Physikalische Forschung

Wenn die Physik vor Rätseln steht

Freitag, 12. Juli 2019

Es gibt sie, die physikalischen Phänomene unserer Zeit, für die sogar die renommiertesten Forscher seit Jahrzehnten oder auch Jahrhunderten keine Erklärung, geschweige denn Lösung finden. Wir haben 5 dieser Phänomene ausfindig gemacht und sie in Kurzform für Sie zusammengetragen.  

Hochtemperatursupraleiter: Stromfluss ohne Energieverlust

Hochtemperatursupraleiter geben Forschern seit ihrer Entdeckung vor knapp 30 Jahren Rätsel auf: Sie leiten Strom ohne Widerstand – und das bei Temperaturen, bei denen dieses Phänomen eigentlich nicht auftreten sollte. Doch warum ist das so? Bei konventionellen Supraleitern fließt Strom bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 º C) ohne Energieverlust. Bei diesem Prozess werden Elektronenpaare, so genannte Cooper-Paare, gebildet. Diese verhalten sich wie eine Superflüssigkeit und können sich ohne Reibungsverluste bewegen, das Material wird supraleitend. Ein ähnlicher Mechanismus wird auch bei Hochtemperatursupraleitern vermutet. Diese Materialien werden schon bei höheren Temperaturen von „nur“ -140 º C supraleitend. Aufgrund dieser Eigenschaft könnten sie zu einer echten Alternative für die herkömmlichen Leiter werden, sofern ihr Funktionsprinzip eines Tages verstanden wird. Technische Anwendungen der Supraleitung sind die Erzeugung von Magnetfeldern, beispielsweise für Teilchenbeschleuniger oder in Kernfusionsreaktoren, sowie die Mess- und Energietechnik.

Alltägliche Turbulenzen

Unglaublich, aber wahr: Das so alltägliche Phänomen der Verwirbelung von Flüssigkeiten oder Gasen gibt den Forschern immer noch Rätsel auf! Beim Umrühren der Milch im Kaffee, beim Aufsteigen von Rauch in den Himmel oder beim Rauschen des Wassers aus dem Wasserhahn sind Turbulenzen zu beobachten. Die ordentliche Strömung eines Fluids wird in scheinbar unberechenbare Wirbel zerlegt. Das passiert ab einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit oder einer Änderung der Geometrie, z. B. des Rohrdurchmessers. Die Frage, ab welchem Punkt genau eine Strömung in Turbulenz umschlägt, treibt Forscher seit Jahrzehnten um.

Das Mysterium der Schwerkraft

Sie hält uns auf der Erde und die Planeten auf ihren Umlaufbahnen: die Schwerkraft. Dass sie wirkt, ist unumstritten, aber wie genau sie funktioniert, ist nicht abschließend erklärt. Isaac Newton hatte schon Ende des 17. Jahrhunderts erkannt, dass sich Massen gegenseitig anziehen, Albert Einstein ging noch einen Schritt weiter: Seine Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Wechselwirkung zwischen Materie, Raum und Zeit. Demnach erzeugt Gravitation eine Krümmung des Raumes, was dazu führt, dass sich die Massen anziehen. Nach der Quantentheorie muss für diesen Effekt ein Teilchen verantwortlich sein. Auch wenn dessen Existenz bisher nicht nachgewiesen werden konnte, hat es schon einen Namen: Graviton. Seine Entdeckung könnte der Schlüssel zur Erzeugung künstlicher Schwerkraft sein.

Schwarze Löcher: ein Paradoxon

Die einen zweifeln an ihrer Existenz, die anderen spekulieren darauf, dass mit ihrer Hilfe Zeitreisen möglich sein könnten. Einig sind sich Astrophysiker dahingehend, Schwarze Löcher nicht abschließend physikalisch erklären zu können. Sie entstehen, wenn ein sehr massereicher Stern seinen gesamten „Brennstoff“ verbraucht hat und aufgrund der Gravitation kollabiert. Legt man Einstein und seine Relativitätstheorie zugrunde, verformt diese verdichtete Masse den Raum und die Zeit so stark, dass alle Informationen, sprich die ursprüngliche Teilchenkonfiguration, für immer „verschluckt“ werden. Dies würde allerdings bedeuten, dass Schwarze Löcher Informationen vernichten könnten. Laut Quantenmechanik kann aber jede jemals dagewesene Information aus den Endprodukten rekonstruiert werden. Wenn das Endprodukt, in diesem Fall der Stern, nun aber einfach weg ist? Würden Informationen dann unwiderruflich verloren gehen? Schwarze Löcher sind ein Paradoxon – und deshalb eines der größten ungelösten Rätsel unserer Zeit!

Schwarzes Loch

Vom Anfang und Ende des Universums

Als Urknall wird in der Kosmologie der Beginn des Universums, also der Entstehung von Materie, Raum und Zeit, genannt. Die Urknalltheorie gilt als relativ gesichert. Sie besagt, dass alles aus einem unglaublich dichten Punkt, einer so genannten Singularität, entstanden ist. Doch auch wenn viele Indizien für die Theorie sprechen, gibt es bis heute keine physikalische Beschreibung für diesen Urzustand, genauso wenig wie für die ersten Sekundenbruchteile nach dem Urknall. Und auch die Frage, ob es ein Ende des Universums gibt, zählt zu den wohl elementarsten Rätseln der Physik. Momentan breitet es sich aus, doch wie lange noch? Hört die Ausbreitung irgendwann auf oder gibt es ein Endstadium, möglicherweise eine erneute Verdichtung, einen erneuten „Big Bang“?

 

Text: Elisabeth Stockinger

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