Planckton

Planckton

Die Wissenschaft ist ein ernstes Geschäft, aber gehört ihr deshalb das letzte Wort?

Auf Tuchfühlung mit dem Urknall

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Erst das Higgs, nun die B-Moden. Diese Entdeckung lässt uns weiter in die Vergangenheit des Alls schauen als jemals zuvor. Doch was wurde von Bicep2 genau gemessen und wie zuverlässig sind die Ergebnisse?

Beim gestrigen Mittagessen mit meinen astrophysikalischen Postdoc-Kollegen ließ die Frage nicht lang auf sich warten: “So, what do you think about the bicep2 discovery?”. Da wir alle an Phänomenen in großer zeitlicher Entfernung zum Urknall forschen, mussten wir schnell feststellen, dass uns durchaus nicht alle Details der Entdeckung und ihrer Konsequenzen vollkommen klar waren. Die Astrophysik ist schließlich ein so weites Feld, dass es für die Nicht-Kosmologen alles andere als trivial ist, was die Kollegen machen, die sich mit den Ursprüngen unseres Universums beschäftigen. Gottseidank bieten astrophysikalische Institute aber genügend Möglichkeiten, eben jene Kollegen abzufangen und ihnen all die Fragen zu stellen, die nach der eigenen Lektüre der die Entdeckung beschreibenden Veröffentlichung noch offen geblieben sind. Entsprechend verbrachte ich gestern nicht nur das Mittagessen mit Diskussionen über die Frühphase des Universums, sondern auch die nachmittägliche Teepause, um aufzuarbeiten, was am Montag an kosmologischen Neuigkeiten aus Cambridge in die Welt getragen wurde.

© F.A.Z.Ankündigung der Pressekonferenz zur Bekanntgabe einer „major discovery“, Screenshot

Dass etwas Besonderes kommen würde, war bereits am letzten Freitag klar, als die Ankündigung einer am Montag abzuhaltenden Erklärung am Harvard-Smithonian Center for Astrophysics zu einer “major discovery” im Netz die Runde machte. Was diese Entdeckung sein würde, wurde allerdings in bewundernswerter Weise geheim gehalten. Nicht einmal Wissenschaftler in nächster Nähe zum verantwortlichen Forschungsteam hatten eine Ahnung, worum es sich handeln könnte. Am Montag um 14:45 unserer Zeit war es dann soweit: „First Direct Evidence of Cosmic Inflation”, so der vielversprechende Titel der Präsentation. Die Übertragung der Präsentation im Webstream brach allerdings augenblicklich zusammen. Aus dem Titel des zeitgleich veröffentlichten Papers war zu entnehmen, dass die Bicep2 Kollaboration die Detektion von B-Moden Polarisation in der kosmischen Hintergrundstrahlung vermeldete.

Um zu verstehen was das heißt, muss man sich zunächst einmal mit dem Konzept der kosmischen Inflation auseinander setzen. Die kosmische Inflation beschreibt die Idee, dass das Universum sich sehr kurz nach dem Urknall, in einem Alter von etwa 10 hoch minus 38 Sekunden bis etwa 10 hoch minus 32 Sekunden, mit Überlichtgeschwindigkeit exponentiell ausgedehnt hat. Dieter Lüst veranschaulicht diese Ausdehnung in seinem Buch “Quantenfische” damit, dass das Anwachsen des Universums während der Inflation dem Anwachsen eines Zentimeters auf das Zehnmillionenfache der Größe der Milchstraße innerhalb eines Billionstels eines Billionstels eines Billionstels einer Sekunde entspricht. Dass so etwas kurz nach der Entstehung des Universums geschehen sein sollte, klingt nicht unbedingt naheliegend, zumal unklar ist, was die exponentiell schnelle Ausdehnung verursacht und auch wieder gestoppt haben könnte.

© dpaZeitpfeil: Vom Urknall bis heute.

Das im Vergleich dazu recht solide gesicherte kosmologische Wissen beginnt erst nach der Inflationsphase, als das Universum sich bereits auf eine Energieskala abgekühlt hatte, die durch das Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben werden kann. Das Universum bestand zu diesem Zeitpunkt aus einer heißen Mischung verschiedener Elementarteilchen und dehnte sich mit einer Geschwindigkeit aus, wie sie den Einstein’schen Feldgleichungen entspricht. Die weitere Entwicklung des Universums kann auf der Grundlage der ablaufenden Ausdehnung zusammen mit den bekannten Gesetzen der Mikrophysik erstaunlich gut rekonstruiert werden. Diese Rekonstruktion steht in Einklang mit empirischen Befunden, wie z.B. der beobachteten Anzahl von Neutrinofamilien und der Häufigkeit von Helium im Universum. Das sogenannte “Babyphoto” des Universums, die kosmische Hintergrundstrahlung, stammt aus einer noch sehr viel späteren Phase, etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall. Die Darstellung der Frühphase des Universums beginnt in vielen Lehrbüchern und Darstellungen daher oft erst bei einem Alter des Universums von einer knappen Sekunde unter Auslassung der Entwicklungsstufen, die sich empirisch bisher auf einer recht unsicheren Grundlage befanden.
Natürlich stellt sich daraufhin die Frage, warum man ein derart exotisches Konzept wie die Inflation überhaupt ins Spiel bringt, wenn die moderne Physik keine unverstandenen Größen einführen sollte, die nicht unbedingt notwendig sind. Benötigt wird die Inflation unter anderem deshalb, weil sie zwei massive Probleme der Kosmologie lösen kann. Das erste ist das Flachheitsproblem: Kosmologische Beobachtungen ergeben, dass das Universum geometrisch flach ist. Seine Energiedichte entspricht damit einem kritischen Wert, der in der Frühphase des Universums mit absurd wirkender Genauigkeit realisiert gewesen sein muss. Derartige Zufälle und Feinabstimmungen ohne eine tiefere Erklärung sind innerhalb der Physik inakzeptabel.

Das zweite prominente Problem ist das Horizontproblem. Die kosmische Hintergrundstrahlung, wie sie beispielsweise jüngst vom Planck-Satelliten gemessen wurde, zeigt ein junges Universum, das (bis auf geringe Schwankungen) in alle Richtungen gleich aussieht. Wenn sich das Universum immer gleichmäßig gemäß der Einstein’schen Feldgleichungen ausgedehnt hätte, würde sich dieser Bereich aber aus vielen kleinen Teilbereichen zusammen setzen, die aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit nicht kausal wechselwirken konnten, bevor die kosmische Hintergrundstrahlung entstand: Es konnte zwischen diesen Teilbereichen keine Information, Strahlung oder Materie ausgetauscht werden. Die Gleichförmigkeit der kosmischen Hintergrundstrahlung wäre demnach ebenfalls ein Rätsel. Die Inflation kann diese beiden Probleme lösen. Durch die exponentiell schnelle Ausdehnung werden Abweichungen von einer flachen Geometrie “glatt gebügelt” und ein kausal in Wechselwirkung stehendes Raumgebiet wird derartig aufgebläht, dass es den ganzen Bereich des für uns sichtbaren Universums einnehmen kann. Ein dritter, wichtiger Grund ist, dass man sich ohne die Inflation nicht erklären könnte, wie aus einem homogenen Universum, so wie es in den klassischen kosmologischen Modellen angenommen wird, Strukturen wie beispielsweise unsere Milchstraße entstanden sind.

© ESADie Existenz mehrerer Maxima im Powerspektrum der kosmischen Hintergrundstrahlung ist eine der Voraussagen der Inflationstheorie.

Bei aller theoretischer Eleganz blieb lange das Problem bestehen, dass man für die Existenz der Inflation keine wirklich belastbaren empirischen Anhaltspunkte hatte. Ein erster, wichtiger Erfolg des Inflationsmodells war es, als WMAP in der Vermessung der Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung in Übereinstimmung mit dem Inflationsmodell den zweiten akustischen Peak im Leistungsspektrum der Temperaturschwankungen detektieren konnte. In Bezug auf die kosmische Hintergrundstrahlung macht die Inflation eine weitere Vorhersage, nämlich, dass diese auf großen Skalen etwas einheitlicher als auf kleinen Skalen sein sollte – auch dies steht in Einklang mit den bisher verfügbaren Daten. Eine weitere, sehr zentrale Konsequenz des Inflationsmodells ist, dass die Phase der Inflation zur Aussendung von Gravitationswellen geführt haben muss. Der letztendliche Erfolg des Inflationsmodells ist entsprechend eng mit der Möglichkeit einer Detektion dieser Gravitationswellen verbunden. Eine solche Detektion kann indirekt durchgeführt werden anhand der Auswirkung der Gravitationswellen auf die kosmische Hintergrundstrahlung. “Die unmittelbarste Aussicht [primordiale Gravitationswellen zu detektieren] besteht auf der Grundlage der kosmischen Hintergrundstrahlung, und dies ist zum Kernstück aller zukünftigen Hintergrundstrahlungs-Experimente geworden”, ist entsprechend in der europäischen “Wissenschaftsvision” von 2007 zu lesen, in der die drängendsten Fragen der Astrophysik und mögliche Experimente zu deren Beantwortung vorgestellt werden.

Genau dies ist nun also dem BICEP2 Experiment gelungen. Um die Ergebnisse zu verstehen, ist also die Frage zu beantworten, wie die Inflation die kosmische Hintergrundstrahlung beeinflusst hat (eine schöne Zusammenfassung dazu findet sich im Blog von Sean Carroll). Die Inflation hat nicht nur die Raumzeit geglättet, sondern sie hat in der exponentiellen Ausdehnung der Raumzeit auch mikroskopische Störungen, konkret die quantenmechanischen Fluktuationen existierender Quantenfelder, aufgebläht. Entscheidend sind dabei zwei verschiedene Quantenfelder: Zum einen fluktuierte das Feld der Inflation selbst, das nach der Phase der Inflation in Strahlung und Materie umgewandelt wurde. Diese Fluktuationen sind daher als Dichtefluktuationen erhalten und sind in der kosmischen Hintergrundstrahlung als Temperaturschwankungen sichtbar. Zum anderen wurden Fluktuationen im Gravitationsfeld verstärkt, welche – verstärkt durch die Inflation – die bereits erwähnten Gravitationswellen darstellen. Diese Gravitationswellen führen zu einer Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung, das heißt sie veranlassen eine Ausrichtung der Schwingungsebene der elektromagnetischen Strahlung.

© Sky & TelesopeDie Polarisationsmuster von E-Moden und B-Moden

Dass die kosmische Hintergrundstrahlung tatsächlich eine leichte Polarisation aufweist, wurde erstmalig 2002 von einer Gruppe um John Kovac gezeigt, der nun auch federführend für die Bicep2 Beobachtungen verantwortlich ist. Die damals nachgewiesene Polarisation war allerdings nicht auf Gravitationswellen zurück zu führen, denn die kosmische Hintergrundstrahlung wird nicht nur durch die Schwankungen im Gravitationsfeld polarisiert, sondern auch durch Schwankungen im Dichtefeld wie sie durch Fluktuationen des Inflationsfeldes verursacht wurden. Beide Arten der Polarisation (grob gesagt: skalare E-Moden für die Polarisation aufgrund von Dichteschwankungen, Tensor B-Moden aufgrund von Gravitationswellen) kann man aber prinzipiell durch ihre räumliche Form unterscheiden: E-Moden sind stern- oder kreisförmig während B-Moden im Vergleich dazu eine Drehung beinhalten. Wenn man etwas über die durch die Inflation verursachten Gravitationswellen lernen möchte, muss man also nach B-Moden in der Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung Ausschau halten. Verkompliziert wird das Problem dadurch, dass E-Moden durch Gravitationslinseneffekte in B-Moden umgewandelt werden können, ein Effekt der ebenfalls bereits beobachtet werden konnte. Dass man aus B-Moden mehr über die Inflation lernen kann als aus E-Moden, liegt schließlich daran, dass man den Zusammenhang zwischen Dichtefluktuationen und Fluktuationen im Inflationsfeld nicht kennt, während die Stärke der Gravitationswellen direkt von der Energieskala der Inflation abhängt.

© ReutersDas Bicep-Teleskop und das 10m-South Pole Telescope.

Das am Südpol stationierte Bicep2 Experiment hat von 2010 bis 2012 einen kleinen Bereich der kosmischen Hintergrundstrahlung in Richtung des galaktischen Südpols bei einer Frequenz von 150 Gigahertz (knapp 2 Millimeter) beobachtet. Diese Himmelsregion ist besonders günstig gewählt, da hier nur sehr wenig Störstrahlung der Milchstraße auftritt. Die gemessene Polarisation wurde in E- und B-Moden zerlegt und als Funktion der Winkelskala des beobachteten Gebietes aufgetragen (grobgesagt geben die Winkel den Abstand derjenigen Punkte am Himmel an, die in der Analyse miteinander verglichen werden). B-Moden, die auf Gravitationswellen zurückzuführen sind, zeigen sich insbesondere auf großen Winkelskalen, die relativ wenig von der Polarisation durch E-Moden betroffen sind. Tatsächlich zeigen die Daten deutlich höhere Polarisationswerte auf diesen Skalen, als nur auf der Grundlage der Dichteschwankungen zu erwarten wäre. Modellierung der Daten ergibt ein Verhältnis (der sogenannte “r-Faktor”) zwischen Gravitationswellen (“Tensor”) und Dichteschwankungen (“skalar”) von 0.2 bei statistischer Signifikanz von 7 Sigma. Der Einfluss von durch die Inflation verursachten Gravitationswellen auf die kosmische Hintergrundstrahlung wäre damit zum ersten Mal nachgewiesen worden, und dies mit unerwartet hoher Amplitude: vorher war man von einem r-Faktor nahe bei Null ausgegangen, also einem sehr viel geringeren Anteil von Tensormoden im Vergleich zu skalaren Moden (An dieser Stelle steht die Entdeckung in vermeintlichem Widerspruch zu den bisherigen Ergebnissen der Planck-Mission. Es scheint aber Wege zu geben, diesen Widerspruch abzumildern bzw. aufzulösen, die nun auszuarbeiten sind). Das Paper endet mit dem Satz: “Die lange Suche nach Tensor B-Moden ist anscheinend beendet und eine neue Ära der B-Moden-Kosmologie hat begonnen”.

© BICEP2Von Bicep2 gefundenes B-Moden Muster

Tatsächlich bringt dieses Resultat nun viele Ansätze dafür, Theorien der Inflation auszusondern und weiter zu konkretisieren. Der r-Wert von 0.2 steht in Einklang mit den einfachsten Inflationstheorien, wie sie in den 80ern Jahren beispielsweise von Andrei Linde entwickelt wurden (hier sieht man die Reaktion Lindes auf die Entdeckung). Die Stärke der Gravitationswellen ermöglicht es, die Energieskala der Inflation festzulegen. Der Wert des r-Faktors setzt diese Energieskala sehr hoch an: sie liegt etwa 13 Größenordnungen über dem Energiebereich, den der LHC bei Genf zu erreichen vermag. Mit dieser Beobachtung scheint es demnach tatsächlich gelungen zu sein, Hinweise darauf zu bekommen, wie das Universum sich unvorstellbar kurz nach seiner Entstehung verhalten hat: unser Blick in die Vergangenheit des Universums hat sich entscheidend erweitert. Diese Informationen sind besonders wertvoll, wenn man verstehen will, wie eine vereinheitlichte Theorie der Quantengravitation aussehen könnte.

Bei aller Euphorie ist aber natürlich eine wichtige Frage, wie belastbar die Bicep2 Ergebnisse überhaupt sind. Die Messergebnisse wurden zunächst in sogenannten “Jackknife-Tests” auf experimentelle Fehler hin geprüft, indem Untermengen der Daten, die verschiedenen instrumentellen Einflüssen ausgesetzt waren, jeweils voneinander subtrahiert wurden. Der Einfluss von Synchrotron-Emission, die ebenfalls polarisiert ist und von beschleunigten Elektronen ausgesandt wird, wurde auf der Grundlage von WMAP-Messungen geprüft. Ein für das Ergebnis sehr kritischer Störeffekt ist die polarisierte Strahlung von interstellaren Staubteilchen, die bisher relativ schlecht verstanden ist. Hier betrachtete das Team verschiedene Modelle und prüfte die Messdaten auf eine mögliche Korrelation mit der modellierten Staubstrahlung. Eine solche Korrelation wurde nicht festgestellt, aber selbst wenn eine mögliche Polarisation durch Staub vom Signal abgezogen wird, bleibt der B-Moden Exzess bestehen, wenngleich etwas abgeschwächt bei einem r-Wert von 0.16. Besonders überzeugend wirken die Ergebnisse nicht zuletzt deshalb, weil die Korrelation der neuen Daten mit den Daten des Vorgängerexperiments Bicep1 zeigt, dass das detektierte Signal auch in den alten Daten zu finden ist und zwar nicht nur bei der von Bicep2 beobachteten Frequenz, sondern zusätzlich bei einer weiteren (100 GHz). Das Verhältnis der Signale bei diesen beiden Frequenzen scheint nicht damit kompatibel, dass sie durch die Emission von Staub erzeugt worden sind. Insgesamt scheint die Entdeckung also beeindruckend robust zu sein. Weiteres wird sich zeigen, wenn andere Experimente das Ergebnis gezielt zu reproduzieren versuchen.

© ESADas Planck-Teleskop – baldige Bestätigung der Bicep2 Entdeckung?

Ein Kandidat dafür wäre natürlich der Planck Satellit, der eigentlich selbst für die Entdeckung von B-Moden im Gespräch gewesen war. Dessen Polarisationsdaten befinden sich noch in der Auswertung. Da Planck mit seinen Beobachtungen den gesamten Himmel abdeckt und somit nicht primär auf die Entdeckung von B-Moden ausgerichtet ist, kann es allerdings sein, dass die Empfindlichkeit der Beobachtungen nicht ausreicht, um B-Moden zu detektieren. In jedem Fall wird die Bicep2-Entdeckung aber dazu führen, dass das Design geplanter Missionen nun sehr viel gezielter auf die physikalischen Anforderungen abgestimmt werden kann. Eine Kollegin aus Harvard, deren Büro direkt neben dem Saal liegt, in dem die Präsentation am Montag stattfand, stellte am Montag Abend fest, dass sie statt galaktischer Astrophysik vielleicht doch lieber Kosmologie oder Teilchenphysik als ihr Forschungsgebiet hätte wählen sollen. Ich glaube zwar nicht, dass sie ihre vergleichsweise handfesten Beobachtungen galaktischer Phänomene tauschen wollte gegen komplizierte Polarisationsanalysen, aber Recht hat sie: Zuerst das Higgs und nun die B-Moden. Die Zeiten könnten kaum spannender dafür sein, die hochenergetischen Ursprünge unseres Universums zu erforschen.

Many thanks to Nicolas Ponthieu for patiently answering my numerous questions and giving me valuable advice.

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27 Lesermeinungen

  1. Pingback: Allgemeines Live-Blog vom 16. bis 20. März 2014 | Skyweek Zwei Punkt Null

  2. Eins teilt sich in zwei
    Die „Überlichtgeschwindigkeit der Raumzeit“ selber, wäre das jetzt wieder eine andere Geschwindigkeit als die behauptete Instantanität zwischen verschränkten Quantenteilchen? Oder gibt es da einen Zusammenhang? Ich stelle die Frage aus einem ganz bestimmten Grund, die ich mir als Nichtphysiker selber nicht beantworten kann. Ich vermute nämlich, rein logisch hergeleitet, dass die Instantanität die verschränkten Quantenteilchen so aussehen lässt, als wären sie „eins“. Und angenommen, sie wären eins, ich rekurriere jetzt mal auf den Satz der Dialektik „eins teilt sich in zwei“, könnte es doch naheliegen, dass die „Überlichtgeschwindigkeit“ einer Raumzeit selber eine Illusion darstellt; analog der Annahme, dass es in der Quantenwelt weder Raum noch Zeit gibt, also auch keine messbare Geschwindigkeit. Und das könnte uns erklären helfen, warum die Annahme einer „Überlichtgeschwindigkeit einer Raumzeit selber“ eine eben solche Illusion wäre. Bzw. , es würde evtl. auch erklären helfen, dass alles, was nicht mit Lichtgeschwindigkeit zu erklären ist, gar keine Geschwindigkeit ist, sondern die Instantanität verschränkter Quantenteilchen darstellt. Damit wäre alles was schneller als Lichtgeschwindigkeit angenommen wird, gar keine Geschwindigkeit, sondern Quantenfluktuation. Und damit wäre die Raumzeit selber, die hier als schneller als Lichtgeschwindigkeit diskutiert wird, identisch mit der Quantenfluktuation. Und für mich, als Nichtphysiker wohlgemerkt, stellt sich das dann so dar, als wenn sich genau hier der Kosmos der kleinsten Teilchen mit dem Makrokosmos berühre (an dieser Stelle fällt mir die elegante Gleichung von Brian Greene ein: R = 1/R, Das elegante Universum). Ohne sich wirklich zu berühren. Denn sonst würde uns die einheitliche Theorie; die eine Theorie also, welche die Welt des unendlichen Kleinen und des unendlichen Großen aus „einem Guß“ erklärte, nicht solche Probleme bereiten.

    • Guten Tag Herr Binsack :)
      Das mit der Geschwindigkeit der Raumzeit ist in der Tat etwas verwirrend. Das gilt auch fuer das Unterfangen, eine Geschichte des Universums von 13.8 mrd Jahren zu erzaehlen – welche auch noch die Entfaltung der Raumzeit selber in sich einzuschliessen beansprucht (siehe die NASA-Illustration oben). Was ist wohl ein Jahr in Zeiten der „Inflation“? Aber wenn die Physik noch sagen will, was sie alles weiss, stoesst sie eben heute an die Grenzen der Sprache, was sich u.a. auch in dem Gebrauch von allerlei Metaphern und Bildern kundtut.
      Zu dem Buch von Greene gab es hier uebrigens von Ditmar Dath mal eine schoene Rezension, mit einem Titel, der das Dilemma des endlichen Verstandes ziemlich geistreich zum Ausdruck bringt: „Habe nun, ach, Stringtheorie …“.

    • Verschränkte Teilchen auch in der molekularen Welt?
      Guten Tag, Frau Ximera: Ja, das ist verwirrend. Aber ich bin ein sturer Hund; und ich will es wissen. Mich beschäftigt die Frage, was denn vor dem Urknall war/gewesen sein muss, schon sehr lange. Vor kurzem fiel mir sogar ein interessantes Buch in die Hände, und zwar von Brian Clegg: „Vor dem Urknall“, Eine Reise hinter den Anfang der Zeit.
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      Ziemlich unzufrieden machte mich der Versuch eines Kernphysikers aus Frankfurt vor Jahren, der behauptete, dass die Instantanität, wie wir sie bei verschränkten Teilchen „beobachten“, auch in der molekularen Welt vorkommen müsse. Mit Darwins Selektion und Mutation wäre diese Welt nicht so artenreich geworden. Nicht in der bekannten Zeit. Er sprach von Telepathie zwischen den verschränkten Molekülen. Mir wollte das damals etwas zu metaphysisch vorkommen, zumal mir da eine Anlehnung an die „Kreationisten“ durchzuschimmern schien, also die „unsichtbare Hand“ einer übersinnlichen Intelligenz.
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      Eine Option hieraus wäre hieraus auch, dass unser Kosmos in der Tat so etwas wie ein einziger lebendiger Organismus (vgl. „Gaja-Projekt“) ist. Und wir wären weniger das Subjekt hierin, als vielmehr dessen Parasiten. Merkwürdig nur, dass die Vertreter solcher Theorien nicht selten reaktionär sind. So verneigen sie sich vor dieser von ihnen behaupteten „intelligiblen Kreatur“ tiefer, als vor der intelligenten – dem Menschen –-, also dem Kreateur. Man müsse diesen Organismus u.U. von dessen Parasiten befreien, höre ich nicht selten aus dieser Ecke. Doch da fällt mir ein, was ich bei Hoimar von Ditfurth gelesen habe, in „Der Geist fiel nicht vom Himmel“; nämlich, dass das menschliche Gehirn, dessen ältesten Teile so alt seien wie die ersten Einzeller, nur durch den Einfluss von Viren möglich geworden ist. Viren sollen ja Lebewesen sein ohne eigenen Stoffwechsel, also eigentlich gar keine Lebewesen. Irgendwo vielleicht zwischen der physikalischen und der biologischen Welt angesiedelt. Somit weniger ein Parasit als eine Existenzweise, die in ihrem eigenen Kosmos zu leben scheint.
      .

      Und da fällt mir auch ein, was die klassische Homöopathie zur Rolle der Viren sagt. So sei z.B. die Entwicklung des Kindes, insbesondere dessen geistige Entwicklung an den Rhythmus der Kinderkrankheiten gekoppelt. Nach jeder erfolgreichen Überwindung einer Kinderkrankheit, wäre ein neuer Schub bei dem Kind zu beobachten. (Aus diesem Grund lehnt die Homöopathie die Impfungen ab!) Wie wäre es also, dass es hier weniger um die Überwindung der Viruserkrankung geht, als um den Einfluss des Virus selber? Und ich habe ganz persönlich den Eindruck gewonnen, dass Viren, wenn sie auftauchen, also Ursache von Erkrankungen geworden sind, gleichzeitig überall sind. Man kann sich kaum gegen sie schützen, ganz anders als bei Bakterien, zum Beispiel.
      Also hier wieder das vermutete Phänomen der Instantanität.
      .

      Und mir kommt dabei der Gedanke, dass wir womöglich alle in verschiedenen Kosmen leben, mehr nebeneinander als miteinander (und wenn miteinander, dann in Krisen – antagonistisch verbunden; also ganz und gar nicht als ein „einziger Organismus“, womit auch der „Kampf gegen die Parasiten“ erledigt wäre: alle Existenzweisen haben dieselbe Berechtigung zu existieren, in demselben Kosmos, der womöglich eh gar nicht der ein und derselbe ist!); und wir daher die Phänomene von Zeit und Raum, über diese Kosmen hinweg, nicht wirklich auflösen können.

      Und vielleicht sollten solche Beobachtungen viel ernster genommen werden, da als Wink mit dem Zaunpfahl dahingehend gar nicht mehr zu übersehen, nämlich, dass wir nicht innerhalb eines Uni-versums leben, sondern in den sprichwörtlichen Multi-versen?
      Unsere Perspektiven sind einfach nicht zu vereinen. So wie w i r Zeit verstehen, gilt vielleicht nur innerhalb unseres ureigenen Kosmos, also in des Menschen Kosmos. (Wie lange lebt eine Eintagsfliege aus der Perspektive einer Eintagsfliege?) Durch unseren Geist hindurch (analog dem Weg des Lichtes durch unsere Augen) geht nur das, was sich diesem Geist erschließt; also das, was dieser womöglich erst selber geschaffen hat. Und das scheint ja das Phänomen mit der Quantenphysik zu sein: wir messen nur etwas, was wir selber geschaffen zu haben scheinen, also im Akt des Messens selber angelegt zu sein scheint.

  3. Banausenhafte Frage ...
    … trotz Ehrfurcht gebietender Materie: Wie viel Geld fließt, ganz grob geschätzt, weltweit jährlich in solche Forschungen?

    • Zu wenig!
      Punkt.

    • Meinten Sie: Ausrufezeichen?
      !-)

    • Sehr wenig!
      Eine Gesamtsumme läßt sich da außerordentlich schwer angeben, weil die Abgrenzung sehr schwierig ist (wie genau definieren Sie „solche Forschungen“?).
      Aber um einmal eine Hausnummer zu nennen: die Gesamtkosten für ein richtig großes Satellitenprojekt wie das erwähnte „Planck“ liegen bei etwa einer Milliarde Euro (etwa der Preis für 10 Linienjets). Oder anders gerechnet ungefähr 2 Euro pro EU-Bürger.
      Das schließt Entwicklung und Bau des Satelliten und seiner Instrumente ein (inklusive einem Zwilling, der sicherheitshalber auch gebaut wird), den Start, die Überwachung der Mission und einen guten Teil der Datenverarbeitung.
      Das können Sie jetzt gerne vergleichen z.B. mit der EEG-Umlage, der Summe aus den Extra-(73-48)-Cent der Rundfunkgebühren, der Bankenrettung, der vermuteteten Summe auf Herrn Hoeneß‘ Spielgeldkonto oder was Sie wollen.
      Es handelt sich hier immer um Einzelprojekte, die in der Gesamtbilanz allenfalls eine Fußnote wert sind.

  4. Vielen Dank.
    Ich bin ein Amateur. Ich habe zwar Mathematik studiert, die Physik finde ich spannend ohne ein Physiker zu sein.

    Das Niveau Ihrer Erklärung liegt ein Wenig jenseits der Schwelle an der mein geistiger Horizont auf dem Gebiet endet und konnte diesen dadurch ein wenig erweitern.

    Dafür vielen Dank. Ich lese Ihre Beiträge stehts sehr gerne.

  5. Titel eingeben
    Die Zeit ist spannend durch Higgs und B-Moden – wenn die Daten von Kovac sich bestätigen. Interessanterweise hat das bei der Higgs-Entdeckung niemand gefragt, denn die Welt – Fachwelt und Öffentlichkeit – konnte den Prozess der Entdeckung durch transparente Öffentlichkeitsarbeit über Jahre mitverfolgen. Nicht so bei den B-Moden, dabei sind sie vielleicht sogar noch wichtiger als Higgs. Wenn erst große Geheimniskrämerei betrieben wird und „nature“ dann sogar von „Revolution“ spricht, wie ich in meinem Blog „Wissenschaft kommuniziert“ berichte, dann ist das sicher „überverkauft“ und hilft nicht bei der Glaubwürdigkeit.
    Das wirft Fragen auf: nach der Rolle der Wissenschaftsmedien und ob Wissenschaftskommunikation wirklich im Trend zur Sensationsmache mitschwimmen muss. Professionelle Wissenschaftskommunikation ist dringend notwendig, aber „Überverkaufe“ zählt sicher nicht dazu.

  6. Sehr schön dargestellt!
    Den Artikel habe zwar schon ausgedruckt, bin aber noch nicht richtig zum Lesen gekommen. Zur Geschichte ist mir eingefallen, daß eine zunächst ähnlich spekulative Idee – die Neutrinos – ebenfalls über 20 Jahre warten mußte, bis man eine Bestätigung gefunden hat.
    Was die Forschungsgebiete angeht: Auf Andrei Linde hat damals keiner einen Pfifferling gewettet – und wenn die Kollegin galaktische Astrophysik macht: ein richtig gutes Modell für die Polarisation durch interstellaren Staub wäre vielleicht sehr hilfreich…
    Das ist allerdings hartes Brot – ich habe das vor zwei Dutzend Jahren für meine Diplomarbeit gebraucht (allerdings im optischen Bereich, nicht Mikrowellen) und es gab außer ein paar interessanten Ansätzen (mit sehr vielen freien Parametern) richtig gute Vorhersagen nur für die ganz trivialen Fälle (also eher keine). Was ich dann später dazu gesehen habe, wurde eigentlich eher esoterisch statt fundiert und ich fürchte, daß da bis heute noch viel zu entdecken ist….

  7. Größer als c?
    Wir befinden uns bei diesen Überlegungen bekanntlich im Raum der Modelle und Spekulationen. Nicht in der Realität und erst recht nicht in der Wirklichkeit. Also: Mit welcher Geschwindigkeit soll nach dem sogenannten Urknall die Inflation vonstatten gegangen sein? Größer als c?

    • Ausdehnung des Raumes ist nicht Bewegung von Objekten
      Ich bin kein Astrophysiker, aber beim ersten Lesen bin ich auch darüber gestolpert, bis mir klar wurde, dass es sich nicht um die Bewegung von Objekten (im Sinne von Teilchen, Energien und Kräften) handelt, die ja dem c-Limit unterworfen sind.

      Die Ausdehnung des Raumes ist eben nicht dem Limit „Lichtgeschwindigkeit“ unterworfen, und hat die o.g. Objekte quasi „mitgenommen“. Da sie aber in Relation zum Raum geblieben sind, haben die das „Tempolimit“ nicht verletzt-

    • Dramatisch viel größer als c, ja.
      Ist aber kein Widerspruch zu Einstein, denn wir reden hier über die Expansion der Raumzeit als solcher, nicht um Geschwindigkeiten innerhalb der Raumzeit.

    • Jupp! Größer als c!
      Wobei sich nicht etwa Materie oder Energie (also Masse) mit Überlichtgeschwindigkeit bewegt hat, sondern „nur“ der Raum dazwischen, was laut Einstein ausdrücklich NICHT verboten ist.

    • Titel eingeben
      Kann man die aktuelle Ausdehnungsgeschwindigkeit messen? Was sehe ich wenn sich die Raumzeit mit Ueberlichtgeschwindigkeit ausdehnt?

    • Ja und nein
      Ja, wie es auch im blog oben heisst, „mit Ueberlichtgeschwindigkeit“. Die Foristen haben unten das Wesentliche dazu schon gesagt: Das Tempolimit auf der Autobahn gilt fuer die Autos, die auf der Autobahn fahren, nicht fuer die Geschwindigkeit, mit der die Autobahn selber um die Erdachse rotiert, oder mit der Erde durch den leeren Raum faellt. So gilt auch das Einsteinsche Tempolimit c nur fuer Bewegungen in der Raumzeit, und nicht fuer die Raumzeit selber.

      Und nein, wir befinden uns hier „bekanntlich“ nicht im Bereich der Spekulationen, sondern in dem der Interpretation von in einem Experiment gewonnenen Daten, die nicht etwa „Spekulationen“ befeuern, sondern wissenschaftliche Hypothesen stuetzen.

    • Spekulationen
      Ihre Antwort wirft neue Fragen auf: Ist die Geschwindigkeit der Raumzeit selbst relativ oder absolut? Raumzeit setzt logisch Materie/Energie voraus: Denn Raum ist Abstand von Dingen und Zeit ist Abstand von Ereignissen. Wann und woraus entstand die sich in der Raumzeit befindliche Materie/Energie?
      Einsteins Grenzgeschwindigkeit gilt nur für Massebehaftetes, da sonst unendlich viel Energie aufgewendet werden müsste. Könnte der Sonderfall des Photons mit seiner Ruhemasse 0 die ursprüngliche Form von Energie/Materie sein?
      Sie interpretieren Daten anhand von Modellen, Sie beschäftigen sich aber nicht mit der dahinter liegenden Realität oder gar Wirklichkeit. Bezogen auf Letztere betreiben Sie – erkenntnistheoretisch, nicht abwertend gesprochen – Spekulation.

    • @ Sajadowski, "Spekulation"
      Ich verstehe Ihre Unterscheidung von Realitaet und Wirklichkeit nicht, aber mir scheint, dass Ihre grundsaetzliche Frage lautet: warum ist ueberhaupt etwas, und nicht vielmehr nichts? Um diese Frage zu beantworten, muesste man allerdings den Bereich dessen verlassen, was wissenschaftlich als „Wissen“ zu gelten beanspruchen kann. Wissenschaft konstituiert sich durch die Definition von „Wahrheit“ als des Bereichs dessen, was sich objektiv wissen laesst. Der Grund allen Seins liegt jenseits dieses Horizonts. Ich will die Frage nach diesem Grund, und damit nicht-wissenschaftliche Wahrheitsansprueche, nicht achtlos beiseite schieben. Aber es schien mir geboten, auf den Unterschied zwischen den spezifischen, harten Standards wissenschaftlicher Hypothesen- und Theoriebildung einerseits, und denen „blosser Spekulation“ andereseits hinzuweisen. Denn der Vorfurf, sich, fern der „Wirklichkeit“, bloss „im Raum der Modelle und Spekulationen“ zu bewegen, wird gerade von wissenschaftsfernen Zeitgenossen – man denke z.B. an die sogenannten Klimawandel-„Skeptiker“ – immer wieder gerne erhoben. Diese unterschiedlichen Standards manifestieren sich aber eben auch darin, dass sich, wie im Blog beschrieben (kosmische Hintergrundstrahlung, Higgs-Boson, primordiale Gravitationswellen), wissenschaftliche Voraussagen mit recht erstaunlicher Regelmaessigkeit spaeter experimentell bestaetigen (und wenn nicht, sind sie eben erledigt). Das ist immerhin etwas, jedenfalls mehr als nichts, auch wenn die Wissenschaft vom „wirklichen“ konkreten Einzelfall absehen und auf das abstrakte, Allgemeine sich richten muss, um Wissenschaft zu sein und zu bleiben, und sie die Antwort auf die (moeglicher Weise falsch gestellten) „letzten Fragen“ schuldig bleibt.

    • @ Florian Theil
      1. Ja, kann man mittels Rotverschiebung. Die aktuelle Ausdehnungsgeschwindigkeit wird sogar sehr fleißig gemessen, weil wir gerade einen spannenden Moment im Universum erleben. Es entscheidet sich nämlich gerade jetzt, ob das Universum sich wieder zusammenzieht, stehen bleibt, konstant weiter ausdehnt oder – und darauf deuten die aktuellen Daten hin – die Ausdehnung sogar beschleunigt. Der Physik-Nobelpreis von 2011 wurde für diese Erkenntnis vergeben… m. E. noch etwas verfrüht, aber als Laie will ich nicht zu laut protestieren.

      2. Sie sehen, dass Sie nichts sehen. Die Idee der kosmologischen Inflation ist entstanden, weil das Universum so gleichmäßig ist. Vereinfacht gesagt, kann das Universum nur dann so gleichmäßig sein, wenn es früher mal gut durchmischt wurde. Heute sind links und rechts des sichtbaren Universums aber so weit voneinander entfernt, dass sie bei normaler Ausdehnung niemals hätten gemischt werden können. Aber das ist ja oben im Blog viel besser beschrieben.

    • The ultimate free lunch
      Von einer Geschwindigkeit der Raumzeit zu sprechen ist etwas irreführend. Wenn ein Mathematiker einen Raum mit einer Definition von Längen und Winkeln versehen möchte, dann definiert er eine Metrik. Das ist so etwas wie ein formales Geodreieck. Wir stellen uns jetzt mal vor, dass ein Schenkel des Geodreiecks den räumlichen Abstand und der andere Schenkel den zeitlichen Abstand misst. Dann nehmen wir uns ein Blatt A4 Papier, welches einer fiktiven, zweidimensionalen Raumzeit entspricht. (Die Geometrie ist euklidisch, es treten also keine relativistischen Effekte auf) Die lange Seite entspricht der Zeit und wir beschränken uns in Gedanken darauf, das Geodreieck hoch und runter zu schieben. Ein statisches Universum wäre jetzt eines, an dem wir einfach überall das gleiche Geodreieck verwenden können. In einem expandierenden Universum wird aber die räumliche Seite des Geodreiecks kürzer, je höher wir es auf dem Blatt schieben.
      Wenn wir zwei senkrechte Geraden auf das Papier malen, dann entfernen diese sich physikalisch immer weiter.
      Man muss sich jetzt vorstellen, dass an jedem Raumpunkt ein winziges Geodreieck klebt, welches in einer infinitesimalen Umgebung die Definition von Längen und Winkeln vorgibt.
      Gravitationswellen sind Schwingungen der Metrik, also der Längen und Winkel des Geodreiecks.
      Man kann sich vorstellen, dass man einen Raum hat, in dem weder längen noch Winkel definiert sind. Auf diesen Raum kann man jetzt ein Elektronenfeld, ein Higgsfeld, ein Photonenfeld und ein metrisches Feld packen und was man sonst noch so für Felder (also Teilchen) haben möchte.
      Auf die Frage woraus die sich in der Raumzeit befindliche Materie/Energie stammt:
      Ich habe mal gesehen, dass die Inflation als „the ultimate free lunch“ bezeichnet wurde.
      Selbst der leerste Raum (in dem Felder definiert sind) ist von Quantenfluktuationen erfüllt, ohne dass dafür Energie aufgewandt werden müsste. Auch Zeit und Energie unterliegen einer Unschärferelation und die Teilchen entstehen und vergehen in einer Zeit für welche diese Energie ohne weiteres „geborgt“ werden kann. Inflation reißt diese virtuellen Teilchenpaare jetzt auseinander und macht aus Quantenfluktuationen die Dichtefluktuationen im frühen, postinflationären Universum. Materie und Energie entstehen buchstäblich aus dem nichts.

    • @ B. X.
      Nehme mal an, Sie sind Naturwissenschaftler. Daher ein Versuch der Erläuterung des Unterschiedes: Sie haben es mit Daten von Sachen zu tun, dann gibt es die Sachen als Wahrnehmung (physikalische Welt = Realität) und dann gibt es die Sachen selbst (prinzipiell direkt unzugängliche Wirklichkeit, ansonsten „unio mystica“).
      Warum-Fragen muss man wohl unterscheiden: In den Naturwissenschaften werden sie als Kausalfragen verstanden, außerhalb davon als Frage nach dem Sinn. Letztere ist für mich beantwortet, ich frage mich also nicht, warum etwas sei und nicht nichts (momentan wieder ein bisschen nach vorne gespielt von halbgaren Intellektuellen).
      Haben Sie übrigens eine Meinung zu meiner Frage nach den Photonen als ersten Manifestationen von Materie in der sich entwickelnden „leeren“ Raumzeit?

    • @ Saidowski, auf ihre Antwort zu meiner Antwort
      Ihre Unterscheidung zwischen Sachen in der Wahrnehming und den Sachen selbst klingt nicht zufaellig nach Kant? Den hatte jedenfalls auch ich im Sinn, als ich vom Bereich des objektiv Wissbaren als des Reichs der Wissenschaft sprach, und alle religioesen, dogmatischen Wahrheiten aus diesem Reich ausgebuergert habe (diese Ausbuergerung betrifft, wie Sie ja selber ganz Kantianisch andeuten, auch Ihre „unio mystica“).

      Zu ihrer Frage nach den Photonen: wenn Sie sich oben die Illustration anschauen, sehen Sie ein sog. „dunkles Zeitalter“ (an den vielen Metaphern koennen sie uebrigens ablesen, welche Schwierigkeiten auch Physiker selber haben, das laengst Unvorstellbare in Worte zu fassen). In dieser „Phase“ der „Entfaltung“ der Raumzeit gab es, so nimmt man an, schon Photonen, allerdings „schwammen“ die, zusammen mit Elektronen und Protonen, in einer sehr heissen und undurchsichtigen „Suppe“. Deshalb ist dieses Zeitalter „dunkel“. Als dann genug „Platz“ war, blieben die auf Grund ihrer Ladung ohnehin miteinander liebaugelnden Elektronen und Protonen beieinander und „kondensierten“ bei fallenden Temperaturen zu der uns bekannten Materie. In dem freiwerdenden Raum konnten sich die Photonen dann frei bewegen – „und es ward Licht!“ :)

    • @ Saidowski: was ich als advocatus diaboli noch sagen wuerde:
      Man lese Die Bibel, 2 Makk. 7.28: „Ich bitte dich, mein Kind, schau dir die Erde und den Himmel an, und alles, was darin ist, und erkenne: Gott hat das alles aus dem Nichts erschaffen […] „, – und lege das Zitat oben ueber die Illustration der Geschichte des Universums!

      Die big-bang-theory stiess zu Beginn auf Ablehnung, und zwar auch desshalb, weil man ihren Befuerworten religioese Motive unterstellte :)

    • @ B. X.
      Was ist von einem „advocatus diaboli“ zu halten, der die Bibel zitiert?

    • @ Saidowski
      Es gab mal etwas, dass nannte sich „dialektische Theologie“. In Thomas Manns Doktor Faustus zieht deren Vertreter allerdings nicht zufaellig einen Klumpfuss nach. Also Vorsicht!

      ;-)

    • @ B. X.
      Ja, habe schon gemerkt, dass man bei Ihnen vorsichtig sein sollte. Weiterhin alles Gute!
      ;-)

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