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Eine physikalische Spielerei

Eine physikalische SpielereiEine physikalische Spielerei

Zeit und Raum stehen in einer Beziehung zu einander, das lehrt uns Einsteins allgemeine Relativitätstheorie. Und unter extremen Umständen können sie sogar ihre „Rollen“ tauschen.

Nun stelle ich als jemand, der die Physik gerne von der philosophischen Warte aus betrachtet, folgendes Gedankenexperiment an: Kann man das Universum als eine Art „rückwärts laufendes“ Schwarzes Loch betrachten, das sich jedoch nicht in den Raum erstreckt, sondern in die Zeit?


In seinem Zentrum – dem temporalen Beginn – befindet sich eine Singularität, von der alles im Weltenraum Befindliche ausgeht, so wie beim Schwarzen Loch alles darin enthaltene in die Singularität eingeht. Letzteres wird allerdings von einem Ereignishorizont umschlossen (Die mögliche Existenz nackter Singularitäten ist umstritten), jenseits dessen es zwar noch einen Raum gibt, der gravitative Einfluß des Schwarzen Loches aber mit steigender Entfernung abnimmt.

Extrapoliert man dieses Modell auf das Universum, so müßte man hier mit einer Art „temporalem Ereignishorizont“ rechnen, jenseits dessen es zwar noch Zeit gibt, diese aber mit wachsender Distanz weniger den uns vertrauten Regeln folgt.

„Ereignishorizont“ darf dabei nicht als absolute Grenze verstanden werden. Bei einem Schwarzen Loch definiert er lediglich den Abstand vom Zentrum, bei dem die Gravitation eine Stärke erreicht hat, der selbst Photonen nicht mehr entrinnen. Für schwerere Teilchen setzt der „Point Of No Return“ schon (je nach Masse und Geschwindigkeit unterschiedlich) außerhalb dieser Todeszone ein.

Führt man die Analogie fort, so würde uns irgendwann in der Zukunft eben jener „temporale Ereignishorizont“ erwarten, jenseits dessen alles nach und nach in eine Art Hyperzeit entschwindet. Interessant ist hierbei, daß die grundlegenden Kräfte der Physik (also Gravitation, starke und schwache Kernkraft und die elektromagnetische Wechselwirkung) bei beiden Beispielen eine ähnliche Funktion erfüllen, obwohl es sich bei dem einen um ein Phänomen im Raum handelt, und bei dem anderen um eines in der Zeit. Unter den extremen Druck- und zumindest beim All auch Temperaturverhältnissen nahe der Singularität operieren sie als einheitliche Kraft, während sie mit zunehmender Distanz ihre Eigenständigkeit herausbilden.

Für den Fall des Schwarzen Loches sei das Beispiel des Neutronensterns genannt, bei dem die Masse zur vollständigen Transformation nicht ausgereicht hat, aber doch groß genug gewesen ist, daß schwache Kernkraft und elektromagnetische Wechselwirkung außer Funktion gesetzt worden sind, und gerade mal die starke Kernkraft noch der Gravitation trotzt. Eine vergleichbare Reihenfolge in der „Ausschaltung“ der physikalischen Grundkräfte wäre auch beim Schwarzen Loch denkbar, je näher man dem Zentrum kommt.

Sogar eine Parallele zur einseitigen Ausrichtung der Zeit bestünde. Denn so wie in einem Schwarzen Loch die Bewegung durch den Raum zur Einbahnstraße wird, bedingt durch die übermächtig gewordene Schwerkraft, so ist es diejenige durch die Zeit im Universum. Nimmt man die Analogie für bare Münze, so wäre die einseitig verlaufende Zeit in unserem Weltall eine Art temporal- antigravitative Folge des Urknalls (bzw. der Singularität und der sich davon entflechtenden Grundkräfte), und jenseits des erwähnten „temporalen Ereignishorizonts“ müßte es möglich sein, sich in der Zeit (genauer: Hyperzeit) genauso vor, seitwärts und zurück zu bewegen, wie im vertrauten All im Raum. Also wären Zeitreisen möglich, aber nicht innerhalb der Grenzen unseres Universums.

Die Verkehrung von Zeit und Raum hätte aber auch noch andere Folgen. So entweichen einem Schwarzen Loch große Energiemengen in Folge von „Jets“ – Auf den Urknall bezogen wären dies energetische Einflüsse von außen. Auch ein Äquivalent zur Hawking- Strahlung könnte von jenseits des temporalen Ereignishorizontes auf unseren Weltraum einwirken.

Desweiteren „verdampfen“ Schwarze Löcher im Laufe der Zeit. Dies würde im Umkehrschluß darauf hindeuten, daß ein Universum in der sie umgebenden Hyperzeit an „temporalem Ausmaß“ abnehmen würde, je weiter es sich durch den dortigen Raum bewegen würde. Freilich läßt sich über die Gesetze in einer solchen „Hyperzeit“ wenig sagen. Wäre sie – um die Analogie auszuweiten – eine Entsprechung unseres Alls, wären Raum und Zeit vertauscht, ja, es gäbe möglicherweise drei Zeitdimensionen (hier würde Hawkings „imaginäre Zeit“ buchstäblich Realität werden) und nur eine Raumdimension, die dann eventuell auch noch unumkehrbar verläuft. Bei solch beengten Verhältnissen allerdings könnten Energie und Materie nur in zwei Varianten bestehen: Als punktförmige Singularitäten oder aber als langgezogene Strings. Es ist kaum vorstellbar, daß unser nur vor dem Urknall räumlich eindimensionales Universum hier überhaupt Platz finden würde.

Außerdem könnte man noch eine weitere Überlegung anstellen: Wenn Schwarzes Loch und Hyperzeit Entsprechungen unseres Alls mit vertauschten Dimensionen wären, ließen sich dann nicht auch identische Bedingungen für beide annehmen, ja, das Schwarze Loch gar als „Blase“ der Hyperzeit in unserem Universum ansehen? Oder als Mini- Hyperzeit in einem Weltall in einer Maxi- Hyperzeit, umeinander geschlossen wie Zwiebelschalen oder Matrioschka- Puppen? Fest steht, daß das Schwarze Loch in unserem Raum eine dreidimensionale Ausdehnung hat, und damit auch für das Innere des Ereignishorizontes davon auszugehen ist, daß Länge, Breite und Höhe weiter existieren. Letzten Endes handelt es sich ja nur um einen unglaublich verdichteten Körper, auf den etwas herabstürzt. Wenn wir vom Dreimeterbrett ins Wasser springen, verkehren sich um uns herum ja auch nicht plötzlich die Naturgesetze! Und die Zeit wird im Schwarzen Loch der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie zufolge zwar gestaucht, aber sie splittet sich nicht auf.

Nun spricht nichts dagegen, daß dies auch für die Hyperzeit gilt, aber dann wäre die Analogie mit unserem All nicht mehr gegeben. Außerdem läßt sich sagen, daß der Versuch, für sie Gesetze zu finden, in etwa dem Bemühen eines Kartoffelkäfers entspricht, die Rückseite des Mondes zu kartographieren.

Man sieht also, daß die Vergleichbarkeit der genannten Phänomene an ihre Grenzen stößt. Und so sehr die Vorstellung unseres Universums als reziprokes Schwarzes Loch in der Zeit auch reizen mag, gibt es zumindest ein Gesetz der Physik, das hierbei verletzt würde, nämlich der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Er besagt, daß Prozesse, bei denen nicht künstlich Energie zugefügt wird, einen energieärmeren Zustand anstreben. Als finales Ergebnis läßt sich ein Universum beschreiben, dessen innere Bestandteile mehr oder weniger gleichmäßig, aber ungeordnet im Raum verteilt sind, daß die energetische Wechselwirkungen zwischen ihnen auf ein Minimum reduziert sind. Da daß All sich ausdehnt, der Anteil von Materie und Energie aber nach dem ersten Gesetz der Thermodynamik gleich bleibt, ist es nur logisch, daß ihr Einfluß lokal abnehmen muß.

Was unser Universum anbelangt, so begann es mit einem relativ geordneten, aber auch einheitlichen Zustand, indem alles auf die Singularität konzentriert war. Dem Urknall folgte aufgrund der unvorstellbar hohen Energiedichte eine Phase der Differenzierung, in der sich die uns bekannten Naturgesetze, Elemente und Strukturen nach und nach ausbildeten (stark vereinfacht ausgedrückt). Dem aber wirken mit Voranschreiten der Zeit zunehmend Zerfallsprozesse entgegen (Stichwort: Halbwertzeit), und wo Prozesse der Entropie entgegen wirken, benötigen sie Energie, deren Vorräte lokal jeweils endlich sind. Mit zunehmender Größe des Alls schwindet auch ihre Bedeutung.

Beim Schwarzen Loch jedoch herrschen genau umgekehrte Verhältnisse: Was dort hineinstürzt, hat noch spezifische (also geordnete) Eigenschaften, bevor es von den Beschleunigungskräften der Gravitation buchstäblich zerfetzt wird, bis nur die physikalisch unbeschriebenen Partikel jenseits von Quarks und Elektronen (ja, jenseits von Photonen und Neutrinos) übrig bleiben, aus denen sich die Singularität zusammensetzen muß (insofern man bei so einem mehr mathematisch, denn physikalisch beschreibbaren Objekt überhaupt noch von Zusammensetzung sprechen kann).

Allerdings gibt es hier eine kleine Lücke, die uns letzten Endes aber nicht wirklich weiterhilft. Denn die meisten Dinge, die wir vom Schwarzen Loch wissen, beziehen sich auf Phänomene am Ereignishorizont oder aber außerhalb davon. Was uns von unserem Weltall bekannt ist, befindet sich jedoch innerhalb des postulierten „temporalen Horizonts“. Denn es ist nicht unwahrscheinlich, daß die enorme Beschleunigung der Partikel, begleitet von Kollisionen untereinander, für ein hochenergetisches Millieu sorgt, das eine kurzfristige Abnahme der Entropie zur Folge haben könnte. Im Sturz könnten sich Fragmente noch mal zu extrem kurzlebigen Elementarteilchen ballen, und die Kräfte der Supersymmetrie bemerkbar machen (elektromagnetische Wechselwirkung und die beiden Kernkräfte), bevor sie dann endgültig dem Zentrum zu nahe kommen. Ja, ist das Schwarze Loch nur groß genug, ließe sich sogar die Formierung größerer Strukturen (wie etwa Atomen) denken.

Man merkt jedoch am Konjunktiv, daß dies reine, allenfalls mathematisch beweisbare Spekulation ist. Und wie gesagt, wäre diese Zunahme der Entropie von äußerst geringer Dauer, denn hier kommt eine weitere Analogie zwischen Universum und Schwarzem Loch zum Tragen:  So wie sich der Raum unseres Alls mit zunehmendem zeitlichen Abstand zur Singularität ausdehnt, so verkürzt sich im Schwarzen Loch die Zeit, je geringer die räumliche Distanz zur Singularität ist.

Kommentare  

#1 Larandil 2012-06-09 11:31
*grummel* Der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ist durchaus eine absolute Grenze. Er definiert die Entfernung von der Gravitationsquelle, in der man ihr nur noch mit Lichtgeschwindigkeit entkommt - die kein Teilchen mit Ruhemasse größer Null erreichen kann.
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#2 Laurin 2012-06-09 20:59
Also, ich hab den Artikel gelesen und fand ihn höchst interessant ;-) , aber wenn ich jetzt ehrlich bin, muß ich feststellen, dass ich nicht alles verstanden habe. Daher mal eine Frage, kann man da beim nächsten mal die Fachbegriffe was verständlicher umformulieren? Ich schätze mal die SF-Fans haben sowas besser drauf als ich (durch z.B. entsprechende Fachzeitschriften), aber ich gebe es da gerne zu, ich tue mich da was schwer weil ich mich da ja auch nicht so intensiv mit beschäftige. Auf der anderen Seite hätte ich aber auch gerne einen Aha-Effekt nach solchen Artikeln.
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#3 Edi 2012-06-10 07:18
Der Ereignishorizont ist nur dann absolut, wenn man dafür eine feste Größe definiert, eben die Lichtgeschwindigkeit als nötige Fluchtgeschwindigkeit. Dies ist insofern praktisch, weil jenseits davon nicht einmal mehr das Licht der Gravitation entkommt, dieser Ereignishorizont also eine erkennbare Grenze ist. Für Partikel mit Masse (und damit Unterlichtgeschwindigkeit; hypothetische Tachyonen lasse ich mal draußen vor) jedoch beginnt die "Todeszone", also der ganz für sie (ihre Masse und Geschwindigkeit) spezifische Ereignishorizont, weit außerhalb dieser Grenze.
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#4 Larandil 2012-06-10 09:45
zitiere Edi:
Der Ereignishorizont ist nur dann absolut, wenn man dafür eine feste Größe definiert, eben die Lichtgeschwindigkeit als nötige Fluchtgeschwindigkeit. Dies ist insofern praktisch, weil jenseits davon nicht einmal mehr das Licht der Gravitation entkommt, dieser Ereignishorizont also eine erkennbare Grenze ist. Für Partikel mit Masse (und damit Unterlichtgeschwindigkeit; hypothetische Tachyonen lasse ich mal draußen vor) jedoch beginnt die "Todeszone", also der ganz für sie (ihre Masse und Geschwindigkeit) spezifische Ereignishorizont, weit außerhalb dieser Grenze.

Mit Verlaub - das ist Spiegelfechterei. Ich kann die Masse meines hypothetischen Raumfahrzeugs verändern, indem ich etwa den Großteil aufgebe und mich in eine Fluchtkapsel setze. Ich kann die Geschwindigkeit verändern, indem ich Schub gebe. Zu sagen "Mit einer Masse von soundsoviel Tonnen und einer Höchstgeschwindigkeit von x Metern pro Sekunde ist an diesem Punkt alles vorbei" ist deshalb so hilfreich wie ein Hammer aus Porzellan. Die Höchstgeschwindigkeit ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, und materielle Körper egal welcher Masse können sich ihr nur asymptotisch annähern, abhängig von der Menge an Energie, die ihnen für das Beschleunigen zur Verfügung steht. Führt man diese Energie von außen zu, dann kann diese Endgeschwindigkeit schon recht hoch werden, wie man in den großen Anlagen für die Teilchenforschung sieht.

Relevant für die Möglichkeit einer unbeschadeten Annäherung ist allerdings die Masse des Schwarzen Lochs wegen der auftretenden Gezeitenkräfte. Kurz gesagt wird die Raumschiffshülle am dem Schwarzen Loch nächst gelegenen Punkt stärker angezogen als an dem Punkt, der am weitesten davon entfernt ist, und das Schiff wird so in die Länge gezogen, bis es in Stücke reißt. Je "flacher" das Schiff, desto länger wird es halten, aber irgendwann ist einfach Schluß. Nur bei den wirklich gewaltigen Schwarzen Löchern mit der Masse von Galaxien liegt dieser Punkt rechnerisch innerhalb des Ereignishorizontes.
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#5 Lefti 2012-06-10 14:20
Ein interessanter und durchaus auch spannender Artikel. Allerdings stelle ich mir die Frage, warum dieser Threat hier im Zauberspiegel und nicht in einem wissenschaftlichen Forum veröffentlichst wurde. Was hat Dich dazu bewegt?

Natürlich setzt dieser Threat sehr viel an entsprechendem Wissen voraus, dass diejenigen, die sich hier nicht für wissenschaftliche Science Fiction interessieren, sich ersteinmal die Frage stellen, was dieser Artikel hier zu suchen hat, bzw. was uns der Artikelschreiber damit sagen will.
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#6 Harantor 2012-06-10 14:33
zitiere Lefti:
(...) die sich hier nicht für wissenschaftliche Science Fiction interessieren, sich ersteinmal die Frage stellen, was dieser Artikel hier zu suchen hat, will.


Das ist einfach zu beantworten. Wir haben und werden auch immer was für Minderheiten unter unseren Lesern machen (in 14 Tagen zum Beispiel eine mathematische Spielerei von Edi). Das gehört zu unserem Credo. Und Edi liefert in dieser Hinsicht immer dankbare Artikel.
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#7 Edi 2012-06-11 03:46
Sehr geehrte/ geehrter Larsndil,
ich fürchte, die Diskussion gehr mehr und mehr am Punkt vorbei. Aus dem Grunde füge ich an dieser Stelle einen Satz aus der Wikipedia- Definition von "Ereignishorizont" ein:
"Der Ereignishorizont bildet eine Grenze für Informationen und kausale Zusammenhänge, die sich aus der Struktur der Raumzeit und den Gesetzen der Physik, insbesondere in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit, ergibt."
Der Begriff "Ereignishorizont" wird also "insbesondere in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit" verwendet, ist aber umfassender. Und daß Teilchen mit Masse schon außerhalb des für Photonen geltenden Bereichs eine kritische Distanz erreichen, jenseits der sie dem gravitativen Einfluß nicht mehr entrinnen können, wirst Du gewiß nicht bestreiten. Bei gleichbleibender Masse und Energie läßt sie sich fest für den jeweiligen Körper berechnen, ansonsten abhängig von den jeweils vorgenommenen Veränderungen ebenfalls als Veränderung.
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#8 Edi 2012-06-16 03:33
An Laurin und Lefti:
Tut mir leid, wenn ich erst jetzt antworte, aber derzeit bin ich nur ausgesprochen sporadisch im Netz.
Im Sinn hatte ich "Science Fiction" im wortwörtlichen Sinne, also Fiktion auf der Basis von Wissenschaft. Das können die in der theoretischen Physik so beliebten Gedankenexperimente sein (z. B.: Was passiert, wenn man bei e = mc² dreisterweise c = 1 setzt, um zu gucken, unter welchen Bedingungen Energie und Materie nicht zwei, sondern eine Seite der selben Medaille sein müßten?), aber auch weit weniger auf eine tatsächliche oder mögliche Wirklichkeit bezogene Ideen. Man könnte etwa Überlegungen anstellen, warum sich Drachen beim Speien von Feuer nicht die Zunge verbrennen. Oder ob die mesopotamischen Lilitu mit den nordischen Fylgjur verwandt sein könnten. Oder die Verwandtschaft von Zwergen und Gnomen durch die Augen eines Biologen zu betrachten. Oder wie sich das Leben auf einer Super- Erde entwickelt haben könnte. Oder welche Gerätschaften man entwickeln müßte, wenn man auf Elfenjagd gehen möchte. Eigentlich ist es nur die Fantasie selbst, die den Möglichkeiten Grenzen setzt.
Leider ist es manhmal unumgänglich, auf Fachbegriffe zurückgreifen zu müssen, aber ich werde mir Mühe geben, Laurins Einwand zu beherzigen, und im Zweifelsfall zusätzliche Erklärungen einzubauen.
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#9 Lefti 2012-06-16 09:02
Das hört sich gut und interessant an. So eine Einleitung zu Deiner geplanten "wissenschaftlichen" Artikelserie habe ich vermißt.
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