WRINT Wissenschaft: Fragen und Antworten (1)

Holger Klein und ich plaudern ja schon seit Anfang des Jahres regelmäßig über Wissenschaft. Die bisher veröffentlichten Folgen könnt ihr hier nachhören. In den Kommentaren zu den Sendungen gab es auch immer wieder Fragen von Hörerinnen und Hörern. Wir probieren natürlich immer, ein paar davon in der Sendung zu beantworten, aber für alle ist leider nie Zeit. Damit es keinen allzu großen Rückstau an Fragen gibt, werde ich also nun – wie in der letzten Sendung angekündigt – die noch unbeantworteten Fragen hier bei mir im Blog durcharbeiten. Sollte ich irgendeine Frage vergessen habe (kann durchaus passieren, dass ich mal eine Email verschludere oder einen Kommentar übersehe), dann sagt bitte Bescheid!

Frage von Hermann: „Woher kommt der ganze Sand (Wüsten, Strände), also kleiner als Kiesel? Alles schon vorhanden vor der Evolution wegen Erosion ? Auf vegetationsfreien Planeten kommt feinkrümeliges Gestein ja auch häufig vor.“

Antwort: Ich bin natürlich kein Geologe, aber der Sand entstand aus festem Gestein, wie zum Beispiel Granit. Durch Verwitterung und Erosion wird das Material zerkleinert. Das kann einerseits physikalisch (Wind, Wasser, etc) erfolgen und andererseits auch chemisch (also zum Beispiel durch Kohlensäure u.ä.) – für Details siehe hier. Mit der Evolution hat das eigentlich nichts zu tun; der Sand entsteht überall dort, wo es entsprechende Prozesse gibt. Dazu braucht es nicht mal ne Atmosphäre oder Wasser. Auch der Mond ist ja mit einer Schicht aus „Sand“ bedeckt, dem Regolith. Der entstand im Laufe der Jahrmilliarden durch die ständigen Einschläge von großen und kleinen Meteoriten, die das Mondgestein zerkleinert haben. Es gibt zwar auch Sand, der aus Kalkschalen von Lebewesen entstanden ist – aber Sand kommt auch von ganz allein überall dort, wo man genug Steine und Zeit übrig hat.

Frage von J!: „Was wisst ihr über Graphen, Kohlenstoffnanoröhren und deren möglichen Einsatzgebiete (Akkus, Weltraumlifte)“

Antwort: Na ja, über Graphen an sich weiß ich vermutlich nicht mehr als jeder andere halbwegs informierte Mensch. Die moderne Materialphysik ist ein ziemlich kniffliges Thema, in das man als Laie (und zu denen zählt man auch als Astronom) kaum Einblick hat. Aber Graphen scheint wirklich ein ziemlich cooles Material zu sein, von dem man sich viel verspricht. Ich hab früher mal fürs Fraunhofer Forschungsblog ein paar Ergebnisse zusammengefasst: hier und hier (und ein Video gibts hier. Und was den Weltraumlift angeht: Da sind interessanterweise die Leute hier bei mir zuhause in Jena intensiv mit der Materialforschung beschäftigt: siehe hier und hier.

Frage von Christoph: „Mit welchen Methoden versucht man [am LHC] diese kurzlebigen Teilchen nachzuweisen? Wie lange existieren diese?
Wie detektiert ein Sensor/Detektor etwas so kleines?“

Antwort: Die kurzlebigen Teilchen selbst kann man auch gar nicht nachweisen, da sie eben zu kurzlebig sind. Die können schon 10^-25 Sekunden nach der Entstehung wieder zerfallen sein. Und auch die Teilchen in die sie zerfallen, können wieder zerfallen. Messen kann man nur die stabilen Teilchen, die am Ende übrig bleiben. Das geschieht mit einer ganzen Batterie an Meßgeräten, zum Beispiel Kalorimeter und Übergangsstrahlendetektoren. Und dann muss man natürlich rechnen und herausfinden, welche zerfallende Teilchen die beobachteten Spuren erzeugen können. Ich habe das hier schon mal genauer erklärt.

Frage von Christoph: „Wo sind die Unterschiede zwischen Linear- und Ringbeschleuniger? Hat der Linearbeschleuniger mehr Vorteile außer das er günstiger ist?
Aus welchen Gründen entscheidet man sich für welches Design?“

Antwort: Bei Ringbeschleunigern kann man die Teilchen immer wieder im Kreis herum beschleunigen und sie so sehr schnell und damit auch sehr energiereich machen. Damit bekommt man dann stärkere Kollisionen und kann energiereichere Teilchen erzeugen. Andererseits hat man bei Teilchen auf gekrümmten Bahnen die Synchrotronstrahlung, die wieder zu einem Energieverlust führt. Man muss von Fall zu Fall entscheiden, was für die konkrete Aufgabe besser ist. Das Thema wird im Buch „Die Vermessung der Welt“ von Lisa Randall erklärt, das wir gerade hier im Blog-Buchklub besprechen.

Frage von Christoph: „Warum wird ein Ringbeschleuniger tief in der Erde vergraben?“

Antwort: Damit die Störstrahlung aus der Umgebung möglichst klein gehalten wird. Es kommen ja auch ständig hochenergetische Teilchen aus dem All auf die Erde (die kosmische Strahlung) die hier mit allem möglichen Zeug kollidieren. Das kann man nicht so einfach abschirmen; da lässt sich nicht einfach ein dicker Bleimantel um den Beschleuniger bauen. Da braucht es wirklich eine dicke Schicht Gestein.

Frage von Christoph: „Kurz nach dem Urknall hat sich das Universum/Raum schneller als das Licht ausgedehnt? Stimmt das überhaupt? Wie geht das?“

Antwort: Ja, das stimmt – zumindest nach all dem was man heute weiß. Ich habe hier darüber geschrieben. Mit der Relativitätstheorie hat das nichts zu tun; die sagt nur was darüber, wie schnell sich Licht im Raum ausbreitet und besagt, dass sich keine Information schneller als das Licht übertragen lässt. Der Raum selbst kann sich mit beliebig hoher Geschwindigkeit ausdehnen, wenn er das möchte.

Frage von Christoph: „Ich sitze in der „Mitte“ und beobachte 2 Sterne welche sich beide von mir, entgegengesetzt mit jeweils 0,7c von mir entfernen. Warum kann/darf jemand auf dem einen Stern nicht sagen das sich der andere Stern von ihm mit 1,4c wegbewegt?“

Antwort: Das kann man sagen und das darf man sagen. Aber trotzdem bewegt sich bei dieser Konstellation nichts schneller als Licht durch den Raum und genau darum geht es. Scheinbare Überlichtgeschwindigkeit gibts immer wieder mal. Siehe auch dieses Video.

Frage von Christoph: „Angeblich gibt es nach der String Theorie mehrere/unendliche viele Universen. Ist diese eine Möglichkeit in der String Theorie oder eine zwingende Schlussfolgerung?“

Antwort: DIE Stringtheorie gibt es nicht; dazu weiß man noch zu wenig über die dahintersteckende Mathematik. Aber so wie die Stringtheorie derzeit verstanden und interpretiert wird, folgt das Multiversum direkt daraus. Ich empfehle dazu diese Artikelserie.

Frage von Christoph: „Habe am 30C3 einem Vortrag gelauscht wo es um Antriebssysteme im Weltraum ging. Ein (theoretischer) war folgender: https://en.wikipedia.org/wiki/Alcubierre_drive Was hat es damit auf sich? Schneller als Licht ?“

Antwort: Seufz. Ja, dieser Alcubieere-„Antrieb“ geistert schon lange durch die Welt und taucht immer wieder mal auf um zu „beweisen“, dass wir bald á la Raumschiff Enterprise durch die Gegend fliegen können. Nur hat das halt nichts mit einem „Antrieb“ zu tun, wie man sich das vorstellt. Das ist keine Maschine, die man irgendwo einbauen kann. Das ist höchst spekulative Physik, die darauf basiert, dass es irgendeine Art von besonderer Materie gibt, von der bis heute noch niemand weiß, was das für Materie sein soll, ob das Zeug überhaupt existieren kann, wie man es kriegt, wenn es existiert usw. Und selbst dann ist es illusorisch zu glauben, man könnte so einfach einen Warp-Antrieb bauen. Oder stabile Wurmlöcher u.ä. (da gibts genau die gleichen Probleme). Überlichtschnelle Raumfahrt ist wichtig für die Science-Fiction. In der Realität wird es aber nicht funktionieren (siehe auch hier).

Frage von Lukas: „Wie kommt es, daß die Erde nach so vielen Milliarden Jahren nicht einfach abkühlt und aushärtet?

Antwort: Die Erde ist VERDAMMT groß! Und war früher verdammt heiß. Das dauert, bis so eine riesige Kugel auskühlt. Außerdem ist da ja noch der aktive Erdkern, der die Sache am Laufen hält. Durch den hohen Druck und die Energie der vielen radioaktiven Elemente im Erdinneren, ist es dort ziemlich heiß. Der Erdkern hat knapp 6000 Grad und das ist so heiß wie die Oberfläche der Sonne. Wäre die Erde kleiner, wäre sie früher ausgekühlt. Aber angesichts ihrer Größe ist sie heute immer noch heiß und wird das auch noch ne Zeit lang bleiben…

Frage von Lukas: „Warum erzeugen physikalische Gesetze Muster – von der Doppelhelix der DNA, über die Symmetrie eines Blattes bis hin zur spiralförmigen Galaxie.“

Antwort: Sorry, aber manche Fragen sind zu umfassend, als das ich sie mal eben beantworten könnte. Ich müsste hier jetzt mindestens ein paar Seiten Aufsatz über Biologie, Physik und jede Menge andere Themen schreiben und dazu fehlt mir einfach die Zeit. Einerseits ist da jede Menge selektive Wahrnehmung dabei. Es gibt eben NICHT nur spiralförmige Galaxien, sondern auch irreguläre, sphärische, elliptische, usw. Es gibt jede Menge Chaos überall in der Natur und Unregelmäßigkeiten, aber wir konzentrieren uns eben mehr auf die Muster. Andererseits steckt die Symmetrie auch in den mathematischen Gesetzen selbst drin, siehe zum Beispiel hier oder hier.

Frage von BrEin: „Gibt es einen astronomischen Aspekt, worauf sich später die Tierkreiszeichen beziehen? Mir ist klar, dass die Tierkreiszeichen sich irgendwie auf die Sternbilder beziehen und die Astrologen diese übernommen und verklärt haben. Aber warum 12 und warum diese 12?“

Antwort: Na ja, früher existierte die Trennung zwischen Astronomie und Astrologie noch nicht so wie heute. Den Unterschied zwischen den astronomischen Sternbildern und den astrologischen Tierkreiszeichen habe ich hier erklärt. Die Sternzeichen sind genau die Sternbilder, die sich entlang der Ekliptik befinden, also der gedachten Linie entlang der sich die Sonne scheinbar um die Erde bewegt. In dieser Region bewegen sich auch die Planeten über den Himmel und das war für die Astrologie wichtig. Und 12 deswegen, weil das die Zahl der Monate war, die sich die Babylonier – von denen die Astrologie die Sternzeichen übernommen hat – für ihren Kalender ausgedacht haben. Und das haben sie deswegen gemacht, weil das (fast) der Zahl der komplettierten Mondzyklen entspricht, die in einem Umlauf der Erde um die Sonne passen. Ein Monat entspricht ja auch heute noch in etwas dem Zeitraum zwischen Neumond und Neumond…

Frage von Fabian: „Wie funktioniert das mit dem Welle-Teilchen-Dualismus? Wie kann man sich das vorstellen?“ (Hab die Frage gekürzt, das war eine ziemlich lange Mail, aber darauf läuft es hinaus)

Antwort: Diese Sache mit dem Dualismus sagt nicht, dass ein Teilchen sich manchmal in ne Welle verwandelt und umgekehrt. Oder das ein Ding ein welliges Teilchen oder eine teilchenartige Welle ist. Der Welle-Teilchen-Dualismus sagt genau genommen gar nichts darüber aus, was ein Ding IST, sondern nur, wie man es beschreiben kann. Und manchmal funktioniert es eben besser, wenn man sich etwas als Teilchen vorstellt und beschreibt; manchmal ist es besser, wenn man es sich als Welle vorstellt und beschreibt. Das heißt aber nicht, dass es sich dann jeweils um ein Teilchen oder eine Welle handelt. Simpel gesagt: Am besten stellt man sich Elektronen, Photonen, etc als „Dingens“ vor und dieses Dingens und je nachdem wie man das Dinges betrachtet verhält es sich manchmal wie eine Welle und manchmal wie ein Teilchen ohne dabei Teilchen oder Welle zu sein. In der modernen Quantenmechanik beschreibt man die „Dingense“ sowieso ganz anders und zwar durch Felder. Es gibt kein Elektron-Teilchen und keine Elektron-Welle, sondern ein Elektron-Feld, dass sich durch den gesamten Raum zieht. Dort, wo das Feld entsprechend angeregt ist, sehen wir etwas, das für uns wie ein Elektron aussieht. Diese Anregung kann sich entlang des Feldes bewegen und das interpretieren wir als sich bewegendes Teilchen oder sich ausbreitende Welle; je nachdem.

Frage von Peter: „WWas passiert mit Licht, das sich in „Richtung des Randes“ ausbreitet und diesen erreicht? Weiter mit Lichtgeschwindigkeit ins Nirwana geht nicht, da dass einer sich beschleunigenden Ausdehnung widerspricht. Wird es abgebremst – was ja auch irgendwie nicht sein kann? Den „Rand“ überholen geht aber auch nicht, da das Universum „dahinter“ nicht existiert.“

Antwort: Ich verstehe die Frage nicht ganz. Es gibt keinen „Rand“ des Universums. Wie weiter oben bei der Frage von Christoph schon erläutert, kann sich der Raum selbst ausdehnen, so schnell er möchte. Und das Licht breitet sich eben mit Lichtgeschwindigkeit aus. Von überall nach überall. Man muss auch zwischen dem gesamten Universum und dem beobachtbaren Universum unterscheiden. Das hat Martin Bäker hier sehr schön erklärt. Vielleicht hilft das bei der Frage?

Frage von Peter: „Warum müssen die Teilchen [am LHC] so schnell sein?“

Antwort: Je schneller sie sind, desto mehr Energie steckt drin. Und je mehr Energie drin steckt, desto mehr Energie wird bei der Kollision frei und steht zur Erzeugung neuer Teilchen zur Verfügung. Dabei muss man berücksichtigen, dass sich die Geschwindigkeiten nicht normal addieren, sondern relativistisch (siehe hier). Daraus folgt, dass man eben nicht nur beide Teilchen auf 0,5c beschleunigen kann, weil sie dann schon mit c zusammenprallen würden. Man kann da im Prinzip beliebig viel Energie reinstecken – man bräuchte unendlich viel Energie um ein Teilchen auf c zu beschleunigen. Das läuft nicht linear…

Frage von Markus: „Ist es möglich dass der Urknall gleichzeitig den Anfang unseres und das Ende eines vorangegangenen Universums darstellt? Wäre es zumindest theoretisch möglich, dass diese Beschleunigung irgendwann zum Erliegen kommt und sich umkehrt?“

Antwort: Tatsächlich hat man lange gedacht, dass die Expansion des Alls irgendwann zum Stillstand kommen und sich umkehren kann. Das hing von der gesamten Menge an Masse und Energie im Universum ab. Mittlerweile weiß man aber, dass sich das All immer schneller ausdehnt (das nennt sich dunkle Energie) und sich immer weiter ausdehnen wird. Es kann aber theoretisch trotzdem sein, dass der Urknall gleichzeitig Anfang und Ende war. Diese These nennt man das „ekpyrotische Universum“ und es ist eine Folgerung aus bestimmten Varianten der Stringtheorie. Demnach ist unser Universum nur eines von vielen Universen die sich durch einen höherdimensionalen Raum bewegen und dabei auch kollidieren können. Man hat ausgerechnet, dass so eine Universumskollision ziemlich genau so aussieht, wie das, was wir als Urknall beobachten. Solche Kollisionen können auch periodisch stattfinden, wenn die Universen immer wieder aneinander abprallen und sich dann wieder nahe kommen (in meinem Buch „Krawumm!“ habe ich darüber ausführlicher geschrieben).

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Wenn ihr noch weiter Fragen habt (oder bessere Antworten wisst als ich!), dann sagt Bescheid! Holger und ich werden natürlich probieren, sie in der Sendung zu beantworten. Aber wenn es dort nicht klappt, dann mache ich das wieder hier im Blog. Aber es wäre nett, wenn ihr jetzt nicht gleich gewaltige Fragenkataloge schickt – dann kann es nämlich auch hier ein wenig länger dauern. Und schaut vielleicht auch nach, ob die Frage vielleicht nicht sowieso schon beantwortet wurde.

Bis zur nächsten Sendung von WRINT Wissenschaft. Die wird es vermutlich schon heute Abend bzw. in den nächsten Tagen geben!