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Drei Figurinen eines Objektes
Die Atome der Raumzeit
Kommentar und Ausblick zu einem Artikel aus BDW 11/2014
Partikelresonanz

Entstanden ist diese Seite aus einer bei meinem Umzug wieder gefundenen Notiz zu einem BDW – Artikel von Rüdiger Vaas, November 2014, mit dem Titel: Die Atome der Raumzeit. 

Die Atome der Raumzeit (Freiheitsgrade), Prof. Padmanabhan

Kommentar

`Mühsam ernährt sich das Eichhörnchen´ kann man nur bewundernd schließen, wenn man sich die Ernte aus vielen Jahrzehnten des Bemühens die QM und die RT auf eine gemeinsam Grundlage zu stellen, ansieht. Nach eher diffusen Unbehagen, das in den 20-er Jahren des letzten Jahrhunderts herrschte, sind mit fast jeder neuen Beobachtung auch neue Widersprüche entstanden, zu deren Lösung schließlich die Hilfe Dunkler Materie und Dunkler Energie in Anspruch genommen wurde. Das klingt schon etwas Faustisch, aber nachdem die Dunklen nun mehr als 95% der Gesamtenergie des Universums ausmachen sollen, leben wir offenbar tatsächlich in einem echt dunklen Zeitalter.

Professor Padmanabhan möchte das Problem an den tief liegenden Wurzeln packen. Ich wünsche ihm aufrichtig Erfolg. Erinnern darf man aber trotzdem, das dies schon viele vor ihm versucht hatten.

Mir fallen zum Beispiel bei den Freiheitsgraden (oder den Atomen der Raumzeit) die Ure des Carl Friedrich von Weizsäcker ein (Vom Aufbau der Physik, Kapitel 9, Carl Hanser Verlag 1985).

Auch die alten Griechen haben sich wegen der Möglichkeit eines wirklich ´leeren´ Raumes die Köpfe zerbrochen.
Und im 17. Jahrhundert betonte Descartes die Einheit von Körper und Raum. ´Das Eine kann ohne das Andere nicht gedacht werden!´ In Materie sah er Wirbel kleinerer Partikel.

Lord Kelvin und Maxwell sahen im Äther das Substrat, aus dem heraus sich alles Beobachtbare erst bildet. Dann kam Michelson und dann die SRT – damit war der Fisch erst einmal geputzt: Der Äther war vom Tisch. Für eine Zeit.


Der Ausblick

Nun also die Freiheitsgrade, die Atome der Raumzeit.

Die Atome der Raumzeit, so sehe ich es, ähneln dem Äther Maxwells in dem Sinne, dass die beobachtbare Materie ein Resultat einer für uns unsichtbaren Wechselwirkung der RaumZeitAtome untereinander ist.

Für uns ist es unmöglich die RaumZeitAtome ´zu sehen´, da sie eine Ebene tiefer agieren und wir, die wir ja aus deren WW-Produkten bestehen, sie mit unseren ausnahmslos materiellen Geräten prinzipiell nicht ´sehen´ können.
Derartige Voraussetzungen sind natürlich bei Wissenschaftlern nicht gerade beliebt. Aber da sie zu einer besseren Theorie führen soll, stellen wir Ansprüche an sie:

Forderung 1:
Die RaumZeitAtome oder Ure oder Mikroskopische Freiheitsgrade, ... wie auch immer, müssen bei ihre Wechselwirkung untereinander zu dem führen, was wir ´sehen´ können: Fermionen und Bosonen.

Forderung 2
Diese Wechselwirkungsprodukte müssen sich so benehmen, wie wir es beobachten. Bis zu den Grenzen des beobachtbaren Universums.

Gewählte Prinzipien
Um Fermionen als Resultat von in einem ProtoRaum wechselwirkenden RaumZeitAtomen zu sehen, können wir uns z.B. eine in sich geschlossene Schwingungsfigur vorstellen. In der Mechanik nennt man das Soliton oder Resonanz.
Die QM kennt dafür den harmonischen Oszillator, der aber dort wegen ´intern angesiedelter´ Rückstellkräfte schwingt. Unsere Schwingungsfigur ist demgegenüber aber das zeitliche Produkt einer Wechselwirkung zwischen der ´eingekapselten´ Energie des Fermions und der Energie des s sie umgebenden Vakuums oder auch der sie umgebenden RauZeitAtome.

Nun ist der Begriff ´RaumZeitAtome´ leider wenig anschaulich. Da steckt sowohl Raum als auch Zeit drin. Die RaumZeitAtome möchte ich deshalb als eine mit anschaulichen Elementen gefüllte Raumzelle beschreiben. Diese Raumzelle wird von Impuls tragenden Objekten durchströmt, wobei diese Objekte je eine lineare Komponente Impuls und eine Rotations-Komponente Impuls in sich tragen und sie aus allen Richtungen die Raumzelle durchströmen. Zu ihre Herkunft kommen wir später. Eine derart gefüllte Raumzelle nennen wir Protoraum.

Bild: Impuls tragender Objekte 6d → naiv für Protoraum

Impulsraum naiv

Eine zu dieser Umgebung im Gleichgewicht befindliche Schwingungsfigur wird in diesem Protoraum nie schneller sein können, als die sich darin bewegenden Impuls tragenden Objekte es im Mittel sind.
Bild unten zeigt einen Ausschnitt dieses Protoraumes und eine darin befindliche Schwingungsfigur. Sofern diese in einem isotropen und homogenen Strom von Impuls tragenden Objekten ruht, sollte sie ´rund´sein. Die zeitliche Existenz der Wechselwirkungsfigur ist auf eine ausgeglichene Impulsbilanz angewiesen.

Teilchen naiv


Um Bosonen als Wechselwirkungsprodukt mit RaumZeitAtomen zu sehen, müssten wir uns das Wellenpaket als eine offene Schwingungsfigur vorstellen, welche sich im Protoraum wie ein Soliton fortpflanzt.

Welcher Raum?

Wenn wir den Alten Griechen, Descartes, Poincaire, ... und auch Padmanabhan folgen, dann bekommt der (Makro-)Raum seine Dimensionen, indem wir darin befindliche Fermionen und die daraus gebildeten Körper gedanklich aneinander reihen und/oder das Fortpflanzen von Bosonen darin auswerten (Maxwell).
Wenn Physiker um Padmanabhan von RaumZeitAtomen oder mikroskopischen Freiheitsgraden, sprechen, dann meinen sie wohl das, was wir hier als Inhalt des Protoraumes vermuten.
Padmanabhan und seine Kollegen sagen auch, dass die ART zwar eine korrekte und effektive Beschreibung der Welt ist, aber die ART und der Begriff der Gravitation selbst emergent seien. Sie vermuten, dass unsere Wahrnehmung der Gravitation eher eine Vision ist, weil die eigentliche Ursache in der WW der RaumZeitAtome miteinander liegt. Die ART wäre durch die einerseits geniale, andererseits aber einschränkende Vereinfachung Gravitation= Geometrie nicht mehr in der Lage, auf die tiefer liegende Ebene des Protoraumes zugreifen zu können.

Die Raumzeitatome selbst und die Art und Weise der im Protoraum stattfindenden Wechselwirkung können wir prinzipiell nicht direkt beobachten.
Erst Fermionen können wir vermessen und verfolgen.
Wenn es aber um die Entwicklung und das Benehmen der WW-Produkte im Mikrobereich geht, dann können wir doch Einiges über das Geschehen sagen. Das macht die QM. Die klassische Ursache-Wirkungs-Prognose funktioniert dann zwar nicht mehr, aber die Wahrscheinlichkeitsaussagen, die wir mit ihr treffen können, sind nahezu perfekt.

Der Protoraum bietet uns auch keinen Ansatz für irgendwelche Dimensionen. Unser Makro-Raum bekommt erst durch uns, die Materie, seine vier Dimensionen. Wir tun das, indem wir die für uns wahrnehmbaren WW-Produkte der Raumzeitatome, die Materie, miteinander vergleichen. Räumlich und zeitlich.

Die Wechselwirkungen im ProtoRaum

wir müssen von ihnen verlangen, dass sie zu allen von uns im Makro-Raum beobachteten Erscheinungen führen. Zum Beispiel zur Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, zur Relativität, zur trägen Masse, zur Gravitation, zum Elektromagnetismus usw.

  1. Der Energieerhaltungssatz soll auch im Protoraum gelten. Die Materieschwingungen darin müssen wir als ein geschlossenes Energiepaket ansehen, dass in ständiger WW mit der freien Energie des Protoraumes steht. Um als Materie stabil zu sein, muss dieser WW-prozess ein Gleichgewichtsprozess sein.

  2. Die Materieschwingungen oder Materieresonanzen nehmen ProtoRaum in Anspruch. Zum einen statisch (Fermionen-> Masse), zum anderen wandernd (EM-Impuls). Beide verändern lokal die Struktur des Protoraumes.

  3. Die uns stabil scheinenden Resonanzen im ProtoRaum werden bei bestimmten Bedingungen entstehen können (besonderer Impuls, der die Resonanz erzeugt und dabei in ihr akkumuliert wird) und die bei bestimmten Bedingungen auch wieder zerfallen können (Resonanz löst sich auf, der darin akkumulierte Impuls verliert sich im ProtoRaum).


Zur Existenzbedingung von Materie

Da Materie im ProtoRaum mit diesem Gleichgewichtsfiguren bildet, ergibt sich für Ihre Wahrnehmung im MakroRaum die Trägheit, die galileische Relativität, die Grenzgeschwindigkeit des Lichts, die Ruhemasse und relativistische Massenzunahme, die Quantisierung von Bosonen und Fermionen und die Unschärfe m.E. ganz zwanglos, wie auch der Umstand, dass die QM für den MakroRaum nur statistische Aussagen machen kann. Der WW Querschnitt der Gravitation liegt dann irgendwo zwischen 10 -40 und 10 -120 , bezogen auf den (vermuteten) Energiegehalt des Quantenvakuums.

Bild aus Überall ist die Mitte zur Konstanz der C

Konstanz der c

Die o.g. Gleichgewichts-´Forderung´ ist damit nicht nur ein Charakteristikum der Resonanz, sondern es ist die Existenzbedingung von Materie schlechthin.
Die Energie des Teilchens ist dann die Summe aller mit der Umgebung über einen kompletten Schwingunsgszyklus (Planck-Zeit?) ausgetauschten Impulse. Als Existenzbedingung des Teilchens kann man das Integral aller Impulse über die Zykluszit ansehen.
P(i) steht hier für die Impulse der Teilchenschwingung (innere) und P(a) für die äußeren Impulse, also die aus der Umgebung oder dem (lokalen) Welthintergrund. Das Integral P(i)dt steht für die Energie des Teilchens.

Integral aller Impulse

Und die Zykluszeit steht für die ´Zeitdauer´, die nötig ist, damit man im MakroRaum mit dem Teilchen Chemie machen kann. Diese Zeitdauer (subj. Maßstab 1) ist dann zwangsläufig auch abhängig von der Relativgeschwindigkeit zum MakroRaum, in dem eine gleichartige Schwingungsfigur bei anderem Bewegungszustand sowohl andere räumliche als auch andere Zeitmaßstäbe haben würde.

Zu den Quellen und Senken der RaumZeitAtome, der Dunklen Materie und Dunklen Energie

Das hier beschriebene Modell bietet zwar Anschaulichkeit, aber es muss natürlich auch erklären, woher sie kommen und wohin sie gehen: diese Impuls tragenden Objekte oder RaumZeitAtome !

Wo sind ihre Quellen und wo sind ihre Senken? Was könne wir dazu sagen:

  1. Schwere Materie (Fermionen) ist in der hier beschriebenen Darstellung keine Partikel sondern stabile Schwingungsfiguren im Protoraum. Der Protoraum wird als allseitig von Impuls tragenden Objekten durchströmt beschrieben. Die Wechselwirkungsprozess zwischen Fermionen und Umgebung ist dynamisch und damit an bestimmte Umgebungsbedingungen geknüpft, um stabil zu sein.
    Die Bedingungen können variieren. Man kann davon ausgehen, dass derartige Schwingungsfiguren bei bestimmten Umgebungsbedingungen aus dem Protoraum heraus entstehen können und bei anderen Umgebungsbedingungen auch wieder in diesen Zerfallen können.

  2. Sofern Materie bei bestimmten Bedingungen frisch ´entsteht´, muss die in der Schwingungsfigur gebundene Energie dem Protoraum zuvor entzogen worden sein. Das sollte messbar  sein.

  3. Sofern diese schwere Materie bei anderen Bedingungen zum Zerfall neigt, dann muss der zuvor in dieser Schwingungsfigur akkumulierte Impuls als freier, ´diffuser´ Impuls in den ProtoRaum eingehen. Das sollte auch messbar sein.

  4. Wie würden wir Bewohner des Makroraumes ein solches Entstehen und Vergehen von Materie eigentlich wahrnehmen?

    - ´Frisch´ entstandene Materie können wir erst im Moment des Entstehens wahrnehmen. Diese Materie wäre für uns eine Erscheinung wie aus dem Nichts, wobei die Energie dafür aus dem Vakuum zu kommen scheint. Aber können wir diesen plötzlichen Energieverlust des Vakuum irgendwie erkennen?
    Eine uns bekannte Version der Genese von frischer Materie findet im Cern statt. Die neue Materie entsteht im Ergebnis der besonderen Umgebungsbedingungen, für die extra der Cern gebaut wurde: extreme Energien. Bewiesen ist also längst, dass (für uns) extreme Umgebungsbedingungen dazu führen können, dass Materie ´entsteht´. Manche Physiker sprechen in diesem Fall auch von einem ´Zerfall´ des Vakuums in Materie, der bei Einwirkung starker elektromagnetischer Impulse entsteht. Beim Entstehen von Materie kondensiert die zuvor äußere Energie (der elektromagnetische Impulse) in dieser Materie hinein.

    - Sollte existierende Materie, die wir gerade noch ´gesehen´ haben, aus irgendwelchen Gründen zerfallen, wobei hier kein radiaoaktiver Zerfall gemeint ist, dann verschwindet die Materie plötzlich für uns im Nichts und an der Zerfallsstelle fließt die vormals in der kondensierten Materie enthaltene Energie in das Vakuum hinein. Derartige Zerfallsprozesse sind wirklich schlecht zu beobachten. Aber vielleicht kann man die plötzliche Energiezufuhr im Vakuum irgendwie erkennen?
    Wir kennen zwar Regionen im All, in denen laufend schwere Materie zu verschwinden scheint, wie in´s Nichts: Schwarze Löcher. Aber die Frage ist, ob hier die Annahme des ´Verschwindens´ in´s Nichts korrekt ist.

Basierend auf 1. bis 4. betrachten wir die Dunklen Mächte.

  1. Die dunkle Materie wurde ´erfunden´ weil man anhand der Masse der sichtbaren Materie die beobachtete Kinematik in verschiedenen Galaxien nicht erklären konnte. Das Manko an Attraktion wurde durch die These ersetzt, dass dort ´dunkle Masse´ existiert, die wir nicht sehen können. Tatsächlich hatten wir aber nur ein Übermaß an Attraktion festgestellt. Da wir nur einen Grund kennen für Gravitation: das Vorhandensein einer Masse, war die These ´da muss Masse sein´ nachvollziehbar. Sie ist aber trotzdem unbefriedigend.

    Abstrakt: Die Beobachtungsergebnisse sind eindeutig: In Galaxien herrscht eine viel größere Attraktion, als man anhand der erkennbaren Masse errechnen würde.

  2. Die dunkle Energie wurde ´erfunden´ weil man andere Beobachtungsergebnisse, wie die Expansion des Universums und die Inflation, nicht anders erklären konnte.
    Die dunkle Energie ist eine Antigravitation. Sie wirkt auf Materie abstoßend, bewirkt also eine Repulsion von Materie ohne sichtbaren Grund. Man stellt sie sich heute als gleichmäßig im leeren Raum verteilt vor. Sie bläht diesen Raum unablässig auf, wobei sich ihre Fähigkeit repulsiv zu wirken dabei nicht ´verdünnt´, sondern im ständig neu entstehenden Raum immer in gleicher Intensität neu repulsiv wirkt.

    Abstrakt: Die Beobachtungsergebnisse sind eindeutig: Die voids (der leeren Raum zwischen Galaxien) wirken repulsiv auf die sie umgebende Materie. Sie blähen sich auf. Der Raum im Inneren der Blasen ist offenbar Quelle einer Repulsion, deren Ursache für uns unsichtbar ist.

Welche ´Physik´ könnte dieser Gravitation / Antigravitation zu Grunde liegen ?

    a) Um die Dunkle Materie zu ersetzen muss auf kleinem Raum mit großer Krümmung (Gradient) ein Prozess begünstigt werden, der auf die Umgebung sehr attraktiv wirkt.

    b) Um die Dunkle Energie zu ersetzen in riesigen Räumen und bei minimalem Gradienten (ebener Raum) ein Prozess begünstigt werden, der auf die Umgebung repulsiv wirkt.

Beide Vorgänge sollten wechselseitig über den Komplex der Umgebungsbedingungen miteinander verbunden sein, ansonsten wären wir wieder rasch beim Urknall oder dem Kältetod.

Nehmen wir also an, dass

a) in der betrachteten dichten Region neue Materie entsteht, indem sie aus dem ProtoRaum heraus ´kondensiert´ und diesem dabei Impuls entzieht.

b) in der betrachteten leeren Blasenregionen Materie zerfällt und der in ihr akkumulierte Impuls in den ProtoRaum zurück fließt.

Variieren wir also die Umgebungsbedingungen für eine stehende Welle:

  • Fall A: Das Teilchen oder das Wellenpaket befindet sich inmitten einer großen Galaxis. Der Gradient und das Grav.-Potential sind hoch > die Bedingungen für die Stabilität der Teilchenschwingung ist hervorragend.
    Die Wahrscheinlichkeit der Entstehung neuer Resonanzpaare aus dem Quantenvakuum ist groß. Teilchen, die in einem derartigen Zentrum entstehen und dieses verlassen, müssen zwangsläufig enorme kinetische Energie mit auf den Weg bekommen, ansonsten würden sie in das Attraktionszentrum zurückfallen. Sind das vielleicht die Jets?

    In dem Maße, wie Vakuumenergie in Materie hinein kondensiert und diese Energie dadurch dem lokalen Potential entzogen wird, steigt die Attraktivität des Areals in dem der Kondensationsprozess stattfindet. Das Areal wirkt enorm attraktiv auf seine Umgebung. Der ständige Kondensationsprozess hält das Potential, damit den Gradienten und damit die Prozessparameter in Gang.

  • Fall B: der Gradient und das Potential sind gering
    Die Bedingungen für die Stabilität der Wellenpakete sind schlecht. In dieser Weltgegend gerade unterwegs befindliche Wellenpakete fließen auseinander (Unschärfe vergrößert sich ) und sie neigen zum Zerfall. Die Pakete kommen ins Chaos und lösen sich im Quantenvakuum auf. Ihre Energie geht in das Quantenvakuum ein und erhöht dessen Potential - dies wirkt auf die Umgebung direkt repulsiv.

Zusammengefasst wäre dies die Formulierung eines kosmischen Gleichgewichtsprozesses, eines Kreislaufes von Materiegenese aus dem Protoraum heraus und von Materiezerfall in diesen hinein.

Die Folgen wären erheblich: der Urknall wäre obsolet, das Universum wäre ein endloses Gefäß, in dem aus materiearmen Blasen heraus Energie (Impuls) in die Randbereiche der leeren Blasen fließt, um dort wieder unter dem Einfluß der starken Krümmung des MakroRaumes zu Materie (z.B. zu Wasserstoffkernen und Elektronen) zu kondensieren.
Diese Materie findet später, nach Sternentstehung und Sternenzerfall, irgendwann als Boson oder Fermion den Weg in das Blaseninnere und wird hier wieder zerfallen und auf diese Weise den Kreislauf stabilisieren.

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