Nov 22 2010

Alpha variiert!

Vor kurzem ging eine Nachricht – bestenfalls als Randnotiz – durch die Medien, die wegen ihrer Abstraktheit kaum Beachtung fand. Möglicherweise steht das kosmologische Weltbild damit vor einem fundamentalen Wandel, wie es ihn seit Kopernikus nicht mehr gegeben hat.

Welche wissenschaftlichen Erkenntnisse und Durchbrüche es in die Medien schaffen, steht nur allzuoft in keinem Verhältnis zu ihren Folgen für unser wissenschaftliches Weltbild. Studien, die sich mit Alltagsfragen beschäftigen (wie etwa, sagen wir, die gesundheitlichen Konsequenzen von Bierkonsum oder Mobiltelefonie), finden viel mehr Beachtung als Ergebnisse der Grundlagenforschung. Das ist keineswegs abwegig, denn Medien müssen publizieren, was ihre Kunden interessiert, und Grundlagenforschung ist oft sehr weit von den Alltagssorgen – und damit dem Interesse – der Menschen entfernt.

Es ist in diesem Kontext völlig verständlich, dass folgende, eher abstrakte Beobachtung kaum Beachtung fand: eine fundamentale Naturkonstante (die sogenannte „Feinstrukturkonstante Alpha“, eine dimensionslose Zahl, die einfach gesagt die Stärke der elektromagnetischen Kraft festlegt) variiert offenbar in verschiedenen Himmelsrichtungen im Raum. Das heisst (grob gesagt), in weit entfernten Galaxien, die von der Nordhalbkugel (dem Keck Teleskop in Hawaii) aus sichtbar sind, herrschte vor Milliarden Jahren (als deren Sterne das Licht, das wir heute von ihnen empfangen, aussandten) eine andere Feinstrukturkonstante als in anderen, weit entfernten Galaxien, die von der Südhalbkugel (dem Very Large Telescope in Chile) aus sichtbar sind. Der Wert der Feinstrukturkonstante nimmt also in einer Richtung des Universums zu, und der Wert, den sie auf der Erde annimmt, liegt irgendwo in der Mitte (allerdings nicht exakt in der Mitte, so dass man annehmen muss, das Alpha sowohl im Raum, als auch in der Zeit variiert). Die Abweichung zum Wert auf der Erde liegt im Bereich von tausendstel bis hunderstel Prozenten.

Das Problem ist: in den meisten kosmologischen Weltbildern ist nicht vorgesehen, dass fundamentale Naturkonstanten variieren, weder im Raum noch in der Zeit. Gerade die Variation im Raum kommt äusserst ungelegen: einige Modelle lassen die Naturkonstanten in den allerersten Sekundenbruchteilen des Universums ein wenig variieren, und erzeugen damit allerlei interessante Konsequenzen. Aber seit dem Siegeszug des kopernikanischen Weltbildes, wonach die Erde nicht im Zentrum des Unviersums steht, war man eigentlich immer davon ausgegangen, dass im gesamten Universum die selben Naturgesetze wie auf der Erde gelten: kein Punkt im Universum, schon gar nicht die Erde, ist ausgezeichnet. Es mag Galaxienhaufen verschiedenster Grössen geben, gewaltige Leerräume dazwischen – aber die physikalischen Gesetze sollten in all diesen Umgebungen immer gleich bleiben.

Diese fundamentale Annahme wird durch diese neuen Beobachtungen in Frage gestellt. Sie scheinen nahezulegen, dass es im Universum gewissermassen eine bevorzugte Richtung gibt, eine Achse, entlang der zumindest eine Naturkonstante variiert (diese Achse verläuft übrigens nicht etwa parallel zur Erdachse, sondern zeigt eine Deklination von etwa -60)°. Stellt man sich das Universum mit dem beliebten Ballonmodell vor (gemäss dem die Galaxien Punkte auf der Oberfläche eines sich aufblasenden Luftballons sind), dann ist es so, dass der Ballon am einen „Ende“ ein ganz klein wenig anders eingefärbt ist als am gegenüberliegenden. Wo der Ballon früher völlig „isotrop“, also gleich in alle Richtungen war, hat er nun plötzlich eine bevorzugte Achse, die vom Zentrum der einen Einfärbung zum Zentrum der anderen zeigt.

Was bedeutet diese Beobachtung? Zunächst einmal bietet sie eine naheliegende Erklärung für das „Fine-Tuning“-Problem. Die Naturkonstanten, die wir beobachten, sind – im lokalen Universum – erstaunlich gut abgestimmt, um Leben, wie wir es kennen, zu ermöglichen. Wäre Alpha etwa 4% grösser, könnte die Kernfusion keinen Kohlenstoff produzieren – uns gäbe es dann nicht. Wenn man annimmt, im gesamten Universum hätte Alpha den gleichen Wert, dann stellt sich die Frage, warum Alpha gerade diesen einen, „richtigen“ Wert hat – gibt es viele andere Universen, in denen Alpha den falschen Wert hat? Nun zeigt sich jedoch, dass Alpha im Universum selbst variiert – demnach ist die Antwort auf das Fine-Tuning-Prolbem sehr einfach: wir leben natürlich ganz einfach in dem Teil, in der Ecke unseres Universums, in dem Alpha den „richtigen“ Wert annimmt. Anderswo, in sehr, sehr weit entfernten Gegenden des Universums hat Alpha einen anderen Wert, so dass dort Kernfusion etwa keinen Kohlenstoff hervorbringen kann, und somit auch niemals kohlenstoffbasierte Beobachter entstehen.

Weiter legt die Beobachtung nahe, dass das Universum sehr viel grösser ist als das sichtbare Universum. Denn Alpha variiert zwar, aber selbst im gesamten sichtbaren Universum beträgt die Abweichung weniger als ein hundertstel Prozent. Warum sollte das der Fall sein, wenn das wahre Universum nur wenig grösser als das sichtbare ist? Es wäre vielmehr zu erwarten, dass Alpha über sehr weite Strecken gesehen um riesige Beträge variiert, wir aber bloss einen winzigen Ausschnitt des Ganzen sehen.

Da sich die Galaxis (und mit ihr die Erde) relativ zu der beobachteten bevorzugten Achse bewegt, kann man postulieren, dass sich Alpha auf der Erde im Verlauf der letzten Jahrmilliarden um einen kleinen Betrag verändert haben muss. Eine solche Veränderung würde sich theoretisch in speziellen Systemen wie dem natürlichen Atomreaktor in Oklo (Gabun), sowie in einigen Radioisotopenuhren in Meteoriten bemerkbar machen. Die von der Galaxis zurückgelegten Strecken sind jedoch im Verlgeich zur Variation leider so klein (nur wenige Millionen Lichtjahre in den letzten Milliarden Jahren), dass sie zu keinen heute messbaren Unterschieden führen. Zumindest für den Oklo-Reaktor könnte sich das in Zukunft allerdings ändern. Weitere Beobachtungen von weit entfernten Quasaren und Galaxien, mit anderen Teleskopen rund um den Globus, sind bereits in Planung. Man will sicher gehen, dass die beobachtete Abweichung nicht auf instrumentelle Fehler zurückzuführen ist. Diese Beobachtungen werden schliesslich darüber entscheiden, ob das kopernikanische Weltmodell, wonach die Naturgesetze im gesamten Universum gleich sind, nach bald 500 Jahren in Rente gehen darf.

http://arxiv.org/abs/1008.3907 Arxiv-Preprint mit der Ankündigung der beobachteten Variation der Feinstrukturkonstante.

http://physicsworld.com/cws/article/news/43657 Artikel bei physicsworld.com.

http://arxiv.org/abs/1008.3957 Arxiv-Preprint, das die Auswirkungen der Variation in der Vergangenheit der Erde sowie deren Messbarkeit bespricht.

48 Comments

  • By Der Sachse, 22. November 2010 @ 19:50

    mit welcher Methode wurde denn genau gemessen? d.h. Was wurde denn nun im Einzelnen gemessen?
    Wäre es nicht möglicht, dass Alpha so ähnlich in Raum und Zeit variiert, wie z.B. die Hintergrundstrahlung? Dann ließe sich die Achse vermeiden.

  • By Der Beobachter, 22. November 2010 @ 19:53

    Na war ja auch schonwieder mal an der Zeit für einen Artikel 🙂

    Ich hab die \“Randnotiz\“ schon wahrgenommen, allerdings nur als eine noch nicht bestätigte Beobachtung, die auch nicht unumstritten ist.

    Alpha ist nicht so Konstant wie man annehmen würde, es ist in erster Linie energieabhängig, was sich in Teilchenbeschleunigern auch massiv bemerkbar macht. Der Wert 1/137 ist also nicht so fundamental wie man annehmen möchte.

    Energieabhängig heißt aber in letzter Konsequenz auch abhängig vom Gravitationspotential.
    Ich kann mich erinnern von einem Missionsplan gelesen zu haben bei dem dies mit einer Sonde mit mehreren Atomuhren sehr nahe an der Sonne gemessen werden sollte. Ich hab leider nichts mehr davon gehört und kann mich auch nicht erinnern wie die Mission heißen sollte. Aber vielleicht weiß ja wer was.
    Sollte eine solche Sonde tatsächlich nachweisen das Aplpha im stärkeren Gravitationsfeld sehr nahe an der Sonne geringfügig anders ist, so gering das es uns mit Spektroskopen noch nicht aufgefallen ist, würde das aber das Äquivalenzprinzip in Frage stellen, welches ja das Fundament der ART ist. Das wiederum könnte einen Weg in Richtung Vereinigung weisen.

    Sollte sich nun herausstellen das Alpha auch im großräumigen Universum ungleich ist könnte dass natürlich auch mit der Energieabhängikeit zu tun haben. Es wäre denkbar das wir hier ein Gravitationspotenial sehen das deutlich größer als unser beobachtbares Universum ist. Das wiederum könnte zB den großen Galaxienstrom erklären, eine ebenfalls noch unbestätigte Beobachtung. Es wäre interessant ob die Richtung in etwa zusammenpasst. Die Beobachtung eines solchen Gravitationspotentials würde beweisen das das beobachtbare Universum ein Bereich unterdurchschnittlicher Dichte ist, was wiederum die beschleunigte Ausdehnung erklären würde.

    Das würde doch alles sehr fein zusammenpassen. Leider bedeutet das noch garnichts.

    Ob sich Alpha unter diesen Annahmen tatsächlich lokal merklich verändert während wir uns mit all unserer gravitativ gebundenen Umgebung durch den Raum bewegen ist fraglich.

    Aber apropos Bewegung, ich frag mich seit geraumer zeit warum wir unsere Eigenbewegung eigentlich nicht in der Rotverschiebung wahrnehmen. Sie müsste doch ebenfalls eine gerichtete Asymmetrie aufweisen. Aber das ist wieder eine andere Geschichte.

  • By ABPoS, 23. November 2010 @ 10:18

    1/128 ist sie in der Elementarphysik. Und wer weis schon genau wie sie sich bei der Plancklänge verhält.
    Da versagt ja auch die ART. Ihr nach müssten auf der Ebene ständig schwarze Löcher entstehen. Was bewiesener maßen nicht passiert.

    Zu den Messungen: es wurde schon des öfteren gemessen mit bis jetzt maximaler Genauigkeit von 10^-18/Jahr bei Quasaren aber auch da hat man immer wieder unterschiedliche Werte gefunden. Im besten Fall müsste man bei der Messmethode nachbessern. Was aufwendiger aber auch nicht wirklich schlimmer wäre ist die Änderung der Theorie. Beides führt in jedem Fall zu einem besseren Verständnis des Ganzen.

    Wenn alpha schwankt dann sind die Elementarladung und das Plancksche Wirkungsquantum wohl auch nicht konstant.
    alpha = (1*e^2)/(2*c*epsilon0*h)

    Es wäre fatal den wenn ich mich nicht irre basiert doch fast die gesamte Teilchenphysik darauf und die Lichtgeschwindigkeit müsste dann auch schwanken.

    Ich würde sagen abwarten und Tee trinken. 😉

    Zu den möglichen Dichteunterschieden gibt es auch schon mehrere Theorien.
    Eine davon ist:
    Überträgt man das auf unseren 3D Raum bzw. 4D Raumzeit sieht’s wie folgt aus:
    Unser Universum ist eine Blase im einem höherdimensionalen Raum.
    Man kann sich den höherdimensionalen Raum als einen Topf gefüllt mit kochendem Wasser vorstellen. Die Bläschen darin, im falle des Wassers ist es ja Wasserdampf, sind Universen. Schmeißt man noch Spagetti und Farfalle da rein hat man die Strings(die Spagetti sind vll. ca. 10^40 Größenordnungen zu groß haben hier eher einen Symbolischen Charakter) und die Branen. Die Strings und die Branen sind sowohl innerhalb als auch außerhalb unseres Universums.
    Worauf ich hinaus will ist das unser Universum sehr wahrscheinlich nicht so abgeschlossen und abgetrennt ist wie man vielleicht meinen kann. „Es existiert allein im Nichts.“
    Mit großer Wahrscheinlichkeit hören nur einige Dimensionen ab einer Bestimmten Ausdehnung auf. Unser Universum ist möglicherweise ein Ergebnis sich chaotisch im Raum bewegender Dimensionen bzw. Branen die Wenn sie sich treffen/überlagern zufällig unseren Raum ergeben. Es mag also durchaus Universen mit 1, 2, 7, oder auch 30 Dimensionen geben(unser hat ca.9, genauere Angaben kann man zur zeit wohl nicht machen da unterschiedliche Theorien unterschiedliche Anzahlen an Dimensionen ergeben, die alte Stringtheorie hatte ursprünglich 28 meine ich), abhängig von den verschiedenen Variationen der Branen. Insofern kann man nie genaue Messungen machen da man davon ausgehen muss das eine Brane im Weg ist und entsprechend auch das Licht diese passieren muss und somit uns noch unbekannten Wechselwirkungen unterliegt.

    Das Ende der Geschichte ist: Wir können nur unseren kleine Sandkasten beschreiben. Sowohl hohe als auch besonders niedrige Energien und Längenskalen sind für uns unzugänglich.

  • By Yadgar, 23. November 2010 @ 13:22

    \“Wäre Alpha etwa 4% grösser, könnte die Kernfusion keinen Kohlenstoff produzieren\“

    Frage eines Physik-Laien: spielt der Elektromagnetismus innerhalb von Atomkernen überhaupt eine Rolle? Ich dachte bis jetzt immer, auf nuklearer Ebene gäbe es nur noch die Starke und die Schwache Wechselwirkung, aber weder Elektromagnetismus noch Gravitation…

  • By Der Sachse, 23. November 2010 @ 17:14

    @Yadgar die abstoßende Kraft der Protonen im Atomkern hängt von Alpha ab. Wäre Alpha größer, wäre die Abstoßung größer, wäre Kohlenstoff nicht stabil.

  • By Bynaus, 23. November 2010 @ 18:53

    @Der Sachse (erster Beitrag): Gemessen wurde die relative Position von Spektrallinien in Quasarspektren. Deren Position hängt offenbar von Alpha ab.
    Soviel ich weiss, wurden dutzende, wenn nicht hunderte von Quasaren gemessen, in beide Richtungen. Gäbe es lokale Variationen von der Art der Hintergrundstrahlung, würde man niht erwarten, dass man eine präferierte Richtung findet.

    @Der Beobachter: Wenn Alpha im Gravitationstopf der Sonne variieren sollte – sollten dann Messungen der Photosphäre nicht eine andere Verteilung der Spektrallinien feststellen als auf der Erde? Aber soviel ich weiss, meint man mit dem hier erwähnten Alpha tatsächlich die fundamentale Konstante, dh, den Wert von Alpha im energieärmsten Zustand. Dieser Wert scheint sich verändert zu haben.

    Unsere Eigenbewegung lässt sich anhand der Verschiebung des kosmischen Mikrowellenhintergrundes feststellen. Siehe: en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background_radiation#CMBR_dipole_anisotropy

    @ABPoS: Wenn Alpha schwankt, sagt das zunächst noch nichts darüber aus, welche der davon abhängigen \“Konstanten\“ ihrerseits schwanken. Es könnte sein, dass eine einzige schwankt, oder aber alle zusammen. Das lässt sich nicht sagen.

    Und ich wäre sehr vorsichtig bei der Stringtheorie, da dort der Realitätscheck bisher völlig aussteht. \“Unser Universum hat 9 Dimensionen\“ könnte ich auf jeden Fall nicht so stehen lassen.

    @Yadgar, in Ergänzung zu Der Sachse: Alpha bestimmt die Stärke der Elementarladung. Die abstossende Kraft der Protonen hängt von ihrer Elementarladung ab.

  • By Der Beobachter, 23. November 2010 @ 20:36

    @ Bynaus

    Soweit ich mich zu erinnern weiß sollte die Verschiebung der Feinstrukturkonstante zu klein sein um sie mit Spektroskopie zu entdecken, weshalb man über längere Zeit ein paar Atomuhren dort platzieren müsste.
    Sollte das stimmen wäre immer noch denkbar das dem gesamten sichtbaren Universum ein Gravitationsgefälle innewohnt dass die Verschiebung von Alpha sogar spektroskopisch sichtbar macht, selbst wenn es so flach ist das wir davon in unserer großräumigen Umgebung nichts merken.

    Danke für den Link, das ist mir bisher scheinbar entgangen.

    @ ABPoS

    Ich war noch nie ein Fan von String oder M-Theorie, von unzähligen Dimensionen oder einem stetig inflationierenden Multiversum.
    Ich bin eher ein Anhänger des Lagers um Roger Penrose. Also der Quantenschleifengravitation und eines sich stetig selbst neu erschaffenden Universums.
    Keines der Modelle kann echte Vorhersagen machen, außer bei der Hintergrundstrahlung. Hier erwarten die Stringtheorethiker eine Überlagerung von gaußschen Verteilungen, während die Zykliker, wie ich sie jetztmal nenne, kreisförmige Muster erwarten die der Abdruck von Gravitationswellen des vorhergegangenen Äons sind.
    Wie der Zufall so will gibts hier brandaktuelle News. Penrose scheint zu glauben seine Kreise gefunden zu haben:

    http://www.wissenschaft-aktuell.de/artikel/Ein_Blick_auf_das_Universum_vor_dem_Urknall_1771015587246.html

  • By D., 25. November 2010 @ 18:22

    Ich habe große Hochachtung vor Kopernikus, das zunächst.
    Allerdings habe ich die Sache mit dem allgemeingültigen Naturgesetzen bisher einem anderen Genie zugeschrieben. Newton. Vor ihn hatte man, so dachte ich, zwischen dies- und jenseits der Mondumlaufbahn andere Mechaniken angenommen.

    Wie dem auch sei: Interessante Neuigkeiten.
    Mal als Frage formuliert (aus Neugier): Wäre demnach die Darstellung der Naturgesetze ohne Konstanten möglich? Also nur mit Variablen, die sich durch messbare Größen ergeben?

  • By Der Sachse, 25. November 2010 @ 18:37

    Sicher! aber dann währen einige davon (Eichtheorien) in derzeitiger Formulierung nicht mehr möglich.

  • By Der Beobachter, 25. November 2010 @ 19:25

    @ D.
    Das Newton der erste war der Gesetze von der Erde auf den Himmel übertrug ist zweifellos richtig.

    Die Annahme das das Universum homogen und isotrop ist wird jedoch im allgemeinen Kopernikus zugeschrieben, der das etwas anders als \“der Mensch darf keine Sonderstellung einnehmen\“ beschreiben hat.
    Seit wir den Urknall in unseren Weltmodellen haben müssen wir jedoch sagen dass das Kopernikanische Prinzip zumindest auf der Zeitachse nicht haltbar ist. Das Universum sah noch nie so aus wie heute, und wird auch nie mehr so aussehen.

    Sollte sich bewahrheiten das die Feinstrukturkonstante Ortsabhängig ist bedeutet das, dass das Universum auch nur hier so aussieht wie es das tut. Die gäbe uns zur zeitlichen auch eine örtliche Einmaligkeitsstellung und würde das Kopernikanische Prinzip vollends zu Fall bringen.
    Ich denke das soll die Anspielung auf Kopernikus in der Überschrift verdeutlichen.

    An eine \“Weltformel\“ würde ich schon den Anspruch stellen keine empirischen Konstanten mehr zu brauchen. Den das würde ja implizieren das der Wert dieser Konstanten nicht erklärt werden kann, was wiederum bedeutet das die Theorie nicht allumfassend ist.

  • By D., 25. November 2010 @ 21:54

    \“Die Annahme das das Universum homogen und isotrop ist wird jedoch im allgemeinen Kopernikus zugeschrieben, der das etwas anders als \“der Mensch darf keine Sonderstellung einnehmen\“ beschreiben hat.\“

    Das stimmt allerdings, beweist aber auch, dass die Entwicklung des kosmologischen Prinzipes noch nicht ganz vollzogen war. Dafür konnte der Große Kopernikus nichts.

  • By Der Sachse, 26. November 2010 @ 13:43

    @ Der Beobachter:
    ich bezweifle, dass eine \“Weltformel\“ alle Naturkonstanten vorhersagen könnte, denn diese müssen lediglich so aufeinander abgestimmt sein, dass inteligente Lebewesen möglich sind (anthropisches Prinzip). Ein engerer mathematischer Zusammenhang erschließt sich daraus für mich nicht.

  • By Bynaus, 27. November 2010 @ 13:53

    @D: Ich wollte dem armen Kopernikus hier nichts Böses anhängen 🙂 Wie Der Beobachter schon geschrieben hat, ich meinte das \“kopernikanische Prinzip\“, wonach die Erde im Universum keine Sonderstellung einnimmt. Der Gedanke, dass wir \“nur eine von vielen Welten\“ sind, lässt sich gewissermassen übertragen auf die Vorstellung, dass die Naturgesetzte überall im Universum gleich sind – selbst wenn Kopernikus diesen Schluss so nie gemacht hat.

  • By D., 27. November 2010 @ 22:10

    @Bynaus: Ich hätte mir lieder (auch) eine Diskussion des Variablen-Themas gewünscht.

  • By Ehrenfried, 28. November 2010 @ 18:06

    Die Feinstrukturkonstante ist eine Wahrscheinlichkeit [Wiki] und dimensionslos. Weiß jemand, warum sie nicht einfach durch Pi mal Faktor ersetzt wurde? Der Sommerfeld konnte ja nicht ahnen, daß er der Physik damit für ein Jahrhundert Ärger bereiten würde.

  • By Der Sachse, 28. November 2010 @ 18:10

    @Ehrenfried: Weil der Faktor keine mathematisch herleitbare Zahl ist.

  • By blueflash, 4. Dezember 2010 @ 00:39

    > Weiter legt die Beobachtung nahe, dass das Universum sehr
    > viel grösser ist als das sichtbare Universum. Denn Alpha
    > variiert zwar, aber selbst im gesamten sichtbaren Universum
    > beträgt die Abweichung weniger als ein hundertstel Prozent.
    > Warum sollte das der Fall sein, wenn das wahre Universum
    > nur wenig grösser als das sichtbare ist?

    Warum nicht? Eine Größe muss ja nicht in unseren gewohnten Dimensionen auftreten. Nur weil die beobachtete Abweichung zwischen 10^-n und 10^-k beträgt, sagt das nichts über die Tatsächliche Abweichung aus.

  • By Bynaus, 4. Dezember 2010 @ 01:48

    Es geht nicht um Dimensionen, um die wir uns gewöhnt sind, sondern um die relative Abweichung zum absoluten Wert der Konstante. Natürlich heisst das streng genommen gar nichts – trotzdem wäre es seltsam, wenn das Universum nur wenig grösser wäre als der Teil, den wir einsehen können, und sich über diesen Bereich eine Konstante nur gerade um einen winzigen Bruchteil verändern würde. Wir müssten dann erklären, warum dem so ist, oder warum dem so sein sollte. Variiert Alpha jedoch über einen sehr grossen Bereich, dann gibt es nichts zu erklären – dann sind wir einfach dort, wo Alpha unsere Existenz zulässt.

  • By blueflash, 4. Dezember 2010 @ 13:12

    Aussagen über die Seltsamkeit des Universums sind ziemlich witzlos. Wir haben keine anderen Universen um uns eine Meinung über das normale Verhalten eines solchen zu bilden.
    Die Annahme, das Universum sei nur ein wenig größer als sichtbar ist genauso valide wie die, dass es viel viel größer ist. Beides braucht auch die gleiche Menge an Erklärung, nämlich genau die Tatsache, dass beides mit unseren Beobachtungen konsistent ist.
    Das gleiche gilt für das Abbild der Funktion alpha.

  • By Ehrenfried, 4. Dezember 2010 @ 14:44

    \“Aussagen über die Seltsamkeit des Universums…\“
    Der Gipfel der Witzlosigkeit könnte z.B. darin bestehen, daß jemand behauptet, dort, wo wir im Teleskop nichts sehen, habe Alpha einen Wert, der eben nichts strukturell Wahrnehmbares zulasse. Versuche das mal einer zu widerlegen!

    Interessanter wäre da doch mal die Frage, welche andere Elementarkonstante mit Alpha variiert. Die Elementarladung hatte ich schon immer in Verdacht, aber auch die Vakuumdielektrizität wäre eine Kandidatin.

  • By Bynaus, 5. Dezember 2010 @ 12:27

    @blueflash: Wie erwähnt, man kann weder das eine oder das andere ausschliessen. Trotzdem: Wenn das Universum nur wenig grösser ist als das Sichtbare Universum, dann ist eine zusätzliche Erklärung notwendig (die ja durchaus existieren mag), WARUM in einem so \“kleinen\“ Universum Alpha, mit einem Gradienten, um einen so minimalen Betrag variiert. Eine solche künstlich scheinende Spezial-Erklärung ist aber nicht mehr nötig, wenn Alpha über den ganzen möglichen Bereich variiert. Wegen des kleinen Gradientens bedingt dies aber ein Universum, das sehr viel grösser ist als das sichtbare.

  • By blueflash, 5. Dezember 2010 @ 15:45

    @bynaus: Es gibt keinen \“möglichen\“ Bereich bzw. besser gesagt keinen \“unwahrscheinlichen\“. alpha ist eine Reelle Größe. Ist das Universum also nicht unendlich groß, dann gibt es abhängig von der Größe auch ein endliches Intervall für alpha – jedes mögliche Intervall braucht also eine Erklärung. Ein scheinbar \“kleines\“ genauso wie ein \“großes\“.

  • By Bynaus, 6. Dezember 2010 @ 15:15

    Doch, der mögliche Bereich für Alpha geht von 0 bis unendlich (oder vielleicht auch: von minus unendlich bis unendlich, wobei sich die Frage stellt, ob ein negatives Alpha physikalisch Sinn macht…). Wenn man vorschlägt, dass Alpha in einem nur wenig grösseren Universum als dem Sichtbaren variiert, aber nur exakt zwischen 137 minus 0.01 und 137 plus 0.01, dann braucht dies offensichtlich eine spezielle Erklärung, warum genau diese Werte (die zudem noch Leben, wie wir es kennen, zulassen…) realisiert wurden. Wenn das sichtbare Universum aber nur ein Teil eines sehr viel grösseren Universums ist, in dem Alpha zwischen 0 und Unendlich variieren kann, dann ist klar, dass wir in dem Bereich leben, in dem Alpha Leben, wie wir es kennen, zulässt. Dann bräuchten wir nur noch eine Erklärung dafür, warum Alpha überhaupt variiert (das brauchen wir aber im anderen Fall auch), aber nicht, warum es exakt zwischen diesen zwei Bereichen variiert.

  • By Unbekannter Gast, 7. Dezember 2010 @ 15:57

    Nein Bynaus, alpha kann gar nicht bis zu unendlich variieren, solange das Universum nicht unendlich ist. Dafür bräuchte es dann aber auch eine Erklärung. Für jedes mögliche Intervall braucht man also genau eine Erklärung.

  • By Bynaus, 7. Dezember 2010 @ 16:58

    Warum sollte das unendliche Universum eine spezielle Erklärung benötigen? Es spricht, selbst in dem begrenzten Bereich, den wir einsehen können, alles dafür. Die Geometrie des Universums ist – innerhalb des Messfehlers – \“flach\“. Das heisst, wenn nicht irgendwo eine Wand kommt (die dann ebenfalls einer Erklärung bedürfte), dann ist das Universum, bzw, zumindest der Raum, in dem es sich befindet, unendlich gross.

  • By Ehrenfried, 8. Dezember 2010 @ 15:52

    @Bynaus: Es sei denn, das, was wir als Raum bezeichnen, kann definitionsgemäß nicht unendlich groß werden.

  • By Alex, 8. Dezember 2010 @ 18:41

    Falls die Beobachtung stimmt (und soviel ich weiß ist sie bislang noch nicht bestätigt worden), bringt das auch eine ganz elementare Fragestellung mit sich:
    Nämlich die Frage nach der Absolutheit des Raumes, oder ob dieser erst durch die Anwesenheit von Materie \“entsteht\“.
    Ist alpha also \“in einer anderen Gegend\“ anders, dann hieße das, das ein C-Atom das man woanders hinbringt, irgendwann aufgrund des anderen alphas zerfällt. Damit gäbe es einen absoluten Raum und auch absolute Positionen im Universum.
    Gibt es aber tatsächlich keinen absoluten Raum, dann müssen die Konstanten wie alpha aus dem hervorgehen, \“was da ist\“, also den Teilchen. Dann hat der Urknall also Teilchen mit grundsätzlich verschiedener \“Justierung\“ in verschiedenen Richtungen/Bereichen erzeugt und ein C-Atom, das man in einen Bereich bringt wo es aufgrund des anderen Wertes für alpha keine C-Atome geben kann, würde dort trotzdem existieren können.
    In alle Ewigkeit wird alpha aber sicher nicht variieren; postuliert man, daß alpha von 0 bis unendlich variiert, und nimmt man das als Erklärung wieso die Naturkonstanten ausgerechnet den Wert haben den sie haben, dann wird nicht nur alpha variieren sondern auch jede andere Konstante (oder beteiligte Konstante). Dann variiert auch die Lichtgeschwindigkeit. Und das bedeutet daß es irgendwo einen Bereich im Universum geben muß, der fast instantan durch seine existenzfeindlichen Konstanten den ganzen Rest mit sich nehmen muß.
    …es sei denn der Raum ist wirklich absolut und eine solche weit entfernte und weit überlichtschnelle Wirkung würde folglich in unserer Nähe auch unseren Werten und Gesetzen gehorchen.

  • By Rarehero, 9. Dezember 2010 @ 05:18

    Heißt das jetzt auch, dass die Lichtgeschwindigkeit im frühen Universum einen anderen Wert gehabt haben könnte und dass das Universum vielleicht ohne Inflation auskommt, dass die RT vielleicht ein paar zusätzliche Kapitel erhält und dass die Strin-Theorie vielleicht endgültig abdanken darf?

  • By Bynaus, 9. Dezember 2010 @ 10:41

    @Alex: Ich weiss nicht, ob ein C Atom zerfallen würde, wenn man es an einen anderen Ort im Raum bringt. Es ist einfach so, dass die Trippel-Alpha-Reaktion (also die Fusion von drei Helium-Kernen zu einem Kohlenstoff-12-Kern) recht kritisch von Alpha abhängt. Das heisst nicht, dass ein C Atom, das mal gebildet wurde, deshalb wieder zerfallen muss.

    Aber ja: ein Richtungsabhängiges Alpha bedingt sowas wie einen \“absoluten Raum\“, denn der Raum hat (sollte sich die Beobachtung bestätigen) offenbar lokalisierte Eigenschaften. Interessanterweise ist es nicht der Umstand, dass Alpha überhaupt variiert, der uns zu diesem Schluss bringt, sondern der Umstand, dass Alpha in Abhängigkeit der Richtung variiert, dh, dass es sowas wie eine \“Achse\“ im Kosmos gibt, entlang der Alpha variiert.

    Auch dass in einem solchen Universum auch die anderen Kontanten variieren müssten, ist naheliegend. Aber warum du denkst, ein Teil eines so chaotischen Universums müsste dann gleich den ganzen Rest \“mit sich nehmen\“, sehe ich nicht. Zumindest in unserem Teil, in unserer Ecke des Universums ist die Lichtgeschwindigkeit ja auf 3e8 m/s begrenzt – selbst wenn, sagen wir, in diesem Teil alles zu einem riesigen Schwarzen Loch zusammenfallen würde, die Wirkung dieses Schwarzen Lochs könnte sich in unserem Universum auch nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten – denn das ist das hier gültige Limit. Das beisst sich nicht mit dem C Atom, das von andersher in einen Bereich einwandert, wo es nicht hätte entstehen können: Alpha beeinflusst die Reaktion, die zur Bildung von Kohlenstoff führt, nicht die Stabilität des Kohlenstoffs selbst.

  • By Bynaus, 9. Dezember 2010 @ 10:42

    @Rarehero: Nicht zwingend. Die Variation für Alpha wurde für die Zeit lange nach dem Urknall bestimmt. Ob das Auswirkungen auf die Inflation, oder die String-Theorien hat, bleibt abzuwarten.

  • By blueflash, 9. Dezember 2010 @ 13:16

    @Bynaus: Der Raum kann, nach heutigem Wissenstand, nicht unendlich groß sein: Endliche Expansionsgeschwindigkeit und endliche Zeitspanne seit dem Urknall lassen das nicht zu.

    Ausserdem hattest Du ja gerade aus der \“geringen\“ Varianz von alpha auf ein größeres Universum geschlossen. Jetzt dieses größere Universum zu benutzen um zu belegen, dass die Varianz nicht so gering sein kann, ist ein klassischer Zirkelschluss.

    Fazit: Wenn das Universum endlich groß ist, ist die Varianz von alpha ein ungeeignetes Mittel um auf seine Größe zu schließen. Ansonsten natürlich auch.

  • By Bynaus, 9. Dezember 2010 @ 18:01

    @blueflash: Doch, selbstverständlich kann der Raum unendlich gross sein. Die Expansionsgeschwindigkeit kann durchaus beliebig gross sein (wir haben zumindest keinen Grund, anzunehmen, dass es für die Expansionsgeschwindigkeit des Raumes eine Obergrenze gibt), aber das ist nicht der Grund. Das sichtbare Universum kann noch so beliebig dicht komprimiert, aber trotzdem unendlich gross gewesen sein. Alles, was sich in der Zwischenzeit verändert hat, ist die \“Maschenweite\“.

    Und nein, kein Zirkelschluss… Das sehr grosse, möglicherweise (aber nicht zwingend) sogar unendlich grosse Universum mit variierenden Naturkonstanten ist schlicht die einfachere Erklärung für die Beobachtungen, weil dieses Modell mit weniger Annahmen auskommt (und gleichzeitig mit den Beobachtungen konsistent ist). Einfachere Modelle sind, gemäss Occhams Razor, eben auch häufiger richtig. Wenn die Naturkonstanten tatsächlich in dem kleinen Bereich variieren, wie das jetzt für Alpha vorgeschlagen wurde, kommen Vertreter eines \“kleinen\“ Universums, das also nur wenig grösser ist als das Sichtbare, unter einen Rechtfertigungsdruck.

  • By blueflash, 9. Dezember 2010 @ 23:21

    Doch, doch, ganz eindeutig ein Zirkelschluss:

    Zu jeder endlichen Größe des Universums ist jedes beliebige Intervall für alpha gleich wahrscheinlich.

    Im Falle einer undendlichen Größe des Universums spricht einiges für ein ebenfalls unendliches Intervall für alpha, allerdings haben wir dann den Schluss: unendliches Universum -> unendliches alpha -> großes Universum. Der läßt sich auch als unendliches Universum -> großes Universum schreiben. Offensichtlich trivial.

    Aus der Beobachtung einer Naturkonstante in Form eines reellen Intervalls allein lassen sich schlicht keine weiteren Rückschlüsse auf dieses Intervall ziehen.

  • By Bynaus, 10. Dezember 2010 @ 17:14

    Du verstehst mich falsch.

    Ich habe die Beobachtung: Alpha variiert im sichtbaren Universum um einen kleinen (relativen) Betrag.

    Dann behaupte ich (zunächst einmal völlig unabhängig von der oberen Beobachtung), dass ein Universum, in dem die Naturkonstanten völlig frei variieren können, einfacher ist als ein Universum, in dem sie auf einen ganz bestimmten Bereich fixiert bleiben, wie gross auch immer dieser Bereich ist, denn jeder Bereich braucht letztlich eine Rechtfertigung. Ein Universum ohne fixierten Bereich, in dem (eine oder mehrere) Naturkonstanten variieren, kommt ohne eine solche Rechtfertigung aus, ist also einfacher und damit, nach Occhams Razor, plausibler.

    Wenn *unser* Universum also eines von diesem gerade beschriebenen Typ ohne fixen Bereiche ist, dann werden darin die Naturkonstanten alle möglichen Werte annehmen, und in einer Ecke werden sie genauso sein, wie bei uns. Wie verhält sich nun die *Grösse* eines solchen Universums im Vergleich zu unserem sichtbaren Universum? Im sichtbaren Universum variieren die Naturkonstanten nur um einen winzigen Betrag, weshalb man – unter der oberen Annahme, dass sie über sehr grosse Bereich variieren – erwarten würde, dass das \“wahre\“ Universum sehr viel grösser als das sichtbare ist.

    Das ist alles. Eine Beobachtung, kombiniert mit einer Annahme, gibt eine Aussage. Die dann natürlich kritisch von der Richtigkeit dieser Annahme abhängt. Aber kein Zirkelschluss.

  • By blueflash, 11. Dezember 2010 @ 19:20

    Ich habe Dich schon verstanden. \“Völlig frei\“ kann alpha nur variieren, wenn das Universum unendlich groß ist.
    In jedem anderen Fall *muss* es ein endliches Intervall für alpha geben.
    Occams Razor gilt also nur für den Fall eines unendlich großen Universums, und damit enthält deine Annahme bereits die Aussage, die du belegen willst.

    In jedem anderen Fall gibt es keine relativ kleine oder große Abweichung. Die relative Größe der Abweichung ist ja nur eine Frage der willkürlichen (!) Einheit, in der diese Größe gemessen wird.

  • By blueflash, 11. Dezember 2010 @ 19:25

    Um es mathematisch zu machen: Alpha ist offensichtlich eine Funktion zwischen dem Raum und den Reellen Zahlen. Da eine funktion sich als Menge aller Tupel, die die Relation erfüllen, schreiben lässt, gibt es ein endliches Intervall für Alpha mindestens dann, wenn der Raum endlich ist.

  • By Bynaus, 12. Dezember 2010 @ 11:48

    Ja, völlig \“frei\“ (in dem hier diskutierten Sinn) ist Alpha vermutlich nur in einem unendlichen Universum, das stimmt schon. Aber auch dann ist es kein Zirkelschluss: Ich sage dann ja bloss, dass die Beobachtung, dass Alpha nur um einen geringen Betrag variiert, in einem unendlich grossen Universum zu erwarten ist, in einem endlich grossen jedoch eine Erklärung benötigt (in einem unendlichen Universum tritt der beobachtete Gradient zumindest auf (unendlich oft, wie alles andere, physikalisch machbare auch, allerdings).

    Anderseits wissen wir so gut wie nichts über die Rahmenbedingungen von variablen Naturkonstanten. Es ist z.B. denkbar, dass Alpha ohnehin nur eine endliche Menge von Werten annehmen kann, weil über oder unter einem bestimmten Bereich sich Probleme mit den anderen Konstanten, die in Alpha einfliessen, auftun. Solche Probleme sind allerdings in dem Bereich, die für das beobachtete variable Alpha plausibel sind, problemlos (man erwartet keine extrem verschiedenen Naturgesetze), dh, man könnte sich deutlich mehr Variabilität vorstellen als man beobachtet. Und das kann man als Hinweis (mehr habe ich ja gar nie behauptet) nehmen, dass das Universum sehr viel grösser ist, als das sichtbare.

  • By Unbekannter Gast, 2. Mai 2011 @ 22:00

    blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2010/10/18/the-fine-structure-constant-is-probably-constant/

    Was stimmt denn nun?
    Und was ist eigentlich die Feinstrukturkonstante einfach erklärt?

  • By Bynaus, 3. Mai 2011 @ 19:14

    Danke für den Hinweis auf den Artikel, sehr interessant zu lesen. Wie im Artikel oben erwähnt, das ganze muss sich natürlich erst noch bestätigen. Der Cosmic-Variance-Artikel spricht dazu einige Möglichkeiten und Unmöglichkeiten an. Es bleibt, an diesem Punkt, bloss abwarten, ob sich die Beobachtungen unabhängig bestätigen lassen oder nicht.

    Die Feinstrukturkonstante ist ein Mass dafür, wie stark die Elektromagnetische Kraft ist, oder wie stark sie \“koppelt\“.

  • By Slotty, 8. Juli 2011 @ 02:42

    500 Jahre sind nun ja auch nicht gerade ein kurze Zeit, hat sich denn in den letzten 6 Monaten was neues getan?

  • By Herbert, 17. August 2011 @ 01:02

    Hallo Bynaus,
    gestern nacht hab ich auf BR-Alpha wie so oft eine Wiederholung von Alpha-Centauri geguckt (ich denk, Harald Lesch ist dir ein Begriff). Er hat eine Sendung genau über dieses Thema gemacht
    http://www.br-online.de/br-alpha/alpha-centauri/alpha-centauri-naturkonstanten-2006-ID1208177064509.xml
    und jetzt hab ichs mal gegoogelt, die Sendung war 2006 produziert.
    Wann ging denn diese Nachricht durch die Medien?
    Und – wie auch Slotty fragt – gibts da was neues?
    Und – vielen Dank für die immer wieder hochinteressanten Artikel!

  • By Bynaus, 17. August 2011 @ 19:20

    Ich hab die Sendung jetzt (noch) nicht gesehen, aber 2006 muss das Thema die Variation von Alpha in der Zeit, und nicht im Raum gewesen sein (?).

    Was die Neuigkeiten angeht: nun, man muss sehen, dass das Thema umstritten ist, und auch bleiben wird, so lange die Messung nicht durch neue, präzisere klar bestätigt wird. Sollte sich das allerdings einestages abzeichnen, wäre es sicher eine Nobelpreisverdächtige Entdeckung, von der wir noch hören werden.

  • By Der Beobachter, 29. September 2011 @ 13:03

    Könnte man diese Beobachtung vielleicht auch so erklären:

    http://www.wissenschaft-aktuell.de/artikel/Gravitationswellen_taeuschen_Beschleunigung_der_kosmischen_Expansion_vor_1771015587950.html

  • By Alex, 5. Oktober 2011 @ 12:43

    Wenn ich diese Theorie richtig verstehe und die Messungen der Supernovae: nein. Denn die Entfernungsmessung zeichnet einen regelrechten „Bogen“ ab an dem man die zunächst gebremste und dann immer weiter beschleunigte Expansion ablesen kann. Von Wellen würde man eher ein wellenförmiges Muster erwarten, oder?

    Gruß Alex

  • By Der Beobachter, 5. Oktober 2011 @ 15:44

    Von einer Halbwelle die sich durch den gesamten sichtbaren Raum erstreckt nicht. Da würde man genau das erwarten was wir sehen. Nämlich eine gerichtete Abweichung diverser Parameter.
    Also zB Asymmetrien in der Hintergrundstrahlung, Differenzen in der scheinbaren Fluchtgeschwindigkeit und evtl auch scheinbar unterschiedliche Emissionsverteilungen.
    Also ich finde diesen Ansatz sehr interessant. Er nimmt quasi an das wir das Universum wie durch einen Zerrspiegel betrachten und dadurch viele Beobachtungen eine Täuschung sind.

  • By Alex, 7. Oktober 2011 @ 11:25

    Ich weiß nicht wie exakt diese Daten sind aber wenn ich sie richtig verstehe legen diese Daten ja im weiteren Bereich bis vor ca.8 mill.Jahren eine gebremste und danach eine beschleunigte Expansion nah. Eine Welle müßte also genau diese Form haben das so vorzutäuschen, und das halte ich für wenig wahrscheinlich, wenngleich natürlich nicht ausgeschlossen.
    Wenn das aber der Fall sein sollte wäre es für die Kosmologie sicher nicht ideal, da man dann vielen Daten nicht mehr trauen kann.

  • By Der Beobachter, 7. Oktober 2011 @ 12:47

    „Eine Welle müßte also genau diese Form haben das so vorzutäuschen, und das halte ich für wenig wahrscheinlich“

    Also das genau das da ist was wir sehen halte ich nicht für unwahrscheinlich. Das wir unter Umständen falsche Schlüsse daraus ziehen ist eine andere Sache.

    Wenn wir annehmen das Gravitationswellen existieren denke ich auch dass es wahrscheinlicher ist das sie auch auf großen Skalen da sind als dass es sie dort nicht existieren.
    Darüber habe ich selber noch nicht so genau nachgedacht, darum finde ich das so interessant. Offenbar kann man damit so manch seltsame Beobachtung erklären. Der zweifelsfreie Beweis steht aber noch aus. Das tut er aber für andere weithin anerkannte Annahmen ebenso. Also warten wir mal ab.

  • By Matthias Meier, 2. November 2011 @ 17:28

    Die Arbeit ging nun durchs Peer Review und ist publiziert: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v107/i19/e191101

    Siehe auch: http://physicsworld.com/blog/2011/11/alpha_might_vary_across_the_un.html

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