Physikalische Mythen auf dem Prüfstand

Table of Contents

1. Frontmatter

2. 1. Geophysik

   Wolfgang Kundt, Ole Marggraf

   Zusammenfassung

   Geophysik ist die Lehre von der physikalischen Beschaffenheit unseres Heimatplaneten Erde. Wie gut wissen wir über sie Bescheid? Im Grunde ist unsere Erde der einzige Himmelskörper im Weltall, den wir einigermaßen gut kennen, weil Tausende von Forschern, Technikern und Reportern ihn fast überall aufgesucht und beschrieben haben. Jedoch es gibt Grenzen: Bohrungen ins Erdinnere haben bislang nur Tiefen von \(\lesssim\)12 km erreicht: Was befindet sich darunter, in den weiteren 6356 Tiefen-Kilometern? Erst allmählich erforschen wir die Beschaffenheit des Erdinnern, ferner der Tiefsee und der Ozeanböden, von ‚nur‘ \(\lesssim\)11 km Tiefe, und ähnlich verhält es sich mit den oberen Schichten der Atmosphäre, ihrer chemischen Zusammensetzung, ihrer elektrischen Leitfähigkeit, ihrem Tages- und Jahresgang und der sie umgebenden Magnetosphäre, die uns gegen den Sonnenwind und gegen den anzahlmäßigen Hauptteil der Kosmischen Strahlen abschirmt. Erst wenn wir unsere Erde gut verstanden haben, ihre Bewegungen und Veränderlichkeiten, können wir hoffen, auch fernere Himmelskörper und Gebiete des Weltraums richtig einzuschätzen. Diese ferneren Himmelskörper und Gebiete werden dann in den nachfolgenden sieben Kapiteln analysiert, geordnet nach zunehmender Entfernung von uns.

3. 2. Unser Sonnensystem

   Wolfgang Kundt, Ole Marggraf

   Zusammenfassung

   Wie gut kennen wir unsere Sonne, ihre Planeten und deren viele Monde? Woher haben sie ihre Magnetfelder, und wie veränderlich sind diese? Gibt es eine einfache ‚Dynamogleichung‘ zur Berechnung ihrer magnetischen Multipolfelder? Wie schnell rotierten die Sonne, ihre Planeten und deren Monde bei ihrer Entstehung? War die junge Sonne ebenfalls eine Jet-Quelle, wie die meisten Prä-T-Tauri-Sterne? Was passiert bei den immer wiederkehrenden Null-Durchgängen des irdischen magnetischen Dipols?

   Nach diesen teils allgemeinen, teils speziellen Überlegungen zum Spin und zu den magnetischen Momenten der Großkörper im Sonnensystem fragen wir uns in diesem zweiten Kapitel nach dem Grund, warum unser Mond uns immer nur die eine seiner beiden Oberflächenhälften zuwendet, und warum seine ‚Vorderseite‘ glatter ist als seine Rückseite. Durch verstärkte Einwirkung des durch die Erdmagnetosphäre modifizierten Sonnenwindes, einmal pro Monat, mittels höherer elektrischer Aufladung? Oder als Vermächtnis aus seiner Jugendzeit, als er unserer Erde noch ganz nahe war? Entstand unser Mond aus einer protoplanetaren Gas- und Staubscheibe, wie vermutlich alle die anderen 171 Monde im Sonnensystem, oder etwa durch frühe Kollision der Erde mit einem anderen Himmelskörper, wie oft behauptet wird? Und warum verletzt der Planet Venus gegenwärtig das Isochronieprinzip, nach dem (fast) alle Sekundärkörper im Sonnensystem bei ihrer Geburt gleichsinnig mit ihrem Zentralkörper (Stern) um ihre Achse rotieren, in Vorwärtsrichtung relativ zu ihrer Bahnbewegung?

4. 3. Sterne und Doppelsterne

   Wolfgang Kundt, Ole Marggraf

   Zusammenfassung

   Der Himmel ist voller Sterne, von denen man meint, sie verhielten sich ähnlich wie unsere Sonne; nämlich wie gewaltige Nuklearreaktoren, die ihre Verbrennungswärme hauptsächlich im sichtbaren Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums abstrahlen. Wie funktionieren sie bei näherer Analyse? Und welche Besonderheiten gibt es bei ihnen?

   Sterne strahlen nicht nur, sie blasen auch starke Sternwinde ab, das haben wir bereits von unserer Sonne gelernt. Aber schon hier endet die Einmütigkeit der Theoretiker: Welche Kräfte treiben die Sternwinde an: der Strahlungsdruck ihrer entweichenden Photonen, oder aber die Fliehkräfte der Sternrotation, im Verein mit dem thermischen Auftrieb ihrer Atmosphären und den zähigkeitssteigernden, eingefrorenen Magnetfeldern? Oft wird übersehen, dass Photonen extrem geringe Impulse haben. Lediglich bei dem sehr dünnen, filamentreichen Wind des Crab-Nebels haben dessen (niederfrequente) 30-Hz-Wellen eine reale Chance der Nachbeschleunigung. Dabei wird bisweilen übersehen, dass turbulent bewegte Plasmen, wie die Konvektionszone unserer Sonne, recht schlechte elektrische Leiter sind und deswegen ungeeignet sind, Magnetfelder zu verankern.

5. 4. Neutronensterne

   Wolfgang Kundt, Ole Marggraf

   Zusammenfassung

   Wir werden immer mutiger: In diesem vierten Kapitel trauen wir uns an die schwierigsten Objekte der Astrophysik heran, die Neutronensterne, von denen noch kein einziger je abgebildet werden konnte, geschweige denn von Menschenhand gestreichelt. Je zwei astrophysikalische Weltexperten machen sich über das Verhalten dieser gewichtigen kosmischen Winzlinge unterschiedliche Vorstellungen, nach Möglichkeit in Einklang mit den physikalischen Grundgesetzen, und geben unterschiedliche Antworten auf die drei 1-Million-Euro-Fragen in den Abschnitten 2 und 3, nach der Erzeugung ihrer (leptonischen) Winde, nach ihrer stellaren Verformbarkeit und nach dem breitbandigen, weitgefächerten Emissionsmechanismus ihrer hochgradig kohärenten Strahlung.

   So beginnen wir im ersten Abschnitt mit der dramatischen Entdeckung der Pulsare (PSRe) im Winter 1967 und unserer Vorstellung von ihren Geburten in Supernova-Explosionen, wobei die Meinungen bereits auseinandergehen bei den schnellst-rotierenden, energiereichsten unter ihnen, den Millisekundenpulsaren, die naturgemäß am schwierigsten zu erzeugen sein sollten: genauso, oder aber durch (verlustarmes) ‚Recyclen‘? Wie alt sind sie, wie stark sind ihre Oberflächenmagnetfelder? Haben sie deutlich größere Massen (als 1,4 M\({}_{{\odot}}\))?

6. 5. Supernovae, Gammastrahl-Blitze und kosmische Strahlen

   Wolfgang Kundt, Ole Marggraf

   Zusammenfassung

   Dieses fünfte Kapitel schickt sich an, die Funktionsweisen einiger der kompliziertesten Maschinen der anorganischen Umwelt zu beschreiben, bei mehrfacher Abweichung von der Lehrbuchliteratur. In früheren Kapiteln war bereits die Rede von Sternen, Planeten, Monden, Scheiben und Galaxien, die alle durch Gravitationskollaps mit mehr oder weniger viel Ausgangs-Drehimpuls im Verein mit geeigneten Zähigkeitskräften entstanden geglaubt werden und in ihren quasi-stationären Phasen im Innern gestützt werden durch Nuklear-Reaktionen im Verein mit Gas- und Flüssigkeits-Drücken oder gar Festkörperkräften, wobei oft noch magnetische Spannungen zur Anwendung kommen, auf deren Herkunft wir in 8.2 eingehen wollen. Die kompliziertesten anorganischen Maschinen, die wir kennen – die astrophysikalischen Jet-Quellen – werden Gegenstand von Kapitel 7 sein.

7. 6. Die Milchstraße

   Wolfgang Kundt, Ole Marggraf

   Zusammenfassung

   In diesem sechsten Kapitel wollen wir es wissen: Wie gut wissen wir Bescheid über die Struktur unserer Heimatgalaxie? Haben wir ihre Baumaterialien, deren Anordnung und Kreationen bereits gut genug kennengelernt, um z.B. Vorhersagen über ihre zukünftige Entwicklung machen zu können? Was haben wir gelernt aus Vergleichen mit Nachbargalaxien, die zwar weiter entfernt sind, sich uns aber dafür unter anderen Blickwinkeln präsentieren?

8. 7. Die astrophysikalischen Jets

   Wolfgang Kundt, Ole Marggraf

   Zusammenfassung

   Das siebte Kapitel bildet einen gewissen Höhepunkt dieses Buches, einerseits im Aufzeigen dessen, was Maschinen der anorganischen Umwelt alles zu leisten vermögen, andererseits im Erkennen dessen, was sorfältige Beobachtungskampagnen bereits herausgefunden haben, nach kaum 50 Jahren gründlicher internationaler Himmelsdurchmusterung. Es geht um Maschinen, die über Jahrtausende oder sogar Hunderte von Jahrmillionen hinweg scharf gebündelte (\(\lesssim\)1\({}^{{\circ}}\)) Strahlen hochrelativistischer Teilchen erzeugen und aufrechterhalten, wahrscheinlich Elektronen und Positronen mit typischen Lorentzfaktoren \(\ \gamma\lesssim\) 10\({}^{{4}}\), in zwei antipodischen Richtungen, Strahlen, die sich nie aufspalten und deren Längen zwischen 10\({}^{{16}}\) cm und 10\({}^{{25}}\) cm variieren, je nach Art der Quelle, und deren äußerste Enden (‚Köpfe‘) sogar Elektronen beider Ladungsvorzeichen mit Lorentzfaktoren bis hinauf zu \(\gtrsim\)10\({}^{{9}}\) abblasen. Es versteht sich fast von selbst, dass es sich bei diesen subtilen Maschinen nicht um Schwarze Löcher handeln kann; Letztere arbeiten auf Zeitskalen von \(\lesssim\) Stunden und zerstören jede Form von Ordnung, statt Ordnung zu erzeugen.

9. 8. Kosmologie

   Wolfgang Kundt, Ole Marggraf

   Zusammenfassung

   Dieses achte und letzte der astrophysikalischen Kapitel ist unseren unsichersten Kenntnissen gewidmet, den Kenntnissen vom Anfang der Welt, von ihrer Größe und Beschaffenheit und von ihrer zu erwartenden Entwicklung. Physik wird überall da zuverlässig, wo redundante Tests von mehreren unabhängigen Experimentalphysikern möglich werden, und läuft Gefahr dort auszuufern, wo solche Tests durch Mutmaßungen oder Einfachheitsannahmen ersetzt werden. Dann gibt es leicht ebensoviele verschiedene Deutungen wie engagierte Forscher. Trotzdem zählt die Kosmologie nun schon seit fast 50 Jahren zu den attraktivsten Teildisziplinen der Physik, vielleicht, weil wir Menschen vielfach von dem Fernen, Übergeordneten, alles Umfassenden in stärkerem Maße gefesselt und fasziniert werden als von dem uns leidlich vertrauten, routinedurchsetzten, leicht einmal schmutzigen und/oder unfreundlichen Alltag. Was können wir lernen aus der Kosmologie?

10. 9. Biophysik

    Wolfgang Kundt, Ole Marggraf

    Zusammenfassung

    In den vorhergehenden Kapiteln sind wir einmal durch unser gesamtes Weltall gewandert. Als viel aufregender und gestaltenreicher empfinden wir hingegen die biologischen Wunder, die sich täglich um uns herum auf unserem Heimatplaneten zutragen, die wir Menschen nunmehr seit etwa einer Million Jahren bewusst erleben und noch immer nicht (voll) durchschauen, obwohl auch sie den Gesetzen der Physik in Strenge zu gehorchen scheinen. Hier spielen sich alle Prozesse, wo gewünscht, direkt vor unseren Augen, Ohren, Nasen und Gefühlen ab, wir haben gelernt – nach einer Million Jahren – wo in unseren Körpern unsere Baupläne (DNS) liegen und mit welchen physikalisch-chemischen Werkzeugen (Proteinen) ihre Anweisungen ausgeführt werden, oft von Hunderten oder sogar Tausenden unterschiedlicher Makro-Moleküle zugleich, in korrelierten Aktionen. Aber bei jedem konkreten Problem enden unsere Forschungen leicht mit mehr Fragen als Antworten, mit mehr Staunen als Einsichten.

11. 10. Fundamentalphysik

    Wolfgang Kundt, Ole Marggraf

    Zusammenfassung

    Mit diesem zehnten Kapitel erreichen wir das Ende dieses Buches, dessen Inhalt im Grunde zur Basis aller unserer obigen Überlegungen zählt und manche vorangegangenen Aussagen in neuem Licht erscheinen lassen wird: Welche irdischen Erkenntnisse können uns helfen, die Phänomene im Weltraum besser zu verstehen?

    Abschnitt 10.1 beantwortet die Fage nach der maximalen Signalgeschwindigkeit in einem Medium, hier oder anderwo im Weltraum. Zum Beispiel: Lässt sich die Lichtgeschwindigkeit durch μ-Neutrinos überbieten, wie unlängst von CERNs OPERA- Experiment behauptet wurde, oder schieben unsere Feldgleichungen einen Riegel davor? Um diese Frage zu beantworten, müssen einige Grundtatsachen vorab geklärt werden: Wie sehen wir einer Theorie an, ob sie Signale mit Überlichtgeschwindigkeit zulässt? Die bekannten Zustandsgrößen Phasen- und Gruppengeschwindigkeit für Wellen sind hierfür ungeeignet, weil sie in Bereichen anomaler Dispersion ihre Aussagekraft verlieren. Für Signalübertragung ist vielmehr die Frontgeschwindigkeit zuständig, der Limes der Phasengeschwindigkeit für Wellenlänge gegen null. Und diese Frontgeschwindigkeit kann zwar für (Newton’sch behandelte) Wasseroberflächenwellen unbeschränkt anwachsen, nicht hingegen für Wellen in fast allen speziellrelativistisch invarianten Medien, darunter die Wellen im Standardmodell der Elementarteilchen: Kausalitätsverletzungen sind für solche Teilchen verboten, ihre Maximalgeschwindigkeit ist die Lichtgeschwindigkeit.

12. Backmatter