Schlagwort: raumzeit

Können wir Aliens durch Gravitationswellen finden?

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Alien vor Gravitationswellen

Stammen Krümmungen in der Raumzeit von Aliens? Das könnte gut sein. Auf diese Art und Weise könnten wir endlich mächtige außerirdische Zivilisationen aufspüren. Was ist wirklich dran? Und verraten Gravitationswellen wirklich Aliens?

Gibt es Aliens? Die Antwort muss “Ja” lauten, denn das Universum ist gigantisch groß. Astronomen gehen mittlerweile davon aus, dass es bis zu eine Billion Galaxien gibt, riesige Sterneninseln, die jeweils aus Milliarden Sternen und Planeten bestehen. Eine dieser Galaxien heißt Milchstraße. 

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Die Milchstraße besteht aus mindestens 200 Milliarden Sternen und noch mehr Planeten, Monden und Zwergplaneten. Dass es bei dieser unfassbaren Anzahl von Himmelskörpern nur auf der Erde Leben geben soll, wäre ein bisschen egozentrisch gedacht. Die Wahrscheinlichkeit ist sehr hoch, dass auf einem Alien-Planeten da draußen außerirdische Lebewesen sitzen. 

Aliens verraten sich durch elektromagnetische Wellen

Und jetzt kommt das Praktische: Alien-Zivilisationen würden jede Menge Signale in den Weltraum senden, unfreiwillig. Wie wir. Wir senden Radiowellen aus. Auch alle anderen elektromagnetischen Wellen von der Erde breiten sich in jede Richtung in den Weltraum aus. Das erste, was Aliens von uns hören werden, wäre also vermutlich ein lustiger Radio Jingle aus den Achtzigern und die Seitenbacher-Werbung. 

Galaxie von oben
So weit reichen unsere ausgesendeten Signale

Elektromagnetische Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Radiowellen von der Erde sind dennoch noch nicht allzu weit gekommen. Aber jetzt könnte man davon ausgehen, dass Alien-Zivilisationen schon viel länger existieren, als unsere Radios in den Weltraum tröten. Das kann sehr gut sein und das würde bedeuten, dass wir rein von der zurückgelegten Distanz eine Chance hätten, diese Signale aufzufangen. Jetzt kommt nur leider das große Aber. Die Art von elektromagnetischen Wellen, die wir zur Kommunikation nutzen, schwächt sich ab, wenn sie sich ausbreitet. Das macht es fast unmöglich, das Rauschen jenseits von ein paar 100 Lichtjahren herauszufiltern. Wenn Aliens nicht gerade in unserer direkten galaktischen Nachbarschaft Signale aussenden, dann haben wir kaum Chancen, sie aufzufangen.

Gravitationswellen erzeugt durch kosmische Kollisionen

Es gibt Wellen im Kosmos, die sich nicht abschwächen und die auch nichts mit dem Licht zu tun haben. Wellen, die so mächtig und ausdauernd sind, dass sie die Raumzeit selbst zum wackeln und vibrieren bringen: Gravitationswellen. Stellt euch mal einen Stein vor, der ins Wasser fällt und dabei gleichmäßig Wellen in jede Richtung auslöst. So ähnlich kann man sich auch die Entstehung von Gravitationswellen vorstellen. Sie werden durch massive kosmische Kollisionen erzeugt; die von uns auf der Erde entdeckten Gravitationswellen wurden durch Kollisionen zwischen massiven kompakten Objekten wie Schwarzen Löchern und Neutronensternen erzeugt. 

Kollision von zwei schwarzen Löchern
Gravitationswellen entstehen, wenn zwei Schwarze Löcher miteinander kollidieren

Wenn diese super schweren und dichten stellaren Leichen zusammenkrachen und verschmelzen, bringen sie die Raumzeit zum vibrieren. Und selbst wenn in sehr weiter Entfernung zwei Schwarze Löcher einen kosmischen Tanz vollenden, können wir hier auf der Erde mit sehr teuren Gerätschaften das dadurch entstehende Wackeln der Raumzeit messen. Auch Ihr erzeugt übrigens Gravitationswellen. 

Wir bringen die Raumzeit zum Wackeln

Alle Objekte mit einer Masse und einer Geschwindigkeit bringen die Raumzeit zum wackeln, aber eben nur sehr leicht. Das könnten wir mit unseren derzeitigen Nachweismethoden niemals messen. Es braucht schon sehr mächtige, schwere Objekte, damit Gravitationswellen entstehen, die wir feststellen können. 

Wenn Gravitationswellen sich nicht wie elektromagnetische Wellen über längere Distanzen merklich abschwächen, dann könnten wir sie nutzen, um Alien-Zivilisationen zu entdecken, egal wie weit sie weg sind, selbst am anderen Ende der Galaxis. Da wir festgestellt haben, dass unsere Messmethoden bislang nur erheblich starke Raumzeitkrümmungswellen nachweisen können, müsste die Alien-Technologie, die für uns nachweisbare Gravitationswellen erzeugt, verdammt beeindruckend sein. 

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RAMAcraft-Raumschiff – könnten wir es entdecken?

Forscher von der University of California in Los Angeles haben nun die Größe und Geschwindigkeit eines potentiell für uns auf diese Art nachweisbaren außerirdischen Raumschiffs errechnet – sie nannten es ein Rapid And/or Massive Accelerating Spacecraft, kurz RAMAcraft. Als Basis für die Berechnung dienten die Fähigkeiten des LIGO-Observatoriums, mit dem vor sieben Jahren erstmals Gravitationswellen nachgewiesen wurden, wofür es dann 2017 folgerichtig auch den Nobelpreis gab. Was die Forscher nun ausgerechnet haben, ist ein bisschen bizarr, also haltet euch gut fest: LIGO wäre in der Lage, ein RAMAcraft von der Masse des Jupiters, also mehr als 300 Erdmassen, mit einem Warp-Antrieb zu entdecken, der auf zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen könnte. Wenn ein solches Raumschiff in einer Entfernung von bis zu 326.000 Lichtjahren von der Erde operieren würde, könnten wir es entdecken. 

So könnte das RAMAcraft-Raumschiff aussehen
So könnte das RAMAcraft-Raumschiff aussehen

Das klingt schon ein bisschen abgedreht. Aber seht es mal so: Ein solches RAMAcraft müsste kein traditionelles Raumschiff sein. Es könnte sich um gigantische Megastrukturen handeln wie sogenannte Dyson-Sphären, gigantische Konstruktionen, die fortschrittliche Zivilisationen um ganze Sonnen errichten könnten, um deren Energie vollständig zu nutzen. Oder riesige Generationenschiffe, die Aliens nutzen, um für Äonen durch die Galaxis zu reisen. Herausfinden können wir es nur, in dem wir genauer nachschauen und da sieht es so aus, als wäre die Gravitationswellenmethode unsere beste Chance. 

Nachweis von Gravitationswellen: RAMADAR

Der an der Studie beteiligte Physiker Gianni Martire sagt: “Unsere Studie über Warp-Antriebe hat den Weg für den Nachweis von Gravitationswellen geebnet. Wir sind bereits in der Lage, alle 10 hoch 11 Sterne in der Milchstraße auf Warp-Antriebe zu untersuchen, und bald auch in Tausenden anderer Galaxien.” Denn das Gravitationswellendetektionsprogramm soll nun ausgebaut und auf andere Galaxien erweitert werden unter dem Namen RAMAcraft Detection And Ranging, kurz RAMADAR. 

Definitiv eines der vielversprechendsten Projekte, um außerirdische Zivilisationen zu finden. Und vielleicht suchen auch Aliens mit genau dieser Methode nach anderen Lebensformen, haben aber viel feinere und bessere Messmethoden, so dass sie bereits Gravitationswellen von jedem irdischen Raketenstart empfangen haben. Möglich ist alles. 

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Ist die Raumzeit flüssig?

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Flüssige Raumzeit

Die Raumzeit und damit das Wesen des gesamten Universums könnte komplett anders sein, als wir bisher dachten. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Raumzeit flüssig ist. 

Wir sollten uns alle mal bei Albert Einstein bedanken – denn ohne ihn hätten wir nach wie vor keine Ahnung, wie das Universum überhaupt funktioniert. Er fand heraus, dass Raum und Zeit untrennbar zusammen gehören und gemeinsam die Raumzeit bilden. Diese Raumzeit lässt sich beeinflussen und zwar durch Masse. Schwarze Löcher beispielsweise sind dafür bekannt, die Raumzeit an einem gewissen Punkt massiv zu krümmen. Aber letztlich tut das jede Masse.

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Doch vieles daran ist noch ungeklärt, vor allem die Frage: Was genau ist denn die Raumzeit? Sie scheint ja zu existieren. Sie lässt sich beeinflussen und meistens wird sie wie so eine Art Gitternetz oder Trampolin dargestellt. Aber das ist nur eine behilfsmäßige Visualisierung. In Wahrheit ist die Raumzeit natürlich kein Trampolin, sondern eine allgegenwärtige Konstante im Kosmos, die sich aber im Prinzip unserem Verstand entzieht. 

Darstellung des Raumzeitnetzes
Wie ein Trampolin: Unser Raumzeitnetz

Was ist die Raumzeit?

Einige Physiker haben eine ziemlich verrückte Antwort darauf, was die Raumzeit denn tatsächlich sein könnte. Sie sagen: Die Raumzeit ist eine Flüssigkeit und zwar eine ganz besondere. Man spricht von einem sogenannten Superfluid! Sind wir umgeben von einer mehrdimensionalen Flüssigkeit, die den Kosmos wie ein unsichtbarer Ozean durchzieht? Gut möglich, aber um das zu klären, müssen wir erst mal verstehen, wo diese Theorie einhakt und zwar genau zwischen Relativitätstheorie und Quantenphysik. 

Mit der Relativitätstheorie lassen sich im Prinzip alle großen Prozesse im Kosmos beschreiben: Das Verhalten von Himmelskörpern wie Planeten und Galaxien, Gravitation, Lichtgeschwindigkeit – das alles ist Inhalt der Relativitätstheorie. Aber die ganz Prozesse im ganz Kleinen lassen sich damit nicht erfassen, hierfür bedarf es der Quantenmechanik, dem Teil der Physik, mit dem sich das Verhalten subatomarer Teilchen erklären lässt. 

Nun ist es allerdings so, dass Relativitätstheorie und Quantenmechanik nicht immer perfekt miteinander harmonieren, sondern es einige Konflikte gibt, die bislang noch ungeklärt sind. Der Hauptstreitpunkt ist die Gravitation, denn die ist die einzige fundamentale Kraft des Kosmos, die sich bislang noch nicht auf Quantenebene erklären lässt. Die Klärung des Verhältnis zwischen diesen beiden Theorien und die Suche nach einem Quantenschwerkrafttteilchen sind die wichtigsten Themen der modernen Physik. Und eine mögliche Verbindungstheorie ist die Quantengravitation, die wiederum mehrere Ideen umfasst, wie das Prinzip der Schwerkraft mit quantenphysikalischen Prozessen zu erklären sei. 

Flüssigkeit aus winzigen Elementarteilchen

Es geht also darum einen subatomaren Prozess zu finden, der die Schwerkraft erklärt. Und hier kommt jetzt die Raumzeit als Flüssigkeit ins Spiel. Die Raumzeit könnte aus Elementarteilchen bestehen, die derart winzig sind, dass sie sich wie eine Flüssigkeit zusammenfügen. Ganz ähnlich wie das Verhalten von Wasser durch die Interaktionen der Moleküle, aus denen es besteht, geprägt wird, wäre dann die Raumzeit durch Effekte ihrer Quantenbausteine geprägt. Und so eine Quantenflüssigkeit bezeichnet man eben als Superfluid. 

Ein Ozean auf Quantenebene
Könnte unser Universum von einem Ozean durchflutet sein?

Da das sehr komplex ist, formuliere ich es noch mal anders: Die Gesetzmäßigkeiten der Allgemeinen Relativitätstheorie wären dann das Ergebnis der Eigenschaften dieser Superflüssigkeit – ähnlich wie die Hydrodynamik, die das Verhalten von normalen Flüssigkeiten auf makroskopischer Ebene beschreibt. Der italienische Forscher Stefano Liberati beschreibt es so: “Wenn wir die Analogie mit Flüssigkeiten weiterdenken, dann müssen wir auch seine Viskosität in Betracht ziehen. Und wenn die Raumzeit eine Flüssigkeit ist, dann muss es unseren Berechnungen nach ein Superfluid sein. Das bedeutet, seine Viskosität ist extrem niedrig, nahe Null.” 

Quantenflüssigkeit im Kosmos

Was würde das für andere Naturkonstanten wie die Lichtgeschwindigkeit bedeuten, wenn der Kosmos wirklich mit Quantenflüssigkeit gefüllt wäre? Wir können ja feststellen, dass das Licht von milliardejahren alten Galaxien zu uns gelangt. Das James Webb Teleskop hat uns mit fantastischen Aufnahmen der ältesten Galaxien des Kosmos versorgt, die vor mehr als 13 Milliarden Jahren kurz nach dem Urknall entstanden sind. Das Licht dieser ersten Sterneninseln erreicht uns durch gigantische Abstände in Raum und Zeit, was im Umkehrschluss eben bedeuten muss, dass das Raumzeit-Superfluid sehr durchlässig ist. Es handelt sich also nicht um einen dickflüssigen Raumzeit-Milshshake. 

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Aber die Viskosität, also die Dickflüssigkeit, könnte ja nicht komplett null sein. Einen gewissen, sehr kleinen Wert müsste sie haben. Und das ist eine sehr gute Nachricht, denn so können wir die Theorie überprüfen. Stellt euch mal vor, ihr habt eine Flüssigkeit und Licht durchquert sie. Dann können wir ausrechnen, welchen Einfluss die Flüssigkeit auf das Licht hatte. Wenn der Weltraum gar gefüllt wäre mit einer richtig dickflüssigen Substanz wie Milchshake, dann könnten wir die Auswirkungen auf das Licht ganz einfach feststellen, denn Lichtgeschwindigkeit in Schoko-Milkshake ist geringer als Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. 

Lichtgeschwindigkeit
Fun Fact: Im Milkshake fliegt das Licht langsamer

Wenn die Raumzeit also tatsächlich eine Flüssigkeit ist, dann müsste es eine ganz winzige Viskosität geben, die zu minimalen Streuungseffekten des Lichts führen würde. Und die könnten wir dann messen. Stefano Liberati sagt: “Sollte dies passieren, dann hätten wir ein starkes Indiz für die Modelle einer aus Quantengrundlagen entstehenden Raumzeit. Man kann sich kaum eine aufregendere Zeit vorstellen, um über die Gravitation zu forschen.”

Bislang ist eine solche Messung aber leider noch nicht gelungen. Das muss aber nichts heißen, denn es wäre extremst schwierig diese winzigen Effekte festzustellen. Wir reden hier über minimalste Streuungen oder Energieverluste von Elementarteilchen, die sich womöglich mit unseren derzeitigen technischen Mitteln eben einfach noch nicht feststellen lassen. Man müsste Gammastrahlen und hochenergetische Neutrinos, die man auch als Geisterteilchen bezeichnet, aus den Tiefen des Weltraums analysieren, um dann eine etwaige Energieverflüchtigung messen zu können. Ob das Universum also wirklich gefüllt ist mit Quantenmilchshake bleibt bis auf Weiteres ungeklärt, aber es ist ein super spannender und vor allem irgendwann überprüfbarer Anhaltspunkt, der uns endlich die lang ersehnte Verbindung zwischen Quantenphysik und Relativitätstheorie liefern könnte. 

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Schwerkraft existiert nicht: Wahr oder falsch?

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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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