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Willkommen in der Planckwelt

Das Rätsel der Gravitation

IZ: Willkommen in Potsdam , Gaststadt der Internationalen Stringkonferenz 99. Heute wollen wir uns über

das Geheimnis der Gravitation unterhalten. Die Gravitation und ihre Vereinbarkeit mit der Quantentheorie war ja

eines der beherrschenden Themen auf dieser Konferenz. Was halten Sie eigentlich von der Super-Stringtheorie ?

Autor: Die Superstringtheorie und ihre Nachfolgetheorie die M-Theorie ist eine reine mathematische Theorie höchster

Symmetrie. Sie vermeidet als erste vereinheitlichende Theorie mathematische Unendlichkeiten und sie beinhaltet ein Teilchen mit dem Spin 2 h , das mit dem Graviton gleichgesetzt wird. Die Elementarteilchen des Standardmodells , die Quarks, die Leptonen und die Bosonen werden als Anregungen von Strings gesehen. Es gibt bis jetzt keinerlei Anzeichen, dass das Massenspektrum der Elementarteilchen von diesen elementaren Strings abgeleitet werden kann. Vielmehr sind die Physiker in mathematische Probleme verstrickt. Es wird sogar behauptet, dass die Mathematik zur Lösung der komplizierten Gleichungen erst erfunden werden muss. Das ganze nimmt schon ptolomäische Ausmaße an.

IZ: Doch immerhin umfasst die Gemeinde der String-Theoretiker weitweit 3000 hochintelligente Physiker. Populärwissenschaftlichen Bücher und populärwissenschaftliche Fernsehsendungen verkünden die Stringtheorie als

die Weltformel des 21. Jahrhunderts .

Autor: Das ist nicht zu leugnen. Es gibt derzeit keine bessere Theorie , die von der herrschenden Lehre anerkannt wird.

Aber wenn die Stringtheorie und die M-Theorie ohne Thermodynamik die Strukturen der Welt , einschließlich der lebenden Materie als der komplexesten Struktur unseres Universums, erklären soll, kommen mir die Zweifel.

Wie soll aus vibrierenden Strings eine Struktur entstehen ?

IZ: Die Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein ist die bislang erfolgreichste Theorie , um die Gravitation zu beschreiben. Einstein führt die Gravitation auf die Krümmung der Raumzeit durch Massen und Energien zurück . Er setzt die Masse mit der Energie gleich. Die Masse selbst nimmt er wie Newton als gegeben hin. Er hat für die Masse keine Erklärung. Die AR kann in unserem Sonnensystem die Bewegung der Planeten exakt berechnen, und sie liefert genaue Resultate dort, wo die Theorie von Newton versagt. So beschreibt sie die Periheldrehung des Merkur und erklärt die Wirkung von Gravitationslinsen. . Aber die Allgemeine Relativitätstheorie kann nicht die Rotationskurven der Sterne in unserer Galaxie und erst recht in den anderen Galaxien voraussagen. 90 % der Masse fehlen, um die Bewegung der Sterne in den Galaxien exakt beschreiben zu können. Das ist als das Geheimnis der Dunklen Materie bekannt . Wie erklären sie Masse und Gravitation mit Ihrer Weltformel A/h = S/k ? Was ist Dunkle Materie ?

Autor: Es gibt die Mikrogravitation und die Makrogravitation, für beide gilt es, einen einheitlichen Massebegriff zu definieren.

Die Mikrogravitation umfasst als unterstes Extrem die Masse der Elementarteilchen, die Makrogravitation als oberstes Extrem die Schwarzen Löcher , als die Objekte reinster Gravitation .

IZ: Bei den Elementarteilchen spielt doch die Gravitation überhaupt keine Rolle. Die Physik der Elementarteilchen wird von den drei anderen Wechselwirkungen bestimmt, der starken, der schwachen und der elektromagnetischen Wechselwirkung .

Autor: Diese Meinung kommt daher, weil man immer die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Protonen vergleicht.

Am Anfang war der Wasserstoff und beim Wasserstoffatom wird die elektromagnetische Ladung abgeschirmt, so dass bei den riesigen Wasserstoffwolken am Anfang der Welt nur die Gravitation wirken konnte. Die Gravitationskraft verdichtete die Wasserstoffwolken bis dann die Wasserstoff-Fusion zündete und die Sterne entstanden. Gravitation spielte in der Welt des Allerkleinsten also schon eine wichtige Rolle.

IZ: Für Sie hat die Masse ja thermodynamischen Ursprung !

Autor: Ja, die Entropie gehört für mich zu den wichtigsten Größen der Physik. Nur hat bis jetzt niemand versucht, die Entropie zu quantisieren, so wie man das bei der Wirkung oder auch bei der elektrischen Ladung mit Erfolg tut. Entropie und ihr Elementartquantum die Boltzmannkonstante spielen in der herrschenden Lehre eine nebensächliche Rolle . Die Konstante wird in vielen populärwissenschaftlichen Büchern noch nicht einmal erwähnt.

Wird die Entropie quantisiert, kommt man wie durch ein Wunder zum gesuchten Massespektrum der Elementarteilchen. Die einzigen Anomalien sind die Massen des u- und des d-Quarks, die auf andere Effekte hinweisen. Und in dieser Anomalie liegt aus meiner Sicht auch der Schlüssel zum Geheimnis der Dunklen Materie .

IZ: Jetzt wird es interessant ! Können Sie diese Anomalie näher erklären ? Im berechneten Massespektrum der Planckwelttheorie ist die Masse des d-Quarks kleiner als die Masse des u-Quarks. Das widerspricht der Realität.

Autor: Das stimmt !. Das u-Quark muss die kleinste Quarkmasse haben, sonst wäre das Proton nicht beständig. Das d-Quark besteht daher aus einer Quarkmischung aus d-Quark, s-Quark und b – Quark und damit wird die Masse des d-Quarks größer als die Masse des u-Quarks. Und diese Quarkmischung ist abhängig von der Temperatur des Vakuums. Sie ist eine gleitende Konstante in der 5. Dimension.

IZ: Und was hat das mit dem Rätsel der Dunklen Materie zu tun ?

Autor : Einstein hat uns gelehrt, dass wir in einer 4-dimensionalen Raumzeit leben. Wenn wir das Licht von einem Quasar empfangen, der 10 Milliarden Lichtjahre entfernt ist, dann sehen wir den Quasar, so wie er vor 10 Milliarden Jahren ausgesehen hat. Doch wir leben in einer 5-dimensionalen Raumzeit , in 3 Raumdimensionen und in 2 Zeitdimensionen . In der einen Zeitdimension haben wir die reversible Zeit der Pendeluhren, die die Zyklusdauer messen und in der anderen Zeitdimension haben wir die irreversible Zeit der Sanduhren, die die Halbwertszeit messen. Prof. Atkins von der Universität Cambridge hat uns gelehrt, dass die irreversible Zeit imaginär ist und dass die absolute Temperatur gleichzusetzen ist mit dieser imaginären Zeit.

Zurück zum Quasar: Der Quasar existiert in einem ultraheißen Vakuum . Die Temperatur , die vor 10 Milliarden Jahre herrschte, lässt sich berechnen.

Übertragen wir das Bild auf die Galaxien, die Millionen Lichtjahre entfernt sind. Röntgensatelliten haben jetzt entdeckt, dass Galaxien von einem Halo von Röntgengas umgeben ist. Dieses Röntgengas hat eine Temperatur von 1 Million °C. Bei dieser Temperatur des Vakuums ist eine ganz andere Quarkmischung stabil. Wir haben superschwere Wasserstoffatome, bestehend aus uus –Quarks, in Röntgen-Gaswolken mit Spektren im nicht sichtbaren Bereich !

IZ: Wie sieht es bei der Makrogravitation aus ? Spielt dort die Thermodynamik auch eine wichtige Rolle ?

Autor: Es gehört zu den großen Entdeckungen der 70-iger Jahre des 20. Jahrhunderts , bei den Schwarzen Löchern thermodynamische Gesetzmäßigkeiten zu finden. Als Erster formulierte Bekenstein das Gesetz, dass die Fläche des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs mit der Entropie des Schwarzen Lochs gleichzusetzen ist. Massen, die durch das Schwarze Loch verschlungen werden, werden zerdrückt und verlieren ihre Struktur . Information wird hinter dem Ereignishorizont vernichtet. Gleichzeitig vergrößert sich im gleichen Maße die Fläche des Ereignishorizonts. In der Theorie von Bekenstein wird das Flächenelement des Ereignishorizonts als das Quadrat der Plancklänge angegeben. Auch in dieser Theorie kommt die Quantenstruktur der Entropie zur Wirkung.

IZ: Damit wird ja die Masse sowohl im Mikrokosmos als auch im Makrokosmos auf die gleiche thermodynamische Grundlage gestellt. Ihnen ist ja bekannt, dass das derzeitige Standardmodell der Elementarteilchen bei der Erklärung der Masse auf den Higgs-Mechanismus angewiesen ist .

Autor: Auch hier kommen mir die Zweifel. Selbst wenn 2007 mit dem LHC am CERN das Higgs-Boson mit statistischer Sicherheit nachgewiesen werden sollte - die theoretische Bandbreite ist ja vorgegeben - , wird man immer noch nicht in der Lage sein, die Stärke der Kopplung an die Elementarteilchen zu berechnen. Das Massespektrum der Elementarteilchen , und das ist ja letztendlich das Ziel, wird sich nicht erklären lassen. Die Planckwelt-Theorie leistet das durch die Quantisierung der Entropie auf einfache Art und Weise.

IZ: Noch zum Schluss eine pikante Frage . Warum ist das Licht masselos ?

Autor: Für Einstein blieb Licht bis zu seinem Tode ein ungelöstes Rätsel. Berühmt ist auch seine Gleichung E= hv. Sie zeigt , Licht besteht aus kleinen diskreten Energiepaketen und Licht ist reine Wirkung. Man kann sogar einen neuen Dualismaus postulieren zwischen Licht und Schwere. Der eine Pol ist das trägheitslose Licht, der andere Pol ist die träge Schwere. Die anderen beiden Wechselwirkungen, die schwache und die starke Wechselwirkung sind zwischen diesen Polen.

Die schwache Wechselwirkung können Sie auch als schweres Licht sehen. Wenn Sie beim elektromagnetischen Licht-Spektrum in Richtung höherer Frequenzen gehen, kommen Sie von den Radiowellen , über das sichtbare Licht zu den harten Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Diese Strahlen sind harte Strahlen mit Teilchencharakter. Geht man weiter , dann entstehen echte Teilchen, Elektronen und Neutrinos als Leptonpaare, die beta-Strahlung. Da schweres Licht den Ladungserhaltungssatz verletzt, muss nach dem CPT-Theorem zusätzlich die Parität und die Zeitumkehr verletzt werden. Verletzung der Zeitumkehr bedeutet , dass die Zeit irreversibel wird, und bei einem irreversiblen Prozess wird Entropie erzeugt. Diese Entropie wird im vorhandenen skalaren Temperaturfeld in Masse umgewandelt. So kommt das W-Boson zu seiner Masse . Die schweren Lichtteilchen ( W-Bosonen, Z-Bosonen) zerfallen nach kurzer Zeit in Leptonpaare oder in Quark-Antiquarkpaare.

Die Gluonen als Träger der Farbkraft und als Träger der starken Wechselwirkung sind im Raum gekrümmtes Licht und im Atomkern eingeschlossen.

Das Schwarze Loch ist Objekt reinster Gravitation. Das Licht in einem Schwarzen Loch ist so stark gekrümmt, dass es nicht aus dem Ereignishorizont entweichen kann.

IZ: Damit wäre elektromagnetisches Licht ja das Gegenteil von Gravitation, also Antigravitation ! Haben Sie auch hierfür ein Beispiel ?

Autor: Ja, betrachten Sie die Pflanze ! Sie bewegt sich mit ihrem Wachstum gegen die Schwerkraft , dem Sonnenlicht entgegen.

IZ: So kann man es auch sehen. Danke für Ihre interessanten und nicht alltäglichen Erklärungen. Die Brücke in unserer kleine Stadt haben wir ja jetzt fertiggestellt. Vielleicht kommt irgendwann der Tag, dass ein Physiker die ersten Gehversuche über die Brücke macht und feststellt : Die Brücke der Planckwelt hält !