Revolutionäre Entdeckungen
10.04.2005 um 11:46
Magnetfelder ebnen Raumzeit flach
Starke Magnetfelder könnten der Krümmung der Raumzeit entgegenwirken und diese ebnen - selbst in der Umgebung von so massereichen Objekten wie Schwarzen Löchern, meint ein Forscher. Die in dem Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit hat großen Einfluss auf Theorien über die Entstehung und Entwicklung unseres Kosmos. Die Theoriearbeit von Christos Tsagas von der englischen Universität Portsmouth sagt voraus, dass Magnetfelder die Tendenz haben, gekrümmte Raumzeit zu glätten. Zu dieser überraschenden Einsicht kam Tsagas, als er Magnetfelder in die Gleichungen der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie einführte. Sollten seine Vorraussagungen zutreffen, so ist die Raumzeit in der Nähe von sehr massereichen Objekten wie Neutronensternen und Schwarzen Löchern weniger gekrümmt als bisher vermutet, da Magnetfelder überall im All vorkommen. Dies könnte großen Einfluss auf die Erstellung und Verifizierung von Urknallmodellen haben. Der Relativitätstheorie Einsteins zu folge sind die drei Dimensionen des Raumes mit der Zeitdimension zur vierdimensionalen Raumzeit verschmolzen. Kräftefreie Körper bewegen sich in dieser Raumzeit auf so genannten geodätischen Linien. Während diese Linien in einer flachen Raumzeit Geraden sind, ist die Raumzeit in der Umgebung von sehr massereichen Objekten aufgrund deren Gravitation gekrümmt, was die geodätischen Linien eine kompliziertere Form annehmen lässt. So wird zum Beispiel Licht in der Nähe von sehr massereichen Sternen aus seiner geradlinigen Bahn abgelenkt. Dies ist der so genannte Gravitationslinseneffekt. Magnetfelder sollen nun genau dieser Krümmung entgegenwirken. Die tiefere Ursache dessen ist sogar leicht verständlich: Magnetfeldlinien haben die Tendenz, sich gegenseitig abzustoßen. So lassen sich zwei gleichartige Magnetpole nur sehr schwer zusammenbringen. Genau dieser Effekt wirkt der Krümmung der Raumzeit entgegen.
Britischer Forscher entdeckt neuen Effekt
Magnete entkrümmen den Raum. Sie ist schon etwas seltsam, die Raumzeit: Nicht nur, dass sich gemäß Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie der Raum und die Zeit zu einem unvorstellbaren vierdimensionalen Koordinatensystem verbinden. Starke Gravitationszentren können die mysteriöse Struktur zudem noch deformieren. Raumzeit und Urknall. Einsteins theoretische Überlegungen wurden mittlerweile durch eine Vielzahl astronomischer Beobachtungen bestätigt. Mehr noch: Der gekrümmte Raum spielt eine zentrale Rolle bei Erklärungsversuchen zur Entstehung des Universums. Die Kraft der Magnetfelder. Doch an exakt diesem Fundament rüttelt nun ein britischer Physiker. Wie Christos Tsagas von der Portsmouth University im US-Fachblatt "Physical Review Letters" schreibt, wirken Magnetfelder der Krümmung entgegen. Der Raum entkrümmt sich demnach, sobald er von magnetischen Feldlinien, den unsichtbaren Kraftlinien eines Magneten, durchzogen wird. Vernachlässigter Effekt. Bislang waren die meisten Physiker davon ausgegangen, dass dieser Effekt zu schwach sei, um einen bleibenden Eindruck auf den Raum zu hinterlassen. In Tsagas' Augen sind die Magnetfeldlinien dagegen direkt mit der Raumzeit verknüpft. Erst durch die Wechselwirkung der beiden Effekte bilde sich die endgültige Krümmung des Raumes heraus. Urknall-Theorien in Frage gestellt. Der britische Physiker vermutet zudem, dass seine Überlegungen Auswirkungen auf die Theorie von der Ausdehnung des Universums haben können. Die Mehrheit der Astronomen geht mittlerweile davon aus, dass in den Augenblicken nach dem Urknall das Universum äußerst stark gebogen war. Doch sollten zur selben Zeit starke Magnetfelder zugegen gewesen sein, müssen die Kosmologen ihre Berechnungen womöglich noch einmal überdenken.
Wird die Vakuumenergie unseres Universums von einem "Bulk-Universum" abgesaugt?
Die von der Standardtheorie der Teilchenphysik vorhergesagte, in unserem Universum aber nicht vorhandene ungeheuer große Vakuumenergiedichte könnte von einem höherdimensionalen Universum "abgesaugt" werden. Diese Hypothese kann anhand von Newtons Gravitationsgesetz überprüft werden, wie Christof Schmidhuber vom europäischen Forschungszentrum CERN in der Fachzeitschrift Nuclear Physics B berichtet (Bd. 619, S. 603). Aufgrund der Unschärferelation der Quantenmechanik werden im Vakuum fortwährend Elementarteilchen erzeugt und wieder vernichtet. Deshalb sollte das Vakuum gemäß der Standardtheorie der Teilchenphysik eine derartig große Energiedichte haben, dass es sich eigentlich schlagartig ausdehnen müsste. Außerdem sollte unser Universum deshalb eine sehr starke Krümmung aufweisen. Beides ist nicht der Fall. Eine Möglichkeit, diese Diskrepanz zu erklären, ist die Einführung einer Supersymmetrie. In dieser Theorie wird jedem Elementarteilchen ein "Superpartner" zugeordnet. Dabei heben sich die Beiträge der Teilchen und ihrer Superpartner auf die Vakuumenergiedichte gerade auf. Doch die Supersymmetrie hat ein Problem: Bisher ist kein Superpartner beobachtet worden. Man erklärt dies damit, dass die Superpartner eine viel größere Masse besitzen als die Teilchen. Das ist mit der Theorie vereinbar, wenn man annimmt, dass die Supersymmetrie unterhalb eines bestimmten Energiewertes "gebrochen" wird. Doch mit dem dafür geforderten Energiewert handelt man sich wieder das Problem mit der viel zu großen Vakuumenergiedichte ein. Als Ausweg aus diesem Dilemma ist vorgeschlagen worden, dass unser Universum eine vierdimensionale "Brane" (Kunstwort aus "Membran") in einem höherdimensionalen "Bulk-Universum" ist. Mithilfe der Stringtheorie lässt sich zeigen, dass dann auf der Brane – also in unserem Universum – die Supersymmetrie gebrochen würde, während sie im Bulk-Universum so weit ungebrochen bliebe, dass sich eine geringe Vakuumenergiedichte damit vereinbaren ließe. Auf der Brane würde die gebrochene Supersymmetrie in die Standardtheorie der Teilchenphysik übergehen, womit man sich zunächst wieder die große Vakuumenergiedichte einhandelt. Doch die Brane-Theorie liefert zusätzlich den so genannten Rubakov-Shaposhnikov-Mechanismus, der – wie Schmidhuber schreibt – "zumindest im Prinzip den Job erledigen könnte, die Vakuumenergie der Standardtheorie abzusaugen". Schmidhuber zeigt auf, dass dieses Szenario schon bald experimentell überprüft werden könnte. Denn eine Konsequenz der Brane-Theorie ist, dass Newtons Gravitationsgesetz bei Abständen unterhalb von 0,01 Millimeter abgeändert werden muss. Bisher ist das Gravitationsgesetz bis hinab zu Abständen von 0,2 Millimeter überprüft worden (bdw berichtete darüber).
Argentinisches Observatorium soll versteckte Raumzeitdimensionen entdecken
Unsere Erfahrungswelt besitzt offenbar eine Zeit- und drei Raumdimensionen. Das gleiche sagt auch die Standardtheorie der Teilchenphysik. Doch neuere Theorien wie beispielsweise die Stringtheorie sagen die Existenz weiterer Dimensionen voraus. Zwei Physiker des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review Letters (Bd. 88, Nr. 2, S. 021303-1) ausgerechnet, dass ein ab dem Jahr 2004 betriebsbereites Observatorium die versteckten Dimensionen entdecken könnte. Wichtigster Zweck des Pierre-Auger-Observatoriums, das derzeit in Argentinien gebaut wird, ist die Beobachtung der kosmischen Strahlung, die aus dem Weltraum in die Erdatmosphäre eindringt. Diese hochenergetische Strahlung trifft auf Atome in der Atmosphäre und erzeugt dabei Teilchen, die auf der Erde gemessen werden können. Dies wird im Pierre-Auger-Observatorium in 1600 Detektoren geschehen. Hauptbestandteil jedes dieser Detektoren ist ein mit zwölf Tonnen Wasser gefüllter Tank. Die 1.600 Tanks werden im Abstand von 1,5 Kilometer auf einer Fläche von insgesamt 3.000 Quadratkilometern in einer Ebene in Westargentinien angeordnet. Eine zweite derartige Anordnung auf der Nordhalbkugel ist geplant. Jonathan Feng und Alfred Shapere haben nun ausgerechnet, dass die kosmische Strahlung beim Zusammenprall mit Atomen der Erdatmosphäre winzige Schwarze Löcher erzeugen könnte, die allerdings sofort wieder zerfallen. Bei diesem Zerfall würde aber ein charakteristisches Teilchenspektrum erzeugt, das mit dem Observatorium nachgewiesen werden kann. Die Energie der kosmischen Strahlung reicht zum Erzeugen Schwarzer Löcher aber nur dann aus, wenn die Standardtheorie der Teilchenphysik falsch ist. Existieren mehr Dimensionen als von der Standardtheorie vorhergesagt, würden die Schwarzen Löcher bereits bei niedrigeren Energien erzeugt.
Strom widerstandslos leiten ohne Supraleiter
Strom verlustfrei mit einem Draht ohne jeden elektrischen Widerstand zu leiten, ist bislang ausschließlich so genannten Supraleitern vorbehalten. Doch US-Forscher von den Bell-Labs/Lucent Technologies sehen nun einen Ausweg in sehr kleinen eindimensionalen Drähten. Mit einer verbesserten Messmethode haben sie gezeigt, dass perfekte Strukturen ohne Fehlstellen im Kristall Strom ebenfalls ohne Widerstand leiten könnten. Eine Schicht Galliumarsenid, deponiert auf einen Träger aus Aluminium-Galliumarsenid, erreicht nach einem Bericht von Rafael de Picciotto in der Fachzeitschrift Nature genau diese Eigenschaft. Durch das nur wenige Atomlagen dicke Material können sich die Elektronen nur in exakt eine Richtung bewegen. Ihr so genannter "ballistischer“ Weg wird auf eine kurze Entfernung nicht von irgendwelchen Fremdeinlagerung oder Fehlstellen im Kristall gestört. Bisher zeigten diese "ballistischen Quantendrähte" in allen Experimenten einen Widerstand von mehreren Kiloohm. Doch de Picciotto konnte nachweisen, dass dieser Wert allein auf den Widerstand der Anschlussstellen zurückzuführen ist. Er konnte mit einer geschickten Messmethode den intrinsischen Widerstand im Draht von dem Widerstand der äußeren Kontaktstellen trennen. Dabei zeigte sich, dass dieser intrinsische Widerstand bei perfekten Strukturen gegen Null läuft. Mit diesem Ergebnis eröffnet de Picciotto ein neues Feld für verlustfreie Stromleitung. Denn metallische Supraleiter, die zu Drähten verformt werden können, gehen erst bei sehr tiefen Temperaturen unterhalb von minus 200 Grad Celsius in den supraleitenden Zustand über. Die noch extrem kurzen und hauchdünnen Quantendrähte jedoch könnten bei Raumtemperatur verwendet werden. Widerstandslose Stromleitung hätte durch eine Minimierung der Transportsverluste enorme Auswirkungen auf die Elektro-Industrie.
Theoretiker sagen neuen Supraleiter aus Silber und Fluor voraus
Verbindungen aus Silber und Fluor könnten eine viel versprechende Quelle für Hochtemperatursupraleiter sein, so schätzen amerikanische Forscher. Bisher wird der Rekord für die Sprungtemperatur von Verbindungen aus Kupfer, Sauerstoff und anderen Elementen wie Barium oder Yttrium gehalten. Die Forscher der Cornell Universität in Ithaka begründen ihre Vermutung mit der Ähnlichkeit zu diesen Cuprat-Verbindungen, wie sie in der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie" schreiben. "Die Analogie zu den Cupraten, unterstützt von detaillierten Berechnungen, ist so stark, dass wir eine recht hohe Sprungtemperatur erwarten", meint der Chemiker und Nobelpreisträger von 1981, Roald Hoffmann. "Es wäre das erste Mal, das Theoretiker eine Gruppe von Supraleitern vorhersagen, bevor andere Forscher diese im Experiment entdeckt haben", hebt er heraus. "Aber ich bin mir bewusst, dass wir damit ein Minenfeld betreten." Die Ähnlichkeiten zwischen den Silber- und den bekannten supraleitenden Kupfer-Verbindungen ist lange Zeit nicht entdeckt worden, weil diese Substanzen ziemlich exotisch sind. Die ersten Silber-Fluor-Verbindungen wurden erst in den 70er Jahren synthetisch hergestellt. "Ich bin von dieser Vorhersage begeistert, weil ich in Silberfluorid-Systemen bereits magnetisches Verhalten beobachtet habe, das sich mit der Existenz einer supraleitenden Phase vertragen würde", beurteilt Neil Bartlett, Chemieprofessor von der University Kalifornien in Berkeley den Vorstoß von Hoffmann. Nun bleibt abzuwarten, ob sich die Vorhersagen der Forscher im Experiment bestätigen lassen.
Tiefgekühltes Eisen wird unter Druck zum Supraleiter
Unter hohen Drücken von über 10 Gigapascal – dem 100.000-fachen des Atomsphären-Drucks – und tiefen Temperaturen von minus 271 Grad Celsius wird selbst Eisen zum Supraleiter. Japanische Physiker von der Universität von Osaka konnten nun diese theoretische Vermutung erstmals im Experiment bestätigen. Diese Entdeckung könnte neben einem besseren Verständnis der Supraleitungs-Theorien wichtige Hinweise für das Magnetfeld der Erde liefern, da der Kern unseres Planeten hauptsächlich aus Eisen besteht. "Unter hohem Druck verändert Eisen seine Kristallstruktur und Supraleitung wird möglich", erklärt Peter B. Littlewood, Physiker am britischen Cavendish Laboratory in Cambridge. Unter Normalbedingungen ordnen sich die Eisenatome in einem kubisch-innenzentrierten Gitter (bcc) an. Dieser Kristall ist sehr stark ferromagnetisch, eine Eigenschaft, die Supraleitung ausschließt. Unter hohem Druck, der auch im inneren Kern der Erde herrscht, geht Eisen in das hexagonal-dichteste Kristallgitter (hcp) über. Die parallele Ausrichtung der magnetischen Spins geht verloren und bei Kühlung kann Eisen dieses Kristalltyps supraleitend werden. Als Ursache für die Supraleitung, die die japanischen Forscher eindrucksvoll unter Beweis stellten, können zum einen elastische Schwingungen im Gitter, so genannte Phononen, gelten. Diese ermöglichen bei vielen Metallen die Anordnung von Elektronen zu Cooper-Paaren, die im supraleitenden Zustand vorliegen müssen. Unwahrscheinlicher, aber auch möglich ist der unterstützende Einfluss von schnellen magnetischen Fluktuationen. Unabhängig von der tatsächlichen Erklärung liefert dieses Experiment eine wichtige Grundlage für eine detaillierte Erklärung des Erdmagnetfeldes. Denn Geologen gehen davon aus, dass im Inneren Kern ein fester Eisenkern in hcp-Struktur das Herzstück für den so genannten Geodynamo bildet. Auch wenn bei den dort herrschenden hohen Temperaturen Eisen nicht supraleitend werden kann, könnten die hohe elektrische Leitfähigkeit und die magnetischen Fluktuationen wichtig für die Stabilisierung des Erdmagnetfeldes sein.
Tiefgekühltes Eisen wird unter Druck zum Supraleiter [Physik]
OSAKA (Japan) – Unter hohen Drücken von über 10 Gigapascal – dem 100.000 fachen des Atomsphären-Drucks – und tiefen Temperaturen von minus 271 Grad Celsius wird selbst Eisen zum Supraleiter. Japanische Physiker von der Osaka Universität konnten nun diese theoretische Vermutung erstmals im Experiment bestätigen. Diese Entdeckung könnte neben einem besseren Verständnis der Supraleitungs-Theorien wichtige Hinweise für das Magnetfeld der Erde liefern, da der Kern unseres Planeten hauptsächlich aus Eisen besteht. "Unter hohem Druck verändert Eisen seine Kristallstruktur und Supraleitung wird möglich", erklärt Peter B. Littlewood, Physiker am britischen Cavendish Laboratory in Cambridge. Unter Normalbedingungen ordnen sich die Eisenatome in einem kubisch-innenzentrierten Gitter (bcc) an. Dieser Kristall ist sehr stark ferromagnetisch, eine Eigenschaft, die Supraleitung unmöglich macht. Unter hohem Druck, der auch im inneren Kern der Erde herrscht, geht Eisen in das hexagonal-dichteste Kristallgitter (hcp) über. Die parallele Ausrichtung der magnetischen Spins geht verloren und Eisen bei Kühlung kann supraleitend werden. Als Ursache für die Supraleitung, die die japanischen Forscher eindrucksvoll unter Beweis stellten, können zum einen elastische Schwingungen im Gitter, so genannte Phononen, gelten. Diese ermöglichen bei vielen Metallen die Anordnung von Elektronen zu Cooper-Paaren, die im supraleitenden Zustand vorliegen müssen. Unwahrscheinlicher aber auch möglich ist der unterstützende Einfluss von schnellen magnetischen Fluktuationen. Unabhängig von der tatsächlichen Erklärung liefert dieses Experiment eine wichtige Grundlage für eine detaillierte Erklärung des Erdmagnetfeldes. Denn Geologen gehen davon aus, dass im Inneren Kern ein fester Eisenkern in hcp-Struktur das Herzstück für den so genannten Geodynamo bildet. Auch wenn bei den dort herrschenden hohen Temperaturen Eisen natürlich nicht supraleitend werden kann, könnten die hohe elektrische Leitfähigkeit und die magnetischen Fluktuationen wichtig für die Stabilisierung des Erdmagnetfeldes sein. (wsa010719jol1)
Elektrisches Feld erzeugt Supraleiter!!
Sehr wichtig!
Einem Team internationaler Physiker ist es gelungen, einen Nichtleiter durch Anlegen eines elektrischen Feldes in den supraleitenden Zustand zu versetzen. Dazu benutzten sie eine einem Feldeffekt-Transistor ähnelnde Anordnung. Diese Kontrolle des Leitungszustandes einer chemischen Verbindung mittels elektrischen Feldern verspricht zahlreiche Anwendungen in der Technologie. Die Forscher berichten über ihr Experiment in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Science. Ausgangspunkt des Experimentes der Gruppe um J. H. Schön war ein dünner Film aus Calcium-Kupferoxid. Dieses Material ist unter Normalbedingungen nichtleitend. Die Filmoberfläche wurde anschließend mit einer einem Feldeffekt-Transistor ähnelnden Anordnung versehen. Das Anlegen einer elektrischen Spannung ermöglichte im Folgenden eine Kontrolle der Anzahl der Löcher der positiven Elementarladungen in der Kupferoxidschicht. Eine ausreichende Konzentration von Löchern ließ die anfänglich nichtleitende Schicht zu einem Metall werden und damit einen elektrischen Strom leiten. Eine Erhöhung der Löcherkonzentration auf ungefähr 0.1 Löcher pro Kupferatom führte gar zu einem Verschwinden des elektrischen Widerstandes des Kupferoxidfilms bei einer Temperatur von 14 Grad über dem absoluten Nullpunkt - durch Lochpaarbindung hatte sich ein Supraleiter ausgebildet. Dem Forscherteam ist es damit gelungen, einen Supraleiter durch bloßes Anlegen eines elektrischen Feldes zu erzeugen. Bisherige Hochtemperatursupraleiter werden zumeist durch chemische Versetzung von Kupferoxid mit Fremdatomen erzeugt. Eine Kontrolle der Supraleitung mittels elektrischen Feldern hingegen würde die Herstellung und den Einsatz von Supraleitern vereinfachen. Für praktische Anwendungen ist allerdings noch eine beträchtliche Erhöhung der Übergangstemperatur des Supraleiters erforderlich.
Hochtemperatursupraleiter leiten Strom ohne Verlust
Auf Kupferoxid basierende Hochtemperatursupraleiter leiten elektrischen Strom verlustfrei durch in parallelen Ebenen angeordneten Ladungsstreifen. Zu diesem Schluss kommt ein amerikanisches Physikerteam des Nationallaboratoriums in Oak Ridge im US-Bundesstaat Tennessee nach der Untersuchung eines Kupferoxid-Kristalls mittels Neutronenstrahlen. Damit hat die so genannte „Streifentheorie“ der Hochtemperatursupraleitung ihre bisher stärkste experimentelle Bestätigung erfahren. Die Forscher berichten über ihre Arbeit in dem Fachmagazin Physical Review Letters (Band 88). Die Forscher um Herb Mook untersuchten mit Neutronenstrahlen ein 25 Gramm schweres Kristall des Hochtemperatursupraleiters Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO). Der für derartige Untersuchungen relativ große Kristall ermöglichte es den Forschern die Positionen der Atome, die den Kristall aufbauen, zu ermitteln. Zudem konnten sie auch die innere Ladungsverteilung bestimmen. Jede achte Kupferoxidkristallebene wies im Mittel einen ebenen Streifen mit positiven Elementarladungen auf, so die Forscher. Dieses Ergebnis bestätigt eine von Steven Kivelson von der Universität von Kalifornien in Los Angeles (UCLA) aufgestellte Theorie der verlustfreien Stromleitung in Hochtemperatursupraleitern. Ihr zu Folge ordnen sich positive Elementarladungen (sogenannte Löcher) entlang von Ebenen in dem Kristall an, und Löcherpaare können sich daraufhin ohne Widerstand entlang dieser Ladungsebenen bewegen – der Kristall ist damit supraleitend. Die Kristalle der auf Kupferoxid aufbauenden Hochtemperatursupraleiter (sogenannte Cuprate) bestehen aus Atomebenen mit Kupfer- und Sauerstoffatomen. Diese Ebenen sind durch Kristallgitter anderer Elemente voneinander getrennt, und die Atome dieser Elemente (in diesem Fall Yttrium und Barium) können Elektronen der Kupferoxidschicht einfangen und so positive Löcher auf dieser zurücklassen. Diese Löcher paaren sich dann in Zweiergruppen und können verlustfrei durch den Kristall wandern – sie machen damit die Supraleitung aus. Wenn sich nun allerdings ein Loch von einem Kupferatom zu einem anderen, neutralen Kupferatom bewegt, muss es eine magnetische Energiebarriere überwinden. Dies wirft die Frage auf, wieso die Stromleitung verlustfrei stattfinden kann. Die in dieser Arbeit experimentell bestätigte Streifentheorie erklärt dies auf einfache Weise: Wenn sich alle positiven Ladungsträger in einer Ebene anordnen, können sie sich in dieser ohne eine Änderung der magnetischen Energie des Kristalls bewegen. Dies ermöglicht einen verlustfreien Ladungstransport entlang der Ladungsstreifen – und damit die Supraleitung.
Rätsel um riesigen Sprung der Dielektrizitätskonstante gelöst
Der starke Abfall der Dielektrizitätskonstante bei 100 Kelvin in einem Oxid scheint geklärt: Wissenschaftler am Brookhafen's National-Laboratorium haben herausgefunden, dass der Sprung mit einer Änderung der Schwingungen im Kristallgitter einhergeht. Dies ist insofern Aufsehen erregend, weil bislang ein Sprung in der Dielektrizitätskonstante als sicheres Zeichen für eine Änderung in der Gitterstruktur galt. Doch so sehr die Forscher auch nach einer Umwandlung der Gitterstruktur suchten, sie konnten keine finden. Als Christopher Homes und sein Team den mysteriösen Kristall jedoch im Infrarotlicht untersuchten, beobachteten sie, dass sich bei der Sprungtemperatur die Absorption des Lichtes änderte. Ein erster Hinweis darauf, dass sich bei der Temperatur die Schwingungen der Atome im Kristall ändern. Weitere Untersuchungen stützen diese These. "Da sich die Schwingungen in einem Festkörper in erster Linie dann ändern, wenn sich die Ladungsverteilung im Kristall ändert, nehmen wir an, dass sich Ladung auch ohne eine gleichzeitige Strukturumwandlung umverteilen kann", erklärt Homes. Er vermutet sogar, dass die Ladungspaare in dem Oxid bei 100 Kelvin einfach einfrieren, sich also gar nicht mehr bewegen. Doch warum und ob es einen solchen Gefrierpunkt der Ladungspaare wirklich gibt, ist noch nicht sicher geklärt. Bei der Verbindung handelt es sich um eine dem Perowskit verwandte Verbindung, die Calcium, Kupfer, Titan und Sauerstoff enthält. Die Substanz hat über einen großen Temperaturbereich, von minus 173 bis 327 Grad Celsius, einen sehr hohen und konstanten Wert für die Dielektrizität. Erst bei minus 173 Grad sackt die Konstante plötzlich schlagartig um den Faktor 1.000 ab. Je höher die Dielektrizitätskonstante, desto mehr Ladung kann das Material speichern und desto kleiner könnte ein elektronisches Bauteil aus dieser Substanz sein. Deshalb könnte das neue Material auch in der Mikroelektronik zum Einsatz kommen, prognostiziert Homes.
US-Forscher entwirft revolutionäre Zeitmaschine
Nichts ist unmöglich - weder in der Werbung noch in der Wissenschaft: Ein amerikanischer Physikprofessor ist überzeugt, einen praktikablen Weg für Zeitreisen gefunden zu haben. Nein, wie der typische verrückte Wissenschaftler kommt Ronald Mallett nicht daher. Niemand, der die grundlegenden Gesetze der Physik in Frage stellt. Niemand, der mysteriöse Kräfte formuliert, um seine Theorien umsetzen zu können. Mallett ist schlicht und einfach ein Professor für theoretische Physik. Und wenn sich diese akademische Spezies in ihre Denkerstuben zurückzieht, wenn sie Bleistift und Papier zückt, um wochenlang zu rechnen, kommen mitunter seltsame Konzepte zu Stande. Besonders experimentelle Physiker, die derartige Überlegungen schließlich in die Praxis umsetzen müssen, wissen ein Lied davon zu singen. Jetzt hat Mallett seinen schraubenden und messenden Kollegen eine ganz besonders komplizierte Aufgabe gestellt. Wie das britische Wissenschaftsmagazin "New Scientist" berichtet, glaubt der Theoretiker von der Connecticut University, einen gangbaren Weg für Reisen durch die Zeit entdeckt zu haben. Keine Wurmlöcher, die es zwar theoretisch gibt, die sich auf Grund eines eklatanten Mangels an "negativer Energie" jedoch nur schwer öffnen lassen. Kein rotierendes Universum, das von einem der ersten Zeitmaschinen-Theoretiker, dem Logiker Kurt Gödel, als unabdingbar angesehen wurde. Ganz im Gegenteil. Mallett besinnt sich auf die Grundlagen der Physik: Albert Einsteins gekrümmte Raumzeit und die Quanteneffekte des Lichts.
Mulden in der Zeit
Jeder Materieklumpen - je größer, desto besser - beeinflusst den Raum und die Zeit in seiner Umgebung. Wie ein Stein, der auf einem weichen Kissen einsinkt, bilden sich auch in der Raumzeit Mulden. Irgendwie, so die theoretische Vorhersage, müsste sich die Zeit so weit verbiegen lassen, dass sie nicht in einer geraden Linie verläuft, sondern einen geschlossenen Kreis bildet. Doch statt auf große Gravitationszentren, die bislang im Mittelpunkt der gekrümmten Zeit standen, setzt Mallett auf Licht. Das hat zwar keine Masse, krümmt aber, so der Physiker, ebenfalls den Raum. Bereits im vergangenen Jahr hat Mallett laut "New Scientist" gezeigt, dass ein Laserstrahl auf einer Kreisbahn eine Art Strudel in seiner Umgebung erzeugt. Jetzt soll der Strudel auf die Zeit ausgedehnt werden. Hierzu ist nach den Berechnungen des Theoretikers allerdings ein zweiter Laser vonnöten. Läuft der dem ersten Lichtstrahl entgegen und wird die Intensität entsprechend erhöht, tauschen Raum und Zeit ihre Rollen. Im Innern des zirkulierenden Laserstrahls rotiert die Zeit. Menschen können - theoretisch - in die Vergangenheit zurückreisen. Zumindest bis zu dem Zeitpunkt, als sich der Kreis geschlossen hatte.
Licht wird langsam
Ein grundlegendes Problem, abgesehen von ungezählten Schwierigkeiten bei der Umsetzung, bleibt allerdings noch: Um die Zeit auf eine Kreisbahn zu zwingen, verlangen die Formeln ungeheure Mengen an Energie. Mallett hat offensichtlich auch hierfür eine Lösung. Gemäß dem Satz "je langsamer das Licht, desto stärker die Störung der Raumzeit", will er seine Zeitreisen-Laser so stark wie möglich abbremsen. Dabei kommt Mallett eine Entdeckung entgegen, die Kollegen erst Anfang dieses Jahres gemacht haben. Zwei unabhängig voneinander arbeitenden Forscherteams ist es gelungen, Licht von seinen ursprünglichen 300.000 Kilometern pro Sekunde bis zum Stillstand abzubremsen. "Das eröffnet uns eine Dimension, von der wir zuvor nicht einmal zu träumen wagten", so Mallett gegenüber dem "New Scientist". Da die Licht-Stopper allerdings erst nahe des absoluten Temperaturnullpunkts funktionieren, dürfte Malletts Konzept für die eher warmblütige Menschheit im Moment nicht sonderlich geeignet sein. Daher wollen die Forscher auch erst einmal klein anfangen. In einem ersten Schritt sollen die Auswirkungen der rotierenden Laserstrahlen auf ein einzelnes Atom untersucht werden.
Reise nach gestern: Wiener Physiker ersinnen "Wurmloch"-Zeitmaschine
Wien - "In die Zukunft kann man leicht reisen, wenigstens im Prinzip, das zeigt schon die Relativitätstheorie", erklärt Peter Aichelburg (Theoretische Physik, Uni Wien) dem STANDARD, "etwas anderes ist es mit der Reise in die eigene Vergangenheit: Das würde bedeuten, daß man sich selbst trifft, und sollte als Kausalitätsverletzung in Einsteins Theorie nicht vorkommen. Aber vielleicht ginge es doch, wenn man ,Wurmlöcher' in Zeitmaschinen umbaut." Nach vorne: einfach. Auch die Reise in die Zukunft ist nur dann "leicht" vorstellbar, wenn man die Vorstellung einer absoluten Zeit aufgibt: "Der Grundgedanke bei Einstein ist, daß jeder Gegenstand seine Eigenzeit hat, auch wir beide, wenn wir uns trennen, aber da sind die Unterschiede unmerklich gering", erklärt Aichelburg, "sie zeigen sich erst, wenn die Relativgeschwindigkeit sehr hoch ist: Wenn etwa, im ,Zwillings-Paradoxon', ein Zwilling auf der Erde ist und der zweite sehr rasch mit einer Rakete wegfliegt, wäre der zweite bei seiner Rückkehr weniger gealtert als der Hiergebliebene und würde damit in die Zukunft zurückkehren." Zurück: Vatermord. In die Zukunft seiner Umgebung, nicht in die eigene, er ist während der Reise auch gealtert. Zeitreisen in Gegenrichtung hingegen würden in die eigene Vergangenheit führen und in die Tücken des "Vatermord-Paradoxons" - man könnte den eigenen Vater ermorden, bevor man von ihm gezeugt ist -, das zum Problem der zeitlichen Abfolge das der logischen Verknüpfung bringt, die Kausalität. Einstein war beunruhigt, daß seine Theorie der Gravitation - derzufolge die Raumzeit durch massive Körper beeinflußbar ist, "gebogen" werden kann - doch Zeitschleifen ermöglichen könnte. Und bis heute werden sie immer wieder in eben den geometrischen Veränderungen gesucht, die die Gravitation bringt: Sie könnte Abkürzungen durch das Universum legen, "Wurmlöcher", wie sie quer durch einen Apfel führen statt außen herum. Und wenn man die Ende der Wurmlöcher dann auch noch gegeneinander bewege, könne man - wie im Zwillings-Paradoxon - Zeit gewinnen. Bisher ließen sich solche "Wurmlöcher" nur konstruieren, wenn man dafür Materie mit anderen als den bekannten Eigenschaften unterstellt, "exotische Materie". Nun haben Aichelburg und sein Mitarbeiter Friedrich Schein eine Lösung errechnet, die ohne "exotische Materie" auskommt, allerdings beim Durchreisen zusammenbruchsgefährdet ist.
Ronald Mallet`s Zeitmaschine
Ronald Mallet, Professor für Theoretische Physik an der Connecticut University, glaubt den Traum von Zeitreisen realisieren zu können - und das auf einfache Weise. An einer entsprechenden Zeitmaschine wird bereits gearbeitet. Mallett glaubt einen Weg in die Vergangenheit gefunden zu haben, dessen Eingang viel leichter zu öffnen ist: mit Licht. Der Forscher glaubt, dass ein zirkulierender Lichtstrahl, der auf Schneckentempo verlangsamt wird, die ideale Zutat für eine Zeitreise ist. Und Mallett ist mit seiner Theorie bei anderen Forschern bereits auf ein offenes Ohr gestoßen. Zusammen wollen sie die dazu nötige Maschine jetzt bauen. "Mit dieser Maschine könnten Zeitreisen praktisch möglich werden“, kommentiert Mallett in einem New Scientist Interview. Doch schon wieder haben wir es mit einem Problem zu tun. Denn um das Licht von 300.000 km/s auf wenige Meter pro Sekunde herabzubremsen, muss man es auf beinahe –273 °C herabkühlen. Um also in Malletts Zeitmaschine steigen zu können, müsste man schon einen dicken Schutzanzug tragen – den es allerdings auch noch nicht gibt. Doch für den Forscher ist dies das kleinste aller Probleme. Künftige Zivilisationen, würden schon eine entsprechende Lösung finden und möglicherweise reisen sie zu uns zurück, um uns die Lösung zu verraten. Wer noch immer den Kopf über Mallett's Forschungen schüttelt wird jetzt eines Besseren belehrt. Denn bereits Einstein konnte ja schon beweisen, dass Zeitreisen möglich sind – allerdings bereitete ihm diese Idee Kopfzerbrechen. Einstein zeigte, dass die Gravitation nichts anderes ist als die Beugung von Raum und Zeit. Alles was Masse oder Energie besitzt verzerrt den umliegenden Raum und Zeit. Irgendwie ist das ein bisschen, wie wenn man sich auf eine Couch sitzt und dabei eine Delle unter dem Po entsteht. Ein Klumpen Materie kann also Raum und Zeit verzerren. Uhren, die sich nahe an der Erdoberfläche befinden, laufen demnach langsamer als im Weltraum. Und versetzt man diesen Klumpen Materie in Rotation, dann fängt sich auch der umliegende Raum und die Zeit zu drehen an. Das ist wie wenn man einen Kaffee umrührt, und der Löffel den Schaum hinter sich herzieht. Je dichter die Materie ist und je schneller sie sich bewegt, desto mehr verzerrt sie das so genannte Raum-Zeit Kontinuum. Verfolgt man diese Idee weiter, dann zeigt sich, dass die Zeit so stark gekrümmt werden kann, dass sie nicht als unendlich lange Gerade von der Vergangenheit in die Zukunft verläuft, sondern sich zu einem Kreis schließt. Geht man entlang dieser Kreislinie, dann kann man in die Vergangenheit zurückwandern. Bis heute haben Physiker bereits verschiedene Lösungsansätze für solche Zeitschleifen entwickelt, doch keine kann in die Realität umgesetzt werden. Darunter befindet sich auch das berühmte Wurmloch. Mallett allerdings will es mit Licht probieren, und das ist relativ einfach zu handhaben – und in üppiger Menge vorhanden. Auch Licht kann eine Zeitschleife schließen. "Man vergisst leicht, dass Licht, auch wenn es keine Masse besitzt, den Raum verzerren kann“, so der Forscher. Licht, das so gebrochen wird, damit es einer kreisförmigen Bahn folgt, hat in der Tat seltsame Effekte. Erst im letzten Jahr veröffentlichte Mallett eine Studie in der er beschreibt, wie ein zirkulierender Laserstrahl einen Strudel im Raum innerhalb des Kreises erzeugt. "In diesem Moment realisierte ich, dass die Zeit, genau wie der Raum, durch zirkulierende Lichtstrahlen verzerrt werden kann“, so Mallett. Um die Zeit zu einer kreisförmigen Schleife zu verzerren, benötigt er allerdings einen zweiten Laserstrahl, der in die entgegengesetzte Richtung zirkuliert. Wenn man die Lichtstärke weit genug erhöht, dann müssten Raum und Zeit ihre Rollen tauschen. Das heißt, dass innerhalb der zirkulierenden Lichtstrahlen, die Zeit im Kreis läuft. Würde man darin in die richtige Richtung gehen, dann könnte man in der Tat in der Zeit zurückreisen. Steigt man aus dem Kreis heraus, würde man auf sich selbst treffen, noch bevor man überhaupt in den Kreis gestiegen ist. Ein Problem hat man allerdings immer noch: Die Energie, die man benötigt um die Zeit zu einer Schleife zu verbiegen, wäre enorm hoch. Doch bei genauerem Hinsehen auf seine mathematischen Gleichungen entdeckte Mallett eine Lösung. Er fand nämlich heraus, dass der Effekt des zirkulierenden Lichts von seiner Geschwindigkeit abhängt. Je langsamer das Licht, desto stärker die Raum-Zeit Krümmung. Langsames Licht löst das Problem. Doch wer glaubt, das Licht abzubremsen sei unmöglich, hat sich getäuscht. Erst kürzlich schafften es Forscher der Harvard University das Licht von 300.000 km/s auf wenige Meter pro Sekunde zu verlangsamen – bis hin zum Stillstand. "Vor diesem Durchbruch hätte ich die Möglichkeit einer Zeitreise auf diese Art und Weise nicht für real gehalten“, so Mallett. "Doch die Verlangsamung des Lichts öffnet gigantische Möglichkeiten, an die wir zuvor nie gedacht hätten.“ Geschafft hatten es die Harvard Forscher, indem sie das Licht durch ein ultrakaltes Bad aus Atomen geschickt hatten, ein so genanntes Bose - Einstein Kondensat. Dieses Kondensat wurde ebenfalls erst vor wenigen Jahren entdeckt und zählt mittlerweile zu den fünf bekannten Zuständen von Materie (fest, flüssig, gasförmig, Plasma-Zustand, und Bose-Einstein Kondensat). "Alles was man nun tun braucht, ist das Licht in diesem kalten Atombad zirkulieren zu lassen“, so Mallett. "Es ist zwar ein technologisches Problem, allerdings ein durchaus lösbares.“ In einem nächsten Schritt will Mallett zusammen mit seinem Kollegen William Stwalley zumindest einmal die Krümmung des Raums überprüfen. Dazu wollen sie den Spin1 eines im Lichtkreis befindlichen Teilchens messen. Bei Verwendung eines zweiten Laserstrahls glauben sie dann, dass der Effekt einer Zeitreise auftritt. Doch welcher Effekt das sein wird, das weiß auch Mallett noch nicht ganz genau. Wird vielleicht bereits vor Beginn des Experiments ein zweites Teilchen sichtbar sein, das aus der Zukunft zurückkehrt? Für Laien ist das kaum vorstellbar und auch Stwalley, Leiter einer Gruppe, die sich mit der Erforschung kalter Atome auseinandersetzt, will es auch nicht darauf anlegen.
Jenaer Physiker wollen Laser mit Rekordstärke bauen [Physik]
JENA - "Giftstoffe wie Atommüll könnte man buchstäblich mit dem Laser verbrennen." Was wie Science fiction anmutet, wird in einigen Jahren vielleicht schon Wirklichkeit sein. Ein Wissenschaftlerteam des Institutes für Optik und Quantenelektronik der Universität Jena unter Leitung von Roland Sauerbrey plant den Bau des vielleicht stärksten Laser der Welt. Mit einer Leistung von einem Petawatt, das sind eine Billion Kilowatt, sprengt diese enorme Lichtquelle alle bisherigen Laserdimensionen. "Wir haben uns von Anfang an von der üblicherweise sehr aufwändigen Blitzlampentechnik verabschiedet und deshalb unseren Laser auf der Basis optimierter Pumpdioden konstruiert", verrät Sauerbrey vorab. Ein gravierendes Problem gibt es allerdings noch zu lösen: "Wir brauchen dafür neue, hochreine Materialien mit extrem hoher Oberflächenqualität", so Sauerbrey. Sollte das Projekt, das von der Thüringer Landesregierung großzügig unterstützt wird, gelingen, so könnten die Forscher in bisher unerreichte Dimensionen der Kernphysik vordringen: Feldstärken von bis zu zehn hoch dreiundzwanzig Watt pro Quadratzentimeter, Drücke bis zu einigen Terabar und eine enorme Massenbeschleunigung könnten theoretisch chemische Elemente umwandeln oder aus Licht Materie erzeugen. Ein alter Alchimistentraum scheint sich zu erfüllen. Allerdings rechnen Experten noch mit weiteren vier Jahren Forschungszeit für die Realisierung dieses Lasers der Superlative. (wsa010613fml1).
Deutsche Forscher basteln Superlaser
Zwar etwas kurzatmig, dafür umso energiereicher soll ein neuer Laser arbeiten, den Jenaer Physiker derzeit aufbauen. Einmal in Gang gesetzt, stellt die Lichtmaschine selbst Kraftwerke in den Schatten. Einer der stärksten Laser der Welt soll in Jena entstehen. Die nach einem neuen Konzept konstruierte Maschine könnte einmal ein Petawatt (eine Billiarde Watt) Leistung erzeugen - so viel wie zehn Billionen handelsüblicher Glühbirnen. Wie die Universität Jena mitteilte, will ein Team um Roland Sauerbrey vom Institut für Optik und Quantenelektronik den Superlaser in etwa vier Jahren in Betrieb nehmen. Im Endausbau sollen im Jenaer Laser 4500 Laserdioden parallel eingesetzt werden, von denen jede einzelne etwa 100.000 Mal stärker ist als der Laser im heimischen CD-Spieler. Die Jenoptik AG hat diese weltweit stärksten Laserdioden für Sauerbreys Projekt konstruiert und fertigt sie für den Weltmarkt. Die Energie der Laserdioden wird in einem speziellen Lasermedium gespeichert und in einem Blitz von etwa 150 Femtosekunden (dem Billiardstel Teil einer Sekunde) ausgestrahlt. Während des ultrakurzen Schusses wird mehr Energie frei, als sie alle Kraftwerke auf der Erde in exakt diesem Moment produzieren können. Der Petawatt-Laser wird ein etwa 200 Quadratmeter großes Labor füllen, ist damit vergleichsweise klein und kompakt. Andere Hochleistungslaser benötigen zum Teil eigene Gebäude bis zur Größe eines Fußballfeldes. Doch dafür sind sie bereits in Betrieb oder werden deutlich schneller fertig sein als das Jenaer Projekt. Weltweit arbeiten etwa ein halbes Dutzend Institute, darunter auch die Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt, an Petawatt-Lasern. Den Anfang machten Forscher am Lawrence Livermore National Laboratory der USA, die 1998 einen 1,3 Petawatt starken Laser zum Strahlen brachten. Der Jenaer Superlaser soll helfen, neue Radioisotope für die medizinische Strahlendiagnostik und -therapie zu erzeugen. Mit seiner Unterstützung könnten zudem hochgefährliche Giftstoffe wie Atommüll in ungefährliche Varianten umgewandelt werden.
Ultrakalte Atome können ihre Bewegungsrichtung spontan ändern
Fast auf den absoluten Nullpunkt abgekühlte Atome können ihre Bewegungsrichtung im Raum spontan ändern. Zwei in Maryland und in Texas ansässige Wissenschaftlerteams berichten in Nature und Science über die ersten Demonstrationen dieses Quanteneffekts. Die amerikanischen Forscher kühlten Natrium- oder Cäsiumatome auf wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab. Mittels Laserstrahlen prägten sie einzelnen dieser ultrakalten Atome eine von zwei entgegengerichteten Impulsrichtungen auf - einzelne Atome bewegten sich dadurch in bestimmten, entgegengesetzten Richtungen im Raum. Bei ihrem Experiment stellten die Forscher fest, dass die Atome ihre Bewegungsrichtung spontan ändern können - sie können von einem Bewegungszustand in den anderen "springen". Dieser als Quantum-hopping bezeichnete Effekt ist eine gelungene Demonstration der Unvorhersagbarkeit der Bewegung von Atomen auf kleinstem Raum. Die ultrakalten Atome gleichen in gewisser Weise dem Pendel einer Standuhr. Während ein Pendel allerdings gleichmäßig von einer Seite zur anderen schwingt, ändern die Atome ihre Bewegungsrichtung spontan im Laufe einer Schwingungsperiode. Dies ist mit den Mitteln der klassischen Physik nicht erklärbar. Dieses "Hopsen" wurde bisher nur durch die spontane Änderung von "inneren Parametern" wie dem Elektronenspin experimentell verwirklicht.
Beschleunigtes Proton prallt gegen Geisterteilchen
Während ein stillstehender Beobachter sieht, wie ein beschleunigtes Proton spontan, also ohne äußere Ursache, zerfällt, sieht sich das Proton selbst mit einer Armada von "Geisterteilchen" konfrontiert und kollidiert schließlich mit einem von ihnen. Zwei brasilianische Physiker haben jetzt gezeigt, dass man ohne diese bizarre Sicht des Protonenzerfalls zu keiner widerspruchsfreien Aussage über die Lebensdauer des Protons gelangen kann. Das berichtet die Amerikanische Physikalische Gesellschaft. Stellen Sie sich folgende Situation vor: Sie setzen sich in Ihren Wagen, drücken aufs Gaspedal und beschleunigen. Und während Sie das tun, erscheinen plötzlich aus dem Nichts unzählige Wagen, die Ihnen alle entgegenkommen. Mit einem der Wagen prallen Sie zusammen. Nachdem man Sie schwer verletzt geborgen hat, hören Sie, wie gleich mehrere Zeugen Stein und Bein schwören, dass außer Ihrem Wagen weit und breit kein anderes Auto zu sehen war. Während in unserer Alltagswelt eine solch irreale Situation nicht möglich ist, ist sie in der Quantenwelt offenbar Realität. Bereits in den siebziger Jahren hatten die Physiker Fulling, Davies und Unruh theoretisch vorhergesagt, dass ein beschleunigter Beobachter andere Teilchen sieht als ein ruhender. Diese umstrittene Vorhersage haben Daniel Vanzella und George Matsas von der Universidade Estadual Paulista in Sao Paulo jetzt erhärtet. Sie haben die Lebensdauer des beschleunigten Protons aus seiner eigenen Sicht und aus Sicht eines ruhenden Beobachters berechnet. Weil die Spezielle Relativitätstheorie eine Veränderung der Zeitlängen bei hohen Geschwindigkeiten vorhersagt, erscheint die Lebensdauer in den beiden Bezugssystemen unterschiedlich lang. Das darf jedoch nicht für die so genannte Eigenzeit gelten. Das ist eine Art normierter Zeit, die in jedem Bezugssystem gleich lang sein muss. Vanzella und Matsas konnten zeigen, dass die Lebensdauer des Protons, gemessen in der Eigenzeit, nur dann in beiden Bezugssystemen identisch ist, wenn der Fulling-Davies-Unruh-Effekt tatsächlich real ist. Die beiden Physiker berechneten dazu aus den Kollisionswahrscheinlichkeiten des Protons mit den in seinem Bezugssystem existenten Teilchen seine mittlere Lebensdauer und verglichen sie mit der mittleren Spontanzerfallszeit, die ein ruhender Beobachter misst. Eine experimentelle Überprüfung dieses Effektes ist aufgrund der dazu notwendigen riesigen Beschleunigungen bisher nicht möglich. Alan Kostelecky von der Indiana University in Bloomington hält es jedoch für denkbar, dass man dieses Phänomen bei bestimmten astrophysikalischen Prozessen beobachten kann.
Forscher entdecken neuen Fundamentalzustand elektromagnetischer Wellen
Ein Physikerteam der Universität von Nizza sagt in der aktuellen Ausgabe des Fachblattes Physical Review Letters (Band 88 Referenznummer 083901) einen bisher unerkannten, fundamentalen Kohärenzzustand elektromagnetischer Wellen voraus. Demnach ist die Überlagerung elektromagnetischer Wellen unter bestimmten Bedingungen nur mit den Mitteln der Relativitätstheorie beschreibbar. Diese Entdeckung ist sowohl für die optische Grundlagenforschung als auch für Anwendungen wie etwa die Erzeugung von Plasmawellen für Fusionsexperimente von Interesse. In ihrer Arbeit analysieren die Forscher Antonio Picozzi und Marc Haelterman eine sogenannte parametrische Überlagerung („parametric wave mixing“) elektromagnetischer Wellen. In derartigen Experimenten werden inkohärente Lichtwellen mittels kohärenten „Pumpwellen“ eines Laserstrahls in nichtlinearen optischen Medien verstärkt. Die durch diesen Vorgang verstärkten Lichtwellen weisen nun selbst die physikalische Eigenschaft der Kohärenz auf – sie können durch einfache Addition ihrer Amplituden überlagert werden. Der gängigen Lehrmeinung zu Folge sind diese durch parametrische Verstärkung erzeugten Wellen entweder räumlich oder zeitlich kohärent. Ein räumlich kohärentes Wellenfeld kann mit einem zum gleichen Zeitpunkt im Raum verschobenen Abbild seiner selbst überlagert werden, während ein zeitlich kohärentes Feld mit einem zeitlich verschobenen Abbild seiner selbst am gleichen Ort überlagert werden kann. Die theoretische Analyse von Picozzi und Haelterman zeigt nun, dass diese beiden Zustände nur zwei Spezialfälle eines viel allgemeineren, raum-zeitlich verwobenen Kohärenzzustandes sind: Eine einfache räumliche oder zeitliche Verschiebung eines Wellenfeldes reicht zu seiner Überlagerung nicht aus, vielmehr ist eine Verschiebung in der vierdimensionalen Raumzeit der Relativitätstheorie dazu notwendig. Die Forscher hoffen, diesen allgemeinen Kohärenzzustand elektromagnetischer Wellen schon bald experimentell beobachten zu können. Ihnen zu Folge könnte dies sogar mit dem klassischen Young-Interferenzexperiment gelingen – der Überlagerung zweier Wellen hinter einem Doppelspalt. Während die Intensitätsverteilung des Wellenfeldes hinter dem Doppelspalt jedoch bei klassischer Kohärenz symmetrisch ist, sollte die Überlagerung von Wellen des neu entdeckten Kohärenzzustandes ein asymmetrisches Profil aufweisen. Parametrische Verstärkungsprozesse werden sowohl in der Grundlagen- als auch in der angewandten Forschung vielfach eingesetzt. Die überraschenden Eigenschaften des raum-zeitlich verwobenen Kohärenzzustandes sind daher nicht nur für Theoretiker von Interesse. So ist eine genaue Kenntnis der Kohärenz von Plasmawellen etwa von entscheidender Bedeutung für die Zündung von Fusionsreaktoren.
Kernfusion im Becherglas?
Eine Kernfusion, wie sie im Inneren der Sonne abläuft, will ein russisch-amerikanisches Forscherteam in einem Becherglas nachvollzogen haben. Das meldet das Magazin "Science". Sollten die Angaben stimmen, würde das die Kernforschung nach Überzeugung vieler Wissenschaftler revolutionieren. Allerdings muss das Experiment zunächst von anderen Forschern überprüft werden, was voraussichtlich nicht lange dauern wird: Der Versuchsaufbau ist so simpel, dass viele Labors ihn nachstellen können. Der Forscher Rusi Pusi Taleyarkhan von der Russischen Akademie der Wissenschaften hat zusammen mit Kollegen vom Oak-Ridge Nationallabor in Tennessee und vom Rensselaer-Institut im Staate New York in dem Lösungsmittel Azeton mit Hilfe von Schallwellen kleine heiße Bläschen erzeugt. Dieser Effekt von Schallwellen auf eine Flüssigkeit wie Azeton ist lange bekannt. Bisher sind Physiker davon ausgegangen, dass in den Bläschen kurzzeitig eine Temperatur wie auf der Oberfläche der Sonne erreicht wird. Möglicherweise sind sie jedoch weitaus heißer und erreichen Hitzegrade, wie sie im Inneren der Sonne existieren. Die Forscher haben vor dem Versuch im Azeton normalen Wasserstoff durch das Wasserstoff-Isotop Deuterium ersetzt, das sich besonders gut für eine Fusion eignet. Bei der Fusion werden zwei Atome zu einem dritten Atom vereinigt, wobei wie in der Sonne Energie freigesetzt wird. Dabei entsteht außerdem eine verräterische Strahlung aus Hochenergie-Neutronen. Diese Strahlung wollen die Forscher in dem beschallten Becherglas mit Azeton nachgewiesen haben. Da in den Bläschen eine hohe Temperatur herrscht, kann bei den Versuchen nicht von einer "kalten Fusion" gesprochen werden, die fast ohne Energiezufuhr von außen auskommen würde. Vor zwölf Jahren behaupteten Wissenschaftler, ihnen sei eben diese kalte Fusion gelungen. Damals konnten die Versuche jedoch nicht von anderen Forschern nachvollzogen werden, weshalb sich die Behauptungen als einer der größten Flops der jüngeren Wissenschaftsgeschichte entpuppten.
Kernfusion durch implodierende Blasen
OAK RIDGE (USA) - Die Fusion von schweren Wasserstoffatomen (Deuterium) zu Helium wollen russische und amerikanische Physiker am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee beobachtet haben. Dazu brauchten sie nach eigenen Angaben nicht viel mehr als ein Glas mit Azeton, durch das sie starke Ultraschallwellen schickten. Das Experiment, dass schon heute sehr viel Skepsis bei Physikern weltweit erzeugt hat, beschreiben sie in der kommenden Ausgabe der Zeitschrift "Science" (Vol. 295 S. 1868), ergänzt mit kritischen Stellungnahmen (Vol. 295, S. 1753, 1808, 1850) von anderen Wissenschaftlern. Durch den intensiven Kollaps von implodierenden Blasen in der Flüssigkeit sollen kurzfristig Temperaturen von einer bis zehn Milliarden Grad bei einer hohen Dichte von Deuterium erreicht worden sein: Theoretisch genug, um diese Wasserstoff-Atome zu Helium zu fusionieren oder auch um superschweren Wasserstoff (Tritium) zu erzeugen. Bei einer solchen Fusion werden theoretisch enorme Energiemengen freigesetzt, die die Effizienz herkömmlicher Kernreaktoren weit in den Schatten stellen könnten. Der Russe Rusi Taleyarkhan ersetzte dazu mit seinen Kollegen alle Wasserstoffatome im Azeton (C3H6O) durch Deuterium (C3D6O). Starke Schallwellen führten zu einer Blasenbildung. Zusätzlich schickten sie zeitgleich Energie reiche Neutronen mit 14 Millionen Elektronenvolt (14 MeV) durch das Becherglas. Diese treffen auf die Azeton-Moleküle und geben ihnen eine Extra-Portion Energie ab. Dadurch wuchsen die Blasen auf einen Durchmesser von rund einem Millimeter an. "Sie wuchsen sehr stark und man konnte sie sogar sehen", sagt Taleyarkhan. Bei der folgenden Implosion der Blasen wird Energie frei. Reichte dieser bekannte Effekt, die so genannte Sonolumineszenz, bisher nur zu einem kurzen Aufleuchten dieser "Kavitationsblasen" aus, sollen nun durch die größeren Blasen so gigantische Drücke und Temperaturen erreicht worden sein, um zwei Deuterium-Atome zu einem Heliumkern zu verschmelzen. Dabei wird ein zusätzliches Neutron mit etwa 2,45 MeV Energie gebildet. Taleyarkhan will nun Neutronen mit ziemlich genau dieser Energie während der mutmaßlichen Fusion nachgewiesen haben. Auch den parallel ablaufenden Prozess, bei dem sich zwei Deuterium-Atome zu Tritium und einem Proton wandeln, will er dadurch belegt wissen, dass er Stunden nach dem Experiment im Becherglas Tritium nachweise konnte. "Wissenschaftler werden und sollten skeptisch bleiben bis dieses Experiment von anderen reproduziert werden konnte", dämpft Fred Becchetti von der University of Michigan zu große Erwartungen. Denn eine Kernfusion mit einem extrem einfachen Aufbau ohne Milliarden teure Plasma-Reaktoren versprachen bereits 1989 Martin Fleischmann und Stanley Ponds von der University of Utah. Ihre "Kalte Fusion" erwies sich bereits nach wenigen Monaten als Flop und entwickelte sich zum größten Wissenschaftsskandal in der jüngeren Geschichte. Taleyarkhan und Kollegen sind sich dieser Gefahr, ihren wissenschaftlichen Ruf und das ihres Labors mit dieser Sensationsmeldung zu ruinieren, durchaus bewusst. Dan Shapira und Michael Saltmarsh, ebenfalls zwei Forscher in Oak Ridge, wiederholten daher das Experiment mit einem empfindlicheren Neutronendetektor. "Wir fanden keinen Hinweis auf irgendein Neutron, dass durch Fusion entstanden sein könnte", fasst Saltmarsh ihre Ergebnisse zusammen. Trotz dieses vergeblichen Versuchs, die Ergebnisse der "Fusion" zu bestätigen, blieb Taleyarkhan dabei, sein Experiment in der Fachzeitschrift "Science" zu veröffentlichen. "Es gab natürlich auch Druck vom Oak Ridge Labor, die Veröffentlichung zu verschieben, wenn nicht sogar zu verhindern", sagt Don Kennedy, Herausgeber von "Science". "Veröffentlichen oder nicht veröffentlichen", vor diesem Problem stand Kennedy, riskiert er doch auch den vorbildlichen Ruf, den seine Zeitschrift in der Wissenschaftsgemeinde genießt. Doch ein Rückziehen des von anderen Forschern begutachteten Artikeln verhindert auch eine breite Diskussion des Ergebnisses in aller Welt. "Unser Auftrag ist es, interessante, potenziell wichtige Ergebnisse in die Öffentlichkeit zu bringen, nachdem wir die Qualität so gut wie möglich kontrolliert haben", so Kennedy. Im gleichen Heft wird nun auch die erfolglose Reproduktion des Experiments durch Saltmarsh und Shapira erwähnt. Datails dazu finden sich auf der Webseite des Oak Ridge Labors. "Doch wir sehen keinen Grund, den Plan, diesen Artikel zu veröffentlichen, zu ändern und somit im voraus den Inhalt zu beurteilen", so Kennedy in einem speziellen Vorwort in der kommenden "Science"-Ausgabe. Durch die genaue Beschreibung des Experiments werden nun Wissenschaftler weltweit in die Lage gesetzt, den Fusionsversuch zu wiederholen. Erst danach kann der Wert dieser Veröffentlichung abschließend bestimmt werden. Doch auch wenn sich diese faszinierenden Ergebnisse bewahrheiten sollten, ist der Weg zu einem funktionierenden Fusionsreaktor, der auf einen Schlag die Energieversorgung auf der Erde langfristig sicherstellt, noch weit. So sei noch zu klären, ob mit bei dem Experiment tatsächlich mehr Energie gewonnen wird als vorher vor allem durch die 14 MeV-Neutronen eingesetzt wurde. Und auch wenn ein Energieüberschuss erzeugt werden sollte, bleibt das technische Problem, diesen Überschuss in verwertbare Energie umzusetzen. (wsa020306jol2)
Schwarze Löcher können in fünf Dimensionen ringförmig sein
Ein Schwarzes Loch kann in einer fünfdimensionalen Welt sowohl die Form einer Kugel als auch die eines torusförmigen Rings annehmen. Zu diesem Ergebnis kommt eine theoretische Analyse der Einsteinschen Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie in fünf Dimensionen. Darüber berichtet das Fachmagazin Physical Review Letters (Band 88 Referenznummer 101101). Falls die von der Stringtheorie vorhergesagte fünfte Raumdimension in der Tat existiert, könnten derartige Schwarze Löcher in einem betsimmten Teilchenbeschleuniger, der gerade erst gebaut wird, erzeugt werden. Das Physikerteam um Roberto Emparan vom europäischen Kern- und Elementarteilchenforschungszentrum CERN bei Genf untersucht in seiner Arbeit stabile Konfigurationen für Schwarze Löcher in einer fünfdimensionalen Welt mit Hilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie. Die zusätzliche Dimension sollte demnach neben der in vier Dimensionen gültigen Kugelgeometrie auch einen Torus („Autoreifen“) als stabile Form eines Schwarzen Loches zulassen. Für bestimmte Massen und Drehimpulse könnten sogar beide Formen gleichzeitig existieren. Die Forscher hoffen, ihre Theorie in einigen Jahren mit dem Large Hadron Collider, einem derzeitig am CERN gebauten Elementarteilchenbeschleuniger, überprüfen zu können. Dieser Beschleuniger wird Elementarteilchen auf so hohe Energien beschleunigen, dass deren Zusammenstöße zur Entstehung mikroskopischer Schwarzer Löcher führen könnten. Dann würde sich zeigen, ob neben einer Kugelform tatsächlich ringförmige Schwarze Löcher existieren. Eine derartige Entdeckung hätte weitreichende Konsequenzen für die gesamte Physik – wäre doch damit das Vorhandensein einer fünften Dimension (neben der vierdimensionalen Raumzeit) nahegelegt. Zusätzliche Dimensionen sind eine der Grundannahmen der sogenannten Stringtheorie. Dieser Theorie zur Folge besteht der Raum aus einer zehn- oder elfdimensionalen Raumzeit. Die meisten dieser Dimensionen sind allerdings so klein, dass sie von uns nicht wahrgenommen werden können, so dass der Eindruck entsteht, wir lebten in einer vierdimensionalen Raumzeit.
Raumzeit ist körnig
Nur eine bei extrem kleinen Raumzeitintervallen körnige Raumzeit kann die hohe Intensität von in die Erdatmosphäre eintretenden Gammastrahlen und Elementarteilchen aus dem All erklären. Mit dieser in dem Fachmagazin Astrophysical Journal Letters erschienenen Arbeit glaubt ein amerikanisches Wissenschaftlerteam die seit längerem diskutierte These einer quantisierten Raumzeit untermauern zu können. Die hohen Geschwindigkeiten und Energien der kosmischen Strahlen blähen die Korngröße der Raumzeit auf und verhindern so eine Auslöschung der Strahlen auf ihrem Weg zur Erde. Das von Richard Lieu von der Universität von Alabama in Huntsville angeführte Team untersucht in seiner Arbeit die Auswirkungen einer quantisierten Raumzeit auf sich mit hohen Geschwindigkeiten bewegende subatomare Teilchen und Photonen (Lichtquanten). Mittels der speziellen Relativitätstheorie Einsteins konnten die Forscher durch so genannte Lorentztransformationen zeigen, dass selbst eine extrem feine Körnigkeit der Raumzeit bei hohen Geschwindigkeiten zu großen Unsicherheiten in der Energie der Teilchen führen kann. Dies würde die Auslöschung der hochenergetischen kosmischen Strahlen und der Gammastrahlen aus dem All mit Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung verhindern. Astronomen rätseln seit langem, wieso so große Mengen an Gammastrahlung und kosmischer Partikel die Erde erreichen – sollten diese sich doch bei ihrer Reise durchs All gegenseitig auslöschen. Die Arbeit Lieus könnte die seit langem gesuchte Lösung dieses Rätsels darstellen und gleichzeitig die These einer Quantisierung der Raumzeit und damit die Existenz der so genannten "Planck-Skala" untermauern. Dieser These zu Folge sind Raum und Zeit nicht stetig – die Bewegung eines Objektes von einem Punkt der Raumzeit zu einem anderen kann nicht gleichförmig, sondern nur in Sprüngen vor sich gehen. Die Sprungeinheiten – so genannte Quanten – sind allerdings extrem klein – nicht größer als ein Billionstel der Größe eines Atoms und einer Zeitspanne von einem Bruchteil von 44 Zehnerpotenzen einer Sekunde und konnten somit in Experimenten bisher nicht wahrgenommen werden.
Protonen und Neutronen gleichen sich wie ein Ei dem anderen
Die Kernbausteine Proton und Neutron sind - von der elektrischen Ladung des Protons abgesehen - identisch. Ein amerikanisches Forscherteam untermauerte diese These in dem bisher genauesten Experiment mit Atomkernen, deren Protonen- und Neutronenzahlen spiegelbildlich zueinander sind. Darüber berichten die Forscher in dem Fachblatt Physical Review Letters (Band 88, Referenznummer 172502). Die Wissenschaftler der Florida State University in Tallahassee und der Michigan State University in East Lansing in den Vereinigten Staaten führten ihr Experiment an dem National Superconducting Cyclotron Laboratory (Nationales Supraleitendes Zyklotronlabor) durch. Um etwaige Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften von Protonen und Neutronen festzustellen, schossen die Forscher zwei Strahlen aus Argon-32 und Silizium-32 Atomkernen auf einen Goldkörper und untersuchten die aus dem Zusammenprall resultierenden Kernanregungen. Argon-32 und Silizium-32 sind ein Beispiel für sogenannte Spiegelkerne – ihre Protonen- und Neutronenzahlen sind vertauscht: Während Argon-32 aus 18 Protonen und 14 Neutronen aufgebaut ist, enthält ein Silizium 32-Kern 14 Protonen und 18 Neutronen. Ein unterschiedliches physikalisches Verhalten der beiden Kernarten lässt daher auf die zugrundeliegenden Unterschiede zwischen Protonen und Neutronen schließen. Die Forscher bestimmten in ihrem Experiment die Anregungswahrscheinlichkeiten der durch den Zusammenprall mit dem Goldkörper ausgelösten Kernanregungen für beide Kernsorten. Ihr Ergebnis ist eindeutig: Von den Effekten der unterschiedlichen elektrischen Ladung der beiden Kerne abgesehen, verhalten sich die Spiegelkerne genau gleich. Proton und Neutron scheinen sich daher in der Tat nur in ihrer elektrischen Ladung zu unterscheiden. Die Schwierigkeit der Erzeugung stabiler Strahlen massereicher Atomkerne beschränkte bisherige Experimente mit Spiegelkernen zumeist auf Kerne mit einer nur geringen Neutronen- und Protonenzahl. Daher mussten die Wissenschaftler zahlreiche experimentelle Schwierigkeiten vor der Durchführung ihres Experiments überwinden. Das Team hofft nun, schon bald Atomstrahlen von Spiegelkernen mit einer noch größeren Kernmasse zu erzeugen und somit etwaige Unterschiede zwischen Protonen und Neutronen mit einer größeren Genauigkeit zu erfassen.
Verschwindet aus der Erdatmosphäre Energie in eine Parallelwelt?
Hoch in der Atmosphäre unserer Erde sollen sich bisweilen Übergänge bilden, durch die Energie aus unserem Kosmos in eine Parallelwelt entschwindet. Diese Theorie haben jetzt amerikanische und griechische Forscher auf einem Treffen der amerikanischen Physik- und Astronomie-Gesellschaft in Albuquerque vorgestellt. Auf die oberste Atmosphäre der Erde treffen regelmäßig Partikel der so genannten Kosmischen Strahlung. Die Partikel, die zu den schnellsten Teilchen im uns bekannten Universum gehören, können riesige Energien von mehr als 10 hoch 16 Elektronenvolt besitzen. Beim Aufprall zerfallen die Teilchen und erzeugen einen messbaren Partikelregen. Ein Teil der Energie besonders schneller Teilchen scheint dabei jedoch zu verschwinden, wofür Physiker bisher keine Erklärung hatten. Die Physiker Demos Kazanas vom Goddard-Institut der Nasa und Argyris Nicolaidis von der Universität Thessaloniki behaupten nun, dass dieses Phänomen nicht mit der üblichen Physik erklärbar sei. So könnten sich beim Aufprall der Teilchen etwa winzige Schwarze Löcher bilden oder Schwerkraftteilchen, so genannte Gravitonen, die über unseren dreidimensionalen Raum hinauswirken. Dadurch würde sich ein Teil der Energie den heute üblichen Messgeräten entziehen. Die Forscher geben zu, dass ihre Theorie noch spekulativ ist. Allerdings wird gerade am Forschungszentrum CERN in der Schweiz ein Teilchenbeschleuniger gebaut, mit dem die Theorie schon in wenigen Jahren experimentell überprüft werden könnte. Die Teilchen der Kosmischen Strahlung sind etwa eine Milliarde Mal energiereicher als entsprechende Partikel in einem der bisherigen Beschleuniger.
Wer glaubt, dass in der Physik alles bekannt ist und es würde sich nicht mehr lohnen dieses Fach zu studieren hat weit gefehlt. Es gibt noch viele Geheimnisse zu lüften und neue Entdeckungen zu machen. Es kam schon häufiger in der Geschichte der Naturwissenschaften vor, dass zufällig etwas entdeckt wurde und dies die ganze Welt praktisch von einem Tag auf den anderen völlig verändert hat. Stehen wir denn nicht eigentlich erst am Anfang? Was wissen wir denn wirklich über die uns umgebende Materie und deren Gesetzmässigkeiten.
