Willkommen in der Planckwelt

Die Gravitation und ihre Rätsel

IZ: Willkommen in Potsdam , der Gaststadt der Internationalen Stringkonferenz 99. Was halten Sie eigentlich von der Super-Stringtheorie ?

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

Symmetrie. Als erste vereinheitlichende Theorie vermeidet sie mathematische Unendlichkeiten. Sie enthält 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 mit der Lösung mathematischer Probleme beschäftigt. 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 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 andere Theorie , die von der herrschenden Lehre anerkannt wird und die das Potential hat, endlich die Quantentheorie mit der Allgemeinen Relativitätstheorie zu vereinen. .

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 . Was steckt nach Ihrer Meinung hinter der Dunklen Materie ?

Autor: Lassen Sie mich mit den beiden Begriffen Mikrogravitation und Makrogravitation anfangen. Die Mikrogravitation umfasst als unteres Extrem die Masse der Elementarteilchen, die Makrogravitation als oberes Extrem die Schwarzen Löcher. Sie sind 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: Wenn man die elektrische Wechselwirkung zwischen Elektronen und Protonen mit der gravitativen Wechselwirkung vergleicht, stimmt das auch. Aber am Anfang war der Wasserstoff ! Beim Wasserstoffatom wird die elektromagnetische Ladung abgeschirmt. Die positive Ladung des Protons und die negative Ladung des Elektrons sind exakt gleich . Es gibt keinen Ladungsüberschuss. So konnte bei den riesigen Wasserstoffwolken am Anfang der Welt nur die Gravitation wirken. Die Gravitationskraft verdichtete die Wasserstoffwolken, bis dann die Wasserstoff-Fusion zündete und die Sterne entstanden. Gravitation spielte in der Welt des Allerkleinsten am Anfang schon eine wichtige Rolle.

IZ: In Ihrer Planckwelt-Theorie hat die Masse thermodynamischen Ursprung !

Autor: Ja, zu den wichtigen thermodynamischen Größen der Physik gehören Temperatur und Entropie . Bis jetzt hat niemand versucht, die Entropie zu quantisieren, so wie das bei der Wirkung und bei der elektrischen Ladung mit Erfolg gemacht wird. Entropie und das Entropiequantum, die Boltzmannkonstante, werden in der herrschenden Lehre wenig beachtet . Die Konstante wird in vielen populärwissenschaftlichen Büchern noch nicht einmal erwähnt.

Wird die Entropie quantisiert, kommt man wie durch ein Wunder zum gesuchten Massenspektrum 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 Massenspektrum 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 aus einer Mischung aus d-, s- und b – Quark und durch diese Mischung wird die Masse des d-Quarks größer als die Masse des u-Quarks. Und diese Quarkmischung ist abhängig von der Temperatur des Vakuums.

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

Autor : Nach Einstein leben wir in einer 4-dimensionalen gekrümmten Raumzeit. 1917 war für Einstein das Universum noch statisch. 10 Jahre später hatte Hubble die Spektren entfernter Sterne und Galaxien untersucht. Die dabei entdeckte Rotverschiebung deutete er als Ausdehnung des Universums. Als dann in den 70-iger Jahren die kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt wurde , hat sich die Theorie vom heißen Urknall durchgesetzt. Nach dieser Theorie beginnt die Evolution des Kosmos bei der ultraheißen Plancktemperatur mit der unendlichen Krümmung der Raumzeit. Das Universum kühlt ab und dehnt sich dabei aus. In unserer Zeit nach 13.7 Milliarden Jahren ist das Universum flach, d.h.. die Krümmung ist fast 0.

IZ: Das heißt ja, dass sich die Krümmung der Raumzeit kontinuierlich ändert und das es einen Änderungsparameter geben muss. Und dieser Parameter begründet eine neue Dimension. Ein Vergleich wäre z.B. ein Foto , das statisch den Raum beschreibt . Viele Fotos sinnvoll aneinander gereiht ergeben einen Film . Mit der Bewegung kommt eine neue Dimension hinzu, die Zeit. Die Zeit ist der Änderungsparameter.

Autor: Das ist ein gutes anschauliches Beispiel . Wir benötigen auch für die Änderung der Krümmung der Raumzeit einen neuen Änderungsparameter und das ist die kosmische Temperatur. Wir leben in einer 5-dimensionalen Raumzeit mit 3 Raumdimensionen und 2 Zeitdimensionen . In diesem Zusammenhang betrachtet Prof. Atkins von der Universität Cambridge die Temperatur als imaginäre Zeit.

IZ: An den Gedanken, dass die Temperatur eine Dimension neben Raum und Zeit ist, muss man sich erst gewöhnen. In der Schule lernen wir, dass die Temperatur etwas mit Molekülschwingungen zu tun hat.

Autor: Das stimmt. Der Begriff der Temperatur muss weiter gefasst werden. Die Temperatur ist ein Maß für ungeordnete Schwingungen, die durch eine imaginäre Frequenz gemessen werden , oder was dasselbe ist durch den Kehrwert einer imaginären Schwingungsdauer. Denken wir nur an das Brodeln des Quantenvakuums. Virtuelle Teilchenpaare entstehen ständig und ihre Zerfallsdauer ist so lang wie es die Unbestimmtheitsrelation von Heisenberg zulässt.

IZ: Es ist ja nicht von der Hand zu weisen, dass es zwei verschiedene Arten von Zeitbegriffen gibt. Einstein hat sich viele Gedanken über die Zeit gemacht. Nach Einstein ist Zeit das , was eine Uhr misst .

Autor: Und es gibt ja zwei unterschiedliche Uhren. Es gibt einmal die Pendeluhren, die die Zyklusdauer messen und zum anderen die Sanduhren, die eine Halbwertszeit messen. Es gibt die reversible Zeit der Schwingungen und die irreversible Zeit des Zerfalls.

IZ: Fassen wir zusammen : Es gibt eine 5. Dimension, in der sich die Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit ändert. Und diese 5. Dimension ist die Temperatur des Quantenvakuums. Wenn wir das Licht von einem Quasar auffangen, der 10 Milliarden Lichtjahre entfernt ist, dann existierte dort ein Quantenvakuum mit einer unvorstellbar hohen Temperatur. Dieses Quantenvakuum ließ ganz andere Massen- und Energieformen zu. Jetzt kommen wir dem Rätsel der Dunklen Materie schon näher.

Autor: Betrachten wir 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 Gaswolken von superschweren Wasserstoffatomen, die aus uus –Quarks bestehend könnten. Das s-Quark zerfällt dann zum d-Quark und sendet dabei Röntgen- Strahlung im nicht sichtbaren Bereich aus! Das ist natürlich spekulativ , aber es vermeidet auf jeden Fall das LSP, das kleinste supersymmetrische Teilchen, das ja auch spekulativ ist und erst entdeckt werden muss .

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 .

Higgs-Mechanismus

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 originellen Erklärungen.

Die Schöpfung im Labor