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Über dieses Buch

Die künstliche Intelligenz Isaac hat ein Ziel: die Gesetze von Raum und Zeit zu verstehen. Dieses Buch erzählt das Abenteuer von Isaac und seiner menschlichen Begleitung San auf ihrer Reise durch das Sonnensystem. In seinem Raumschiff erforscht Isaac Schwarze Löcher und Zeitreisen, misst Gravitationswellen und versucht, die Physik der Wurmlöcher zu begreifen. San hilft ihm, die richtigen Fragen zu stellen und sich auf das Wesentliche zu fokussieren.

Im Dialog der beiden unterschiedlichen Gesprächspartner kann der Leser die Entdeckung der Newtonschen Gesetze bis zu Einsteins Relativitätstheorie verfolgen. Jede Unterhaltung von Isaac und San wird von einem Abschnitt begleitet, in dem der Autor gut verständlich die physikalischen Hintergründe zu Isaacs Entdeckungen beschreibt.

ISAAC: Guten Tag, San. Ich habe eine interessante Überlegung angestellt, die ich Ihnen gern präsentieren würde.

SAN: Worum geht es?

Der Autor

Martin Bäker hat Physik studiert und in der Elementarteilchenphysik promoviert. Seit 1996 lehrt und forscht er an der TU Braunschweig über die Mechanik moderner Werkstoffe. Er ist Autor des Wissenschaftsblogs Hier wohnen Drachen, mag Physik und Dinosaurier.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung

Die Oberfläche eines Planeten ist ein schlechter Ort, um das Universum zu verstehen. Wir alle – auch diejenigen, die Physik in der Schule gehasst haben – lernen als Kinder eine ganze Menge über die Naturgesetze. Wir lernen, dass Objekte sich nicht durchdringen können, dass Objekte hinter oder in anderen Objekten verschwinden können, aber trotzdem noch da sind, und dass Dinge ihre Masse nicht ändern, wenn man sie verformt. Wir lernen auch, dass Objekte herunterfallen, wenn man sie loslässt (und dass das ziemlich wehtun kann); wir lernen, dass Bälle, die wir rollen, zwar eine Weile weiterrollen, aber immer langsamer werden und schließlich stehen bleiben.
Martin Bäker

Konzepte

Frontmatter

Kapitel 2. Raum und Trägheit

Isaac:  Sie haben gesagt, meine Aufgabe sei es, die Natur von Raum und Zeit zu untersuchen. Ich empfinde das als eine seltsame Fragestellung.
San:  Warum das?
Isaac:  Sie implizieren damit, dass es einen Zusammenhang zwischen Raum und Zeit gibt. Sollte man nicht den Raum und die Zeit getrennt untersuchen?
San:  Das kannst du zunächst gern tun, Isaac. Wir werden sehen, wohin es dich führt.
Isaac:  Gut, ich denke, ich werde mit dem Raum beginnen. Allerdings kann ich den Raum selbst nicht beobachten. Alles, was ich kann, ist zu beobachten, wie sich Objekte im Raum verhalten.
Martin Bäker

Kapitel 3. Gekrümmte Räume

San:  Hallo Isaac. Wie geht es dir?
Isaac:  Guten Tag, San. Ich glaube, ich habe einen Fehler gemacht.
San:  Wann?
Isaac:  Seit ich zu Beginn meiner Überlegungen das entdeckt habe, was Sie „Nahewirkungsprinzip“ genannt haben, habe ich mich auf lokale Experimente konzentriert. Aber was ist, wenn der Raum Eigenschaften hat, die ich in solchen lokalen Experimenten nicht messen kann?
San:  Welche Eigenschaften könnten das sein?
Martin Bäker

Kapitel 4. Beschleunigungen und Kräfte

Isaac:  Ich habe noch einmal über das Trägheitsprinzip nachgedacht: Objekte bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit auf geraden Linien, wenn es keine äußeren Einwirkungen gibt. Bei meinen Experimenten habe ich eine Kugel mit der Hand bewegt, die vorher in Ruhe war. Dabei hat sich ihre Geschwindigkeit geändert. Ich konnte auch meine eigene Geschwindigkeit ändern, als ich mich von der Laborwand abgestoßen habe. In beiden Fällen musste ich meine Servomotoren aktivieren.
Isaac nimmt mehrere Stahlkugeln und bewegt sie durch das Labor.
Martin Bäker

Kapitel 5. Energie

San:  Bei unserem letzten Gespräch hast du ja festgestellt, dass der Gesamtimpuls eines Systems erhalten ist. Meinst du, dass es noch weitere solche Erhaltungsgrößen gibt?
Isaac:  Das ist sicherlich möglich und eine interessante Überlegung. Dazu sollte ich ein möglichst einfaches System untersuchen, bei dem sich Geschwindigkeiten ändern.
Isaac nimmt mehrere verschieden große Stahlkugeln. Er platziert jeweils eine davon in Ruhe im Labor, wirft eine andere Kugel dagegen und beobachtet die Bewegung der Kugeln nach dem Zusammenstoß.
Martin Bäker

Kapitel 6. Geodäten

San:  Du hast neulich das Konzept der Beschleunigung eingeführt. Mir ist ehrlich gesagt nicht ganz klar, welche Relevanz die Frage, wie Objekte beschleunigt werden, für deine Aufgabe hat, Raum und Zeit zu untersuchen.
Isaac:  Wir haben am Anfang der Untersuchungen festgestellt, dass es nicht möglich ist, zwei Raumpunkte zu verschiedenen Zeiten eindeutig miteinander zu identifizieren, weil es nicht möglich ist zu bestimmen, ob ein Beobachter in Ruhe ist oder sich gleichförmig bewegt. Sie erinnern sich sicher an das Beispiel mit dem Staub.
San:  Ja, natürlich.
Isaac:  Auf der anderen Seite ist die Identifikation von Punkten des Raumes zu unterschiedlichen Zeiten auch nicht völlig beliebig.
Martin Bäker

Backmatter

Komplikationen

Frontmatter

Kapitel 7. Relativität

Isaac:  San, Ich bin beunruhigt.
San:  Was ist geschehen?
Isaac:  Ich habe ein seltsames experimentelles Ergebnis erhalten, das dem zu widersprechen scheint, was ich bisher herausgefunden habe.
San:  Was ist das für ein Experiment?
Isaac:  Sie erinnern sich sicher, dass wir einen Zusammenhang zwischen Kraft und Beschleunigung eines Objekts gefunden haben und dass wir in unserem letzten Gespräch diskutiert haben, wie wir feststellen können, ob ein Objekt durch eine Kraft beschleunigt wird.
Ich wollte sicherstellen, dass diese Überlegungen auch dann noch gültig sind, wenn Objekte sich mit extrem hohen Geschwindigkeiten bewegen.
Martin Bäker

Kapitel 8. Lichtgeschwindigkeit

Isaac schwebt reglos innerhalb des Labors, als San, im Sessel sitzend, ins Labor schwebt.
San:  Hallo Isaac. Es scheint, als hättest du deine Experimente beendet.
Isaac:  In der Tat. Vor allem aber habe ich nachgedacht und bin zu sehr überraschenden Ergebnissen gekommen.
San:  Ich bin gespannt.
Isaac:  Ich habe zunächst noch einmal nachgeprüft, dass der Wert der Maximalgeschwindigkeit tatsächlich der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Dazu habe ich die Lichtgeschwindigkeit gemessen, auch wenn Sie mir deren Wert ja bereits mitgeteilt hatten.
San:  Wie hast du das gemacht? Die Lichtgeschwindigkeit ist ja sehr groß.
Martin Bäker

Kapitel 9. Raumzeit

San:  Ich finde die unterschiedlichen Zeitabläufe und Distanzen unterschiedlicher Beobachter immer noch verwirrend.
Isaac:  Ich habe eine Möglichkeit gefunden, die Umrechnung zwischen unterschiedlichen Bezugssystemen grafisch zu veranschaulichen.
Dazu trage ich in einem Diagramm den Ort gegen die Zeit auf. Da wir nun wissen, dass die Lichtgeschwindigkeit eine fundamentale Größe ist, die den Zusammenhang zwischen Raum und Zeit bestimmt, habe ich die Einheiten so gewählt, dass auf der Zeitachse Sekunden aufgetragen sind, auf der Raumachse die Strecke, die Licht in einer Sekunde zurücklegt, also etwa 300 000 Kilometer.
San:  Diese Längeneinheit können wir „ Lichtsekunde“ nennen.
Das Diagramm ist also gewissermaßen ein Raumzeit-Diagramm.
Martin Bäker

Kapitel 10. Bewegung in der Raumzeit

Isaac:  Wir haben in der Vergangenheit mehrfach darüber diskutiert, wie Abstände im Raum gemessen werden können und was die kürzeste Verbindung zwischen zwei Raumpunkten ist. Wir haben gesagt, dass diese Verbindung durch die Bahn eines kräftefreien Objekts gegeben ist.
San:  Richtig.
Isaac:  Dabei haben wir allerdings ignoriert, mit welcher Geschwindigkeit sich das Objekt bewegt. Solange wir nur Bahnen im Raum betrachten, spielt die Geschwindigkeit natürlich keine Rolle – der kürzeste Weg von hier zur gegenüberliegenden Seite des Labors ist unabhängig davon, mit welcher Geschwindigkeit ich ihn zurücklege.
San:  Und ist das jetzt nicht mehr der Fall?
Martin Bäker

Backmatter

Konstruktionen

Frontmatter

Kapitel 11. Freier Fall

San:  Ich möchte dich um etwas bitten, Isaac.
Isaac:  Natürlich, gern. Was soll ich tun?
San:  Du hast ja herausgefunden, dass du anhand von Messungen innerhalb des Labors feststellen kannst, ob das Labor beschleunigt wird.
Isaac:  Das ist richtig. Innerhalb des Labors würde sich eine Beschleunigung als Scheinkraft bemerkbar machen.
San:  Ich möchte dich bitten, die entsprechenden Experimente zu wiederholen.
Isaac:  Das ist kein Problem. Isaac nimmt eine Stahlkugel zur Hand. Isaac nimmt eine Stahlkugel zur Hand.
Martin Bäker

Kapitel 12. Die gekrümmte Raumzeit

Isaac:  Ich muss zugeben, dass ich es als angenehm empfinde, mich nicht mehr auf der Oberfläche eines Planeten zu befinden.
San:  Warum das?
Isaac:  Ich habe mich vermutlich während meines Aufenthalts im Labor darauf eingestellt, mich in einem unbeschleunigten System zu befinden. Ein Zustand permanenter Beschleunigung wie an der Oberfläche eines Planeten ist für mich deshalb sehr seltsam. Ich habe ein Experiment vorbereitet. Wären Sie so freundlich, das Labor noch einmal zu öffnen?
San:  Natürlich, gern.
Martin Bäker

Kapitel 13. Energie, Impuls und Strom

Isaac baut ein Experiment (Abb. 13.1) auf, als San hereinkommt.
San:  Hallo Isaac. Was ist das für ein Experiment?
Isaac:  Wir haben gesehen, dass in der Nähe der Erde die Raumzeit gekrümmt ist. Unklar ist aber, welche Eigenschaft der Erde diese Krümmung verursacht. Es könnte sich beispielsweise um eine Art von Ladung handeln, ähnlich wie bei einer elektrischen Ladung.
Das Experiment soll diese Frage untersuchen. Ich habe einen Draht im Labor gespannt, an dem ich in der Mitte eine Stange mit zwei Stahlkugeln befestigt habe. Wenn ich zwei andere Kugeln an diese Kugeln annähere, dann sollte sich die Raumzeit durch diese anderen Kugeln verzerren. Wären die Stahlkugeln nicht befestigt, so sollten sie (von uns aus betrachtet) auf die beiden Kugeln hin beschleunigt werden, weil ihre Geodäten sie in diese Richtung führen.
Martin Bäker

Kapitel 14. Die Einstein-Gleichung

San:  Sehe ich es richtig, dass du durch deine Überlegungen zur Energiedichte jetzt nicht nur die Raumzeit-Krümmung beschreiben, sondern auch ihre Ursache erklären kannst?
Isaac:  So ist es. Soll ich Ihnen meine Überlegungen erläutern?
San:  Bevor du das tust, möchte ich dich bitten, noch einmal zu rekapitulieren, welche Schritte dich zu deiner aktuellen Theorie der Raumzeit geführt haben.
Isaac:  Das kann ich gern tun. Begonnen habe ich mit einem relativ simplen Konzept von Raum und Zeit.
Martin Bäker

Backmatter

Konsequenzen

Frontmatter

Kapitel 15. Sterne und Planeten

Isaac:  Ich habe einige Überlegungen angestellt, um die Gültigkeit meiner Theorien weiter zu prüfen. Ich hatte ja in früheren Experimenten bereits die Zeitdilatation und die Raumkrümmung in der Nähe der Erde gemessen. Auf der Basis dieser Messungen habe ich die Theorie entwickelt, die Sie „Allgemeine Relativitätstheorie“ nennen. Eine Möglichkeit, diese Theorie zu überprüfen, bestand darin, die Raumzeit-Krümmung in der Umgebung der Erde direkt aus den Gleichungen abzuleiten und die Übereinstimmung mit meinen bisherigen Experimenten zu testen.
San:  Aber du hast die Theorie doch aus diesen Beobachtungen abgeleitet.
Isaac:  Das ist richtig. Bei dieser Ableitung habe ich mich von meinen Messungen leiten lassen, habe aber auch einige zusätzliche Annahmen getroffen.
Martin Bäker

Kapitel 16. Schwarze Löcher

Isaac:  Bei unserem letzten Dialog hatte ich die Frage aufgeworfen, ob der zunehmende Druck im Inneren eines Sterns dazu führen kann, dass die Krümmung der Raumzeit unbegrenzt anwächst. Anscheinend ist das tatsächlich möglich.
San:  Wie genau soll ich mir das vorstellen?
Isaac:  Je größer ein Stern ist, desto größer muss der Druck in seinem Inneren sein. Nehmen Sie an, wir beginnen mit einem Stern wie der Sonne und würden immer mehr Materie auf diesen Stern stürzen lassen, so dass seine Masse immer weiter zunimmt.
Martin Bäker

Kapitel 17. Gravitationswellen

Isaac:  Ich habe gerade festgestellt, dass mir bei meinen Überlegungen zu den möglichen Bahnen von Objekten um eine Masse ein Fehler unterlaufen ist.
San:  Ein Fehler?
Isaac:  In der Tat. Ich hatte dort angenommen, dass die berechneten Kreis- oder Ellipsenbahnen zeitlich stabil sind. Das ist jedoch in Wahrheit nicht der Fall.
San:  Warum nicht?
Martin Bäker

Backmatter

Konflikte

Frontmatter

Kapitel 18. Wurmlöcher und Zeitreisen

Isaac:  Guten Tag, San. Ich habe eine interessante Überlegung angestellt, die ich Ihnen gern präsentieren würde.
San:  Worum geht es?
Isaac:  Bisher habe ich angenommen, dass die Raumzeit eine einfache Form besitzt.
San:  Was meinst du mit „Form“?
Isaac:  In meinen Überlegungen habe ich beispielsweise den Raum als analog zu einer Ebene oder der Oberfläche einer Kugel angenommen. Ich frage mich jedoch, ob diese Vorstellung zwingend richtig ist.
San:  Geben denn die von dir aufgestellten Gleichungen auf diese Frage keine Antwort?
Isaac:  Das ist interessanterweise nicht der Fall.
Martin Bäker

Kapitel 19. Die Ausdehnung des Universums

Isaac:  Ich habe einige interessante Beobachtungen gemacht. Die Sonden, die ich zur Messung von Gravitationswellen genutzt habe, sind mit Teleskopen ausgestattet. Ich habe sie deshalb auch dazu genutzt, um die Sterne zu beobachten.
San:  Mit welchem Ziel?
Isaac:  Ich habe aus meiner Theorie der Raumzeit einige allgemeine Schlussfolgerungen über das Universum abgeleitet und wollte überprüfen, inwieweit sich diese durch Beobachtungen stützen lassen.
San:  Was genau hast du denn über die Sterne herausgefunden?
Martin Bäker

Kapitel 20. Schwerkraft oder Raumzeit-Krümmung?

Als San ins Labor kommt, schwebt Isaac reglos dort und reagiert zunächst nicht auf sie.
San:  Hallo Isaac. Istalles in Ordnung?
Isaac:  Das weiß ich ehrlich gesagt nicht. Ich habe gerade eine verstörende Überlegung angestellt.
San:  Was ist das Problem?
Isaac:  Ich habe eine Theorie der Raumzeit-Krümmung aufgestellt, die bisher von allen Fakten gedeckt zu sein scheint. Ich bin mir aber nicht sicher, ob mein Verständnis der Theorie korrekt ist oder nicht. Möglicherweise ist die Raumzeit nicht wirklich gekrümmt, sondern erscheint nur so.
San:  Wie soll das möglich sein?
Martin Bäker

Kapitel 21. Quanten und Gravitation

San:  Hallo Isaac. Ich möchte dir jemanden vorstellen. In einem zweiten Sessel schwebt eine Person in das Labor, hinter ihr ein weiterer humanoider Roboter.
San:  Das hier sind Dr. Olof Gustavsson und Marie, kurz für „Matter Research and Investigation Engine“. Marie hatte eine ähnliche Aufgabe wie du: Sie hat das Verhalten und die Eigenschaften der Materie untersucht, so wie du die Raumzeit analysiert hast.
Olof:  Hallo Isaac.
Isaac:  Guten Tag, Dr. Gustavsson.
Olof:  Wir haben euch beide aus einem bestimmten Grund zusammengebracht.
Martin Bäker

Backmatter

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