WISSEN DER ZUKUNFT - Magazin Wissen TOPPX

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Unter der Leitung des Berner Teilchenphysikers Antonio Ereditato hat eine internationale Forschungskollaboration im OPERA-Experiment am CERN Erstaunliches entdeckt: Neutrinos sind schneller unterwegs als das Licht, welches bisher die höchste existierende Geschwindigkeit war.

«Dieses Resultat ist eine komplette Überraschung», sagt Antonio Ereditato, Professor für Hochenergiephysik an der Universität Bern und Leiter des OPERA-Projekts: Die Teilchenphysiker haben im sogenannten OPERA-Experiment herausgefunden, dass Neutrinos, die unterirdisch vom CERN in Genf losgeschickt werden und nach einer 730 Kilometer langen Reise durch die Erde schliesslich ein Untergrund-Labor in den Bergen bei Rom erreichen, schneller unterwegs sind als das Licht. Dies teilt das CERN, das Europäische Laboratorium für Teilchenphysik, heute Freitag, 23. September 2011, mit. «Die Neutrinos sind signifikante 60 Nanosekunden schneller am Ziel, als man dies mit Lichtgeschwindigkeit erwarten würde», so der OPERA-Leiter. Eine Publikation der Daten folgt, und Antonio Ereditato stellt klar: «Dieses Ergebnis kann grosse Auswirkungen auf die geltende Physik haben - so gross, dass zurzeit eine Interpretation schwierig ist. Weitere Experimente für die Bestätigung dieser Daten müssen unbedingt folgen.»

Die Besonderheiten der Neutrinos

Neutrinos sind winzige Elementarteilchen, die Materie praktisch widerstandslos durchdringen. Ihre Spuren sind schwierig aufzuspüren, da sie nicht geladen sind und kaum mit ihrer Umgebung interagieren. Neutrinos kommen in drei verschiedenen Typen vor: Elektron-, Müon- und Tau-Neutrinos. Sie können sich auf einer langen Flugstrecke von einem Typ in einen anderen verwandeln. In der Elementarteilchenphysik wird diese Umwandlung «Neutrino-Oszillation» genannt.

Das OPERA-Projekt wurde 2006 gestartet, um die Umwandlung von verschiedenen Neutrino-Typen ineinander zu beweisen - was den Forschenden aus der Kollaboration von 13 Ländern auch gelang; letztes Jahr wurde die Verwandlung von Müon-Neutrinos in Tau-Neutrinos nachgewiesen.

Mit Atomuhren auf Nanosekunden genau

Die Daten, die im OPERA-Experiment in den letzten drei Jahren gesammelt wurden, weisen neben der Neutrino-Oszillation nun auch die Abweichung bei der erwarteten Geschwindigkeit der Kleinstteilchen nach: Eine aufwändige und hochpräzise Analyse von über 15′000 Neutrinos weist «die winzige, aber signifikante Differenz zur Lichtgeschwindigkeit nach», wie das CERN mitteilt. Die 60 Nanosekunden Zeitunterschied auf der Strecke CERN-Rom hat die OPERA-Kollaboration mit Expertinnen und Experten vom CERN sowie unter anderem mit Hilfe des nationalen Metrologieinstituts METAS in einer Hochpräzisions-Mess-Serie überprüft: Mit Hilfe von GPS und Atomuhren wurde die Flugdistanz auf 10 Zentimeter genau bestimmt und die Flugzeit auf 10 Milliardstel einer Sekunde - also auf Nanosekunden - genau gemessen. (Quelle: idw)

Buchtipp:
Supervereinigung: Wie aus nichts alles entsteht. Ansatz einer großen einheitlichen Feldtheorie

Vom genauen Mechanismus hängt es ab, wie gut wir das Verhalten unseres Universums verstehen
Manche Sterne beenden ihr Dasein mit einem enormen Knall: Binnen Stunden steigern sie ihre Helligkeit um das Millionen- oder gar Milliardenfache und leuchten für einige Tage so hell wie eine ganze Galaxie. Astronomen entdecken jedes Jahr mehrere hundert solcher Supernovae, die zumeist in entlegenen Winkeln des Universums aufleuchten.

Supernovae künden aber nicht nur vom gewaltsamen Ende eines Sterns, sondern erweisen sich auch als wichtige Hilfsmittel für die Vermessung des Weltalls. Denn ein spezieller Typ dieser Sternexplosionen, genannt Ia, erreicht stets die gleiche Maximalhelligkeit. Gelingt es, dieses Maximum zu beobachten, dann folgt aus der gemessenen Helligkeit der Supernova direkt ihre Entfernung. Denn so, wie der fernere zweier gleich heller Autoscheinwerfer einem Beobachter lichtschwächer erscheint, verhält es sich auch mit Supernovae: Je größer ihre Distanz zur Erde ist, umso weniger hell erscheinen sie.

Die Entfernungsbestimmung mit Supernovae vom Typ Ia klappt so gut, dass sie sich als Maßstab oder Standardkerze zur Auslotung des Universums verwenden lassen. Seit rund achtzig Jahren ist bekannt, dass sich das Weltall ausdehnt. Aber erst vor wenigen Jahren fanden die Astronomen heraus, dass sich diese Ausdehnung sogar beschleunigt– ein Befund, der sich anhand der Distanzen der Supernovae vom Typ Ia ergab. Um diese Beschleunigung zu erklären, mussten die Wissenschaftler die Existenz einer ominösen »Dunklen Energie« annehmen, die das Universum beschleunigt auseinandertreibt.

Wegen der kosmologischen Bedeutung dieses Supernova-Typs interessieren sich die Astronomen für die Ursachen und den Ablauf der Sternexplosionen. Zwei Arten von Explosionen sind bekannt, in denen jeweils so genannte Weiße Zwerge eine Rolle spielen. Weiße Zwerge bilden das Endstadium verbrauchter Sterne ähnlich unserer Sonne. Bei der einen Art saugt ein Weißer Zwerg Materie von seinem Partnerstern ab. Er macht dies solange, bis er sich gewissermaßen überfressen hat und er von einer thermonuklearen Explosion zerrissen wird. Dies passiert stets mit der gleichen Maximalhelligkeit. Bei der anderen Art bilden zwei Weiße Zwerge ein Doppelsternpaar und verschmelzen schließlich, wobei es ebenfalls zur Supernovaexplosion kommt. Hier hängt die Maximalhelligkeit von der jeweiligen Masse der Weißen Zwerge ab. Die Astronomen besaßen Hinweise darauf, dass die erste Art deutlich häufiger vorkommt und sich Supernovae vom Typ Ia deshalb als Standardkerzen verwenden lassen.

Neue Untersuchungen von Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching bei München belegen nun, dass nur fünf Prozent aller Supernovaexplosionen vom Typ Ia in elliptischen Galaxien auf Materie aufsammelnde Weiße Zwerge zurückgehen. Offenbar geht der größte Teil der gewaltigen Sternexplosionen auf die Vereinigung zweier Weißer Zwerge zurück, wie der Physiker Jan Hattenbach im aktuellen Mai-Heft der Zeitschrift “Sterne und Weltraum” berichtet. Dieser Befund schränkt allerdings die Verwendung der Supernovae vom Typ Ia als Standardkerzen ein. Denn nun erwarten die Astronomen, dass die Maximalhelligkeiten wegen der unterschiedlichen Massen der Weißen Zwerge bei ihrer Verschmelzung unterschiedlich ausfallen. Spannend ist jetzt, wie sich diese Erkenntnis auf die Messung der beschleunigten Expansion des Raums auswirkt. Quelle: Sterne und Weltraum, Mai 2010 - Bild: Zwei weiße Zwerge, die sich zunehmend enger umkreisen, verschmelzen schließlich was eine Supernova-Explosion zur Folge hat. (c) NASA / Tod Strohmayer, GSFC / Dana Berry, Chandra X-Ray Observatory

Am Übergang von der Kreidezeit zum Tertiär vor 65 Millionen Jahren vollzog sich eines der größten Massenaussterben der Erdgeschichte, das auch das Zeitalter der Dinosaurier beendete. Als Ursache gilt ein großer Meteoriteneinschlag in Mexiko, der Chicxulub-Impakt, der in der Wissenschaft sehr kontroversiell diskutiert wurde. Eine internationale Gruppe von WissenschafterInnen, darunter Christian Koeberl von der Universität Wien, veröffentlicht nun im renommierten Fachmagazin “Science” neue Forschungsergebnisse. Diese zeigen, dass das Aussterben der Dinosaurier genau mit dem Chicxulub-Impakt begann.

Lange Zeit war die Ursache für das Aussterben von mehr als zwei Drittel aller Arten - darunter allen Dinosauriern - am Ende der Kreidezeit eine der wichtigsten offenen Fragen in den Geowissenschaften. Seit 30 Jahren gibt es stichaltige Belege für einen Meteoriteneinschlag als Ursache, seit 20 Jahren ist auch der zugehörigen Krater bekannt: Der 200 km große Chicxulub-Krater in Mexiko.

Trotzdem wurde die Impakttheorie von Anfang an auch angezweifelt und alternative Ursachen wie z.B. Vulkanismus für das Aussterben diskutiert. Der größte Widerspruch kam vor einigen Jahren aus Princeton: Anhand von Untersuchungen im und um den Chicxulub-Krater postulierten die WissenschafterInnen, dass der Impakt 300.000 Jahre zu früh aufgetreten wäre, um für das Artensterben verantwortlich zu sein.

Millionenfach größere Energie als Atombombe

Um diese Zweifel auszuräumen, hat nun ein Team aus mehr als 40 WissenschafterInnen aus Europa, den USA, Mexiko, Kanada, und Japan unter Leitung des Geologen Peter Schulte von der Universität Erlangen-Nürnberg die neuesten Daten analysiert und relevante Studien ausgewertet. Von der Universität Wien sind Christian Koeberl, Professor für Impaktforschung und Planetare Geologie und Leiter des Departments für Lithosphärenforschung (sowie designierter Generaldirektor des Naturhistorischen Museums in Wien) und seine Mitarbeiterin Tamara Goldin (FWF-Postdoc) an der Studie beteiligt. In einer Veröffentlichung im Wissenschaftsmagazin “Science” legen sie dar, dass nur der Chicxulub-Impakt das Massensterben vollständig erklären kann.

Die Studie widerlegt die von Princeton postulierte zeitliche Lücke von 300.000 Jahren. Modelle des Chicxulub-Impakts zeigen, dass die bei diesem Ereignis freigesetzte Energie jene der größten jemals getesteten Atombombe millionenfach übertrifft. Ein Einschlag dieser Größe löste gewaltige Erdbeben aus, die riesige Rutschungen und Tsunamis im heutigen Golf von Mexiko zur Folge hatten und dort zu chaotischen Gesteinsabfolgen führten. “Somit sind die Gesteinsschichten direkt im Bereich von Chicxulub sicherlich am wenigsten geeignet, um die genaue Reihenfolge der Ereignisse vor 65 Millionen Jahren aufzuklären”, so Christian Koeberl.

Abkühlung und Dunkelheit führten zum Massensterben

Der Chicxulub-Impakt hatte damit globale ökologische Konsequenzen. Mehrjährige Abkühlung und Dunkelheit führten zum selektiven Artensterben. Das Massenaussterben am Ende der Kreidezeit beeinträchtigte Land und Meer gleichermaßen, war aber besonders für Organismen mit einem hohem Nahrungsbedarf, wie zum Beispiel für Dinosaurier, katastrophal. (Quelle: idw)

Video: Schwarze Löcher - Materiefresser im All

Nackt trotz kosmischer Zensur? Wenn ein Schwarzes Loch die Hüllen fallen lässt

Ein Schwarzes Loch - singulärer Endpunkt eines massereichen Sterns - wird nach gängiger Meinung umhüllt vom Ereignishorizont, der die Grenze herkömmlicher Physik markiert. Aber muss das so sein?

Die moderne Naturwissenschaft hat viele höchst ungewohnte Ideen hervorgebracht, aber kaum eine ist so seltsam wie das Schicksal eines großen Sterns. Nachdem er im Lauf von Millionen Jahren seinen Brennstoff verbraucht hat, kann er seiner eigenen Schwere nicht mehr widerstehen und beginnt zu kollabieren. Bei einem genügend massereichen Himmelskörper überwindet seine Gravitation letztlich alle Kräfte, die den Kollaps aufhalten könnten, und ein Millionen Kilometer großes Objekt schrumpft praktisch auf einen Punkt zusammen.

Die meisten Physiker und Astronomen glauben, das Resultat sei ein Schwarzes Loch - ein Körper, dessen ungeheure Schwerkraft alles in seiner unmittelbaren Nachbarschaft verschlingt. Dieses Monstrum besteht aus zwei Teilen. In seinem Zentrum liegt eine Singularität - der unendlich kleine Punkt, in dem sich die gesamte Materie des Sterns zusammenballt. Rundherum liegt ein Gebiet, dessen Rand Ereignishorizont heißt und aus dem es kein Entkommen gibt. Sobald etwas in diese Zone eindringt, verschwindet es auf Nimmerwiedersehen. Falls das hineinstürzende Objekt Licht aussendet, wird auch dies von der Singularität eingefangen; ein äußerer Beobachter sieht es niemals wieder.

Aber ist dieses Bild wirklich wahr? Pankaj S. Joshi, Physikprofessor am Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai (Indien) und Spezialist für Gravitation und Kosmologie, hat seine Zweifel, die er in der Dezember-Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft begründet. Aus den bekannten physikalischen Gesetzen, so Joshi, geht zwar hervor, dass eine Singularität entsteht, aber über den Ereignishorizont sind die Aussagen verschwommen. Den meisten Physikern kommt der Horizont als wissenschaftliches Feigenblatt sehr gelegen, denn sie müssen erst herausfinden, was bei einer Singularität genau vor sich geht: Materie wird zermalmt, aber was wird dann aus ihr? Indem der Ereignishorizont die Singularität versteckt, kaschiert er diese Wissenslücke durch eine so genannte “kosmische Zensur”: Was auch immer in einem Schwarzen Loch geschehen mag - es bleibt drin.

Doch neue Forschungen ziehen diese Arbeitshypothese zunehmend in Zweifel. In manchen Kollaps-Szenarien bildet sich kein Ereignishorizont, und die Singularität bleibt sichtbar oder, wie Physiker sagen, nackt. Sowohl Materie als auch Strahlung können hineinfallen und wieder herauskommen. Während der Besuch der Singularität in einem Schwarzen Loch eine Reise ohne Wiederkehr wäre, könnte man sich im Prinzip einer nackten Singularität beliebig weit nähern und zurückkehren, um davon zu berichten.

Falls nackte Singularitäten existierten, wären die Folgen enorm; sie würden fast jeden Aspekt der Astro- und Grundlagenphysik berühren. Wenn es keine Horizonte gibt, können mysteriöse Vorgänge in der Nähe der Singularitäten die Außenwelt beeinflussen. Vielleicht erklären nackte Singularitäten gewisse rätselhafte astronomische Phänomene bei hohen Energien, und vielleicht bieten sie die Möglichkeit, das Gewebe der Raumzeit bei kleinsten Größenordnungen zu erforschen. Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Dezember 2009

Kein Pflänzchen weit und breit – dafür ist es in der Wüste zu trocken. Doch in der Luft ist Wasser enthalten. Forscher haben nun einen Weg gefunden, aus der Luftfeuchtigkeit Trinkwasser zu gewinnen. Das System basiert nur auf regenerativer Energie und ist daher autark.

Risse ziehen sich durch den ausgedörrten Wüstenboden – die karge Landschaft ist geprägt von Wassermangel. Doch selbst dort, wo es an Seen, Flüssen und Grundwasser mangelt, sind in der Luft erhebliche Wassermengen gespeichert: In der Negev-Wüste in Israel beispielsweise beträgt die relative Luftfeuchtigkeit im Jahresmittel 64 Prozent – in jedem Kubikmeter Luft befinden sich 11,5 Milliliter Wasser.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart haben gemeinsam mit ihren Kollegen von der Firma Logos Innovationen einen Weg gefunden, diese Luftfeuchtigkeit autark und dezentral in trinkbares Wasser umzuwandeln. »Der Prozess, den wir entwickelt haben, basiert ausschließlich auf regenerativen Energiequellen wie einfachen thermischen Sonnenkollektoren und Photovoltaikzellen, was diese Methode vollständig energieautark macht. Sie funktioniert also auch in Gegenden, in denen es keine elektrische Infrastruktur gibt«, sagt Siegfried Egner, Abteilungsleiter am IGB. Das Prinzip: Hygroskopische Salzsole – also Salzlösung, die Feuchtigkeit aufsaugt – rinnt an einer turmförmigen Anlage hinunter und nimmt Wasser aus der Luft auf. Anschließend wird sie in einen Behälter gepumpt, der in einigen Metern Höhe steht und in dem Vakuum herrscht. Energie aus Sonnenkollektoren erwärmt die Sole, die durch das aufgenommene Wasser verdünnt ist. Der Siedepunkt liegt aufgrund des Vakuums niedriger als bei normalem Luftdruck. Diesen Effekt kennt man aus den Bergen: Da der Luftdruck auf dem Gipfel geringer ist als im Tal, kocht Wasser bereits bei Temperaturen deutlich unter 100 Grad Celsius. Das verdampfte, salzfreie Wasser kondensiert über eine Destillationsbrücke und läuft über ein vollständig gefülltes Rohr kontrolliert nach unten ab, wobei die Schwerkraft dieser Wassersäule kontinuierlich das Vakuum erzeugt – eine Vakuumpumpe ist nicht nötig. Die wieder konzentrierte Salzsole fließt erneut an der Turmoberfläche hinunter, um Luftfeuchtigkeit aufzunehmen.

»Das Konzept eignet sich für verschiedene Größenordnungen: Es sind sowohl Einzelpersonenanlagen denkbar als auch Anlagen, die ganze Hotels mit Wasser versorgen«, sagt Egner. Für beide Komponenten, die Aufnahme der Luftfeuchtigkeit und die Vakuumverdampfung, gibt es Prototypen. In Laborversuchen haben die Forscher das Zusammenspiel der beiden Komponenten bereits getestet. In einem weiteren Schritt wollen die Forscher eine Demonstrationsanlage entwickeln.  (Text und Bild: Copyright © by
Fraunhofer-Gesellschaft)

Was sich wie ein Delikt anhört, nämlich das »Tunneln« ist ein ganz normaler quantenphysikalischer Vorgang. Erstmals ist es nun gelungen Elektronen live zu beobachten, wie sie die Atome verließen, von denen sie gefangen gehalten wurden (Heraustunneln).

Der Tunneleffekt erklärt unter anderem, wie es zur Kernfusion in der Sonne kommt oder auch die Funktionsweise des Raster-Tunnelmikroskops, mit dem man bis zu 100-Millionenfach vergrößern kann. Der Fernsehprofessor der Physik, Harald Lesch, demonstriert in der Bildungssendung Alpha Centauri eindrucksvoll, was es mit diesem Phänomen »Tunneleffekt« auf sich hat. Zu Beginn schwebt er durch die Tafelwand der Fernsehkulisse, so wie ein Geist, den keine Barriere von einem Spuk abhalten kann. Gleich darauf nimmt er wieder eine feste Gestalt an und erklärt, dass der Zuschauer seine Vorführung mit Vorsicht genießen soll. Mit dieser Warnung hat er wohl recht. Denn wenn ein Zuschauer es ihm gleich tun wollte, würde er nur Beulen und blaue Flecke davontragen. Die Wahrscheinlichkeit, dass Menschen durch Wände gehen können, ist verschwindend gering. Nur mikroskopischen Quantenobjekten wie Elektronen oder Protonen gelingt dieses Kunststück mit deutlich höherer Wahrscheinlichkeit.

Man kann den Effekt am Beispiel einer Kugel erklären, die ein Mensch mit Schwung einen Hügel hochrollen lässt. Wenn die Energie, welche der Kugel mitgegeben wird, nicht genügt, rollt die Kugel immer wieder zurück, anstatt die Kuppe zu überwinden und ins nächste Tal zu gelangen. In der Quantenphysik besteht dagegen für Quantenobjekte die Möglichkeit den Potentialwall, wie der Hügel genannt wird, zu durchtunneln. In einem Augenblick befindet sich das Quantenobjekt noch vor dem Potentialwall und im nächsten Augenblick schon dahinter im nächsten Tal. Es ist ein sprunghafter Übergang ohne Zwischenzustände.

Heraustunneln von Elektronen aus Atomen

Noch niemand konnte bisher das Quanten-Tunneln in Echtzeit beobachten. Dieses Kunststück ist nun Physikern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik gelungen. Sie haben das Heraustunneln von Elektronen aus einem Atom erstmals in live verfolgt. Die elektrischen Kräfte innerhalb eines Atoms halten normalerweise jene Elektronen fest, die sich in seinem Inneren aufhalten. Die Kräfte bilden den Potentialwall, den es zu überwinden gilt, wenn sich ein Elektron aus dem Atom herauslösen soll.

Der Trick der Max-Planck-Physiker bestand darin, mit Hilfe von Attosekunden-Laserblitzen die Elektronen näher an den Rand ihres Atomgefängnisses zu bringen. Eine Attosekunde ist milliardster Teil einer milliardstel Sekunde und damit unvorstellbar kurz. Der Laserblitz vergrößert die Wahrscheinlichkeit, dass die Elektronen aus ihrem Atomgefängnis entkommen können. Und tatsächlich, nach einem zweiten Laserblitz, der die Breite des Potentialwalls ein wenig verringerte, nutzen die Elektronen die Gelegenheit, um herauszutunneln.

Atome, denen ein Elektron fehlt, sind positiv geladen. Als die Physiker im Anschluss an das Experiment die positiv geladenen Atome zählten, waren sie nicht schlecht überrascht, dass zahlreiche Elektronen entkommen waren. Noch interessanter ist aber die Feststellung, dass der Zeitbedarf für das Heraustunneln praktisch kaum messbar ist, sodass die Physiker annehmen, der Tunnelprozess benötige überhaupt keine Zeit. Die Erkenntnisse sollen helfen, bessere Röntgenlaser für die medizinische Therapie zu entwickeln.

Tunneleffekt und Hirnforschung

In der Hirnforschung kann das quantenmechanische Tunneln möglicherweise eine Erklärung für die Geschwindigkeit von bewussten Denkprozessen liefern. Die einzelnen Neuronen des Gehirns werden durch Schnittstellen verbunden, die Synapsen heißen. Diese besitzen einen winzigen Spalt, der überwunden werden muss, wenn ein Signal von Neuron zu Neuron übertragen werden soll. Die herkömmliche Theorie besagt nun, dass zur Übertragung von Signalen an den Synapsen, das ursprünglich elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt werden muss. Die Theorie kann aber nicht die Geschwindigkeit von bewussten Denkprozessen erklären. Wie jeder weiß, der schon mal einen Akku am Stromnetz geladen hat, benötigt die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische erhebliche Zeit. Würde die herkömmliche Theorie stimmen, müsste Denken schneckengleich langsam sein. Weil das der Erfahrung widerspricht, nehmen einige Hirnforscher an, dass der extrem schnelle quantenmechanische Tunneleffekt zur Überwindung des synaptischen Spalts eine Rolle spielt. Sollte man das experimentell bestätigen können, hätte man gleichzeitig eine Verbindung von Bewusstsein zur Welt der Quanten mit all ihren seltsamen Phänomenen gefunden. - Klaus-Dieter Sedlacek - (Foto: R.Motti via flickr.com)

Der Autor ist Verfasser des Buchs mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein, Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen« in dem aufgrund quantenphysikalischer Phänomene die Existenz von Bewusstsein auch außerhalb des Gehirns nachgewiesen wird.