Was ist der Raum?

[Hazard]

Buch ist bestellt.

Eine negative Energie pro Teilchen bedeutet [...] nicht notwendigerweise eine negative Teilchenmasse.

Bedeutet das, dass die Theorie es zuläßt die Wirkung von negativer Masse herbeizuführen, ohne tatsächliche negative Masse vorliegen zu haben?

Vakuumenergie

Ich habe den Wikipediaartikel gelesen. Mich erinnert das sehr stark an das Buch. Nur habe ich ein Problem mit der Annihilation der M/AM als Grund für die nicht-Verletzung des Energieerhaltungssatzes. Was ist nämlich mit den Annihilationsprodukten? Bei der Version des Buches - soweit ich sie in Erinnerung habe - verschwinden die Teilchen nicht durch Annihilation, sondern weil die Natur die verliehene Energie wieder eintreibt.

[pollux83]

Damals habe ich mir die schlichte Frage gestellt, ob der Raum selbst nicht eine Form der Energie sein könnte und ob es vielleicht einen Weg gibt ihn an die Natur zu verleihen und dadurch jenen Effekt zu erzielen, der am Bug des Schiffes für den Warpantrieb nötig ist.

Habe in einer Doku mit Stephen Hawking neulich auf N24/NTV gehört, dass der Raum ein Speicher für negative Energie ist. Wenn man jetzt Raum und Energie (Teilchen, Wellen, u.s.w.) zusammenrechnet, dann kommt 0 heraus.
In einer anderen Doku wurde für die überlichtschnelle Expansion des Raumes auch negative Energie benötigt.

Gibt es "vor" dem Urknall?

Das hängt von der Theorie ab. Wenn man aber eine Theorie wie in der Doku nimmt, dann beginnen Raum und Zeit erst mit dem Urknall. Also kein davor.

Würde man aber wie in VOY mit Q vor den Urknall reisen, dann würde man ja sein eigenes kleines Universum mitbringen und ein davor beobachten können. Für das Punktuniversum gibt es dann aber immer noch kein davor, nur für den Beobachter.

[Agent Scullie]

Bedeutet das, dass die Theorie es zuläßt die Wirkung von negativer Masse herbeizuführen, ohne tatsächliche negative Masse vorliegen zu haben?

Da müsstest du erst einmal definieren, was die Wirkung von negativer Masse wäre. Dass die Beziehung

E^2 = (mc^2)^2 + (pc)^2

eine negative Energie (E < 0) bei positiver Masse (m > 0) zulässt, bedeutet, dass die Wirkung negativer Energie herbeigeführt werden könnte, ohne negative Masse vorliegen zu haben.

Ich habe den Wikipediaartikel gelesen.

Welchen? Gibt viele davon.

Mich erinnert das sehr stark an das Buch. Nur habe ich ein Problem mit der Annihilation der M/AM als Grund für die nicht-Verletzung des Energieerhaltungssatzes. Was ist nämlich mit den Annihilationsprodukten? Bei der Version des Buches - soweit ich sie in Erinnerung habe - verschwinden die Teilchen nicht durch Annihilation, sondern weil die Natur die verliehene Energie wieder eintreibt.

Ich vermute, du beziehst dich auf die populärwissenschaftliche Darstellung, dass bei Quantenfluktuationen kurzzeitig virtuelle Teilchen-Antiteilchen-Paare entstünden? Diese Darstellung ist wie schon geschrieben falsch.

Weder die Annihilation solcher Paare noch ein Wiedereintreiben der verliehenen Energie durch die Natur könnte für eine Nichtverletzung der Energieerhaltung sorgen: die Paare bzw. die verliehene Energie wären ja kurzzeitig vorhanden, die Energieerhaltung wäre für diese kurze Zeit also verletzt. Solch eine kurrzeitige Verletzung der Energieerhaltung gibt es in der QFT jedoch nicht.

Es gibt zwar die Unschärfebeziehung zwischen Energie und Zeit, die hat aber nichts damit zu tun, dass kurzzeitig die Energieerhaltung verletzt werden dürfte. Die Bedeutung dieser Unschärfebeziehung kannst du dir an einem ganz alltäglichen Beispiel klarmachen, nämlich deinem Internetzugang: je höher die Übertragungsrate in Bit/s sein soll, desto größer muss die Frequenzbandbreite der zur Übertragung verwendeten Signale sein. Das liegt daran, dass die zu übertragenden Daten in kleine Pakete von z.B. 1 Bit gepackt werden, die dann als Wellenpulse über die (z.B. ADSL-)Leitung gesendet werden. Je höher die Übertragungsrate sein soll, desto mehr solche Wellenpulse müssen pro Sekunde versendet werden, und desto kürzer muss daher die Dauer jedes Pulses sein, desto schärfer muss so ein Puls folglich in der Zeitdomäne sein. Aus der Fourier-Trafo folgt, dass der Puls in der Frequenzdomäne dann umso breiter sein muss, also eine umso höhere Frequenzbandbreite haben muss. Sei Delta_t die Pulsdauer in der Zeitdomäne und Delta_f die Bandbreite in der Frequenzdomäne, so gilt

Delta_t * Delta_f >= 1

Nun stell dir vor, diese Wellenpulse seien quantisiert, entsprechen also einer gewissen Anzahl an Photonen. Jedes Photonen hat dann eine Energieunschärfe Delta_E = h * Delta_f. Es folgt somit für die Energieunschärfe jedes Photons eines Pulses

Delta_t * Delta_E >= h

Das ist gerade die Unschärferelation zwischen Energie und Zeit.

Was bei Quantenfluktuationen tatsächlich passiert, ist, dass die Feldstärke des jeweiligen Feldes unscharf ist (weil es für diese ebenfalls eine Unschärferelation gibt). Virtuelle Teilchen oder Teilchenpaare haben damit nichts zu tun.

- - - Aktualisiert - - -

Habe in einer Doku mit Stephen Hawking neulich auf N24/NTV gehört, dass der Raum ein Speicher für negative Energie ist. Wenn man jetzt Raum und Energie (Teilchen, Wellen, u.s.w.) zusammenrechnet, dann kommt 0 heraus.

Da wurde vermutlich auf Hawkings häufig geäußerten Standpunkt Bezug genommen, dass das Gravitationsfeld (nicht der Raum) negative Energie besäße, die sich mit der positiven Energie von gewöhnlicher Materie und Strahlung zu 0 summiere. Das ist aber Hawkings persönliche Meinung, und lässt sich nicht exakt aus der ART ableiten.

In einer anderen Doku wurde für die überlichtschnelle Expansion des Raumes auch negative Energie benötigt.

Das bezieht sich vermutlich auf den Alcubierre-Antrieb. Soweit es die Expansion des Universums anbetrifft, wird für die Expansion des Raumes keine negative Energie benötigt, da reicht positive Energie völlig für.

Das hängt von der Theorie ab. Wenn man aber eine Theorie wie in der Doku nimmt, dann beginnen Raum und Zeit erst mit dem Urknall. Also kein davor.

Würde man aber wie in VOY mit Q vor den Urknall reisen, dann würde man ja sein eigenes kleines Universum mitbringen und ein davor beobachten können.

Du hast dich gerade in einen Widerspruch verstrickt: um überhaupt vor den Urknall reisen zu können, muss es erst einmal ein davor geben. Wenn es das nicht gibt, wie in der konventionellen Urknalltheorie mit Anfangssingularität, kann man eben gar nicht erst vor den Urknall reisen.

Wenn man es doch kann (z.B. weil eine Theorie ohne Anfangssingularität anzuwenden ist), dann gibt es ohnehin ein davor, dann braucht man nicht mehr sein eigenes kleines Universum mitbringen, um ein davor beobachten zu können.

Für das Punktuniversum gibt es dann aber immer noch kein davor, nur für den Beobachter.

Was soll denn "das Punktuniversum" sein?

[Hazard]

Da müsstest du erst einmal definieren, was die Wirkung von negativer Masse wäre.

Wenn positive Massen sich anziehen, dann stoßen sich negative Massen ab würde ich sagen. Frage ist was passiert wenn positive und negative Massen aufeinander treffen.

Welchen [Wikipediaartikel]? Gibt viele davon.

https://de.wikipedia.org/wiki/Vakuumenergie

Siehe Details.

Auszug:

Die Quantenfeldtheorie betrachtet ein Vakuum nicht als völlig leer. Selbst im Grundzustand, dem niedrigstmöglichen Energieniveau, ermöglicht die Heisenbergsche Unschärferelation die Bildung von sogenannten „virtuellen Teilchen“ und Feldern. Virtuelle Teilchenpaare sind Teilchen-Antiteilchen-Paare, die nur kurz bestehen und sich danach wieder auslöschen. Die Vakuumenergie kann folglich Teilchen des Standardmodells in diesem ansonsten leeren Raum entstehen lassen. Die ständig erfolgende gegenseitige Auslöschung (Annihilation) der entstehenden Teilchenpaare verhindert eine globale Verletzung des geltenden Energieerhaltungssatzes.

Stephen Hawking hat die Teilchenerzeugung der Vakuumenergie auch als Mechanismus für das „Verdampfen“ von Schwarzen Löchern beschrieben (Hawking-Strahlung).

[Agent Scullie]

Wenn positive Massen sich anziehen, dann stoßen sich negative Massen ab würde ich sagen.

Dass die Masse Quelle des Gravitationsfeldes ist, gilt bei Newton, nicht in der ART. Dort ist der Energie-Impuls-Tensor Quelle des Gravitationsfeldes. Da die Energiedichte eine Komponente von diesem ist, sollte es sich auf das Gravitationsfeld auswirken, wenn sie negativ ist. Ob das allerdings zu einem abstoßenden Gravitationseffekt führen würde, weiß ich gerade nicht.

https://de.wikipedia.org/wiki/Vakuumenergie

Siehe Details.

Wie vermutet, findet sich da die popularisierte Darstellung mit den virtuellen Teilchenpaaren. Die vergisst du am besten ganz schnell, die hat mit dem, was die QFT über den Vakuumzustand aussagt, wenig zu tun.

Virtuelle Teilchen gibt es in der QFT nur bei Wechselwirkungsprozessen, nicht beim Vakuumzustand, und auch bei Wechselwirkungsprozesse treten sie nur in der störungstheoretischen Beschreibung auf. Sie sich bildlich als Teilchen vorzustellen, die von A nach B fliegen, wäre grundfalsch.

Wenn du eine brauchbare Vorstellung vom Vakuumzustand der QFT haben willst, dann stell dir an jedem Punkt im Raum einen Feldstärkewert vor (z.B. einen Feldstärevektor im Falle eines Vektorfeldes wie dem elektrischen Feld), der sich ständig ändert, also fluktuiert.

[Hazard]

Wie es scheint muß ich alles umkrempeln woran ich bisher gedacht habe. Das ist aber auch ein Ärgernis, dass die einen Verwirren und die anderen im guten Glauben nachplappern. Das die Physiker als Quelle dafür auch noch gutes Geld nehmen ist ein Skandal...

Naja, wenn das Buch da ist können wir es ja mal auseinander nehmen...

[Agent Scullie]

Wie es scheint muß ich alles umkrempeln woran ich bisher gedacht habe. Das ist aber auch ein Ärgernis, dass die einen Verwirren und die anderen im guten Glauben nachplappern. Das die Physiker als Quelle dafür auch noch gutes Geld nehmen ist ein Skandal...

Fairerweise muss man allerdings dazu sagen, dass Hawking in seinem zweiten Buch "Das Universum in der Nussschale" andeutet, dass diese Darstellung mit den virtuellen Teilchenpaaren nicht ganz richtig ist, für ihn als Positivisten aber dennoch akzeptabel ist, da er als Positivist nicht danach fragt, wie es denn nun wirklich ist, sondern danach, wie eine gemachte Beobachtung (oder eine angenommene Beobachtung, wie hier, dass ein schwarzes Loch Teilchen aussendet) am besten beschrieben werden kann.

PS: Es ging mir allerdings mal genauso wie dir, dass ich, was das Quantenvakuum und virtuelle Teilchen anbetrifft, meine Vorstellungen tiefgreifend umkrempeln musste.

[Hazard]

[...]

als Positivist [fragt Hawking] nicht danach [...], wie es denn nun wirklich ist, sondern danach, wie eine gemachte Beobachtung [...] am besten beschrieben werden kann.

Wie es wirklich ist... nun... Ich finde man sollte sich an das Modell, sprich die Theorie halten. Wenn das Modell nicht der Beobachtung entspricht, dann gehört es überholt. Ich meine was soll das? Es gibt eine bessere Beschreibung der Beobachtung, jedoch hält man stur an dem alten Modell fest, das die Beobachtung weniger gut beschreibt? Verstehe das nicht.

[Agent Scullie]

Wie es wirklich ist... nun... Ich finde man sollte sich an das Modell, sprich die Theorie halten. Wenn das Modell nicht der Beobachtung entspricht, dann gehört es überholt. Ich meine was soll das? Es gibt eine bessere Beschreibung der Beobachtung, jedoch hält man stur an dem alten Modell fest, das die Beobachtung weniger gut beschreibt? Verstehe das nicht.

Hawking hält nicht an einem alten Modell fest (das mit den virtuellen Teilchenpaaren ist nämlich nicht älter als das nach der QFT korrekte), sondern er stellt ein Modell dar, das nach der QFT eigentlich falsch ist, die angenommene Beobachtung der Hawking-Strahlung aber ebenso gut beschreibt wie das nach der QFT korrekte, zumindest solange man allein die Beobachtung betrachtet, dass überhaupt Hawking-Strahlung emittiert wird, und außen vor lässt, wie hoch deren Intensität ist (weil das nämlich in diesem Modell nicht berechnbar ist).

Mit der Begründung, dass er Positivist ist, hält er dies für legitim.

[Hazard]

In meiner Meinungsäußerung zu deiner Aussage ging ich davon aus Hawking hätte die bessere Beschreibung geboten, die bisher lediglich nicht anerkannt wurde, weil die Gemeinde am alten Modell festhält. Das Hawking sich sozusagen an die Öffentlichkeit wendet. Das er bewußt das falsche schreibt und damit Kasse macht - nun... Diese Geschichte erinnert mich an die vielen Star-Trek Bücher und die darin beschriebene Technologie, die ich früher gelesen habe und dann erfahren mußte, dass es ein "canon" gibt und dass all die Techno-Beschreibungen nicht gelten, was verglichen mit der tatsächlichen Wissenschaft ja noch harmlos ist.

[Agent Scullie]

Das ist ja noch schlimmer. In meiner Meinungsäußerung ging ich davon aus Hawking hätte die bessere Beschreibung geboten, die bisher lediglich nicht anerkannt wurde, weil die Gemeinde am alten Modell festhält. Das Hawking sich sozusagen an die Öffentlichkeit wendet.

Dass diese Geschichte mit den virtuellen Teilchenpaaren ganz sicher nicht die bessere Beschreibung ist, kann man allein schon daran erkennen, dass sie gar keine Möglichkeit bietet, die Zahl der durchschnittlich pro Volumen- und Zeiteinheit entstehenden Teilchenpaare zu berechnen. Entsprechend ist es auch nicht berechenbar, bei wie vielen Teilchenpaaren dann eines der beiden Teilchen dann in das schwarze Loch fällt. Und folglich kann auch nicht berechnet werden, wie hoch die Intensität der entstehenden Strahlung wäre.

[Hazard]

Ich habe jetzt einfach mal aus Neugierde in die Formeln geguckt.

https://de.wikipedia.org/wiki/Newtonsches_Gravitationsgesetz

F = G * ((m1 * m2) / r²)

Minus mal Minus ergibt Plus.

Daraus ergibt sich doch aber, dass negative Massen sich auch anziehen.

Nur wenn m1 oder m2 negativ ist ergibt sich eine abstoßende Kraft.

Ist das jetzt richtig?

[Agent Scullie]

Nach Newton wäre das soweit richtig. Das sagt allerdings noch nicht viel darüber aus, wie das in der ART aussieht. Da gilt ja, dass die Gravitation keine Kraft ist, sondern darauf basiert, dass ein frei fallendes Teilchen einer geradestmöglichen (geodätischen) Weltlinie in der gekrümmten Raumzeit folgt. Die Bewegung eines Teilchens ist demnach von seiner Masse unabhängig, auch wenn diese negativ ist.