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Wie ein expandierendes Universum erzeugt werden kann

Wenn man Raum und Zeit erhitzt, kann ein expandierendes Universum entstehen – ganz ohne Urknall. Diesen Phasenübergang zwischen einem leeren Raum und einem expandierenden Universum, das Masse enthält, konnte ein Forschungsteam nun berechnen. Dahinter liegt ein bemerkenswerter Zusammenhang zwischen Quantenfeldtheorie und Einsteins Relativitätstheorie.

Kochen mit Raum und Zeit

Aus dem Alltag kennen wir Phasenübergänge nur von Stoffen, die zwischen festem, flüssigem und gasförmigem Zustand wechseln. Allerdings können auch Raum und Zeit selbst solche Übergänge durchmachen, wie die Physiker Steven Hawking und Don Page schon 1983 zeigten. Sie berechneten, dass aus leerem Raum bei einer bestimmten Temperatur plötzlich ein Schwarzes Loch werden kann.

Lässt sich bei einem ähnlichen Prozess aber auch ein ganzes Universum erzeugen, das sich kontinuierlich ausdehnt, so wie unseres? Diese Frage stellte sich Daniel Grumiller vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien gemeinsam mit Kollegen aus Harvard, dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Universität Edinburgh. Das Ergebnis: Tatsächlich scheint es eine kritische Temperatur zu geben, bei der aus einem völlig leeren, flachen Raum ein expandierendes Universum mit Masse wird. „Die leere Raumzeit beginnt gewissermaßen zu kochen, es bilden sich Blasen, eine von ihnen expandiert und nimmt schließlich die gesamte Raumzeit ein“, erklärt Daniel Grumiller.

 Daniel Grumiller erhitzt die Raumzeit - zumindest am Papier. Foto: TU Wien
Daniel Grumiller erhitzt die Raumzeit – zumindest am Papier. Foto: TU Wien

Das Universum muss dabei rotieren – das Kochrezept für ein expandierendes Universum lautet also: Erhitzen und umrühren. Diese Rotation kann allerdings beliebig gering sein. Bei den Berechnungen wurden vorerst nur zwei Raumdimensionen berücksichtigt. „Es gibt aber nichts, was dagegen spricht, dass es in drei Raumdimensionen genauso ist“, meint Grumiller.

Das Phasenübergangs-Modell ist nicht als Konkurrenz zur Urknalltheorie gedacht. „In der Kosmologie weiß man heute sehr viel über das frühe Universum – das zweifeln wir nicht an”, sagt Grumiller. “Aber für uns ist die Frage entscheidend, welche Phasenübergänge in Raum und Zeit möglich sind und wie die mathematische Struktur der Raumzeit beschrieben werden kann“.

Auf der Suche nach der Struktur des Universums

Die Theorie ist die logische Fortsetzung  einer 1997 aufgestellten Vermutung, der sogenannten „AdS-CFT-Korrespondenz“, die seither die Forschung an den fundamentalen Fragen der Physik stark beeinflusst hat: Sie beschreibt einen merkwürdigen Zusammenhang zwischen Gravitationstheorien und Quantenfeldthorien – zwei Bereiche, die auf den ersten Blick gar nichts miteinander zu tun haben. In bestimmten Grenzfällen lassen sich Aussagen der Quantenfeldtheorie in Aussagen von Gravitationstheorien überführen und umgekehrt.  Zwei ganz unterschiedliche physikalische Gebiete werden so in Verbindung gebracht, aber es mangelte bisher an konkreten Modellen, die diesen Zusammenhang belegten.

Letztes Jahr wurde von Daniel Grumiller und Kollegen erstmals so ein Modell aufgestellt (der Einfachheit halber in bloß zwei Raumdimensionen). Das führte schließlich zur aktuellen Fragestellung: Dass es in den Quantenfeldtheorien einen Phasenübergang gibt, wusste man. Doch das bedeutete, dass es aus Konsistenzgründen auch auf der Gravitatations-Seite einen Phasenübergang geben muss.

„Das war zunächst ein Rätsel für uns“, sagt Daniel Grumiller. „Das würde einen Phasenübergang zwischen einer leeren Raumzeit und einem expandierenden Universum bedeuten, und das erschien uns zunächst äußerst unwahrscheinlich.“ Die Rechenergebnisse zeigten dann aber, dass genau diesen Übergang tatsächlich gibt. “Wir beginnen erst, diese Zusammenhänge zu verstehen“, meint Daniel Grumiller. Welche Erkenntnisse über unser eigenes Universum wir dadurch ableiten können, ist heute noch gar nicht absehbar. (Quelle: idw)

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Verrückte Quanten bereiten klassischer Physik Niederlage

Quantenphysikalische Teilchen können an mehreren Orten gleichzeitig sein und hinterlassen dabei sogar Spuren. Das haben Physiker der Goethe-Universität in einem verblüffenden Experiment nachgewiesen, das Albert Einstein vor mehr als 80 Jahren anregte. Damals konnte sein wichtigster Kontrahent, der Physiker Niels Bohr, ihm lediglich Argumente entgegensetzten. Jetzt geben die neuen Experimente dem Dänen Recht.

FRANKFURT. Einstein hat Zeit seines Lebens die quantenphysikalische Aussage bekämpft, dass Teilchen – solange man sie nicht beobachtet – an mehreren Orten gleichzeitig sein können. Sein wichtigstes Gegenargument war: Die geisterhaften Teilchen müssten durch Zusammenstöße mit anderen Teilchen entlang ihrer Bahn eine sichtbare Spur hinterlassen. Eben diese Spur hat Dr. Lothar Schmidt in der Arbeitsgruppe von Prof. Reinhard Dörner am Institut für Kernphysik der Goethe-Universität nun gemessen.

Das klassische Experiment, das auch heutigen Physikstudenten noch Kopfzerbrechen bereitet, ist die Streuung quantenphysikalischer Teilchen am Doppelspalt. Solange es unbeobachtet ist, scheint jedes einzelne Teilchen durch beide Schlitze des Spalts zu gehen. Es bildet – ähnlich wie Wasserwellen – ein Interferenzmuster hinter dem Spalt. Dieses verschwindet aber, sobald man eine Information über den Weg des Teilchens zu gewinnen versucht.

Einstein argumentierte, man müsse gar nicht nachsehen, wo das Teilchen ist, denn es verrate seinen Ort indirekt, indem es beim Passieren des Spalts einen Impuls überträgt: Ginge es durch den linken Schlitz, erfahre das Beugungsgitter einen minimalen Stoß nach links, und entsprechend nach rechts, wenn es durch den rechten Spalt geht. Bohr konterte, auch das Beugungsgitter verhalte sich wie ein quantenmechanisches System, das heißt, es müsse gleichzeitig in beide Richtungen abgelenkt werden.

Dass diese verrückt klingende Vermutung tatsächlich richtig ist, haben Dörner und seine Mitarbeiter jetzt durch die Streuung von Helium-Atomen an einem „Doppelspalt“ nachgewiesen. Mit den Modellen der klassischen Physik lassen sich die gemessenen Ergebnisse nicht beschreiben. „Da wir bei dieser Versuchsanordnung nicht beobachten, durch welches Loch das Teilchen gegangen ist, passiert genau das, was Bohr vorhergesagt hat: Der Doppelspalt rotiert gleichzeitig mit und gegen den Uhrzeigersinn“, erklärt Schmidt. (Quelle: idw).

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Wo die Ufos herkommen

Tief im Inneren der hohlen Erde verborgen existiert eine geheimnisvolle Welt: Das Reich Panchala. Der Zugang liegt in der Antarktis im Gebiet von Neuschwabenland. Der Animationsfilm zeigt Szenen aus dem Leben in dieser Welt mit Ufos, Krabbis und seinen Bewohnern.

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Panchala: Abenteuer in der geheimnisvollen Welt der hohlen Erde – eine Parabel

Spontane Selbstentzündung: schauriger Spuk jetzt aufgeklärt?

(DailyNet) Es klingt wie ein unheimlicher Spuk, ist aber offenbar Realität: Die spontane Verbrennung von Menschen. Dabei verbrennen die Menschen angeblich plötzlich von innen heraus, indem sich im Körper Flammen bilden. Aber wie kommt es zu dieser spontanen Selbstentzündung, bei der die Umgebung seltsamerweise verschont bleibt? Ein Wissenschaftler aus Neuseeland glaubt, das Geheimnis jetzt gelüftet zu haben.Am bitterkalten 5. Dezember 1966 verließ Don E. Gosnell morgens sein Haus in Coudersport, der Kreisstadt von Pennsylvania, um wie üblich für die Gaswerke Zähler abzulesen. Sein erster Besuch galt dem bekannten und als Familienarzt beliebten Dr. John Irving Bentley, der sich mit 92 Jahren im Ruhestand befand. Im Haus des Doktors bemerkte er einen feinen blauen Rauch und ein etwa 1 Meter großes Loch in der Decke. Als er nach dem Doktor sehen wollte, fand er nur noch den Rest des Beines.

Hinter der schaurigen Geschichte verbirgt sich ein Phänomen, welches in der Literatur als spontane Selbstentzündung beschrieben wird. Meist verbrennen die gesamten Körper zu einem kleinen Haufen Asche, jedoch wird trotz der großen Hitzeentwicklung meistens kaum etwas außer dem Körper zerstört. Gelegentlich sind die Opfer in ihrer Kleidung verbrannt, ohne die Kleidung dabei zu beschädigen. Die genauen Ursachen für dieses Phänomen sind bis heute nicht geklärt.

Nicht jeder hat schon einmal von diesem Phänomen gehört. Doch in Mysterienkreisen ist es schon lange bekannt: Bei der spontanen Selbstentzündung oder kurz SHC („spontaneous human combustion”) brennen Personen auf einmal und nichts kann sie retten, bis sie zu einem Häufchen Asche verbrannt sind. Die Schädel sind nach der Verbrennung nicht zerplatzt, sondern geschrumpft. Außerdem fehlt meist jeglicher Brandgeruch. Ungewöhnlich ist auch die große Hitze, die nötig ist um einen menschlichen Körper zu verbrennen. In einem Krematorium muss über mehrere Stunden eine Temperatur über 1400°C aufrechterhalten werden. Aber eine spontane Selbstverbrennung geschieht meist in einem Zeitraum von wenigen Minuten. Deshalb ist auch sehr verwunderlich, dass die Umgebung dabei noch nicht einmal angekohlt wird. Und das ist auch das Interessanteste an diesem Phänomen. Deshalb wäre auch ein Anzünden nicht dasselbe wie eine spontane Selbstverbrennung, denn beim Anzünden wird auch die nähere Umgebung in Mitleidenschaft gezogen und das ist bei SHC nicht der Fall. Aber warum können Menschen auf einmal in Flammen aufgehen?

„Das Phänomen erinnert an ein plötzlich auftretendes Mikrowellenfeld”, erklärt Professor John Abrahamson von der University of Canterbury in Christchurch. Der Wissenschaftler hat die Entstehungsursachen der seltenen Kugelblitze erforscht. Ein großer Kugelblitz, so argumentiert er, könnte mit einem menschlichen Körper die gleiche Wirkung wie ein Mikrowellenherd hervorrufen.

Auch für die Entstehung eines Kugelblitzes hat der Forscher eine Erklärung. „Wenn der Blitz ins Erdreich trifft, können darin enthaltene Silikate und Kohlenstoffverbindungen zu Silizium reagieren”, argumentiert er. Danach müsse sich im getroffenen Gegenstand eine Art Röhre durch den Blitzschlag bilden. Aus dieser Röhre entweiche dann eine Blase gasförmigen Siliziums. Dies, so Abrahamson, könne man sich in etwa so vorstellen wie einen Raucher, der mit dem Mund Rauch ausstößt. Sich vor einem Kugelblitz zu schützen, dürfte nicht einfach sein. Denn wenn er selbst in Häuser eindringt, gibt es vor ihm wohl keinen absoluten Schutz, vor allem nicht vor Verbrennungen.

Quelle: Rolf Froböse, „Wenn Frösche vom Himmel fallen – die verrücktesten Naturphänomene”. (Wiley-VCH, 2007). Jetzt im Handel.