Wie Alt Ist Das Universum?

Wie Alt Ist Das Universum
Wie kann man das Alter des Universums berechnen, solange dieses sich ausdehnt? Zumal man ja die Expansionsgeschwindigkeit gar nicht genau kennt. Eine komplexe Frage von Literaturwissenschafterin Sabine Haupt. Das Universum, das sich uns im Nachthimmel erschliesst, hat schon immer fasziniert und Fragen aufgeworfen.

Die Fixsterne, die Planeten und der Mond dominieren dabei und nur in ganz dunklen Nächten, abseits von hell erleuchteten Städten, werden weitere Strukturen sichtbar, wie zum Beispiel die Milchstrasse oder auch interstellare Nebel. Galaxien sind grosse Ansammlungen von Sternen, die gravitativ miteinander gebunden sind und so ein Sternensystem ausmachen.

Die Milchstrasse ist eine Galaxie mit unserer Sonne als einen von etwa 300 Milliarden (3×10 11 ) Sternen und einem Durchmesser von etwa 100’000 Lichtjahren. Interstellare Nebel sind weitere Galaxien, die wegen ihrer grossen Entfernung in herkömmlichen Teleskopen nur als verschmierte nebelartige Gebilde erscheinen, daher der Name.

  1. Mit leistungsstarken Teleskopen können entfernte Galaxien in ihre einzelnen Sterne aufgelöst werden.
  2. Fixsterne und entfernte Galaxien erscheinen uns als zueinander unbewegliche, statische Gebilde am Firmament, die sich im Tagesrhythmus um die Erde drehen.
  3. Entsprechend wurde das Universum seit Urzeiten als statisch, ewig und unendlich angesehen.

Dass diese Sichtweise nicht zutrifft, wurde erst im Laufe des 20. Jahrhunderts klar. Edwin Hubble erkannte 1929, dass entfernte Galaxien sich alle von uns entfernen, und zwar je weiter die Galaxie von uns entfernt ist, umso grösser ihre Geschwindigkeit.

Andromeda, unsere nächste Nachbarsgalaxie, nähert sich uns sogar, was keinen Widerspruch ergibt. Bei grossen Entfernungen sind die Geschwindigkeiten mit denen sich Galaxien entfernen so gross, dass lokale Eigenbewegungen, die Galaxien zusätzlich haben können, nicht ins Gewicht fallen. Es zeigt sich, dass die Entfernungsgeschwindigkeit von Galaxien proportional ist zu ihrer Entfernung von uns.

Es scheint tatsächlich, dass das Universum quasi aus unserer Galaxie heraus entstanden sein müsste und sich alle entfernten Galaxien explosionsartig von uns wegbewegen. Dies ist jedoch zu kurz gedacht, da jeder Beobachter, unabhängig von welcher Galaxie aus die Beobachtung gemacht wird, denselben Schluss ziehen muss.

  1. Es gilt somit, dass sich alle Galaxien voneinander wegbewegen und zwar je schneller desto grösser der Abstand zwischen ihnen ist.
  2. In der Tat ist ein statisches Universum, in dem die Gravitation sich über alle Distanzen spürbar macht, nicht denkbar.
  3. Eigentlich hätte diese Erkenntnis schon klar sein können, seit Isaak Newton seine Gravitationstheorie 1687 aufstellte.

Newtons Theorie wurde aber nur auf Planeten- und Kometenbahnen, sowie auf irdische, mechanische Fragestellungen angewandt. Über das gesamte Universum zu forschen wurde gar nicht erst in Erwägung gezogen. Albert Einstein, Begründer der Allgemeinen Relativitätstheorie, hatte erkannt, dass mit seinen Gleichungen ein statisches Universum nicht möglich ist und hat daraufhin 1917 eine kosmologische Konstante postuliert, die eine statische Lösung zuliess und so dem allgemeinen Weltbild zu genügen schien.

  • Alexander Alexandrowitsch Friedmann (1922 und 1924), und unabhängig davon, Georges Lemaître (1927), ein katholischer Priester und Physiker, hatten Lösungen zu den einsteinschen Gleichungen vorgeschlagen, die einen Anfang des Universums beinhalten und die eine Expansion des Universums vorhersehen.
  • Howard Robertson und Arthur Geoffrey Walker hatten 1935 mathematisch gezeigt, dass es nur eine Lösung der einsteinschen Gleichungen gibt, die ein homogenes und isotropes Universum zulässt, das sich ausdehnt.

Das FLRW Universum, benannt nach den Anfangsbuchstaben von Friedmann, Lemaître, Robertson und Walker, begründet so das Standardmodell der Kosmologie. © karakter Graphic Design Die Expansionsrate, d.h. die Geschwindigkeit mit der sich der Abstand zwischen weit entfernten Galaxien vergrössert, wird mit der Hubbelkonstante beschrieben. Deren Wert lässt sich bestimmen, wenn von vielen Galaxien Entfernung und Geschwindigkeit gemessen werden.

  • Der sich daraus ergebende Wert hängt etwas von der Methodik ab und ergibt ca.
  • H 0 =73±2 km s -1 Mpc -1,
  • Der Kehrwert der Hubbelkonstanten ergibt die Hubble-Zeit, die dem Alter des Universums entspricht, falls dieses sich ewig gleichförmig ausdehnen würde und weiter auch keine massiven Objekte enthielte.

Die Expansionsrate hängt aber ab von der Zusammensetzung des Universums und von seiner Geometrie. Der Gesamtanteil an normaler Materie, dunkler Materie, und dunkler Energie spielt eine wichtige Rolle, sowie auch, ob das Universum flach, offen, oder geschlossen ist, da diese die Expansionsrate verzögern oder auch beschleunigen können.

  • Geht man zurück in der Zeit, war das Universum kleiner und entsprechend heisser als heute, da die Gesamt-energie des Universums auf kleinerem Raum konzentriert war.
  • Heisser bedeutet allerdings auch, dass Materie nicht in ihrer heutigen Form existieren konnte, da bei hohen Temperaturen Moleküle auseinanderreissen, und auch Atome nicht stabil sind.

Zu einer ganz frühen Zeit war es nur gerade ein Plasma von Elementarteilchen, das den Inhalt des Universums ausmachte. Tatsächlich kann dieses Plasma an Teilchenbeschleunigern erforscht werden. Mit dem Large Hadron Collider am CERN können kurzfristig und auf kleinsten Raum beschränkt die Zustände erzeugt werden, wie sie im Universum eine millionstel-millionstel Sekunde (10 –12 s) nach dem Urknall geherrscht hatten.

  1. Erst nachdem sich das Universum weiter ausgedehnt und entsprechend abgekühlt hatte, waren die Bedingungen nach ca.380’000 Jahren soweit günstig, dass sich Wasserstoffatome, d.h.
  2. Einzelne Protonen gebunden an einzelne Elektronen, stabil bilden konnten.
  3. Damit erst wurde das Universum transparent und Licht, d.h.

Photonen, konnten sich nun ungehindert ausbreiten. Diese Photonen sind heute noch als kosmische Hintergrundstrahlung sichtbar. Diese Hintergrundstrahlung ist, neben der messbaren Expansionsrate der Abstände zwischen entfernten Galaxien, ein wichtiger Beweis für den Urknall und wird seit ihrer Entdeckung 1965 mit immer genaueren, mittlerweile satellitengestützten Experimenten erforscht.

  1. Das Universum zeigt sich in der Analyse der kosmischen Hintergrundstrahlung als perfekter schwarzer Körper mit einer Temperatur von 2.725 ± 0.002 Kelvin.
  2. Weit entfernte intergalaktische Gebiete im Universum haben demnach alle exakt dieselbe Temperatur, was nur erklärbar ist, wenn diese in einem frühen Stadium des Universums in engem Kontakt zueinander waren und damit ein thermisches Gleichgewicht herrschte.

Kleine Temperaturschwankungen in der Hintergrundstrahlung sind im Bereich von mikro-Kelvin und ergeben sich aus Dichteschwankungen der Materie im frühen Universum. Aus diesen Temperaturschwankungen und aus deren geometrischen Korrelation über das ganze Universum hinweg lassen sich die Zusammensetzung, die Geometrie und die Expansionsgeschwindigkeit des Universums bestimmen.

Das Universum hat tatsächlich eine flache Geometrie. Der Anteil normaler Materie ergibt sich daraus zu 5 Prozent, derjenige der dunklen Materie zu 26 Prozent und jener der dunklen Energie zu 69 Prozent. Die Expansionsgeschwindigkeit ist dabei wesentlich genauer ermittelt und ist kompatibel mit der direkten Messung aus Galaxiendaten: H 0 =67.74±0.46 km s -1 Mpc -1,

Mit diesen Werten und der FLRW Lösung der einsteinschen Gleichungen ist das Alter des Universums bestimmbar, welches sich als 13.799±0.021 Milliarden Jahre alt erweist. Frage Sabine Haupt, Titularprofessorin und Lehr- und Forschungsrätin am Institut für Allgemeine und Vergleichende Literaturwissenschaft.

[email protected] Experte Hans Peter Beck ist Physiker am CERN und Mitglied der ATLAS Kollaboration. ATLAS ist eines der beiden Grossexperimente am CERN, die die Teilchenkollisionen des Large Hadron Colliders messen und analysieren und 2012 das Higgsteilchen entdeckt hatten.Hans Peter Beck ist Privatdozent an der Uni Bern und hat einen Lehrauftrag zur Teilchenphysik an der Uni Freiburg.

[email protected]

Was ist älter als das Universum?

“HD 140283” – dank des Hubble-Teleskops konnte sein Alter genauer bestimmt werden. © Digitized Sky Survey (DSS), STScI/AURA, Palomar/Caltech, and UKSTU/AAO Aktualisiert am 11.03.2013, 12:28 Uhr “HD 140283” ist Astronomen schon länger ein Begriff. Vor rund 100 Jahren wurde er in den Sternenkatalog aufgenommen.

  • Doch nun konnte das Alter des Sterns dank des Hubble-Teleskops genauer bemessen werden – mit einem überraschenden Ergebnis: “HD 140283” scheint älter zu sein als bisher angenommen, sogar älter als das Universum.
  • Mehr zum Thema Wissen Der Stern “HD 140283” ist 190,1 Lichtjahre von der Erde entfernt und er ist alt – sehr alt sogar.

Das wussten die Wissenschaftler schon, bevor er mit dem Hubble-Teleskop genauer bemessen werden konnte. Messungen haben nun ergeben, dass der Stern etwa 14,46 Milliarden Jahre alt ist. Damit ist er jünger als bisher angenommen. Bei früheren Messungen wurde “HD 140283” auf 16 Milliarden Jahre geschätzt.

  1. Doch die Messdaten waren so ungenau, dass sie nicht verwendet werden konnten.
  2. Es blieben vage Schätzungen.
  3. Aus den neuen Messdaten des Hubble-Teleskops lässt sich schließen: Der Stern scheint älter als das Universum zu sein, denn dieses ist rund 13,77 Milliarden Jahre alt.
  4. Die Messung des Universums ist aber deutlich genauer als bei “HD 140283”.

Die Mess-Ungenauigkeit oder auch Varianz der Messung des Universums liegt bei plus oder minus 0,06 Milliarden Jahren. Das heißt, es kann zwischen 13,71 und 13,83 Milliarden Jahre alt sein. Im Gegensatz dazu liegt die Varianz der Messung von “HD 140283” bei plus oder minus 0,8 Milliarden Jahren.

Das bedeutet, dass der Stern zwischen 13,66 und 15,26 Milliarden Jahre alt ist. Damit könnte “HD 140283” jünger, aber auch älter als das Universum sein. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Sterne einige 100 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind. Aufgrund der Mess-Ungenauigkeit von “HD 1402832” wird sich diese Annahme auch nicht ändern.

“Mit der verbleibenden Ungenauigkeit ist das Alter des Sterns kompatibel mit dem Alter des Universums”, sagt Howard Bond vom Space Telescope Science Institute in Baltimore/USA.

Wieso weiss man wie alt das Universum ist?

Alter und Zusammensetzung – Das Alter des Universums ist aufgrund von Präzisionsmessungen durch das Weltraumteleskop Planck sehr genau gemessen: 13,81 ± 0,04 Milliarden Jahre. Eine frühere Ermittlung des Alters durch den Satelliten WMAP ergab das etwas ungenauere Ergebnis von 13,7 Milliarden Jahren.

  1. Das Alter kann auch durch Extrapolation von der momentanen Expansionsgeschwindigkeit des Universums auf den Zeitpunkt, an dem das Universum in einem Punkt komprimiert war, berechnet werden.
  2. Diese Berechnung hängt aber stark von der Zusammensetzung des Universums ab, da Materie bzw.
  3. Energie durch Gravitation die Expansion verlangsamen.

Die bisher nur indirekt nachgewiesene Dunkle Energie kann die Expansion allerdings auch beschleunigen. So können verschiedene Annahmen über die Zusammensetzung des Universums zu verschiedenen Altersangaben führen. Durch das Alter der ältesten Sterne kann eine untere Grenze für das Alter des Universums angegeben werden. Sämtliche Berechnungen für das Alter des Universums setzen voraus, dass der Urknall tatsächlich als zeitlicher Beginn des Universums betrachtet werden kann, was wegen Unkenntnis der physikalischen Gesetze für den Zustand unmittelbar nach Beginn des Urknalls nicht gesichert ist.

Zwar kann ein statisches Universum, das unendlich alt und unendlich groß ist, ausgeschlossen werden, nicht jedoch ein dynamisches unendlich großes Weltall. Dieses wird unter anderem durch die beobachtete Expansion des Weltalls begründet. Des Weiteren wies schon der Astronom Heinrich Wilhelm Olbers darauf hin, dass bei unendlicher Ausdehnung und unendlichem Alter eines statischen Universums der Nachthimmel hell leuchten müsste ( Olberssches Paradoxon ), da jeder Blick, den man in den Himmel richtet, automatisch auf einen Stern fallen müsste.

Ist das Universum allerdings unendlich groß, hat aber nur ein endliches Alter, so hat das Licht von bestimmten Sternen die Erde einfach noch nicht erreicht. Der Raum zwischen Galaxien ist nicht vollständig leer, sondern enthält neben Sternen und Staubwolken unter anderem auch Wasserstoff -Gas.

  1. Dieses intergalaktische Medium hat eine Dichte von etwa einem Atom pro Kubikmeter.
  2. Innerhalb von Galaxien ist die Dichte der Materie jedoch wesentlich höher.
  3. Desgleichen ist der Raum von Feldern und Strahlung durchsetzt.
  4. Die Temperatur der Hintergrundstrahlung beträgt 2,7 Kelvin (also etwa −270 °C).
  5. Sie entstand 380.000 Jahre nach dem Urknall.

Das Universum besteht nur zu einem kleinen Teil aus der bekannten Materie und Energie (5 %), von denen wiederum nur 10 % Licht aussenden und dadurch sichtbar sind. Einen größeren Teil (27 %) macht Dunkle Materie aus. Dunkle Materie ist durch eine Vielzahl von Beobachtungen indirekt nachgewiesen, aber ihre Zusammensetzung ist noch weitgehend unverstanden.

Wie alt ist das älteste Universum?

In den Weiten des Universums haben australische Forscher einen rekordverdächtigen Stern entdeckt – er ist 13,6 Milliarden Jahre alt und damit der älteste bisher bekannte. Das Universum ist wahrscheinlich 13,8 Milliarden Jahre alt. Die Forscher spürten den Stern mit Hilfe des Teleskops “SkyMapper” am Siding Spring Observatorium im australischen Coonabarabran auf.

Mit Hilfe dieses Teleskops wollen die Astronomen die erste digitale Karte des südlichen Himmels erstellen. Im Herzen des Teleskops steckt eine Digitalkamera, die mit 268 Megapixeln pro Minute eine Himmelsfläche aufnehmen kann, die 27-mal größer ist als der Vollmond. Der Stern mit dem Namen SMSS J031300.36-670839.3 gehört zu einer zweiten Sternengeneration, schreiben die Forscher – er entstand aus den Trümmerstücken eines anderen Sterns.

Die älteste Galaxie? Sein Alter bestimmten sie anhand seines Eisenanteils, schreiben die Forscher in einer Studie im Wissenschaftsmagazin “Nature”. Das Fehlen jeglichen nachweisbaren Eisens im Lichtspektrum des Sterns habe zu dem Altersnachweis geführt.

Der Eisenanteil gilt wie eine Uhr für das Alter eines Sterns: er steigt mit der Zeit, so wie sich die Sternengenerationen formieren und sterben. Auch eine der ältesten Galaxien entdeckten Forscher dieser Tage. Mit Hilfe von Bildern des Weltraumteleskops “Hubble” und des US-Weltraumteleskops “Spitzer” spürten Astronomen vom Instituto de Astrofìsica de Canarias und der Laguna Universität Sterne eine Galaxie auf, die sich 650 Millionen Jahre nach dem Urknall bildeten, also vor rund 13,15 Milliarden Jahren.

Die Galaxie mit dem Namen Abell 2744 Y1 ist etwa 30-mal kleiner als unsere Galaxie, die Milchstraße. Die Studie der Forscher wird demnächst im Fachjournal “Astronomy and Astrophysics Letters” veröffentlicht. Mit der Erforschung der ersten Galaxien wollen die Wissenschaftler auch das Rätsel lösen, wie sich nach dem Urknall ultraviolettes Licht im finsteren Weltraum ausbreiten konnte.

Was gab es vor dem Universum?

Was war vor dem Urknall? Sterngeburten wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Doch gab es den wirklich? Oder ging unser Universum aus einem anderen hervor? (Foto: picture-alliance / dpa) Die Frage, die lange Zeit nur Philosophen stellen und erörtern durften, beschäftigt inzwischen Physiker auf der ganzen Welt.

Und sie finden Antworten – zumindest theoretischer Natur. Ob Paralleluniversum, Multiversum oder Megaversum – eines wird ganz deutlich: Der Mensch ist weniger als eine Ameise. Nimmt man den Urknall als gegeben an, dann verbietet sich die Frage nach dem Davor. Denn dann war der Urknall der Anfang von allem.

Von Zeit lässt sich – ebenso wie von Raum – erst mit dem Urknall sprechen. Vor dem Urknall gab es weder das eine noch das andere. Vor dem Urknall gab es nichts. Der Urknall ist eine Theorie. Sie besagt, dass das Universum aus einer Singularität entstanden ist, aus einem minimalsten Punkt, einem Punkt mit unglaublich hoher Dichte.

  1. Er enthielt die gesamte Materie und Energie des Universums.
  2. Bei extrem hoher Temperatur begann vor rund 13,7 Milliarden Jahren aus diesem Punkt heraus eine Expansion.
  3. Die Entwicklung des Universums hatte ihren Lauf genommen – und sie hält an.
  4. Um den Punkt Null beschreiben zu können, braucht man eine Theorie der Quantengravitation.

Sie soll die Quantentheorie mit Einsteins Relativitätstheorie unter einen Hut bringen. Die Urknall-Theorie ist etabliert. Mit ihr lassen sich die Ausdehnung und der aktuelle Zustand des Universums gut erklären. Die Formeln der Physik sind mit dem Modell des “Big Bang” vereinbar; allerdings – und das macht Wissenschaftler durchaus stutzig – nur bis zu einem gewissen Punkt: Die klassische Physik greift bereits Sekundenbruchteile nach dem Urknall, doch will man bis zum Urknall selbst zurückgehen, versagt sie.

  • Die Gleichungen funktionieren nicht mehr.
  • Weder die Allgemeine Relativitätstheorie, die Physik fürs ganz Große also, noch die Quantentheorie, die Physik fürs ganz Kleine, können – eine jede für sich genommen – den Urknall beschreiben.
  • Die Physik, die wir kennen und die bestätigt ist”, sagt Hermann Nicolai, Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Potsdam-Golm, im Gespräch mit n-tv.de, “geht schon ziemlich nah an diesen Punkt heran, nämlich bis 10 hoch minus 30 Sekunden.

Das ist schon ziemlich gut.” Aber: Eine minimale Lücke bleibt.

Wie groß war das Universum nach 1 Sekunde?

Klar scheint heute: Mit dem Urknall begann eine Kette von Ereignissen, in deren Verlauf die Atome, chemischen Elemente und letztlich alle Materie um uns herum entstand. Bis es aber so war, musste noch einiges geschehen. Welche Prozesse dabei abliefen und wie die ersten Stadien unseres Universums beschaffen waren, ist bis heute noch nicht vollständig aufgeklärt.

Lar scheint: Unmittelbar nach dem Urknall bestand das ganze Universum aus einem winzig kleinen, aber extrem dichten und heißen „Etwas”. Kosmologen vermuten, dass seine Größe nicht mehr als Plancklänge von 10 hoch -35 Meter betrug. Zu dieser Zeit sind alle vier physikalischen Grundkräfte noch in einer einzigen Superkraft vereint.

Dann, etwa zehn hoch -40 Sekunden nach dem Urknall, spaltet sich die Gravitation ab. Damit entsteht die klassische Raumzeit. Der Kosmos ist noch immer unvorstellbar heiß, in welcher Form Energie und Materie vorliegen, ist unbekannt.

Was verbirgt sich hinter dem Universum?

Nichts, weil es ein ‘dahinter’ gar nicht gibt. Im Wort ‘Weltall’, wie auch im Wort ‘Universum’, steckt die Bedeutung ‘alles’. Das Weltall umfasst alles.

Würde man im Weltall altern?

Das Wichtigste zum Thema Altern im Weltall –

Der NASA-Astronaut Scott Kelly machte eine kuriose Erfahrung: Während er ein Jahr auf der Internationalen Raumstation ISS verbrachte, alterte er langsamer als sein eineiiger Zwillingsbruder Mark auf der Erde. Das hängt mit Einsteins Relativitätstheorie zusammen. Die besagt, dass die Zeit für Objekte, die sich in Bewegung befinden, langsamer vergeht als für solche, die sich nicht bewegen. Genauso verhält es sich, je näher du dich an einer schweren Masse wie der Erde befindest. Die Zeit vergeht für Menschen im All deshalb um den Faktor 1,0000000007 schneller als für dich auf der Erde. Da sich Scott Kelly mit einer Geschwindigkeit von 28.200 Kilometern pro Stunde außerhalb des Gravitationsfelds durchs All bewegte, durchlebte Mark auf der Erde 5 Millisekunden mehr, die er jetzt älter als sein Zwillingsbruder ist. Dieser Effekt wird als Zwillings-Paradoxon bezeichnet.

Was passiert wenn man im All verloren geht?

Benutzen Astronauten einen Fallschirm, wenn sie zur Erde zurückkehren? Wurde schon ein Planet entdeckt, auf dem irgendwann Menschen leben können? Und was würde eigentlich passieren, wenn man ohne Raumanzug in das Weltall gehen würde? – Das sind einige der spannenden Fragen, die ihr zum Thema Astronauten wissen wolltet.

Noch mehr Fragen und die entsprechenden Antworten gibt es jetzt hier. Frage: Yannick fragt: Wie verläuft der Start in einer Rakete? Antwort: Mit dem Zünden der Triebwerke beginnt der Aufstieg ins All. Diese Phase bis zum Einschwenken in die Umlaufbahn dauert nur acht Minuten. Die Astronauten werden dabei durch die Beschleunigung in die Sitze gepresst – mit etwa dem Dreifachen ihres normalen Gewichts.

Dabei rüttelt und schüttelt es die Crew schon etwas durch – denn die Vibrationen der Rakete sind deutlich spürbar. Im Orbit angekommen werden die Triebwerke ausgestellt – und von einer Sekunde zur anderen setzt Schwerelosigkeit ein. Man darf jetzt den Helm abnehmen und die Handschuhe ausziehen – und schon muss man darauf achten, dass nicht etwas davonschwebt. Eine riesige Raumstation, die sich um sich selbst dreht und so Schwerkraft erzeugt. Diese futuristische Zeichnung stammt aus den Archiven der NASA. Bild: NASA Antwort: Theoretisch möglich wäre das schon – und es hat auch schon einige Überlegungen zu künstlicher Schwerkraft gegeben.

Man müsste ein Raumschiff nur wie eine sehr große „Tonne” bauen, die sich andauernd dreht. Dann wird – wie in der Trommel einer Waschmaschine beim Schleudergang – alles nach außen gedrückt. Natürlich nicht zu stark Damit sich das dann für die Crew so anfühlt wie die Schwerkraft der Erde, müsste die Raumstation aber sehr groß sein.

Und deshalb sieht man so etwas bisher nur in Science-Fiction-Filmen – denn der Aufwand wäre enorm. Ganz im Kleinen gibt es aber so etwas übrigens schon: Die Rede ist von sogenannten Zentrifugen, die man auch an Bord der Internationalen Raumstation ISS findet.

Die sind sogar noch kleiner als Waschmaschinen – und sie drehen sich auch nicht ganz so schnell. Darin erzeugt man zum Beispiel für Experimente mit Pflanzen oder auch Einzellern – kleinsten Lebewesen – künstliche Schwerkraft. Und zwar ganz langsam und allmählich steigernd. So kann man dann herausfinden, ab welcher Stärke die Organismen überhaupt Schwerkraft wahrnehmen.

Frage: Achim möchte gerne wissen, ob ein Astronaut unendlich weit fliegen würde, wenn er sich von einer Raumstation abstoßen würde? Antwort: Zunächst einmal: Ein Astronaut sollte das nicht tun! Denn er würde tatsächlich weit ins All und weg von der Raumstation schweben – ohne eine Chance auf Rückkehr. Vor vielen Jahren hat die NASA einen Rucksack mit Düsen entwickelt – der inzwischen aber nicht mehr verwendet wird. Damit konnten sich Astronauten tatsächlich vom Raumschiff entfernen. Bild: NASA Aber nun zur physikalischen Erklärung: Der sogenannte „Impulserhaltungssatz” besagt, dass – vereinfacht ausgedrückt – eine Bewegung konstant bleibt, wenn sie nicht durch äußere Einflüsse verändert wird.

Zum besseren Verständnis: Wenn du dich im Schwimmbad kräftig vom Beckenrand abstößt, gleitest du einige Meter durchs Wasser – das dich aber allmählich abbremst. Die Reibung an den Wassermolekülen: Das ist der äußere Einfluss, der die Bewegung verändert und die Energie, die du beim Abstoßen eingesetzt hast, langsam „auffrisst”.

Wenn sich aber ein Astronaut irgendwo ganz weit draußen im luftleeren Weltraum von einem Raumschiff abstoßen würde, gäbe es keine andere Kraft, die ihn beeinflussen könnte: Er würde immer weiter geradeaus schweben – abgesehen davon, dass die Erde oder ein anderer Himmelskörper ihn irgendwann mittels der Schwerkraft einfangen würde. Eine Sojus-Landekapsel gleitet am Fallschirm zur Erde zurück. Bild: ESA, CNES Antwort: Gagarin hat tatsächlich einen Fallschirm benutzt. Die Kapsel hatte ihn zunächst wieder Richtung Erde gebracht, aber ein paar tausend Meter über dem Boden betätigte Gagarin den Schleudersitz und segelte dann am Fallschirm zur Erde.

Das war aber eine Ausnahme. Normalerweise bleiben Raumfahrer in der Rückkehrkapsel, bis sie den Erdboden erreicht. Diese Kapsel dringt zunächst aus dem Weltraum in die immer dichter werdenden Luftschichten der Erde ein und wird dadurch abgebremst. Dann öffnen sich große Fallschirme, an denen die Kapsel selbst zum Boden schwebt.

Zuletzt zündet noch eine kleine Bremsrakete ganz kurz vor dem Aufsetzen. Beim amerikanischen Shuttle funktioniert die Landung anders: Er hat ja Flügel und landet wie ein Flugzeug. Frage: Stefanie will wissen: Wie kann man Blut abnehmen, ohne dass dann Blutstropfen in der ISS herumfliegen? Eine Astronautin trinkt per Strohhalm. Bild: ESA, CNES Antwort: Die Spritze oder Kanüle fängt das Blut ja gleich auf – wie beim Arzt auf der Erde, wo ja auch kein Tropfen daneben gehen sollte. Aber der Umgang mit Flüssigkeiten ist schon eine besondere Sache.

Zum Beispiel beim Trinken. Astronauten können natürlich nicht aus einem Becher trinken – dann würden tatsächlich tausend Tropfen durch die Raumstation schweben. Also benutzen sie Getränkepackungen mit Strohhalmen. Und statt einer Dusche werden nasse Handtücher zum Waschen verwendet. Frage: Richard und Rudi fragen: Wird es Hubschrauber geben, die leise fliegen aber trotzdem effizient bleiben? Antwort: Wir arbeiten gerade daran.

Hier erfährst du mehr dazu. Frage: Elias fragt: Was passiert, wenn man ohne Raumanzug in das Weltall geht? Antwort: Man würde innerhalb von Sekunden sterben. Im Weltall gibt es keine Luft zum Atmen – es herrscht Vakuum. Hinzu kommen die extremen Temperaturen: weit unter minus 100 Grad auf der Schattenseite der Erde, weit über plus 100 Grad, wo die Sonne auf den Raumfahrer oder ein anderes Objekt trifft.

  • Raumanzüge versorgen Astronauten beim Spacewalk mit Atemluft und isolieren ihn auch gegen die Temperaturen.
  • Frage: Laura überlegt, ob es schwierig ist, Pflanzen in der Schwerelosigkeit zu züchten? Antwort: Ja, jedenfalls nicht so leicht wie auf der Erde.
  • Es gibt dazu immer wieder Experimente, weil man ja auch darüber nachdenkt, ob man Pflanzen etwa auf eine Reise zum Mars mitnehmen kann, um die Astronauten unterwegs mit nachwachsender Nahrung zu versorgen.

Das wollte man gerade eben mit dem Pflanzen-Experiment auf der ISS testen – im Rahmen der Mission MagISStra mit dem italienischen ESA-Astronauten Paolo Nespoli an Bord. Doch Paolo musste den Versuch vorzeitig beenden, weil es bei den Pflanzen zu einem Pilzbefall gekommen war.

  • Weitere Infos zu diesem Experiment und dem wissenschaftlichen Hintergrund findest du hier,
  • Frage: Lukas fragt: Wurde schon ein Planet entdeckt, auf dem irgendwann Menschen leben können? Antwort: Nein, bisher noch nicht.
  • In unserem Sonnensystem ist die Erde der einzige Planet, auf dem Menschen leben können – ein Grund mehr, sorgsam mit unserer Umwelt umzugehen.
See also:  Wie Alt Ist 50 Cent?

Es wäre aber denkbar, dass auf anderen Himmelskörpern wie etwa dem Mars einfache Lebensformen – etwa Bakterien – existiert haben oder vielleicht sogar noch existieren. Denn dort muss es einmal Wasser gegeben haben: Die Bilder von Raumsonden, die den Mars erkunden, zeigen jedenfalls ausgetrocknete Flussläufe.

  1. Und Wasser gilt als eine der wichtigsten Voraussetzungen für Leben.
  2. Aber bisher hat man noch keine Mikroorganismen oder andere Lebewesen auf dem Mars gefunden.
  3. Für uns Menschen ist jedenfalls dort kein Leben möglich – schon allein wegen der viel zu dünnen Atmosphäre.
  4. Nebenbei bemerkt: Es gibt einige ganz utopische Überlegungen, den Mars in eine zweite Erde zu verwandeln.

Das nennt man „Terraforming”. Im Internet findest du dazu sicher eine Menge an Einträgen. Aber es handelt sich dabei um Science Fiction, nicht so sehr um wirklich ernsthafte Forschung. Diese Zeichnung – es handelt sich also nicht um ein Foto – zeigt einen der wenigen Gesteinplaneten (er wird OGLE-2005-BLG-390Lb genannt), die man bisher entdeckt hat. Er ist aber wohl so weit von seiner sehr kleinen Sonne entfernt, dass es dort minus 200 Grad kalt sein dürfte.

  1. Bild: NASA, ESA, STScI Fast schon realistisch ist dagegen die Überlegung, ob es in der Nähe von anderen Sonnen erdähnliche Planeten gibt.
  2. Das ist sogar ziemlich wahrscheinlich.
  3. Wissenschaftler haben außerhalb unseres eigenen Sonnensystems mittlerweile schon über 400 Planeten entdeckt, die um andere Sterne kreisen.

Allerdings sind das meist sehr große Planeten – einfach weil man sie leichter mit unseren heutigen Instrumenten finden kann. Diese Riesen-Planeten bestehen aus Gas – ähnlich wie Jupiter und Saturn. Leben dürfte es dort kaum geben. Aber die Entwicklung geht weiter und vielleicht findet man schon bald auch eine „zweite Erde”: einen Gesteinsplaneten wie unseren, vielleicht sogar mit Wasser und der richtigen Atmosphäre.

  • Und vielleicht hat er dann sogar den richtigen Abstand zu seiner Sonne – nicht zu nah und nicht zu weit weg.
  • Dorthin fliegen wird für uns jedoch leider nicht möglich sein: Die Entfernungen zu anderen Sonnensystemen sind so riesig, dass nie ein Raumschiff dorthin reisen kann – es wäre viele Tausende von Jahren und noch länger unterwegs.

Frage: Marco möchte mehr über die Zusammenarbeit mit Ländern wie Indien und China erfahren. Antwort: China und Indien sind gehören inzwischen auch zu den großen Raumfahrtnationen der Erde. Und wir arbeiten in einer ganzen Reihe von Projekten zusammen. China hat selbst mittlerweile eigene Astronauten ins All gebracht und ist an der Forschung in Schwerelosigkeit interessiert.

Da gibt es eine Zusammenarbeit bei verschiedenen wissenschaftlichen Experimenten. Konkret werden auf dem unbemannten chinesischen Raumschiff Shenzhou 8, das im Herbst 2011 starten soll, auch sieben biologische Experimente – etwa Algenkulturen – aus Deutschland mitfliegen. Man will so untersuchen, wie sich Zellen in Schwerelosigkeit verhalten.

Indien ist noch nicht so sehr an der bemannten Raumfahrt beteiligt, dafür aber in der Erdbeobachtung äußerst aktiv – und auch da gibt es eine Zusammenarbeit. Frage: Aaron interessiert sich für die künftigen Raumfahrt-Missionen, die von deutscher Seite geplant werden – ob mit oder ohne Astronauten.

Antwort: Astronauten werden auch in den nächsten Jahren immer wieder zur Internationalen Raumstation ISS fliegen. Deutschland ist daran über die Europäische Weltraum-Organisation ESA beteiligt. Dort gibt es ein Astronauten-Team, in dem Deutsche, Franzosen, Italiener und viele andere Nationalitäten vertreten sind.

Wann der nächste Deutsche zur ISS fliegen wird, steht noch nicht fest. Aber unabhängig davon werden andauernd viele Experimente deutscher Wissenschaftler auf der ISS durchgeführt. Daneben sind auch unbemannte Missionen geplant – manche von der ESA, andere vom DLR.

  • Eines der größten und wichtigsten Projekte: das europäische Satellitennavigationssystem Galileo.
  • Dabei sollen rund 30 Satelliten die Erde umkreisen und dafür sorgen, dass man noch viel genauer als bisher per „Navi” den Weg zum Ziel findet.
  • Das betrifft übrigens nicht nur das Navigationsgerät im Auto, sondern etwa auch Flugzeuge und Schiffe, die ja ebenfalls Satelliten zur Positionsbestimmung nutzen.

Ein anderes Satellitenprojekt, das wir im DLR planen, nennt sich AsteroidFinder: Es soll dazu dienen, Asteroiden, die vielleicht der Erde einmal gefährlich nahe kommen könnten, frühzeitig zu entdecken. Und auch über einen Roboter-Satelliten denken wir nach, der andere Satelliten notfalls repariert oder vielleicht auch Weltraumschrott einfängt.

  • Frage: Willy hat die sehr spezielle Frage: Was ist NT-GTF? Antwort: Dabei geht es um besonders umweltfreundliche und leise Triebwerke für Flugzeuge.
  • Ganz allgemein verständlich wird das Thema hier dargestellt.
  • Frage: Die Frage von Nico lautet: Wie lange wäre man unterwegs, wenn man von der Erde bis zum Neptun und wieder zurück fliegt? Antwort: Zum Neptun wäre es schon eine ziemlich lange Reise! Immerhin handelt es sich um den äußersten Planeten unseres Sonnensystems.

Die unbemannte Sonde Voyager 2 ist vor langer Zeit einmal bis dorthin geflogen. Sie startete im Jahre 1977 – und erst zwölf Jahre später, im August 1989, flog sie ziemlich dicht am Neptun vorbei. Wollte man von dort aus auch wieder zurück fliegen, wäre man mindestens noch einmal so lange unterwegs. Dieses Foto stammt von Voyager 2. Es zeigt Neptun und seinen Mond Triton. Bild: NASA Aber das ist eigentlich nicht nötig. Denn Astronauten würde man sicher nicht zum Neptun schicken. Ihn kann man besser mit unbemannten Sonden untersuchen – und die müssen nicht mehr zurück zur Erde.

So fliegt Voyager 2 und auch die Schwestersonde Voyager 1 immer weiter in die Tiefen des Alls – und für den Fall, dass sie eines fernen Tages einmal Außerirdischen in die Hände fallen (oder was immer bei Außerirdischen wohl „Hände” sind), sind da auf einer CD sogar Grußbotschaften von der Erde an Bord.

Frage: Pascal: Wie viele Satelliten hat die ESA aktuell im Weltraum? Antwort: Insgesamt umkreisen zwölf ESA-Satelliten die Erde. Hier eine Webseite, auf der du die aktuellen Positionen sehen kannst. Aber neben der Europäischen Weltraum-Organisation ESA selbst, in der viele europäischen Länder zusammenarbeiten, gibt es ja auch noch die Dinge, die jedes Land für sich allein macht.

  • Und so haben viele europäische Länder auch noch ihre eigenen Satelliten – das macht insgesamt rund 60 weitere Satelliten aus.
  • Frage: Thomas hat sich anscheinend sehr genau mit dem europäischen Raumtransporter ATV beschäftigt, der unbemannt zur ISS fliegt und die Crew mit Nachschub versorgt – unter anderem auch mit Sauerstoff.

Er fragt: Aus welchem Material und wie dick ist der Sauerstofftank im ATV, der 28 MPa aushalten kann? Antwort: Wir haben die Frage direkt mal an unsere Kollegen bei Astrium in Bremen weitergeleitet,die darauf geantwortet haben: Der Tank besteht aus einem inneren Kern von 1 mm Stärke aus einer Nickel-Chrom-Basis (mit verschiedenen anderen Beimischungen).

  1. Dieser Kern ist mit Kohlefasern in einer Stärke von 8,3 mm umwickelt.
  2. Die gesamte Wandstärke ist also 9 mm.
  3. Frage: Yannick interessiert sich dafür, ob man auf der ISS auch mal Zeit für sich allein hat.
  4. Antwort: Ja, das hat man.
  5. Die ISS ist ja sehr groß und man kann sich da in seiner Freizeit auch in eines der Module zurückziehen.

Die Astronauten müssen sich ja schließlich auch mal irgendwann entspannen – da ist Freizeit sozusagen „Pflicht”, damit man bei der nächsten Schicht, wenn man wieder arbeiten muss, auch wirklich ausgeruht und konzentriert ist. Jeder Astronaut darf einige persönliche Gegenstände mitnehmen – sozusagen als privates „Handgepäck”.

Hat das All ein Ende?

Wo endet eigentlich das Universum? Raul Schneeberg aus Pankow möchte wissen, ob das Weltall tatsächlich unendlich ist. Vom Institut für theoretische Physik antwortet Prof. Dr. Robert Schrader. Die moderne Forschung zur Frage nach der Struktur des Universums beginnt 1917 mit Albert Einstein.

  • Er postulierte, was man heute das kosmologische Prinzip nennt: Im Mittel großer Abstände sieht das Universum überall und in alle Richtungen gleich aus.
  • Gemäß diesem Postulat hat das Universum keinen Rand, sprich kein Ende.
  • Bestätigt wurde diese Annahme der Homogenität im Jahre 1926 vom amerikanischen Astronomen Edwin Hubble.

Bei seinen Beobachtungen darüber, wie sich Galaxien im All verteilen, fand er keinen Hinweis auf einen Rand des Weltalls. Er war es auch, der feststellte, dass sich Galaxien umso schneller entfernen, je weiter sie von uns entfernt sind. Moderne Untersuchungen von Lichtsignalen, die über 13 Milliarden Jahre durch das All gereist sind, haben dieses bekräftigt.

Der belgische Priester und Physiker Georges Lemaître, der als Begründer der Urknalltheorie gilt, hat dieses Phänomen 1927 in Anwendung der allgemeinen Relativitätstheorie als eine Expansion eines endlichen Universums gedeutet. Die allgemeine Relativitätstheorie sagt im Großen und Ganzen vorher, dass die im Raum vorhandenen Massen wegen ihrer gegenseitigen Anziehung diesen krümmen.

Die Endlichkeit kann man daher so verstehen, dass die Galaxien das Weltall gewissermaßen so weit nach innen biegen, bis es sich in sich schließt. Anschaulich kann man sich das Universum wie die Oberfläche eines Luftballons vorstellen. Die Expansion interpretieren Astrophysiker als Ergebnis einer explosionsartigen “Geburt” (big bang) des Universums vor 13 Milliarden Jahren und entspricht dabei dem Aufblasen des Luftballons.

  1. Neueste astronomische Messungen deuten darauf hin, dass sich diese Expansion zurzeit sogar noch beschleunigt.
  2. Verursacht wird sie vermutlich durch eine so genannte “dunkle Energie”, die abstoßend wirkt.
  3. Ihre Herkunft und somit weitere physikalische Eigenschaften versteht man derzeit allerdings noch nicht.

Sie konkurriert mit den üblichen Massen als auch mit der ebenfalls anziehenden, nicht sichtbaren aber trotzdem nachgewiesenen “dunklen Materie”. Falls letztere sich durchsetzen, könnte das dazu führen, dass das Universum in einem Punkt kollabiert (“big crunch”).

Was ist noch größer als das Universum?

Das Universum Das Universum ist alles, was wir anfassen, fühlen, wahrnehmen, messen oder erkennen können. Dazu gehören Lebewesen, Planeten, Sterne, Galaxien, Staubwolken, Licht und sogar die Zeit. Vor der Geburt des Universums gab es weder Zeit noch Raum oder Materie.

Das Universum umfasst Milliarden von Galaxien, von welchen jede einzelne Millionen oder Milliarden Sterne enthält. Der Raum zwischen den Sternen und Galaxien ist größtenteils leer. Doch selbst an weit von Sternen und Planeten entfernten Orten befinden sich vereinzelte Staubteilchen oder einige wenige Wasserstoffatome pro Kubikzentimeter.

Der Weltraum ist auch von Strahlung (z.B. Licht und Wärme), Magnetfeldern und sehr energiereichen Teilchen (z.B. kosmischen Strahlen) erfüllt. Das Universum ist unvorstellbar groß. Ein modernes Kampfflugzeug bräuchte mehr als eine Million Jahre, um den der Sonne nächsten Stern zu erreichen.

  • Selbst mit Lichtgeschwindigkeit (300.000 km pro Sekunde) würde es 100.000 Jahre dauern, nur unsere Milchstraßengalaxie zu durchqueren.
  • Niemand kennt die genaue Größe des Universums, da wir den Rand nicht sehen können – wenn es denn überhaupt einen gibt.
  • Wir wissen lediglich, dass das sichtbare Universum mindestens 93 Milliarden Lichtjahre im Durchmesser groß ist.

(Ein Lichtjahr ist die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt – das sind etwa neun Billionen Kilometer.) Das Universum hat nicht immer die gleiche Größe gehabt. Die Wissenschaftler glauben, dass es mit dem Urknall begann, der vor fast 14 Milliarden Jahren stattgefunden hat.

Wie viele Universum gibt es?

Es existiert in der Annahme nicht nur ein Universum, sondern gleich mehrere oder unendlich viele Universen. Das übersteigt unsere Vorstellungskraft. Ein Paralleluniversum wäre demzufolge ein Universum außerhalb unseres Universums.

Ist das Weltall unendlich alt?

Wie kann man sich das vorstellen – die unendliche Ausdehnung? – Das Weltall ist unendlich. Unendlich ist aber keine große Zahl, keine Quantität, wie man so schön sagt, sondern eine Qualität. Wenn Sie unendlich mit 2 multiplizieren, kommt immer noch unendlich raus.

  1. Und wenn Sie davon 50 abziehen, ist es immer noch unendlich.
  2. Unendlich ist also keine Zahl, die irgendwie festzumachen ist.
  3. Das Universum ist schon unendlich groß und dehnt sich in sich selbst aus.
  4. Das ist tatsächlich unvorstellbar, aber es ist kein Rand nötig, wohin sich das ausdehnt.
  5. Es gibt einfach nur das Universum und das kann sich in sich selbst ausdehnen.

: Dehnt sich das Universum unendlich aus?

Ist die Zeit eine Illusion?

Der rätselhafte Fluss der Zeit

Magazin01.02.2003Lesedauer ca.13 Minuten

Wir erleben, wie die Zeit unaufhaltsam dahinströmt – von der unabänderlichen Vergangenheit über die flüchtige ­Gegenwart zur unbekannten Zukunft. Doch für Physiker ist das nur eine Illusion. Gather ye rosebuds while ye may, / Old Time is still a-flying.« (Etwa: Sammle nur Rosenknospen, solang du kannst, / die alte Zeit verfliegt dir doch.) Mit diesem Vers drückte der englische Dichter Robert Herick im 17.

Jahrhundert die gängige Überzeugung aus, dass die Zeit vergeht. Wer könnte daran zweifeln? Das Verrinnen der Zeit ist wohl der grundlegendste Bestandteil der menschlichen Wahrnehmung; wir erleben es alles in allem inniger als die Erfahrung etwa von Raum oder Masse. Das Vergehen der Zeit wurde mit dem Flug eines Pfeils verglichen oder mit einem dahinströmenden Fluss, der uns unaufhaltsam von der Vergangenheit zur Zukunft trägt.

Shakespeare schrieb vom »Karussell der Zeit«, sein Landsmann Andrew Marvell vom »geflügelten Wagen der Zeit, der nah vorüberrast«. So eingängig diese Bilder auch sein mögen, sie geraten in einen tiefen und unauflöslichen Widerspruch. Nichts in der bekannten Physik entspricht dem Vergehen der Zeit.

Das »Jetzt« als reine Ansichtssache Wie die Zeit nicht vergeht Der stehende Zeitpfeil Zeitfluss – ein Schwindel? Literaturhinweise

Im Alltag teilen wir die Zeit in Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft ein. Die grammatische Struktur der Sprache gibt diese fundamentale Unterscheidung wieder. Wirklichkeit gestehen wir nur dem gegenwärtigen Augenblick zu. Die Vergangenheit denken wir uns als nicht mehr existent, die Zukunft als etwas schattenhaft Kommendes, etwas ohne fertig ausgeformte Einzelheiten.

  1. In diesem einfachen Bild gleitet das »Jetzt« unserer bewussten Wahrnehmung stetig vorwärts und verwandelt dabei Ereignisse, die einst in der ungeformten Zukunft lagen, in die konkrete, aber flüchtige Realität der Gegenwart und verbannt sie von da in die feststehende Vergangenheit.
  2. Diese Darstellung erscheint uns zwar als selbstverständlich, aber sie widerspricht der modernen Physik.

Albert Einstein schrieb an einen Freund: »Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft sind nur Illusionen, wenn auch hartnäckige«. Die verblüffende Aussage folgt unmittelbar aus Einsteins Spezieller Relativitätstheorie, die dem gegenwärtigen Augenblick jede absolute, universelle Bedeutung abspricht.

  • Der Theorie zufolge ist Gleichzeitigkeit ein relativer Begriff.
  • Zwei Ereignisse, die von einem Bezugssystem aus beobachtet im selben Augenblick stattfinden, können von einem anderen Bezugssystem aus zu unterschiedlichen Zeiten eintreten.
  • Auf die unschuldige Frage »Was geschieht gerade auf dem Mars?« gibt es keine eindeutige Antwort.

Der Grund ist, dass Erde und Mars weit auseinander liegen – ungefähr zwanzig Lichtminuten. Da keine Information schneller als Licht übermittelt werden kann, vermag ein irdischer Beobachter nicht zu sagen, was im selben Augenblick auf dem Mars vorgeht.

  • Er muss die Antwort nachträglich herleiten, nachdem das Licht die Wegstrecke zwischen den Planeten durchmessen hat.
  • Das indirekt ­gefolgerte vergangene Ereignis wird un­terschiedlich ausfallen, je nachdem, wie schnell der Beobachter sich bewegt.
  • Zum Beispiel könnte während einer künftigen, bemannten Mars-Mission jemand in der irdischen Leitzentrale fragen: »Was wohl Commander Jones jetzt auf Basis Alpha treibt?« Bei einem Blick auf die große Anzeigetafel würde sein Kollege sehen, dass es auf dem Mars gerade 12:00 Uhr ist und antworten: »Mittagessen«.

Aber ein Astronaut, der im selben Moment fast mit Lichtgeschwindigkeit die Erde passiert, würde – je nach seiner Flugrichtung – beim Blick auf seine Uhr sagen, dass es auf dem Mars früher oder später als 12:00 Uhr ist und je nachdem antworten: »Essen machen« oder »Geschirr waschen«.

Unterschiede solcher Art vereiteln jeden Versuch, dem gegenwärtigen Augenblick besondere Bedeutung zu verleihen, denn auf wessen »Jetzt« bezieht sich dieser Moment? Wenn Sie und ich uns relativ zuei­nander bewegen, kann ein Ereignis, das für mich noch in der unentschiedenen Zukunft liegt, für Sie bereits zur feststehenden Vergangenheit gehören.

Die nächstliegende Schlussfolgerung daraus lautet, dass sowohl Vergangenheit als auch Zukunft ein für alle Mal feststehen. Aus diesem Grund stellen sich die Physiker die Zeit am liebsten anders vor: als eine Zeitkarte – analog zu einer Landkarte –, auf der Vergangenheit und Zukunft vollständig und gemeinsam fixiert sind.

  1. Diese Vorstellung wird manchmal Blockzeit genannt.
  2. Darin fehlt jeglicher Bezug auf einen speziellen Augenblick als Gegenwart oder einen Prozess, der zukünftige Ereignisse systematisch erst in gegenwärtige und dann in vergangene Ereignisse verwandelt.
  3. Urz, die Zeit der Physiker vergeht nicht und fließt nicht.

Auch manche Philosophen sind zu demselben Schluss gekommen, als sie untersuchten, was wir normalerweise mit dem Verrinnen der Zeit meinen. Sie behaupten, die Vorstellung sei in sich widersprüchlich. Der Begriff des Fließens habe schließlich mit Bewegung zu tun.

  1. Es ist zwar sinnvoll, von der Bewegung eines physikalischen Objekts – etwa eines Pfeils durch den Raum – zu reden, denn man kann beobachten, wie sein Ort mit der Zeit variiert.
  2. Aber welche Bedeutung lässt sich der Bewegung der Zeit selbst zuweisen? Relativ wozu bewegt sie sich? Während die übliche Art von Bewegung einen physikalischen Prozess mit einem anderen in Beziehung setzt, bezieht der vermeintliche Zeitfluss die Zeit auf sich selbst.

Schon die einfache Frage »Wie schnell vergeht die Zeit?« offenbart die Absurdität dieser Idee. Die triviale Antwort »Mit einer Sekunde pro Sekunde« besagt überhaupt nichts. Obwohl wir uns angewöhnt haben, im Alltag vom Vergehen der Zeit zu sprechen, vermittelt diese Vorstellung keinerlei zusätzliche Information.

Betrachten wir zum Beispiel folgenden Text: »Alice hoffte auf weiße Weihnachten, aber als der Tag kam, war sie enttäuscht, denn es regnete nur; doch sie war glücklich, als es am folgenden Tag schneite.« Obwohl diese Beschreibung nur so strotzt von Zeitangaben und Bezügen auf das Vergehen der Zeit, wird exakt dieselbe Information vermittelt, wenn man einfach die mentalen Zustände von Alice mit ­Datumsangaben versieht – ohne den geringsten Bezug auf die verfließende Zeit oder veränderte Welt.

Der folgende pedantische und trockene Faktenkatalog reicht völlig aus: – 24. Dezember: Alice erhofft sich weiße Weihnachten. – 25. Dezember: Es gibt Regen. Alice ist enttäuscht. – 26. Dezember: Es gibt Schnee. Alice ist glücklich. Bei dieser Beschreibung geschieht und verändert sich nichts.

Es gibt einfach Zustände der Welt an verschiedenen Tagen und zugeordnete mentale Zustände von Alice. Ähnlich haben schon griechische Denker der Antike wie Parmenides und Zenon argumentiert. Vor einem Jahrhundert versuchte der britische Philosoph John McTaggart eine klare Trennung zwischen zwei Beschreibungen der Welt zu ziehen: Die so genannte A-Serie stellt die Welt in Form von Ereignissen dar, die B-Serie formuliert Zustände der Welt.

Jede von beiden scheint eine zutreffende Beschreibung der Wirklichkeit zu sein, und doch stehen sie offenbar in Widerspruch zueinander. So lag das Ereignis »Alice ist enttäuscht« einst in der Zukunft, dann in der Gegenwart und schließlich in der Vergangenheit.

Nun sind aber Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft einander ausschließende Kategorien – wie kann ein und dasselbe Ereignis zu allen dreien gehören? McTaggart nutzte die Unvereinbarkeit der A- und der B-Serie als Argument für die Unwirklichkeit der Zeit an sich – vielleicht ein allzu radikaler Schluss.

Die meisten Physiker würden weniger dramatisch folgern: Der Zeitfluss ist unwirklich, aber die Zeit selbst ist so real wie der Raum. Große Verwirrung bei Diskussionen über die Vergänglichkeit der Zeit entsteht in Verbindung mit dem so genannten Zeitpfeil.

  • Zu verneinen, dass die Zeit fließt, bedeutet nicht zu behaupten, die Bezeichnungen »Vergangenheit« und »Zukunft« seien ohne physikalische Grundlage.
  • Die Ereignisse in der Welt bilden zweifellos eine gerichtete Folge.
  • Zum Beispiel wird ein rohes Ei beim Sturz auf den Boden zerplatzen, während der umgekehrte Vorgang – ein zerbrochenes Ei setzt sich spontan zu einem intakten Ei zusammen – noch niemals beobachtet wurde.

Diese Unumkehrbarkeit drückt sich physikalisch im Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik aus, dem zufolge in einem abgeschlossenen System die Entropie – grob gesagt das Ausmaß der Unordnung – mit der Zeit tendenziell zunimmt. Ein intaktes Ei hat eine geringere Entropie als ein zerstörtes.

Weil die meisten Vorgänge in der Natur solche ­irreversiblen physikalischen Prozesse sind, sorgt der Zweite Hauptsatz für eine augenfällige Asymmetrie zwischen Vergangenheit und Zukunft. Die Zeitachse erhält dadurch eine Richtung, den so genannten Zeitpfeil, der von der Vergangenheit in die Zukunft weist.

Doch das bedeutet nicht, dass der Pfeil sich zur Zukunft hin bewegt – so wenig wie eine Kompassnadel, die nach Norden weist, anzeigt, dass der Kompass nordwärts wandert. Beide Pfeile symbolisieren eine Asymmetrie, nicht eine Bewegung. Der Zeitpfeil bezeichnet eine Asymmetrie der Welt hinsichtlich der Zeit, nicht eine Asymmetrie oder ein Fließen der Zeit selbst.

  1. Die Etiketten »vergangen« und »zukünftig« gelten für zeitliche Richtungen, genau wie »aufwärts« und »abwärts« für Richtungen im Raum.
  2. Hingegen ist das Reden über »die Vergangenheit« oder »die Zukunft« streng genommen ebenso sinnlos, als würde man sagen, ein Gegenstand steige in »das Aufwärts« oder sinke in »das Abwärts«.

Um die Unterscheidung zwischen »vergangen« oder »zukünftig« einerseits und »die Vergangenheit« oder »die Zukunft« andererseits zu veranschaulichen, stellen wir uns einen Film vor, der festhält, wie ein Ei zu Boden fällt und zerschellt. Läuft der Film rückwärts durch den Projektor, so erkennt jeder Betrachter sofort die Unwirklichkeit der Szene.

  • Nun nehmen wir an, dass jemand den Filmstreifen in Einzelbilder zerschneidet, diese völlig zufällig mischt und aufeinander stapelt.
  • Es fällt uns gewiss leicht, den Bilderstapel in die richtige Reihenfolge zu bringen, mit dem zerbrochenen Ei obenauf und dem intakten ganz unten.
  • Dieser vertikale Stapel gibt die durch den Zeitpfeil ausgedrückte Asymmetrie wieder, denn vor uns liegt eine geordnete Folge in der räumlichen Vertikalen, was beweist, dass die zeitliche Asymmetrie tatsächlich eine Eigenschaft der Weltzustände ist und nicht eine Eigenart der Zeit an sich.

Der Film muss gar nicht erst im Kino laufen, damit der Zeitpfeil kenntlich wird. Da die meisten physikalischen und philosophischen Analysen der Zeit keinerlei Anzeichen für ein Verrinnen zu entdecken vermögen, stehen wir vor einem Rätsel: Woher kommt der starke, allgegenwärtige Eindruck, die Welt sei unentwegt im Fluss? Einige Forscher, insbesondere der belgische Chemie-Nobelpreisträger Ilya Prigogine, der jetzt an der Universität von Texas in Austin lehrt, meinen, die subtile Physik der irreversiblen Prozesse mache den Strom der Zeit zu einem objektiven Wesenszug der Welt.

  1. Doch ich und andere glauben, dass es sich dabei um eine bestimmte Illusion handelt.
  2. Letztlich beobachten wir das Verrinnen der Zeit nicht wirklich.
  3. Was wir tatsächlich erfahren, ist, dass spätere Zustände der Welt sich von früheren unterscheiden, an die wir uns noch erinnern.
  4. Die Tatsache, dass wir uns an die Vergangenheit erinnern und nicht an die Zukunft, bedeutet nicht, dass die Zeit vergeht, sondern dass sie asymmetrisch ist.

Nur ein neugieriger Be­obachter registriert den Fluss der Zeit. Eine Uhr misst die Zeitspanne zwischen Ereignissen ganz ähnlich wie ein Maßstab den Abstand zwischen Orten; sie misst nicht die »Geschwindigkeit«, mit der ein Augenblick dem anderen folgt.

Darum ist der Zeitfluss offenbar nicht objektiv gegeben, sondern ein subjektives Phänomen. Diese Illusion schreit förmlich nach einer Erklärung, die allerdings nicht in der Physik zu suchen sein wird, sondern in Dis­ziplinen wie Psychologie, Neurophysiologie und viel­leicht Linguistik oder Kulturwissenschaft.

Die moderne Wissenschaft hat sich noch kaum mit der Frage befasst, wie wir das Verstreichen der Zeit wahrnehmen – über die Antwort können wir hier nur spekulieren. Vielleicht hängt das Prob­lem mit der Funktionsweise des Gehirns zusammen. Wenn wir uns mehrmals rasch im Kreis drehen und plötzlich stehen bleiben, wird uns schwindlig.

  1. Subjektiv haben wir den Eindruck, die Welt rotiere um uns, obwohl unsere Augen ein und denselben Ausschnitt sehen.
  2. Die scheinbare Bewegung der Umgebung ist eine Illusion, die durch das Rotieren der Flüssigkeit im Innenohr erzeugt wird.
  3. Vielleicht ist der Zeitfluss etwas Ähnliches.
  4. Es gibt zwei Aspekte der Zeit-Asymmetrie, auf die der falsche Eindruck, die Zeit fließe, zurückgeführt werden könnte.

Der erste ist die thermodynamische Unterscheidung zwischen Vergangenheit und Zukunft. Wie die Physiker seit ein paar Jahrzehnten wissen, hängt die Entropie eines Systems eng mit seinem Informationsgehalt zusammen. Aus diesem Grund ist die Bildung des Gedächtnisses ein gerichteter Prozess – neue Erinnerungen fügen Information hinzu und erniedrigen die Entropie des Gehirns.

  • Vielleicht nehmen wir diese Gerichtetheit als Zeitfluss wahr.
  • Eine zweite Möglichkeit wäre, dass unsere Wahrnehmung des Zeitstroms irgendwie mit der Quantenmechanik zu tun hat.
  • Seit den Anfängen dieser Theorie war den Physikern klar, dass die Zeit darin eine einzigar­tige Rolle spielt, ganz anders als der Raum.
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Vor allem die Son­derrolle der Zeit macht es so schwierig, die Quantenmechanik mit der Allgemeinen Relativitäts­theorie zu verei­nigen. Die Heisen­berg’sche Unbe­stimmt­­heitsrelation, der zufolge die Natur an sich indeterministisch ist, bedeutet, dass die Zukunft – übrigens auch die Vergangenheit – offen ist.

Dieser Indeterminismus tritt am deutlichsten in atomaren Größenordnungen zu Tage und besagt, dass die beobachtbaren Größen, die ein System charakterisieren, von einem Moment zum anderen mit einer gewissen Unschärfe variieren. Zum Beispiel kann ein Elektron, das auf ein Atom trifft, in viele unterschiedliche Richtungen abprallen, und normalerweise lässt sich das Ergebnis nicht exakt vorhersagen.

Der Indeterminismus der Quantenphysik hat zur Folge, dass es für einen Quantenzustand viele – möglicherweise unendlich viele – alternative Zukünfte oder mögliche Realitäten gibt. Die Quantenmechanik liefert relative Wahrscheinlichkeiten für jedes beobachtbare Ergebnis, gibt aber nicht an, welche mögliche Zukunft Wirklichkeit werden wird.

  • Wenn ein menschlicher Beobachter jedoch eine Messung durchführt, erhält er ein eindeutiges Resultat; zum Beispiel wird er feststellen, dass das abgeprallte Elektron sich in einer bestimmten Richtung bewegt.
  • Durch den Messvorgang wird eine einzige, eindeutige Realität aus einem riesigen Arsenal von Möglichkeiten herausgefiltert.

Im Geist des Beobachters geht das Mögliche ins Wirkliche über, die offene Zukunft in die feststehende Vergangenheit – und genau das meinen wir mit dem Fluss der Zeit. Die Physiker sind sich nicht einig, wie dieser Übergang von vielen möglichen Realitäten zu einer einzigen Wirklichkeit stattfindet.

  1. Viele meinen, er habe etwas mit dem Bewusstsein des Beobachters zu tun, weil der Beobachtungsvorgang die Natur zwinge, sich zu entscheiden.
  2. Einige Forscher, wie Roger Penrose von der Universität Oxford, behaupten, das Bewusstsein – und der Eindruck des zeitlichen Verrinnens – hänge mit Quantenprozessen im Gehirn zusammen.

Obwohl es bisher keine Hinweise auf ein spezielles »Zeitorgan« im Gehirn gibt, das etwa der Rolle der Sehrinde für die visuelle Wahrnehmung entspräche, wird die Forschung vielleicht künftig die Hirnvorgänge identifizieren, die für unseren Zeitsinn verantwortlich sind.

Man könnte sich Wirkstoffe vorstellen, die den subjektiven Eindruck der fließenden Zeit aufheben. In der Tat behaupten manche Menschen, sie könnten durch Meditation solche geistigen Zustände auf natürliche Weise erreichen. Was wäre, wenn die Wissenschaft den Zeitfluss tatsächlich als Einbildung entlarven könnte? Vielleicht würden wir uns nicht länger Sorgen über die Zukunft machen oder die Vergangenheit betrauern.

Die Furcht vor dem Tod würde so gegenstandslos werden wie die Angst vor der Geburt. Erwartung und Nostalgie würden vielleicht aus dem menschlichen Vokabular verschwinden. Vor allem würde das Gefühl der Dringlichkeit vergehen, das unserem Tun und Trachten so oft anhaftet.

  1. Wir wären nicht mehr Sklaven des Dranges, unbedingt jetzt sofort handeln zu müssen, denn Gegenwart und Zukunft wären buchstäblich Dinge der Vergangenheit.Wie die Zeit in die Welt kam.
  2. Die Entstehung einer Illusion aus Ordnung und Chaos.
  3. Von Henning Genz.
  4. Hanser, München 1996.
  5. The Physical Basis of the Direction of Time.

Von H. Dieter Zeh. Springer, Heidelberg 2001. About Time: Einstein’s Unfinished Revolution. Von Paul Davies. Simon & Schuster, 1995. The Physics of Time Asymmetry. Von Paul Davies. University of California Press, 1974. The Unreality of Time. Von John Ellis McTaggart in: Mind, Bd.17, S.456 (1908).

In Kürze – Unsere Sinne teilen uns mit, dass die Zeit fließt: Die Vergangenheit steht fest, die Zukunft ist ungewiss, und die Wirklichkeit wird in der Gegenwart erlebt. Doch verschiedene physikalische und philosophische Argumente sprechen dagegen. – Das Vergehen der Zeit ist wahrscheinlich eine Illusion.

Vielleicht gehören zum Bewusstsein thermodynamische oder quantenphysikalische Prozesse, die den Eindruck erzeugen, wir würden einen Augenblick nach dem anderen erleben. Die andere Dimension Der Theologe Augustinus schrieb im 5. Jahrhundert: »Was also ist Zeit? Wenn mich niemand danach fragt, weiß ich es; will ich es einem Fragenden erklären, weiß ich es nicht.« Weil wir die Zeit psychisch erleben, erscheinen uns physikalische Definitionen der Zeit trocken und unangemessen.

  1. Für den Physiker ist Zeit das, was Uhren messen.
  2. Mathematisch gesprochen ist sie ein eindimensionaler Raum, der für gewöhnlich als kontinuierlich gilt.
  3. Er könnte aber auch quantisiert sein und aus diskreten »Chrononen« bestehen – wie ein Film aus einzelnen Bildern.
  4. Zwar kann die Zeit als vierte Dimension behandelt werden, aber sie ist nicht identisch mit den drei Raumdimensionen.

­Sowohl in der Alltagserfahrung als auch in der physikalischen Theorie werden Zeit und Raum unterschiedlich behandelt. So gilt zum Beispiel für die Berechnung von Entfernungen in der Raumzeit eine an­dere Formel als für gewöhnliche räum­liche Abstände.

Der Unterschied zwischen Raum und Zeit hängt eng mit dem Begriff der Kausalität zusammen; er verhindert, dass Ursache und Wirkung hoffnungslos durcheinander geraten. Andererseits glauben viele Physiker, dass Raum und Zeit bei winzigsten Abständen und Zeitspannen ihre separate Identität verlieren. Die Gegenwart ist nichts Besonderes Im alltäglichen Verständnis ist der gegenwärtige Augenblick einzigartig: Nur jetzt ist die Welt wirklich da.

Während die Uhr tickt, vergeht dieser Moment und ein anderer entsteht. Diesen Vorgang nennen wir den Fluss der Zeit. Beispielsweise nimmt der Mond eine bestimmte Position auf seiner Bahn um die Erde ein. Ein wenig später gibt es ihn an diesem Ort nicht mehr; dafür ist er an einer anderen Stelle zu finden.

Doch Naturforscher vertreten meist die Ansicht, wir könnten nicht einen speziellen Moment als gegenwärtig hervorheben, wenn jeder dieses Recht beanspruchen darf. Objektiv betrachtet sind Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft gleichermaßen real. Die gesamte Ewigkeit existiert in einem vierdimensionalen Block, der aus der Zeit und den drei Raumdimensionen besteht.

Vorabdruck aus dem Spezialheft “Zeit” (Erscheinungstermin 11. April 2003) Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 2003, Seite 1© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH Diesen Artikel empfehlen: In dieser Ausgabe widmet sich Gehirn&Geist dem Thema Rausch. Außerdem im Heft: Emotionen, Gewaltfreie Kommunikation und Neuroimplantate. Die Thermodynamik lehrt uns, dass die Natur unter anderem einen Trend zu wachsender Unordnung habe – grob gesagt, denn natürlich müssen dafür bestimmte Bedingungen erfüllt sein.

Wann hört das Universum auf zu existieren?

II. Der Big Rip, auch als „Endknall” bezeichnet – Das All dehnt sich immer schneller aus, und die Materie zerfällt in Elementarteilchen, die sich gegenseitig abstoßen. Am Ende bleibt nichts übrig. Zum Glück tritt dieser Fall wohl erst in 30 bis 50 Milliarden Jahren auf. Gut zu wissen! Quelle: gettyimages

Wie viele Dimension gibt es?

Theoretische Physik: Die unsichtbaren Dimensionen des Universums Im Jahre 1884 beschrieb Edwin A. Abbott in seinem skurrilen Roman “Flatland: A Romance of Many Dimensions” die Abenteuer des Quadratwesens “A. Square” in einer zweidimensionalen Flachwelt, die von geometrischen Lebewesen – Dreiecken, Quadraten, Fünfecken und so weiter – bevölkert ist.

Gegen Ende der Geschichte, am ersten Tag des Jahres 2000, durchquert ein Kugelwesen aus dem dreidimensionalen “Spaceland” das Flachland und hebt A. Square aus seinem ebenen Lebensraum empor, um ihm die dreidimensionale große weite Welt zu zeigen. Das bringt A. Square auf die Idee, das Raumland sei vielleicht wiederum nur ein kleiner Unterraum eines noch größeren vierdimensionalen Universums.

Tatsächlich haben einige Physiker in den letzten Jahren begonnen, allen Ernstes einen ganz ähnlichen Gedanken zu verfolgen: dass alles, was wir in unserem Universum wahrnehmen, auf eine dreidimensionale “Membran” beschränkt ist, die in einem höherdimensionalen Bereich liegt.

Aber anders als A. Square, der nur mit Hilfe höherer Einmischung aus dem Raumland zu seinen Einsichten kam, werden die Physiker die Existenz von zusätzlichen Dimensionen vielleicht schon bald selbst herausfinden. Es gibt bereits Versuche, die Auswirkungen dieser Extra-Dimensionen auf die Schwerkraft nachzuweisen.

Und wenn die Theorie stimmt, könnten demnächst geplante Experimente in hochenergetischen Teilchenbeschleunigern exotische Prozesse im Grenzbereich von Quanten- und Gravitationstheorie aufzeigen – zum Beispiel die kurzzeitige Erzeugung winziger Schwarzer Löcher.

  1. Diese Theorie ist mehr als nur eine “Romanze in vielen Dimensionen”; sie beruht auf neuesten Entwicklungen der String-Theorie und wird möglicherweise einige hartnäckige Rätsel der Kosmologie und Teilchenphysik lösen.
  2. Die unerklärliche Schwäche der Schwerkraft Begriffe wie Strings und Extra-Dimensionen entspringen eigentlich dem Versuch, die Vertrauteste aller Naturkräfte zu verstehen: die Schwerkraft.

Mehr als drei Jahrhunderte, nachdem Isaac Newton sein Gravitationsgesetz formulierte, vermag die Physik noch immer nicht zu erklären, warum die Schwerkraft so viel schwächer ist als alle anderen Wechselwirkungen. Ein kleiner Magnet überwindet, wenn er einen Nagel vom Boden hebt, ohne weiteres die Anziehungskraft der gesamten Masse der Erde.

  • Die Gravitationsanziehung zwischen zwei Elektronen ist 10E43-mal schwächer als die elektrische Abstoßung zwischen ihnen.
  • Die Schwerkraft drückt unsere Füße auf den Boden und lässt die Erde um die Sonne kreisen – aber nur, weil diese gewaltigen Massen elektrisch neutral sind.
  • Darum bleiben die elektrischen Kräfte verschwindend gering, und die Gravitation macht sich trotz ihrer Schwäche als einzige bemerkbar.

Die Elektronmasse müsste 10E22-mal so groß sein wie ihr tatsächlicher Wert, damit Schwerkraft und elektrische Wechselwirkung gleich stark wären. Um ein so schweres Teilchen zu produzieren, wäre eine Energie von 10E19 Gigaelektronenvolt (GeV, Milliarden Elektronenvolt) erforderlich – die so genannte Planck-Energie.

  • Mit ihr hängt die Planck-Länge zusammen, die nur winzige 10E-35 Meter beträgt.
  • Zum Vergleich: Der Kern des Wasserstoffatoms, das Proton, ist etwa 10E19 mal so groß und hat eine Masse von ungefähr 1 GeV.
  • Planck-Energie und Planck-Länge – zusammen Planck-Skala genannt – liegen weit jenseits der Reichweite der stärksten Teilchenbeschleuniger.

Sogar der Large Hadron Collider bei Cern wird, wenn er in fünf Jahren seinen Betrieb aufnimmt, nur Längen bis zu minimal 10E-19 Meter untersuchen können (siehe “Der große Hadronen-Collider” von Chris Llewellyn Smith, Spektrum der Wissenschaft 9/2000, S.68).

Da im Bereich der Planck-Skala die Gravitation ähnlich stark wird wie der Elektromagnetismus und die anderen Naturkräfte, nahmen die Physiker an, erst bei solch enormen Energien würde sich eine “Theorie für alles” offenbaren, die große Vereinigung der Gravitation mit den übrigen Kräften. Demnach wäre die vereinheitlichte Theorie in absehbarer Zukunft hoffnungslos außer Reichweite direkter experimenteller Überprüfung (siehe “Eine Theorie für alles?” von Steven Weinberg, Spektrum Spezial 1/2000 “Forschung im 21.

Jahrhundert”, S.12). Die stärksten heutigen Beschleuniger erreichen Energien zwischen 100 GeV und 1 TeV (Teraelektronenvolt, Billionen Elektronenvolt). In diesem Bereich vereinigt sich der Elektromagnetismus mit der so genannten schwachen Wechselwirkung, einer für bestimmte radioaktive Zerfallsformen verantwortlichen Kraft zwischen subatomaren Teilchen.

Wir würden die außerordentliche Schwäche der Gravitation verstehen, wenn wir den riesigen Faktor 10E16 erklären könnten, der die elektroschwache Skala von der Planck-Skala trennt. Leider reicht das äußerst erfolgreiche Standardmodell der Teilchenphysik dazu nicht aus, denn das Modell wurde eigens an den experimentell beobachteten Wert der elektroschwachen Skala angepasst.

Die gute Nachricht ist, dass diese Anpassung – zusammen mit 16 anderen – ausreicht, um auf einen Schlag Hunderttausende Beobachtungen zu erklären. Die schlechte Nachricht ist, dass wir die zu Grunde liegende Theorie bis auf die zweiunddreißigste Stelle hinter dem Komma genau einstellen müssen; sonst würde die elektroschwache Skala auf Grund quantenphysikalischer Instabilitäten die extremen Werte der Planck-Skala annehmen.

  1. Das ist, als würde man einen Raum betreten und einen Bleistift finden, der mitten auf dem Tisch perfekt ausbalanciert auf der Spitze steht.
  2. Obwohl nicht unmöglich, ist eine solche Situation doch extrem instabil, und man fragt sich, woher sie kommt.
  3. Große” Raumdimensionen Seit zwanzig Jahren suchen die Theoretiker dieses Rätsel – das Hierarchieproblem – zu lösen, indem sie bei rund 10E-19 Meter (oder 1 TeV) die Teilchenphysik abändern, um die elektroschwache Skala zu stabilisieren.

Die gängigste Änderung des Standardmodells erreicht diesen Zweck über die so genannte Supersymmetrie. Um im Bild des ausbalancierten Bleistifts zu bleiben: Die Supersymmetrie wirkt wie ein unsichtbarer Faden, der den Stift nach oben zieht und vor dem Umkippen bewahrt.

  1. Obwohl die Teilchenbeschleuniger bis jetzt noch keine direkten Hinweise auf Supersymmetrie gefunden haben, gibt es immerhin indirekte Indizien.
  2. Werden etwa die gemessenen Stärken der starken, schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkung theoretisch zu immer kürzeren Abständen extrapoliert, so konvergieren sie nur dann sehr exakt in einem gemeinsamen Wert, wenn die Extrapolation den Regeln der Supersymmetrie gehorcht.

Dieses Ergebnis weist auf eine supersymmetrische Vereinigung der drei Kräfte bei etwa 10E-32 Meter hin; das ist rund tausendmal größer als die Planck-Länge, aber immer noch weit jenseits des für Teilchenbeschleuniger zugänglichen Bereichs. Doch in den letzten zwei Jahren haben einige Theoretiker einen radikal neuen Ansatz vorgeschlagen, bei dem Raumzeit, Gravitation und Planck-Skala selbst modifiziert werden.

Die Grundidee ist, dass die extremen Werte der Planck-Skala – die akzeptiert werden, seit der deutsche Physiker Max Planck (1858–1947) sie vor einem Jahrhundert eingeführt hat – auf einer ungeprüften Annahme über die Schwerkraft bei kleinen Entfernungen beruhen. Newtons Gravitationsgesetz besagt, dass die Kraft zwischen zwei Massen umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstands ist; es funktioniert hervorragend über makroskopische Distanzen und erklärt die Umlaufbahn der Erde um die Sonne, die Bahn des Mondes um die Erde und so weiter.

Doch weil die Schwerkraft so schwach ist, wurde das Gesetz experimentell nur bis zu Abständen von rund einem Millimeter überprüft – und immerhin müssen wir über 32 Größenordnungen extrapolieren, um zu schließen, dass die Schwerkraft erst bei einem Planck-Maßstab von 10E-35 Meter stark wird.

  • Das Membran-Modell des Universums Das Gesetz des inversen Abstandsquadrats ergibt sich im dreidimensionalen Raum ganz.
  • Betrachten wir die gleichförmig von der Erde ausgehenden Feldlinien der Schwerkraft.
  • In größerer Entfernung von der Erde verteilen sie sich über eine entsprechend größere Kugelfläche: Die Oberfläche wächst mit dem Quadrat des Radius, und im selben Maß wird die Kraft verdünnt.

Angenommen, es gäbe noch eine weitere Dimension, der Raum wäre vierdimensional. Dann würden die von einem Punkt ausgehenden Feldlinien sich über eine vierdimensionale Kugelschale ausbreiten, deren Oberfläche mit der dritten Potenz des Radius wächst, und die Schwerkraft würde einem Gesetz der inversen dritten Potenz des Abstands gehorchen.

Dieses invers kubische Gesetz beschreibt ganz sicher nicht unser Universum, aber stellen wir uns einmal vor, dass die zusätzliche Dimension zu einem kleinen Kreis mit Radius R zusammengerollt ist. Betrachten wir nun Feldlinien, die von einer fast punktförmigen Masse ausgehen. Über sehr kleine Abstände – viel kleiner als R – können die Feldlinien sich gleichförmig in alle vier Dimensionen ausbreiten, und darum ist die Schwerkraft umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Entfernung.

Haben sich die Feldlinien aber erst einmal ganz um den Kreis herum ausgebreitet, bleiben ihnen nur noch drei Dimensionen übrig. Darum ist die Kraft für Abstände, die viel größer sind als R, invers quadratisch. Entsprechendes gilt für beliebig viele Extra-Dimensionen, die alle zu Kreisen mit Radius R eingerollt sind.

Bei n zusätzlichen Dimensionen folgt die Schwerkraft für Entfernungen unterhalb R einem inversen Potenzgesetz mit der Potenz 2+n. Weil wir die Schwerkraft nur für Entfernungen oberhalb eines Millimeters gemessen haben, würden wir Änderungen der Schwerkraft durch Extra-Dimensionen, deren Größe R weniger als ein Millimeter beträgt, gar nicht bemerken.

Zudem würde das (2+n)-Potenzgesetz bewirken, dass die Schwerkraft nicht erst bei Erreichen des herkömmlichen Planck-Maßstabs von 10E-35 Meter “stark” wird, sondern schon weit darüber. Das heißt, die Planck-Länge – definiert als die Länge, bei der die Schwerkraft stark wird – wäre nicht gar so winzig, und das Hierarchieproblem würde geringer.

  1. Das Hierarchieproblem lässt sich sogar vollständig lösen, indem man so viele Extra-Dimensionen postuliert, dass die Planck-Skala sich in die Nähe der elektroschwachen Größenordnung verschiebt.
  2. Die endgültige Vereinigung der Gravitation mit den anderen Kräften würde dann schon bei 10E-19 Meter stattfinden und nicht erst – wie bisher angenommen – bei 10E-35 Meter.

Wie viele Dimensionen man braucht, hängt davon ab, wie groß sie sind. Wenn wir umgekehrt eine Anzahl von zusätzlichen Dimensionen vorgeben, können wir berechnen, wie groß sie sein müssen, um die Schwerkraft bei 10E-19 Meter stark zu machen. Bei nur einer zusätzlichen Dimension muss ihr Radius R etwa so groß sein wie die Entfernung zwischen Erde und Sonne.

  1. Deshalb ist dieser Fall schon durch die Beobachtung ausgeschlossen.
  2. Doch schon zwei Extra-Dimensionen können das Hierarchieproblem lösen, wenn sie rund einen Millimeter groß sind – und genau an dieser Grenze endet unsere direkte Kenntnis der Schwerkraft.
  3. Die Dimensionen sind noch kleiner, wenn wir mehr davon nehmen: Sieben zusätzliche Dimensionen müssen nur 10E-14 Meter groß sein – so groß wie ein Uran-Kern.

Das ist für Alltagsbegriffe winzig, aber im Maßstab der Teilchenphysik immer noch riesig. Das Postulieren zusätzlicher Dimensionen mag bizarr und willkürlich scheinen, aber für Theoretiker ist es eine vertraute Idee. Schon in den zwanziger Jahren entwickelten die Physiker Theodor Kaluza (1885– 1954) und Oskar Klein (1894– 1977) eine vereinigte Theorie der Gravitation und des Elektromagnetismus, die eine zusätzliche Dimension erforderte.

Die Idee kehrt in den modernen String-Theorien wieder, die aus mathematischen Gründen insgesamt 10 Raumdimensionen benötigen. Bisher haben die Physiker angenommen, dass die Extra-Dimensionen zu winzigen Kreisen von der Größe der herkömmlichen Planck-Länge – 10E-35 Meter – eingerollt sind, wodurch sie zwar verborgen bleiben, aber das Dilemma des Hierarchieproblems bestehen lassen.

Hingegen werden die zusätzlichen Dimensionen in der neuen Theorie, die wir vorschlagen, zu relativ großen Kreisen – mindestens 10E-14 Meter, maximal ein Millimeter – zusammengerollt. Wenn diese Dimensionen so groß sind, warum haben wir sie bisher noch nicht bemerkt? Millimetergroße Extra-Dimensionen wären bereits mit dem bloßen Auge und erst recht durch ein Mikroskop wahrnehmbar.

Und obwohl wir die Schwerkraft nicht unterhalb eines Millimeters gemessen haben, besitzen wir eine Fülle experimenteller Erkenntnisse über alle anderen Kräfte bei viel kürzeren Entfernungen bis hinunter zu 10E-19 Meter – und all dies lässt sich nur mit einem dreidimensionalen Raum vereinbaren. Wie kann es dann große Extra-Dimensionen geben? Die Antwort ist einfach und seltsam zugleich: Die gesamte Materie und alle uns bekannten Kräfte – mit Ausnahme der Schwerkraft – sind auf eine Art Wand im Raum der zusätzlichen Dimensionen beschränkt.

Elektronen, Protonen, Photonen und all die anderen Teilchen des Standardmodells können sich nicht in den Extra-Dimensionen bewegen; auch elektrische und magnetische Feldlinien breiten sich nicht in den höherdimensionalen Raum aus. Die Wand hat nur drei Dimensionen, und soweit es diese Teilchen betrifft, könnte das Universum ebenso gut dreidimensional sein.

  1. Nur die Feldlinien der Gravitation reichen in den höherdimensionalen Raum hinaus, und nur das Graviton – das Quantenteilchen, das die Schwerkraft überträgt – vermag sich dort frei zu bewegen.
  2. Das heißt, die zusätzlichen Dimensionen machen sich ausschließlich durch die Gravitation bemerkbar.
  3. Was taugt die Theorie? Zur Veranschaulichung stellen wir uns alle Teilchen des Standardmodells als Kugeln auf einem unermesslich großen Billardtisch vor; soweit es sie betrifft, ist das Universum zweidimensional.

Dennoch können Bewohner dieses Billard-Universums die höherdimensionale Welt entdecken: Wenn zwei Billardkugeln zusammenstoßen, entstehen Schallwellen, die sich in allen drei Dimensionen fortpflanzen und ein wenig Energie von der Tischoberfläche verschwinden lassen.

  • Die Schallwellen entsprechen den Gravitonen, die sich im gesamten höherdimensionalen Raum bewegen können.
  • Bei hochenergetischen Teilchenkollisionen sollten wir demnach gewisse Energie-Fehlbeträge beobachten, die von in höhere Dimensionen entwischten Gravitonen herrühren.
  • Auch wenn es uns seltsam erscheinen mag, dass manche Teilchen auf eine Wand beschränkt sein sollen, sind uns ähnliche Phänomene doch vertraut.

Zum Beispiel können Elektronen in einem Kupferdraht sich nur im eindimensionalen Raum des Drahtes bewegen; sie wandern nicht in die dreidimensionale Umgebung ab. Auch Wasserwellen pflanzen sich auf der Oberfläche fort, nicht in der Tiefe. Unser spezielles Szenario, in dem alle Teilchen außer der Schwerkraft auf eine Wand beschränkt sind, folgt zwanglos aus der String-Theorie.

  • Tatsächlich hängt der jüngste Durchbruch in der String-Theorie gerade mit solchen Wänden oder Membranen zusammen, so genannten “D-Branes”; dieses Kunstwort ist aus “D” für Dirichlet – ein deutscher Mathematiker des 19.
  • Jahrhunderts, nach dem gewisse Randbedingungen für Felder benannt sind – und “Brane” von englisch membrane zusammengesetzt.

D-Branes haben genau die erforderlichen Eigenschaften: Elektronen, Photonen und andere Partikel werden durch winzige schwingende Saiten (englisch strings) beschrieben, deren beide Endpunkte an einer D-Brane haften müssen. Hingegen sind die Gravitonen winzige geschlossene String-Schleifen; sie können in allen Dimensionen umherwandern, weil sie keine Endpunkte besitzen, die in einer D-Brane verankert wären.

  • Ein guter Forscher versucht eine neue Theorie gleich zu erledigen, indem er einen Widerspruch zu bekannten experimentellen Ergebnissen findet.
  • Die Theorie der großen Extra-Dimensionen verändert die Schwerkraft bei makroskopischen Entfernungen und die übrige Physik bei hohen Energien – also sollte sie eigentlich leicht zu entkräften sein.

Doch erstaunlicherweise widerspricht diese Theorie, obwohl sie von unserem gewohnten Bild des Universums radikal abweicht, keinem bekannten experimentellen Resultat. Einige Beispiele zeigen, wie überraschend diese Schlussfolgerung ist. Man mag zunächst erwarten, dass eine Veränderung der Gravitation sich auf die von ihr zusammengehaltenen Objekte auswirkt, zum Beispiel Sterne und Galaxien.

  1. Aber das ist nicht der Fall.
  2. Die Schwerkraft verändert sich nur für Entfernungen unterhalb eines Millimeters, während sie einen Stern über Tausende von Kilometern hinweg zusammenhält.
  3. Allgemein gesagt: Obwohl die Gravitation über kurze Distanzen durch die zusätzlichen Dimensionen verstärkt wird, holt sie die anderen Kräfte doch erst bei 10E-19 Meter ein; auf große Entfernungen bleibt sie vergleichsweise sehr schwach.

Ein viel ernsteres Problem bilden die Gravitonen, die hypothetischen Quanten der Gravitation. In unserer Theorie treten sie – wegen der auf kurze Entfernung erhöhten Schwerkraft – viel stärker mit Materie in Wechselwirkung, und darum sollten bei energiereichen Teilchenkollisionen viel mehr Gravitonen erzeugt werden.

  1. Außerdem pflanzen sie sich in sämtlichen Dimensionen fort und entführen darum Energie aus der Wand oder Membran, die unser Universum ausmacht.
  2. Wenn ein Stern kollabiert und anschließend als Supernova explodiert, können bei den hohen Temperaturen Gravitonen leicht in die Extra-Dimensionen verdampfen.
  3. Doch wie wir aus Beobachtungen der berühmten Supernova 1987A wissen, emittiert eine solche Explosion ihre Energie größtenteils in Form von Neutrinos; für einen Energieverlust durch Gravitonen bleibt kaum Spielraum.

Unser Wissen über Supernovae setzt deshalb der Wechselwirkung von Gravitonen mit Materie eine enge Grenze. Diese Einschränkung hätte der Idee der Extra-Dimensionen um ein Haar den Todesstoß versetzt; doch detaillierte Berechnungen zeigen, dass die Theorie überlebt.

  • Die engste Schranke gilt bei nur zwei zusätzlichen Dimensionen; in diesem Fall kühlen Gravitonen die Supernova zu stark ab, wenn der fundamentale Planck-Maßstab auf weniger als rund 50 TeV abgesenkt wird.
  • Bei drei oder mehr Extra-Dimensionen darf diese Größe sogar nur wenige TeV betragen, ohne dass die Supernova vorzeitig erlischt.

Theoretisch sind viele andere Systeme – vom erfolgreichen Urknallmodell des frühen Universums bis zur Kollision von kosmischen Strahlen höchster Energie – darauf untersucht worden, welche Einschränkungen sie der neuen Theorie auferlegen. Die Theorie besteht all diese experimentellen Prüfungen; sie sind sogar weniger streng als die Einschränkung durch die Supernovae.

Je mehr Dimensionen zur Theorie hinzugefügt werden, desto lockerer werden die Einschränkungen: Das dramatische Anwachsen der Schwerkraft beginnt schon bei kleineren Entfernungen und hat deshalb weniger Auswirkungen auf weiträumige Prozesse. Klarheit im Jahre 2010 Die Theorie löst das Hierarchieproblem, indem sie die Gravitation im TeV-Energiebereich zu einer starken Kraft macht – gerade in dem Bereich, den die geplanten Teilchenbeschleuniger untersuchen sollen.

Demnach könnte der Large Hadron Collider (LHC), der um 2005 die Arbeit aufnehmen wird, das Wesen der Quantengravitation enthüllen. Falls die String-Theorie die Quantengravitation richtig beschreibt, gleichen die Teilchen winzigen String-Schleifen, die wie eine Violinsaite schwingen können.

  • Die bekannten fundamentalen Teilchen entsprechen einem String, das nicht schwingt – einer nicht gestrichenen Saite.
  • Jeder unterschiedliche Ton, den die schwingende Saite hervorzubringen vermag, entspricht in diesem Bild einem neuen exotischen Teilchen.
  • Gemäß der herkömmlichen String-Theorie sollen die Strings nur etwa 10E-35 Meter groß sein, und die neuen Teilchen hätten Massen von der Größenordnung der herkömmlichen Planck-Energie.

Die Musik dieser Saiten wäre gleichsam zu schrill, als dass wir sie mit unseren Beschleunigern hören könnten. Aber bei großen Extra-Dimensionen sind die Strings viel länger, nämlich rund 10E-19 Meter, und die neuen Teilchen können bereits bei einigen TeV auftreten – tief genug, um sie mit dem LHC zu hören.

Ebenso wären Energien experimentell erreichbar, bei denen Teilchenkollisionen mikroskopische Schwarze Löcher erzeugen. Diese Gebilde wären mit rund 10E-19 Meter Durchmesser zu klein, um Probleme zu schaffen; sie würden Energie in Form so genannter Hawking-Strahlung emittieren und in weniger als 10E-27 Sekunden verdampfen.

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Durch Beobachten solcher Phänomene ließe sich die rätselhafte Quantenphysik Schwarzer Löcher unmittelbar erforschen. Selbst bei Energien, die zu gering sind, um schwingende Strings oder Schwarze Löcher zu erzeugen, produzieren die Teilchenzusammenstöße große Mengen von Gravitonen – ein in herkömmlichen Theorien unerheblicher Vorgang.

Experimentell sind die emittierten Gravitonen nicht direkt nachweisbar, doch die von ihnen abtransportierte Energie würde sich als Energiedefizit der Kollisionstrümmer offenbaren. Die Theorie sagt bestimmte Eigenschaften der fehlenden Energie voraus – etwa, wie sie mit der Kollisionsenergie variiert.

Somit ließe sich die Gravitonenerzeugung von anderen Prozessen unterscheiden, die in Form unsichtbarer Teilchen Energie wegschaffen. Bereits jetzt schränken die Daten der stärksten Hochenergie-Beschleuniger das Szenario der großen Extra-Dimensionen etwas ein.

Die Experimente am LHC sollten entweder Anzeichen für Gravitonen finden oder, falls nicht, die Theorie widerlegen. Auch eine ganz andere Art von Experimenten könnte die Theorie untermauern, vielleicht sogar früher als die Teilchenbeschleuniger. Wie wir wissen, müssen zwei Extra-Dimensionen rund ein Millimeter groß sein, um das Hierarchieproblem zu lösen.

Dann würden Schwerkraftmessungen bei Millimeterabständen einen Übergang des Newtonschen invers quadratischen Gesetzes zu einem Gesetz mit der inversen vierten Potenz des Abstands aufzeigen. Erweiterungen der grundlegenden Theorie führen zu zahlreichen anderen möglichen Abweichungen vom Newtonschen Gesetz; am interessantesten sind dabei abstoßende Kräfte, die mehr als eine Million Mal stärker als die Schwerkraft wirken, wenn zwei Teilchen weniger als ein Millimeter voneinander entfernt sind.

  • Derzeit überprüfen extrem empfindliche Detektoren, die auf einem Labortisch Platz haben, das Newtonsche Gravitationsgesetz im Bereich von Zentimetern bis zu einigen Hundertstel Millimetern.
  • Um die Schwerkraft unterhalb von Millimeterabständen zu testen, dürfen die Objekte nicht viel größer als ein Millimeter sein; darum haben sie nur sehr geringe Massen.

Man muss zahlreiche Effekte sehr sorgfältig abschirmen – etwa elektrostatische Restladungen, welche die winzige Gravitationsanziehung überdecken oder imitieren. Solche Experimente sind schwierig und subtil, aber auch ungeheuer spannend, denn sie könnten eine völlig neue Physik enthüllen.

Selbst unabhängig von der Suche nach zusätzlichen Dimensionen ist es wichtig, unsere unmittelbare Kenntnis der Schwerkraft auf diese kurzen Entfernungen zu erweitern. Drei Forscher führen zur Zeit solche Experimente durch: John Price von der Universität von Colorado, Aharon Kapitulnik von der Stanford-Universität und Eric G.

Adelberger von der Universität von Washington. Sie erwarten noch in diesem Jahr vorläufige Resultate. Die Idee der zusätzlichen Dimensionen setzt eigentlich die Tradition unseres kopernikanischen Weltbilds fort: Die Erde ist nicht das Zentrum des Sonnensystems, die Sonne ist nicht das Zentrum unserer Galaxis, unsere Galaxis ist bloß eine unter Milliarden in einem Universum ohne Mittelpunkt – und nun bildet unser ganzes dreidimensionales Universum nur eine dünne Membran in einem Raum mit vielen Dimensionen.

Wenn wir Schnitte durch die Extra-Dimensionen betrachten, nimmt unser Universum darin nur einen einzigen, unendlich kleinen Punkt ein, umgeben von Leere. Aber vielleicht ist das nicht die ganze Wahrheit. So wie die Milchstraße nicht die einzige Galaxie im Universum ist, ist unser Universum in den Extra-Dimensionen vielleicht nicht allein.

Die Membranen anderer dreidimensionaler Universen könnten parallel zu unserem liegen, in den Extra-Dimensionen nur ein Millimeter von uns entfernt. Und obwohl alle Teilchen des Standardmodells in unserem Membran-Universum gefangen sind, könnten sich außer den Gravitonen noch weitere Teilchen, die nicht zum Standardmodell gehören, durch die Extra-Dimensionen fortpflanzen.

Weit davon entfernt, leer zu sein, weisen die zusätzlichen Dimensionen möglicherweise eine Vielfalt interessanter Strukturen auf. Die Effekte neuer Teilchen und Universen in den Extra-Dimensionen lösen vielleicht viele Rätsel der Teilchenphysik und Kosmologie. Sie könnten zum Beispiel für die Neutrinomasse verantwortlich sein.

Eindrucksvolle neue Ergebnisse des Super-Kamiokande-Experiments in Japan zeigen an, dass die Neutrinos, die lange als masselos galten, eine winzige Masse besitzen (siehe “Der Neutrinomasse auf der Spur” von Edward Kearns, Takaaki Kajita und Yoji Totsuka, Spektrum der Wissenschaft 10/1999, S.44).

Das Neutrino könnte seine Masse durch Wechselwirkung mit einem Partnerfeld in den Extra-Dimensionen erlangen. Wie bei der Schwerkraft wäre die Wechselwirkung sehr stark verdünnt – und die Neutrinomasse winzig –, weil der Partner sich durch die Extra-Dimensionen ausbreitet. Ein weiteres Rätsel der Kosmologie ist die Frage, woraus die dunkle Materie besteht: die unsichtbare, nur durch ihre Schwereanziehung kenntliche Substanz, die mehr als 90 Prozent der Masse des Universums auszumachen scheint.

Vielleicht hält sie sich in Parallel-Universen auf. Eine solche Materie würde unser Universum durch die Schwerkraft beeinflussen; sie wäre notwendigerweise “dunkel”, denn unsere Art Photonen ist unwiderruflich in unserer Membran gefangen, und darum vermag niemals Licht durch die Leere zu dringen, die uns von der Parallelmaterie trennt.

Solche Parallel-Universen sind vielleicht völlig verschieden von unserem: Sie bestehen aus einer Membran mit weniger oder mehr Dimensionen und enthalten ganz andere Teilchen und Kräfte. Oder noch seltsamer, sie haben sogar dieselben Eigenschaften wie unsere Welt. Angenommen, unsere Heimatmembran ist in den Extra-Dimensionen mehrfach gefaltet.

Objekte auf einer gegenüber liegenden Falte scheinen dann sehr weit entfernt zu liegen, obwohl sie in den Extra-Dimensionen weniger als ein Millimeter von uns trennt: Das von ihnen emittierte Licht muss bis zu uns den gesamten Umweg durch die Falte nehmen.

Wenn die Falte einige zehn Milliarden Lichtjahre groß ist, hat uns seit Beginn des Universums kein Lichtstrahl von der anderen Seite erreicht. Die rätselhafte dunkle Materie könnte aus ganz normaler Materie bestehen, vielleicht sogar aus gewöhnlichen Sternen und Galaxien, die auf ihrer Seite der Falte hell strahlen.

Solche Sterne würden interessante beobachtbare Effekte erzeugen – etwa Gravitationswellen, die von Supernovae und anderen heftigen astrophysikalischen Prozessen stammen. Die Gravitationswellen-Detektoren, die in einigen Jahren fertig gestellt werden sollen, könnten Anzeichen für Falten finden: große Quellen von Gravitationsstrahlung, denen sich in unserem Universum keine sichtbare Materie zuordnen lässt.

  1. Die hier präsentierte Theorie ist nicht die erste mit zusätzlichen Dimensionen, die größer als 10E-35 Meter sind.
  2. Ignatios Antoniadis von der École Polytechnique in Frankreich hat 1990 vorgeschlagen, dass einige Dimensionen der String-Theorie bis zu 10E-19 Meter groß sein könnten, aber er beließ den Maßstab der Quantengravitation bei 10E-35 Meter.

Und 1996 haben Petr Horava vom California Institute of Technology und Edward Witten vom Institute for Advanced Study in Princeton (New Jersey) darauf hingewiesen, dass eine einzige Extra-Dimension von 10E-30 Meter Größe die Gravitation mit den anderen Kräften vereinigen könnte, und zwar im Rahmen einer supersymmetrischen Vereinigung bei 10E-32 Meter.

  • Unser Universum: nur eines unter vielen?
  • Literaturhinweise

Seit unserem Vorschlag aus dem Jahre 1998 sind mehrere interessante Varianten erschienen, die ebenfalls Extra-Dimensionen und unser Membran-Universum benutzen. So nehmen Lisa Randall von der Princeton University und Raman Sundrum von der Stanford University an, dass die Schwerkraft selbst auf einer Membran in einer fünfdimensionalen Raum-Zeit konzentriert ist, die in allen Richtungen unendlich ist.

  • Die Schwerkraft erscheint in unserem Universum naturgemäß sehr schwach, wenn wir uns auf einer anderen Membran befinden.
  • Zwanzig Jahre lang war es üblich, das Hierarchieproblem und somit die Schwäche der Schwerkraft durch die Annahme zu erklären, die Planck-Skala bei 10E-35 Meter sei Grundlage jeder Theorie, und die Teilchenphysik müsse sich bei 10E-19 Meter ändern.

Die Quantengravitation blieb pure Spekulation und hoffnungslos jenseits der Reichweite von Experimenten. In den letzten beiden Jahren haben wir erkannt, dass dies nicht unbedingt der Fall sein muss. Wenn es große zusätzliche Dimensionen gibt, könnten wir in den nächsten Jahren bei etwa 6 x 10E-5 Meter gewisse Abweichungen vom Newtonschen Gesetz entdecken sowie mit Hilfe des LHC Stringvibrationen oder winzige Schwarze Löcher.

  • Quantengravitation und String-Theorie würden Teil der experimentell überprüfbaren Wissenschaft.
  • Jedenfalls werden wir um 2010 der Antwort auf die 300 Jahre alte Frage näher kommen, warum die Gravitation so schwach ist.
  • Vielleicht finden wir uns dann in einem seltsamen Flachland wieder – in einem Membran-Universum, wo die Quantengravitation zum Greifen nahe liegt.

Das elegante Universum. Superstrings, verborgene Dimensionen und die Suche nach der Weltformel. Von Brian Greene. Siedler, Berlin 2000. Neue Welttheorien: von Strings zu Membranen. Von M. Duff in: Spektrum der Wissenschaft 4/1998, S.62. Flatland. A Romance of Many Dimensions.

  1. Kurz gefasst
  2. Dimensionen

Unser Universum hat offenbar vier Dimensionen: drei räumliche und eine zeitliche. Doch Mathematiker und Physiker erforschen schon seit langem die Eigenschaften von abstrakten Räumen mit beliebig vielen Dimensionen. Die “Größe” von Dimensionen Die vier bekannten Raum-Zeit-Dimensionen unseres Universums sind riesig.

Die Dimension der Zeit erstreckt sich mindestens 13 Milliarden Jahre in die Vergangenheit und vielleicht unendlich weit in die Zukunft. Die drei Raumdimensionen sind vielleicht unendlich; unsere Teleskope erfassen Objekte, die mehr als 12 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Dimensionen können aber auch endlich sein.

Zum Beispiel erreichen die zwei Dimensionen der Erdoberfläche nur etwa 40000 Kilometer. Kleine Extra-Dimensionen Einige moderne physikalische Theorien postulieren zusätzliche reale Dimensionen, die zu so winzigen Kreisen zusammengerollt sind – vielleicht mit nur 10E-35 Meter Radius –, dass wir sie noch nicht entdeckt haben.

Ein Baumwollfaden ist in guter Näherung eindimensional: Eine einzige Zahl vermag anzugeben, wo auf dem Faden eine Ameise sitzt. Doch unter dem Mikroskop sehen wir Staubmilben auf der zweidimensionalen Oberfläche des Fadens krabbeln – entlang der großen Längendimension sowie der kleinen Umfangsdimension.

Große Extra-Dimensionen Kürzlich haben Physiker erkannt, dass es millimetergroße und dennoch unsichtbare Extra-Dimensionen geben könnte. Überraschenderweise steht diese Theorie nicht im Widerspruch zu bisher bekannten experimentellen Fakten, und sie könnte einige Rätsel der Teilchenphysik und Kosmologie klären.

  • Demnach wäre unser gesamtes räumliches Uni-versum – mit Ausnahme der Gravitation – in einer Membran gefangen wie Billardkugeln auf einem zweidimensionalen Spieltisch.
  • Dimensionen und Gravitation Das Verhalten der Schwerkraft – insbesondere ihre Stärke – hängt eng mit der Anzahl der ihr zugänglichen Dimensionen zusammen.

Gravitationsmessungen über Entfernungen unterhalb eines Millimeters – solche Experi-mente sind zur Zeit im Gange – könnten demnach große Extra-Dimensionen enthüllen. Diese Dimensionen würden auch hypothetische Objekte der Quantengravitation in greifbare Nähe rücken.Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 2000, Seite 44© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH : Theoretische Physik: Die unsichtbaren Dimensionen des Universums

Wie vergeht die Zeit im All?

Wenn die Uhr an Bord langsamer geht – Unglaublich, aber wahr: An Bord von schnell fliegenden Raumschiffen vergeht die Zeit langsamer. Bild: NASA Mehr zum Thema Es klingt unglaublich, ist aber eine Tatsache: An Bord von schnell fliegenden Raumfahrzeugen vergeht die Zeit langsamer als auf der Erde.

  1. Das bedeutet: Eine Uhr, die man an Bord eines Raumschiffs mit ins All nimmt, zeigt nach der Landung eine andere Zeit an als eine baugleiche Uhr, die man zur Kontrolle am Boden gelassen hat.
  2. Das macht bei einem Flug von einigen Tagen oder Wochen zwar nur Bruchteile von Bruchteilen einer Sekunde aus, aber die Differenz ist messbar.

Genau das haben deutsche Wissenschaftler vor vielen Jahren bei einer Mission mit einem Space Shuttle überprüft und mit Hilfe von besonders genauen Atomuhren bewiesen. Die Mission hieß D-1 und fand im Jahre 1985 statt und das Uhren-Experiment trug den Namen „Navex”.

  1. Nur um keine Missverständnisse aufkommen zu lassen: Wir reden hier nicht davon, dass lediglich die Uhren langsamer gehen, wenn sich ein Raumschiff sehr schnell fortbewegt.
  2. Sie sind auch nicht kaputt oder so etwas.
  3. Vielmehr geht wirklich die Zeit selbst langsamer.
  4. Wie es zu diesem verrückten Effekt kommt? Wir haben das an anderer Stelle mal ganz ausführlich zu erklären versucht.

Wie auch immer: Herausgefunden hatte das schon vor rund 100 Jahren der berühmte Physiker Albert Einstein – lange bevor es Raumschiffe gab und man das beweisen konnte. Seine Relativitätstheorie besagt unter anderem, dass die Zeit keine konstante – also immer gleiche – Größe ist, sondern dass sie schneller oder langsamer vergeht: und zwar unter anderem abhängig von der Geschwindigkeit.

Je schneller sich also ein Flugobjekt bewegt, desto langsamer vergeht die Zeit an Bord. Die Insassen des Raumschiffs merken davon nichts – für sie ist eine Stunde immer noch eine Stunde und ein Tag ein Tag. Doch wenn sie mit einem utopischen Raumschiff, das viel schneller als alle heutigen Raketen fliegen könnte, beispielsweise ein Jahr unterwegs wären, so würden sie nach der Landung feststellen, dass auf der Erde inzwischen mehrere Jahre vergangen wären Tatsächlich ist dieses kleine Beispiel eines utopischen Raumschiffs ziemlich übertrieben.

In Wirklichkeit ist der Effekt minimal. Dass ein Astronaut nach dem Flug ins All jünger als sein eigener Sohn wäre, wird also wohl nur in Science-Fiction-Filmen vorkommen. Bei den heutigen Geschwindigkeiten – die Internationale Raumstation ISS ist knapp 28.000 Kilometer pro Stunde schnell – beträgt die Zeitdifferenz weniger als einen Wimpernschlag,

  • Doch man kann sagen: Astronauten sind nach dem Flug ins All einen Sekundenbruchteil jünger, als wenn sie nicht geflogen wären.
  • Bei den noch weiter von der Erde entfernten Satelliten kommt übrigens noch ein umgekehrter – aber ebenso verrückt klingender – Effekt zum Tragen: Je weiter man von der Erde entfernt ist, desto schneller vergeht die Zeit.

Denn große Massen – wie eben unser Planet – verlangsamen wiederum den Fluss der Zeit, so dass die Uhren mit zunehmendem Abstand von der Erde schneller ticken. Auf einem Berg vergeht die Zeit schneller als im Tal – wenn auch wieder nur ganz minimal. Man muss also streng genommen beide Effekte gegeneinander verrechnen, je nach Geschwindigkeit und Entfernung zur Erde.

Zwei Beispiele: Die ISS fliegt mit einer Bahnhöhe von rund 400 Kilometer noch recht niedrig: Da wird die Zeit gedehnt und verlangsamt. Manche Satelliten fliegen dagegen mehr als 20.000 Kilometer hoch über der Erde: Da überwiegt der andere Effekt und die Zeit wird an Bord beschleunigt. So absurd sich das alles auch anhört: Für Raumfahrt-Experten ist es längst nichts Besonderes mehr.

Würde man diese Effekte nicht beachten, würde kein Navigationssatellit die richtige Position angeben und das „Navi” im Auto würde den Fahrer weit am Ziel vorbeiführen. Denn die kleinen Navigationsgeräte in unseren Autos funktionieren nur, weil man die Zeitabweichung der Satelliten-Uhren ganz genau berechnet.

Was ist schneller als das Licht?

Gibt es etwas Schnelleres als Lichtgeschwindigkeit? Nichts kann sich schneller bewegen als Licht – zumindest wurde noch nichts entdeckt. Licht bewegt sich im luftleeren Raum mit dem kaum vorstellbaren Tempo von 300.000 Kilometern in der Sekunde. Gibt es eine höhere Geschwindigkeit? Diese Frage beschäftigt Janis, 9 Jahre.

  • Licht breitet sich im luftleeren Raum mit der Geschwindigkeit von rund 300.000 Kilometern pro Sekunde aus.
  • Ein Lichtsignal, das ein Astronaut auf dem Mond aussendet, ist nur 1 1/3 Sekunden bis zur Erde unterwegs, das Licht der 150 Millionen Kilometer entfernten Sonne erreicht die Erde in rund acht Minuten.

Deshalb heißt es: Der Mond sei 1 1/3 Lichtsekunden, die Sonne 8 1/3 Lichtminuten entfernt. In vielen Experimenten entdeckten Wissenschaftler, dass die Lichtgeschwindigkeit die absolute Höchstgeschwindigkeit für alle Arten von Signalen ist. Auch Radiowellen oder Laserstrahlen bewegen sich im luftleeren Raum genau mit Lichtgeschwindigkeit.

Ist das Universum eine Kugel?

Das Universum – ein Ellipsoid? Unser Universum ist nicht kugelförmig, sondern elliptisch. Zu diesem Schluss kommt jetzt ein Team italienischer Forscher. Schon eine Abweichung um nur ein Prozent von der perfekten Kugelform kann, so zeigen die drei Physiker, eine bislang mysteriöse Eigenschaft der kosmischen Hintergrundstrahlung erklären.

Ferrara (Italien)/Bari (Italien) – Ursache der Elliptizität könnte ein bereits bei der Entstehung des Kosmos vorhandenes Magnetfeld sein, schreibt das Team im Fachblatt “Physical Review Letters”.380.000 Jahre nach dem Urknall wurde der Kosmos durchsichtig – das heiße Plasma war soweit abgekühlt, dass es zu elektrisch neutralem Wasserstoff und Helium wurde.

Zu dieser Zeit entstand auch die kosmische Hintergrundstrahlung, das heute auf eine Temperatur von 2,7 Grad Kelvin abgekühlte “Echo des Urknalls”. Seit 2001 untersucht der amerikanische Satellit WMAP winzige Schwankungen in der Temperatur der Hintergrundstrahlung.

Aus diesen Schwankungen können die Astronomen eine Vielzahl von Informationen über unseren Kosmos gewinnen. So zeigen die WMAP-Daten, dass das Universum 13,7 Milliarden Jahre alt ist und überwiegend aus “Dunkler Materie” und “Dunkler Energie” besteht. Auf ein Problem stießen die Astronomen jedoch in den WMAP-Daten: Das so genannte Quadrupol-Moment – die Temperaturschwankungen auf sehr großen Skalen – ist zu schwach ausgeprägt.

Leonardo Campanelli von der Universität Ferrara, sowie Paolo Cea und Luigi Tedesco von der Universität Bari fanden nun eine Lösung für dieses Problem. Sie konnten zeigen, dass in einem elliptischen Universum die Quadrupol-Komponente der Hintergrundstrahlung schwächer ist.

  1. Dabei reicht bereits eine Exzentrizität von einem Prozent, um die WMAP-Daten zu erklären.
  2. Die Idee, dass unser Universum keine Kugel, sondern ein Ellipsoid ist, ist keineswegs neu.
  3. Es ist aber das erste Mal, dass diese Idee konsequent auf die von WMAP gelieferten Daten angewendet wurde.
  4. Prinzipiell gibt es keinen Grund dafür, dass das Universum exakt kugelförmig sein muss.

Schon geringe Störungen, zum Beispiel durch ein Magnetfeld, könnten für eine leichte Deformation sorgen, so Campanelli, Cea und Tedesco. : Das Universum – ein Ellipsoid?

Was ist das gefährlichste im Universum?

Im Innern von Neutronensternen findet sich die merkwürdigste und gefährlichste Substanz des Universums: Seltsame Materie. Was ist seltsame Materie, wie gefährlich ist sie, und was kann sie uns über die Entstehung des Universums verraten? Das gefährlichste Zeug im Universum – Seltsame Sterne erklärt – YouTube Dinge Erklärt – Kurzgesagt 2.04M subscribers Das gefährlichste Zeug im Universum – Seltsame Sterne erklärt Dinge Erklärt – Kurzgesagt Watch later Share Copy link Info Shopping Tap to unmute If playback doesn’t begin shortly, try restarting your device.

Wann wird die Erde unter gehen?

Die schlechte Nachricht zuerst: Die Erde hat in gewisser Weise schon 70 Prozent ihrer Lebensspanne hinter sich. Die gute: Für rund 1,75 bis 3,25 Milliarden Jahre wird dennoch weiter Leben auf unserem Planeten existieren können, berichten britische Forscher im Fachblatt “Astrobiology”,

  • Erst dann wird die Sonne sich so weit zu einem roten Riesen aufgebläht haben, dass die Hitze sämtliches Wasser auf der Erdoberfläche verdampft.
  • Andrew Rushby von der University of East Anglia in Norwich und seinen Kollegen ging es bei ihrer Arbeit allerdings weniger um die ferne Zukunft der Erde.
  • Vielmehr beschäftigen sie sich mit der Suche nach Leben im All.

Zu diesem Zweck blicken Astronomen in die sogenannten habitablen Zonen. Wenn es möglich ist, dass auf einem Planeten Wasser in flüssiger Form vorliegt – und nicht nur als Eis oder Dampf -, befindet er sich in einer habitablen Zone. Denn flüssiges Wasser gilt als eine der Grundvoraussetzungen für die Entstehung von Leben.

Die habitable Zone wandert Die bewohnbare Zone ist nicht statisch, sie verändert sich mit den Lebenszyklen eines Sterns. In unserem Sonnensystem bewegt sie sich binnen einer Milliarde Jahre um rund ein Zehntel der Distanz zwischen Sonne und Erde nach außen. Rushby und Kollegen haben für sieben bekannte Exoplaneten berechnet, über welche Zeitspanne diese in dem lebensfreundlichen Bereich bleiben.

Denn nur, wenn ein Exoplanet lange genug in der habitablen Zone kreist, besteht die Chance, dass sich auch komplexere Lebensformen entwickeln. “Es ist sinnlos auf einem Planeten nach Anzeichen für Leben zu suchen, wenn er nur eine Million Jahre bewohnbar war”, sagte Rushby dem britischen “Independent”.

Die Physiker berechneten, dass sich zum Beispiel der Exoplanet Kepler 22b, der rund 600 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt, rund sechs Milliarden Jahre in der bewohnbaren Zone befindet. Gliese 581d, 20 Lichtjahre von der Erde weit weg, könnte sogar 54,7 Milliarden Jahre bewohnbar sein. Zum Vergleich: Die Gesamtzeit der Erde in der habitablen Zone schätzen die Forscher auf 6,3 bis 7,8 Milliarden Jahre.

“Im Moment haben wir nicht die Technologie, um zu schauen, ob es auf Kepler 22b und Gliese 581d Leben gibt, aber wir sollten sie die nächsten zweihundert, dreihundert Jahre im Auge behalten”, sagt Rushby. Das Schicksal der Erde sehen die Astronomen als besiegelt.

Es wird immer heißer und wir können nichts dagegen tun”, sagt Rushby. “Der Optimist in mir hofft, dass wir das noch miterleben, oder eine Technologie erfunden haben, mit der wir uns in der Galaxie ausbreiten können”, sagt Rushby, “aber das liegt wohl im Bereich der Science Fiction.” Immerhin hätte die Menschheit, falls sie dann noch existiert ein nahe Alternative: den Mars.

Denn der rote Planet wird in 1,75 Milliarden Jahren mitten in der habitablen Zone liegen. Und dort sogar bis zum Ende der Lebenszeit der Sonne in rund sechs Milliarden Jahren bleiben.

Wie kann etwas aus dem Nichts entstehen?

Creatio ex nihilo ( lateinisch : Schöpfung aus dem Nichts oder Schöpfung aus nichts ) bezeichnet die Entstehung der Welt bzw. des Universums voraussetzungslos aus dem Nichts,

Was ist das älteste im Universum?

Ungewöhnlich starke Strahlung – Die Galaxie mit der Bezeichnung HD1 ist ihnen zufolge 330 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden. Das macht sie zum ältesten und fernsten Objekt, das bisher im Kosmos gesichtet werden konnte. „Es war harte Arbeit, HD1 zwischen 700.000 weiteren Objekten zu finden”, berichtet Yuichi Harikane, Astronom an der Universität Tokio und Entdecker der Galaxie.

  • HD1 rote Farbe stimmte überraschend gut mit den erwarteten Eigenschaften einer solchen Galaxie überein.” Die Kuppeln der Teleskope des Mauna-Kea-Observatoriums auf Hawaii.
  • Auf 4.200 Metern Höhe gelegen, ist es eines der wichtigsten gegenwärtigen astronomischen Observatorien und wird von Universitäten und Instituten aus elf verschiedenen Nationen genutzt.

Unter anderem mithilfe des Subaru-Teleskops (links) wurde nach der HD1-Galaxie gesucht. Foto von Peter Luo / Unsplash Das Astronomen-Team konnte die Galaxie nach 1.200 Stunden Beobachtungszeit, unter anderem mit dem Spitzer-Weltraumteleskop, dem Subaru- und dem Vista-Teleskop, ausfindig machen.

Dabei fiel etwas Ungewöhnliches auf: Von dem Objekt geht eine extrem starke ultraviolette Strahlung aus. „Offenbar spielen sich in der Galaxie einige sehr energiereiche Prozesse ab oder besser gesagt, sie taten dies vor 13,5 Milliarden Jahren”, sagt Fabio Pacucci, Astronom am Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics, der an den Untersuchungen mitgewirkt hat.

Doch was könnte der Grund dafür sein?

Ist das Universum alt oder jung?

Geschichte des Universums – Nach heutigen Erkenntnissen ist das Universum 13,8 Milliarden Jahre alt. Das Alter lässt sich ziemlich genau über die kosmische Hintergrundstrahlung bestimmen. Denn Licht verliert an Energie, je weiter es durch den Raum reist, das nennt sich Rotverschiebung,

  • Die Rotverschiebung beschreibt die Verschiebung der Spektrallinien von Licht zu größeren Wellenlängen, also energieärmerer Strahlung,
  • Je weiter ein Photon unterwegs ist, desto größer wird die Wellenlänge und das Licht scheint röter,
  • Wenn Du mehr dazu wissen willst, kannst Du Dir die Erklärungen über das Hertz Russell Diagramm oder über die Geschichte des Universums anschauen.

Die kosmische Hintergrundstrahlung stammt vom ersten Licht, welches nach dem Urknall entstanden ist. Wie kannst Du Dir den Urknall aber vorstellen?

Ist das Universum wirklich unendlich?

Wie kann man sich das vorstellen – die unendliche Ausdehnung? – Das Weltall ist unendlich. Unendlich ist aber keine große Zahl, keine Quantität, wie man so schön sagt, sondern eine Qualität. Wenn Sie unendlich mit 2 multiplizieren, kommt immer noch unendlich raus.

  1. Und wenn Sie davon 50 abziehen, ist es immer noch unendlich.
  2. Unendlich ist also keine Zahl, die irgendwie festzumachen ist.
  3. Das Universum ist schon unendlich groß und dehnt sich in sich selbst aus.
  4. Das ist tatsächlich unvorstellbar, aber es ist kein Rand nötig, wohin sich das ausdehnt.
  5. Es gibt einfach nur das Universum und das kann sich in sich selbst ausdehnen.

: Dehnt sich das Universum unendlich aus?

Ist es möglich schneller als das Licht zu sein?

Gibt es etwas Schnelleres als Lichtgeschwindigkeit? Nichts kann sich schneller bewegen als Licht – zumindest wurde noch nichts entdeckt. Licht bewegt sich im luftleeren Raum mit dem kaum vorstellbaren Tempo von 300.000 Kilometern in der Sekunde. Gibt es eine höhere Geschwindigkeit? Diese Frage beschäftigt Janis, 9 Jahre.

Licht breitet sich im luftleeren Raum mit der Geschwindigkeit von rund 300.000 Kilometern pro Sekunde aus. Ein Lichtsignal, das ein Astronaut auf dem Mond aussendet, ist nur 1 1/3 Sekunden bis zur Erde unterwegs, das Licht der 150 Millionen Kilometer entfernten Sonne erreicht die Erde in rund acht Minuten.

Deshalb heißt es: Der Mond sei 1 1/3 Lichtsekunden, die Sonne 8 1/3 Lichtminuten entfernt. In vielen Experimenten entdeckten Wissenschaftler, dass die Lichtgeschwindigkeit die absolute Höchstgeschwindigkeit für alle Arten von Signalen ist. Auch Radiowellen oder Laserstrahlen bewegen sich im luftleeren Raum genau mit Lichtgeschwindigkeit.