was ist ein Schwarzes Loch?

Dazu erstmal ein paar Grundlagen: Ein Schwarzes Loch ist ein Objekt, das verdichtet ist und so viel Schwerkraft besitzt, dass in einem gewissen Bereich selbst das Licht nicht mehr entkommen kann. Die Grenze dieses lichtverschluckenden Bereiches nennt man Ereignishorizont. Je schwerer das Schwarze Loch ist, desto weiter verschiebt sich der Ereignishorizont nach außen. Was hinter diesem Ereignishorizont geschieht, wissen wir nicht, denn, wenn dort selbst Licht nicht mehr herausdringt, dann kommen gar keine Informationen mehr heraus. Das bietet also jede Menge Raum für Spekulationen. 

Darstellung eines Schwarzen Lochs

Unser Universum ist ein mehrdimensionaler Raum, der permanent expandiert. Er expandiert zwar mit Überlichtgeschwindigkeit, so dass wir das Ende des Kosmos nicht erreichen können, aber entgegen weit verbreiteter Ansicht gibt es ein Ende – auch wenn es vermutlich nicht einfach eine Wand sein dürfte wie im Film die Truman Show. Oder vielleicht doch? Was wäre, wenn die Grenze unseres Universums der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs wäre, das sich in einem noch größeren Mutteruniversum befindet?

Größe des Ereignishorizontes = Größe des Universums?

Außergewöhnliche Behauptungen erfordern außergewöhnliche Beweise, hat schon Carl Sagan gesagt. Deswegen kommen hier nun einige Indizien, die eure Meinung ändern werden. Es gibt Schätzungen darüber, welches Gesamtgewicht das Universum wohl ungefähr haben müsste. Wenn man die Masse und Energie aller im sichtbaren Universum enthaltenen Teilchen zusammenzählt, kann man sich die Frage stellen: „Wie groß wäre der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs mit dieser Masse?“ Und das Ergebnis: Der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs mit der Masse unseres Universums wäre ungefähr so groß wie die Ausmaße des beobachtbaren Universums. Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass das ein Zufall ist? 

Vielleicht wehren sich einige von euch immer noch und sagen: Das Universum ist viel zu groß, das kann nicht in einem Schwarzen Loch zusammengequetscht sein… oder?!

Befinden wir uns in einer Singularität?

Dröseln wir das mal auf. Was würde das bedeuten, wenn unser Schwarzes Loch im Zentrum eines Schwarzen Loches wäre. Das würde in der Tat bedeuten, dass es komplett zusammengequetscht wäre – um es mal sehr wissenschaftlich zu formulieren. Denn das Schwarze Loch selbst ist ein stark verdichteter, kleiner Punkt, eine Singularität, eine Masseansammlung ohne Ausdehnung. Je mehr das Schwarze Loch verschluckt, desto schwerer wird die Singularität – aber nicht größer, denn die besondere Eigenheit einer Singularität ist ja gerade, dass sie immer unfassbar klein bleibt und eine so winzige Ausdehnung besitzt, dass man sie nicht mit irgendeiner Größenangabe beschreiben könnte. Dieses Konzept der Singularität bereitet den Physikern schon lange Kopfzerbrechen. Denn ein unfassbar verdichteter Punkt ohne Ausdehnung steht ein bisschen auf Kriegsfuß mit den Gesetzen der Physik. 

Selbst Albert Einstein hat oft versucht, um das Ergebnis herumzukommen, dass Schwarze Löcher und Singularitäten existieren könnten – obwohl seine entdeckten einsteinschen Gesetze die Existenz von Schwarzen Löchern und damit auch Singularitäten voraussagten. Es ist unglaublich, dass er es selbst nicht wahrhaben wollte. Lange Rede, kurzer Sinn: Da wir keine Ahnung haben, welche bizarren Gesetze das Wesen der Singularität bestimmen, könnte es möglich sein, dass wir uns innerhalb einer solchen Singularität befinden und es nicht wissen. 

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Die Expansion des Kosmos durch Dunkle Energie

Die passende Größe des Ereignishorizonts eines potentiellen Schwarzen Loches und die des beobachtbaren Universums sind ein starkes Indiz. Ein weiteres könnte die Expansion unseres Kosmos sein. Seit der Entstehung des Universums, nach weit verbreiteter Meinung im sogenannten Urknall, vor etwa 13,8 Milliarden Jahren wächst das Universum. Und begonnen hat es nach der Urknalltheorie in einer Singularität. Wie ein Schwarzes Loch. 

Der sichtbare Kosmos

Doch mysteriöserweise schwächt sich die Expansion nicht ab je länger der Urknall her ist – was ja zu erwarten wäre – sondern sie nimmt immer weiter zu. Warum ist unerklärlich und Physiker haben das Konzept der Dunklen Energie entwickelt. Dunkle Energie bringt den Kosmos scheinbar zum schnelleren Wachsen, aber niemand weiß, was Dunkle Energie ist. Wie wär’s damit: Dunkle Energie ist eine Interaktion unseres Kosmos mit dem Bereich außerhalb des Schwarzen Lochs, eine Interaktion mit dem Mutteruniversum. Vielleicht befindet sich das Schwarze Loch, in dem wir uns befinden, seit Anbeginn der Kosmologie in der Wachstumsphase, weil es weitere Materie verschluckt. Dadurch wird es schwerer und der Ereignishorizont, also die Grenze des beobachtbaren Universums, verschiebt sich nach außen. Ich weiß, es klingt fast zu nachvollziehbar, um wahr zu sein. 

Das Nichtvorhandensein Weißer Löcher

Und noch ein drittes Argument: Die Abwesenheit der Weißen Löcher. Klingt wie eine Fortsetzung zu Das Schweigen der Lämmer, meint aber einfach den Umstand, dass wir noch nie ein Weißes Loch in “freier Wildbahn” irgendwo im Kosmos entdeckt haben. Weiße Löcher sind das theoretische Gegenteil Schwarzer Löcher. Den Ereignishorizonts eines Schwarzen Loches kann man nicht mehr von innen nach außen überschreiten, man ist im Schwarzen Loch gefangen. Den Ereignishorizont eines Weißen Lochs kann man nicht von außen nach innen überschreiten, ihr kommt nicht rein. Man könnte also sagen, dass Schwarze Löcher Materie verschlucken, Weiße Löcher spucken sie wieder aus. Und die Verbindung zwischen einem Schwarzen Loch und einem Weißen Loch könnte eine Einstein-Rosen-Brücke sein, besser bekannt unter dem Begriff Wurmloch. 

So könnte es in einer Einstein-Rosen-Brücke aussehen

Und jetzt das Mysteriöse: Weiße Löcher sind nach Albert Einsteins Relativitätstheorie denkbar. Und bisher hat man eigentlich irgendwann noch alles entdeckt, was laut Einsteins Theorien denkbar ist – Weiße Löcher aber noch nicht. Vielleicht ja aus folgendem Grund: Unser Universum ist durch eine Einstein-Rosen-Brücke mit dem Mutteruniversum verknüpft. Und deswegen haben wir noch ein Weißes Loch gefunden, weil uns der Blick in das Mutteruniversum, jenseits unseres Ereignishorizonts nicht möglich ist. Und genau so gut könnte es sein, dass jedes Schwarze Loch in unserem Universum euch in einem Tochteruniversum aus einem Weißen Loch ausspucken würde. Schwarze Löcher als Eingang in ein Wurmloch, dessen Ausgang ein Weißes Loch in einem anderen Universum sind. 

Das waren nun einige Argumente für die Hypothese, aber man muss natürlich auch festhalten, dass es keine Beweise sind. Ethan Siegel schreibt: “Was leider fehlt, ist der entscheidende Schritt einer eindeutig identifizierbaren Signatur. Wir wissen nicht, ob unser Universum durch die Entstehung eines schwarzen Lochs entstanden ist, aber zum jetzigen Zeitpunkt ist es eine verlockende Möglichkeit, die wir nicht ausschließen sollten.” 

Ich finde die Indizien relativ stark, aber denke mir auch, dass die Schwarze-Loch-Hypothese einen großen Nachteil hat: Sie verlagert die Frage nach dem Ursprung unseres Kosmos wieder nur auf eine andere Ebene. Wir wüssten dann zwar, dass unser Universum innerhalb eines Schwarzen Lochs entstanden ist – aber wie ist das Mutteruniversum entstanden? Auch so? Aber was war dann der Anfang von allem?! Und schon stehen wir wieder vor der größten Frage von allen und sind nicht wirklich weiter gekommen. 

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Schwerkraft existiert nicht: Wahr oder falsch?

Schwerkraft der Sonne

Schwerkraft existiert nicht. Das behaupten zumindest einige Forscher. Gehen wir der Sache mal auf den Grund und klären, ob Einstein mit der Schwerkraft tatsächlich komplett falsch lag.

Die Schwerkraft – damit verbinden wir die Erkenntnis von Albert Einstein über Raum und Zeit. Raum und Zeit gehören untrennbar zusammen und bilden die Raumzeit, die wiederum von der Schwerkraft beeinflusst wird. Je schwerer ein Objekt ist, desto mehr krümmt es die Raumzeit. Das, was wir als normale Raumzeit erleben, ist die Raumzeit unter dem Einfluss der Gravitation der Erde. Die größte Raumzeitkrümmung in unserem Sonnensystem verursacht unsere Sonne, die 99 % Prozent der Masse des Sonnensystems ausmacht. In ihrer – nennen wir es mal: Raumzeitdelle rotieren die Planeten und andere Himmelskörper um sie herum. 

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Was ist Schwerkraft?

Die Schwerkraft ist eine der bestimmenden Kräfte des Kosmos. Und auch für uns ist sie von existentieller Bedeutung, denn ohne die Gravitation der Erde könntet ihr jetzt nicht auf dem Sofa sitzen und diesen Beitrag lesen. Aber wenn man der Sache mal genauer auf den Grund geht, wird es schnell ein bisschen ungemütlich. Was ist Schwerkraft überhaupt? Wir können sehr leicht beschreiben, wie Schwerkraft funktioniert. Wenn ihr euer Smartphone fallen lasst, können schlaue Physiker genau berechnen, wie schnell es durch die Anziehungskraft der Erde auf den Boden stürzen wird. 

Aber warum ist die Schwerkraft so, wie sie ist? Was ist Schwerkraft? Besteht sie aus irgendetwas? Gibt es eine Elementarteilchenstruktur, die die Schwerkraft ausmacht? Die Schwerkraft ist einfach da. Wie der Programmiercode eines Computerspiels, den wir nicht sehen können. Der Wissenschaftsjournalist Richard Panek hat das Thema Schwerkraft kritisch hinterfragt und kommt zu dem Schluss, dass Schwerkraft eigentlich in ihrer bekannten Form nicht existiert. Er schreibt: “Niemand weiß, was Schwerkraft ist, und so gut wie niemand weiß, dass niemand weiß, was Schwerkraft ist. Eine Ausnahme bilden die Physiker: Sie wissen, dass niemand weiß, was Schwerkraft ist, weil sie wissen, dass sie nicht wissen, was Schwerkraft ist.”

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Gravitation als Grundkraft der Physik?

Ganz schön verwirrend, oder? Was er damit sagen will: Während es dem Normalbürger nicht bewusst ist, sind Physiker sich absolut einig, dass niemand weiß, was Schwerkraft ist. Spätestens an diesem Punkt sind vermutlich alle ausreichend verwirrt. Vielleicht könnte man sagen: Die Schwerkraft ist die Anziehungskraft, die Dinge gerade nach unten fallen lässt. Wir können sagen, dass die Gravitation eine der vier Grundkräfte der Physik ist, aber die Gravitation ist innerhalb dieser Grundkräfte ein derartiger Ausreißer, dass es fast albern ist, sie als Kraft zu bezeichnen. Die starke Kernkraft oder auch starke Wechselwirkung genannt beispielsweise, die die Atomkerne intakt hält, ist etwa 100 Mal stärker als die elektromagnetische Kraft, die das Lichtspektrum erzeugt, die wiederum bis zu 10.000 Mal stärker ist als die schwache Kernkraft oder schwache Wechselwirkung, die die subatomaren Wechselwirkungen ermöglicht, die für den radioaktiven Zerfall verantwortlich sind. Drei Kräfte, die alle innerhalb von sechs Größenordnungen voneinander entfernt sind. 

Wenn ein Stein auf die Erde fällt: Das ist Schwerkraft

So hebt man Gravitation auf

Und dann kommt die Gravitation um die Ecke. Sie ist etwa – und jetzt haltet euch fest – eine Million Milliarden Milliarden Milliarden Mal schwächer als die schwache Kernkraft. Unfassbar wie schwach die Gravitation eigentlich ist. Um euch das zu verdeutlichen, bekommt ihr hier eine Idee für ein kleines Experiment: Legt eine Büroklammer auf euren Schreibtisch. Dort liegt sie verankert an ihrem Platz durch die Gravitationswechselwirkung mit dem gesamten Planeten unter ihr, mit der gesamten Masse der Erde. Man würde meinen, dass das gewaltige Gewicht der Erde die unfassbar leichte Büroklammer ziemlich stark festhält, oder? Nun nehmt Ihr einen Kühlschrankmagneten und haltet ihn über die Büroklammer. Und schwupps! Ihr habt die Gravitationskraft der gesamten Erde mit einer Handbewegung aufgehoben. 

Verglichen mit den anderen Grundkräften der Physik ist die Schwerkraft also echt schwach. Und das Seltsamste ist: Die Gravitation ist die einzige Kraft, für die es keine Quantenlösung gibt – also keine Theorie, die die Kraft mit Hilfe von subatomaren Teilchen erklärt. Also entweder sind wir einfach noch zu doof, um die Schwerkraftelementarteilchen zu entdecken oder es gibt sie nicht. Wenn die Gravitation aber nicht subatomar durch Teilchenwechselwirkung erklärt werden kann, dann ist sie im eigentlichen Sinne des Wortes keine Kraft. Sondern eher ein wundersamer Effekt, der einfach da ist, aber nicht durch eine Kraft auf Quantenebene verursacht wird. 

Darstellung einer Elementarteilchenstruktur

Also nehmen wir nochmal unsere Definition von eben und streichen das Wort “Kraft”, bleibt übrig: “Schwerkraft ist irgendwas, das Dinge gerade nach unten fallen lässt.” Was bedeutet im Weltraum “nach unten”? Ist das euer Smartphone eben nach unten gefallen? Der Weg scheint nur deshalb gerade zu sein, weil man relativ zur Erde stillsteht. Wie schon Galileo Galilei feststellte, erscheint die Flugbahn eines Steins, der vom Mast eines auf einem Fluss fahrenden Schiffes fällt, einem Beobachter am Ufer als ein Winkel. In ähnlicher Weise würde jemandem außerhalb der Erde, der ein Arrancino beobachtet, das auf unseren sich drehenden Planeten fällt, die Bahn als ein Winkel erscheinen. 

Aber die Erde umkreist auch die Sonne. Und da die Sonne das Zentrum der Galaxie umkreist, wäre diese Kurve des fallen Objekts sehr lang. Und die Galaxie bewegt sich auf andere Galaxien zu, und das Universum dehnt sich aus, und die Expansion beschleunigt sich: Wie lang und gekrümmt die Flugbahn des Arrancinos erscheint, hängt ganz davon ab, wo man sich im Verhältnis zu ihm befindet. Es ist nicht möglich einfach zu sagen: Ein Objekt fällt runter. Von unserer Definition bleibt jetzt nicht mehr viel übrig: “Schwerkraft ist irgendwas, das Dinge fallen lässt.” Ihr ahnt es schon, auch das lässt sich kaum halten. Schon Einstein hat richtigerweise festgestellt, dass nicht zwingend ein Stein auf die Erde fällt – sondern, dass man genauso gut argumentieren könnte, dass die Erde sich “von unten” auf den Stein zubewegt. Unsere finale Definition der Schwerkraft ist also: “Schwerkraft ist irgendwas” Richard Panek schreibt: “Wir können vorhersagen, was passiert, wenn zwei schwarze Löcher zusammenstoßen oder wenn wir einen Stein loslassen. Aber wir wissen nicht, wie sie das tut, was sie tut. Wir wissen, welche Wirkungen sie hat, und wir können die Ursache dieser Wirkungen als „Schwerkraft“ bezeichnen, aber wir kennen nicht die Ursache dieser Ursache.”

Schwarze Löcher haben eine enorme Anziehungskraft

Dieses gesamte Gravitationsparadox, das ich euch gerade beschrieben habe, bereitet den Physikern schon seit langer Zeit Kopfzerbrechen. Es gibt daher viele Wissenschaftler, die fest davon überzeugt sind, dass die Entdeckung einer quantenphysikalischen Lösung, eines Gravitationselementarteilchens, der absolute Schlüssel zum fundamentalen Verständnis des Kosmos ist, sozusagen der heilige Gral der Physik. Das ist möglich – aber ganz ehrlich, es ist genau so gut möglich, dass es ein solches Schwerkraftelementarteilchen nicht gibt und die Lösung dieses Rätsels unseren Verstand bei weitem übersteigt. 

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Graphen-Forschung: Hinweis auf Paralleluniversum entdeckt

Zwei parallel existierende Erden im Paralleluniversum

Physiker haben in einem Experiment durch Zufall Hinweise auf ein Paralleluniversum entdeckt. Existiert also wirklich noch eine andere Realität neben unserer? 

Wenn man sich die weltpolitische Lage anschaut, könnte man sich durchaus wünschen, dass das hier nicht die einzige Realität ist. Man könnte sich wünschen, dass es noch andere parallele Zeitlinien, parallele Universen gibt. Und genau darauf deutet nun eine Forschungsarbeit zweier Physiker der University of Maryland hin. Sie haben ganz zufällig Hinweise auf ein Paralleluniversum entdeckt.

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Graphen: eine atomare Bienenwabe

Eigentlich haben die beiden Forscher sogenannte Graphenschichten untersucht. Graphen bezeichnet eine bestimmte Anordnung von Kohlenstoffatomen in zweidimensionaler Struktur. In dieser Struktur ist jedes Atom im Winkel von 120 Grad von drei weiteren Atomen umgeben. Die Struktur ähnelt demnach ein bisschen einer Bienenwabe. Graphen hat als Material enormes Potential: Es hat sich herausgestellt, dass es Wärme und Elektrizität sehr gut leitet und einen geringen aktiven Widerstand besitzt, es ist also sehr flexibel. Dadurch ergeben sich viele – oftmals noch theoretische – Anwendungsfälle, unter anderem auch in der Raumfahrt. 

So sieht Graphen aus

Bei der Untersuchung der Graphenschichten entdeckten die Forscher sich wiederholende Muster, die die Art und Weise, wie sich Elektrizität innerhalb der Graphenstapel bewegt, veränderten. Optisch ähneln diese Graphendiagramme einzelnen Universen. Es wäre denkbar, dass sich die Wechselwirkungen, die zwischen einzelnen Graphenstapeln entstehen, auf andere Ebenen übertragen lassen – zum Beispiel auf die Wechselwirkung zwischen unserem Universum und anderen potentiell existierenden Paralleluniversen. 

Interaktion von zwei Graphenschichten

Das mag etwas kurios klingen, daher nochmal anders formuliert: Die Elektrizität in Graphenstapeln ändert ihr Verhalten, wenn zwei Graphenschichten miteinander interagieren. Man nennt das auch Moiré-Muster – diese entstehen, wenn sich zwei sich wiederholende Muster überlappen und eine der Schichten sich verdreht, verschiebt oder dehnt und es dadurch zu Wechselwirkung zwischen den Mustern kommt. Und die Forscher der Universität Maryland stellen nun die Hypothese auf, dass eine einzigartige Physik aus der Interaktion von Schichten auch anderswo entstehen könnte, vielleicht im gesamten Universum. Sie sagen, dass unser Kosmos auch nur ein Teil eines Moiré-Musters wäre. Unser Universum wäre also nur eine Hälfte, eine Graphenschicht, die mit einer anderen Hälfte interagiert, einer zweiten Realität, einem Paralleluniversum. 

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Klingt absurd? Schon, aber die Forscher haben die Physik der Graphenschichten in Simulationen für das gesamte Universum durchlaufen lassen. Das Ergebnis: Es passt perfekt. Die Simulationen wiesen als Ergebnis ein Universum wie unseres vor und sagten sogar die Expansion des Universums perfekt voraus. In einer Veröffentlichung der Universität Maryland heißt es: “Die Physik zweier Graphenblätter kann als die Physik zweier zweidimensionaler Universen umgedeutet werden, in denen Elektronen gelegentlich zwischen den Universen springen. Dies inspirierte die Forscher dazu, die Mathematik so zu verallgemeinern, dass sie auf Universen mit einer beliebigen Anzahl von Dimensionen, einschließlich unseres vierdimensionalen Universums, anwendbar ist, und zu erforschen, ob ein ähnliches Phänomen, das sich aus Moiré-Mustern ergibt auch in anderen Bereichen der Physik auftreten könnte.”

Darstellung des Moiré-Musters

Universum als Teil des Multiversums

Wir könnten uns das Universum dann wie die eine Hälfte eines Multiversums vorstellen – diese Entdeckung hat nichts mit esoterischer Interpretation von Paralleluniversen zu tun. So nach dem Motto: In einem Paralleluniversum läuft ein Doppelgänger von euch rum und immer wenn Ihr eine Verbindung zu ihm spürt, erlebt Ihr ein Déjà-Vu, oder so. Viel mehr könnte die Existenz dieser zweiten Schicht, dieses anderen Universums viele noch offene Fragen der Kosmologie beantworten: Warum und wohin dehnt sich das Universum aus? Warum beschleunigt sich die Expansion? Bislang wird die beschleunigte Expansion immer mit der Dunklen Energie erklärt – aber was das ist, weiß niemand. Es könnte doch möglich sein, dass die Dunkle Energie ein Effekt zwischen den beiden Universen ist, ein Effekt der Moiré-Muster wie zwischen den Graphenschichten. Der Co-Autor der Studie Victor Galitski sagt: “Wir denken, dass dies eine aufregende und ehrgeizige Idee ist. In gewisser Weise ist es fast verdächtig, dass es so gut funktioniert, fundamentale Merkmale unseres Universums wie die Inflation und das Higgs-Teilchen auf natürliche Weise vorherzusagen.”

Künstlerische Darstellung eines Paralleluniversums

Die Multiversumstheorie der Forscher der Uni Maryland könnte auch eine spektakuläre Antwort auf die großen Fragen der Quantenphysik sein. Die Quantenphysik beschäftigt sich mit den kleinsten Elementarteilchen und eines ihrer verwirrendsten Aspekte ist die Superposition. Elementarteilchen können gleichzeitig mehrere Zustände aufweisen. Ein Teilchen kann beispielsweise gleichzeitig zwei Drehrichtungen haben, den sogenannten Spin. Stellt euch mal vor, ein Fußball würde sich gleichzeitig in zwei Richtungen drehen. Die Superposition übersteigt irgendwie unser Verständnis der Physik. Könnte es nicht sein, dass das Multiversum die Antwort ist? In der einen Hälfte des zweigeteilten Kosmos hat das Teilchen die eine Drehrichtung und in der anderen Hälfte den anderen. Auch ein Aspekt namens Quantenverschränkung könnte damit erklärt werden. Auf Quantenebene können Teilchen miteinander verschränkt werden und sind dann de facto eins – obwohl sie möglicherweise unfassbar weit voneinander entfernt sind. 

Die spukhafte Fernwirkung

Selbst Einstein fand diesen Quanteneffekt so unheimlich, dass er ihn spukhafte Fernwirkung nannte. Vielleicht lässt sich die Verschränkung auch mit einem Effekt zwischen den beiden Universen erklären, mit einer Verbindung im Moiré-Muster. Dazu muss man sagen, dass die Hypothese der beiden Forscher kein Beweis für ein Doppel-Universum ist, aber es ist eine absolut nachvollziehbare Hypothese, dass sich die Effekte in Graphen-Schichten auch auf größere Ebenen übertragen lassen. 

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(7335) 1989 JA: Asteroid nähert sich der Erde

Darstellung eines Asteroiden und der Erde

Ein riesiger Asteroid nähert sich der Erde – und zwar am 27. Mai 2022. Ob da Grund zur Sorge besteht und Ihr euch schnell in den Bunker verziehen solltet, erfahrt Ihr in diesem Beitrag.

Die NASA ist wirklich eine sehr nette Organisation. Immerhin überwacht sie alle potentiell gefährlichen Asteroiden in der Nähe der Erde, um eventuelle Einschläge schon im Vorhinein erkennen und hoffentlich verhindern zu können. Diese Asteroiden und Kometen in Erdnähe bezeichnet man auch als NEOs, kurz für Near Earth Objects. Als NEO werden laut NASA alle astronomischen Objekte bezeichnet, die sich in einem Umkreis von etwa 48 Millionen Kilometer um die Erde bewegen. Die meisten dieser NEOs sind super winzig und würden selbst bei einem Einschlag keinen großen Schaden hinterlassen. Aber heute nähert sich ein sehr großer NEO der Erde. Es handelt sich um einen Asteroiden, der größer ist als 99 Prozent aller NEOs. Er ist sozusagen ein Riesen-NEO und die Astronomen haben ihm den leicht zu merkenden Namen (7335) 1989 JA gegeben. 

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Größter Asteroid in diesem Jahr

Nennen wir ihn der Einfachheit halber für den Rest des Beitrags Riesen-NEO. Er ist der größte Asteroid, der sich in diesem Jahr der Erde nähern wird. Wissenschaftler schätzen, dass er mit einer Geschwindigkeit von – und jetzt festhalten – 76.000 km/h unterwegs ist. Zum Vergleich: Das ist etwa 20 mal schneller als eine Gewehrkugel. Der größte Asteroid dieses Jahr nähert sich mit einer immensen Geschwindigkeit der Erde. 

Wird der Riesen-NEO heute gefährlich? 

Nein, Ihr könnt aus eurem Bunker wieder herauskommen, denn er wird nicht auf der Erde einschlagen. Er wird unseren geliebten Heimatplaneten in einem Abstand von vier Millionen Kilometern verfehlen. Das ist etwa der zehnfache Abstand zum Mond. Das klingt sehr viel, ist aber in astronomischen Maßstäben schon relativ nah dran. Und deswegen hat die NASA ihn auch als “potentiell gefährlich” eingestuft. Wie man immer sagt: Vorsicht ist besser als Nachsicht, vor allem bei Meteoriteneinschlägen. 

Die Umlaufbahn von (7335) 1989 JA

Apollo-Klasse der Asteroiden

Die Gefahr scheint für heute gebannt zu sein, aber wie sieht es denn in der Zukunft aus? Das tückische an Asteroiden wie dem Riesen-NEO ist, dass sie sich immer wieder der Erde nähern. Er gehört zu einer Asteroidengruppe, die als Apollo-Klasse bezeichnet wird. Das sind Asteroiden, die die Sonne umkreisen und dabei regelmäßig die Erdumlaufbahn kreuzen. Man kennt etwa 15.000 solcher Asteroiden. Im Falle unseres Riesen-NEOs müssen wir uns auch bezüglich des nächsten Rendezvous keine Sorgen machen. Er wird erst am 23. Juni 2055 wieder einen nahen Vorbeiflug an der Erde machen und uns dabei in noch größerer Entfernung als bei diesem Vorbeiflug verfehlen, nämlich in etwa der 70-fachen Entfernung zwischen Erde und Mond. 

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Übrigens: Selbst wenn der Riesen-NEO einschlagen würde, würde es wohl nicht zum Weltuntergang führen. Zum Vergleich: Der Dino-Killer-Meteorit besaß wohl eine Größe von rund 15 Kilometern, der Riesen-NEO ist nur 1,8 Kilometer groß. Nichtsdestotrotz würde ein Einschlag eines Objekts dieser Größe erhebliche Schäden verursachen, nicht nur auf einen lokalen Bereich begrenzt. Man geht davon aus, dass alle Objekte mit einer Größe von über 500 Metern globale Auswirkungen haben, Milliarden von Menschen wären alleine von Sekundärfolgen einer derartigen Katastrophe betroffen, wie Druck- und Hitzewellen, einer sich anschließenden rapiden Abkühlung infolge einer starken Trübung der Atmosphäre durch Aerosole – ein sogenannter Impaktwinter – verbunden mit saurem Regen und gravierenden Ernteausfällen. Von den Primärfolgen gar nicht zu sprechen. Wenn der Riesen-NEO auf Berlin einschlagen würde, wäre die ganze Stadt dem Erdboden gleichgemacht.

Größenvergleich des Asteroiden mit Berlin

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Quanten-Leuchten: Sensationeller Durchbruch beim Warp-Antrieb

Darstellung des Warp-Antriebs

Wir sind der Erforschung des Warp-Antriebs wieder einen Schritt näher gekommen. Wissenschaftler haben einen Durchbruch hinsichtlich des Quanten-Leuchtens gemacht.

Ihr alle kennt den Warp-Antrieb aus Star Trek. Zumindest dürfte euch das charakteristische Aussehen bekannt sein, sobald ein Raumschiff den Warp-Drive betätigt. Diese Optik des Warp-Antriebs, dieses ringförmige Glühen, entsteht durch den sogenannten Unruh-Effekt – und Wissenschaftler haben nun einen großen Durchbruch erzielt. 

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Wie funktioniert der Warp-Antrieb?

Aber immer der Reihe nach: Wie funktioniert überhaupt der Warp-Antrieb? Stellen wir uns zwei Himmelskörper vor, beispielsweise die Erde und den Mond – beide dellen Raum und Zeit um sich herum ein. Seit Albert Einstein wissen wir, dass Raum und Zeit nicht statisch sind, sondern gestaucht und gedehnt werden können. Je schwerer etwas ist, desto mehr krümmt es den Raum. Und genau auf diese Art und Weise krümmen auch die Erde und der Mond die Raumzeit. In der Delle, die die Erde erzeugt, kugelt der Mond herum. In der Raumzeitdelle des Mondes wiederum könnte man mondgebundene Sateliten oder Raumstationen platzieren, die dann den Mond umkreisen. 

Die Erde krümmt den Raum wie bei einem Trampolin

Dieses Eindellen kann man sich am besten mit einer Art Trampolin vorstellen, auf dem sich diese Himmelskörper befinden. Steht ein Mensch auf einem Trampolin, erzeugt er eine Delle. Dieses Prinzip der Beeinflussung von Raum und Zeit könnte man sich doch zunutze machen, um gigantische Strecken zu verkürzen. Und genau das tut der Warp-Antrieb aus Star Trek, ein bisschen wie ein Wurmloch, aber nicht ganz. Die USS Enterprise macht das Ganze wie folgt: in Reiserichtung wird die Zeit und der Raum komprimiert und am Zielort wieder expandiert. Das Raumschiff befindet sich einer sogenannten Warp-Blase, in der die Raumzeit manipuliert wird. Das Schiff kann in dieser Warp-Blase das Ziel erreichen, ohne sich besonders schnell zu bewegen. Also eine Art transportable Raumzeitkrümmungsvorrichtung. Innerhalb der Warp-Blase würden auf die Crew des Raumschiffs keine G-Kräfte wirken und die Gesetze der klassischen Physik würden auch nicht verletzt werden, da das Raumschiff selbst nicht schneller als Lichtgeschwindigkeit reist, sondern eben nur die Raumzeit drumherum manipuliert wird. Genial. 

Einem Kurztrip nach Proxima Centauri steht aber leider noch im Wege, dass die allermeisten Aspekte des Warp-Antriebs technisch noch nicht umsetzbar sind. Bis jetzt. Forscher der Universität Waterloo in Kanada haben einen großen Durchbruch erzielt. Das hat etwas – und jetzt festhalten – mit dem Fulling-Davies-Unruh-Effekt zu tun. 

Was ist der Unruh-Effekt?

Der Unruh-Effekt besagt Folgendes: Ein im Vakuum gleichmäßig beschleunigter Beobachter sieht anstelle des Vakuums ein Gas von Teilchen (wie Photonen, Elektronen, Positronen) mit einer Temperatur, die proportional zur Beschleunigung ist. Im Prinzip bezeichnet diese Formel das, was wir beim Warp-Drive bei Star Trek sehen oder auch in etwas weniger wissenschaftlich akkurater Form bei Star Wars, wenn der Hyperantrieb gestartet wird. Man könnte das Ganze auch etwas einfacher als Quantenleuchten bezeichnen. Klingt auch irgendwie romantischer. 

Formel des Unruh-Effekts

Was bedeutet Quantenleuchten?

Quantenleuchten bedeutet im Prinzip einfach nur Folgendes: Ein Körper, zum Beispiel die USS Enterprise, der sich schnell durch das Vakuum des Weltraums bewegt, sollte als Folge der Beschleunigung eine warme Strahlung erzeugen. Diese Strahlung kommt durch Quantenwechselwirkungen und Fluktuationen im Raum zustande, also durch Effekte auf der allerkleinsten Ebene, der Quantenebene. Noch einfacher gesagt: Wenn ein Raumschiff auf Warp-Speed beschleunigt, dann fängt es zu leuchten an. 

Jetzt aber das Problem: Dieser Unruh-Effekt, das Quantenleuchten, war bislang rein theoretisch beschrieben worden. Um diesen Effekt auf atomarer Ebene zu beobachten, müsste ein Atom in weniger als einer Millionstel Sekunde auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Ziemlich schwierig, versucht mal ein Atom so schnell zu beschleunigen… Dieser Effekt ist verwandt mit der sogenannten Hawking-Strahlung bei Schwarzen Löchern. Barbara Šoda, Doktorandin der Physik an der University of Waterloo, die an der Forschung zum Unruh-Effekt beteiligt war, sagt: “Man geht davon aus, dass Schwarze Löcher nicht völlig schwarz sind. Wie Stephen Hawking entdeckte, sollten Schwarze Löcher stattdessen Strahlung aussenden. Das liegt daran, dass einem Schwarzen Loch zwar nichts anderes entkommen kann, wohl aber Quantenfluktuationen der Strahlung.”

Unruh-Effekt auf atomarer Ebene

Das ist also eine ganz ähnliche Quantenfluktuation wie diejenige, die bei der Beschleunigung mit Warp-Drive entstehen würde. Das Forscherteam der University of Waterloo hat nun herausgefunden, dass es einen Weg gibt, den Unruh-Effekt zu stimulieren, damit er unter weniger extremen Bedingungen direkt untersucht werden kann, also ein Mini-Warp-Leuchten zu erschaffen. Um das zu verstehen, müssen wir uns kurz den Unterschied zwischen klassischer Physik und Quantenmechanik ansehen. 

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Während die klassische einsteinsche Physik wunderbar die großen Abläufe im Kosmos erklärt, die Einflüsse von Zeit und Raum, Ihr erinnert euch an die Raumzeitdelle, ist die Quantenmechanik die passende Theorie für die Abläufe im ganz Kleinen, auf Elementarteilchenebene. Oftmals stehen klassische Physik und Quantenmechanik im Widerspruch, da die Regeln der klassischen Physik für kleinste Teilchen nicht zu gelten scheinen. Es ist eine der großen Aufgaben der modernen Physik eine Verbindungstheorie zwischen einsteinscher Physik und Quantenmechanik zu finden und der Unruh-Effekt liegt genau an der Grenze zwischen den Quantengesetzen und der allgemeinen Relativitätstheorie. 

Atome im Vakuum

Stellt euch mal ein Atom im Vakuum vor. Wie sich ein Atom im Vakuum verhält, hängt davon ab, ob wir die Situation durch die Brille der Quantenmechanik oder durch die Brille der einsteinschen Physik betrachten. Nach den Gesetzen der Quantenphysik müsste das Atom darauf warten, dass ein eintreffendes Photon, ein Lichtteilchen, sein elektromagnetisches Feld durchdringt und seine Elektronen zum Wackeln bringt. Dann wäre das Atom erleuchtet oder angeregt.  Wenn wir die Relativitätstheorie, also die klassische Physik, berücksichtigen, gibt es eine Möglichkeit zu schummeln. Durch einfache Beschleunigung könnte ein Atom die kleinsten Erschütterungen im umgebenden elektromagnetischen Feld als Photonen mit niedriger Energie erleben und dadurch angeregt werden. Bislang gingen die Quantenphysiker aber davon aus, dass dieser Effekt, die Anregung des Atoms durch einfache Bewegung absolut vernachlässigbar sei und sich auf Quantenebene auf Dauer ausgleichen würde. Pustekuchen, genau das hat das Forscherteam der Uni Waterloo nun widerlegt. Sie fanden heraus, dass diese normalerweise vernachlässigbaren Bedingungen bei der Beschleunigung eines Atoms weitaus bedeutender werden und sich sogar als dominante Effekte durchsetzen können. Dafür haben sie ein Atom auf die richtige Art und Weise mit einem starken Laser gekitzelt. Und haben dadurch bewiesen, dass es möglich ist, diese Wechselwirkungen durch Bewegung zu nutzen, um bewegte Atome den Unruh-Effekt erleben zu lassen, ohne dass große Beschleunigungen erforderlich sind. Einfacher gesagt – für die Physik-Noobs: Sie haben es geschafft das Warp-Leuchten der USS Enterprise auf Atomebene zu stimulieren, ohne dabei wirklich Warpspeed erreichen zu müssen. Wahnsinn. 

Und obwohl es super cool ist, dass wir einen Bestandteil des Warp-Speeds im Labor nachahmen konnten, ist das fazinierendste und wichtigste an der Entdeckung vermutlich, dass es ein Schritt hin zur Vereinheitlichung von klassischer Physik und Quantenmechanik ist. Der beteiligte Forscher  Vivishek Sudhir sagt: “Seit über 40 Jahren werden Experimente dadurch behindert, dass die Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und Gravitation nicht erforscht werden kann. Wir haben hier eine praktikable Möglichkeit, diese Schnittstelle in einer Laborumgebung zu erforschen. Wenn wir einige dieser großen Fragen klären können, könnte das alles verändern.”

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Seltsame DNA: Sind Tintenfische Aliens?

Tintenfisch

Kommen Tintenfische aus dem Weltraum? Sind sie Aliens? In die Richtung geht eine Entdeckung, die Forscher nun über das Erbgut der Tintenfische gemacht haben. 

Eine Entdeckung deutet darauf hin, dass Tintenfische nicht von dieser Welt stammen. Tintenfische sind eine Unterklasse der sogenannten Kopffüssler, zu denen der leckere Sepia gehört, aber auch Kalmare und Kraken. Viele dieser Tiere besitzen erstaunliche Fähigkeiten und Intelligenz und können sogar Werkzeuge benutzen. Das ist vor allem für wirbellose Tiere bemerkenswert, denn die meisten wirbellosen Geschöpfe sind normalerweise etwas simpler gestrickt.

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Tintenfische sind komplexe Lebensformen

Da stellt sich die Frage: Wie konnten die Tintenfische eine so hohe Entwicklungsstufe erreichen, obwohl das für andere wirbellose Tiere unüblich ist? Ein Forscherteam hat sich zur Beantwortung dieser Frage das Genom von drei Vertretern der Tintenfische vorgeknöpft, einem Oktopus, einem zehnarmigen Tintenfisch und einem Kalmar. Und die Analyse der Tintenfisch-DNA offenbart Erstaunliches: Das Erbgut umfasst viel mehr Basenpaare als das anderer Mollusken, also anderer Weichtiere wie Muscheln oder Schnecken. Es ist das mit Abstand größte Genom unter den wirbellosen Tieren. Das Erbgut des Oktopusses erreicht sogar 90 Prozent der menschlichen Erbgutlänge – das alleine ist zwar noch kein Beweis für Intelligenz. Aber es zeigt, dass es sich bei Tintenfischen um äußerst komplexe Lebensformen handelt. 

Die Forscher fanden noch etwas heraus: Das Erbgut der Tintenfische unterscheidet sich in seinem Aufbau von dem aller anderen bekannten Lebewesen auf diesem Planeten. Die beteiligte Forscherin Hannah Schmidbaur von der Universität Wien sagt: „Durch unsere Forschung ist jetzt deutlich geworden, dass wir, um die Biologie der Kopffüßer zu verstehen, zuerst die genetischen Bausteine dieser Tiere verstehen müssen. Diese Bausteine scheinen sich aber radikal und in vielen Aspekten von dem zu unterscheiden, was wir von anderen Tieren kennen“. 

Was ist Syntenie?

Eigentlich sind die Genome aller Lebewesen in sehr ähnlicher Weise auf die Chromosomen aufgeteilt. Man bezeichnet diese genetische Grundstruktur als Syntenie und sie verbindet alle Lebewesen über 600 Millionen Jahre der Evolution hinweg. So unterschiedlich sich also die Lebewesen im Laufe der Zeit entwickelt haben, diese genetische Grundstruktur ist etwas, das Ihr zum Beispiel mit einer Kröte gemeinsam habt. Das indiziert, dass wir selbst mit diesen nun von uns so weit entfernten Lebewesen gemeinsame Vorfahren haben.

Chromosomen

Tintenfische scheren aber aus dieser evolutionären gemeinsamen Linie aus. Auf ihren Chromosomen sind die Gene völlig anders angeordnet und aufgeteilt als bei allen anderen Tiergruppen. Der Koautor der Studie Clifton Ragsdale von der University of Chicago sagt:  „Es gibt immense Umstrukturierungen des Erbguts – als wenn die ursprünglichen Gene in einem Mixer püriert worden wären.“

Ist das nicht eigenartig? Warum entwickeln einige Tiere eine komplett eigene genetische Bauanleitung, während alle anderen Spezies auf dem Planeten dies nicht tun? Die Ursache dafür ist völlig ungeklärt, aber es könnte den Tintenfischen in der Vergangenheit einen immensen evolutionären Vorteil gebracht haben. Die Genblöcke, auch genannt Mikrosyntenien, der Tintenfische enthalten nämlich fast keine neuartigen Gene, sondern nur neue Kombinationen von Genen, die auch von anderen Lebewesen bekannt sind. Diese einmalige genetische Anordnung könnte der Schlüssel zu den besonderen Fähigkeiten der Tintenfische sein. Man könnte sagen, durch die Umstrukturierung ihres Erbguts haben sie nicht die Regeln des evolutionären Spiels geändert, sondern sich direkt ein ganz neues Spielfeld gebaut und dadurch Fähigkeiten erlangt, die anderen Meeresbewohnern aus evolutionärer Perspektive verschlossen sind. 

Hol dir Dino-DNA nach Hause

Vor 235 Millionen Jahren betraten die Dinosaurier die Bühne der Welt und sie hinterließen uns… Kot! Im Laufe der Zeit ist er versteinert und kann heute als Fossil gefunden werden. 

Nachträgliche Veränderung der DNA

Eine Schlüsselrolle scheint dabei der Boten-RNA zuzukommen. Flashback 8. Klasse Biologie-Unterricht: Die Aufgabe der RNA besteht darin, die in der DNA gespeicherte genetische Information zu transportieren und zu übersetzen. Sie setzt die Erbinformationen also in die Praxis um. Bei den Tintenfischen haben die Forscher besonders häufig eine nachträgliche Veränderung dieser Boten-RNA festgestellt. Also, nachdem die genetischen Informationen abgelesen wurden und von der Boten-RNA transportiert werden sollten, wird sie noch verändert. Das kommt zwar auch bei Wirbeltieren, also zum Beispiel bei uns vor, aber wesentlich seltener als bei den Tintenfischen. Diese nachträgliche Veränderung einer bereits von der DNA abgelesenen mRNA-Bauanleitung kann dazu führen, dass aus einem Gencode unterschiedliche Proteine erzeugt werden können. Das wiederum erweitert die funktionalen Möglichkeiten der Proteinbildung und tatsächlich kam diese mRNA-Editierung besonders häufig in den neuronalen Geweben der Tintenfische vor, also in ihrem Gehirn. Das ist also in gewisser Hinsicht wie eine Superkraft für das Tintenfisch-Hirn, weil die Boten-RNA durch ihre nachträgliche Veränderung modifizierte Proteine erstellen. Wahrscheinlich funktioniert das auch bei Marvel-Superhelden ganz ähnlich – Spider-Mans Boten-RNA transportiert plötzlich auch Spinnen-Informationen, obwohl sie ein seiner menschlichen DNA etwas anderes abgelesen hat. 

Foto eines Oktopus

Viele Fragen sind aber jetzt noch offen. Vor allem: Warum haben die Tintenfische als einzige Spezies diesen evolutionären Stunt hingelegt? Es gibt Theorien, dass die Vorfahren der Tintenfische aus dem Weltraum kommen oder zumindest durch Faktoren aus dem Weltraum beeinflusst wurden. Klingt total verrückt? Ja, wird aber sogar in einer offiziellen wissenschaftlichen Studie behauptet. Darin heißt es: “Die transformativen Gene, die vom Vorfahren Nautilus über die gewöhnliche Sepia und den Kalmar bis zum gemeinen Tintenfisch führen, sind in keiner vorher bestehenden Lebensform problemlos zu finden. Daher lässt sich durchaus vermuten, dass sie aus einer weit entfernten ‚Zukunft‘ in Bezug auf die terrestrische Evolution oder realistischer aus dem Kosmos im Allgemeinen entliehen wurden.” 

Aber ist das wirklich eine realistische Erklärung? Ich denke, dass das zwar nicht komplett unmöglich ist, aber eher unwahrscheinlich. Dass die Vorfahren der Tintenfische quasi komplett aus dem Weltraum kamen, ist unrealistisch. Wie sollen sie das getan haben? In einem Kometen eingefroren und dann auf der Erde aufgetaut? Wie Calamari-Ringe aus dem Tiefkühlregal? Wohl kaum. Vielleicht gab es eine Art Panspermie-Ereignis und außerirdische Viren kamen auf die Erde, die dann das Erbgut der Tintenfische verändert haben. Aber wenn es wirklich einen derartigen Einfluss aus dem Weltraum gegeben haben sollte, warum sind dann nur die Tintenfische davon beeinflusst worden und keine andere Spezies auf diesem Planeten? Für mich sind das eher fernliegende Erklärungen, naheliegender ist einfach eine absolut außergewöhnliche evolutionäre Taktik, die aber keinen außerirdischen Faktor in sich trägt. 

 

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W-Boson: Ist das Standardmodell der Physik falsch?

Wissenschaftler der Teilchenphysik haben Hinweise entdeckt, dass es eine ganz neue Physik geben könnte. Diese kann unser Verständnis des Universums völlig auf den Kopf stellen. 

Das Fermilab in Illinois in den USA ist eine Forschungseinrichtung, die vor allem der physikalischen Grundlagenforschung dient. Man könnte sagen: Hier werden kleinste Teilchen zur Kollision gebracht, um die Grundzüge unser physikalischen Realität zu verstehen. Denn, wenn wir herausfinden, wie kleinste Elementarteilchen miteinander wechselwirken, dann ist das der Schlüssel dazu, wie das Universum eigentlich funktioniert. Aber wie läuft das genau ab? Wie bringt man Teilchen zum Kollidieren und was für Erkenntnisse zieht man dann daraus? 

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Um die Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen zu untersuchen, benötigt man riesige Teilchenbeschleuniger. Bis zum Jahre 2011 wurde am Fermilab zu diesen Zwecken der Tevatron-Teilchenbeschleuniger genutzt, der einen Umfang von sechs Kilometern aufwies. In diesen großen Anlagen können Teilchen beinahe auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht werden. Im Tevatron ließ man vor allem Protonen und Anti-Protonen kollidieren. 

Darstellung einer Teilchenkollision

Aber wie misst man dann den Effekt, wenn zwei Teilchen miteinander kollidieren? Dafür sind in Teilchenbeschleunigern wie dem Tevatron eine Vielzahl von sogenannten Teilchendetektoren installiert, die die Flugbahn der kollidierten Teilchen messen können. Durch die Flugbahn wiederum kann man Rückschlüsse auf den Effekt der Kollision ziehen und insbesondere darauf, welche neuen Teilchen eventuell durch die Kollision entstanden sind. Grundsätzlich stehen die Ergebnisse solcher Teilchenkollisionen immer im Einklang mit dem sogenannten Standardmodell der Physik. 

Das Standardmodell ist im Prinzip die Gesamtheit der Erkenntnisse, die wir heutzutage im Hinblick auf die Physik von Elementarteilchen für richtig halten. Das Standardmodell beschreibt vor allem die uns bekannten Elementarteilchen, also die allerkleinsten Bausteine der Materie, und die Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen, also insbesondere die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die elektromagnetische Wechselwirkung. Wenn sich das Standardmodell als fehlerhaft herausstellen sollte, müssten wir im Prinzip alle unsere Annahmen über den Kosmos in Frage stellen. Warum aber glauben die Teilchenphysiker, dass Daten des Fermilabs das Standardmodell der Physik ins Wanken bringen könnten?

Aus Teilchenzerfällen im Tevatron-Beschleuniger haben die Physiker am Fermilab die Masse des W-Bosons neu ermittelt – so genau wie nie zuvor. Da könnte man jetzt ganz unbedarft fragen…

Was ist ein W-Boson?

Teilchenbeschleuniger Tevatron

Ein W-Boson ist ein Elementarteilchen, also eines der kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Das W-Boson ist verantwortlich für die sogenannten „geladenen Ströme“ der schwachen Wechselwirkung, einer der fundamentalen Wechselwirkungen der Physik. Das W-Boson ist kein normales Elementarteilchen, im Gegensatz zum Beispiel zu den Elementarteilchen, aus denen Ihr oder alles, was Ihr kennt, besteht. Es ist ein sogenanntes Eichboson. Das bedeutet, dass es nur in hochenergetischen Experimenten der Teilchenphysik zum Vorschein kommt und nicht im normalen Alltag. 

Das Standardmodell der Physik stimmt nicht mehr? Egal, immer schön positiv bleiben

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Halten wir fest, dass das W-Boson ein Elementarteilchen ist, dass die schwache Wechselwirkung, also eine der vier Elementarkräfte der Physik überträgt. Es ist ein Trägerteilchen einer der Grundkräfte der Physik. Und gemäß des Standardmodells der Physik besitzt ein W-Boson eine gewisse Masse, nämlich ungefähr die 80-fache Masse eines Protons, also eines positiv geladenen Elementarteilchens. 

Doch jetzt das Unerwartete: Die Auswertung der Versuche am Fermilab haben eine andere Masse des W-Bosons ergeben. Es ist demnach signifikant schwerer, als es der Theorie nach sein dürfte. Das klingt erstmal unspektakulär, doch das würde bedeuten, dass das Standardmodell der Physik falsch liegt – und wenn das Standardmodell der Physik falsch ist, dann würde das im Prinzip all unsere Annahmen über die Naturgesetze des Kosmos betreffen. Das Gewicht des kleinen W-Boson hat also massive Auswirkungen auf unser Verständnis des gesamten riesigen Kosmos. 

Innenansicht vom Tevatron

Die Messungen am Fermilab beruhen auf Daten des schon erwähnten Tevatron-Teilchenbeschleunigers, in dem Protonen und Antiprotonen mit hoher Geschwindigkeit zur Kollision gebracht wurden. Bei diesen Kollisionen entstehen W-Bosonen, die nach kurzer Zeit entweder in ein Elektron und Neutrino oder ein Myon und Neutrino zerfallen. Was es mit diesen Teilchen im einzelnen auf sich hat, würde die Länge des Beitrags sprengen, wichtig ist auch nur, dass aus der Flugrichtung und Energie dieser Zerfallsprodukte ermittelt werden kann, wie schwer das W-Boson sein muss. Und das Ergebnis der Forscher: Das W-Boson besitzt eine Masse von 80,4335 Megaelektronenvolt – es dürfte gemäß des Standardmodells aber nur 80,357 Megaelektronenvolt besitzen. 

Wie ist das also zu erklären? Vielleicht handelt es sich nur um einen Messfehler? Unwahrscheinlich, denn die Daten der Physiker beruhen auf 4,2 Millionen solcher Teilchenzerfälle im Tevatron-Beschleuniger, die zwischen 1985 und 2011 registriert wurden. Der beteiligte Physiker Ashutosh Kotwal sagt dazu: “Dieser Datensatz ist viermal so groß wie bei früheren Messungen und hat eine doppelt so hohe statistische Genauigkeit. Wir haben unser Ergebnis einer enormen Menge an Überprüfungen und Tests unterzogen.“ 

Also spricht einiges dafür, dass kein Messfehler vorliegt, sondern tatsächlich das physikalische Standardmodell unvollständig ist. Das muss nicht zwingend bedeuten, dass alle unsere physikalischen Annahmen falsch sind, aber dass es noch unbekannte physikalische Prozesse gibt, vielleicht noch nicht entdeckte Elementarteilchen, und das Standardmodell erweitert oder angepasst werden muss. Es könnte auch bedeuten, dass es noch unentdeckte Wechselwirkungen auf subatomarer Ebene gibt, die das W-Boson beeinflussen und zu den unerwarteten Ergebnissen führen. 

Bisher haben sich solche Messergebnisse, die das Standardmodell in Frage stellen, immer als unkorrekt beziehungsweise Messfehler herausgestellt, aber diesmal sieht es so aus, als wäre das physikalische Standardmodell erstmals in realer Gefahr. Physiker und Sprecher des Fermilabs David Toback sagt: “Wenn die Diskrepanzen zwischen erwartetem und gemessenem Wert auf ein neues Teilchen oder eine noch unbekannte subatomare Wechselwirkung zurückgehen, dann besteht eine gute Chance, dass sie in künftigen Experimenten entdeckt werden.”

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Durchbruch bei Kernfusion: Neuer Reaktortyp entwickelt

Die NASA hat eine revolutionäre Kernfusions-Technologie entwickelt. Sind wir damit kurz davor, all unsere Energieprobleme zu lösen? 

Wer an die NASA denkt, hat vielleicht die Mondlandungen vor Augen, oder die Voyager-Sonden, die weit außen im Sonnensystem umherschwirren – aber eher weniger Kernfusionstechnologien. Doch es sieht so aus, als könnte es ausgerechnet die Weltraumbehörde NASA sein, die uns den entscheidenden Durchbruch bei der Kernfusion beschert. Bevor wir uns dem revolutionären Verfahren der NASA widmen, schauen wir uns erst mal an, welche derzeitigen Kernfusionsmethoden es gibt. 

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Die Kernfusion klingt zu schön, um wahr zu sein – sie bietet alle Vorteile der Kernenergie: keine Kohlendioxidemissionen, kompakte Größe, sofort abrufbare Energie und sehr hohe Leistung, ohne die Nachteile wie Kernschmelzen, radioaktive Abfälle oder gefährliche Brennstoffe. 

Wie funktioniert Kernfusion? 

Bei der Kernfusion werden zwei Atome mit so viel Kraft aufeinander gepresst, dass ihre Atomkerne zu einem neuen Kern verschmelzen und dabei setzen sie unglaubliche Energiemengen frei. Die Kernfusion treibt zum Beispiel unsere Sonne an, aber selbst dort gelingt der Fusionsprozess nur im Inneren der Sonne. Dort herrschen unfassbare Temperaturen und ein hoher Druck, so dass dort Wasserstoff zu Helium fusionieren kann. 

Atome für den Kleiderschrank

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Wenn wir diesen Prozess auf der Erde nachahmen könnten, wären unsere Energieprobleme für immer gelöst. Doch da auf der Erde ganz andere Bedingungen als im Inneren unserer Sonne herrschen, ist das einfacher gesagt als getan. Man versucht eine effiziente Kernfusion auf der Erde bislang mit verschiedenen Verfahren zu erreichen. Magnetische Einschlussreaktoren und magnetische Zielreaktoren verwenden massive supraleitende Magnete, um das Wasserstoffplasma mit genügend Kraft zusammenzudrücken, um eine Fusion zu erzeugen. Die erforderliche Energie für die Kühlung der Magneten ist allerdings enorm. 

Dann gibt es noch Reaktoren mit internem Einschluss, die Laser verwenden, um eine kleine, mit Wasserstoff gefüllte Kapsel auf irrsinnige Temperaturen zu erhitzen, die die Fusion auslösen. Aber auch hier das Problem: Diese starken Laser benötigen jede Menge Energie, um zu funktionieren. Die Diskrepanz zwischen der immensen Energie, die man in den Fusionsprozess hineinstecken muss und die relativ geringe Energie, die man bislang heraus bekam, sind das große Problem, das die Kernfusionsforschung lösen muss. Vielleicht sind wir nun durch die Technologie der NASA der Lösung des Problems einen Schritt näher gekommen.

NASA: Neuer Reaktortyp entwickelt

NASA sucht Energiequelle für Sonden

Wie kommt da jetzt die NASA ins Spiel? Auf der Suche nach einem neuen Weg, ihre Weltraumsonden mit Energie zu versorgen, haben NASA-Wissenschaftler eine Möglichkeit gefunden, einen Fusionsreaktor zu bauen, der viel einfacher, viel kompakter und potenziell viel effizienter ist als alle anderen, die wir heute haben. Die geniale Erfindung der NASA-Ingenieure trägt den Namen Gittereinschlussreaktor. Der Gittereinschluss ist ein viel eleganterer und leistungsärmerer Weg, um Wasserstoffatome so dicht zu machen, dass sie fusionieren können. 

Um das zu verstehen, müssen wir uns logischerweise mal auf die atomare Ebene begeben. Für den Gittereinschluss wird ein Metallgitter verwendet. Auf molekularer Ebene haben alle Metalle eine Kristallstruktur. Das bedeutet, dass die Atome in einem einheitlichen, sich wiederholenden Muster, dem so genannten Gitter, angeordnet sind. Wasserstoff kann in bestimmte Metallgitter gedrückt werden und die Räume zwischen den Metallatomen besetzen. Besonders gut funktioniert das mit dem metallischen Element Erbium, da hier die metallischen Bindungen den Wasserstoff sehr eng zusammenpressen. 

Gitterstruktur auf Molekularebene

Mit Gammastrahlen zur Kernfusion

Wenn man Wasserstoff in so ein Erbiumgitter presst, dann bezeichnet man das als deuteriertes Erbium. Die Wasserstoffatome sind in diesem deuterierten Erbium eng zusammengequetscht. Das reicht fast schon dafür, dass die Wasserstoffatome fusionieren, aber noch nicht ganz. Aber dieses fehlende Quäntchen für die Fusion konnte die NASA extern hinzufügen. Die NASA-Ingenieure mussten lediglich einige Gammastrahlen auf das deuterierte Erbium schießen. 

Einige dieser Gammastrahlen treffen direkt auf ein Wasserstoffatom und bewirken, dass es „dissoziiert“, sich also in ein schnelles Neutron und ein Proton verwandelt. Das schnelle Neutron stößt mit einem anderen Wasserstoffatom zusammen und wird mit hoher Geschwindigkeit weggeschleudert. Dieses neue Hochgeschwindigkeits-Wasserstoffatom stößt dann mit genügend Kraft auf ein anderes, und: BÄMS! Die Fusion wird ausgelöst. 

Das bedeutet: Ohne riesige Laser oder supraleitende Magnete konnte die NASA mit einem einfachen Metallstück und einem Gammastrahl einen Kernfusionsreaktor bauen. Und das ist natürlich auch der große Vorteil des Gittereinschlussreaktors: Er ist im Gegensatz zu anderen Kernfusionsreaktoren einfach und kostengünstig zu bauen und natürlich auch viel schneller zu skalieren als beispielsweise so ein Riesenprojekt wie der ITER-Reaktor, an dem mittlerweile schon Jahre gebaut und geplant wird. 

Gelände des ITER Reaktors

Warum pflastern wir nicht die Erde mit Gittereinschlussreaktoren voll? 

Gute Frage! Die NASA arbeitet dran. Die ersten Experimente, die beweisen, dass es überhaupt funktioniert, wurden im Jahre 2020 durchgeführt. Jetzt muss die NASA herausfinden, wie man die Anzahl der Fusionsereignisse im Erbium-Gitter erhöht und wie man die Energie effizient extrahiert – beides ist nicht einfach. Grundsätzlich muss man also leider festhalten, dass der Gittereinschlussreaktor am selben Problem krankt wie die anderen Kernfusionsmethoden: Es kommt am Ende noch nicht mal annähernd genügend Energie dabei raus. 

Aber der Gittereinschlussreaktoren ist dennoch eine der vielversprechendsten Methoden, da er vergleichsweise simpel zu bauen ist und dadurch die anderen Methoden übertrifft. Und wenn es funktionieren würde? Dann würden wir die Raumfahrt revolutionieren. Plötzlich könnten alle Raumfahrzeuge mit einer kleinen, leichten Energiequelle ausgestattet werden, die über Monate oder sogar Jahre hinweg eine hohe Leistung erbringen kann. Eine solche Technologie wäre eine große Hilfe für die Menschen, die versuchen, den Mars zu ihrer Heimat zu machen. Dann könnte man mal eben mit dem Gittereinschluss-Shuttle zum Mars rüber jetten. Und diese Technologie würde natürlich auch das Leben auf der Erde revolutionieren. Sollte der Energieerzeugungsdurchbruch gelingen, könnte die Welt also unfassbar schnell auf Kernfusion umsteigen – bei den anderen Methoden müssten erst mal aufwendige Fusionsanlagen errichtet werden, was mehrere Jahrzehnte dauern dürfte. 

Wollt ihr mehr über das Thema Kernfusion wissen? Dann schaut euch dieses Video einmal an:

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