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Am 28. Juli 2019 haben die Gravitationswellenobservatorien LIGO und VIRGO ein Signal gemessen, das aus 2,6 Milliarden Lichtjahren Entfernung kam. Sechs Minuten vorher hat das Neutrino IceCube Observatorium am Südpol ein Neutrinoereignis im selben Himmelsbereich registriert. Ein Bild, das die Übereinstimmung der Himmelsbereiche zeigt, ist unter www.icecube.wisc.edu/news/view/669 zu finden.
2,6 Milliarden Lichtjahre ist ziemlich weit weg. Das berühmte Multimessage-Ereignis gw170817, bei dem mit vielen astronomischen Geräten die Verschmelzung von zwei Neutronensternen beobachtet worden ist, lag nur in 130 Millionen Lichtjahren Entfernung, also 20 Mal näher. Die Profiastronomen von IceCube und LIGO wollen sich bei dem neuen Ereignis vom 28. Juli nicht aus dem Fenster lehnen. Sie betrachten das gleichzeitige Auftreten der Signale als nicht hinreichend statistisch signifikant, um sich weiter damit zu beschäftigen.
Aber angenommen, es bestünde doch ein echter Zusammenhang zwischen diesen beiden Ereignissen: was könnte sich da abgespielt haben? Die Gravitationswellendaten zeigen, dass mit 95 % Wahrscheinlichkeit zwei Schwarze Löcher mit jeweils mehr als 5 Sonnenmassen zusammengestoßen sind. Mit 5 % Wahrscheinlichkeit hat einer der beiden Partner eine Masse von 3-5 Sonnenmassen. Ein großer Ausbruch von Neutrinos kommt typischerweise bei einer Supernova vor. Es muss sich um einen sehr starken Ausbruch handeln, wenn so etwas bis in 2,6 Milliarden Lichtjahren Entfernung noch gemessen werden kann. Man könnte sich nun folgendes Szenario vorstellen:
- Ein Schwarzes Loch und ein großer normaler Stern umkreisen einander.
- Dann wird beim normalen Stern eine Supernova ausgelöst verbunden mit dem starken Neutrinoausbruch.
- Bei der Supernova-Explosion entsteht das zweite Schwarze Loch. Die Supernova läuft nicht exakt radialsymmetrisch ab, was das entstehende zweite Schwarze Loch in die Nähe des ersten Schwarze Lochs lenkt.
- Sechs Minuten später kollidieren die beiden Schwarzen Löcher.
Ist solch ein Szenario verstellbar? Welche anderen Szenarien wären noch denkbar, wenn man von der banalen Lösung der zufälligen räumlichen Übereinstimmung absieht?
Stellungnahme der Redaktion
Wow, das ist eine spannende Idee. Natürlich ist das in der Tat sehr unwahrscheinlich, was Herr Fürsich da vorschlägt. Aber wer weiß ...
Immerhin ist auch kürzlich von Profis ein mindestens genau so unwahrscheinliches Szenario fuer das Super-Neutrino vom 22. September 2017 aus der Galaxie TXS 0506+056 vorgeschlagen worden, siehe https://www.spektrum.de/news/kosmische-kollision-schuf-rekordhalter-neutrino/1677548
Der Artikel beschreibt informativ und anschaulich die Abweichungen der Hubble-Konstanten Ho, die sich aufgrund unterschiedlicher Bestimmungsmethoden ergeben haben. Bezüglich der Hubble-Konstanten sind aus meiner Sicht jedoch noch einigen Ergänzungen sinnvoll, die im Artikel etwas zu kurz gekommen sind. Hier wird an keiner Stelle erwähnt, dass es sich bei Ho um die Hubble-Konstante zum jetzigen Zeitpunkt handelt. Sie ist ansonsten zeitabhängig und nicht konstant, weswegen der heute schon häufiger verwendete Begriff Hubble-Parameter geeigneter wäre. Insbesondere die Aussage "Tatsächlich gehen Kosmologen davon aus, dass sich Ho im Laufe der kosmischen Entwicklung verändert hat" ist in diesem Zusammenhang unverständlich. Der Hubble-Parameter war in der Vergangenheit größer und hatte z. B. vor 12 Milliarden Jahren mit etwa 420km/s/Mpc fast den sechsfachen Wert des Heutigen, auf den er dann mit der Zeit gesunken ist. Das ist übrigens der Grund dafür, weswegen wir heute Licht von Objekten empfangen können, die sich aufgrund der Expansion mit Überlichtgeschwindigkeit von uns entfernen. Eine anschauliche Darstellung dieser Zusammenhänge findet man auch unter
www.reiner-guse.de/assets/applets/Ausw_Expansion_Fer.pdf und http://www.reiner-guse.de/assets/applets/Jena19.pdf.
Stellungnahme der Redaktion
Vielen Dank für diese klärenden Anmerkungen. Man kann ihnen nur zustimmen.
U.B.
Im Laufe eines Jahres ändert sich die Taglänge. Diese eigentlich simple Festtellung lässt sich m.E. mit einem geozentrischen Weltbild nicht erklären. Wie sollte sich die Taglänge in einem solchen System innerhalb eines Jahres ändern? Wie wurde dieser Umstand erklärt?
Stellungnahme der Redaktion
Dies erklärt sich im geozentrischen System ganz genauso wie im heliozentrischen, nämlich durch die Neigung der Sonnenbahn am Himmel gegen die Rotationsachse der täglichen Umdrehung des Himmels. Mal ist die Sonne auf der nördlichen und mal auf der südlichen Hälfte des Himmels.
U.B.
19.08.2019, Reiner Guse, Peine, und Thorsten Imkamp, Bielefeld
19.8. Reiner Guse, Peine:
Herr Clausnitzer beschreibt in diesem sehr ansprechenden Artikel (SuW 9/2019, S. 26 ff) u. a. die Situation an unseren Schulen bezüglich der Astronomie und begründet überzeugend eine sinnvolle Organisation für den Unterricht. Aufgrund meiner Erfahrungen bei meiner Tätigkeit als Leiter einer Astronomie - Arbeitsgemeinschaft an einem Gymnasium in Niedersachsen kann ich seinen Aussagen in allen Punkten zustimmen. Auch das "Konzept 60" halte ich für geeignet, es ist fast identisch mit meinem 60stündigen Jahreskurs.
Hinsichtlich der Anmerkung von Herrn Clausnitzer "Die Schwerpunkte sollten nicht vordergründig auf dem liegen, was gerade in der aktuellen Forschung angesagt ist, ..." habe ich eine Ergänzung. Die Aussage ist sicherlich richtig, sollte aber nicht dazu führen, dass aktuelle Ereignisse nicht im Unterricht aufgegriffen und zeitnah behandelt werden. Gerade in den letzten Jahren gab es z. B. mit der Rosetta - Mission, dem Nachweis der Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen durch Gravitationswellen und durch das Foto des Schattens eines Schwarzen Lochs zahlreiche Ereignisse, die auch in den Medien behandelt und von den Jugendlichen wahrgenommen wurden. Mit dem Aufgreifen und Behandeln dieser Inhalte im Unterricht, was häufig durch die Nachfrage der Schülerinnen und Schüler ausgelöst wurde, habe ich sehr gute Erfahrungen gemacht. In den meisten Fällen stand zu diesen Ereignissen auch anschauliches Material im Internet zur Verfügung, das ich im Unterricht verwenden konnte. Auch dabei sollte unter Berücksichtigung der Lernvoraussetzungen das Verständnis der Vorgänge angestrebt werden, wozu in der Regel mindestens zwei Unterrichtsstunden erforderlich sind. Für diese Vorgehensweise gibt es folgende Gründe:
- Das Interesse ist aufgrund der Aktualität sehr groß.
- Die Erkenntnisse dieser Ereignisse sind meistens so gravierend, dass ihre Ergebnisse ohnehin in das Unterrichtskonzept einfließen sollten und die Inhalte an entsprechender Stelle geändert oder ergänzt werden müssen. Man denke z. B. an die Entstehung schwerster Elemente durch Neutronensternverschmelzungen oder an Gravitationswellen, die heute in ein "Konzept 60" himeingehören. Durch dieses Vorgehen unterbricht man den geplanten Kursverlauf. Daher sollte man nach der Behandlung dieses aktuellen Ereignisses diesen Inhalt für den Schüker nachvollzeihbar einer passenden Stelle des Konzepts zuordnen. Im darauffolgenden Jahr wird er dann an dieser Stelle behandelt.
Abschließend noch eine Anmerkung zur Situation in Niedersachsen. In der angestrebten Organisationsform gibt es das Fach Astronomie leider nur als freiwillige Arbeitsgemeinschaft, wobei es nur dort angeboten wird, wo eine entsprechende Lehrkraft zur Verfügung steht und die Bereitschaft der Schule vorhanden ist. An interessierten Jugendlichen mangelt es aus meiner Erfahrung nicht.
19.8., Thorsten Imkamp, Bielefeld:
Die Vermittlung astronomischer Themen in der Schule treibt mich schon lange um, und ich stimme Herrn Clausnitzer in allen Punkten zu. Da es erfahrungsgemäß jedoch schwierig ist, die Kultusministerien von der Notwendigkeit eines Unterrichtsfachs Astronomie zu überzeugen, sollten die Lehrer die Dinge selbst in die Hand nehmen. So gibt es an unserem Gymnasium schon seit zehn Jahren den (vollständig digitalen) „Differenzierungskurs Astronomie“, in dem die im Artikel (Kasten S. 30/31) beschriebenen Themen den hier sehr selbstständig arbeitenden Schülern der Stufen 8 und 9 vermittelt werden (in über 120 Unterrichtsstunden!). Des Weiteren gibt es die Möglichkeit, über so genannte Projektkurse in der Oberstufe astronomische Themen aufzugreifen (bei uns z.B. „Mathematische Methoden der Astronomie und Raumfahrt“). Im Physikunterricht der Stufe 10 (Oberstufe) bietet der Themenbereich „Gravitation und Gravitationsfeld“ eine ausgezeichnete Möglichkeit, weitere astronomische Inhalte zu ergänzen. Stand jetzt bekommt der Themenbereich „Sterne und Weltall“ den Status eines eigenen Inhaltsfeldes im neuen Physik-KLP SI in NRW. Mit weiteren Ideen (z.B. Beobachtungsabenden) interessierter Kollegen wäre so auch schon sehr viel für die Astronomie gewonnen.
in der aktuellen Ausgabe von Sterne und Weltraum (SuW 9/2019) gibt es einen Artikel von Lutz Clausnitzer mit dem Titel "Wie viel Astronomie braucht der Mensch?". In dem Artikel wird auch beschrieben, wie genau Astronomie ein Teil des Schulunterrichts sein könnte, und dazu würde ich gerne Stellung beziehen.
In den Schulen wird meiner Meinung nach viel zu wenig Astronomie gelehrt. So kommt es auch, dass ich meinen Klassenkameraden leichte Dinge erklären muss, die man eigentlich in der Schule lernen müsste. Schon beim Aufzählen der Planeten unseres Sonnensystems kommen viele nicht klar. Vor allem das hat mich erschüttert. Das zeigt doch ganz klar, dass man Astronomie wenigstens anschneiden sollte. In vielen Schulen wird aber kaum etwas dafür getan.
Die Idee von Herrn Clausnitzer, dass man Astronomie so lehrt, wie sie historisch gewachsen ist, ist nicht schlecht. So kann man den Schülern noch einige wichtige Persönlichkeiten der Astronomie näher bringen und zeigen, wie man schon vor vielen hunderten Jahren Astronomie betreiben konnte.
Auf den Seiten 30-31 ist eine Tabelle abgebildet mit einem möglichen Konzept für Astronomie im Unterricht und der möglichen Reihenfolge von Unterrichtsstoffen. Man fängt erst mit der Orientierung am Himmel an. Darauf folgen die kulturhistorischen Wurzeln der Astronomie. Dann wird das Sonnensystem erarbeitet. Dann folgen die Sterne und die Weltallstrukturen. Zum Schluss würde dann die Kosmologie bearbeitet werden. Auch das finde ich gut, denn so wird vieles den Schülern vermittelt.
So wie Herr Clausnitzer vertrete ich die Meinung, dass Astronomie im Physikunterricht behandelt werden sollte. Würde man alles auf verschiedene Fächer verteilen, würden die Schüler durcheinander gebracht werden. Außerdem müsste eine Reihenfolge festgelegt werden, und das können die Lehrplankommissionen nicht so einfach.
Ein weiteres Problem sehe ich im Bezug auf die Schularten. Auf der Seite 32 sieht man in einer Tabelle die Verbreitung der Astronomie im Unterricht. Zum Großteil sind es vor allem Gymnasien. Ich finde, dass auch die anderen Schulen Astronomie lehren sollten.
Auch sind die meisten Physiklehrer nicht sehr stark in der Astronomie qualifiziert. Vor einigen Monaten habe ich meinen Physiklehrer angesprochen, ob wir vielleicht etwas zum Thema Astronomie machen können. Er meinte nur, es würde nicht auf dem Lehrplan stehen und er wüsste nicht wirklich viel. Dass sich die Lehrer in ihrer Freizeit dafür weiterbilden sollten, kann man nicht erwarten. Sie sollten es schon von Anfang an im Studium wenigstens etwas bearbeitet haben. Auch in den Lehrplänen sehe ich ein Problem. Viele Dinge, die z. B. in der Physik wichtig sind, werden einfach nicht behandelt. Wir haben die letzten drei Jahre nur etwas zum Thema Strom gemacht. Ich bin mir sicher, dass noch andere Dinge hätten bearbeitet werden müssen. Aber das ist ein anderes Thema.
Zum Schluss möchte ich nochmal mitteilen, wie unglaublich wichtig Astronomie eigentlich in der Schule ist. Ich bin mir sicher, dass sich sogar mehr Schüler als man denkt für Astronomie interessieren werden, wenn man ihnen nur die Möglichkeit dafür geben würde. Ich hoffe, dass Sie sich mit diesem Text eine eigene Meinung bilden konnten, und vielleicht sehen Sie ja auch einiges so wie ich.
Viele Grüße.
Herr Dr. Uwe Reichert hat in dem sehr lesenswerten Rückblick auf 57 Jahre SuW geschrieben: "Sterne und Weltraum ist die älteste populärwissenschaftliche Zeitschrift Deutschlands … Alle vergleichbaren Zeitschriften, die vor 1962 gegründet wurden, sind mittlerweile vom Markt verschwunden … " (SuW 5/2019, S. 44ff).
Dies ist nicht richtig. Es gibt noch heute, im 72. Jahrgang, die 1948 begründete "Naturwissenschaftliche Rundschau", die allen Ansprüchen einer populären und wissenschaftlichen Zeitschrift genügt.
Diese und die SuW lese ich seit Jahren mit großem Gewinn.
Ich hätte gerne gewusst, wie teuer - und die nötigen Daten, wenn ich es bei meinem Buchhändler bestellen möchte ...
Stellungnahme der Redaktion
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Der Artikel "Die Stabilität von interstellarem atomaren Wasserstoff" in SuW 6/2019 wirft die Frage auf, wie sich molekularer Wasserstoff im frühen Universum ohne die Anwesenheit von Staub bilden konnte. Zumindest sind meines Wissens keine anderen Prozesse als die Katalyse auf Stauboberflächen bekannt.
Stellungnahme der Redaktion
Katalyse auf Staub ist heute der bei weitem effektivste Prozess zur Molekülbildung, aber er ist nicht der einzige. Im frühen Universum gab es den Staub nicht, da es die schweren Elemente nicht gab. Deshalb mussten sich damals sehr große Massen (mindestens 1 Million Sonnenmassen) zusammenballen, um einen gravitativen Kollaps zu produzieren, d.h. um Sterne zu bilden. Das liegt daran, dass dafür eine effektive Kühlung der Gaswolken notwendig ist, die am besten durch Moleküle zu erzielen ist. Ohne diese Kühlung steigt der Gasdruck durch Kontraktion (und die dadurch erzeugte Erwärmung) schneller an als die gravitativen Kräfte. Es sei denn, man habe sehr viel Masse zur Verfügung.
War der Kollaps aber erst mal im Gang, dann setzte mit zunehmender Gasdichte auch Molekülbildung in der Gasphase ein, d.h. ohne Katalyse auf festen Oberflächen. Die dadurch ermöglichte zusätzliche Kühlung verstärkte den Kollaps und erlaubte schließlich den Zerfall (Fachausdruck: die Fragmentation) der zunächst riesigen Wolke in sternähnliche "Portionen". Die Wasserstoff-Moleküle bildeten sich zunächst durch Zweikörperprozesse, genauer durch Stöße zwischen einem neutralen Wasserstoffatom H und einem Wasserstoff-Ion H+ oder H-, bei höherer Dichte dann auch durch Dreikörperprozesse. Nach neueren Modellrechnungen ist so die Fragmentierung der kollabierenden Wolken bis herunter zu 0,2 Sonnenmassen auch im frühen Universum möglich gewesen.
U. B. (nach Rücksprache mit Experten für Sternentstehung)
13.05.2019, Dr. Bernhard Weßling, Jersbek, OT Klein Hansdorf
Am Buch wie an der Rezension sind aus meiner Sicht grundlegende Aspekte zu kritisieren:
1. Dass die Zeit in den Grundgleichungen der Beschreibung der Welt nicht vorkommt, ist ja kein Beleg - geschweige denn ein Beweis - dafür, dass die Zeit nicht existiert, sondern müsste zumindest bis zur endgültigen Klärung der Frage OB die Zeit als solche existiert, den Verdacht nähren, dass die Gleichungen mglw unvollständig sind.
- Es ist ja so, dass es genügend hochgebildete und hochdekorierte Physiker gibt, die allen Ernstes behaupten, dass die Zeit durchaus auch "rückwärts" laufen könne, wenn auch rückwärts laufende Ereignisse "extrem unwahrscheinlich" seien (http://www.bbc.com/earth/story/20160708-the-past-is-not-set-in-stone-so-we-may-be-able-to-change-it, aber schauen Sie bitte auch mal in Spektrum der Wissenschaft, Heft 10/2010, S. 33)
2. Rovelli - der mit seinem Ansatz m. E. nah dran ist an einer Beschreibung der Zeit, mit der ich einverstanden wäre - macht einen systematischen Denkfehler: "Entropie", das Phänomen Entropie, existiert auf der Quantenebene nicht. Photonen sind zeitlos, auch alle anderen Quanten besitzen keine Zeit (schwarze Löchern ebensowenig).
3. Das Problem ist, dass Rovelli versucht, unterschiedliche Aggregationsebenen (Quanten und makroskopische Welt) miteinander zu vereinigen, das ist aber nicht möglich und macht keinen Sinn. Beispiel: Das Phänomen "Leben" existiert auf der Ebene der Atome nicht, d.h., man kann aus den Eigenschaften der Atome nicht die Gesetzmäßigkeiten des Lebens ableiten. Nicht einmal eine DNA als solche "lebt". Erst wenn es alle möglichen chemischen Verbindungen und ihre Anordnungen so gibt, dass ihre Wechselwirkungen Stoffwechsel und Vermehrung erlauben, haben wir die Aggregationsebene "Leben" vor uns, mit gänzlich neuen Gesetzen, die in der Welt der Atome nicht vorkommen.
- ebensowenig kommt die Zeit auf der Ebene der Quanten vor;
- sie entsteht erst auf der Ebene der Atome, weil auch dort erst die Entropie existiert.
Zuzüglich zu der Schwierigkeit der Lokalisation des Bebens ist m.E. die Frage noch wichtiger, ob es überhaupt ein Beben ist und nicht der Einschlag eines Meteoriten auf den Mars. Wenn man das nicht unterscheiden kann, ist die Erforschung der Marsgeologie mit Hilfe eines Seismometers sehr fraglich. Denn schließlich müssen wir davon ausgehen, dass auf dem Mars wesentlich mehr Meteoriten aufgrund der dünnen Atmosphäre niedergehen als auf der Erde.
In seinem Artikel beschreibt Jan Hattenbach, welche Unterschiede beim Wechsel eines Teleskops von 10 nach 16 Zoll zu erwarten sind. Ergänzend möchte ich auf folgende Zusammenhänge hinweisen:
Vergleicht man die Lichtsammelleistung eines Teleskops mit einem Instrument, das über die doppelt so große Öffnung verfügt, so ergibt sich aus der vierfachen Fläche der Optik die entsprechend größere Fähigkeit, das Himmelslicht zu sammeln. Hiervon kann bei der Astrofotografie direkt profitiert werden, d. h., unter sonst gleichen Bedingungen reicht ¼ der Belichtungszeit.
Weit verbreitet ist dabei die Annahme, dies gelte auch für die visuelle Beobachtung. Im Vergleich der beiden vom Autor erwähnten Geräte (10 bzw. 16 Zoll) ist die Spiegelfläche das Explorer-Instrument um den Faktor 2,56 größer, der gleich Wert gilt aber eben nicht für die visuelle Wahrnehmung. Das Auge bzw. die Physiologie der Nervenzellen funktioniert nicht linear. Im Endeffekt folgt daraus, dass doppeltes Licht nicht das Doppelte in der Helligkeitswahrnehmung bedeutet, sondern erheblich weniger. Schon bei der Betrachtung des Sternhimmels wird dies unmittelbar deutlich. Ein Stern der nächsten Größenklasse ist 2,5mal heller, beim Sprung um 5 Größenklassen ist der Faktor 100. Das nehmen wir so doch nicht wahr.
Das Weber-Fechner-Gesetz aus dem 19. Jahrhundert geht davon aus, dass Lichtreiz und Wahrnehmung in einem logarithmischen Verhältnis stehen, darauf wird immer noch häufig Bezug genommen. Aktueller und wohl auch zutreffender sind die Annahmen von Stevens, der zu der Erkenntnis kam, dass sich die Zusammenhänge in einer Potenzfunktion darstellen lassen. Kurz gesagt reduziert sich die Wahrnehmung bei einem verstärkten Helligkeitsreiz um die Potenz 0,33. Doppelt so viel Licht nehmen wir danach um einen Faktor von 2 hoch 0,33 = 1,3 heller wahr. Von 10 nach 16 Zoll (Vergrößerung der Fläche um 256%) sind es für das Auge nur noch 1,4 mal mehr Helligkeit. Selbst der Anstieg von 10 nach 40 Zoll bringt nur den Faktor 2,5.
Mich interessiert das "Erscheinungsbild" des Sommerdreiecks um 10000 v.Chr. bis 5000 v.Chr., wenn man alle Sternbewegungsparameter berücksichtigt.
Mit freundlichem Gruß
Stellungnahme der Redaktion
In 10000 Jahren bewegen sich Atair um ca. 1.8 Grad, Wega um ca. 1 Grad und Deneb nur um ca. 20 Bogensekunden am Himmel. Die Entfernungen der drei Sterne zur Sonne verringern sich dabei sich dabei um rund 5 Prozent, knapp 3 Prozent und viel weniger als 1 Prozent. Bei heutigen Winkelabständen von ca. 25 Grad zwischen Wega und Deneb bzw. jeweils ca. 35 Grad zwischen Atair und den anderen beiden Sternen wird sich das Bild des Sommerdreiecks über diesen Zeitraum also nicht auffällig ändern.
U.B.
In SuW 5/2019 wird ein Rückblick auf die ersten 57 Jahre der Zeitschrift gegeben. In den ersten Jahrgängen fanden sich auf den Heftseiten oft humorvolle Anekdoten. Es wäre schön, wenn Sie dies wieder aufleben lassen würden. Hier ein kleiner Beitrag:
Um 1975 erzähle mein Astronomieprofessor, Mogens Rudkjøbing, der zu Astronomen in Frankreich gute Kontakte hatte, folgende Geschichte: In den 50-er und 60-er Jahren war man unter französischen Astronomen etwas betrübt über die Tatsache, dass die bekanntesten Astronomen des Landes deutschklingende Namen trugen: Schatzman, Fehrenbach, Dollfus, Schaumasse, Heidmann. „Aber“, so tröstete man sich, „zumindest haben wir einen Berühmten mit einem echten französischen Namen, nämlich Lallemand“.
Zum Leserbeitrag von Herrn Russek zum Mondregenbogen möchte ich jetzt auch einen kurzen Leserbeitrag beitragen. Mit Caspar David Friedrich hat sich Herr Russek leider gerade den wirklich schlechtesten Zeugen ausgesucht, den man für authentische Abbildungen der Natur und der Landschaft heranziehen kann. Das Besondere an Friedrichs Landschaften ist nämlich, dass Friedrich seine Landschaften im stillen Kämmerlein äußerst phantasievoll zusammenkomponiert hat. Da findet sich dann schon mal ein verfallenes Klostergemäuer aus Greifswald Eldena im Riesengebirge wieder und die Eisschollen des Greifswalder Boddens in der Arktis. Und so kann bei ihm auch ein sonniger Regenbogen in eine Mondlandschaft hineingeraten. Vielleicht findet sich ja eine zuverlässigere Quelle.
auf die Frage von Herrn Thomas Ahrendt in SuW4/2019 (S.8), ob die Gravitation eine Kraft, eine Scheinkraft oder eine Eigenschaft der Raumzeit ist, haben Sie schließlich geschrieben, dass die Gravitation nie, in keiner irgendwie sinnvollen Sichtweise eine Scheinkraft ist.
Diese Aussage ist leider völlig falsch. Das genaue Gegenteil ist der Fall. Aus dem Äquivalenzprinzip folgt direkt, dass in einem lokalen Inertialsystem keine Gravitationskraft auftritt. Die Gravitationskraft tritt nur in nicht–inertialen Bezugssystemen auf. Damit ist sie nichts anderes als eine Scheinkraft.
Siehe zum Beispiel: Sexl, Urbantke - Gravitation und Kosmologie, Seite 12ff.
Stellungnahme der Redaktion
Darauf habe ich direkt an Herrn Simon folgendermaßen geantwortet:
"Lieber Herr Simon,
Scheinkraft ist ein Begriff aus der klassischen Newtonschen Physik. Er bezeichnet Kraftfelder, die sich in der klassischen, flachen und zeitunabhängigen Newtonschen Raumzeit *global* durch eine geeignete Wahl des Bezugssystems eliminieren lassen. Sie werden verursacht durch eine Rotation (Zentrifugal- und Corioliskraft) und/oder eine Beschleunigung (Trägheitskraft) des gewählten Bezugssystems gegenüber der Klasse von (globalen) Newtonschen Intertialsystemen.
Das Äquivalenzprinzip besagt lediglich, dass die Gravitation sich *lokal* durch die Transformation auf das System eines frei fallenden Beobachters "beseitigen" lässt. Sie lässt sich aber nicht durch eine Wahl des Referenzsystems *global* eliminieren. In Einsteins berühmten Aufzug-Gedankenexperiment wird die Gravitation streng genommen nur im Zentrum des Fahrstuhls beseitigt. Wenn sie eine normal große Fahrstuhlkabine im irdischen Gravitationsfeld frei fallen lassen, dann wird der Beobachter in der Mitte der Kabine mitnichten konstante Positionen von anfangs ruhend schwebenden und nun frei mitfallenden Körpern beobachten. Oben und unten werden sie von ihm weg beschleunigt erscheinen, und rechts, links, vor und hinter ihm werden sie näher kommen. - Dies zu messen bräuchte es übrigens keine aufwändigen interferometrischen Anlagen, sondern das könnte man bei freiem Fall über die Höhe eines Hochhauses mit ziemlich schlichten Piezo-Sensoren tun.
Deshalb halte ich es für falsch (oder wenn Ihnen das lieber ist: für nicht geschickt), den Begriff der Scheinkraft für die z.B. auf der festen Erde gefühlte Gravitationskraft zu verwenden. Dies ist eine unzulässige (oder: ungeschickte) Vermischung eines Newtonschen Begriffs in die relativistische Sichtweise - auch wenn Sexl und Urbantke dies anders dargestellt haben (ich habe im Moment keinen Zugriff auf das Buch, konnte also nicht nachlesen, was genau dort auf S. 12 steht).
Das oben erklärte Beispiel der Gezeitenkräfte in Einsteins Fahrstuhl gilt für jedes realistische Gravitationsfeld im Universum. Ein globales homogenes Gravitationsfeld ist unphysikalisch, und nur in einem solchen könnte die Gravitation *global* wegtransformiert werden. Oder anders gesagt: Es gibt in der allgemeinen Relativitätstheorie kein globales Inertialsystem, in dem die Gravitation *überall* verschwindet.
Bisher habe ich weitgehend technisch-mathematische Argumente für meine Sicht der Dinge dargelegt. Auf einer etwas mehr grundsätzlichen (wenn Sie so wollen: philosophischen, oder meinetwegen: semantischen) Ebene passt der Begriff der Scheinkraft ebenfalls nicht auf die Gravitation: Die Scheinkräfte der klassischen Physik haben keine originär
physikalische Wechselwirkung als Ursache. Nur deshalb können sie ja global zum Verschwinden gebracht werden. Sie sind in diesem Sinne physikalisch "nicht real". Die Gravitation ist aber in allen drei Sichtweisen meiner "Expertenantwort" eine echte physikalische Wechselwirkung. Sowohl in der klassischen Physik als auch in der allgemeinen Relativitätstheorie als auch in der gesuchten Quantengravitation.
Aus der Länge der vorstehenden Abhandlung können Sie entnehmen, weshalb ich das Thema Scheinkräfte in der "Expertenantwort" auf jenen einen Satz beschränkt habe: Dieses Thema alleine braucht mehr Platz als es auf einer ganzen "Expertenantwort"-Seite überhaupt gibt.
Aus dem gleichen Grund - und wegen der Komplexität der Argumentation - kann ich Ihre Zuschrift auch nicht gut auf den Leserbriefseiten unterbringen. Wenn es Ihnen wichtig ist, Ihren Einwand publiziert zu sehen, dann bin ich aber gern bereit, Ihren Leserbrief samt meiner Antwort auf SuW-online zu publizieren.
Mit den besten Grüßen,
Ulrich Bastian"
Daraufhin hat auch Herr Simon die Argumentation seines Leserbriefs noch einmal ausführlicher dargestellt:
Lieber Herr Bastian.
Nachdem Sie sich ausführlich zu Wort gemeldet haben, gestatten Sie mir bitte eine gleichermaßen ausführliche Darlegung meiner Argumente.
Die Verwendung des Begriffs Scheinkraft hat nicht die Newton'sche Theorie zur Voraussetzung. Die Coriolis- und die Zentrifugalkraft gibt es selbstverständlich auch in einer allgemeinrelativistischen Beschreibung.
Wie sie selbst geschrieben haben, treten bezüglich eines in einem homogenen Gravitationsfeld frei fallenden (unbeschleunigten) Bezugssystem keine Gravitationseffekte auf. Bezüglich eines ortsfesten, und daher in der gekrümmten Raumzeit beschleunigten, Beobachters bewegen sich frei fallende Objekte allerdings beschleunigt. Dieser Beschleunigung kann auch in der allgemeinen Relativitätstheorie gemäß F = ma eine Kraft zugeordnet werden. Diese Beschleunigung bzw. diese Kraft tritt aber nur auf, weil der ortsfeste Beobachter die Bewegung bezüglich eines beschleunigten Bezugssystems beschreibt.
Die in diesem Beispiel auftretende Gravitationskraft ist nichts anderes als eine Scheinkraft. Es ist ein sehr instruktives und sinnvolles Beispiel. Viele Lehrbücher zur allgemeinen Relativitätstheorie verwenden dieses Beispiel um sich dem Thema zu nähern [2,3,4,5]. Hier beispielhaft ein Zitat aus [2], Seite 13:
"Ein auf der Erde ruhendes Labor ist dagegen durch die Kraft, die von der Unterlage her ausgeübt wird, relativ zum Inertialsystem beschleunigt. Durch die Beschleunigung treten Scheinkräfte auf, die Gravitationskräfte."
Nicht zuletzt waren es Gedankenexperimente dieser Art, mit denen Albert Einstein seine ersten Überlegungen zur allgemeinen Relativätstheorie zum Ausdruck brachte! [1]
In realen, nichthomogenen Gravitationsfeldern bleibt das Prinzip das gleiche, die Sichtweise ändert sich nur geringfügig. Was man im Alltag unter der Gravitationskraft versteht, nämlich die Gewichtskraft bzw. die Schwerkraft, ist in jeder gekrümmten Raumzeit nach dem Übergang in ein (genügend kleines, d.h. lokales) Inertialsystem nicht nachweisbar und damit sinnvoll mit einer Scheinkraft vergleichbar.
Ihre Antwort, die Schwerkraft sei niemals, in keiner irgendwie sinnvollen Sichtweise, eine Scheinkraft, halte ich aus diesen Gründen nach wie vor nicht nur für falsch,
sondern sogar für kontraproduktiv im Hinblick auf ein intuitives Verständnis der allgemeinen Relativitätstheorie.
Sie persönlich mögen die Sichtweise für falsch halten. Dann sollten Sie das in Ihrer Expertenantwort aber deutlich als eigene Meinung kennzeichnen.
In jedem Fall aber sollte nicht unerwähnt bleiben, dass führende Experten es als sinnvoll ansehen, die Schwerkraft als Scheinkraft zu betrachten.
Sie dürfen meine erste Zuschrift mitsamt dieser gerne publizieren. Nach meiner Auffassung sollte in einer seriösen Zeitschrift wie Sterne und Weltraum ihre Sichtweise zu diesem Thema nicht unkommentiert bleiben.
Mit freundlichen Grüßen
Dennis Simon
[1] Albert Einstein - Über den Einfluß der Schwerkraft auf die Ausbreitung des Lichtes, Annalen der Physik, Volume 340, Issue 10, 1911, Seite 898ff
[2] Roman Sexl, Helmuth Urbantke - Gravitation und Kosmologie, Spektrum, 5. Auflage 2002
[3] Norbert Straumann - General Relativity, Springer, 2. Edition, 2013, Seite 10
[4] Steven Weinberg - Gravitation and Cosmology, Wiley, 1972, Seite 67ff
[5] Sean Carroll - Spacetime and Geometry, Pearson, 2004, Seite 48ff
Mögliches Multimessage-Signal s190728q
20.09.2019, Dr. Manfred Fürsich, OberhachingAm 28. Juli 2019 haben die Gravitationswellenobservatorien LIGO und VIRGO ein Signal gemessen, das aus 2,6 Milliarden Lichtjahren Entfernung kam. Sechs Minuten vorher hat das Neutrino IceCube Observatorium am Südpol ein Neutrinoereignis im selben Himmelsbereich registriert. Ein Bild, das die Übereinstimmung der Himmelsbereiche zeigt, ist unter www.icecube.wisc.edu/news/view/669 zu finden.
2,6 Milliarden Lichtjahre ist ziemlich weit weg. Das berühmte Multimessage-Ereignis gw170817, bei dem mit vielen astronomischen Geräten die Verschmelzung von zwei Neutronensternen beobachtet worden ist, lag nur in 130 Millionen Lichtjahren Entfernung, also 20 Mal näher. Die Profiastronomen von IceCube und LIGO wollen sich bei dem neuen Ereignis vom 28. Juli nicht aus dem Fenster lehnen. Sie betrachten das gleichzeitige Auftreten der Signale als nicht hinreichend statistisch signifikant, um sich weiter damit zu beschäftigen.
Aber angenommen, es bestünde doch ein echter Zusammenhang zwischen diesen beiden Ereignissen: was könnte sich da abgespielt haben? Die Gravitationswellendaten zeigen, dass mit 95 % Wahrscheinlichkeit zwei Schwarze Löcher mit jeweils mehr als 5 Sonnenmassen zusammengestoßen sind. Mit 5 % Wahrscheinlichkeit hat einer der beiden Partner eine Masse von 3-5 Sonnenmassen. Ein großer Ausbruch von Neutrinos kommt typischerweise bei einer Supernova vor. Es muss sich um einen sehr starken Ausbruch handeln, wenn so etwas bis in 2,6 Milliarden Lichtjahren Entfernung noch gemessen werden kann. Man könnte sich nun folgendes Szenario vorstellen:
- Ein Schwarzes Loch und ein großer normaler Stern umkreisen einander.
- Dann wird beim normalen Stern eine Supernova ausgelöst verbunden mit dem starken Neutrinoausbruch.
- Bei der Supernova-Explosion entsteht das zweite Schwarze Loch. Die Supernova läuft nicht exakt radialsymmetrisch ab, was das entstehende zweite Schwarze Loch in die Nähe des ersten Schwarze Lochs lenkt.
- Sechs Minuten später kollidieren die beiden Schwarzen Löcher.
Ist solch ein Szenario verstellbar? Welche anderen Szenarien wären noch denkbar, wenn man von der banalen Lösung der zufälligen räumlichen Übereinstimmung absieht?
Wow, das ist eine spannende Idee. Natürlich ist das in der Tat sehr unwahrscheinlich, was Herr Fürsich da vorschlägt. Aber wer weiß ...
Immerhin ist auch kürzlich von Profis ein mindestens genau so unwahrscheinliches Szenario fuer das Super-Neutrino vom 22. September 2017 aus der Galaxie TXS 0506+056 vorgeschlagen worden, siehe https://www.spektrum.de/news/kosmische-kollision-schuf-rekordhalter-neutrino/1677548
Ulrich Bastian
Ergänzungen zu "Hubbles Konstante wird immer rätselhafter"
16.09.2019, Reiner Guse, PeineDer Artikel beschreibt informativ und anschaulich die Abweichungen der Hubble-Konstanten Ho, die sich aufgrund unterschiedlicher Bestimmungsmethoden ergeben haben. Bezüglich der Hubble-Konstanten sind aus meiner Sicht jedoch noch einigen Ergänzungen sinnvoll, die im Artikel etwas zu kurz gekommen sind. Hier wird an keiner Stelle erwähnt, dass es sich bei Ho um die Hubble-Konstante zum jetzigen Zeitpunkt handelt. Sie ist ansonsten zeitabhängig und nicht konstant, weswegen der heute schon häufiger verwendete Begriff Hubble-Parameter geeigneter wäre. Insbesondere die Aussage "Tatsächlich gehen Kosmologen davon aus, dass sich Ho im Laufe der kosmischen Entwicklung verändert hat" ist in diesem Zusammenhang unverständlich. Der Hubble-Parameter war in der Vergangenheit größer und hatte z. B. vor 12 Milliarden Jahren mit etwa 420km/s/Mpc fast den sechsfachen Wert des Heutigen, auf den er dann mit der Zeit gesunken ist. Das ist übrigens der Grund dafür, weswegen wir heute Licht von Objekten empfangen können, die sich aufgrund der Expansion mit Überlichtgeschwindigkeit von uns entfernen. Eine anschauliche Darstellung dieser Zusammenhänge findet man auch unter
www.reiner-guse.de/assets/applets/Ausw_Expansion_Fer.pdf und
http://www.reiner-guse.de/assets/applets/Jena19.pdf.
Vielen Dank für diese klärenden Anmerkungen. Man kann ihnen nur zustimmen.
U.B.
Variierende Tageslängen im geozentrischen System
06.09.2019, Bernd Margotte, Diö, SchwedenDies erklärt sich im geozentrischen System ganz genauso wie im heliozentrischen, nämlich durch die Neigung der Sonnenbahn am Himmel gegen die Rotationsachse der täglichen Umdrehung des Himmels. Mal ist die Sonne auf der nördlichen und mal auf der südlichen Hälfte des Himmels.
U.B.
Zum Bericht: Wie viel Astronomie braucht der Mensch?
19.08.2019, Reiner Guse, Peine, und Thorsten Imkamp, Bielefeld19.8. Reiner Guse, Peine:
Herr Clausnitzer beschreibt in diesem sehr ansprechenden Artikel (SuW 9/2019, S. 26 ff) u. a. die Situation an unseren Schulen bezüglich der Astronomie und begründet überzeugend eine sinnvolle Organisation für den Unterricht. Aufgrund meiner Erfahrungen bei meiner Tätigkeit als Leiter einer Astronomie - Arbeitsgemeinschaft an einem Gymnasium in Niedersachsen kann ich seinen Aussagen in allen Punkten zustimmen. Auch das "Konzept 60" halte ich für geeignet, es ist fast identisch mit meinem 60stündigen Jahreskurs.
Hinsichtlich der Anmerkung von Herrn Clausnitzer "Die Schwerpunkte sollten nicht vordergründig auf dem liegen, was gerade in der aktuellen Forschung angesagt ist, ..." habe ich eine Ergänzung. Die Aussage ist sicherlich richtig, sollte aber nicht dazu führen, dass aktuelle Ereignisse nicht im Unterricht aufgegriffen und zeitnah behandelt werden. Gerade in den letzten Jahren gab es z. B. mit der Rosetta - Mission, dem Nachweis der Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen durch Gravitationswellen und durch das Foto des Schattens eines Schwarzen Lochs zahlreiche Ereignisse, die auch in den Medien behandelt und von den Jugendlichen wahrgenommen wurden. Mit dem Aufgreifen und Behandeln dieser Inhalte im Unterricht, was häufig durch die Nachfrage der Schülerinnen und Schüler ausgelöst wurde, habe ich sehr gute Erfahrungen gemacht. In den meisten Fällen stand zu diesen Ereignissen auch anschauliches Material im Internet zur Verfügung, das ich im Unterricht verwenden konnte. Auch dabei sollte unter Berücksichtigung der Lernvoraussetzungen das Verständnis der Vorgänge angestrebt werden, wozu in der Regel mindestens zwei Unterrichtsstunden erforderlich sind. Für diese Vorgehensweise gibt es folgende Gründe:
- Das Interesse ist aufgrund der Aktualität sehr groß.
- Die Erkenntnisse dieser Ereignisse sind meistens so gravierend, dass ihre Ergebnisse ohnehin in das Unterrichtskonzept einfließen sollten und die Inhalte an entsprechender Stelle geändert oder ergänzt werden müssen. Man denke z. B. an die Entstehung schwerster Elemente durch Neutronensternverschmelzungen oder an Gravitationswellen, die heute in ein "Konzept 60" himeingehören. Durch dieses Vorgehen unterbricht man den geplanten Kursverlauf. Daher sollte man nach der Behandlung dieses aktuellen Ereignisses diesen Inhalt für den Schüker nachvollzeihbar einer passenden Stelle des Konzepts zuordnen. Im darauffolgenden Jahr wird er dann an dieser Stelle behandelt.
Abschließend noch eine Anmerkung zur Situation in Niedersachsen. In der angestrebten Organisationsform gibt es das Fach Astronomie leider nur als freiwillige Arbeitsgemeinschaft, wobei es nur dort angeboten wird, wo eine entsprechende Lehrkraft zur Verfügung steht und die Bereitschaft der Schule vorhanden ist. An interessierten Jugendlichen mangelt es aus meiner Erfahrung nicht.
19.8., Thorsten Imkamp, Bielefeld:
Die Vermittlung astronomischer Themen in der Schule treibt mich schon lange um, und ich stimme Herrn Clausnitzer in allen Punkten zu. Da es erfahrungsgemäß jedoch schwierig ist, die Kultusministerien von der Notwendigkeit eines Unterrichtsfachs Astronomie zu überzeugen, sollten die Lehrer die Dinge selbst in die Hand nehmen. So gibt es an unserem Gymnasium schon seit zehn Jahren den (vollständig digitalen) „Differenzierungskurs Astronomie“, in dem die im Artikel (Kasten S. 30/31) beschriebenen Themen den hier sehr selbstständig arbeitenden Schülern der Stufen 8 und 9 vermittelt werden (in über 120 Unterrichtsstunden!). Des Weiteren gibt es die Möglichkeit, über so genannte Projektkurse in der Oberstufe astronomische Themen aufzugreifen (bei uns z.B. „Mathematische Methoden der Astronomie und Raumfahrt“). Im Physikunterricht der Stufe 10 (Oberstufe) bietet der Themenbereich „Gravitation und Gravitationsfeld“ eine ausgezeichnete Möglichkeit, weitere astronomische Inhalte zu ergänzen. Stand jetzt bekommt der Themenbereich „Sterne und Weltall“ den Status eines eigenen Inhaltsfeldes im neuen Physik-KLP SI in NRW. Mit weiteren Ideen (z.B. Beobachtungsabenden) interessierter Kollegen wäre so auch schon sehr viel für die Astronomie gewonnen.
Astronomie in der Schule
12.08.2019, Jan Wißkirchen, OsnabrückLiebe Leserinnen und Leser,
in der aktuellen Ausgabe von Sterne und Weltraum (SuW 9/2019) gibt es einen Artikel von Lutz Clausnitzer mit dem Titel "Wie viel Astronomie braucht der Mensch?". In dem Artikel wird auch beschrieben, wie genau Astronomie ein Teil des Schulunterrichts sein könnte, und dazu würde ich gerne Stellung beziehen.
In den Schulen wird meiner Meinung nach viel zu wenig Astronomie gelehrt. So kommt es auch, dass ich meinen Klassenkameraden leichte Dinge erklären muss, die man eigentlich in der Schule lernen müsste. Schon beim Aufzählen der Planeten unseres Sonnensystems kommen viele nicht klar. Vor allem das hat mich erschüttert. Das zeigt doch ganz klar, dass man Astronomie wenigstens anschneiden sollte. In vielen Schulen wird aber kaum etwas dafür getan.
Die Idee von Herrn Clausnitzer, dass man Astronomie so lehrt, wie sie historisch gewachsen ist, ist nicht schlecht. So kann man den Schülern noch einige wichtige Persönlichkeiten der Astronomie näher bringen und zeigen, wie man schon vor vielen hunderten Jahren Astronomie betreiben konnte.
Auf den Seiten 30-31 ist eine Tabelle abgebildet mit einem möglichen Konzept für Astronomie im Unterricht und der möglichen Reihenfolge von Unterrichtsstoffen. Man fängt erst mit der Orientierung am Himmel an. Darauf folgen die kulturhistorischen Wurzeln der Astronomie. Dann wird das Sonnensystem erarbeitet. Dann folgen die Sterne und die Weltallstrukturen. Zum Schluss würde dann die Kosmologie bearbeitet werden. Auch das finde ich gut, denn so wird vieles den Schülern vermittelt.
So wie Herr Clausnitzer vertrete ich die Meinung, dass Astronomie im Physikunterricht behandelt werden sollte. Würde man alles auf verschiedene Fächer verteilen, würden die Schüler durcheinander gebracht werden. Außerdem müsste eine Reihenfolge festgelegt werden, und das können die Lehrplankommissionen nicht so einfach.
Ein weiteres Problem sehe ich im Bezug auf die Schularten. Auf der Seite 32 sieht man in einer Tabelle die Verbreitung der Astronomie im Unterricht. Zum Großteil sind es vor allem Gymnasien. Ich finde, dass auch die anderen Schulen Astronomie lehren sollten.
Auch sind die meisten Physiklehrer nicht sehr stark in der Astronomie qualifiziert. Vor einigen Monaten habe ich meinen Physiklehrer angesprochen, ob wir vielleicht etwas zum Thema Astronomie machen können. Er meinte nur, es würde nicht auf dem Lehrplan stehen und er wüsste nicht wirklich viel. Dass sich die Lehrer in ihrer Freizeit dafür weiterbilden sollten, kann man nicht erwarten. Sie sollten es schon von Anfang an im Studium wenigstens etwas bearbeitet haben. Auch in den Lehrplänen sehe ich ein Problem. Viele Dinge, die z. B. in der Physik wichtig sind, werden einfach nicht behandelt. Wir haben die letzten drei Jahre nur etwas zum Thema Strom gemacht. Ich bin mir sicher, dass noch andere Dinge hätten bearbeitet werden müssen. Aber das ist ein anderes Thema.
Zum Schluss möchte ich nochmal mitteilen, wie unglaublich wichtig Astronomie eigentlich in der Schule ist. Ich bin mir sicher, dass sich sogar mehr Schüler als man denkt für Astronomie interessieren werden, wenn man ihnen nur die Möglichkeit dafür geben würde. Ich hoffe, dass Sie sich mit diesem Text eine eigene Meinung bilden konnten, und vielleicht sehen Sie ja auch einiges so wie ich.
Viele Grüße.
Hinweis zum Artikel "57 Jahre SuW" , Heft 5/2019
01.08.2019, Gerhard Strey, NeubrandenburgHerr Dr. Uwe Reichert hat in dem sehr lesenswerten Rückblick auf 57 Jahre SuW geschrieben: "Sterne und Weltraum ist die älteste populärwissenschaftliche Zeitschrift Deutschlands … Alle vergleichbaren Zeitschriften, die vor 1962 gegründet wurden, sind mittlerweile vom Markt verschwunden … " (SuW 5/2019, S. 44ff).
Dies ist nicht richtig. Es gibt noch heute, im 72. Jahrgang, die 1948 begründete "Naturwissenschaftliche Rundschau", die allen Ansprüchen einer populären und wissenschaftlichen Zeitschrift genügt.
Diese und die SuW lese ich seit Jahren mit großem Gewinn.
Wir bedanken uns bei Herrn Strey für den Hinweis.
Es fehlen Angaben
07.07.2019, Gerhard GruberOffensichtlich haben Sie Ihren Adblocker aktiv. Dieser blockiert die Anzeige der Buchbox, die sich am Anfang jeder unserer Rezensionen findet. Die Buchbox führt Buchcover, Autorennamen, Titel, Verlag, Verlagsort, ISBN und Preis auf. Wenn Sie die Buchbox sehen möchten, sollten Sie Ihren Adblocker deaktivieren.
Mit freundlichen Grüßen, d. Red.
Bildung von molekularem Wasserstoff - im frühen Universum?
23.05.2019, Rudolf Schieder, ErftstadtDer Artikel "Die Stabilität von interstellarem atomaren Wasserstoff" in SuW 6/2019 wirft die Frage auf, wie sich molekularer Wasserstoff im frühen Universum ohne die Anwesenheit von Staub bilden konnte. Zumindest sind meines Wissens keine anderen Prozesse als die Katalyse auf Stauboberflächen bekannt.
Katalyse auf Staub ist heute der bei weitem effektivste Prozess zur Molekülbildung, aber er ist nicht der einzige. Im frühen Universum gab es den Staub nicht, da es die schweren Elemente nicht gab. Deshalb mussten sich damals sehr große Massen (mindestens 1 Million Sonnenmassen) zusammenballen, um einen gravitativen Kollaps zu produzieren, d.h. um Sterne zu bilden. Das liegt daran, dass dafür eine effektive Kühlung der Gaswolken notwendig ist, die am besten durch Moleküle zu erzielen ist. Ohne diese Kühlung steigt der Gasdruck durch Kontraktion (und die dadurch erzeugte Erwärmung) schneller an als die gravitativen Kräfte. Es sei denn, man habe sehr viel Masse zur Verfügung.
War der Kollaps aber erst mal im Gang, dann setzte mit zunehmender Gasdichte auch Molekülbildung in der Gasphase ein, d.h. ohne Katalyse auf festen Oberflächen. Die dadurch ermöglichte zusätzliche Kühlung verstärkte den Kollaps und erlaubte schließlich den Zerfall (Fachausdruck: die Fragmentation) der zunächst riesigen Wolke in sternähnliche "Portionen". Die Wasserstoff-Moleküle bildeten sich zunächst durch Zweikörperprozesse, genauer durch Stöße zwischen einem neutralen Wasserstoffatom H und einem Wasserstoff-Ion H+ oder H-, bei höherer Dichte dann auch durch Dreikörperprozesse. Nach neueren Modellrechnungen ist so die Fragmentierung der kollabierenden Wolken bis herunter zu 0,2 Sonnenmassen auch im frühen Universum möglich gewesen.
U. B. (nach Rücksprache mit Experten für Sternentstehung)
Mängel in Rovellis Buch und in der Rezension
13.05.2019, Dr. Bernhard Weßling, Jersbek, OT Klein HansdorfAm Buch wie an der Rezension sind aus meiner Sicht grundlegende Aspekte zu kritisieren:
1. Dass die Zeit in den Grundgleichungen der Beschreibung der Welt nicht vorkommt, ist ja kein Beleg - geschweige denn ein Beweis - dafür, dass die Zeit nicht existiert, sondern müsste zumindest bis zur endgültigen Klärung der Frage OB die Zeit als solche existiert, den Verdacht nähren, dass die Gleichungen mglw unvollständig sind.
- Es ist ja so, dass es genügend hochgebildete und hochdekorierte Physiker gibt, die allen Ernstes behaupten, dass die Zeit durchaus auch "rückwärts" laufen könne, wenn auch rückwärts laufende Ereignisse "extrem unwahrscheinlich" seien (http://www.bbc.com/earth/story/20160708-the-past-is-not-set-in-stone-so-we-may-be-able-to-change-it, aber schauen Sie bitte auch mal in Spektrum der Wissenschaft, Heft 10/2010, S. 33)
2. Rovelli - der mit seinem Ansatz m. E. nah dran ist an einer Beschreibung der Zeit, mit der ich einverstanden wäre - macht einen systematischen Denkfehler: "Entropie", das Phänomen Entropie, existiert auf der Quantenebene nicht. Photonen sind zeitlos, auch alle anderen Quanten besitzen keine Zeit (schwarze Löchern ebensowenig).
3. Das Problem ist, dass Rovelli versucht, unterschiedliche Aggregationsebenen (Quanten und makroskopische Welt) miteinander zu vereinigen, das ist aber nicht möglich und macht keinen Sinn. Beispiel: Das Phänomen "Leben" existiert auf der Ebene der Atome nicht, d.h., man kann aus den Eigenschaften der Atome nicht die Gesetzmäßigkeiten des Lebens ableiten. Nicht einmal eine DNA als solche "lebt". Erst wenn es alle möglichen chemischen Verbindungen und ihre Anordnungen so gibt, dass ihre Wechselwirkungen Stoffwechsel und Vermehrung erlauben, haben wir die Aggregationsebene "Leben" vor uns, mit gänzlich neuen Gesetzen, die in der Welt der Atome nicht vorkommen.
- ebensowenig kommt die Zeit auf der Ebene der Quanten vor;
- sie entsteht erst auf der Ebene der Atome, weil auch dort erst die Entropie existiert.
Marsbeben oder Meteoriteneinschlag?
10.05.2019, Ulrich Römmelt, SchonungenVon 10 nach 16 Zoll: Je größer, je besser
10.05.2019, Reinhard Vollrath, GöttingenIn seinem Artikel beschreibt Jan Hattenbach, welche Unterschiede beim Wechsel eines Teleskops von 10 nach 16 Zoll zu erwarten sind. Ergänzend möchte ich auf folgende Zusammenhänge hinweisen:
Vergleicht man die Lichtsammelleistung eines Teleskops mit einem Instrument, das über die doppelt so große Öffnung verfügt, so ergibt sich aus der vierfachen Fläche der Optik die entsprechend größere Fähigkeit, das Himmelslicht zu sammeln. Hiervon kann bei der Astrofotografie direkt profitiert werden, d. h., unter sonst gleichen Bedingungen reicht ¼ der Belichtungszeit.
Weit verbreitet ist dabei die Annahme, dies gelte auch für die visuelle Beobachtung. Im Vergleich der beiden vom Autor erwähnten Geräte (10 bzw. 16 Zoll) ist die Spiegelfläche das Explorer-Instrument um den Faktor 2,56 größer, der gleich Wert gilt aber eben nicht für die visuelle Wahrnehmung. Das Auge bzw. die Physiologie der Nervenzellen funktioniert nicht linear. Im Endeffekt folgt daraus, dass doppeltes Licht nicht das Doppelte in der Helligkeitswahrnehmung bedeutet, sondern erheblich weniger. Schon bei der Betrachtung des Sternhimmels wird dies unmittelbar deutlich. Ein Stern der nächsten Größenklasse ist 2,5mal heller, beim Sprung um 5 Größenklassen ist der Faktor 100. Das nehmen wir so doch nicht wahr.
Das Weber-Fechner-Gesetz aus dem 19. Jahrhundert geht davon aus, dass Lichtreiz und Wahrnehmung in einem logarithmischen Verhältnis stehen, darauf wird immer noch häufig Bezug genommen. Aktueller und wohl auch zutreffender sind die Annahmen von Stevens, der zu der Erkenntnis kam, dass sich die Zusammenhänge in einer Potenzfunktion darstellen lassen. Kurz gesagt reduziert sich die Wahrnehmung bei einem verstärkten Helligkeitsreiz um die Potenz 0,33. Doppelt so viel Licht nehmen wir danach um einen Faktor von 2 hoch 0,33 = 1,3 heller wahr. Von 10 nach 16 Zoll (Vergrößerung der Fläche um 256%) sind es für das Auge nur noch 1,4 mal mehr Helligkeit. Selbst der Anstieg von 10 nach 40 Zoll bringt nur den Faktor 2,5.
Sommerdreieck
09.05.2019, Volker Stocks, Lucenay L´EvequeMich interessiert das "Erscheinungsbild" des Sommerdreiecks um 10000 v.Chr. bis 5000 v.Chr., wenn man alle Sternbewegungsparameter berücksichtigt.
Mit freundlichem Gruß
In 10000 Jahren bewegen sich Atair um ca. 1.8 Grad, Wega um ca. 1 Grad und Deneb nur um ca. 20 Bogensekunden am Himmel. Die Entfernungen der drei Sterne zur Sonne verringern sich dabei sich dabei um rund 5 Prozent, knapp 3 Prozent und viel weniger als 1 Prozent. Bei heutigen Winkelabständen von ca. 25 Grad zwischen Wega und Deneb bzw. jeweils ca. 35 Grad zwischen Atair und den anderen beiden Sternen wird sich das Bild des Sommerdreiecks über diesen Zeitraum also nicht auffällig ändern.
U.B.
Astrohumor
08.05.2019, Holger Nielsen, Støvring, DänemarkIn SuW 5/2019 wird ein Rückblick auf die ersten 57 Jahre der Zeitschrift gegeben. In den ersten Jahrgängen fanden sich auf den Heftseiten oft humorvolle Anekdoten. Es wäre schön, wenn Sie dies wieder aufleben lassen würden. Hier ein kleiner Beitrag:
Um 1975 erzähle mein Astronomieprofessor, Mogens Rudkjøbing, der zu Astronomen in Frankreich gute Kontakte hatte, folgende Geschichte: In den 50-er und 60-er Jahren war man unter französischen Astronomen etwas betrübt über die Tatsache, dass die bekanntesten Astronomen des Landes deutschklingende Namen trugen: Schatzman, Fehrenbach, Dollfus, Schaumasse, Heidmann. „Aber“, so tröstete man sich, „zumindest haben wir einen Berühmten mit einem echten französischen Namen, nämlich Lallemand“.
Mondregenbogen ... schlechter Zeuge
02.05.2019, Gotthard Stuhm, FlensburgZum Leserbeitrag von Herrn Russek zum Mondregenbogen möchte ich jetzt auch einen kurzen Leserbeitrag beitragen. Mit Caspar David Friedrich hat sich Herr Russek leider gerade den wirklich schlechtesten Zeugen ausgesucht, den man für authentische Abbildungen der Natur und der Landschaft heranziehen kann. Das Besondere an Friedrichs Landschaften ist nämlich, dass Friedrich seine Landschaften im stillen Kämmerlein äußerst phantasievoll zusammenkomponiert hat. Da findet sich dann schon mal ein verfallenes Klostergemäuer aus Greifswald Eldena im Riesengebirge wieder und die Eisschollen des Greifswalder Boddens in der Arktis. Und so kann bei ihm auch ein sonniger Regenbogen in eine Mondlandschaft hineingeraten. Vielleicht findet sich ja eine zuverlässigere Quelle.
Mit freundlichem Gruß
Die Gravitationskraft ist keine Scheinkraft ?
26.04.2019, Dr. Dennis Simon, NürnbergSehr geehrter Herr Bastian,
auf die Frage von Herrn Thomas Ahrendt in SuW4/2019 (S.8), ob die Gravitation eine Kraft, eine Scheinkraft oder eine Eigenschaft der Raumzeit ist, haben Sie schließlich geschrieben, dass die Gravitation nie, in keiner irgendwie sinnvollen Sichtweise eine Scheinkraft ist.
Diese Aussage ist leider völlig falsch. Das genaue Gegenteil ist der Fall. Aus dem Äquivalenzprinzip folgt direkt, dass in einem lokalen Inertialsystem keine Gravitationskraft auftritt. Die Gravitationskraft tritt nur in nicht–inertialen Bezugssystemen auf. Damit ist sie nichts anderes als eine Scheinkraft.
Siehe zum Beispiel: Sexl, Urbantke - Gravitation und Kosmologie, Seite 12ff.
Darauf habe ich direkt an Herrn Simon folgendermaßen geantwortet:
"Lieber Herr Simon,
Scheinkraft ist ein Begriff aus der klassischen Newtonschen Physik. Er bezeichnet Kraftfelder, die sich in der klassischen, flachen und zeitunabhängigen Newtonschen Raumzeit *global* durch eine geeignete Wahl des Bezugssystems eliminieren lassen. Sie werden verursacht durch eine Rotation (Zentrifugal- und Corioliskraft) und/oder eine Beschleunigung (Trägheitskraft) des gewählten Bezugssystems gegenüber der Klasse von (globalen) Newtonschen Intertialsystemen.
Das Äquivalenzprinzip besagt lediglich, dass die Gravitation sich *lokal* durch die Transformation auf das System eines frei fallenden Beobachters "beseitigen" lässt. Sie lässt sich aber nicht durch eine Wahl des Referenzsystems *global* eliminieren. In Einsteins berühmten Aufzug-Gedankenexperiment wird die Gravitation streng genommen nur im Zentrum des Fahrstuhls beseitigt. Wenn sie eine normal große Fahrstuhlkabine im irdischen Gravitationsfeld frei fallen lassen, dann wird der Beobachter in der Mitte der Kabine mitnichten konstante Positionen von anfangs ruhend schwebenden und nun frei mitfallenden Körpern beobachten. Oben und unten werden sie von ihm weg beschleunigt erscheinen, und rechts, links, vor und hinter ihm werden sie näher kommen. - Dies zu messen bräuchte es übrigens keine aufwändigen interferometrischen Anlagen, sondern das könnte man bei freiem Fall über die Höhe eines Hochhauses mit ziemlich schlichten Piezo-Sensoren tun.
Deshalb halte ich es für falsch (oder wenn Ihnen das lieber ist: für nicht geschickt), den Begriff der Scheinkraft für die z.B. auf der festen Erde gefühlte Gravitationskraft zu verwenden. Dies ist eine unzulässige (oder: ungeschickte) Vermischung eines Newtonschen Begriffs in die relativistische Sichtweise - auch wenn Sexl und Urbantke dies anders dargestellt haben (ich habe im Moment keinen Zugriff auf das Buch, konnte also nicht nachlesen, was genau dort auf S. 12 steht).
Das oben erklärte Beispiel der Gezeitenkräfte in Einsteins Fahrstuhl gilt für jedes realistische Gravitationsfeld im Universum. Ein globales homogenes Gravitationsfeld ist unphysikalisch, und nur in einem solchen könnte die Gravitation *global* wegtransformiert werden. Oder anders gesagt: Es gibt in der allgemeinen Relativitätstheorie kein globales Inertialsystem, in dem die Gravitation *überall* verschwindet.
Bisher habe ich weitgehend technisch-mathematische Argumente für meine Sicht der Dinge dargelegt. Auf einer etwas mehr grundsätzlichen (wenn Sie so wollen: philosophischen, oder meinetwegen: semantischen) Ebene passt der Begriff der Scheinkraft ebenfalls nicht auf die Gravitation: Die Scheinkräfte der klassischen Physik haben keine originär
physikalische Wechselwirkung als Ursache. Nur deshalb können sie ja global zum Verschwinden gebracht werden. Sie sind in diesem Sinne physikalisch "nicht real". Die Gravitation ist aber in allen drei Sichtweisen meiner "Expertenantwort" eine echte physikalische Wechselwirkung. Sowohl in der klassischen Physik als auch in der allgemeinen Relativitätstheorie als auch in der gesuchten Quantengravitation.
Aus der Länge der vorstehenden Abhandlung können Sie entnehmen, weshalb ich das Thema Scheinkräfte in der "Expertenantwort" auf jenen einen Satz beschränkt habe: Dieses Thema alleine braucht mehr Platz als es auf einer ganzen "Expertenantwort"-Seite überhaupt gibt.
Aus dem gleichen Grund - und wegen der Komplexität der Argumentation - kann ich Ihre Zuschrift auch nicht gut auf den Leserbriefseiten unterbringen. Wenn es Ihnen wichtig ist, Ihren Einwand publiziert zu sehen, dann bin ich aber gern bereit, Ihren Leserbrief samt meiner Antwort auf SuW-online zu publizieren.
Mit den besten Grüßen,
Ulrich Bastian"
Daraufhin hat auch Herr Simon die Argumentation seines Leserbriefs noch einmal ausführlicher dargestellt:
Lieber Herr Bastian.
Nachdem Sie sich ausführlich zu Wort gemeldet haben, gestatten Sie mir bitte eine gleichermaßen ausführliche Darlegung meiner Argumente.
Die Verwendung des Begriffs Scheinkraft hat nicht die Newton'sche Theorie zur Voraussetzung. Die Coriolis- und die Zentrifugalkraft gibt es selbstverständlich auch in einer allgemeinrelativistischen Beschreibung.
Wie sie selbst geschrieben haben, treten bezüglich eines in einem homogenen Gravitationsfeld frei fallenden (unbeschleunigten) Bezugssystem keine Gravitationseffekte auf. Bezüglich eines ortsfesten, und daher in der gekrümmten Raumzeit beschleunigten, Beobachters bewegen sich frei fallende Objekte allerdings beschleunigt. Dieser Beschleunigung kann auch in der allgemeinen Relativitätstheorie gemäß F = ma eine Kraft zugeordnet werden. Diese Beschleunigung bzw. diese Kraft tritt aber nur auf, weil der ortsfeste Beobachter die Bewegung bezüglich eines beschleunigten Bezugssystems beschreibt.
Die in diesem Beispiel auftretende Gravitationskraft ist nichts anderes als eine Scheinkraft. Es ist ein sehr instruktives und sinnvolles Beispiel. Viele Lehrbücher zur allgemeinen Relativitätstheorie verwenden dieses Beispiel um sich dem Thema zu nähern [2,3,4,5]. Hier beispielhaft ein Zitat aus [2], Seite 13:
"Ein auf der Erde ruhendes Labor ist dagegen durch die Kraft, die von der Unterlage her ausgeübt wird, relativ zum Inertialsystem beschleunigt. Durch die Beschleunigung treten Scheinkräfte auf, die Gravitationskräfte."
Nicht zuletzt waren es Gedankenexperimente dieser Art, mit denen Albert Einstein seine ersten Überlegungen zur allgemeinen Relativätstheorie zum Ausdruck brachte! [1]
In realen, nichthomogenen Gravitationsfeldern bleibt das Prinzip das gleiche, die Sichtweise ändert sich nur geringfügig. Was man im Alltag unter der Gravitationskraft versteht, nämlich die Gewichtskraft bzw. die Schwerkraft, ist in jeder gekrümmten Raumzeit nach dem Übergang in ein (genügend kleines, d.h. lokales) Inertialsystem nicht nachweisbar und damit sinnvoll mit einer Scheinkraft vergleichbar.
Ihre Antwort, die Schwerkraft sei niemals, in keiner irgendwie sinnvollen Sichtweise, eine Scheinkraft, halte ich aus diesen Gründen nach wie vor nicht nur für falsch,
sondern sogar für kontraproduktiv im Hinblick auf ein intuitives Verständnis der allgemeinen Relativitätstheorie.
Sie persönlich mögen die Sichtweise für falsch halten. Dann sollten Sie das in Ihrer Expertenantwort aber deutlich als eigene Meinung kennzeichnen.
In jedem Fall aber sollte nicht unerwähnt bleiben, dass führende Experten es als sinnvoll ansehen, die Schwerkraft als Scheinkraft zu betrachten.
Sie dürfen meine erste Zuschrift mitsamt dieser gerne publizieren. Nach meiner Auffassung sollte in einer seriösen Zeitschrift wie Sterne und Weltraum ihre Sichtweise zu diesem Thema nicht unkommentiert bleiben.
Mit freundlichen Grüßen
Dennis Simon
[1] Albert Einstein - Über den Einfluß der Schwerkraft auf die Ausbreitung des Lichtes, Annalen der Physik, Volume 340, Issue 10, 1911, Seite 898ff
[2] Roman Sexl, Helmuth Urbantke - Gravitation und Kosmologie, Spektrum, 5. Auflage 2002
[3] Norbert Straumann - General Relativity, Springer, 2. Edition, 2013, Seite 10
[4] Steven Weinberg - Gravitation and Cosmology, Wiley, 1972, Seite 67ff
[5] Sean Carroll - Spacetime and Geometry, Pearson, 2004, Seite 48ff