36 Dezember 2011 Sterne und Weltraum
WeltderWissenschaft:astrophysik
Im Grunde ist es ganz einfach: Quan-
tenmechanik und allgemeine Relati-
vitätstheorie sind heute die erfolg-
reichsten Modelle der physikalischen
Welt. Die Quantenmechanik erklärt die
Eigenschaften von Licht, die Physik der
kleinsten Teilchen und ihre Wechselwir-
kung mit elektromagnetischer Strahlung,
die Stabilität der Materie, die Energiefrei-
setzung der Sterne durch Kernfusion, die
chemischen Eigenschaften von Atomen
und Molekülen. Mit ihrer Hilfe lassen sich
auch Technologien entwickeln, die unser
modernes Leben prägen – man denke nur
an digitale Elektronik, Computer, Laser,
Kernkraftwerke, Atombomben. Und die
allgemeine Relativitätstheorie beschäftigt
sich mit der Physik der großen Massen,
also der Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen,
kurz des ganzen Universums. Ihre Glei-
chungen beschreiben die Wirkung der
Gravitation sowie die allgemeine Struktur
von Raum und Zeit. Auch mit ihr sind
wichtige Entwicklungen der Moderne ver-
bunden, zum Beispiel die satellitenge-
stützten Navigationssysteme. Schließlich
bildet die allgemeine Relativitätstheorie
das Fundament der Kosmologie, also der
Wissenschaft von der Entstehung und
Entwicklung des gesamten Universums, je
nach seiner en ergetisch-materiellen Zu-
sammensetzung. Abhängig vom Verhält-
nis der kinetischen zur potenziellen Ener-
gie expandiert ein Universum für immer,
oder es fällt wieder in sich zusammen.
Kurzum: Die Quantenmechanik ist die er-
folgreiche Theorie des Allerkleinsten, die
allgemeine Relativitätstheorie ist die er-
folgreiche Theorie der großen Objekte bis
hin zum Universum als Ganzem.
Nun lautet die Gretchenfrage der mo-
dernen Physik: Wie hängen diese beiden
Theorien zusammen? Lassen sie sich zu
einer Theorie von Allem vereinheitli-
körnigeraumzeit?Wir wissen, dass Materie aus kleinsten Bausteinen, den Elemen-
tarteilchen, besteht. Aber auch Raum und Zeit sollten den
Theorien zufolge im Bereich des Allerkleinsten aus nicht mehr
teilbaren, diskreten Einheiten bestehen. Aktuelle astronomische
Beobachtungen sind für diese Skala bereits empfindlich. Doch
wo bleibt die körnige Raumzeit?
VonMaximilianimgrundundharaldlesch
diestrukturdesallerkleinsten
ó Aktuelle Theorien, welche die Schwerkraft quantenmechanisch beschreiben, sagen bei sehr kleinen Längen und Zeiten – auf der Planck-Skala – ein elementares Rauschen voraus.
ó Obwohl die vorhergesagten Schwankungen unvorstellbar klein ausfallen, sind sie prinzipiell schon heute astronomischen Beobach-tungen zugänglich.
ó Solche Beobachtungen setzen al-lerdings für die körnige Raumzeit noch viel kleinere Grenzen.
inkürze
www.astronomie-heute.de Dezember 2011 37
chen? Die kürzlich in dieser Zeitschrift
vorgestellte Loop-Quantengravitation ist
ein Versuch, die allgemeine Relativitäts-
theorie auf mikroskopisch kleinen Län-
genskalen durch eine Quantentheorie
der Gravita tion zu ersetzen (siehe SuW
7/2011, S. 30). Daneben gibt es zahlreiche
andere Theorieentwürfe mit dem großen
Ziel, die vier heute bekannten Grund-
kräfte (Gravitation, schwache und starke
Kernkraft, elektromagnetische Kraft) aus
einer einzigen Urkraft abzuleiten, die sich
durch die Ausbreitung und Abkühlung
des frühen Universums in diese vier Kräf-
te aufgespalten haben soll.
Aber was wissen wir eigentlich vom
Anfang des Universums – und lassen sich
hierzu messbare Größen definieren? Kön-
nen wir Experimente und Beobachtungen
durchführen, mit denen sich die theore-
tischen Vorhersagen überprüfen ließen?
Dazu gleich mehr – zuerst stellen wir die
Grundsatzfrage der Wissenschaftstheorie:
Was kann man mit Hilfe der Physik über-
haupt wissen – oder: Wie arbeitet eigent-
lich die Physik als Wissenschaft?
physik–dielehrevondernaturPhysik ist die quantitative Lehre von den
natürlichen Phänomenen: Anhand von
Messungen und Beobachtungen versucht
sie, Zählbares über die Natur herauszufin-
den. Sie zählt die Teilchen, welche die Ma-
terie aufbauen, sie zählt Planeten, Sterne
und Galaxien, und sie zählt die Kräfte,
welche die natürlichen Prozesse auslösen
und bestimmen.
Die Theorien und Hypothesen der Phy-
sik unterscheiden sich von allgemeinen
Spekulationen durch eine wichtige Eigen-
schaft: Jede Hypothese muss zumindest
im Prinzip anhand von Beobachtungen
und Experimenten überprüfbar sein. In
einem ständigen Wechselspiel von Hypo-
thesenbildung und Experiment, Messung
und Beobachtung ist die Physik einem
kontinuierlichen Überprüfungsverfahren
unterworfen. Jedes Experiment geht aus
einer Theorie hervor; Anlass einer jeden
realistischen Theorie sind beobachtete
Phänomene und Experimente.
Eine besondere Verpflichtung zur
Überprüfung unserer physikalischen
Vor stellungen besteht an den Grenzen
der erkennbaren materiellen Welt. Auf
diese Grenzen stoßen wir in der Kosmo-
logie und beim Aufbau der Materie. Was
war der Anfang des Kosmos, und was sind
die nicht mehr weiter teilbaren Grund-
bausteine der Materie? Auch die Frage
nach dem Ursprung der Grundkräfte,
die sowohl die Entwicklung des ganzen
Universums als auch den Aufbau und die
Entstehung aller Materie erklären, fällt
in diesen Grenzbereich. Seit 50 Jahren
versuchen die Physiker, die Bereiche des
ESO / SuW-Grafik
nachheutigemVerständniserfordertdiephysikalischeBeschreibungdesUrknallseineVereinigungderQuantentheorieundderallgemeinenrelativitätstheorie.dieforschererwarten,dassnachdieserzukünftigentheoriedieraumzeitauskleinsten,nichtweiterteilbaren»körnern«besteht.zwarsolltedernachweisdieserkörnigenraumzeitbereitsmitdenheutigenexperimentellenMittelngelingen,abereristbisher–trotzdiverserVersuche–ausgeblieben.
38 Dezember 2011 Sterne und Weltraum
Allergrößten (das Universum) und des
Allerkleinsten (die Elementarteilchen) in
einem großen Theoriegebäude zusam-
menzufassen – der Theorie vom heißen
Urknall.
derheißeUrknallSeit rund 80 Jahren verdichten sich die
Hinweise aus den Beobachtungen, dass
unser Universum in einem Entwick-
lungsprozess entstanden ist und sich
auch heute noch weiterentwickelt. Es
expandiert und kühlt sich dabei ab. Im
expandierenden Kosmos haben sich die
Galaxien, Sterne und Planeten durch die
Wirkung der Gravitation gebildet. Den tat-
sächlichen Anfang der Expansion enthält
dieses Modell nicht, gedanklich lässt sich
der Prozess jedoch nachvollziehen: Wenn
der Kosmos expandiert, dann war er frü-
her kleiner, und ganz am Anfang müsste
er logischerweise so klein wie ein Elemen-
tarteilchen gewesen sein. Folglich sollte
sich das ganz junge Universum mittels
der Theorien von den Grundbausteinen
der Materie beschreiben lassen. Je kleiner
das Universum war, umso höher war sei-
ne Temperatur; deshalb spricht man vom
heißen Urknall, dessen Eigenschaften sich
mit Hilfe der experimentellen Kern- und
Teilchenphysik untersuchen lassen.
Im ursprünglichen Urknallmodell aus
dem Jahre 1948 hat der Kosmos einen hei-
ßen Anfang genommen. Daraus wurde
sogleich geschlossen, dass die leichten
Elemente während der ersten drei Minu-
ten entstanden seien. Ein Kosmos, der am
Anfang so heiß gewesen wäre, dass freie
Atomkerne wie im Inneren von Sternen
miteinander verschmolzen wären, sollte
die ersten leichten Elemente Wasserstoff
und Helium im Verhältnis 3 : 1 erbrütet
haben. Die Erzeugung weiterer Elemente
wäre nicht mehr möglich gewesen, weil
sich das Universum durch die Expansi-
on inzwischen zu weit abgekühlt hätte,
um eine Synthese schwererer Kerne zu
erlauben. Diese Vorhersage wurde durch
Beobachtungen vollauf bestätigt.
Eine zweite Vorhersage des heißen Ur-
knallmodells beschrieb die ursprünglich
heiße kosmische Hintergrundstrahlung,
welche das gesamte Universum fast völlig
gleichmäßig durchsetzen sollte. In einem
expandierenden und sich dabei auch
abkühlenden Kosmos sollte heute eine
Temperatur von knapp drei Kelvin herr-
schen – das Spektrum der entsprechenden
Wärmestrahlung sollte dem Spektrum
eines schwarzen Körpers dieser Tempera-
tur entsprechen. Auch diese Vorhersage
wurde mit hoher Präzision bestätigt.
Die Anwendung der Kern- und Teilchen-
physik sowie der Thermodynamik auf die
Bedingungen des frühen Kosmos ergab
also ein Modell, dessen Vorhersagen sich
alle empirisch bestätigten. Damit war die
Schnittstelle von Kosmologie und Teil-
chenphysik gefunden. In den folgenden
50 Jahren hatte praktisch jede neue Er-
kenntnis der Teilchenphysik zugleich auch
eine Relevanz für die frühen Phasen des
Kosmos. Vor allem die im Labor gewon-
nene Bestätigung, dass sich die beiden
fundamentalen Grundkräfte der elektro-
magnetischen und der schwachen Kraft
zu einer gemeinsamen Kraft, nämlich der
elektroschwachen Kraft vereinigen ließen,
öffnete das Tor zu den ganz frühen, nicht
mehr direkt beobachtbaren Phasen des
Universums. Die beiden Kräfte können
sich erst bei einer Temperatur von mehr als
1015 Kelvin (oder bei einem Abstand von
weniger als 2 ∙ 10 –18 Metern) zu einer Kraft
vereinigen; eine solche Temperatur muss
also damals geherrscht haben, als das Uni-
versum erst eine Nanosekunde alt war.
Heute sucht man nach der Vereinigung
der starken Kraft, welche die Atomkerne
zusammenhält, mit der elektroschwachen
Kraft – damit käme man dem Anfang
des Universums zeitlich noch einmal um
einen Faktor 1000 näher. Entsprechende
Experimente werden am Large Hadron
Collider (LHC) in Genf durchgeführt. So
verschafft uns die Erforschung der Struk-
tur der Materie immer tiefere Einblicke in
den Anfang des Universums.
Die Vereinigung der vierten Grund-
kraft, der Gravitation, mit den drei ande-
ren entzieht sich dem Experiment bisher
völlig. Gelänge auch dieser Nachweis, dann
wäre, nach dem gegenwärtigen Stand der
Forschung, die Grenze des physikalisch
zugänglichen Anfangs des Universums
erreicht. Alle Theorien, die einen solchen
Zusammenschluss bewerkstelligen wol-
len, verwenden als Grundbausteine der
Welt zwei Größen, welche die Struktur
der Raumzeit ausmachen – die Planck-
Länge und die Planck-Zeit. Das bedeutet:
Für die großen Theorien der vereinigten
Fundamentalkräfte muss die Raumzeit
in Paketform vorliegen; man spricht hier
auch von der Körnung der Raumzeit.
~ ~
elek
tro-
schw
ache
Vere
inhe
it-lic
hung
elek
tros
chw
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und
star
ke
Vere
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itlic
hung
Vere
inhe
itlic
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r vie
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Abstand in Metern
UrknallZä
hlra
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106
107
10-18 10-19 10-32 10-34
105
104
1000
100
10
1
starke Kraft
elektromagnetische Kraft
schwache Kraft
schwache Kraft
elektroschwacheKraft
Schwerkraft
elektromagnetische Kraft
DES
Y / S
uW-G
rafik
derexperimentellenachweisderVereinigungvonelektromagnetischerundschwacherkraftgelangerstmals1983.diehiergezeigtenMessungenamteilchenbeschleunigerdesy(deutscheselektronen-synchrotron)inhamburgzeigendaszusammenlaufenderkräftebeiteilchenabständenkleinerals2 ∙ 10-18Meter.nachderVereinheitlichungmitderstarkenkraftwirdheuteamlargehadroncolliderdescerninGenfgesucht.
www.astronomie-heute.de Dezember 2011 39
Die zentrale Frage lautet nun: Lassen
sich diese elementaren Pakete der quanti-
sierten Raumzeit an den Grenzen der phy-
sikalisch erfahrbaren Welt experimentell
nachweisen?
dieWeltdesallerkleinstenDer Urknall stellt den physikalischen An-
fang des Universums dar. Anfänge definie-
ren Grenzen, sie unterscheiden eindeutig
das Danach und Davor. Was war vor dem
Urknall? Was war seine Ursache? Diese
Fragen quälen uns schon lange – schon
Aristoteles beschreibt in seiner »Metaphy-
sik« dieses Problem der Logik. Kann man
sich eine Ursache vorstellen, die selbst
keine Ursache hat? Muss als Ursache des
Urknalls ein höheres Wesen, ein Schöpfer
tätig gewesen sein, oder müssen wir uns
den Kosmos als eine zufällige Schwan-
kung vorstellen? Und was genau soll da
geschwankt haben?
Die moderne Physik bietet hier eine
einfache Antwort: Relativitätstheorie
und Quantentheorie, zwei durch zahllose
Experimente bestätigte Theorien, setzen
unserer Erkenntnis Grenzen: Die grund-
sätzlichen physikalischen Modelle defi-
nieren nicht überschreitbare Schranken
des empirischen Erfahrungshorizonts.
Andererseits stellt das Urknallmodell
zwei unverzichtbare Bedingungen: Am
Anfang muss das Universum sehr klein
und sehr heiß gewesen sein. Räumliche
Kleinheit ist eine wichtige Eigenschaft
quantenmechanischer Systeme, und
hohe Temperaturen entsprechen hohen
Geschwindigkeiten der Teilchen – das Ma-
ximum ist die Lichtgeschwindigkeit. Also
sollte sich der Anfang des Universums
durch eine Theorie beschreiben lassen,
die aus der Vereinigung von Quantenme-
chanik und Relativitätstheorie hervorgeht.
Leider liegt eine solche Theorie noch in
weiter Ferne.
Aber wir können die Eigenschaften
der kleinsten physikalisch sinnvollen
kausalen Strukturen angeben – die Ei-
genschaften der Planck-Welt. Bereits 1899
definierte Max Planck ein universelles Sy-
stem von Einheiten, das nur aus Kombina-
tionen der Gravitationskonstanten G, der
Lichtgeschwindigkeit c und des von Planck
selbst eingeführten Wirkungsquantums
h besteht. Das folgende Zitat aus seiner
Publikation Ȇber irreversible Strah-
lungsprozesse« vermittelt einen Eindruck
von dem Stellenwert, den Planck diesen
Einheiten einräumte: »Diese Ein heiten
werden ihre Bedeutung für alle Zeiten
und für alle, auch außerirdische und au-
ßermenschliche, Kulturen nothwendig
behalten und können daher als natürliche
Maßeinheiten bezeichnet werden.«
Erst später, als Relativitätstheorie und
Quantenmechanik zu den wichtigsten
Theo rien der modernen Naturwissen-
schaften entwickelt waren, erkannte man
die tiefere Bedeutung dieser »Spielerei mit
Naturkonstanten«. Eine Zusammenschau
der grundsätzlichen Begriffe beider The-
orien liefert die gleichen Ergebnisse wie
Plancks Dimen sionsanalyse, die wir hier
nun erläutern wollen.
Die Relativitätstheorie kennt den Be-
griff des Ereignishorizonts. Alles, was hin-
ter ihm verborgen ist, hat keinerlei kausale
Verbindung mit dem Geschehen diesseits
des Horizonts. Für einen Körper der Masse
M ist der Ereignishorizont eine wohlde-
finierte Größe, gegeben durch den so ge-
nannten Schwarzschildradius R S= 2 G M/c2.
Hierbei ist c die Lichtgeschwindigkeit und
G die Gravitationskostante. Der Schwarz-
schildradius der Sonne beträgt drei Kilo-
meter. Angesichts ihres heutigen Radius
von 700 000 Kilometern wird klar, wie
dramatisch die Verdichtung der Materie
sein muss, damit ein Stern bis zu seinem
Arch
iv d
er M
ax-P
lanc
k-G
esel
lsch
aft
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40 Dezember 2011 Sterne und Weltraum
Ereignishorizont schrumpft. Verantwort-
lich für einen solchen Kollaps ist die Gra-
vitation als einzige Kraft, die nur anzie-
hend wirkt. Wenn ihr keine Druckkräfte
entgegenwirken, kollabiert ein Stern unter
seinem eigenen Gewicht. Dieser Prozess
ist beobachtbar, bis der Stern seinen Ereig-
nishorizont unterschreitet. Die meisten
Sterne erreichen dieses Stadium nicht,
sondern werden zuvor durch Druckkräfte
stabilisiert.
Nur sehr massereiche Sterne von ei-
nigen zehn Sonnenmassen beenden ihr
Dasein in einem Gravitationskollaps.
Übrig bleibt ein Schwarzes Loch, von
dem keinerlei Information mehr in die
Umgebung gelangt. Alles, was sich inner-
halb eines Schwarzen Lochs abspielt, ist
grundsätzlich unbeobachtbar – über den
Ereignishorizont hinaus dringt keine In-
formation nach außen.
Während sich diese eine Grenze der em-
pirischen Forschung aus der Relativitäts-
theorie ergibt, wird eine andere durch die
Quantenmechanik definiert. Diese Theo-
rie beschreibt das Verhalten von Licht und
Materie im atomaren und subatomaren
Bereich. Hier werden alle physikalischen
Größen ihrer Eindeutigkeit beraubt und
durch statistische Funktionen ersetzt, die
eine Bandbreite von der Größenordnung
des planckschen Wirkungsquantums auf-
weisen.
Zum Beispiel wird der Aufenthaltsort
eines Teilchens mit definiertem Impuls in
der Quantenmechanik durch eine Wellen-
funktion seiner Aufenthaltswahrschein-
lichkeit ersetzt. Eine Wellenfunktion ist
wie ihr analoges Gegenstück, die Welle,
nicht punktförmig, sondern ausgedehnt.
Das bedeutet: In der Quantenmechanik
sind Ort und Impuls eines Teilchens
komplementäre Eigenschaften, die nicht
gleichzeitig genau bestimmt werden kön-
nen. Man kann nicht gleichzeitig beide
Seiten einer Medaille betrachten. Formal
drückt sich die Komplementarität in der
Unbestimmtheitsrelation aus, die 1927
von Werner Heisenberg aufgestellt wurde.
In Verbindung mit dem Schwarzschild-
radius liefert sie uns die fundamentalen
Größen der Planck-Welt (siehe Kasten
oben.
Wie weit die Planck-Welt selbst von
den exotischsten Formen der uns be-
kannten Materie entfernt ist, veran-
schaulicht schon die Tatsache, dass die
Planck-Länge etwa 1020-mal so klein ist
wie der Durchmesser des Protons und
damit weit jenseits einer direkten expe-
rimentellen Zugänglichkeit liegt. Wollte
man die Planck-Welt mit einem Teilchen-
beschleuniger untersuchen, so müsste
die Wellenlänge der Strahlung oder der
Teilchen (die so genannte De-Broglie-
Wellenlänge) mit der Planck-Länge ver-
gleichbar sein – ihre Energie entspräche
etwa der Planck-Energie von 1019 Giga-
elektronvolt. Die dieser Energie über
Die Unbestimmtheitsrelation besagt, dass für zwei komple-mentäre Eigenschaften eines Teilchens folgende Unglei-
chung gilt:
Dx ∙ Dp h
–––2 p
,
wobei die beiden Ausdrücke auf der linken Seite die Unbe-stimmtheit von Ort und Impuls und h das plancksche Wirkungs-quantum bezeichnen. Der Ort von irgendetwas kann also nur bis auf
Dx h
–––––––2 p Dp
bekannt sein. Der maximale Impuls p = m c entspricht der kleinsten Länge
x h
–––––––2 p m c
.
Diese Grenze ist prinzipieller Natur. Kommt ihr die Ortsbestim-mung eines Teilchen zu nahe, gilt also
Dx h
–––––––2 p Dp
,
wird sein Impuls unbestimmt. Kann hingegen der Impuls sehr genau bestimmt werden, bleibt der Ort unbestimmt.Nun können wir die beiden Grenzen empirischer Erkenntnis, Schwarzschildradius R S = 2G m/c2 und kleinste Länge x = h/(2p m c), gleichsetzen und erhaltenso die planck-Masse:
mPlanck h c
–––––4 p G 2,2 ∙ 10-5 g.
Sie entspricht der Masse eines Staubkorns. Wir setzen diese Masse in die Unschärfelänge oder den Schwarzschildradius ein und erhalten als die kleinste physikalisch sinnvolle Länge dieplanck-länge:
lPlanck G h
–––––p c3 1,6 ∙ 10-33 cm.
Sie gibt die kleinste Ausdehnung eines physikalischen Systems an, von dem man überhaupt noch irgendeine Information im Sinne einer Beziehung von Ursache und Wirkung erhalten kann. Entsprechend lässt sich eine kleinste physikalisch noch sinnvolle Zeiteinheit definieren – die planck-zeit:
tPlanck lPlanck––––––
c 5,4 ∙ 10-44 s
Neben den drei Grundgrößen Masse, Länge und Zeit werden auch folgende abgeleitete Größen verwendet:
planck-fläche: APlanck l2Planck 2,6 ∙ 10-66 cm2,
planck-energie: EPlanck mPlanck c2 1,2 ∙ 1028 eV,
planck-temperatur: TPlanck 1,4 ∙ 1032 K,
planck-dichte: rPlanck mPlanck–––––––l3Planck
5,4 ∙ 1093 g/cm3.
Diese Werte charakterisieren die elementaren Einheiten, die mit Relativitätstheorie und Quantenmechanik gerade noch verein-bar sind. Die Planck-Welt ist die kleinste kausale Struktur, in der Lichtgeschwindigkeit, Gravitationskonstante und plancksches Wirkungsquantum wohl definierte Naturkonstanten darstellen.
schwarzschildradius,UnbestimmtheitsrelationunddieGrößenderplanck-Welt
www.astronomie-heute.de Dezember 2011 41
E = m ∙ c2 zugeordnete Masse ist mehr als
1016-mal so groß wie die Masse des Top-
Quarks, des schwersten bekannten Ele-
mentarteilchens.
Damit ist die kleinste kausal sinnvolle
Raum- und Zeiteinheit definiert. Die
Planck-Welt gibt für alle relevanten phy-
sikalischen Begriffe die Grenzen an, so-
wohl für das Allerkleinste als auch für die
höchste erreichbare Energie (beziehungs-
weise Temperatur) und Dichte.
Die Planck-Größen definieren die Gren-
zen der messbaren physikalischen Wirk-
lichkeit. Die Planck-Welt ist das zentrale
Verbindungsstück zwischen der Physik
der Materie und dem Anfang des Kosmos.
Wie kann man diese Grenzen der physi-
kalisch erkennbaren Wirklichkeit mittels
Beobachtungen ausloten? Schließlich ist
sie ja das allerkleinste Allerkleinste.
astronomieimschnellkursBeginnen wir mit unserer Suche nach
Überprüfungsmöglichkeiten doch einfach
bei den reinen, nackten Zahlen. Die Kör-
nung von Raum und Zeit in Einheiten der
Planck-Länge und Planck-Zeit vollzieht
sich in den kleinsten kausal möglichen
Portionen. Entsprechend klein sind die
möglichen Effekte der Raumzeitkörnung
pro Planck-Zelle. Direkt messbar ist da gar
nichts.
Aber welche indirekten Möglichkeiten
bieten sich an? Die Ausbreitung elektro-
magnetischer Wellen und hochenerge-
tischer Teilchen wird durch die Körnigkeit
der Raumzeit beeinflusst. Zusammen mit
der Winzigkeit der zu erwartenden einzel-
nen Abweichungen und Effekte ergibt sich
die Forderung nach langen Lichtwegen,
am besten nach einer Ausbreitung über
kosmische Entfernungen.
Die Untersuchung des Ursprungs
elektromagnetischer Wellen und ihrer
Ausbreitung über große Distanzen ist das
Kerngeschäft der Astronomie. Einerseits
die Physik der Strahlungsquelle zu iden-
tifizieren und andererseits eventuelle
Beeinflussungen der Ausbreitung der
Strahlung durch die kosmische Raumzeit
zu bestimmen, ist Aufgabe aller astrono-
mischen Beobachtungen.
Folglich gehen alle empirischen Tests
der Körnung der Raumzeit in Planck-Län-
gen und Planck-Zeiten folgendermaßen
vor: Entlang möglichst langer Sichtlinien
werden mittels astronomischer Mes-
sungen die Ausbreitungseigenschaften
elektromagnetischer Strahlung oder hoch-
energetischer Teilchen untersucht und
mit Vorhersagen verglichen, die sich aus
den theoretischen Modellen der Struktur
der Raumzeit ergeben.
lichtalssondederraumzeitWie aber prägt die Raumzeit den Abbildern
ferner Sterne und Galaxien ihre Signatur
auf? Tatsächlich beeinflusst die Struktur
der Raumzeit die Geschwindigkeit des
Lichts. Dieses Phänomen ist keinesfalls
exotisch oder unbekannt, sondern ge-
schieht alltäglich um uns herum – es folgt
aus der Tatsache, dass sich Licht in Materie
langsamer ausbreitet als im Vakuum und
in Luft schneller als zum Beispiel in Was-
ser; dies wird durch das Brechungsgesetz
beschrieben (siehe Kasten unten).
Die Brechzahl oder der Brechungsin-
dex wird von der Struktur des Mediums
bestimmt. Das einfallende Licht wird zwar
nicht von dem Medium absorbiert, aber
es tritt mit ihm in Wechselwirkung. Dies
erklärt die langsamere Ausbreitung des
Lichts. Aber was ist das für ein Medium,
durch welches sich das Licht fortbewegt,
bis es unsere Teleskope erreicht? Die
Beobach tungen zeigen, dass das Univer-
sum weit gehend leer ist. Seine mittlere
Dichte beträgt ein Wasserstoffatom pro
Kubikmeter. Zum Vergleich: Auf Meeres-
höhe enthält ein Kubikmeter irdischer
Luft 1026 Atome und Moleküle.
Das Licht der Sterne und Galaxien
breitet sich also nahezu im Vakuum aus.
Abgesehen von dichten Gas- und Staub-
wolken, beeinflussen die materiellen Bau-
steine des Universums die Ausbreitung
des Lichts nicht, aber das Licht bewegt sich
durch die Raumzeit. Sie ist das Medium,
dessen Brechungsindex darüber entschei-
det, wie schnell sich Licht ausbreitet, denn,
wie sich herausstellt, kann die Struktur der
Raumzeit die Lichtgeschwindigkeit positiv
oder negativ beeinflussen, das Licht also
schneller oder langsamer laufen lassen.
Allerdings ist der erwartete Einfluss
des Brechungsindex im Vakuum wesent-
lich geringer als in einem Medium wie
Glas oder Luft. Betrachten wir die Laufzeit
von Sternlicht, so ist diese Differenz allein
auch nicht von Nutzen, denn wir wissen
Trifft Licht exakt senkrecht auf ein ebenes Medium, so pflanzt es sich in
diesem in der ursprünglichen Richtung fort. Bei jedem anderen Einfallswinkel wird es gebrochen – es ändert seine Richtung. Ein Strohhalm im Wasserglas erscheint durch die langsamere Aus-breitung des Lichts im Wasser geknickt. Zeichnen wir die ebenen Fronten der Lichtwellen bis zur Wasseroberfläche auf, so schneiden die einzelnen Ebenen verschiedene Punkte der Grenzfläche, nennen wir sie P1, P2 ... Man denke sich die Ebenen gleichen Abstands als Zeit-punkte, zu denen die Wellenfront gerade so weit gekommen ist. Im Wasser ist das Licht langsamer – hier schafft die Wel-lenfront in derselben Zeit eine kleinere Strecke. Um die neuen Wellenfronten im Wasser zu konstruieren, zeichnen wir nun also Kreise mit einem geringeren Radius und dessen Vielfachen als dem Abstand der einfallenden Ebenen von den Schnittpunkten P1, P2 und so weiter. Die Kreise markieren die Punkte, die das Licht in einem oder mehreren Zeit-schritten erreichen kann. Diese Kreise tangieren also mögliche neue Wellen-
fronten im Wasser, deren Senkrechte einen größeren Winkel zur Grenzfläche bildet – so wird die Ausbreitung des Lichts durch das Huygens-Prinzip be-schrieben. Fassen wir diese Konstruktion in mathematische Formeln, so erhalten wir das Brechungsgesetz. Es verknüpft den Einfallswinkel eines Lichtstrahls an der Grenzfläche zweier Medien mit dem Ausfallswinkel. In dieses Gesetz gehen die Brechzahlen oder Brechungs-indizes der beiden Medien – hier Luft und Wasser – ein. Sie beschreiben das Verhältnis zwischen der im Vakuum und der im jeweiligen Medium gemessenen Lichtgeschwindigkeit.
dieBrechungdeslichts
SuW
-Gra
fik
P1 P2 P3 P4 P5 P6
42 Dezember 2011 Sterne und Weltraum
nicht genau, wann das Licht seine Reise
begonnen hat und wie weit es seitdem
gekommen ist. Folglich können wir den
Brechungsindex auch nicht bestimmen.
Zum Glück hängt der Brechungsindex
aber nicht nur von den Eigenschaften des
Mediums ab, sondern auch von der Farbe
oder Wellenlänge des Lichts. Auch diesen
Effekt hat jeder von uns in Form des Re-
genbogens vor Augen. In der Regel gilt: Je
kürzer die Wellenlänge, desto stärker die
Brechung.
Generell ist die Lichtbrechung nur der
Vorbote einer großen Schar weiterer Ef-
fekte, die bei immer kürzeren Wellenlän-
gen eintreten. Das liegt daran, dass die Wel-
lenlänge des Lichts mit der Ausdehnung
der Bestandteile des durchschienenen
Mediums vergleichbar wird. Bildlich ge-
sprochen: Man kann mit einem Traktor
unbehelligt über einen Acker fahren, weil
die Reifen des Traktors einen größeren Ra-
dius haben als dessen durchschnittliche
Unebenheiten. Mit einem Kinderwagen
geht dies nicht ohne Holpern und Stol-
pern, da die wesentlich kleineren Räder
(physikalisch gesprochen) stärker mit den
Schlaglöchern wechselwirken.
Dieser Zusammenhang lässt sich direkt
auf die Ausbreitung des Lichts übertra-
gen. Sie wird umso stärker beeinflusst, je
mehr seine Wellenlänge den Abständen
der Atome und Moleküle im Medium
entspricht. Demnach wäre es für eine phy-
sikalische Untersuchung der Planck-Welt
am besten, sie im Licht einer Wellenlänge
zu betrachten, die der Planck-Länge selbst
entspricht. Dies ist aber aus dem fol-
genden Grund nicht möglich.
Für elektromagnetische Wellen gibt
es einen einfachen Zusammenhang zwi-
schen Wellenlänge und Frequenz: Ihr Pro-
dukt ergibt die Lichtgeschwindigkeit. Die
der Planck-Welt entsprechende Frequenz
wäre also die Lichtgeschwindigkeit ge-
teilt durch die Planck-Länge. Man erhält:
1045 Hertz. Nun gilt auch, dass die Energie
gleich dem Produkt aus dem planckschem
Wirkungsquantum und der Frequenz ist.
Demnach entspricht die Frequenz von
1045 Hertz einer Energie von 1028 Elektron-
volt. Diese Planck-Energie lässt sich wie-
derum in eine Temperatur von 1032 Kelvin
umrechnen. Solche Energien werden aber
niemals zur Verfügung stehen – uns fehlt
damit das geeignete »Mikroskop«, mit
dem wir die Planck-Länge direkt anschau-
en könnten.
frequenzabhängigelichtgeschwindigkeit?Ist also der direkte Blick versperrt, so
können wir es mit der Messung von Dif-
ferenzen versuchen. An einem Beispiel
sei dieses Verfahren erläutert. Betrachten
wir einen Kristall, so sind seine Atome zu-
nächst unsichtbar, weil die elektromagne-
tische Strahlung, die wir im Mikroskop
empfangen, eine größere Wellenlänge
hat als die Abstände der Atome im Kris-
tall. Während die Abstände der Atome
in einem typischen Kristallgitter einige
Nanometer, also milliardstel Meter, be-
tragen, ist die Wellenlänge des sichtbaren
Lichts etwa hundert Mal so groß. Aber hin
zu kleineren Wellenlängen werden diese
beiden Längenskalen vergleichbar, und
das Licht tritt stärker mit dem Kris tall in
Wechselwirkung.
Diese wellenlängenabhängige Stärke
der Wechselwirkung führt dazu, dass elek-
tromagnetische Strahlung unterschied-
licher Wellenlänge sich unterschiedlich
schnell durch das Medium bewegt. Mit
anderen Worten, der Brechungsindex des
Mediums ändert sich mit der Wellenlänge
der es durchdringenden elektromagne-
tischen Strahlung.
Fürs Erste genügt uns, dass die Bre-
chung von der Wellenlänge des verwende-
ten Lichts abhängig ist und mit kleinerer
Wellenlänge in der Regel zunimmt und
somit dem Spektrum entfernter Quellen
eine Signatur aufprägt, die messbar sein
sollte.
Den Messungen liegt also die folgende
Vorstellung zu Grunde. Wenn sich durch
die Körnung der Raumzeit die Brech-
zahlen zweier Wellenlängen des von
derselben in kosmologischer Entfernung
befindlichen Quelle emittierten Lichts
auch noch so geringfügig unterscheiden,
summiert sich über so große Distanzen
der kleinste Unterschied in der Ausbrei-
tungsgeschwindigkeit der Lichtstrahlen
zu Laufzeitdifferenzen im dreistelligen
Sekundenbereich auf.
Wir kennen das von der Autobahn: Wer
vom Nordkap bis nach Kapstadt unter-
wegs ist, der nutzt jede Gelegenheit, den
vorausfahrenden Lastwagen zu überholen,
denn über diese Strecke summiert sich die
Geschwindigkeitsdifferenz zu immensen
Zeitvorteilen auf.
Kurzum, es gilt, eine astronomische
Quelle zu finden, deren Licht eine Ma-
rathonstrecke durch das Universum zu-
rückgelegt hat. Je weiter die Quelle von
uns entfernt liegt und je kurzwelliger die
spektrale Zusammensetzung ihrer Strah-
lung ist, desto besser. Zwar ist die Reich-
weite des Elektromagnetismus unendlich,
aber die Intensität der Strahlung fällt mit
dem Quadrat der Entfernung ab. Darum
sollte die Quelle möglichst hell sein, um
auf der Erde noch ein deutliches Signal zu
Zeit
hochenergetischePhotonen
niederenergetischePhotonen
www.astronomie-heute.de Dezember 2011 43
liefern und von anderen Quellen gut un-
terscheidbar zu sein. Und schließlich ist
zu bedenken, dass wir zwei möglichst weit
voneinander entfernte Spektralbereiche
auf Laufzeitunterschiede untersuchen
möchten.
Die Quelle sollte also ihre Helligkeit
innerhalb möglichst kurzer Zeit in beiden
Wellenlängenbereichen ändern. Nur dann
können wir eine etwaige Verzögerung
durch die Raumzeitkörnung bestimmen
(siehe Bild oben). »In kurzer Zeit« bedeutet
Millisekunden bis einige Sekunden, ande-
renfalls übersteigt die natürliche Dauer
des Strahlungsausbruchs die erwartete
Verzögerung durch die Raumzeit, und eine
für den Strahlungsmechanismus normale
Verzögerung könnte man dann nicht von
dem gesuchten Effekt unterscheiden. Dies
ist eine extrem kurze Zeitskala für die er-
wartete Größe eines so stark strahlenden
Objekts, wenn man bedenkt, dass in dieser
Zeit das Licht selbst und damit auch die
schnellste Ursache-Wirkungs-Beziehung
eine Strecke von nur etwa 0,2 Sonnen-
durchmessern zurücklegt.
GammastrahlenblitzeGammastrahlenblitze haben exakt die
zur Sondierung der Raumzeit erforder-
lichen Eigenschaften. Sie sind deshalb
so kurzlebig und so hochgradig variabel,
weil sie mit der Entstehung eines kom-
pakten Objekts (eines Schwarzen Lochs)
assoziiert sind. Ihre Helligkeit variiert im
geforderten Millisekunden- bis Sekunden-
bereich, und als die hellsten bekannten
Strahlungsquellen kann man sie noch
bei den höchsten Rotverschiebungen gut
von anderen Objekten unterscheiden. Die
Ausbrüche der Gammablitze beginnen im
Gammabereich, das heißt bei sehr hohen
Frequenzen, und durchlaufen das elektro-
magnetische Spektrum zu tie feren Fre-
quenzen hin. Es folgt ein »Nachglühen«
im optischen Bereich, und schließlich
leuchten die Quellen im Radio bereich
auf, bevor sie ganz abklingen (siehe SuW
4/2011, S. 44–52).
Inzwischen konnten zahlreiche Gam-
mastrahlenblitze beobachtet und für die
Messung einer möglichen frequenzab-
hängigen Laufzeitverzögerung verwendet
werden. Ein Eintreffen zu unterschied-
lichen Zeitpunkten ließ sich mit hoher
Genauigkeit ausschließen. Der Einfluss
der Raumzeitkörnung auf die Lichtaus-
breitung war also nicht festzustellen; sie
steuert zum wellenlängenabhängigen
Brechungsindex offenbar einen bei wei-
tem geringeren systematischen Beitrag
des Vakuums als erwartet bei.
dasQuantenrauschenDie Grenzlinie, an welcher der innere Auf-
bau der Raumzeit wichtig wird, haben wir
bereits mit der Planck-Skala ausgelotet.
Aber wie können wir uns den Übergang zu
einer unsteten Struktur vorstellen – zu ei-
ner finalen, kleinsten Ursache-Wirkungs-
Einheit, die uns einen Blick auf noch win-
zigere Längen verwehrt?
Antworten lassen sich in der Natur fin-
den, durch Beobachtung von Messgrößen
Gammastrahlenausbrücheentstehenbeimkollapsmassereicherobjekte.siesindkurzzeitigvariabelundnochingrößtenentfernungenbeiallenfrequenzendeselektromagnetischenspektrumszubeobachten.Wennwirannehmen,dassmarkanteschwankungenderlichtkurvedieQuellebeiunterschiedlichenfre-quenzengleichzeitigverlassen,dannführteinemöglicherweisevorhandenefrequenz-abhängigkeitderlichtgeschwindigkeitzunachweisbarunterschiedlichenankunfts-zeitendieserschwankungenamortdererde.
HES
S / M
PIK
/ SuW
-Gra
fik
Max
imili
an Im
grun
d
raumzeitfluktuationenwürdensichüberlangedistanzenähnlichauswirkenwiedernebelindiesemBild:einestarkekörnungderraumzeitwürdeweitentfernteobjekteunscharferscheinenlassen.derenhelligkeitbliebeabernahezuunbeeinflusst.
44 Dezember 2011 Sterne und Weltraum
und wie sie sich gegenseitig bedingen. Ur-
sache und Wirkung sind spezifische Ver-
halten von Messgrößen, Abhängigkeiten
des Verhaltens einer Messgröße von ihrer
Vergangenheit. Hier wird offensichtlich,
was passiert, wenn keine Abhängigkeit
mehr vorhanden ist, Ursache und Wir-
kung nicht zu trennen sind: Der Zufall löst
die Abhängigkeit auf. In den Messdaten
äußert sich dieser Zufall als Rauschen.
Durch unvorhergesehene oder schwer
abschirmbare Störungen tritt Rauschen
bei Messungen jeder Art auf. Aber im Fall
der Raumzeitkörnung handelt es sich um
Quantenrauschen. Es wird nicht durch
schlechte Apparaturen oder externe Stö-
rungen hervorgerufen, vielmehr ist es
dem be obachteten Prozess inhärent und
wirkt sich unvermeidlich aus. Fachleute
sprechen von Raumzeitfluktuationen.
Die in der Raumzeit beschriebenen
Objekte erleiden dieselben Fluktuationen
wie die Raumzeit selbst. Dies gilt auch für
alle Maßstäbe, mit denen wir kürzeste
Zeiten und Entfernungen messen wollten:
Sie sind wie die Raumzeit, in der sie exi-
stieren, statistischen Schwankungen un-
terworfen, die eine genaue Bestimmung
kleinerer Strecken und Zeiten als der
Planck-Länge und der Planck-Zeit verhin-
dern – sie werden unscharf (siehe das Bild
auf S. 43).
Mit Impuls und Energie oder Ge-
schwindigkeit und Masse der Teilchen
verhält es sich ebenso. Damit werden
auch deren mögliche Wechselwirkungen
miteinander verändert. Ohne Raum-
zeitfluktuationen betrachtet, verbieten
Impuls- und Energieerhaltungssatz eine
Vielzahl an Reaktio nen oder verlangen
Mindestenergien der beteiligten Teilchen.
So dürfen die durch eine Teilchenkollision
erzeugten Teilchen nicht mehr Masse be-
sitzen, als die kollidierenden Teilchen in
Form von Masse und Bewegungsenergie
eingebracht haben.
Zum Beispiel kollidieren schnelle Pro-
tonen mit den Photonen der kosmischen
Hintergrundstrahlung und erzeugen
neue Teilchen, die Pionen. Diese Reak-
tion ist erst ab einer Bewegungsenergie
von 5,6 ∙ 1019 Elektronvolt pro Proton
möglich, bei geringeren Energien ist sie
durch Energie- und Impulserhaltungssatz
verboten. Man spricht von der Greisen-
Zatsepin-Kuzmin- oder GZK-Grenze. Diese
Energie entspricht der Bewegungs energie
eines laufenden Kleinkinds, vereint auf
ein einziges Proton. Im derzeit größten
Beschleuniger erreichen Protonen erst die
Bewegungsenergie einer Fliege!
Durch die Wechselwirkung mit dem
kosmischen Mikrowellenhintergrund
und die damit einhergehende Produktion
von Pionen werden mit zunehmender
Länge ihrer Reise durch das Universum
immer mehr Protonen höherer Energie
Teilchen der kosmischen Strahlung
Wasser-Tscherenkow-Detektoren
Luftschauer
Schauerscheibe
Fluoreszenz-teleskop
Fluoreszenz-teleskop
~ 60 km
~ 20
km
1,5 km
θ
Max
imili
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d / S
uW-G
rafik
J. H
öran
del
aufihrerreisezurerdewerdendieprotonenderkosmischenteilchenstrahlungmitenergienoberhalbderGzk-schwellebeiknapp1020elektronvoltaufGrundihrerWechselwirkungmitphotonendesMikrowellenhintergrundsabgebremstundsolltenbeihinreichendgroßerentfernungderQuellendieerdenichtmehrerreichen.fallsdieraumzeitgekörntist,solltesichdersoerzeugteknickinderenergievertei-lungmitzunehmenderWeglängederprotonennachimmergeringerenenergienhinverschieben.aberdieGzk-schwellewurdetatsächlichbeietwa5,6 · 1019elektronvoltgefunden.
daspierre-auger-observatoriumfängtinseinendetektorennichtdirektdiekosmischestrahlungauf,sonderndieindererdatmosphäreentstehendesekundärstrahlungausteilchenundphotonen.darauslassensichflugrich-tungundenergiederprimärteilchenrekonstruieren.
hoch
mittel
niedrig
Entfernung (Millionen Lichtjahre)
lg Energie lg Energie lg Energie
lg In
tens
ität
lg In
tens
ität
lg In
tens
ität
Ener
gie
5,6 � 1019 eV 5,6 � 1019 eV 5,6 � 1019 eV
www.astronomie-heute.de Dezember 2011 45
der kosmischen Strahlung abgebremst,
ihre Energieverteilung zeigt bei der GZK-
Grenze einen immer deutlicheren Knick
(siehe Bild links oben). Bei hinreichend
großer Entfernung der Quellen können
keine Protonen oberhalb der GZK-Grenze
die Erde erreichen.
Wenn aber die vorhergesagten Raum-
zeitfluktuationen tatsächlich existieren,
schwanken Impuls und Energie der
Protonen ebenso wie diejenigen der sto-
ßenden Photonen. Folglich könnten schon
Protonen mit wesentlich geringeren mitt-
leren Energien als 1020 Elektronvolt die Re-
aktion mit den Photonen des kosmischen
Mikrowellenhintergrunds ein gehen, da
die scheinbare Energie der Reaktionspart-
ner im Moment der Kollision ausreicht, die
Reaktion auszuführen. Die Reaktionsgren-
ze wäre um etwa vier Größenordnungen
auf bis zu 1015 Elektronvolt herabgesetzt.
Demzufolge würde auf langen Strecken
das kosmische Hochenergiespektrum
nicht erst bei der GZK-Grenze von knapp
1020 Elektronvolt, sondern schon bei deut-
lich geringeren Energien ausklingen.
Diese immer noch immensen Energien
waren experimentell lange Zeit nicht
nachzuweisen. Inzwischen wurde die
Messung durch Observatorien auf der Erde
möglich, die diese ultrahochenergetische
kosmische Strahlung (Ultra High Energy
Cosmic Rays, kurz UHECRs) indirekt nach-
weisen. Sie vermessen den Schauer von
Sekundärteilchen, den der Aufprall der
hochenergetischen Partikel auf die Erdat-
mosphäre verursacht, und können so die
Ausgangsenergie der UHECRs bestimmen.
Eine solche Anlage ist das nach Pierre Au-
ger benannte Observatorium in der argen-
tinischen Pampa (siehe Bild links unten).
Inzwischen wurde hier im Energiespek-
trum der hochenergetischen Protonen die
GZK-Grenze gefunden, und zwar genau bei
der ursprünglich ohne Berücksichtigung
des Quantenrauschens vorhergesagten
Energie von 5,6 ∙ 1019 Elektronvolt.
Auch diese Daten liefern also keinen
Hinweis auf Raumzeitfluktuationen. Zwei
mögliche Erklärungen bieten sich dafür
an: Entweder es existieren schlichtweg
keine Raumzeitfluktuationen, oder die
beobachteten Quellen der hochener-
getischen Strahlung stehen zu nah an
der Erde, um in ihrem Energiespektrum
Auswirkungen der Raumzeitkörnung zu
tragen. Zwar sind sie weit genug entfernt,
dass die Pionenproduktion die Protonen
oberhalb der GZK-Grenze reduziert hat
(schließlich wurde die GZK-Grenze in den
experimentellen Daten nachgewiesen),
aber die Quelle müsste so nah sein, dass
die Wirkung der Raumzeitfluktuationen
noch nicht signifikant zum Tragen ge-
kommen ist und sich im Messfehler der
Bestimmung der Abrisskante versteckt.
Die untersuchten Quellen sind aber
weit genug entfernt, um diesen Fall aus-
zuschließen: Das durch Raumzeitfluk-
tuationen eventuell noch verursachte
Rau schen wäre um Größenordnungen
schwächer, als die verschiedenen Modelle
es vorhersagen. Die vorliegenden Daten
schließen Raumzeitfluktuationen nicht
gänzlich aus, da auch die Quellpositionen
der UHECRs und deren Originalspektren
das beobachtete Spektrum beeinflussen
und die Quellen noch nicht genau identifi-
ziert sind. Es wurde aber kein Hinweis auf
die Existenz der Fluktuationen gefunden.
Neben astrophysikalischen Experi-
menten wird auch in der Teilchenphysik
und Interferometrie versucht, die Raum-
zeitkörnung nachzuweisen. Die aktuellen
Experimente sind grundsätzlich in der
Lage, Fluktuationen in der erwarteten
Größenordnung der Planck-Skala festzu-
stellen, aber auch hier gab es noch keinen
Erfolg. Wir müssen also ernsthaft damit
rechnen, dass die Raumzeitfluktuationen
auf der Planck-Skala nicht existieren.
Die Beobachtungen der kommenden
Jahre werden tiefe Einblicke in die Natur
bieten, gerade dann, wenn die Raumzeit-
körnung unentdeckt bleibt. Die heute
bereits möglichen Experimente stellen
die Grundlagen von Quantenmechanik
und allgemeiner Relativitätstheorie auf
den Prüfstand. Weitere Beobachtungen,
zusammen mit dem Versuch, beide Theo-
rien zu vereinen, könnten einen Weg zu
einer neuen, vereinheitlichten Theorie
von Raum, Zeit und den vier Grundkräften
eröffnen. Wieder einmal könnten uns Ex-
perimente den Weg weisen, und die Flaute
auf den Feldern der Raumzeit könnte fri-
schen Wind in die Gedankengebäude der
theoretischen Physik bringen.
literaturhinweiseGiesel,k.: Loop-Quantengravitation. In: Sterne und Weltraum 7/2011, S. 30-41Gorbahn,M.,raffelt,G.: Spurensuche in der Welt der Quanten. In: Sterne und Weltraum 10/2010, S. 46-57hörandel, J.r.: Astronomie mit gela-denen Teilchen – das Pierre-Auger-Ob-servatorium. In: Sterne und Weltraum 1/2008, S. 28-35 hofmann,W.,voneldik,c.: Gamma-Astronomie, ein neues Fenster zum Kosmos. In: Sterne und Weltraum 3/2009, S. 38-47Janka,t.,klose,s.,röpke,f.: Supernovae und kosmische Gammablitze, Teil 2. In: Sterne und Weltraum 4/2011, S. 44-52niemeyer,J.,schwarz,d.J.: Inflation – der Auftakt zum Urknall. In: Sterne und Weltraum 1/2011, S. 46–56 nussbaumer,h.: Achtzig Jahre Urknall. In: Sterne und Weltraum 5/2011, S. 46-50 planck,M.: Über irreversible Strahlungs-prozesse. In: Sitzungsberichte der Preu-ßischen Akademie der Wissenschaften 5, 1899, S. 479
Weitere Literatur und Weblinks zum Thema:www.astronomie-heute/ artikel/1126868
haraldleschunterrichtet theoretische Astrophysik an der Ludwig-Maximilian-Universität in München.
MaxiMilianiMGrUndstudiert theoretische und mathematische Physik an der Ludwig-Maximilian-Universität in München.
Eröffnen die negativen Ergebnisse zur körnigen Raumzeit einen neuen Zugang zur vereinheitlichten Theorie?
46 Dezember 2011 Sterne und Weltraum
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Chad OrzelSCHRÖDINGERS HUND Quantenphysik (nicht nur) für Vierbeiner2011, 323 S. m. 35 Abb., geb., Spektrum Akademischer Verlag
Bestell-Nr. 3394 € 19,95 (D), € 20,60 (A)Der Physiker Chad Orzel erklärt in
langen Gesprächen seiner Hündin Emmy die Quanten-physik. Wir erfahren, wie sich Kenntnisse dieser sehr zentralen Theorie der Physik eignen, um hundetypischer Ziele zu erreichen. So wird die bizarre Quantenwelt sehr anschaulich erfahrbar. Herr und Hund durchstreifen die Grundlagenfragen und Anwendungen der Quanten- physik – ein humorvolles Buch, das aber in der Sache ernst und korrekt ist: Sogar an der ein oder anderen mathematischen Formel hat Emmy zu kauen.
Marcelo GleiserDIE UNVOLLKOMMENE SCHÖPFUNG Kosmos, Leben und das versteckte Gesetz der Natur2011, 437 S., geb., Spektrum Akademischer Verlag
Bestell-Nr. 3411 € 29,95 (D), € 30,80 (A)Alles, was ist, geht aus
grundlegenden Unvollkommenheiten, aus primor- dialen Asymmetrien der Materie und der Zeit, aus zufälligen Katastrophen in der frühen Erdge-schichte und aus Kopierfehlern bei der Genteilung hervor. Ohne Unvollkommenheiten wäre das Universum nichts als gleichmäßige Strahlung. Mit seinem kühnen Buch setzt sich der Physiker Marcelo Gleiser von zweieinhalb Jahrtausenden wissenschaftlichen Denkens ab: Er zeigt darin, dass die Suche nach der »Theorie von Allem« ein Irrweg ist, und erläutert, welch gravierende Auswirkungen dieser Paradigmenwechsel für die Menschheit hat.
Unser besonderer Tipp:
Eckhard SlawikDER STERNENHIMMELEin Routenplaner zu Sonne, Mond und Sternen2011, 104 S. mit 204 Farbabb., geb., Spektrum Akademischer Verlag
Bestell-Nr. 3357 € 129,95 (D), € 133,60 (A)Der Himmel, wie er wirklich aussieht – das riesige Fotobuch vom Picasso der Astrofotografie im Format 40 x 50 cmFür jede Jahreszeit zeigt der Band drei großformatige Aufnahmen, die von drei Orten mit unterschiedlichen Lichtverhältnissen aufge- nommen wurden: Die erste zeigt den Himmel über der Großstadt, die zweite den über einer ländlichen Gegend und die dritte den Himmel, wie er im Hochgebirge ohne Lichtverschmutzung aussieht. Jede Aufnahme ist doppelt abgedruckt – einmal mit und einmal ohne Bezeichnungen. Lässt man sich von den Bildern und den einfachen Texterläuterungen dieses stellaren Routenplaners führen, kann man die Entdeckungsreise jederzeit im Freien fortsetzen.
Eine Leseprobe finden Sie unter: www.science-shop.de/artikel/1114543
AUDIO-CD
Katharina Al-Shamery (Hrsg.)MOLEKÜLE AUS DEM ALL? 2011, 316 S. m. Abb., geb., Wiley-VCH
Bestell-Nr. 3466 € 24,90 (D), € 25,60 (A)Der Ursprung des Lebens fernab wilder Spekulationen und frag- würdiger Behauptungen: Fakten- gestützt und unterhaltsam legen
die Autoren dar, wie es auf der anfangs ungemütlichen Erde zur Ausbreitung von Leben kommen konnte. Sie lassen uns verstehen, was kurz nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren los war, fischen in der Ursuppe des Lebens oder forschen nach außerirdischem Leben.
Katharina Al-Shamery (Hrsg.)
Moleküle aus dem All?
Richard PanekDAS 4%-UNIVERSUM Dunkle Energie, dunkle Materie und die Geburt einer neuen Physik2011, 363 S., geb., Hanser
Bestell-Nr. 3390 € 24,90 (D), € 25,60 (A)Die Materie, die wir sehen können,
macht nur vier Prozent der Masse des Kosmos aus. Wo ist der ganze Rest? Der Rest besteht aus mysteriöser Dunkler Materie, dem Klebstoff der Galaxien, und Dunk- ler Energie, die dafür sorgt, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt. Temporeich und packend schildert Richard Panek die Jagd der Astrophysiker nach den unbekannten Bestandteilen des Weltalls - sowie die faszinierenden neuen Fragen, die ihr Wirken aufwirft.
Dieter LüstQUANTENFISCHEDie Stringtheorie und die Suche nach der Weltformel2011, 381 S. m. 37 Abb, geb., C.H.Beck
Bestell-Nr. 3452 € 26,95 (D), € 27,80 (A)Der heißeste Kandidat für die
Entwicklung einer Weltformel, die alle physikalischen Phänomene erklären kann, ist die Stringtheorie. Der Physiker Dieter Lüst nimmt sie streng unter die Lupe und testet ihre Kraft an unseren Erkenntnissen aus Kosmologie und Teilchenphysik. Diesen wilden Ritt durch die moderne Physik veranschaulicht der Autor durch »Das Märchen von den Quantenfischen im Fischteich«, die wie wir versuchen, ihr Universum zu verstehen. Quantenfische ist ein außergewöhn-lich rundes und wirklich gelungenes Buch – sowohl inhaltlich als auch ästhetisch!
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