Heute schon ein Universum erschaffen?

Habt ihr schon einmal versucht, ein Universum zu erschaffen? - Nicht? Dann ist es höchste Zeit dafür!

Gehen wir es also an! Was wir zur Verfügung haben, sind einige fundamentale Parameter, an denen wir schrauben können, wodurch sich die physikalischen Gesetze ändern.

So sieht unser Universum auf richtig großen Skalen aus (Bildausschnitt aus der "Millennium Simulation").
Wäre doch super, wenn wir heute gedanklich auch ein solches Universum kreieren könnten - also ein Universum mit innerer Struktur, Sternen und Galaxien.
(Credit: Max Planck Institute for Astrophysics)

Versuch 1: Bang! - Wir zünden einen Urknall. Unser Universum beginnt zu existieren und bläht sich auf, angetrieben durch eine Art “negative, repulsive Gravitation”, welche durch einen hohen Wert des für die kosmische Inflation verantwortlichen “Inflaton-Feldes” verursacht wird. Masse in Form von Teilchen entsteht. Doch auf einen Schlag hört die Expansion der soeben in Erscheinung getretenen Raumzeit auf, unser Universum kollabiert in sich selbst und ist futsch.

Was ist schiefgelaufen? Nun, da das Universum verschwunden ist, ist das schwer zu eruieren. Möglicherweise wurde zu viel Materie produziert oder wir haben die Stärke der Gravitationkraft zu hoch gewählt, sodass all die im Universum befindliche Masse die Expansion abgebremst und eine Kontraktion eingeleitet hat.

Wie auch immer, probieren wir es einfach noch einmal!

Wo war der Urknall? - Oder: Warum sich die Welt vielleicht doch um dich dreht

"The universe has many different centers as there are living beings in it."
("Das Universum hat viele verschiedenen Mittelpunkte, gibt es doch lebendige Wesen darin.")

Diesen Satz formulierte Alexander Solzhenitsyn vermutlich zwar eher basierend auf gesellschaftlichen oder psychologischen Gesichtspunkten, aber warum sollten wir nicht tatsächlich die Frage stellen: Wo ist der Mittelpunkt des Universums? Wo hat der Urknall stattgefunden? Die Antwort wird überraschend sein!

"Akzeptiert man erst das Universum als etwas, das in ein
unendliches Nichts expandiert, welches wiederum etwas ist,
fällt einem das Tragen von Gestreiftem mit Kariertem leicht."
- A. Einstein

Das Universum hat ja mit dem Urknall begonnen und dehnt sich seither aus. Da es im Allgemeinen nun selten Sinn macht, entweder nur einen Zeitpunkt und keinen Ort anzusprechen oder umgekehrt (Sätze, wie z.B. "Ich war gestern um 10 Uhr." sind ohne zusätzliche Angaben immerhin sehr entbehrlich!), drängt sich natürlich die Frage auf, wo der Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren stattgefunden hat. Passierte er irgendwo in den Tiefen des Alls, völlig fern von jedem Ort, an den ein Mensch schon jemals ein Auge geworfen hat? Oder war bei der Entstehung des Kosmos doch irgendein christliches Element im Spiel und es entsprang dem Sternbild Jungfrau? Oder hat Solzhenitsyn vielleicht Recht und der Urknall fand in jedem Einzelnen von uns statt?

Faszinierenderweise lautet die Antwort "ja" - und zwar auf alle soeben gestellten Fragen!
In Kürze werde ich verständlich machen, wie das möglich ist (ich habe ein paar verdeutlichende Grafiken erstellt), doch vorerst müssen wir uns kurz erinnern, woher wir eigentlich wissen, dass das Universum einen Anfang hat.

Die Suche nach der Weltformel lohnt sich! - Meine Antwort auf Prof. Taschners Presse-Beitrag

Sehr geehrter Herr Taschner!

Von der Überschrift “Die Suche nach der Weltformel ist keinen Groschen Einsatz wert” neugierig gemacht, habe ich Ihren Presse-Beitrag vom 8.4.2015 gelesen, in welchem Sie behaupten, die physikalischen Experimente am CERN hätten “nichts mit der Welt zu tun, in die wir hineingeboren wurden” und würden zu große Mengen an Steuergeldern verschlingen, ohne der Bevölkerung etwas zurückgeben zu können. Anstatt Geld “an den [sic] CERN zu verschleudern”, müsse Ihrer Meinung nach in “Physik mit Hand und Fuß” investiert werden - in Lehre und Forschung, die sich “mit Phänomenen auseinandersetzt, die uns wirklich betreffen”.

Der CMS-Detektor am Kernforschungszentrum CERN - eines jener
Forschungsprojekte, an dem Österreich stark beteiligt ist und dadurch beispielsweise
wesentlich zur Entdeckung des Higgs-Teilchens im Jahr 2012 beigetragen hat.
(Credit: CERN)

Ich muss zugeben, nach dem Lesen Ihrer so klaren Worte war ich - gelinde formuliert - völlig verblüfft. Selten hört man eine solch scharfe und allumfassende Kritik an moderner Wissenschaft von einem renommierten Mathematikprofessor der Technischen Universität Wien. Noch seltener aber kommt es vor, dass - wie im Fall Ihres Presse-Artikels - eine solche Kritik auf so vielen Ebenen so fehl am Platz, zum Teil falsch und zutiefst besorgniserregend ist. Mit Ihren Aussagen greifen Sie nämlich nicht nur die “Physiker am CERN”, sondern vielmehr den gesamten Geist der Naturwissenschaften an. Einen derartigen Rundumschlag und Frontalangriff auf die Physik und all ihre benachbarten Disziplinen angemessen und in der notwendigen Ausführlichkeit zu kommentieren, ist in dieser kurzen Form unmöglich. Ich kann es aber nicht unversucht lassen!

Dunkle Materie - ein herausragendes Porträt

"Molecule Man" (Berlin, 2013)
(Credit: Avda, via Wikimedia Commons)

Alles, was wir jeden Tag um uns herum sehen, mag auf den ersten Blick unglaublich vielseitig und verschieden aussehen. Die Straße unterscheidet sich deutlich vom nächsten Mitmenschen, der auf ihr geht. Das Gebäude nebenan sieht so ganz anders aus als die Sonne. Dein elektronisches Gerät, das diesen Text soeben darstellt, scheint in erster Linie gar nichts mit der umgebenden Luft, die es zur Kühlung verwendet, zu tun zu haben.

Obwohl in unserer makroskopischen Welt natürlich grundverschieden, so sind all diese Dinge auf der kleinsten Ebene nicht wirklich unterschiedlich - sie alle bestehen aus den subatomaren Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik. Die Protonen und Neutronen in den Atomkernen werden aus drei noch kleineren Teilchen aufgebaut, den sog. "Quarks" (1). Neben den Quarks gibt es noch die sog. Leptonen, deren wohl berühmtester Vertreter das Elektron ist - jener Atombestandteil, der wesentlich die physikalischen und chemischen Eigenschaften von all dem Zeug in der Welt bestimmt. Quarks und Leptonen müssen noch durch jene Teilchen, die die vier Grundkräfte der Natur (2) kommunizieren, und durch das Higgs-Teilchen (3) erweitert werden, um das soeben erwähnte Standardmodell der Teilchenphysik zu bilden. Zählt man dessen Teilchen erst einmal ab, kommt man auf insgesamt 61 Stück (4). Das klingt einerseits nach einer großen Menge Teilchen, andererseits ist es doch erstaunlich, dass es uns gelungen ist, die gesamte uns bekannte, materielle Welt auf diese paar Teilchen zu reduzieren. (Falls jemand von dieser Kurzzusammenfassung des Standardmodells eben nichts verstanden hat, macht das nichts. Ab jetzt wirds schon wieder einfacher!)

Obwohl wir alles, was wir im Universum sehen können, nun zumindest im Prinzip kennen, können wir uns wohl kaum auf unserem Erfolg ausruhen, denn wir wissen heute, dass die physikalischen Modelle nur etwa 4,9 Prozent seines gesamten Materie- bzw. Energieanteils zu beschreiben vermögen.

Finden, was man nicht sehen kann - mit Lupen, die man nicht bauen kann

Kennt ihr das, wenn einem irgendetwas oder irgendjemand die Sicht verstellt? Ihr seid bei einem Konzert, steht in der Menge und ärgert euch, weil ihr einfach nicht an eurem Vordermann vorbeischauen und nur selten einen längeren Blick auf die Lieblingssängerin auf der Bühne werfen könnt? Ihr wollt die Auslage eines Geschäfts auf der anderen Straßenseite betrachten, seht sie aber nicht, weil die Straßenbahn gerade davor hält? Ihr sitzt in einem Klassenzimmer oder Seminarraum und könnt einfach nicht lesen, was auf der Tafel steht, sondern nur den T-Shirt-Spruch des Kollegen in der ersten Reihe?

Zumindest mir ist es schon oft so ergangen. Und niemals hätte ich mir (vor meiner Beschäftigung mit der Physik) gedacht, dass es im Prinzip eine Möglichkeit in der Natur gibt, Objekte zu sehen, die von anderen verdeckt werden. Das Phänomen, welches ich hier meine, nennt man Gravitationslinseneffekte. Es handelt sich um einen im Grunde relativ simplen, aber dennoch sehr verrückten Mechanismus, von dem es verschiedene Varianten gibt. Zwei dieser Varianten, nämlich den starken und den schwachen Gravitationslinseneffekt, werde ich heute kurz vorstellen. Eines kann ich euch gleich jetzt verraten: Die tatsächlichen Bilder von astronomischen Beobachtungen sind beeindruckend und faszinierend!

Vom Apfelstrudel und dem Universum – die großartigste Geschichte

Apfelstrudel.

Was benötigen wir, um einen Apfelstrudel zuzubereiten? – Äpfel, das ist klar. Außerdem brauchen wir Zutaten, wie z.B. Mehl, Zucker, Butter, Eier, Backpulver, Rosinen (oder keine Rosinen – ein ewiger Disput),…
Wo kommen die Äpfel her? – Oh, ich weiß schon: vom Apfelbaum.
Der Apfelbaum, wiederum, ist angewiesen auf ausreichend Wasser, Erde, Luft und Sonnenlicht, nicht zu vergessen eine intakte “Anleitung” für seine Entwicklung und Funktionsweise in Form von DNA.
Woraus bestehen Wasser, Erde, Luft und DNA? – Hmm…schon etwas kniffliger, aber auch darauf habe ich eine Antwort: aus Molekülen.
Also gut, was braucht man nun, um Moleküle zu bilden? – Atome.
Und woraus bestehen Atome? – Die setzen sich aus Protonen und Neutronen (“Atomkernmaterial”) und Elektronen (“Atomhüllenmaterial”) zusammen.
Ein Apfelstrudel bedarf also, streng genommen, nichts weiter als einer ganzen Menge subatomarer Teilchen.

Doch woher kommen diese Teilchen? Wie sind all die Atome des Apfelstrudels entstanden?

Um diese Fragen soll es im Rest dieses Artikels gehen. Wie in meinem letzten Beitrag versprochen, möchte ich euch im Rahmen ihrer Beantwortung eine der faszinierendsten Geschichten näherbringen, die wir Menschen durch die bisherige wissenschaftliche Erforschung der Welt zu erzählen gelernt haben. Dabei werden wir sehen, auf welche fundamentale Weise jeder einzelne von uns mit dem Rest des Universums in Verbindung steht.

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Das Universum im Duschwasser

Wirbel in einer Wasserflasche.
(Credit: Robert D Anderson,
via Wikimedia Commons)

Wisst ihr, was eines der schönsten und reizvollsten Dinge an der Physik ist? - Ihre Gesetze gelten überall, sei es hier auf der Erde oder am anderen Ende des Universums (1), sei es gestern, heute oder in der Zukunft (2), sei es im kleinen Maßstab oder im großen. Genau diese Tatsache soll durch die Legende von Newton veranschaulicht werden, als ihm anscheinend ein Apfel auf den Kopf fiel und er erkannte, dass die selben Gesetze, die dessen Bewegung beschreiben, gleichermaßen für die Planetenbahnen gelten.

Ich möchte heute ein Beispiel dafür geben, wie die physikalischen Gesetze sowohl auf kleine als auch auf große Phänomene anwendbar sind: Wir werden das Wasser im Abfluss unserer Dusche betrachten und versuchen, Parallelen zu physikalischen Vorgängen auf viel größeren Skalen herzustellen, wobei wir sehen werden, dass unsere Beobachtungen schließlich überhaupt nichts mit dunkler Materie zu tun haben, wir daraus aber dennoch eine Menge lernen können.
Bereits verwirrt? - Dann lasst uns das ganze nochmal Schritt für Schritt durchgehen!

Zu Recht: Links - September 2013 (2/2)

Worauf bin ich in letzter Zeit im Internet gestoßen und was ist mir davon in Erinnerung geblieben? - Hier trage ich wieder einmal eine Auswahl empfehlenswerter Links zusammen.

Die Einträge, die mit einem "≤" eingeleitet werden, sind besonders sehenswert! Allen, denen die folgende Liste etwas zu lang ist, möchte ich bei ihrer Wahl damit ein bisschen unter die Arme greifen. ;-)

Hunderte alter Link-Empfehlungen sind hier zu finden.

Zu Recht: Links - Juli 2013 (1/2)

Dass ich das Internet einschalte und keine interessanten Artikel oder Videos finde, gibt's eigentlich nicht.

Hier findet ihr wieder eine kleine Auswahl meiner Internet-Fundstücke der letzten beiden Wochen.
Artikel bzw. Videos, die mit einem "≤" markiert sind, kann ich besonders empfehlen!

Na dann: Viel Vergnügen!

"Dunkle Welten" - Eine Empfehlung

Gerade habe ich es nachgeholt, die Artikelserie von Florian Freistetter über die Geschichte der Dunklen Materie in seinem Blog Astrodicticum Simplex nachzulesen.

Diese sieben Artikel geben einen schönen, besonders angenehm zu lesenden Überblick über die Entwicklung der Vorstellung, dass das Universum zu einem überraschend großen Teil mit etwas gefüllt sein muss, dass sich unseren Blicken bisher entzogen hat. Warum man trotzdem an die Existenz dieser ungewöhnlichen und völlig andersartigen Art von Materie glaubt, könnt ihr in Florian Freistetters Artikeln nachlesen. Danach findet ihr dieses Thema hoffentlich genau so spannend wie ich! ;-)


Ich werde die einzelnen Teile der Serie "Dunkle Welten" hier ganz komfortabel verlinken, da ich sie als sehr empfehlenswert ansehe:

• Teil I - Wer hat die dunkle Materie erfunden?
• Teil II - Im Universum ist mehr als man sehen kann
• Teil III - Rotierende Galaxien und dunkle Materie
• Teil IV - Dunkle Materie und Deuterium
• Teil V - Gibt es vielleicht doch keine dunkle Materie?
• Teil VI - Dunkle Materie und das erste Licht
• Teil VII - Die Suche nach der dunklen Materie nähert sich dem Ende

Übrigens: Heute ist außerdem eine neue Ausgabe meines automatisch erstellten Online-Magazins "the mug of science" herausgekommen.

Warum ist der Nachthimmel so dunkel?

Das Universum ist groß.
Sehr groß.
(Diese Einstiegsworte habe ich anscheinend schon einmal passend gefunden. ;-) )
Und es gibt darin viele Sterne.
Sehr viele.
Doch wenn das Universum so groß ist und es so viele leuchtende Sterne darin gibt, warum ist der Nachthimmel dann nicht taghell? In einem quasi unendlich großen Universum mit unendlich vielen Sternen müsste nach so (unendlich) langer Zeit ja das gesamte Licht, das jemals entstanden ist, bei uns angekommen sein und den Himmel auch in der Nacht hell erleuchten. Oder?

Dunkle Materie im Orbit gemessen?

Vor wenigen Tagen wurden die ersten Messergebnisse des Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) veröffentlicht. Das ist ein Experiment, das an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) seit über einem Jahr die kosmische Höhenstrahlung misst.
Der Anstieg von Positronen in einem bestimmten Energiebereich könnte die erste direkte Messung Dunkler Materie sein.

Das Steppdeckenmultiversum - Doppelgänger in Parallelwelten

Anmerkung: Diesen Artikel habe ich aus meinem alten Blog übernommen. Ursprünglich wurde er am 25.09.2011 veröffentlicht.

Das Universum ist groß.

Sehr groß.

Doch ist seine Ausdehnung begrenzt, oder breitet es sich in alle Richtungen unendlich weit aus? Macht das bei dieser enormen Größe überhaupt einen Unterschied?

In der Tat! - Falls das Unviersum unendlich groß ist, stellt sich heraus, dass es weitere Welten gibt, die der unseren Welt - also unserem Universum - womöglich verblüffend ähnlich sind.
In diesen Universen sitzen Personen, die wie du aussehen, sich wie du verhalten, die gleiche Kleidung tragen, die selben Gedanken haben etc. - Personen, die sich durch nichts von dir unterscheiden und die alle deine Freunde ohne zu zögern als "dich" identifizieren würden. All diese dir ähnelnden Personen würden du sein.

Ist das Universum also unendlich groß, hat jeder von uns Doppelgänger, von denen keiner das Recht hat, jeweils sich selbst als "das wahre Ich" zu bezeichnen.