Benutzer:Palitzsch250/Linkschau

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2015 Spektrum Verlag NEWSLETTER mit Verweis auf www.scilogs.de[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Februar 2015

Januar 2015


BdW 11/2014 (Archiv-Link)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Siehe auch: http://scienceblogs.de/wissenschaftsfeuilleton/2014/09/19/geheimnisse-12/

NASA Science News[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]


ESA[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]


2014 Spektrum Verlag NEWSLETTER mit Verweis auf www.scilogs.de[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Dezember 2014

November 2014

Oktober 2014

September 2014


interstellarum Astronomie-Newsletter-Sonderausgabe vom 14.11.2014

interstellarum Astronomie-Newsletter Ausgabe 222 vom 26.9.2014

interstellarum Astronomie-Newsletter Ausgabe 221 vom 12.9.2014

Fußnoten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. ↑ Von Rüdiger Vaas, Physik-Redakteur von bdw, ist Autor der Bücher „Tunnel durch Raum und Zeit“ sowie „Vom Gottesteilchen zur Weltformel“, die von der Physik jenseits von Einstein handeln. ... Während Theoretiker versuchen, die Fundamente tiefer zu legen, meinen manche Forscher sogar Abweichungen von ihren Voraussagen gefunden zu haben. Diese Anstrengungen haben nichts mit den „Einstein widerlegt!“-Parolen zu tun, die zuweilen durch ahnungslose oder sensationsheischende Medien geistern. Sie sind auch nicht mit den Traktaten zu vergleichen, die sich im Internet tummeln und mit denen physikalische Institute, Planetarien sowie Redaktionen seit Jahrzehnten behelligt werden (in Zuschriften an bild der wissenschaft wird die Relativitätstheorie bisweilen im Wochentakt als „falsch“ überführt). Vielmehr geht es darum, die Gültigkeitsgrenzen der Theorie auszuloten. Denn so viel ist klar: Das letzte Wort in der Physik ist mit ihr nicht gesprochen. ... „Trotz aller Erfolge der Allgemeinen Relativitätstheorie ist seit ihrer Formulierung die Suche nach Alternativen eine anhaltende Herausforderung“, schrieb Claudia de Rham von der Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio, im September 2014 in einem wissenschaftlichen Übersichtsartikel zu diesem Thema. „Tatsächlich ist die Existenz widerspruchsfreier Alternativen einer Theorie der Gravitation jenseits aller rein akademischen Übungen essenziell, um die Allgemeine Relativitätstheorie selbst zu testen.“ Salvatore Capozziello und Valerio Faraoni setzen noch eins drauf: „Aus theoretischer Sicht ist es notwendig, über die Allgemeine Relativitätstheorie hinauszugehen, und die größere Landschaft der Theorien zu erkunden, wird zu einem kulturellen Bedürfnis.“ In ihrem Buch „Beyond Einstein Gravity“ räumen die Physiker von der Universität Neapel beziehungsweise der Bishop’s University im kanadischen Sherbrooke allerdings ein: „Die Theorien, die bislang entwickelt wurden, sollten nicht zu ernst genommen werden. Aber sie sind zumindest als einfache Modelle nützlich, um zu lernen, wie sich die Schwerkraft von der Darstellung in Einsteins Theorie unterscheiden könnte, und um eine Ahnung von den Schwierigkeiten und Phänomenen zu bekommen, auf die man in einer weiterentwickelten Theorie stoßen kann.“ ... ... war Einstein keineswegs der Meinung, damit das Ende der Fahnenstange in der Physik erreicht zu haben. Im Gegenteil – er hielt die Relativitätstheorie für erweiterungsbedürftig und arbeitete selbst an ihrer Revision (siehe Beitrag „Einsteins Vermächtnis“ ab S. 43). Das hatte mindestens drei Gründe, die bis heute aktuell sind. Zum einen integrierte die Relativitätstheorie die elektrischen und magnetischen Phänomene nicht – trotz mathematischer Verwandtschaft gab es keine direkte Verknüpfung. Später wurden mit der Starken und Schwachen Kraft, die nur im subatomaren Bereich wirken, zwei weitere fundamentale Wechselwirkungen entdeckt. Das rückte Einsteins Traum von einer „einheitlichen Feldtheorie“, die alle Naturkräfte gleichermaßen beschreibt, in noch größere Ferne. Des Weiteren ist die Relativitätstheorie geradezu die Krönung der klassischen Physik – doch wurde diese damals durch die Quantentheorie revolutioniert, auch mit Einsteins Beteiligung. Dieser Umbruch legte nahe, dass die Schwerkraft ebenfalls „quantisiert“ werden muss. Eine solche Theorie der Quantengravitation, die die Relativitätstheorie als Grenzfall enthalten sollte, ist bis heute ein unerfüllter Wunsch geblieben – und eine Aufgabe, an der sich seit Einstein Hunderte von brillanten Physikern die Zähne ausgebissen haben. Schließlich gibt die Relativitätstheorie über ihre eigenen Gültigkeitsgrenzen Aufschluss: Sie enthält „Singularitäten“, wenn Raum und Zeit gegen null und die Krümmung, Energiedichte, Masse oder Temperatur gegen unendlich gehen. Das sind unphysikalische Situationen, bei denen die Theorie zusammenbricht und durch eine leistungsfähigere ersetzt werden muss – eben eine Quantengravitationstheorie. Sie erscheint für eine Beschreibung der Extrembedingungen der Natur unerlässlich: für den Urknall und für die Verhältnisse in Schwarzen Löchern. Einstein wollte die Singularitäten erst nicht wahrhaben, musste sich aber eines Besseren belehren lassen. „Die Einführung einer solchen neuartigen Singularität erscheint an sich bedenklich“, räumte er mit Blick auf die Hypothese der Entstehung des Universums aus einem superdichten winzigen Punkt ein, später Urknall genannt. In seinem Buch „Grundzüge der Relativitätstheorie“ von 1946 schrieb er dazu in einer hellsichtigen Fußnote: „Es ist jedoch folgendes zu bemerken. Die gegenwärtige relativistische Gravitationstheorie beruht auf einer begrifflichen Trennung von Gravitationsfeld und ‚Materie‘. Es ist wohl plausibel, dass diese Theorie aus diesem Grunde für sehr hohe Dichte der Materie inadäquat ist. Es mag wohl sein, dass in einer einheitlichen Theorie eine Singularität nicht auftreten würde.“ ... Das ist auch Einsteins Denkweise. Eine erfolgreiche Theorie wird in der Regel nicht einfach auf dem Müllhaufen der Wissenschaftsgeschichte entsorgt, sondern ist als sogenannte effektive Theorie für viele Zwecke gut genug. Sie lässt sich als Teilbereich, als mathematischer Limes oder als Spezialfall nach wie vor anwenden – und bleibt so ein entscheidender Schritt zu einem tieferen Verständnis der Natur, also eine Etappe des wissenschaftlichen Fortschritts. Einstein hat es so ausgedrückt: „Für eine physikalische Theorie kann es kein schöneres Schicksal geben, als dass sie einer umfassenderen Theorie selbst den Weg weist, in der sie als Grenzfall weiterlebt.“ Eine solche umfassendere Theorie sollte die Defizite der Relativitätstheorie kurieren sowie neue Phänomene beschreiben und voraussagen. Tatsächlich enthält das gegenwärtige Standardmodell der Kosmologie – das LCDM- Modell – mindestens drei unbekannte Größen, die eingeführt wurden, um irritierende astronomische Daten zu erklären:
    • Die kalte Dunkle Materie (CDM), die die Dynamik der Galaxien und Galaxienhaufen beherrscht.
    • Eine noch mysteriösere Dunkle Energie, die die anscheinend beschleunigte Ausdehnung des Weltraums antreibt. Der einfachste Kandidat ist die schon von Einstein in die Relativitätstheorie eingeführte Kosmologische Konstante L.
    • Und ein hypothetisches Feld namens Inflaton, das unser Weltall in seinem ersten Sekundenbruchteil nach – oder gar vor – dem Urknall überhaupt erst groß gemacht hat.
    Diese drei Komponenten, gegenüber denen sich die bekannte sichtbare Materie verhält wie das Schokoladenpulver auf dem Cappuccino relativ zum Kaffee, können zwar mit ihren exotischen Eigenschaften gleichsam in den Rahmen der Relativitätstheorie „eingebaut“ werden. Es ist jedoch umgekehrt auch möglich, dass sie deren Scheitern anzeigen, also den Rahmen sprengen. Dann wären sie nichts „Stoffliches“ im All, sondern lediglich Effekte einer abgewandelten Gravitationstheorie – mithin Phantome. Die Mehrheit der Kosmologen ist zurzeit zwar nicht dieser Meinung. Doch haben Vertreter alternativer Theorien, etwa der f(R)-Gravitation (siehe Kasten S. 34 „Das Potpourri der f(R)-Theorien“) oder einer „Modifizierten Newton’schen Dynamik“, durchaus gewichtige Argumente (siehe Beitrag „Kosmische Revoluzzer“ ab S. 38). Konkurrenz und kritische Messungen Die erste sorgfältig ausgearbeitete Alternative zur Allgemeinen Relativitätstheorie haben Robert Dicke und sein Doktorand Carl H. Brans von der Universität Princeton 1961 veröffentlicht. Ein Vorläufer stammt von dem Hamburger Physik-Professor Pascual Jordan aus den 1940er-Jahren, der für seine Idee 1952 auch in dem Buch-Klassiker „Schwerkraft und Weltall“ geworben hat. Der Brans-Dicke-Theorie zufolge hängt die Gravitation an einem Punkt der Raumzeit von der gesamten Materieverteilung im Universum ringsum ab. Das steht in Konflikt mit dem Starken Äquivalenzprinzip der Allgemeinen Relativitätstheorie und führt dazu, dass die Gravitations„konstante“ sich in Raum und Zeit verändert. Bemerkenswerterweise ist es die Brans-Dicke-Theorie und nicht die Allgemeine Relativitätstheorie, die als niederenergetischer Grenzfall aus der Stringtheorie hervorgeht – jenem ambitionierten Vorschlag für eine „Weltformel“, die alle Kräfte einheitlich beschreiben kann (bild der wissenschaft 5/2013, „Die Stringtheorie“). Auch andere Alternativtheorien, etwa zu einer fünften Naturkraft oder zu zusätzlichen Raum-Dimensionen, sind mit der Brans- Dicke-Theorie verwandt. Die Brans-Dicke-Theorie besitzt einen freien Parameter v. Wird er unendlich, geht sie in die Allgemeine Relativitätstheorie über. Das ist nur ein Beispiel für effektive Zusammenhänge beziehungsweise Differenzen zwischen der Relativitätstheorie und ihren komplizierteren Konkurrenten. Die unterschiedlichen Parameter und ihre Werte machen die Theorien experimentell überprüfbar. Theorien auf dem Prüfstand Die Messungen haben seit den 1990er-Jahren enorm an Präzision gewonnen. Und neue Satelliten-Missionen in den nächsten Jahren werden sie noch einmal um mehrere Größenordnungen verbessern. So folgt aus Entfernungs- bestimmungen von Erde und Mond mittels Laser, aus langjährigen Messungen der Sonnenleuchtkraft sowie der Bewegung von Binär-Pulsaren (das heißt von zwei sich umkreisenden Neutronensternen), dass die Gravitationskonstante jährlich höchstens um ein Milliardstel Prozent variieren kann. Und der Funkverkehr mit der Raumsonde Cassini zeigte, dass v einen Wert von mindestens 40 000 haben muss. Das sind alles Pluspunkte für die Allgemeine Relativitätstheorie, die empirisch bislang noch immer in Höchstform ist. Abweichungen von ihren Vorhersagen sind für die Verhältnisse im Sonnensystem und bei Neutronensternen äußerst gering, wenn es sie überhaupt gibt. In sehr schwachen Schwerkraft- und Beschleunigungssystemen könnte die Relativitätstheorie hingegen versagen – und genau das behaupten einige Astronomen. Und das ist nicht die einzige Problemzone, wie Hans Fahr meint. Der Astrophysiker von der Universität Bonn denkt schon seit vielen Jahren über eine Revision von Einsteins Relativitätstheorie nach. Im Vergleich zu manchen Kollegen ist er dabei aber recht behutsam. „Ich bin nicht der Meinung, dass eine grundsätzliche Alternative zur jetzigen Gravitationstheorie erforderlich ist“, sagt er, schlägt jedoch vor, den Energie-Impuls-Tensor zu modifizieren, der in Einsteins Feldgleichungen die Quellen der Raumzeitkrümmung beschreibt. „Da werden Größen in einem euklidischen Maß verwendet, nämlich pro Kubikzentimeter.“ Das findet Fahr nicht konsequent. „Vielmehr muss die Selbstenergie der Raumzeitkrümmung berücksichtigt werde, eine Art Gravitationsbindungsenergie, die die Quellstärke beziehungsweise Krümmung vermindert. Das kompliziert die Feldgleichungen erheblich, weil dann die Quelle der Krümmung von der Krümmung selbst abhängt.“ Fahrs Abschätzungen zeigen, dass sich dadurch sogar die Energie des Vakuums L besser verstehen lässt, die gegenwärtig anscheinend die beschleunigte Ausdehnung des Weltraums antreibt. Fahr spekuliert außerdem, dass die Expansion sich auf galaktischen Skalen auswirkt und womöglich die Dunkle Materie nur vortäuscht. Raumzeit und Gravitation lösen sich auf Auch am anderen Ende der Skala, in extrem starken Gravitationsfeldern, ist Einsteins Meisterwerk noch kaum getestet: etwa bei Schwarzen Löchern und Gravitationswellen. Solche Phänomene sollte es auch im Rahmen von realistischen alternativen Schwerkrafttheorien geben – jedoch mit teils drastisch verschiedenen Effekten. Physikalische Messungen müssen daher irgendwann die Spreu vom Weizen trennen. Die Eliminierung von Singularitäten ist aus theoretischer Perspektive die wichtigste und kniffligste Aufgabe. Das schafft, wenn überhaupt, wohl nur eine Theorie der Quantengravitation. Vorschläge hierzu gibt es beispielsweise im Rahmen der Stringtheorie und der Schleifen-Quantengravitation. Sie gehören zu den radikalsten Vorstellungen, denn sie lassen nicht einmal die Homogenität oder Kontinuität der Raumzeit unangetastet. Vielmehr deuten sie darauf hin, dass die Raumzeit nicht fundamental ist, sondern sich aus basaleren Strukturen aufbaut – ähnlich wie ein Foto sich aus der Nähe betrachtet in einzelne Bildpunkte „auflöst“. Dann stößt auch die Relativitätstheorie als klassische Feldtheorie an ihre Grenzen. Und die Schwerkraft, die sie als eine geometrische Eigenschaft beschreibt, als Krümmung der Raumzeit, ist womöglich ebenfalls nicht grundlegend, sondern eine „emergente“, abgeleitete Größe ähnlich der Temperatur (siehe Beitrag „Die Atome der Raumzeit“ ab S. 46). Bemerkenswerterweise hat schon Albert Einstein diese Idee erwogen. So schrieb er in einem Brief vom August 1954 an seinen Freund Michele Besso: „Ich betrachte es aber als durchaus möglich, dass die Physik nicht auf dem Feldbegriff begründet werden kann, das heißt auf kontinuierlichen Gebilden. Dann bleibt von meinem ganzen Luftschloss inklusive Gravitationstheorie nichts bestehen.“ • DAS POTPOURRI DER F(R)-THEORIEN Relativ überschaubare Abwandlungen der Allgemeinen Relativitätstheorie sind die f(R)-Theorien der Gravitation. Hans Adolph Buchdahl von der Australian National University in Canberra hat diese Idee erstmals 1970 vorgeschlagen, seither kamen zahlreiche Varianten hinzu. f(R) bezeichnet eine Funktion f des Ricci-Skalars R. Diese zentrale mathematische Größe in Einsteins Feldgleichungen beschreibt die Krümmung der Raumzeit unabhängig von der Wahl der Koordinaten. R wurde nach dem italienischen Mathematiker Gregorio Ricci-Curbastro benannt. Er entwickelte ab 1890 mit seinem ehemaligen Studenten Tullio Levi-Civita die Tensor-Rechnung, auf der die Relativitätstheorie beruht (ein Tensor ist eine Verallgemeinerung eines Vektors). Die Dynamik eines Systems – also wie sich Materie in der gekrümmten Raumzeit bewegt – wird repräsentiert durch die Funktion der sogenannten Lagrange-Dichte multipliziert mit dem Raumvolumen. Vereinfacht: f(R) = R – 2L, wobei L die Kosmologische Konstante bezeichnet. f(R)-Theorien postulieren stattdessen eine andere Lagrange-Dichte und ändern somit Einsteins Feldgleichungen ab, die sich daraus errechnen lassen. 1980 hat Aleksei A. Starobinsky von der Russischen Akademie der Wissenschaften f(R) = R + aR2 (mit der Zahl a > 0) vorgeschlagen. Das war das erste Modell der erst später so genannten Kosmischen Inflation, die das Universum mit dem Urknall rasant groß gemacht hat. Im Gegensatz zu den heute beliebten Modellen wird hier kein Skalarfeld („Inflaton“) benötigt, sondern die exponentielle Raumausdehnung folgt aus dem modifizierten f(R)-Term selbst. Starobinskys Vorschlag passt sehr gut zu den aktuellen Messungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung. f(R)-Theorien sind auch als Alternative zu der mysteriösen Dunklen Energie im Gespräch, um die gegenwärtig beschleunigte Expansion des Weltraums zu erklären. Diese wird statt von einer unbekannten Energieform, etwa L, vielleicht von einer modifizierten Gravitationswirkung hervorgerufen, beispielsweise f(R) = R – aRn (mit a > 0, n > 0) – wobei dieses spezielle Modell allerdings instabil zu sein scheint. Andere f(R)-Theorien können zudem unphysikalische Singularitäten vermeiden und so vielleicht sogar den Urknall erklären. GRAVITATION MASSIV Formuliert man die Allgemeine Relativitätstheorie analog zu den Quantenfeldtheorien des Standardmodells der Materie, wird die Gravitation als „Kraft“ behandelt, übertragen von einem Teilchen namens Graviton. Ziehen sich zwei Körper an, dann tauschen sie Gravitonen aus, vergleichbar mit dem „Pingpong“ von Photonen zwischen geladenen Körpern bei der elektrischen Anziehung. Gravitonen sind hypothetische Teilchen mit Spin 2, also einem großen „inneren Drehimpuls“ (zum Vergleich: Photonen haben Spin 1, Higgs-Teilchen Spin 0). Alternative Theorien der Schwerkraft postulieren andere Überträgerteilchen. Sie könnten einen höheren Spin besitzen. Oder sie haben im Gegensatz zu den Gluonen und Photonen eine geringe Ruhemasse. In diesen Modellen der sogenannten massereichen Schwerkraft („Massive Gravity“) würde das Graviton – vielleicht durch die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld – eine Winzigkeit „wiegen“, weniger als 10–30 Elektronenvolt. Die Grundidee basiert auf einem Vorschlag von Wolfgang Pauli und seinem Assistenten Markus Fierz aus dem Jahr 1939. Es gibt viele Varianten. Unklar ist, ob sie singularitätsfrei sind, die Abfolge von Ursache und Wirkung erfüllen und kosmologische Anwendungen haben.
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