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Ein neuer Blick auf das Plasmauniversum und Max Plancks musikalische Raumzeit

Würfelt Gott – oder würfelt er nicht? Albert Einstein und Max Planck waren überzeugt davon, dass die Natur einer inneren Ordnung folgt, und dass Kreativität und Musik Schlüssel sind, um ein Verständnis ihrer Gesetze zu erlangen. Diese Sichtweise wurde verdrängt, als die um Niels Bohr entstandene Kopenhagener Schule an Bedeutung gewann. Im Streit um die Interpretation des Quants siegte eine neue, nüchterne Weltsicht.

Matthew Ehret zeichnet den Bruch der Paradigmen nach und illustriert das alte Weltbild anhand der Plasmatheorie des Universums – einer alternativen Kosmologie, die der Musik der Sphären den Raum lässt, den Einstein und Planck sich gewünscht hätten.

Gegen Ende des Jahres 2019 schickte die Raumsonde Voyager 2 Signale zur Erde, die die Grundlagen der modernen Physik ins Wanken brachten, indem sie Anlass gaben zu hinterfragen: Was sind die Kräfte und Prinzipien, die die Raumzeit von Sternen innerhalb von Galaxien formen (und implizit von Galaxien in Galaxienhaufen)?

Die Daten, die Voyager 2 den NASA-Wissenschaftlern ins Büro schickte, haben neue Möglichkeiten eröffnet, die alte Frage zu beantworten, was sich in dem Raum zwischen den Sternen oder gar Galaxien unseres Universums befindet. Der am Voyager-Projekt beteiligte Wissenschaftler Ed Stone fasste es so zusammen:

„Die Voyager-Daten zeigen uns, wie unsere Sonne mit dem Material interagiert, das einen Großteil des Raumes zwischen den Sternen der Milchstraße ausfüllt.“¹

Worauf ist Voyager 2 gestoßen?

Am 5. November 2019 verließ Voyager 2 die Heliosphäre (die kugelförmige Grenze, die das Elektromagnetfeld der Sonne ausbildet) und drang ins interstellare Medium ein. Die fünf Sensoren des Schiffes, das seine Reise 1977 gemeinsam mit Voyager 1 antrat, funktionierten einwandfrei und maßen die Intensität des Magnetfelds, den kosmischen Strahlungsfluss und die Plasmadichte des interstellaren Mediums – mit erstaunlichen Ergebnissen. Als die magnetische Feldintensität der Sonne nicht mehr messbar war, tauchte die Sonde ein in einen Ozean extrem dichter kosmischer Strahlung. Die Messergebnisse von Voyager 2 bestätigen damit jene der schnelleren Voyager-1-Sonde, als sie die Heliopause im Jahr 2012 verlassen hatte. Ein wichtiges Indiz dafür, dass es sich bei den Messungen von Voyager 1 keineswegs um ein lokales Phänomen handelte.

Als kosmische Strahlen werden alle Formen hochenergetisierter Protonen und Atomkerne bezeichnet, die in Sonnen, Supernovae und anderen Galaxien entstehen. Die kosmische Strahlung durchdringt unser Sonnensystem, wird aber vom Erdmagnetfeld weitgehend abgeschirmt. Zu den sichtbaren Interaktionen zwischen kosmischer Strahlung und Erdmagnetfeld zählen etwa die Aurora borealis/australis oder das Phänomen der Wolkenbildung, das nicht nur ausgleichend auf die Erwärmung und Erkaltung der Erde wirkt (entdeckt von Svensmark et al.²), sondern auch mit dem Auftreten von Erdbeben zu koinzidieren scheint. Einige Forscher assoziieren die kosmische Strahlung sogar mit der (De-)Aktivierung von Viren und räumen ihr eine potenziell wichtige Rolle in der Entwicklung der Arten ein. Falls Sie Laie sind und erstmals auf diese Idee stoßen, sei Ihnen als thematische Einführung Frank Capras Film „The Strange Case of Cosmic Rays“ von 1957 ans Herz gelegt, der auch nach 60 Jahren nichts an Relevanz eingebüßt hat.³

Plasmen werden manchmal als vierter Aggregatzustand der Materie identifiziert. Wenn Gasatome und -moleküle angeregt werden, ihre Elektronen abzugeben (also zu Ionen werden), entsteht ein elektrisch leitfähiges Plasma, das sich aus ebenjenen Ionen und freien Elektronen zusammensetzt.

Anstatt anzunehmen, die interplanetaren und interstellaren Medien bestünden aus leerem Raum oder Vakuum, haben internationale Physiker in den letzten Jahrzehnten reichlich Hinweise für eine andere These zusammengetragen: Demnach ist ein Ozean dicht gesättigten Plasmas und kosmischer Strahlung das eigentliche Medium, durch das unsere Planeten um die Sonne wandern – und unsere Sonne wiederum alle 230 Millionen Jahre um das galaktische Zentrum der Milchstraße.

Zu den wichtigsten Pionieren der Idee eines plasmatischen Universums zählen herausragende Physiker wie Kristian Birkeland, Winston H. Bostwick, Anthony Peratt und Hannes Alfvén. Nachdem er 1970 den Nobelpreis für seine Entdeckung der Magnetohydrodynamik erhalten hatte, schrieb der schwedische Wissenschaftler Alfvén:

„Um die Phänomene in einer spezifischen Plasmaumgebung zu verstehen, ist es wichtig, nicht nur das magnetische Feld zu kartografieren, sondern auch das elektrische Feld und die elektrischen Ströme. Der Raum ist ausgefüllt von einem Netz aus Strömen, die Energie und Impulse über weite oder gar sehr weite Distanzen hinweg übertragen. Die Ströme ziehen sich oft zusammen (pinchen)⁴zu Filament- oder Oberflächenströmen.⁵Letztgenannte geben dem Raum, auch interstellarem und intergalaktischem Raum, eine zellartige Struktur.“⁶

Der von Alfvén angesprochene Pinch-Effekt beschreibt die natürliche Kompression eines elektrisch leitenden Filaments durch magnetische Kräfte. Er tritt in Blitzen zutage, in der Aurora borealis/australis und hat in Form magnetisch eingeschlossener Plasmen einen festen Platz in der Erforschung der Fusionsenergie. Viele Erkenntnisse der Fusionsforschung wurden jahrzehntelang zurückgehalten, weil im kosmologischen Standardmodell falsche Konzepte von Kräften, Vakuum, schwarzen Löchern und dunkler Energie vorherrschten.

Eines der größten Paradoxa der Fusionsforschung beinhaltet einige naive Versuche, den Coulombwall zu überwinden. Wer einmal versucht hat, zwei Magnete mit identischen Polaritäten zusammenzuführen, hat eine bildliche Vorstellung davon, was der Coulombwall ist: Je näher sich die Magnetpole kommen, desto höher wird der Kraftaufwand. In der Welt der Atome ist dieses Hindernis um mehrere Dimensionen größer: Die Verschmelzung zweier Heliumatome oder Wasserstoffisotope setzt voraus, dass die positiv geladenen Atomkerne zweier Atome denselben Raum einnehmen müssen, um zu transmutieren und dabei eine große Menge Energie freizusetzen.

Ohne die Vorstellung, dass Plasmen eine organisierte Harmonie immanent ist – was von Forschern wie Bostwick, Alfvén, Anthony Peratt et al. nachgewiesen wurde –, bleibt rohe Gewalt der einzige Weg, eine Fusion herbeizuführen. Nichts anderes passiert, wenn wir Atomkerne zertrümmern, sie in riesigen Tokamak-Reaktoren hocherhitzen und wahnwitzig beschleunigen. Wenn wir allerdings mit Plasmen und den elektromagnetischen Dynamiken von Birkeland-Strömen hantieren, haben wir es mit Frequenzen, Impulsen und Wellenlängen zu tun, die stärker oder schwächer werden und Konsonanzen oder Dissonanzen hervorrufen können – mit messbaren und sichtbaren Effekten. In diesem Sinne hat der Raum tatsächlich mehr mit einer Symphonie zu tun als mit kinetischen Objekten, die ominöse Kräfte in ein Vakuum aussenden.

Den vollständigen Artikel können Sie in NEXUS 90 lesen. Die Ausgabe können Sie hier erwerben.

Jet Propulsion Laboratory: „Voyager 2 Illuminates Boundary of Interstellar Space“ auf NASA.gov, 04.11.19; https://tinyurl.com/ybrkofm6
The American Patriot: „Svensmark: The Cloud Mystery“ auf YouTube.com, 24.07.11; https://tinyurl.com/hub8e6f
Jack Fuller: „The Strange Case of the Cosmic Rays (1957)“ auf YouTube.com, 10.03.14; https://tinyurl.com/pdf4pws
„Pinch“ auf Plasma-Universe.com; https://tinyurl.com/spy5ch6
„Search Results for: filamentation“; https://tinyurl.com/y8fsn388
Alfvén, H. O. G. et al.: „Cosmology in the plasma universe: an introductory exposition“ in IEEE Transactions on Plasma Science, Februar 1990, 18(1):5–10, online auf IEEE.org; https://tinyurl.com/ya7jfc6o