Wissen: Die 10 größten physikalischen Rätsel unserer Zeit
Als Max Planck Ende des 19. Jahrhunderts gegenüber einem Physikprofessor den Wunsch äußerte, Physik zu studieren, bekam er zu hören, dass im Grunde genommen alles bekannt sei. In der Physik gebe es nur noch unbedeutende Lücken zu schließen. Planck ließ sich nicht abschrecken und revolutionierte als Mitbegründer der Quantenphysik unser Bild von der Welt.
Mittlerweile ist unbestritten: Die Physik ist noch lange nicht am Ende. Je umfangreicher das Wissen, desto größer die Rätsel! Das sind unsere zehn Favoriten unter den größten Rätseln der Physik:
Aus dem All prasseln ständig unzählige winzige Teilchen auf uns nieder. Darunter befinden sich auch ein paar wenige, die mit verblüffend hoher Energie hier anrauschen. Wissenschaftler waren bei ihrer Entdeckung im Jahr 1991 so dermaßen erstaunt, dass sie die Teilchen "Oh-My-God-Teilchen" beziehungsweise "OMG-Teilchen" tauften. Ihr Ursprung ist rätselhaft und ihre Energie erschreckend hoch: Sie übertrifft diejenige gewöhnlicher Teilchen aus dem All um etwa das 20-Millionen-Fache. Von einem OMG-Teilchen getroffen zu werden, würde sich anfühlen, als bekäme man einen hart geschlagenen Baseball ab. Glücklicherweise sind die Teilchen sehr selten und werden zudem frühzeitig durch die Atmosphäre abgebremst.
Die kosmische Strahlung stammt zumeist aus der Atmosphäre von Sternen, Supernova-Explosionen oder diversen hochenergetischen Prozessen. Als Ursprung für die OMG-Teilchen vermuten Astrophysiker bestimmte Galaxien oder Kerne von Galaxien, so genannte Quasare. Vor Kurzem entdeckten sie, dass die Teilchen tatsächlich aus der Richtung eines bestimmten Galaxienhaufens zu kommen scheinen. Stammten die Teilchen aber wirklich von dort, würden sie auf ihrer Reise zur Erde zu viel Energie verlieren und hier nicht mit dieser rasanten Geschwindigkeit ankommen – ein offensichtlicher Widerspruch.
Über Hochtemperatursupraleiter grübeln Forschern seit Entdeckung dieser Materialien vor 27 Jahren: Sie leiten Strom ohne Widerstand, und das bei Temperaturen, bei denen dieses Phänomen eigentlich nicht auftreten sollte.
Wenn elektrischer Strom durch unsere Kabel fließt, geht immer ein Teil der Energie verloren. Nicht so bei Supraleitern: Sie leiten ohne Energieverlust, sofern man sie extrem weit unter null Grad kühlt. Das zu Grunde liegende Prinzip ist – im Gegensatz zu Hochtemperatursupraleitung – verstanden. Es basiert auf der Bildung von Elektronenpaaren, so genannten Cooper-Paaren. Solche Paare können sich bei sehr tiefen Temperaturen bilden und ohne Widerstand durch das Leitermaterial wandern. Bei Hochtemperatursupraleitern vermuten Physiker zwar ähnliche Mechanismen, aber ein exaktes Modell konnten sie bis heute nicht präsentieren. Doch selbst wenn man das Phänomen verstehen würde, wäre der Einsatz dieser Stromleiter begrenzt. Der Begriff "Hochtemperatur" ist relativ zu sehen: Die Umgebungstemperaturen, bei denen sie supraleitende Eigenschaften aufweisen, sind immer noch sehr niedrig, sie liegen bei minus 140 Grad Celsius und kälter. Dennoch könnten Hochtemperatursupraleiter zukünftig, zumindest innerhalb spezieller Anwendungen, zu einer Alternative für herkömmliche Leiter werden. Und wer weiß, vielleicht eröffnen sich neue Möglichkeiten, hat man erst einmal ihr Funktionsprinzip verstanden.
Es klingt ungeheuerlich: ein dunkles Loch, das alles auf mysteriöse Art und Weise verschluckt. Astrophysiker nennen sie Schwarze Löcher, wissen aber nicht genau, wie sie diese Gebilde physikalisch beschreiben können. Sie entstehen, wenn ein sehr massereicher Stern seine Energie verbraucht hat und auf Grund der Gravitation in sich zusammenfällt. Gemäß der Relativitätstheorie verformt diese unglaublich verdichtete Masse den Raum und die Zeit so stark, dass alles auf Nimmerwiedersehen "verschluckt" wird. Hier lauert ein großes Problem. Denn ein Schwarzes Loch wäre dann in der Lage, Informationen zu vernichten. Die Quantenmechanik behauptet aber, dass jede da gewesene Information, sprich ursprüngliche Teilchenkonfiguration, stets aus den Endprodukten rekonstruiert werden kann. Was, wenn das Endprodukt aber einfach weg ist? Information würde dann unwiderruflich verloren gehen. Schon manch einen Physiker hat dieses Paradoxon an der Existenz von Schwarzen Löchern zweifeln lassen. Andere wiederum spekulieren, dass durch eine sehr starke Verformung der Zeit und des Raums geschlossene Raumzeitschleifen entstehen könnten. Diese würden vielleicht Zeitreisen ermöglichen. Visionäres Forschertreiben oder doch nur Sciencefiction? Schwarze Löcher bleiben ein ungeklärtes und faszinierendes Kapitel der Physik.
Turbulenzen – also Verwirbelungen von Flüssigkeiten oder Gasen – haben sich als unglaublich harte Nuss für Physiker erwiesen. Seit vielen Jahrzehnten suchen sie ein theoretisches Modell, das solche turbulente Bewegungen vollständig beschreiben kann. Ohne Erfolg. Und dabei sind Turbulenzen ein so alltägliches Phänomen: wenn der Wind bläst, das Wasser auf dem Herd kocht oder wir die Milch im Kaffee umrühren. Alle turbulenten Bewegungen sind Teil der nichtlinearen Dynamik, zu der auch die Chaosforschung gehört. Systeme dieser Art sind extrem empfindlich. Kleine Störungen oder minimal veränderte Bedingungen am Anfang können zu einem völlig veränderten Verhalten führen. Das macht es (bislang) unmöglich, die Entwicklung einer turbulenten Bewegung langfristig vorherzusagen. Physiker fahnden jedoch geduldig weiter nach den universellen Gesetzen, die allen Turbulenzen innewohnen. Denn eine allgemein gültige Beschreibung wäre von großer Bedeutung, könnte sie doch in unterschiedlichsten Bereichen Anwendung finden: bei der Wettervorhersage, der Minimierung des Luftwiderstands, bei kompliziert geformten Fahrzeugen oder gar bei der Erforschung der Galaxienbildung.
Ohne die Schwerkraft gäbe es unser Universum nicht – doch ihre Wirkungsweise ist bis heute nicht abschließend geklärt. Dabei wirkt sie so offensichtlich: Sie hält uns auf der Erde, die Planeten auf ihren Umlaufbahnen und die Galaxien zusammen. Dass sich Massen gegenseitig anziehen, hatte schon Isaac Newton Ende des 17. Jahrhunderts erkannt. Nach Einsteins Relativitätstheorie ist es jedoch etwas komplizierter: Die Schwerkraft wirkt nicht direkt zwischen Körpern, sondern die Masse eines Körpers verformt zunächst nur den Raum und die Zeit. Das Universum besitzt demnach lauter Dellen und Ausbuchtungen. Körper streben zu Dellen hin, was sich für uns schließlich in der Anziehung von Massen zeigt. Um diese Theorie zu verifizieren, suchen Physiker nach so genannten Gravitationswellen. Diese sollten von beschleunigten Massen abgestrahlt werden, sich mit Lichtgeschwindigkeit im Raum ausbreiten und diesen strecken und stauchen. Bislang fand man jedoch nur indirekte Hinweise auf ihre Existenz.
Ungeklärt ist darüber hinaus, ob es ein Austauschteilchen der Gravitation gibt, welches quasi als Träger der Kraft fungiert – ähnlich wie es bei den übrigen drei physikalischen Grundkräften der Fall ist. Einige Theorien postulieren dafür das so genannte Graviton. Da die übertragene Kraft allerdings sehr gering ist, gelang es bislang nicht, die Existenz von Gravitonen auch tatsächlich nachzuweisen. Weshalb die Schwerkraft so schwach im Vergleich zu den anderen drei Grundkräften ist, können die Physiker ebenfalls nicht nachvollziehen – diese Tatsache führt gar zu erheblichen Problemen in physikalischen Modellen. Lauter Fragen, kaum Antworten. Die Schwerkraft ist und bleibt bis auf Weiteres rätselhaft!
10, 11 oder gar 26 – wer bietet mehr? Fast scheint es, als überträfen sich Physiker in ihren Modellen mit der Anzahl an Dimensionen. Doch wie sehen diese aus? Es ist nur schwer vorstellbar, dass neben den drei Raumdimensionen oben-unten, vorne-hinten und links-rechts noch weitere Dimensionen existieren. Albert Einstein war der Erste, der erkannte, dass man die Zeit als vierte Achse dem bis dahin dreidimensionalen X-Y-Z-Koordinatensystem hinzufügen muss, um die Wirklichkeit mathematisch korrekter zu beschreiben. Diese vierdimensionale Raumzeit war eine Revolution in der Physik.
Eine Fortsetzung hat es bislang nicht gegeben: Keine einzige weitere Dimension konnte experimentell nachgewiesen werden. Doch das hält Physiker nicht davon ab, schon fast inflationär zusätzliche Dimensionen einzuführen. So unterschiedlich die Theorien, so verschieden die Anzahl: Kommt die Stringtheorie noch mit zehn Dimensionen aus, so benötigen die M-Theorie und Schleifen-Quantengravitation schon elf und die Bosonen-Stringtheorie gar 26. Für ein Konzept der Wirklichkeit wäre es indes sehr hilfreich, die exakte Anzahl der Dimensionen und deren Auswirkungen auf die Welt zu kennen. Aber bislang versteht man noch nicht einmal die Natur der vierten Dimension, der Zeit.
Sonne, Mond und Sterne – die uns vertrauten Himmelskörper sind längst nicht alles, was sich im Universum tummelt. Dem bisherigen Erkenntnisstand nach besteht unser Universum nur zu etwa fünf Prozent aus der uns vertrauten Materie. Für diese Annahme sprechen astronomische Phänomene: Zum Beispiel würde die Fliehkraft die rotierenden Galaxien sofort auseinandertreiben, wäre da nicht eine unsichtbare Materie, welche die Galaxien zusammenhält. Wie diese so genannte Dunkle Materie aussieht, weiß man nicht. Denn außer indirekt – durch ihre Gravitationswirkung – konnte sie bislang nicht nachgewiesen werden. Astronomen gehen davon aus, dass sie ungefähr 27 Prozent zur Masse des Universums beiträgt.
Der größte Anteil der Masse wird hinter einer bislang unbekannten Energieform vermutet. Als Folge der Gravitationswirkung von Massen müsste sich das Universum immer langsamer ausdehnen. Doch das Gegenteil ist der Fall. Forscher spekulieren, dass eine treibende Kraft hinter der immer schnelleren Expansion steckt, die so genannte Dunkle Energie. Sie wirkt der Gravitation entgegen und bläst das Universum stetig weiter auf. Da man Energie immer auch als Masse betrachten kann, lässt sich der Beitrag der Dunklen Energie zur Gesamtmasse des Universums berechnen: Sie steuert ungefähr 68 Prozent bei. Das Universum ist also voll von Materie, die sich nicht nur unserer Wahrnehmung, sondern bislang auch allen ausgeklügelten Nachweismethoden verschließt!
Wäre es nicht schön, eine einzige Theorie zu haben, aus der sich alle physikalischen Gesetze ableiten lassen? Viele berühmte Physiker, darunter auch Einstein, fanden diese Vorstellung nicht nur verlockend, sondern sogar plausibel. Ihre Suche nach dieser einen "Weltformel" war jedoch vergeblich. Trotzdem sind auch heutzutage noch viele Wissenschaftler davon überzeugt, dass es eine einzige vereinheitlichende Theorie geben müsse oder zumindest könnte. Der erste große Schritt wäre eine so genannte "Grand Unified Theory" (GUT). Sie soll aus einer einzigen elementaren Kraft drei der vier physikalischen Grundkräfte ableiten: (i) die elektromagnetische, (ii) die schwache Wechselwirkung, die bei Zerfalls- und Umwandlungsprozessen beteiligt ist, und (iii) die starke Wechselwirkung, die die Atomkerne zusammenhält. Da diese drei Kräfte eine ähnliche mathematische Struktur aufweisen, vermuten Physiker, dass die Existenz der GUT wahrscheinlich sei.
In der eigentlichen Weltformel oder "Theory Of Everything" (TOE) müsste man zusätzlich noch die vierte Kraft, die Schwerkraft, unterbringen. Die Erwartungen an die TOE sind hoch: Sie soll etwa die Natur der Dunklen Materie und der Dunklen Energie sowie viele Phänomene bei der Entstehungsgeschichte unseres Universums erklären. Heiße Kandidaten für eine Weltformel sind die M-Theorie (eine verallgemeinerte und erweiterte Stringtheorie) und die Schleifenquantengravitation. Beide Theorien stehen jedoch noch vor wesentlichen Problemen und sind weit davon entfernt, als allumfassende Beschreibungen dienen zu können. Es ist eben beschwerlich, nach etwas zu suchen, von dem man nicht weiß, ob es tatsächlich existiert.
Es mag wie Zauberei klingen: Teilchen, die sich an mehreren Orten gleichzeitig befinden oder über die Ferne miteinander verbunden sind. Bei quantenmechanischen Teilchen ist das jedoch Realität und wird als Nichtlokalität und Verschränkung bezeichnet. Letzteres wurde von Einstein spöttisch als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet, da zu seiner Zeit die genannten Phänomene nicht vereinbar mit der bis dahin gültigen Physik waren. Bei der Verschränkung sind zwei Teilchen, die ehemals als Paar auftraten, auch nach ihrer räumlichen Trennung miteinander verbunden. Messungen an einem Teilchen wirken sich unmittelbar, ohne Zeitverzögerung, auf den Zustand des anderen Teilchens aus.
Für quantenmechanische Teilchen lassen sich überdies keine exakten Positionen angeben. Stattdessen liefert eine mathematische Formel lediglich die Wahrscheinlichkeit, mit der sich ein Teilchen an den verschiedenen Orten im Raum befindet. Die quantenmechanische Wirklichkeit ist also eine Überlagerung vieler Zustände. Solche Phänomene wurden vielfach in Experimenten nachgewiesen, und die Quantenmechanik hat auch die passenden theoretischen Modelle geliefert. Dennoch weiß niemand, inwiefern quantenmechanische Phänomene tatsächlich Teil unserer Realität sind und welche Konsequenzen das hätte: Ist vielleicht alles miteinander verbunden? Und gibt es gar parallele Universen, in denen all die quantenmechanisch möglichen Zustände realisiert werden? Unter Physikern führten derartige Spekulationen schon zu viel Streit. Fest steht jedoch: Die Quantenmechanik zeigt uns die Grenzen unseres Verstands auf. Vermutlich hat die Welt eine völlig andere Struktur, als wir auf Grund unserer Alltagserfahrung zu meinen glauben. Dies wäre eine mögliche Erklärung, wieso uns gewisse Dinge wie Zauberei erscheinen.
Wie fing alles an, und wie geht es zu Ende? Existieren Anfang und Ende überhaupt? Mit diesen Fragen beschäftigen sich nicht nur Philosophen. Für Physiker ist sowohl die Entstehungsgeschichte als auch die Zukunft des Universums vielleicht das elementarste Rätsel der Physik. Die Urknalltheorie gilt als relativ gesichert, und sie besagt, dass alles – also Materie, Raum und Zeit – aus einem unglaublich dichten Punkt, einer so genannten Singularität, entstanden ist. Doch auch wenn viele Indizien für diese Theorie sprechen, ist eine physikalische Beschreibung für diesen Urzustand bislang nicht gefunden worden, genauso wenig wie für die allerersten Sekundenbruchteile nach dem "Big Bang". Bei der Frage nach dem Schicksal unseres Universums ist es um eine konkrete Antwort nicht besser bestellt. Sicher ist: Momentan breitet es sich aus. Aber wie lange noch, ist ungeklärt. Möglicherweise hört es niemals auf. Vielleicht strebt das Universum aber auch auf ein stationäres Endstadium zu, oder es erfolgt gar eine Umkehr des Prozesses der Expansion. Die Folge von Letzterem wäre eine erneute Verdichtung des Universums – möglicherweise wieder auf eine Singularität. Und vielleicht beginnt dann alles wieder von vorne. Dies würde zumindest nahelegen, was vor dem Urknall einmal war.
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