Deutsche Nationalbibliothek, CIP Einheitsaufnahme.
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Texte: © Copyright 2020 by H. Grötzebauch
Umschlaggestaltung: © Copyright 2020 „Urknall“ als künstlerische Darstellung, H. Grötzebauch
Korrektorat: Dr. Klaus Dittrich
Verlag: Helmuth Grötzebauch
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Impressum: Helmuth Grötzebauch
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„Wir sehen nur noch, was unserer Seherwartung entspricht, nur noch, was wir sehen und auch glauben wollen. Überraschungen sind damit ausgeschlossen. Die Entwicklung und Entfaltung von Wissen aber auch.“ [Rheinberger, 2019, S. 14]
Einführung in die Grundgedanken
Der Kosmos hat für uns Menschen eine sichtbare und unsichtbare Seite. Schon mit der sichtbaren haben wir erhebliche Probleme sie zu verstehen. Noch viel schwieriger wird es mit der unsichtbaren, deren Existenz wir erst langsam zu erahnen beginnen, ohne sie in ihrer Tragweite zu erfassen, wie z.B. die Dunkle Materie und Dunkle Energie, die sich uns nicht erschließen wollen.
So folgen Fragen zu einem möglichen höherdimensionalen Universum und seinen Theorien und wie sich Raum und Zeit in den unterschiedlichen Dimensionen verhalten könnten. Auch die Frage nach dem Urknall und was es mit den Schwarzen Löchern auf sich hat, wird thematisiert.
In diesem Buch gehe ich davon aus, dass mit der Lichtgeschwindigkeit, die das Photon{1} aufweist, eine weitere Dimension, die „Eindimensionale Ausdehnung“, sich öffnet, welche direkt mit dem Photon verbunden ist.
Allerdings liegt diese zusätzliche Dimension außerhalb des dreidimensionalen Raumes und ist um 90° in der bewegten Längsrichtung des Photons angefügt. Zwischen dem dreidimensionalen Raum und der Eindimensionalen Ausdehnung kann aufgrund des Planck-Durchmessers, den die weitere Dimension aufweist, keine Materie ausgetauscht werden. Unterhalb der genannten Planck-Länge existiert kein stabiler Raum.
Aus diesem Ansatz wird ein supersymmetrisches Universum entworfen, mit einer dreidimensionalen Welt und deren Antiwelt, die beide über die Eindimensionale Ausdehnung miteinander verbunden sind.
In einer weiteren Stufe geht es um den menschlichen Dualismus{2}, der, anders als in der Philosophie gebräuchlich, zum Gegensatz von dem mechanisch-materialistisch orientierten Menschenbild wird. Eine Aufteilung in den menschlichen Körper und den menschlichen Geist. Dieses Bild der Aufteilung gilt ebenfalls für jegliche geistige Existenz, die mit einem materiellen Körper verbunden ist.
Im Ergebnis zeigt sich eine zusätzliche Dimension, in der der Geist existieren könnte, zu dem der Nobelpreisträger und Gehirnforscher J. C. Eccles einen quantenmechanischen Ansatz geliefert hat.
Zum Schluss stelle ich aus Sicht der Physik die Frage „Was ist Gott?“ und begebe mich auf die Suche nach diesem Gott, der vielleicht alles geschaffen hat. Es existiert eine Vorstellung von dem, was er sein könnte, mit einem überraschenden Ergebnis.
Aufbau des Buches
Am Anfang entstanden Ideen als kurze Einträge in eigenen Wissens-Tagebüchern, chronologisch, parallel zu einem 40-jährigen Arbeitsleben mit etwas mehr als 900 Einträgen. Eine Parallelwelt, die vor keinem Gedanken Halt machte.
Doch beim Schreiben wurde schnell klar, dass diese Sammlung mit vielen verschiedenen Einzelthemen und Schwerpunkten zu unübersichtlich werden wird und möglicherweise einige Leserinnen und Leser nicht ohne weiteres folgen können oder wollen. Deshalb entschloss ich mich, die Einträge nicht mehr chronologisch einzelnen Themenbereichen, sondern mehrheitlich dem Verständnis eines logischen Aufbaus zuzuordnen und themenmäßig im Bereich der Kosmologie zu verbleiben.
Zur Erleichterung des Einstiegs beginnen die Kapitel jeweils mit einer kurzen, nicht vollständigen Darstellung des gegenwärtigen Forschungsstandes und einer kurzen Diskussion verschiedener Forschungsansätze. Forschungsansätze, weil es in den einzelnen seriösen Forschungsrichtungen noch keine endgültigen Antworten auf die Fragen des Woher und Wohin des Kosmos gibt.
Um Antworten auf meine Fragen zu finden, wurde über viele Jahre hinweg mit philosophischen und physikalischen Gedanken und Quellen gearbeitet. Der Inhalt des vorliegenden Buches folgt einigen Aspekten aus der Chronologie der Ideen. Nicht alle Fragen, die sich aus diesem Buch ergeben oder direkt gestellt werden, führen zu einer konkreten Antwort. Einige bleiben bewusst offen, weil noch keine Antwort gefunden wurde, doch stellen sie das Entwicklungsmodell nicht in Frage.
Es sind weniger Gedanken und Ideen, die richtig oder falsch sein können, sondern ich gebe als Ideen- und Gedanken-Chronist einen Einblick in die kontinuierliche Ideenwelt eines Menschenlebens – meines Menschenlebens.
Die Einträge beginnen Ende der 1970er Jahre. Sie sind als ein kontinuierlicher Entwicklungsprozess von Lösungsansätzen, Hypothesen, Sichtweisen mit all ihren Irrtümern und Analogien hin zu etwas Neuem zu sehen. Mal sind es längere Abhandlungen und mal kürzere, mal dieselben Themen und Einträge, die immer wieder ineinandergreifen zu unterschiedlichen Zeiten.
Manche Ideen klingen etwas verrückt und könnten Kopfschütteln hervorrufen, sind vielleicht sogar widersprüchlich, oft, weil sie von verschiedenen Ansätzen ausgehen.
Doch aus der Vergangenheit kennen wir Beispiele, dass Ideen erst lange Zeit nach deren Bekanntwerden erfolgreich umgesetzt wurden oder werden konnten (Ein Beispiel ist der Roman von Jules Verne ‚Von der Erde zum Mond‘ (franz. Originalausgabe, 1865).
Diese Zusammenstellungen von grob thematisch und chronologisch gegliederten Gedanken sind als Anstöße gedacht, die gelegentlich durch Diagramme, gegenständliche Darstellungen und Tabellen zum besseren Verständnis ergänzt wurden. Der interessierte Leser kann mit diesen Informationen den Gedankengängen zu einem Thema besser folgen. Diese sollen auch Anregungen geben, sich weiter mit diesen Themen auseinanderzusetzen oder ganz neue Ideen zu entwickeln. Der Aufbau des Buches ist bewusst als Entwicklungsprozess gehalten.
Angelegt wurden ursprünglich neun Gedanken-Tagebuchbände. Durch die abfotografierten Original-Abbildungen hat das Buch einen authentischeren Charakter, trotz der kompletten Überarbeitung und der sorgfältigen Auswahl der Einträge.
Für wen ist das Buch gemacht?
Durch die unterschiedlichen Wissensgebiete ist es einerseits ein Buch für interessierte Menschen und Physiker, die Grundkenntnisse in den besagten Gebieten mitbringen und sich auch mit den einzelnen Aspekten durch die Anregung auseinandersetzen und gegebenenfalls Ideen weiterentwickeln wollen. Andererseits ist das Buch für verschiedene Interessengruppen gedacht, die auf der Suche nach neuen Ansätzen und Herausforderungen sind.
Um eine breite Leserschaft anzusprechen, wurden zum Teil populärwissenschaftliche Quellen herangezogen, deren dargestellte Theorien für den Leser besser verständlich sind. Auch wird die Struktur der einzelnen theoretischen Bausteine, die ineinander greifen, ersichtlicher. Es sind die „Bausteine des Kosmos“, die zusammengefügt werden müssen, um das Ganze zu verstehen.
Das Anliegen des vorliegenden Buches ist es, über die bekannten Grenzen des Wissens hinauszugehen und Ideen zu entwickeln, die sich später aus den Einzelteilen zu einem Ganzen zusammenfügen. Jeder Mensch für sich ist dazu in der Lage, wenn er denn will. Jeder kann auch ein Wissenschaftler sein, ohne einen Titel zu besitzen oder an einer Forschungsanstalt zu arbeiten.
Hinweise zum Buch
Alle grafischen Darstellungen sind aus den Wissens-Tagebüchern abfotografiert worden. Sie sollen den Text verständlich und belebend gestalten. Deshalb wurden auch die authentischen farbigen Darstellungen der Original-Einträge gewählt.
Die Mehrzahl der Quellen ist älteren Datums. Zum einen wurde die Gültigkeit der Angaben überprüft, zum anderen wurden zu den jeweiligen Kapiteln die aktuellen Forschungsansätze skizziert.
Zum Autor
Helmuth Grötzebauch, in Berlin geboren, Dipl.-Ing. im Bereich der Elektrotechnik, ist bei der Freien Universität Berlin, Didaktik der Physik beschäftigt.
Url: http://didaktik.physik.fu-berlin.de/index.html
Seine Mitgliedschaften beziehen sich auf die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) und die Gemeinsame Kommission für Lehrerbildung, Dahlem School of Education an der FU Berlin. Weiterhin ist er Mitherausgeber der physikalischen Zeitschrift PhyDid B – Didaktik der Physik – Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung, die jährlich einmal erscheint.
Url: http://www.phydid.de/index.php/phydid-b/index
Was ist Licht? Licht bewegt sich nach heutigem Stand der Forschung mit der Lichtgeschwindigkeit c von ca. 299.792 km/s. Daraus ergibt sich eine variable Raumzeit mit veränderlicher Zeit und Raum für Objekte, die sich in ihm befinden. Diese Theorie ist von Albert Einstein als Allgemeine Relativitätstheorie 1915 entwickelt worden.
Doch das Lichtteilchen kann noch mehr. 1967 veröffentlichte Roger Penrose eine neue Theorie, nach der Lichtteilchen die Raumzeitpunkte miteinander verbinden. Für Hermann Verlinde (Princeton University) ist unsere Welt eine projizierte Realität. Und Lee Smolin vom Perimeter Institute stellt die Frage nach der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit über einen Zeitraum von über 13 Milliarden Jahren, die seit dem Urknall vergangenen sind. Eine Veränderung der Lichtgeschwindigkeit über diesen Zeitraum hätte elementare Auswirkungen auf die Grundlagen der Physik.
Schon an dieser Stelle kann die Komplexität des Lichtteilchens und dessen Anwendungsmöglichkeiten in den verschiedenen Theorien erkannt werden. Doch alle Theorien haben etwas gemeinsam, sie sind unvollständig und können bisher zum Teil nicht durch Beobachtung oder messtechnisch nachgewiesen werden. Und so ist man weiter auf der Suche nach der Einen Theorie, die alles vereinigt.
Schaut man sich die Entwicklungsgeschichte des Universums etwas genauer an, so hatten es die Photonen in der Anfangsphase etwas schwer. Sie kamen in der Strahlungsära kaum vorwärts.
Es kann in dieser Zeit von einem Strahlungsuniversum in Näherung ausgegangen werden. Diese Phase dauerte bis ca. 380.000 Jahre nach dem Urknall des Universums. [Weinberg, 1997, S. 93]
Trafen zum damaligen Zeitpunkt, das gilt auch noch heute, zwei Photonen frontal aufeinander, mit der nötigen Energie von E > mc2, entstanden zwei Masseteilchen mit jeweils der Masse m. Die überschüssige Energie wurde in Bewegung umgesetzt und führte sofort zu neuen Kollisionen. [Weinberg, 1997, S. 96]
Heute haben das Licht von Sternen, der Halogenstrahler von Autoscheinwerfern oder der Lumineszenzdiode, etwas gemeinsam: Sie senden Licht aus. Licht wie es jeder kennt, als weißes, rötliches, gelbliches, grünliches oder bläuliches. Diese Farbgebungen beruhen auf unterschiedlichen Wellenlängen des Lichtes, die den entsprechenden Farbeindruck im Auge hervorrufen.
Aber sehen wir Licht, das selber kein Zeitverhalten aufweist, so nehmen wir nur die erfolgte Absorption in unseren Sehzellen wahr. Licht, das noch Licht ist, kann nicht gesehen, sondern nur reflektiert, also umgeleitet werden und Teile des Lichtstrahls sind auskoppelbar. Ein Teil bleibt als Licht erhalten, der andere wird absorbiert. Das heißt, der Grundzustand des Lichtes in der Dimension der Zeitlosigkeit ist nicht sichtbar, sondern nur die absorbierte Auswirkung. Anders gesagt, die Welt der Zeitlosigkeit endet auf der Netzhaut.
Empfangen wir als Mensch oder ein anderes Lebewesen einen bestimmten Farbeindruck des Lichtes, so existiert dieses Licht als Photonen schon nicht mehr. Das heißt, aus dem Energiequant wurde mit der Absorption ein elektrischer Nervenimpuls, der zum Gehirn geleitet wurde. Und Licht aus dem Rand des beobachtbaren Universums ist Milliarden von Lichtjahren zu uns unterwegs und zeigt uns so ein Bild einer längst vergangenen Zeit. Genau genommen können wir weder in das gegenwärtig existierende Universum hinein- noch hinausschauen.
Das Licht kommt quasi aus der Vergangenheit und bewegt sich mit der Lichtgeschwindigkeit c. Lichtgeschwindigkeiten können nicht gesteigert werden durch Addition, sie addieren sich nie zu größer als c, weil bei c theoretisch die Längen von bewegten Gegenständen aus unserer Weltsicht eines Beobachters durch die Lorentz-Kontraktion des Objektes auf die Länge null reduziert werden würden. So gesehen, eine natürliche Grenze der Beschränkung.
Würde v > c sein, müsste die Länge der Gegenstände negativ werden, was nicht möglich ist. Das ist eine von mehreren Erklärungen.
Abb. 1: Das Koordinatensystem K, in dem wir uns als Beobachter befinden ist in Ruhe und das beobachtete Objekt in K‘ bewegt sich mit der Geschwindigkeit v.
Etwas genauer: Sollte es theoretisch doch möglich sein, eine Geschwindigkeit v > c mit einem idealisierten Stab zu erreichen, würde für einen Beobachter im Koordinatensystem K, der sich fortbewegende Stab im System K‘ zu L = -x (x, y-Koordinaten System). Das heißt, ein negatives Loch, das keine Ausdehnung, sondern eine Unterdehnung hätte, kann nicht dargestellt werden und reicht in die Vergangenheit. [Anregung - Kaku, 1995, S. 99]
Abb. 2: Bei v = c des Stabes könnte im Koordinatensystem K' mit L‘ = 0 durch den Druck ein schwarzes Loch entstehen.
Doch lassen wir uns nicht täuschen. Die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit ist zwar ein fester Wert, doch das Licht kann heute durch technische Einflüsse (Laser) bis auf v = 0 abgebremst werden. Das bedeutet nicht, dass das Photon sich auflöst. Es ist halt v = c = 0. Bei der Erzeugung von Photonen tritt allerdings immer v = c ≈ 300 × 106 km/s im Vakuum auf. Erst nachfolgend wird v verändert.
An dieser Stelle begann ich mich zu fragen: Ist das Photon wirklich nur ein Lichtteilchen, das uns Informationen von der existierenden Welt zeigt? Schließlich ist das Photon die Unschärferelation selbst. Es tanzt um den Planck-Durchmesser herum. Betrachtet man Photonen etwas genauer, fallen einige Besonderheiten bei den Eigenschaften des Lichts auf. Jedes Teilchen hat ein Antiteilchen, außer dem Photon. Es ist sein eigenes Antiteilchen und es fliegt mit Lichtgeschwindigkeit, die kein materielles Teilchen erreicht und es ist masselos.
Masselos war das Stichwort, um sich genauer mit den Vorgängen von Photonen und massebehafteten Teilchen zu beschäftigen. Somit entstanden bei mir die ersten grundlegenden Gedanken zum Photon, zu beschleunigter Materie und deren Längenkontraktion. So steigen wir gleich etwas tiefer zu den Ursprüngen der Photonen hinab.
In den letzten zehn Jahren sind die verschiedensten Theorien zur Entstehung des Universums entstanden. Das wohl aktuellste Projekt ist 2019 vom Albert-Einstein-Institut Hannover und der Princeton University ins Leben gerufen worden. Anna Iljas und Paul Steinhardt sind von der Idee der zusätzlichen Dimensionen im Universum zu einer Kosmologie des zyklischen Universums gekommen. Es wird hier nicht mehr von dem Urknall im eigentlichen Sinne ausgegangen, sondern von einer vorhergehenden Periode, die das Weltall zur Kontraktion veranlasst hat. Aus dieser Kontraktion prallt es quasi (rebound) in einen neuen Zyklus der Expansion, in unseren Kosmos hinein.
Anna Iljas hat den Durchmesser des zusammengezogenen vorhergehenden Universums berechnet und kommt auf einen Wert von 10-25 cm. Wobei das Prallen mehr ein sanfter Übergang in ihrer Theorie ist. [Bührke, 2020, S. 48ff]
Lisa Randall (Harvard University) dagegen beschreitet einen anderen Weg. Ihr Forschungsschwerpunkt liegt in der Frage, ob nicht weitere Raumdimensionen existieren, sie bezieht sich dabei auf die Grundlage des Standardmodells der Teilchenphysik. Eng verbunden damit ist die Suche nach supersymmetrischen Teilchen, die quasi eine Raumzeitsymmetrie begründen. In einer früheren Arbeit hatte sie 1999 mit Raman Sundrum eine zusätzliche fünfte Dimension vorgeschlagen. In dem Modell gibt es zwei vierdimensionale Branes. Eine davon entspricht unserem Universum. Die zweite Brane ist kompaktifiziert und wirkt auf unser Universum nur durch die Gravitation. Das ganze Modell geht auf die Kaluza-Klein-Theorie eines fünfdimensionalen Universums mit einer Extradimension zurück.
Einen ganz ungewöhnlichen Weg geht Renate Loll von der Radboud-Universität. Sie beschäftigt sich mit Bewegungsgesetzen der Quanten und stellte bei geringen Abständen in der Nähe der Planck-Länge eine Verminderung der Raumzeit-Dimensionen von vier auf zwei fest. Ursache dafür sind elementare Quantenüberlagerungen, die zu diesen Veränderungen führen.
In diesem Kapitel nähern wir uns dem ersten komplexen Thema von einer ganz anderen Seite. Es geht um eine Extradimension. Wie kann es zu einer solchen Extradimension überhaupt kommen? Betrachten wir das Photon, das sich mit der Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, so weist es keine erkennbare Ausdehnung auf. Kann dann das Photon etwas mit dieser Extradimension zu tun haben?
Wenn ein jedes Photon in ein Universum der vierten Dimension als Extradimension hineinpassen soll, ergibt sich eine Vielzahl von Fragen:
Eine der Fragen kann schnell beantwortet werden: Energie selber braucht keine Ausdehnung, sondern erfährt eine Zunahme auf beliebig kleinem Raum. Und nicht nur unterhalb der Planck-Größen lösen sich Raum und Zeit auf, sondern auch bei 1032 K tritt eine Verwerfung der Raumzeit mit ihren Dimensionen auf. Sie, die Dimensionen, lösen sich auf. [Anregung – Kaku, 1995, S. 259]
Nach und nach sollen die weiteren Fragen beantwortet werden. Um sich den Antworten zu nähern, schauen wir uns folgenden Fall in einem Gedankenexperiment an: Wir beschleunigen einen idealisierten, masselosen Probekörper mit einer definierten Länge in einem Koordinatensystem K‘. Dann wird, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Probekörpers, an der beobachtbaren Länge aus Sicht des ruhenden Koordinatensystems K des Beobachters eine Kontraktion, die Lorentz-Kontraktion beim Probekörper, zu beobachten sein. Beschleunigen wir den Probekörper auf Lichtgeschwindigkeit, dann würde er eine Länge von Null erreichen.
Doch halt. Jetzt würde der Einwand eines Lesers kommen, dass diese Länge nur scheinbar aus Sicht der Beobachtungsebene auf null reduziert werden würde. Tatsächlich gibt es seit vielen Jahren die Diskussion darüber, ob eine Lorentz-Kontraktion real ist oder nicht. Dabei spielt die Position des Beobachters eine entscheidende Rolle in den Koordinatensystemen. Auch gibt es in diesem Zusammenhang eine Einstein-Kontraktion, die aber als scheinbare Kontraktion angesehen wird und keine Rolle spielt. [Selleri et al., 1998, S. 133ff]
Doch in der Realität entscheidet die Wahrscheinlichkeit, welche Effekte real eintreten werden und welche nicht. So werden im Cern bei Genf Myonen und andere Teilchen auf weit mehr als 99,9 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Dabei macht sich die Lorentz-Kontraktion so stark bemerkbar, dass bei den Messungen die Kontraktion berücksichtigt werden muss. [wissenschaft.de, 2011]
Oder auch bei der Beschleunigung von Elektronen auf über 99,9 % der Lichtgeschwindigkeit. Die relativistischen Längenkontraktionen erlauben eine höhere Dichtekonzentration der Teilchen im Experiment. [Schulz, 2019]
Die Konsequenzen für die weitere Betrachtung sind elementar, weil der Probekörper damit von dem dreidimensionalen Zustand in einen zweidimensionalen Zustand durch die Lorentz-Kontraktion überführt wurde.