Katastrophal
Heute entdeckte ich endlich mal wieder einen Flyer für einen Vortrag am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (MPIPKS) mit dem Thema “Vorhersage von extremen Naturereignissen und Umgang mit dem Risiko“. Dazu wird Dr. Michael Lehning, ein Schweizer Lawinenforscher referieren. Ich stelle dieses Mal nicht wieder wilde Spekulationen darüber an, was mich erwarten könnte, sondern lass mich einfach überraschen. Ich war zwar bei der Komplexität des Themas im letzten Vortrag überwältigt, aber die Themen, die ich mir erhofft hatte, wurden nur teilweise oder garnicht angeschnitten.
Ausgebremst (Mal wieder…)
Heute morgen habe ich einen Beitrag im Spiegel über das mysteriöse Abbremsen der Pioneer-Sonden, die 1972 gestartet wurden, gelesen. Mit derzeitigen wissenschaftlichen Theorien und Techniken kann dieses Phänomen nicht erklärt werden, dass mit Erreichen der Grenze des Sonnensystems, die pro Tag um 0,0000755 Meter pro Sekunde langsamer werden.
Sämtliche Ursachen, von der Strahlung des Minireaktors bis zur Sendeanlage, wurden untersucht und hatten -wenn überhaupt- nur sehr geringen Einfluss auf das Abbremsen. Der Effekt konnte bisher nur bei den Pioneer-Sonden untersucht werden, da die später geschickten Sonden permanent Lageveränderungen vornehmen, bremsen und beschleunigen und somit keine konstante Bewegung vorliegt, bei der man diesen Effekt messen könnte.
In Zeiten eines knappen Budgets konnte die NASA nicht einmal die Daten der bisher aufgezeichneten Informationen der Sonden auswerten. Die Planetary Society sprang helfend ein und finanzierte die Auswertung der Daten aus dem Jahr 1987, die erstmal in ein auswertbares Format gebracht werden mußten. Erinnern wir uns an die Technik der späten 80er Jahre und deren Lesbarkeit nach einigen Jahren.
Und während der Spiegel-Artikel schon wieder die Dunkle Materie bemüht, wird nur in einem kleinen Absatz erwähnt, dass der “Wert” der Anomalie dem Produkt aus Hubblekonstanten und Lichtgeschwindigkeit beträgt. Schon mal was von Ockhams Rasiermesser gehört? Wenn man zwei Theorien hat, sollte man der einfacheren Theorie den Vorzug geben. Und wenn man die Wahl zwischen einer unbewiesenen Dunklen Materie hat oder die Expansion des Universums erstmals sehr genau messen könnte. Aber irgendwie passt das ja auch nicht zusammen, denn wenn der Raum expandiert, müßte die Sonde in unseren Augen sich ja schneller fortbewegen. Es sei denn…
Nun ja, meine Lieblingstheorie, die ich schon vor einigen Jahren entwickelte. Ich freu mich nämlich immer wieder, wenn ich Vorträge höre, die lauten “Was eine Millionstel Sekunde nach dem Urknall passierte”. Wenn ich da mit meinem naiven Schulwissen rangehe, bilden Raum und Zeit eine Einheit. Sprich: kleiner Raum, kurze Zeit. Soweit vom Standpunkt außerhalb des Raumes. Aber trotzdem unser Universum immer weiter expandiert, vergeht ja unsere Zeit nicht langsamer, oder? Richtig – wir befinden uns ja auch innerhalb des Raum-Zeit-Systems. Demzufolge wird die Zeit für uns immer konstant ablaufen – es sei denn, wir finden einen Referenzpunkt, der sehr weit weg ist (am liebsten außerhalb des Raum-Zeit-Kontinuums) und zu dem eine präzise Messung möglich ist. Begründung: Dann liegt zwischen Beobachter und Objekt genügend Raum (und damit Zeit) um den Effekt zu messen. Würde im Fall der Sonde die Vermutung zulassen, dass die Zeit schneller langsamer wird, als das Universum expandiert. Und jetzt bitte ich um die Widerlegung meiner Theorie…
Nachtrag:
Ich habe gerade noch mal nachgedacht. Die Idee von Butz123, dass ein Rechenfehler vorliegt, kann sein, wäre aber in der Geschichte der Raumfahrt nichts neues. Ich erinnere mich dunkel, dass es einen Fall einer Sonde gab, die jämmerlich abgestürzt ist, weil die einen Wissenschaftler als Höhenangabe Meter erwartet haben, aber in Wirklichkeit die Höhe in Fuß gemessen wurde. Und damit war die Sonde schon 2/3 näher an der Oberfläche als erwartet.
Eine andere Möglichkeit wäre “Dicke Luft”. Mit den beiden Pioneer-Sonden (und natürlich auch den Voyager-Sonden) betrat die Menschheit erstmals interstellaren Raum. Da mir keine Messdaten über die Dichte des Vakuums im interstellaren Raum bekannt sind, schließe ich mal nicht aus, dass der Sonnenwind unser Planetensystem doch “sauber hält”, d.h. das Sonnensystem gegenüber Teilchen aus dem Raum abschirmt und somit die Dichte des Vakuums größer ist als innerhalb des Sonnensystems und die Sonden, wenn auch nur minimal, abgebremst werden.
Schwärmerei
Nachdem ich heute schon meine Meinung über den Aufbau und die Gliederung des Vortrags “Kollektive Dynamik der Schwärme von Lebewesen aus der Sicht der Physik” am Max-Planck-Institut für die Physik komplexer Systeme äußerte, werfe ich jetzt noch mal einen Blick auf den Inhalt des Vortrages.
Beginnen möchte ich mit dem Ende des Vortrages, wo ich mich nochmal an einen der mitforschenden Professoren wandte und mir die Motivation dieser Untersuchungen erklären ließ und in diesem Moment wurde mir klar, was das Ziel des Vortrags war. Die Professoren, die sich mit der Thematik “Constructive role of noise in complex systems (CRNCS)” befassten, waren ausschließlich theoretische Physiker, die aus dem Teilgebiet der Selbstorganisation kommen. Der Vortrag war also, wie der Prof. Ebeling schon ausführte, nur die populärwissenschaftliche Ausführung bzw. Übertragung auf Lebewesen von Forschungen, die mit “unintelligenten” Dingen durchgeführt werden.
Somit wurden auch keine von den Punkten angesprochen, auf die ich Antwort erhofft hatte, aber dafür traten teils bekannte und viele neue Erkenntnisse zu Tage. Die Forschungsergebnisse stammen aus den unterschiedlichsten Bereichen (Biologie, Chemie, Medizin) und haben allesamt auf eine physikalische Erklärung gewartet. Und wie theoretische Physiker nun mal so sind, haben sie erstmal alles vereinfacht und sind zu folgendem Modell gelangt:
Hier werden sämtliche Teilchen auf ein Depot von Energie reduziert. Dieses bekommt von außen hochwertige Energie zugeführt und kann diese umsetzen, z.B. in Bewegung. Zusätzlich werden dem System stochastische Stöße versetzt, also bei Molekülen zum Beispiel die Kollision mit Ionen. Beim Umsetzen in Bewegung kennen die Teilchen dann drei Modi (Der Professor nannte es: drei Moden):
- Rotationsmodus (die Teilchen beginnen zu rotieren)
- Translationsmodus (die Gruppe von Teilchen bewegt sich)
- Amöbenmodus (die Form der Gruppe ändert sich)
Anhand von Computersimulation und Experimenten konnte nachgewiesen werden, dass beim Abbremsen eines Systems dieses automatisch von der Translation wieder in die Rotation übergeht. Natürlich haben sich die Physiker intensiv mit der Rotation auseinandergesetzt. Damit die Selbstorganisation solchen Systemen einsetzt muss eine bestimmte Menge Energie zugeführt werden. Denken wir einfach an einen Wassertopf, den wir auf eine Herdplatte stellen und dann erhitzen. Zuerst bilden sich am Boden des Topfes kleine Blasen von Wasserdampf, die Wärme höherwertige Energie vom Boden des Topfes an das darüberliegende Wasser abgeben. Und da haben wir schon das Prinzip der Rotation, die in den Wasserdampfblasen stattfindet. Wird die Menge Energie weiter erhöht, löst sich die Wasserdampfblase vom Boden, im allgemeinen sagt man: Das Wasser kocht. Hält man aber die Energie in dem Moment konstant, wo die Wasserdampfblase am Boden des Topfes Energie austauscht, dann entsteht ein interessantes Muster. Das wären dann die sogenannten Benardzellen.
Und natürlich wurde auch versucht das Verhalten der einzelnen Teilchen zu simulieren, indem man das Teilchen als Punkt simulierte und ihm eine Richtung zuordnete. So wie ich es verstanden hab, konnte man mit Hilfe einer Größe, die negative Reibung, Einfluss auf die Teilchen nehmen. In Abhängigkeit dieser Größe konnte die Richtung, ein Richtungswechsel und völlig chaotische Bewegungen erreicht werden. Im Anschluss an den Vortrag wurde in der Diskussion erklärt, dass man sich zur Zeit in der Phase befindet, wo die Übergänge bei Richtungswechsel, die einer chaotischen Bewegung entsprechen, näher untersucht werden.
Fazit: Ich habe für diesen Beitrag mich noch ein bißchen im Netz umgesehen und diverse Seiten besucht, u.a. auch welche die sich auf Werke des Prof. Ebeling bezogen. Dort gewann ich den Eindruck, dass es sich um ein sehr weites und komplexes Thema handelt, dass man als Ganzes nicht innerhalb eines Vortrag von einer Stunde abwickeln kann. Dennoch hätte ich mir erhofft, dass statt der Animationen und Simulationen doch mehr Fakten präsentiert werden könnten.
Lachen + Denken
Heute ist mal wieder Mittwoch und es traf sich die Frühstücksrunde der entgleisten Gedanken. Unser Leipziger Kollege kam heute morgen etwas wutschnaubend an, als er feststellte, dass man bei einer Bestellung von drei Blätterteigtaschen auch was falsch machen kann. Nämlich zwei verschiedene Sorten einzupacken. Bei der näheren Erläuterung kamen dann auch zwei Verkäuferinnen vor, die beim Eintreten so vertieft ins Gespräch waren, dass die Begrüßung erstmal ausfiel. Da die Verpackung mit “Wir backen noch DDR-Brötchen!” wirbt, lag die Vermutung nahe, dass auch nach DDR-Manier bedient wird.
Von den Backwaren ging es dann nahtlos in den Supermarkt, wo wir das Geheimnis der Nummern am Einkaufswagen lüfteten. Wer es immer noch nicht weiß: Die Nummern am Einkaufswagen sind nicht dazu da, um zu bestimmen, wann der Wagen das nächste Mal zur Durchsicht muss oder wie häufig er benutzt wurde, sondern damit die Person an der Kasse mal ein bißchen Bewegung hat und auch mal aufstehen muss. Natürlich könnte man die Nummern auch benutzen, um fehlende Wagen aufzuspüren. Schließlich ist ein Einkaufswagen für einen Euro schon ein Schnäppchen. Außerdem kann man ihn dann “personalisieren”. Tieferlegen, Antenne mit Fuchsschwanz dran, Nebelscheinwerfer, Touchscreen mit Einkaufsliste – “Pimp my Einkaufswagen”. Dann folgte der Bruch…
Vor rund einhundert Jahren formulierte ein Mathematiker namens Poincaré folgendes Problem (populärwissenschaftlich formuliert): Man nehme die Oberfläche einer Kugel und entfalte sie. Einfachstes Beispiel: Die Weltkarte – eine 2-dimensionale Abbildung eines 3-dimensionalen Objekts. Poincaré äußerte die Vermutung, dass auch eine Umsetzung einer 4-dimensionalen Sphäre in ein 3-dimensionales Objekt möglich ist. Reales Problem hinter dieser Vermutung: Die 3-dimensionale Wahrnehmung einer 4-dimensionalen Sphäre, die unser Universum bildet. Außerdem wäre damit erwiesen, dass ein Raumschiff, was “geradeaus” durch das Universum fliegen würde, nach einer bestimmten Zeit wieder am selben Ort ankommt.
Dieses Problem wurde vom Clay Mathematics Institute als ein Jahrhundertproblem definiert und mit einer Million Dollar Preisgeld dotiert. Und 2002 tauchte nicht in einer Fachzeitschrift sondern auf einer Webseite die vermutliche Lösung auf. Ein Einsiedler, der ohne Anstellung bei Muttern in der Datscha lebt, hatte ohne irgendwelche Ansprüche zu stellen, eine Lösung gefunden. Als das bekannt wurde, stürzten sich die Mathematiker darauf und bis auf kleine unwesentliche Fehler konnten sie seine Aussage nur bestätigen. Dafür sollte ihm jetzt die Fields-Medaille überreicht werden, der Nobelpreis der Mathematik, der nur alle vier Jahre verliehen wird, aber diesen Preis schlug er aus, er wäre nicht an materiellen Dingen interessiert. Es wird vermutet, mit der Überreichung des Preises wird seine Lösung als richtig anerkannt.
Und heute nachmittag hatte ich dann auch die Lösung des Problems – ich hatte die 4-dimensionale Kugel begriffen. Denn der kürzeste Weg ist nicht außen entlang, sondern durch die Mitte und so schaffte ich es, Mails zu beantworten, noch bevor sie eintrafen…
Und zum Schluss noch ein kleines Quiz zum Suchen und Grübeln: Angenommen ich stehe in 15 Metern Höhe mit einer Pumpe, die ich an ein Wasserrohr anschließe, um das Wasser hochzupumpen. Was passiert und warum?
Wieder mal die Chaoten…
Nächsten Dienstag (18.07.2006) findet im Max-Planck-Institut für Physik komplexer System (kurz: MPIPKS) um 19 Uhr wieder mal ein öffentlicher Vortrag zum Thema “Kollektive Dynamik der Schwärme von Lebewesen aus der Sicht der Physik”.
Leider habe ich auf der Webseite des MPI keinerlei Hinweise gefunden, welcher Inhalt in diesem Vortrag näher behandelt wird. Ich hoffe, ein bißchen was über die Modellierung von Schwärmen in Abhängigkeit von folgenden Größen zu erfahren:
- mit/ohne Schwarmführer
- Medium
- Größe der Gruppe
- Größe des Territoriums
- Zweck der Schwarmbildung
- Aufgaben innerhalb des Schwarms
Letztendlich nehme ich mal an, dass die Modellierung hier noch den einfachsten Teil übernimmt, denn den Schwarm-Bildschirmschoner gibt es ja auch schon seit Jahren für Linux. Nur das bestimmen der Parameter und deren Feinabstimmung, um die Prozesse in der Natur nachvollziehen zu können, dürfte wesentlich komplexer ausfallen.
Licht gesehen (III)
Sammeln wir mal zusammen, was wir für das Verständnis von der Entstehung von Farben benötigen. Wir brauchen den Welle-Teilchen-Dualismus und eine moderne Ansicht vom Aufbau von Atomen. Sicherlich ist der Begriff des Photons geläufig. Das ist das "Teilchen", was mit Licht in Verbindung gebracht wird. Mit den Augen der klassischen Physik betrachtet, wird klar, wie der photoelektrische Effekt funktioniert. Schließlich hat unser Physiklehrer uns eingebläut, dass eine Welle keine Materie transportieren kann, wie sollte sonst Licht dann elektrische Ladungen freisetzen, wie es in Solarzellen geschieht. Also muss Licht aus Teilchen bestehen! Oder?
Licht sind Teilchen? Wenn dem so wäre, würden nur zwei Linien an der Wand zu sehen sein, wenn wir eine Taschenlampe auf einen Doppelspalt richten. Aber wir sehen viele Linien an der Wand (siehe Bild oben). Also muss doch mehr dahinter stecken. Beugung tritt ja eigentlich nur bei Wellen auf. Also doch Welle und gleichzeitig Teilchen? Weil sich das doch sehr schwer vorstellen läßt, dass etwas ein Teilchen sein kann, aber auch eine Welle, gibt es ein kleines Gedankenexperiment. Stellen wir uns also eine Person vor, die im 2-dimensionalen Raum lebt, also nur Höhe und Breite kennt. Wie würde diese Person reagieren, wenn wir sie mit einem Zylinder konfrontieren. Betrachten wir den Zylinder von oben, hat er den Querschnitt eines Kreises und von vorn gesehen, wirkt der Zylinder wie ein Rechteck. Und genauso würde ihn die 2-dimensionale Person wahrnehmen, je nachdem welchen Querschnitt sie sieht. Für sie wäre es kaum vorstellbar, dass es sich bei Kreis und Rechteck um ein und denselben Körper handelt. Na, klingelt es?
Setzen wir unsere Reise durch die wunderbare Welt der Atome fort. Natürlich haben sich die Wissenschaftler einige Gedanken gemacht. Ich hoffe, aus der Schulbildung ist noch hängengeblieben, dass Atome aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen?! Die ersten Atommodelle sahen die ganzen Teilchen nebeneinander umherschwirren. Bis ein Herr Rutherford folgendes Experiment machte: Er nahm eine hauchdünne Goldfolie und hat sie mit Teilchen (alpha-Strahlung) beschossen. Und was mußte Rutherford feststellen: Die Teilchen passierten die Folie ungehindert und wurden nur gelegentlich abgelenkt. Also konnten die Protonen, Neutronen und Elektronen nicht gleichmäßig verteilt sein. Er schlußfolgerte, dass die Protonen und Neutronen den Atomkern bilden und die Elektronen diesen mit hohem Tempo umkreisen. Nur mal zum Vergleich: Der Atomkern ist ca. 1 x 10-15 Meter im Durchmesser, während das gesamte Atom zwischen 100 und 400 x 10-12 Meter einnimmt, was dann mehr als das 100.000-fache der Größe des Atomkerns entspricht. Auch wenn das nicht dazugehört, besteht doch ein Atom im wesentlichen aus Nichts.
Niels Bohr, der sich einen Namen bei der Entwicklung zur Quantentheorie gemacht hat, bemerkte dann, dass doch bei dem Modell von Rutherford was nicht stimmt. Vielleicht erinnert sich der eine oder andere an das Experiment im Physikunterricht. Der Versuchsaufbau war folgender: Ein Elektromagnet (nach Möglichkeit in Stabform) und ein Metallring, der um den Magenten gelegt wurde. Schaltete man den Elektromagneten ein, flog der Ring weg. Was war also passiert? Bewegte Ladungen erzeugen ein Magnetfeld und umgekehrt. Der Elektromagnet hat also die Elektronen in dem Ring auf Trab gebracht, die wiederum ein Magnetfeld erzeugt haben. Beide stoßen sich ab und der Ring ist derjenige, dem das Entweichen am besten möglich ist. Nach Rutherford bewegen sich die Elektronen ständig um den Kern und erzeugen demzufolge immer ein elektromagnetisches Feld. Da das natürlich nicht ohne Energieverlust geht, müßten die Elektronen ständig Energie verlieren und würden früher oder später in den Kern stürzen. Also schuf er zwei Annahmen: zum einen, gibt es Bahnen um den Atomkern, wo sich Elektronen aufhalten können, ohne Energie zu verlieren und zum zweiten, dass ein Bahnwechsel nur möglich ist, wenn ein Elektron Energie in einer bestimmten Menge aufnimmt oder abgibt.
Damit hätten wir unser Ziel fast erreicht. Denn diese "Energiepakete", die ein Elektron aufnehmen und abgeben kann, sind die "Lichtteilchen" oder korrekter Lichtquanten. Und nun kam ein österreichischer Physiker daher und stellte fest, dass man Ort und Impuls eines Elektrons nie genau bestimmen kann, sondern nur eine Wahrscheinlichkeitsgleichung aufstellen kann, wo sich das Elektron mit höchster Wahrscheinlichkeit aufhält. Er faßte das natürlich allgemeiner, damit es für alle Quantensysteme gilt und die Formel wurde nach ihm benannt: die Schrödingergleichung. Wenn wir vom einfachsten Atom – dem Wasserstoffatom – ausgehen, dann wissen wir, dass es dort ein Elektron gibt, was um den Atomkern schwirrt. Die höchste Wahrscheinlichkeit, an welchen Positionen sich das Elektron in seinem optimalen Zustand (dazu später) aufhalten kann, ergibt eine Kugel. Diese Kugel nennt man Orbital. Beim Helium, wo es zwei Elektronen gibt, findet noch ein zweites Elektron in diesem Orbital Platz. Denn jedes Orbital kann nur zwei Elektronen aufnehmen. Abhängig ist das vom Drehimpuls des Elektrons, den man sich vereinfacht als Drehung des Elektrons vorstellen kann.
Ich muss jetzt wieder ein bißchen im Schulwissen stochern, denn wer sich noch an das Schalenmodell der Chemie und den Begriff Valenzelektronen erinnern kann, ist schon mal gut dran. Vielleicht als kleine Erinnerung: auf die 1. Schale passten zwei Elektronen, auf die 2. Schale acht Elektronen usw… Elemente mit vollbesetzten Elektronenschalen sind die allseits bekannten Edelgase. Dabei besteht jede dieser Schalen aus einem oder mehreren Orbitalen. Wie bereits oben beschrieben, ist das einfachste Orbital kugelförmig. Für alle weiteren Schalen kommen weitere Orbitale hinzu, die sich dann unterschiedlich im Raum anordnen. Mit steigender Schalenanzahl steigt auch die Anzahl der Orbitale, deren Form immer komplexer wird.
Auch wenn es jetzt ein wenig durcheinander ging, kommt jetzt der große Aha-Effekt, denn die Elektronenschalen entsprechen der Hauptquantenzahl, die Nebenquantenzahl gibt an, in welchem Orbital sich das Elektron aufhält, die Magnetquantenzahl, wie sich das Orbital räumlich ausrichtet und letztendlich die Spinquantenzahl, um den "Eigendrehimpuls" des Elektrons anzugeben. Mit Hilfe dieser vier Quantenzahlen können wird genau sagen, von welchem Elektron wir sprechen und mit dem Wissen können wir jetzt Farben erklären. Aber nur für einfache Atome, denn der Wirrwarr mit den ganzen Orbitalen wird bei Molekülen so komplex, dass man die Gleichung für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit garnicht mehr mit mathematischen Mitteln darstellen kann und sich auf den Computer verlassen muss, dass der mittels numerischer Methoden alles korrekt berechnet.
Ein Elektron hat natürlich immer das Bestreben, dass tiefste nicht vollständig besetzte Orbital zu belegen. So ein Elektron kennt natürlich auch einen "angeregten" Zustand, d.h. es besitzt mehr Energie und befindet sich in einem höhergelegenen Orbital. Um diesen Zustand loszuwerden, gibt es Energie in Form eines Lichtquant ab und fällt auf das tiefstmögliche Orbital. Die Wellenlänge des freigesetzten Lichtquants wird dabei bestimmt, von welcher Elektronenschale das Elektron in welche fällt. Je "tiefer" es fällt, um so größer die freigesetzte Energie und desto kurzwelliger das Licht (d.h. höhere Frequenz). Und wie kann man das Freiwerden der Energie schöner sehen, als in den Spektrallinien. Umgekehrt lassen auch die Spektrallinien Rückschlüsse auf die chemische Bindung zu.
Interessant sich die Welt vorzustellen, wenn man weiß, dass dabei ständig Elektronen ihre Schalen wechseln, deren Sprünge wir als Farben wahrnehmen…
Licht gesehen (I)
Vorgestern abend habe ich mir die Frage gestellt – Wie funktioniert das mit den Farben? Also wenn ich jetzt aus dem Fenster sehe, hab ich ein paar grüne Baumwipfel vor mir. Aber wie kommt es, dass die grüne Farbe “entsteht”? Natürlich gebe ich mich nicht einfach mit der Antwort zufrieden, das Teile des Lichts absorbiert werden und andere reflektiert; ich will es genauer wissen. Das wird nicht mit einem Beitrag erledigt sein, denn eine Lösung habe ich noch nicht. Aber ein paar Grundlagen kann ich ja schon mal zusammentragen.
Was ist Licht? Bei Licht handelt es sich um elektromagnetische Strahlung. Und ab der Stelle wird es schon ein bißchen kompliziert – schon mal was von Photonen gehört? Richtig, das sind die “Lichtteilchen”. (Fast) masselos fliegen sie durchs Universum, natürlich mit Lichtgeschwindigkeit. Ein Photon darf auch eine Welle sein, das besagt schon der Welle-Teilchen-Dualismus. Genau aus diesem Grund ordnen wir dem Licht eine Frequenz bzw. Wellenlänge zu. Das Photon als solches kann von der extrem langwelligen Radiostrahlung bis sehr kurzwelligen Gammastrahlung reichen, aber in den Bereich des sichtbaren Lichts fällt nur der Bereich zwischen 380 und 780 Nanometern Wellenlänge.
Was kann Licht? Um einfach zu veranschaulichen, was Licht alles kann, brauchen wir 4 Gegenstände: die Sonne, eine Glasscheibe, ein schwarzes T-Shirt und einen Spiegel. Die Sonne strahlt das Licht aus, unter Physikern wird das als Emission bezeichnet. Halten wir die Glasscheibe zwischen uns und die Sonne, verändert sich nichts – das Licht passiert problemlos die Scheibe, das wäre die sogenannte Transmission. Halten wir das T-Shirt vor die Sonne, sehen wir die Sonne nicht mehr – das Licht wird vom T-Shirt absorbiert. Das dem so ist, läßt sich schnell nachweisen. Nach einer gewissen Zeit wird das T-Shirt auf der Seite, wo die Sonne drauf scheint warm. Wir erinnern uns an die Teilchen / Wellen des Lichts. Diese treffen jetzt auf die Atome des T-Shirts und regen sie an, stärker zu schwingen und genau das nehmen wir als Wärme war. Wenn wir den Spiegel vor die Sonne halten, spiegelnde Seite zur Sonne, sehen wir auch keine Sonne, aber der Spiegel wird auch nicht warm. Ein ganz klarer Fall von Reflektion.
Und wie entstehen nun Farben? Werfen wir dazu einen Blick auf das Bild rechts. So funktioniert das Entstehen von Farben im Computer. Mischt man rot, grün und blau entsteht weiß. Diesen Prozess nennt man auch additive Farbsynthese. Ähnlich funktioniert es auch mit dem Licht. Dort ergeben alle Wellenlängen zusammengenommen weißes Licht. Denken wir wieder an unser Eingangsbeispiel mit den grünen Blättern der Bäume. Wie kommt also das Grün zustande – auf den Computer übertragen heißt das, die roten und blauen Anteile werden absorbiert und die grünen reflektiert. Beim Licht werden da alle Frequenzen absorbiert, nur die Wellen, die wir als grün wahrnehmen, werden reflektiert bzw. transmittiert, denn halten wir das Blatt gegen die Sonne ist es ja auch grün, d.h. ein kleiner Teil der Wellen wandert durch das Blatt hindurch. Mischfarben, wie z.B. braun entstehen dadurch, dass bestimmte Teile des Farbspektrums reflektiert werden.
Ich hoffe, dass ich ein bißchen klarstellen konnte, worauf ich hinaus will. Wovon ist es also abhängig, dass Lichtwellen bei einem grünen Blatt reflektiert werden und die blauen (d.h. kurzwelligeren) sowie die gelben bis roten (langwelligeren) Anteile absorbiert werden.
Leben im All
Spiegel online berichtet, dass es Wissenschaftlern gelungen ist, neue Exoplaneten zu entdecken. Exoplaneten sind Planeten, die andere Sterne wie die Sonne umkreisen. Aber diese Entdeckung ist nichts neues, Exoplaneten wurden schon einige in den letzten Jahren entdeckt. Dabei handelt es sich um Gasriesen, gegen die der Jupiter vergleichsweise klein wirken dürfte.
Das Entdecken von Exoplaneten funktioniert mit Hilfe zweier Methoden:
- Der Stern wird hinsichtlich seiner Helligkeit beobachtet. Eventuelle Schwankungen in der Helligkeit deuten darauf hin, dass sich ein Planet vor diesen Stern schiebt und dessen Helligkeit abnimmt. Mit dieser Methode lassen sich in der Regel nur sehr große Planeten entdecken.
- Weiterhin kann man den Stern auf seiner Bahn beobachten. Unterliegt sie Störungen beeinflussen Planeten seinen Flug durchs All – simpel gesagt – wackelt der Stern.
Nun haben es Wissenschaftler geschafft, anhand dieser Störungen drei Exoplaneten zu entdecken, die mit ihren Massen zwischen dem zehn- und achtzehnfachen der Erdmasse liegen. Damit gehören sie zu den Fliegengewichten der Exoplaneten, bedenkt man doch, dass es außergewöhnlich genaue Instrumente erfordert, die Bahn eines Sterns zu beobachten, der 41 Lichtjahre entfernt ist. Dieser Stern ist mit bloßem Auge gerade noch für das menschliche Auge sichtbar.
Interessant an dieser Entdeckung ist weiterhin, dass einer der Planeten in der grünen Zone liegt. Die grüne Zone kennzeichnet den Abstand zur Sonne, wo das Vorhandensein von flüssigem Wasser, in Abhängigkeit vom Druck der auf dem Planeten herrscht, möglich ist. Missionen wie das Senden von Cassini-Huygens zum Titan sind nur ein kleiner Beitrag dessen, was in den nächsten Jahren im Bereich der Untersuchung extraterrestrischen Lebens geschehen soll. Dabei ist nicht primär die Suche nach Leben wie wir es repräsentieren, sondern ähnliche Bedingungen zu finden, wie sie auf der Erde herrschen. Vorausgesetzt der Forschungsetat für die Suche wird nicht gestrichen.
Bis dahin müssen wir also noch etwas unsere Phantasie bemühen, wie Adolf Schaller in diesem Bild, dass Jäger und Schweber in einer jupiterähnlichen Atmosphäre zeigt. Das Bild stammt übrigens aus Unser Kosmos von Carl Sagan.
Alternative Raumantriebe (Teil 10) – Feldantrieb
Mh, nun also der letzte Teil meiner Serie über alternative Raumantriebe. Nachdem die letzten Antriebe immer phantastischer wurden, werde ich mit meinem letzten Beitrag natürlich sämtliche Grenzen sprengen.
Fangen wir mal mit einem Universum an, in dem es keinen Urknall gab und in dem es keine schwarzen Löcher gibt. Gehen wir weiter über eine Theorie, welche die allgemeine Relativitätstheorie (ART) und die Quantentheorie (QT) vereint. Und landen wir bei einem Antrieb, der ein Überschreiten der Lichtgeschwindigkeit möglich macht und mit dem man 11,4 Lichtjahre in 80 Tagen zurücklegen könnte. Klingt schon nach ziemlichem Humbug, oder? Ich möchte gleich dazu sagen, dass ich den physikalischen Background nur in Grundzügen verstehe, aber trotzdem das Bild dazu ziemlich logisch erscheint.
Beginnen möchte ich mit dem Entwickler der Theorie: Burkhard Heim. Geboren 1925 wird Burkhard Heim schon mit sechs Jahren klar, dass er Raketenforscher werden möchte. Seine unermüdliches Forschen wird 1944 jäh abgebremst. Es explodiert ein manipulierter Sprengsatz in seinen Händen. Damit verliert er beide Unterarme und 90% seiner Hör- und Sehfähigkeit. Doch er hört nicht auf. 1946 geht an die Universität von Göttingen und beginnt Physik zu studieren. Sein Bestreben besteht darin, den Riss zwischen ART und QT aus der Welt zu schaffen. Mit 24 entwickelt er seine 6-dimensionale Feldtheorie, in der die ART und die QT nur Sonderfälle ergeben. Die Heimsche Theorie schafft ein komplett neues Weltbild – alle Massen und Lebensdauern der Elementarteilchen lassen sich berechnen (*)
Mit dieser Idee tritt er 1957 an die Öffentlichkeit und wird als der neue Einstein gefeiert. Das Ausland tritt an ihn heran und möchte ihn abwerben. Selbst Wernher von Braun fragt, ob der Antrieb, der aus seiner Theorie folgt auch für die Mondrakete anzuwenden sei. Heim erwidert, er wäre noch nicht soweit und bleibt in Deutschland. Da Heim durch sein Handicap nicht im Team arbeiten kann, arbeitet er auf eigene Faust und mit starker Unterstützung seiner Frau Gerda weiter. Er möchte erst seine Theorie komplett veröffentlichen, wenn er seine Theorie ausreichend überprüft hat. Erst in den 70er Jahren ist er soweit, doch findet keine Fürsprecher mehr, also veröffentlicht er eine Übersicht und diese wird mit großer Resonanz aufgenommen. Er wird gebeten seine Feldtheorie komplett zu veröffentlichen, was er auch in zwei Büchern macht. Jedoch gehen die Veröffentlichungen völlig unter, da die Bücher bei einem nicht nichtmathematisch-physikalischen Verlag erschienen, selbst für renomierte Physiker schwierig zu lesen sind und außerdem in deutsch verfasst wurden (**).
Untergegangen ist auch völlig, dass das DESY in Hamburg die Formel zu Bestimmung der Masse der Elementarteilchen programmierte und damit eine Annäherung von 0,01% an die empirisch bestimmten Werte erreichte. Da die Genauigkeit der Gravitationskonstante heutzutage genauer ist, wurde die Programmierung wiederholt und die Ergebnisse waren noch genauer, wie die Ergebnisse vom DESY.
Aber zurück zum Antrieb. Natürlich haben sich noch zu Lebenzeiten und auch nach dem Tod von Heim Forscher gefunden, die sich mit seiner Theorie auseinandergesetzt haben und Schlüsse daraus gezogen haben. So entwickelten Dröscher und Häuser die Idee für einen Feldantrieb, über den Heim schon spekuliert hatte. Wir erinnern uns an den Physikunterricht: bewegte Ladungen erzeugen ein Magnetfeld und umgekehrt. Besonders eindrucksvoll war immer das Experiment mit dem Ring, der über einen Elektromagneten gestülpt wurde und dann wurde der Strom eingeschaltet und der Ring flog in die Luft. Was passierte: Es entstand ein Magnetfeld, dass die Elektronen im Ring auf Trab brachte. Und dieser erzeugten wiederum ein Magnetfeld, was sich vom anderen Magnetfeld abstieß. Kurz genannt: Lorentz-Kraft.
Nach dem gleichen Prinzip funktioniert der Feldantrieb, nur dass Schwerkraftfeld erzeugt wird. Die Berechnungen der beiden haben ergeben, dass man ein Magnetfeld von 20 Tesla benötigt, um ein 150-Tonnen-Raumschiff mit Erdanziehung zu beschleunigen. Das Gute daran: die Insassen bekommen von plötzlichen Richtungswechseln nichts mit. Weiterhin deuten die beiden an, dass E=mc² immer noch gilt. Nur beim Feldantrieb wird die träge Masse des Raumschiffs verringert. Damit die Formel weiterhin gilt, muss also in einen Parallelraum gewechselt werden, in dem die Lichtgeschwindigkeit höher ist. Was die Umsetzung nur noch davon abhält ist der experimentelle Nachweis. Mittlerweile ist es möglich mit Hilfe von Supraleitern Felder mit 25 Tesla Stärke zu erzeugen…
Ich weiß, dass war nur ein sehr kurzer Überblick über die Theorie und den Antrieb, aber wer sich dafür interessiert, sollte mal auf den Seiten des Forschungskreises der Heim-Theorie nachsehen.
(*) Alle Massen und Lebensdauern werden derzeit noch die Experimente bestimmt.
(**) Aktuelle Veröffentlichungen der Physik und Mathematik finden grundsätzlich in Englisch statt. Dort hat sich Englisch als “Amtssprache” schon längst etabliert.
Alternative Raumantriebe (Teil 9) – Warp-Antrieb
So liebe Trekkies aufgepasst, heute nehme ich mal (zumindest theoretisch) einen Warp-Antrieb auseinander. Und damit habe ich auch den vorletzten Artikel dieser Serie erreicht. Wann der letzte folgt, ist momentan noch ungewiss, da ich dazu sehr weit ausholen muss, um das zu erklären.
Was ist also die Idee hinter dem Warp-Antrieb? Vielleicht ist es ja bekannt, dass es damit möglich ist, mit Überlichtgeschwindigkeit zu reisen. Laut Einstein unmöglich, aber mit einer Nebenbedingung dann doch. Die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten ist ja bekanntlich die Gerade. Das gilt aber nur, wenn man sich in den Grenzen der Dimensionen des Systems bewegt. Als kleines Gedankenexperiment: Man nehme einen Zettel und zeichne zwei Punkte darauf. Theoretisch wäre der kürzeste Weg eine Gerade, die durch beide Punkte geht. Aber nicht, wenn wir die dritte Dimension in zu Hilfe nehmen, d.h. wenn das Blatt gefaltet wird und beide Punkte auf einander liegen, schafft man den Sprung von einem Punkt zum anderen in immer kürzerer Zeit, je nachdem wie stark man das Blatt faltet.
Und wer das verstanden hat, ist mit dem Grundprinzip des Warp-Antriebs vertraut. Dort wird einfach der Raum zwischen zwei Punkten gekrümmt, um schneller anzukommen. Und je stärker man krümmt, um so schneller erreicht man sein Ziel. Theoretisch kann man auch den Abstand auf Null setzen und würde damit jeden beliebigen Punkt im Raum in Nullzeit erreichen. Diese Geschwindigkeit wird Warp 10 genannt. Zum Vergleich hier mal die Warpgeschwindigkeiten im Vergleich.
Natürlich muss es da auch jemanden geben, der das ausprobiert hat. 1994 hat Miguel Alcubierre die Umsetzbarkeit des Warp-Antriebs geprüft. Wissenschaftlich versteht sich. Und er entwarf den Antrieb so, dass hinter dem Raumschiff Raum “ausgedehnt” und vor dem Raumschiff komprimiert wird. Einzig und allein das Raumschiff muss in der Warpblase gehalten werden, sprich der Raum um das Raumschiff bleibt erhalten. Damit würden auch sämtliche relativistischen Effekte, wie Raum-Zeit-Dilatation und Beschleunigungs- und Bremseffekte ausbleiben, da der Raum innerhalb der Warpblase konstant ist. Leider hat die Sache natürlich einen Haken – man bräuchte dazu Materie mit negativer Energiedichte, sogenannte exotische Materie, die bis heute noch nicht nachgewiesen wurde.
Falls man sie doch noch finden sollte, könnte man auch was anderes konstruieren: stabile Wurmlöcher!
Unterstützt wird…
Lauferfahrung
