RAETSEL

 Unterseite Raetsel von topsurfen.net Physik fuer die Schule

Raetsel der Physik

Copyright © Dr. Michael Willamowski fuer topsurfen.net


Weltformel Gravitation Quantenwelt Dunkle-Materie Masse
Festkoerper Zeitmaschine Materie/Antimaterie Turbulenz Neutrinos
Top-Quark Schwarze-Loecher




Weltformel 


Mit dem Periodensystem der Elemente läßt sich in der Chemie viel herausfinden, weil es die chemischen Elemente mit steigender Ordnungszahl in ein System einordnen läßt. Aus der Stellung in diesem Periodensystem kann man auf die Eigenschaften eines Elements schließen. Auch dieses Wissen mag Physiker zusätzlich bewogen haben, nach einer so genannten Weltformel zu suchen. Die Weltformel sollte formal aus mathematischen Zeichen, Symbolen und Buchstaben bestehen. Die Weltformel sollte inhaltlich alle modernen physikalischen Erkenntnisse erklären. 
Die Quantentheorie erklärt uns das Verhalten von Quantenobjekten wie Atomen, Quarks, Protonen und Elektronen. Die Unschärferelation von Heisenberg ist eine grundlegende Eigenschaft der genannten Teilchen. Eine Weltformel müsste auch dieses Prinzip der Unbestimmtheit berücksichtigen. In der von unseren Sinnen wahrgenommenen Alltagswelt treten Quanteneffekte nicht in Erscheinung. Die für uns verständliche Physik Newtons kann als Grenzfall der Quantenmechanik angesehen werden. Dieser Grenzfall gilt, wenn man sich auf  Phänomene des Makrokosmos beschränkt. Für den Bereich des Mikrokosmos ist die Quantenmechanik die beste Theorie. Auch wenn ihre Aussagen auf Wahrscheinlichkeiten beruhen, ist die Quantentheorie allgemein anerkannt.
In der Relativitätstheorie andererseits geht es um die Welt des Großen. Die Relativitätstheorie versucht die Gesetze des Universums, seine Struktur und Dynamik zu erklären. Hier geht es um die Schwerkraft, die Gravitation. Aus der Relativitätstheorie folgt eine Äquivalenz von Masse und Energie. Die Energie, welche ein Körper aufgrund seiner Bewegung besitzt, muß zu seiner Masse hinzugerechnet werden. Je mehr sich ein Objekt der Lichtgeschwindigkeit nähert, desto rascher wächst seine Masse. Es ist mehr und mehr Energie nötig, um ihn weiter zu beschleunigen. Normalen Objekten ist durch die Relativitätstheorie bestimmt, sich mit Geschwindigkeiten unterhalb der Lichtgeschwindigkeit fortzubewegen.
Welche Konsequenzen hat die Relativitätstheorie für unsere Vorstellung von Raum und Zeit.? Nach der Relativitätstheorie gibt es keine absolute Zeit. Jeder Beobachter hat sein eigenes Zeitmaß. Dieses Zeitmaß hängt davon ab, wo sich der Beobachter befindet und wie er sich bewegt. Zudem existiert die Zeit nicht völlig losgelöst und unabhängig vom Raum. Zeit und Raum verbinden sich zur Raumzeit. Die Relativitätstheorie unterscheidet nicht zwischen Raumkoordinaten und Zeitkoordinaten. Diese vierdimensionale Raumzeit ist durch ihre Krümmung für die schwächste der uns bekannten Kräfte verantwortlich, nämlich die Gravitation. Die Gravitation wirkt ausschließlich anziehend und ist überall wahrnehmbar. Nach der Relativitätstheorie sind Raum und Zeit dynamische Größen. Wenn ein Körper sich bewegt wird dadurch die Krümmung von Raum und Zeit beeinflußt. Umgekehrt beeinflußt auch die Struktur der Raumzeit die Bewegung von Körpern. Raum und Zeit wirken auf alles ein, was im Universum geschieht und werden andererseits durch alles, was geschieht beeinflußt. Aus der Relativitätstheorie entstand das Modell eines dynamischen expandierenden Universums. Dieses Universum könnte einen ganz bestimmten zeitlichen Anfang gehabt haben. Dieser Anfang wird von Physikern als Urknall bezeichnet.
Die Quantentheorie und die Relativitätstheorie sind die beiden grundlegenden Teiltheorien der modernen Physik. Beide Theorien werden von Physikern heute akzeptiert. Beide Theorien lassen sich aber nicht zu einer einheitlichen Theorie verbinden, welche alles beschreiben sollte. Sie können nicht miteinander in Einklang gebracht werden, sie können deshalb nicht beide richtig sein. Logik und Erfahrung führen uns zu diesem Schluss.
Weder über die Quantentheorie noch über die Relativitätstheorie gelangt man zur Weltformel, "der Theorie von allem", im Sinne der Physiker. Physiker suchen bislang vergebens nach einer Weltformel. Das wäre eine vollständige einheitliche Theorie, die alles deutet und in sich widerspruchsfrei ist. Sie müßte stets Vorhersagen liefern, die mit den Beobachtungen und Messungen in Einklang stehen. Mit dieser Theorie wäre eine sehr umfassende Vorstellung von allen jenen Naturgesetzen gewonnen, die das Universum bestimmen.
Wenn man eine solche Theorie weiter verarbeitet und vereinfacht, sollte sie in einer für den Laien verständlichen Form vorliegen. Der Laie gewinnt dann einen Eindruck von den Fortschritten, die in der Wissenschaft erzielt wurden. Er wäre dann eher bereit, die Gesetze zu verstehen und zu schätzen, die für unsere Existenz verantwortlich sind. Dieser ständige Wunsch vieler Physiker nach einer vereinheitlichenden Weltformel konnte bislang nicht erfüllt werden. Das Rätsel "Weltformel" ist noch nicht gelöst.

Gravitation

Wie steht es mit dem Phänomen der Gravitation? Schwere heißt auch Schwerkraft oder Gravitation. Keine Masse, kein Objekt, kein Lebewesen, keine Pflanze kann sich der Schwerkraft entziehen. Diese Kraft wirkt überall. Jedes Teilchen erfährt die Schwerkraft, je nach seiner Masse oder Energie mehr oder weniger. Die vier kräftetragenden Teilchen werden von den Physikern in vier entsprechende Kategorien eingeordnet. Die Gravitation ist von allen vier Teilchen die bei weitem schwächste. Sie wirkt aber über große Entfernungen und ist vermutlich immer eine anziehende Kraft. Die anderen drei Kräfte wirken nur über kurze Entfernungen. Auch treten diese manchmal als Anziehungskräfte und manchmal als Abstoßungskräfte auf. Die an sich sehr schwachen Gravitationskräfte zwischen den einzelnen Teilchen zweier großer Körper wie der Erde und der Sonne summieren sich zu einem beträchtlichen Wert. Die Masse der Sonne krümmt die Raumzeit dergestalt, dass die Erde in der vierdimensionalen Raumzeit einem geraden Weg folgt, im dreidimensionalen Raum aber scheint sie sich dagegen auf einer elliptischen Umlaufbahn um die Sonne zu bewegen. Die Physiker postulieren Gravitonen, masselose Teilchen, die als Überträgerteilchen dienen. Schwere Objekte, die in Bewegung sind, rufen eine Emission von Gravitations-Wellen hervor. Das sind Kräuselungen in der Krümmung der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Der indirekte Beweis solcher exotischen Gravitations-Wellen ist auch bereits gelungen. Direkt nachweisen lassen sich die Gravitations-Wellen jedoch noch nicht. Auch in diesem Zusammenhang hofft man auf eine einheitliche Theorie, welche die Gravitation mit den anderen Kräften zu einer alles beherrschenden sogenannten Superkraft vereint.
Die schwache, die starke und die elektromagnetische Kraft lassen sich schon zu einer großen vereinheitlichen Theorie verbinden. In dieses Modell kann allerdings die Gravitation nicht einbezogen werden. Das ist bis heute nicht gelungen. Einen gewissen Erfolg erhoffen sich die Physiker mit dem Einsatz der sogenannten Stringtheorie. In der Stringtheorie werden Kräfte und Elementarteilchen zu winzigen Saiten, uns bekannt als Schallgeber bei Saiteninstrumenten wie Gitarren. Dies stellt wieder sehr hohe Anforderungen an unsere Vorstellungskraft. Auch muss innerhalb dieser Stringtheorie noch manche Unstimmigkeit und mancher Widerspruch beseitigt werden. Die Stringtheorie gehört zu den noch nicht experimentell bestätigten Theorien.

Quantenwelt

Nach Max Plancks Entdeckung um die Jahrhundertwende verfestigte sich die Vorstellung, dass Licht, Röntgenstrahlen und andere Wellen nicht in beliebigen Raten abgegeben oder aufgenommen werden können. Das gelingt nur in bestimmten Paketen, die Quanten genannt werden. Im Zuge dieser Erkenntnis wurde Newtons Mechanik revidiert und die Quantenmechanik entstand. Diese wiederum ist mit Heisenbergs Unschärferelation verbunden. Nach seiner Theorie haben Teilchen nicht mehr getrennte, genau definierte Positionen und Geschwindigkeiten. Die Teilchen nehmen statt dessen einen Quantenzustand ein. Dieser stellt eine Kombination aus Position und Geschwindigkeit dar. Die Quantenmechanik führt so ein Element der Unvorhersagbarkeit oder Zufälligkeit in die Physik ein. Die Ergebnisse der Quantenmechanik stimmen tatsächlich mit den experimentell gewonnenen Daten vollkommen überein. Sie ist zudem die Grundlage der modernen Chemie und Biologie geworden. Zur Gravitation und zum großräumigen Aufbau des Universums steht sie allerdings im Widerspruch.Dualitaet des Lichts
Obwohl das Licht aus Wellen besteht, verhält es sich in gewisser Hinsicht auch so, als setze es sich aus Teilchen zusammen. In der mikroskopischen Welt gilt und aus der Quantenmechanik folgt die Dualität von Wellen und Teilchen. -- Mathematisch widerspruchsfrei -- . Wenn wir eine Welle-Teilchen-Dualität zugrunde legen, so läßt sich alles im Universum, sogar das Licht und die Schwerkraft in Form von Teilchen beschreiben. In einer geradezu absurd anmutenden Quantenwelt wie bei dem Welle-Teilchen-Dualismus versagt der gesunde Menschenverstand. Es ist schier unmöglich, die Quantenwelt anschaulich verstehen zu wollen. Eine der seltsamsten Erscheinungen in der Quantenwelt ist der Einfluß den wir, also ein Beobachter, auf die Realität zu haben scheinen. Messgeräte verändern offenbar im Reich der Quantenmechanik die Wirklichkeit. Die Quantenwelt verwandelt Ungewisses in Sicheres und Verschwommenes in exakte Daten. Solange niemand hinsieht, befindet sich ein Teilchen gleichzeitig in einer Vielzahl verschiedener Zustände. Erst zum Zeitpunkt der Messung entscheidet sich das Teilchen für einen - den gemessenen -  Zustand.
Wie ist die Wirkung unseres Eingreifens, also eines Beobachters zu verstehen? Gibt es diese Wirkung überhaupt? Und wo und wie findet der Übergang statt von der mikroskopischen Welt in der die Quantengesetze regieren zu der makroskopischen Welt - unserer Alltagswelt -  mit ihren ganz anderen Phänomenen?

Dunkle-Materie

Was sind dunkle Materie und dunkle Energie?
Enthalten unsere Galaxie und andere Galaxien große Mengen dunkler Materie,-- solche Materie, die wir nicht direkt sehen können? Ihr Vorhandensein läßt sich aus Beobachtungen und Messungen am Himmel ableiten. Die dunkle Materie beeinflusst mit ihrer Gravitation die Bahnen der Sterne und Galaxien. Zwischen den Galaxien läßt sich sogar noch weitere dunkle Materie erwarten. Es ist möglich, dass es irgendeine andere Materieform gibt, die wir bislang noch nicht entdeckt haben. -- Materie völlig unbekannter Art. Nach unseren bisherigen Vorstellungen besteht das Universum aus leerem Raum, Sternen, Planeten und interstellarem Gas. Wenn auch zeitlich verschoben können wir einen Teil dieser Materie mit unseren Augen direkt erkennen. Ein anderer Teil dieser Materie wird für uns erst durch technische Hilfsmittel sichtbar. Die Frage, woraus der große Rest unseres Universums besteht, können die Astrophysiker bis heute nicht beantworten. Die sichtbare und uns vertraute Materie macht nur einige Prozent der gesamten Masse des Universums aus. Der andere Teil ist die dunkle Materie, die sich allerdings bisher versteckt hält.
Die dunkle Materie ist für die Stabilität der Planetenbahnen -- also auch unseren Erdumlauf um die Sonne -- verantwortlich. Auch zur Entstehung der Erde und der anderen Planeten hat sie beigetragen. Im frühen Universum, in der alle Materie noch gleichmäßig im Raum verteilt war, bildete sie die ersten Verdichtungen. In den Schwerkraftfeldern dieser Massenknäuel sammelte sich die normale, sichtbare Materie und kondensierte zu Galaxien. Gleichzeitig entstanden aber auch große Leerräume zwischen den Galaxien. Doch auch für die weitere zukünftige Entwicklung des Universums könnte die dunkle Materie eine entscheidende Rolle spielen. Die gegenwärtigen Erkenntnisse sprechen eher dafür, dass sich unser Universum endlos ausdehnen wird. Doch sollte es dagegen eines Tages wieder in sich zusammenstürzen, oder zu einem Stillstand kommen, so könnte dafür eine geheimnisvolle Massenanziehung oder Gravitation verantwortlich sein. Diese Gravitation wäre der geheimnisvollen dunklen Materie zuzuschreiben.
Neben der dunklen Materie muß auch auf eine dunkle Energie geschlossen werden. Diese dunkle Energie macht bis zu 70 Prozent der gesamten Energie des Kosmos aus. Die restlichen Beiträge zur kosmischen Gesamtenergie leisten die normale Materie mit 5 Prozent und die dunkle Materie mit 25 Prozent. Die Physiker wissen bislang nicht, worum es sich bei der dunklen Energie handelt. Es gibt aber drei " klare " Hinweise, dass es die dunkle Energie geben muß.
  1. Die Messungen am Röntgengas in den Galaxien ergibt den erwarteten Wert für die Summe von sichtbarer und dunkler Materie.
  2. Die Supernovae zeigen, dass es eine Energie gibt, die das All auseinander treibt. -- Die dunkle Energie wirkt, als besäße sie eine negative und damit abstoßende Gravitation --.
  3. Die Hintergrundstrahlung bestätigt, dass Energie und Materie insgesamt auf eine Dichte von 100 Prozent kommen.

Masse

Mit Ausnahme des Wasserstoffatoms enthalten alle Atome Protonen und Neutronen. Vor einiger Zeit hielt man Atome bzw. Protonen und Neutronen für unteilbar. Protonen und Neutronen haben eine gewisse Struktur, aber keine Individualität. Heute wissen wir, dass sie nicht die elementaren Grundbausteine sind, aus denen alles besteht. Da die Wellenlänge des Lichts aber sehr viel größer als die Ausdehnung eines Atoms ist, können wir mit Hilfe von sichtbarem Licht keine Einblicke in die Atomstruktur gewinnen. Aus der Quantenmechanik andererseits folgt, dass alle Teilchen auch Welleneigenschaften besitzen. Je höher die Energie eines mikroskopischen Teilchens, desto geringer ist die ihm entsprechende Welle. Gewöhnlich wird Energie in Elektronenvolt gemessen. Heute können wir schon Teilchen mittels elektromagnetischer Felder auf Energien von Milliarden Elektronenvolt beschleunigen. Aus solchen Experimenten wissen wir, dass Teilchen, die noch vor einigen Jahrzehnten als " elementar " galten, in Wirklichkeit aus noch kleineren Teilchen bestehen. Inzwischen sprechen wenigstens theoretische Gründe dafür, dass wir wahrscheinlich die kleinsten Bausteine der Natur gefunden haben.
Teilchenphysiker sind jene Spezialisten, die sich mit den elementaren Bausteinen der Materie befassen. Sie entwickelten ein Standardmodell, dass erklären soll, wie sich diese Materie zusammensetzt. Natürlich läßt das Standardmodell noch einige Fragen offen. Warum haben die unterschiedlichen Teilchen wie Elektronen, Neutronen und Quarks so unterschiedliche Massen? Das Top-Quark ist etwa genau so schwer wie ein Gold-Atom. Die Lichtteilchen, die Photonen, besitzen dagegen gar keine Masse.
Antworten auf diese Fragen erhofft man sich durch den Einsatz stärkerer Teilchenbeschleuniger. Die liefern noch höhere Energien als die bisher gebräuchlichen. Werden es diese neuen Teilchenbeschleuniger schaffen? Extrem starke supraleitende Magneten lenken dort elektrisch geladene Teilchen wie Protonen und Antiprotonen gegenläufig durch eine unterirdische Teilchenbahn. Mit fast Lichtgeschwindigkeit prallen sie dann aufeinander. Dabei kommt es zu etwa einer Milliarde Zusammenstößen pro Sekunde. Auf diese Art hofft man ein sehr kleines Teilchen zu finden, das sogenannte Higgs-Boson. Die bisherigen Teilchenbeschleuniger waren zu schwach, um Higgs-Bosonen zu erzeugen. Teilchen werden aus Energie erzeugt und je größer die dabei entstehenden Massen sind, desto mehr Energie braucht man dazu. Mit dem Auffinden dieses Higgs-Bosons steht oder fällt das Standardmodell der Teilchenphysiker. Das Standardmodell konnte bisher noch nicht widerlegt werden. Viel Forschungsarbeit wäre dann vergeblich gewesen. Für das Higgs-Boson vermuten die Physiker aufgrund aktueller Messungen eine Masse von 117 Gigaelektronenvolt. Aber auch andere Eigenschaften des mysteriösen Higgs-Bosons konnten mit großer Wahrscheinlichkeit vorhergesagt werden. So konnte schon vor Jahren nach fieberhafter Suche das Top-Quark endlich als Materiebaustein und Bestandteil des Standardmodells der Elementarteilchen nachgewiesen werden. Fände man auch das Higgs-Boson endlich, so würde seine Entdeckung die Standard-Modell-Theorie stärken.
Die Materie unserer Erde ist im Wesentlichen aus Protonen und Neutronen aufgebaut. Diese bestehen ihrerseits aus Quarks. Es gibt keine Antiprotonen oder Antineutronen, die aus Antiquarks bestünden. Ausgenommen davon sind natürlich solche kurzlebigen, welche die Teilchenphysiker mit ihren starken Teilchenbeschleunigern künstlich erzeugen können.

Festkoerper

Manche Elemente wie Kupfer leiten den elektrischen Strom sehr gut, andere wiederum wie Keramik oder ähnliche Isolatoren sehr schlecht. Manche Stoffe setzen dem elektrischen Strom überhaupt keinen Widerstand entgegen. Physiker kennen seit dem Jahr 1911 die Erscheinung, dass gewisse Festkörper ihren Widerstand vollständig verlieren. Dieses Phänomen aus der Quantenphysik tritt immer dann auf, wenn man diese Werkstoffe unter eine bestimmte Temperatur, die so genannte Sprungtemperatur, abkühlt. Anfangs lagen die Sprungtemperaturen aller bekannten Supraleiter nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt. Das sind immerhin minus 273 Grad Celsius oder 0 Kelvin. Eine aufwendige und teure Kühlung mit flüssigem Helium war nötig, um diese tiefe Temperatur überhaupt zu erreichen. Damit waren diese Materialien leider ungeeignet für technische Anwendungen.
Bei Experimenten mit Keramiken, die Kupfer und Sauerstoff enthalten fand man, dass das Quanten-Phänomen der Supraleitung auch bei deutlich höheren Temperaturen einsetzen kann. Diese sogenannten Hochtemperatur-Supraleiter verlieren ihren Widerstand oberhalb von minus 196 Grad Celsius. Das ist eine Temperatur, die sich durch Kühlung mit Stickstoff auf relativ einfache und kostengünstige Weise erzeugen läßt. Damit könnte die Supraleitung z.B. zur verlustlosen Übertragung und Speicherung von elektrischer Energie dienen.
Bisher haben die Hochtemperatur-Supraleiter keinen breiten Einzug in technische Anwendungen gefunden, obwohl viele Verbindungen entdeckt wurden, welche die Materialeigenschaft der Hochtemperatur-Supraleitung aufweisen. Die spröden, meist keramischen Werkstoffe lassen sich aber nur sehr schwer formen und bearbeiten. Es kommt noch hinzu, dass die Physiker bisher kaum verstehen, welche Quanten-Effekte dazu führen, dass Elektronen beim Durchströmen dieser Art von Festkörpern keinen Widerstand verspüren. Man kann bisher nicht vorhersagen, welche chemischen Elemente man wie kombinieren muss, um Supraleiter mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Und so kann man bislang nicht gezielt optimale Materialien entwickeln.
Die Ursache für diese Art von offenen Fragen der Physiker mag die riesige Zahl der an den Vorgängen in einem Festkörper beteiligten Teilchen sein. Das sind einige 10²³ Atome. In einem Festkörper hat jedes dieser Atome eines oder mehrere Elektronen, die untereinander und mit dem Kristallgitter in Kontakt stehen. Zusätzlich wirken sie auch noch gegenseitig aufeinander ein. Aus diesen sehr komplizierten Wechselwirkungen zwischen den Atomen und Elektronen ergeben sich die supraleitenden Eigenschaften eines Werkstoffs. Welche Brücke führt von den " atomaren Eigenschaften " zu den vielen noch ungeklärten " Festkörper-Eigenschaften " der Materie?

Zeitmaschine

Nach der allgemeinen Relativitätstheorie wirkt das Vorhandensein von Massen auf den Ablauf der Zeit. Experimente bestätigen, dass Zeit in einem Gravitationsfeld unterschiedlich schnell vergeht. Die spezielle Relativitätstheorie läßt Reisen vor und zurück in der Zeit zu. Damit wären Reisen in die Zukunft grundsätzlich möglich. Anders gesehen, hätten uns längst Abenteurer aus der Zukunft besucht, was uns nicht entgangen wäre. Deshalb liegen Zeitreisen erfahrungsgemäß außerhalb jeder Realität, und das werden sie auch bleiben. Für Science-Fiction-Liebhaber jedoch bieten Zeitreisen eine interessante Vorstellung, die zu phantastischen Abenteuern anregen kann. -- Ein toller Zeitvertreib.
In unserem Alltag, der von der Erfahrung geprägt ist, haben wir seit eh und jeh eine ganz bestimmte Vorstellung von der Zeit. Den Ablauf der Zeit können wir nicht beeinflussen. Wir können ihn nicht beschleunigen noch verlangsamen. In der Zeit läßt sich auch nicht vorspringen oder zurückspringen. Diese Alltagserfahrungen sind allerdings beschränkt auf unseren Lebensraum, auf den näheren Bereich der Erde. Alltagserfahrungen unterliegen unserer Anschauung und unseren Sinnen. Genau genommen haben wir uns zum Teil die falschen Vorstellungen von Raum und Zeit angewöhnt. Welches aber sind die "richtigen" Vorstellungen?
Mit dem Urknall kam die Materie in die Welt, glauben wir heute. Erst jetzt begannen Raum und Zeit in unserem Sinne zur Realität zu werden. Doch ist diese Entwicklung von Raum und Zeit auch umkehrbar? Die Gesetze der Physik gelten grundsätzlich auch, wenn man die Zeit umgekehrt ablaufen läßt. Zu allen Zeitabläufen wäre damit auch das in der Zeit rückwärts laufende Geschehen möglich. Physiker nutzen Wahrscheinlichkeitsüberlegungen, um Antworten auf diese Fragen zu erlangen. Mit höchster Wahrscheinlichkeit verläuft die Zeit nur vorwärts. Damit verlieren die beiden möglichen Richtungen der Zeit ihre Gleichwertigkeit. So existiert ein thermodynamischer Zeitpfeil, der eindeutig zum Fließen der Zeit von der Vergangenheit in die Zukunft weist. Und genau das ist unsere Alltagserfahrung. Das hieße auch, dass die Ausdehnung des Universums die Rolle eines Zeitpfeils spielt. Zeit schreitet unaufhörlich voran, sie bleibt nicht stehen.
Physiker können mindestens drei unterschiedliche Zeitpfeile unterscheiden:
  • Den thermodynamischen Zeitpfeil in der Physik: Das ist die Richtung der Zeit, in der die Unordnung oder Entropie zunimmt. Ein heiles Glas repräsentiert einen höheren Zustand von Ordnung. Ein zerbrochenes Glas bedeutet einen ungeordneten Zustand. Es läßt sich vom heilen Glas in der Vergangenheit zum zerbrochenen Glas in der Zukunft gelangen; aber nicht umgekehrt.
  • Den uns gewohnten psychologischen Zeitpfeil: Das ist die Richtung, in der unserem Gefühl nach die Zeit fortschreitet. So erinnern wir uns zwar an die Vergangenheit, nicht aber an die Zukunft.
  • Der kosmologische Zeitpfeil: Das ist die Richtung der Zeit, in der sich das Universum ausdehnt, aber ( bisher ) nicht zusammenzieht.
Sollte das Universum einmal anfangen zu schrumpfen, indem sich alle Galaxien aufeinander zu bewegen, so würde das bedeuten, dass sich der kosmologische Zeitpfeil umkehrt. Welche Konsequenzen hätte so etwas für uns Menschen? Niemand könnte das wahrscheinlich wahrnehmen, da sich ja auch unser bewusstes Erleben, der psychologische Zeitpfeil, umkehren würde.
Läßt sich nun in der Zeit zurückreisen entgegengesetzt zum kosmischen Zeitpfeil? Solche Vorstellungen werden sich wohl kaum bestätigen noch widerlegen lassen. Jedermann kann vermutlich ganz gut erklären, wie eine sogenannte Zeitmaschine arbeiten würde. Andererseits wissen wir, eine Zeitmaschine ist Unsinn, unsinnig wie Marsmenschen und fliegende Untertassen. -- Aber was ist die reale Zeit?

Materie/Antimaterie
Ein Paar von Elementarteilchen, die sich nur in ihrer elektrischen Ladung -- eine Größe, die ein Vorzeichen hat --  unterscheiden, bezeichnet man als Teilchen und Antiteilchen. Es gibt zu jedem Teilchen ein Antiteilchen. Grundsätzlich verhalten sich Teilchen und Antiteilchen genau gleich. So dürfen Ladungen vertauscht werden und auch die Orientierung im Raum darf vertauscht werden, ohne dass sich sonst etwas ändert. Die Summe solcher Erkenntnisse wird in der Physik unter dem Namen Symmetrie zusammengefasst. Symmetrie gilt in vielen Bereichen der Physik und anderen Bereichen der Natur ebenfalls. Deshalb wird die Symmetrie als ein Grundprinzip im Plan der Natur angesehen. Nach unserer Vorstellung soll auch der Urknall symmetrisch abgelaufen sein. Danach hätten am Anfang der Welt also gleich viel Materie bzw. Quarks und Antimaterie also Antiquarks vorhanden sein müssen. Die Materie im Universum hätte sich unter solchen Umständen allerdings durch Zerstrahlung selbst ausgelöscht. Unsere irdische Welt wäre gar nicht entstanden. Wir wären nicht da.
Das kann nicht sein. Gleich nach dem Urknall muß deshalb die Symmetrie gebrochen worden sein. Eine Materieart überwog. Bei der Ausdehnung des Universums entstanden mehr Quarks als Antiquarks. So blieb ein kleiner Überschuß von Quarks für die Zukunft erhalten. Aus diesen besteht die Materie, die wir heute sehen. Aus diesen Quarks bestehen auch wir.
Physiker machten in diesem Zusammenhang folgende bemerkenswerte Beobachtung. Sie fanden heraus, dass die Lebensdauer von sogenannten Kaonen geringfügig von der Lebensdauer ihrer Antiteilchen abweicht. Genügt nun allein die Differenz von 0,2 Prozent als Erklärung für den Überschuß von normaler Materie gegenüber der Antimaterie im Universum? Tatsächlich zerfallen die Antiteilchen geringfügig schneller und sind deshalb in der Minderheit. Es gibt glücklicherweise mehr Teilchen als Antiteilchen. Aber warum?

Turbulenz
Welche Gemeinsamkeiten gibt es für Strömung in Flüssen, dahinziehenden Wolken am Himmel, einem Strudel in der Badewanne und dem Vermischen von Milch und Kaffee beim Umrühren? In allen diesen Fällen tritt bei den genannten Fluiden eine mehr oder weniger starke so genannte Verwirbelung auf. Oder kurz ausgedrückt: Bei der Strömung in Fluiden können Turbulenzen auftreten. Physiker bezeichnen Fluide mit Verwirbelung als "gekoppelte sich selbst organisierende Systeme". Es gibt auch Gleichungen, welche diese "klassischen" Turbulenzen beschreiben. Diese Gleichungen sind aber mathematisch nicht lösbar. Genau das ist den oben beschriebenen Beispielen für Wirbel in Strömungen gemeinsam.
Woran liegt die Unberechenbarkeit? Die Turbulenzen zeigen ein nichtlineares sogenanntes chaotisches Verhalten. Kann deshalb die Chaostheorie zum Lösen dieser Gleichungen beitragen? Vielfältige Versuche sind in diese Richtung unternommen worden. Die Chaostheorie ist von den Forschern mehr und mehr ausgebaut worden. Turbulenzen in Fluiden und Chaostheorie weisen viele Gemeinsamkeiten auf. Aber auch mit Hilfe der Chaostheorie stößt man bei der Untersuchung von Wirbeln immer wieder an Grenzen.
Hätte man Turbulenzen von der theoretischen Seite im Griff, so könnte man dafür brauchbare Modelle schaffen. Mit solchen Modellen ließen sich zuverlässige Vorhersagen aufstellen. Zusätzlich gelänge es, Turbulenzen durch gezielte Eingriffe zu verändern, nämlich zu verstärken oder zu unterdrücken. Ein derartiger Erfolg würde im Alltag nicht nur zu optimal ausgelegten Pipelines oder Wasserrohren führen, sondern auch zu vielen anderen Vorteilen. Damit könnte zumindest Energie gespart werden. Momentan hilft die Theorie den Forschern bei der Berechnung von Strömungen aber kaum weiter. Wird man diese problematischen Gleichungen eines Tages doch noch beherrschen und lösen können?

Neutrinos
Neutrinos erreichen uns aus den dichten, kollabierenden Kernen explodierender Sterne. Also nicht von der Oberfläche eines solchen Sterns sondern aus dem Inneren. Neutrinos bestätigen eine Theorie, die am Schreibtisch mit dem Computer erstellt wurde. Dieses Modell für das Geschehen entstand also zum Teil ohne direkte Beobachtungen. Alle Ergebnisse stehen aber im Einklang mit den Entdeckungen an einer weit entfernten Supernova.
Ganz anders wiederum sind die Zusammenhänge für die Sonne, die uns ja viel näher ist. Die Sonne ist unser Zentralgestirn und unsere Quelle für Licht und Wärme. Auch bei der Kernfusion von Wasserstoff und Helium im Inneren der Sonne werden Neutrinos frei. Diese fliegen durch den Sonnenkörper hindurch direkt ins Weltall. Auf diese Weise gelangen sie auch zur Erde. Doch in diesem Fall fanden die Physiker weniger Neutrinos als die bisher erfolgreiche und vielversprechende Theorie erwarten ließ. Alle Ergebnisse bestätigten ein Phänomen: Es treffen zu wenig Neutrinos von der Sonne auf der Erde ein. Der zu niedrige Neutrino-Fluss betrifft alle eintreffenden Neutrinos, also das gesamte Neutrino-Energiespektrum. Außerdem wußte man anfangs nicht, ob Neutrinos eine Masse haben. Sind sie vielleicht wie die Photonen masselos?
Das Rätsel der Sonnen-Neutrinos ist mittlerweile gelöst. Die mühevoll erarbeitenden Modelle von den Kernreaktionen in der Sonne sind richtig. Es entsteht die vorhergesagte Menge von Neutrinos in der Sonne. Ein Teil von ihnen wird jedoch auf dem Weg zur Erde für irdische Detektoren unsichtbar. Worin liegt der Grund? Es gibt mehrere Neutrinoarten, nämlich drei. Und diese verschiedenen Arten von Neutrinos oszillieren miteinander. Bei der Oszillation können sich die drei Neutrinoarten ineinander umwandeln. Da die meisten der sehr komplizierten Detektoren nicht alle drei Arten von Neutrinos erkennen können, entzieht sich so ein Teil dem Nachweis. Physiker fanden -- als zusätzliches Ergebnis -- , dass die Neutrinos eine zwar sehr kleine, aber doch von null verschiedene Ruhemasse besitzen. Denn ohne Masse wäre die Oszillation zwischen den drei Arten von Neutrinos nicht möglich.
Neutrinos besitzen also eine von null verschiedene Masse. -- Ein gelöstes Rätsel.

Top-Quark

Einst glaubte man, dass die Protonen und Neutronen die kleinsten unteilbaren Elementarteilchen eines Atomkerns wären. Die im Kern dicht gepackten Protonen und Neutronen bestehen jedoch aus noch kleineren Teilchen, diese werden Quarks genannt. Quarks werden von Gluonen zusammengehalten. Das wiederum sind Bindungsteilchen, die eine starke Wechselwirkungs-Kraft ausstrahlen.
Seit Jahrzehnten wurde von den Theoretikern ein ganz spezielles Quark vorhergesagt, das sogenannte Top-Quark. Seine besondere Tragweite liegt darin, dass mit seiner Entdeckung das "Modell der Teilchenphysik" komplett wäre. Es handelt sich hier um den letzten Baustein der Materie. Physiker hatten nur starke Hinweise, dass es existieren müßte. In einem Teilchenschauer im Verbund mit fünf anderen Mitgliedern der Quark-Familie war es dann zu finden.
Dazu mussten mit Hilfe von Super-Teilchenbeschleunigern annähernd Bedingungen geschaffen werden, wie sie vermutlich auch Sekunden nach dem Urknall geherrscht haben. Außerdem ist das Top-Quark in Bezug auf seine Masse " ungewöhnlich schwer ".
Im März 1995 berichteten nun Physiker vom Fermilab bei Chicago, dass es ihnen gelungen sei, am dortigen Tevatron-Beschleuniger das Top-Quark zweifelsfrei aufzuspüren. Mit diesem Erfolg wurde das Standardmodell der Teilchenphysik bestätigt. Damit war eine zweite seinerzeit offene Frage, die den Forschern Kopfzerbrechen bereitete, beantwortet worden. Es gibt das Top-Quark. Das Quark-Rätsel war gelöst. -- Ein zweites erst kürzlich gelöstes Rätsel.

Schwarze-Loecher

Sehr große Schwarze Löcher entstehen im Inneren von Sternhaufen und in Zentren der Galaxien. Vermutlich befindet sich auch in der Milchstraße, unserer Galaxie, ein Schwarzes Loch. Durch Zusammenstöße zwischen Schwarzen Löchern und anderen Himmelskörpern entsteht ein weiter und weiter wachsendes Schwarzes Loch, das alles verschluckt. Auf Grund seiner gewaltigen Gravitation wird alles nach innen gezogen.
Ein Schwarzes Loch ist also ein Bereich des Raumes, in welchem die Schwerkraft so groß ist, dass jede Art von Licht, das zu entkommen versucht, wieder zurückgeworfen wird. Dieser Effekt trug sicher zur Namensgebung " Schwarzes Loch " bei. Auch alle andere Art von Materie oder Strahlung wird in das Loch hineingezogen. Der Rand eines solchen Schwarzen Loches wird Ereignishorizont genannt. Je mehr Materie in das Schwarze Loch fällt, umso größer wird das Schwarze Loch. Sein Ereignishorizont wandert dabei weiter nach außen. Beim Zusammenstoß zweier Schwarzer Löcher und ihrer Verbindung zu einem einzigen neuen wird auch die Ausdehnung des Ergebnishorizontes entsprechend größer.
Die Tatsache, dass die Fläche des Schwarzen Loches nie abnimmt, sondern nur zunimmt, läßt Ähnlichkeiten zu einer bestimmten physikalischen Größe namens Entropie vermuten. Die Entropie gibt den Grad der Unordnung in einem abgeschlossenen System wieder. Die Unordnung nimmt in der Regel zu, wenn man das Geschehen sich selbst überlässt. Der spätere Zustand ist immer ungeordneter als der ursprüngliche Zustand. Der neue Zustand besitzt die größere Entropie. Etwas kühn gedacht, könnten wir die Fläche des Ereignishorizonts als ein Maß für die Entropie des Schwarzen Loches ansehen.
Weitere Theorien bestätigen, dass ein Schwarzes Loch Teilchen und Strahlung aussenden müsse, als wäre es ein heißer Körper. Die Teilchen stammen nicht aus dem Inneren des Schwarzen Loches, sondern aus dem Drumherum, aus dem an sich leeren Raum unmittelbar außerhalb des Ereignishorizonts. Dieser ( leere ) Raum enthält elektromagnetische Felder und Gravitationsfelder. Physiker bezeichnen diese, den Feldern zuzuordnenden Teilchen, als virtuell im Gegensatz zu den realen Teilchen unserer Umwelt. Im Unterschied zu den realen Teilchen kann man die virtuellen Teilchen nicht direkt mit einem Teilchendetektor nachweisen.
Die Idee, dass Schwarze Löcher strahlen könnten, war mit der Vorstellungswelt vieler Physiker nicht vereinbar. Doch nach vorherrschender Auffassung sendet ein Schwarzes Loch irgendetwas aus. Unter Berücksichtigung von Quantenmechanik und Relativitätstheorie gewann die Vermutung an Raum, dass Schwarze Löcher wie heiße Körper strahlen müssten. Winzige Schwankungen in Raum und Zeit sorgen dafür, dass Schwarze Löcher doch nicht die unentrinnbaren Fallen sind, für die man sie früher gehalten hat. Schwarze Löcher lassen Teilchen in Form von Hawking-Strahlung nach außen sickern. Schwarze Löcher verdampfen also nach und nach. Nach sehr langer Zeit verschwindet ein Schwarzes Loch endgültig. Der Inhalt samt Schwarzem Loch wird in Energie und Teilchen umgewandelt. Wenn man dieses " Endprodukt " sorgfältig untersucht, kann man feststellen, woraus das Schwarze Loch und sein Inhalt einst bestanden. Diese Information war also nicht für immer verloren, sondern nur für lange Zeit verborgen.
Bislang kann man ein Schwarzes Loch dadurch entdecken, dass seine Schwerkraft andere Körper wie Sterne und Gaswolken anzieht. Wir sehen Sterne um etwas kreisen, was wir nicht erkennen können. Kann so etwas nicht ein Schwarzes Loch sein? Wir können auch beobachten, wie sich scheibenförmige Gebilde aus Gas und Staub um einen Gegenstand in ihrer Mitte bewegen, den wir nicht ausmachen können. Sollte das nicht ein Schwarzes Loch sein?
Sind Schwarze Löcher unsichtbar? Was ist genau die mysteriöse Hawking-Strahlung? Läßt sich das Entstehen und Vergehen des Schwarzen Loches am Computer einmal simulieren?