Einige Klarstellungen in Sachen Physik

[Bynaus]

Um es noch einmal ganz klar festzuhalten:

Lichtgeschwindigkeit: MSR
MSR ist dasselbe wie c. Das Problem mit c ist, dass das die Lichtgeschwindigkeit im absoluten Vakuum bezeichnet, die eine unveränderliche Naturkonstante ist, wo hingegen die Lichtgeschwindigkeit (nicht im absoluten Vakuum) variabel ist. So beträgt die Lichtgeschwindigkeit in Wasser nur ca. 2/3 des Wertes c, was zu den bekannten Brechungserscheinungen führt.

MSR bedeutet: Maximale Signalausbreitungsgeschwindigkeit durch den Raum und stellt eine etwas umfassendere Beschreibung von c dar.

c=MSR=299'792'458 m/s = (ungefähr) 300'000'000 m/s = (ungefähr) 3 * 10^8 m/s.
("dreimalzehnhochacht" kann man sich gut merken)

Geläufig ist es, von 300'000 km/s zu reden. Beim einsetzen in Rechnungen muss allerdings darauf geachtet werden, dass km und m nicht gemischt vorkommen.

Q42 hat noch darauf aufmerksam gemacht, dass die Definition des Meters, wie sie in meinem oberen Posting vorkommt, heute veraltet ist und der Meter heute durch den 1/299'792'458 Teil der Strecke, die das Licht im absoluten Vakuum zurücklegt, definiert ist. Das ist viel genauer als das Ablesen vom Normmeter, da die Sekunde einfach durch eine gewisse Anzahl Schwingungen definiert ist und daher ist die Länge eines Meters objektiv immer wieder reproduzierbar.

[Bynaus]

Intertialsystem
Ein Inertialsystem ist ein System, dass sich mit gleichmässiger Geschwindigkeit gegenüber einem "ruhenden" System bewegt, das heisst, weder beschleunigt wird noch gebremst.
In Intertialsystemen gelten dieselben physikalischen Gesetze, zB lässt sich der Trägheitssatz sowohl in einem fahrenden als auch in einem ruhenden Zug anwenden. Jedoch führt die Anwendung des Trägheitssatzes in einem beschleunigenden Zug ohne Kenntnis und Einbeziehung der Beschleunigung zu einem falschen Ergebniss.
Zwischen Intertialsystemen gelten die Galileo-Transformationen: (x' ist die x-Koordinate im bewegten System, es wird der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass sich das System in x-Richtung bewegt)

x'=x+v*t
y'=y
z'=z
t'=t

Spezielle Relativitätstheorie
Das grundlegendste Statement der Relativitätstheorie ist die Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Intertialsystemen gleich gross ist. Das heisst, unabhängig davon, wie schnell man sich relativ zu anderen Objekten bewegt, bleibt die Lichtgeschwindigkeit gleich gross. Das heisst, wenn ein Auto mit 15 km/h fährt und die Scheinwerfer an sind, dann bewegt sich das Licht (relativ zur Strasse) immer noch mit MSR und nicht mit MSR + 15 km/h.
Dies ist eine Beobachtung. Die Relativitätstheorie ist nun eine Interpretation dieser Beobachtung. Sie wurde zig mal überprüft und ist bis heute gültig.
Zwischen Inertialsystemen, die sich mit relativistischen Geschwindigkeiten gegeneinander bewegen, müssen folgende Transformationen gelten, damit die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in allen Systemen gewährleistet ist: (es wird hier der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass sich das System in x-Richtung bewegt) (sqrt()=Quadratwurzel aus dem Klammerausdruck)

x'= (x-v*t)/sqrt(1-(v^2/c^2))
y'=y
z'=z
t'=(t-(v/c^2)*x)/sqrt(1-(v^2/c^2))

Diese Transformationen heissen Lorentz-Transformationen. Man sieht gut, dass die Lorentz-Transformationen bei kleinen Geschwindigkeiten v<<c in die Galileotransformationen übergehen.

Die Spezielle Relativitätstheorie beschreibt das Verhalten von Objekten bei sehr hohen Geschwindigkeit, wie zB den Massenzuwachs bei relativistischen Geschwindigkeiten.

Allgemeine Relativitätstheorie
Die allgemeine Relativitätstheorie hingegen behandelt die Gravitation nicht als Naturkraft, sondern als Eigenschaft der Raumzeit. (Gravitation=Mass der Krümmung des Raumes).

[Sebydra]

mü0 ist eine Naturkonstante die man braucht um zu errechnet welches Magnetfeld z.B. eine Stromdurchflossene Spule erzeugt. mü meint den griechischen Buchstaben. Wenn mir einer sagt, wie ich solche Sonderzeichen Posten kann wäre ich sehr dankbar.

Epsilon0 ist auch eine Naturkonstante um beispielsweise die Stärke eines Elektrischen Feldes zwischen zwei platten zu errechnen.

mür und epsilonr beziehen sich auf die Substanz im Zwischenraum der Platten oder Spulen, da diese ein E-Feld verstärken und ein B-Feld verstärken oder schwächen können.

Im Vakuum ist mü0 = 1 und epsilonr = 1.
Daher ergibt sich für c im Vakuum:
c0 = mü0 * epsilon0

In diesem einen Spezialfall entspricht c der Naturkonstante die Bynaus als MSR beschreibt. In allen Wissenschaftlichen Texten die mit c an die Stelle von MSR legen ist aus dem Kontext zu sehen, dass von der Ausbreitungsgeschwindigkeit Elektromagnetischer Wellen im Vakuum gesprochen wird und nicht etwa von Schallwellen.
Noch mal c ist nicht MSR sondern wissenschaftlich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen, kann aber auch für diese Konstante eingesetzt werden, genau wie a,b,d,e,f,g,h,i,j,... .


f' = (c+v) / lambda
entspricht der Frequenz die man wahrnimmt, wenn man sich auf eine Schallquelle, oder Wasserwellenquelle .. zu bewegt.

f' = c / ( lambda * (1-v/c) )
gilt, wenn sich die Quelle auf dich zu bewegt.

Das gilt für alle Wellen, ausser Licht, da durch die Relativitätstheorie beide Frequenzen gleich sein müssen, ob man sich selbst, oder die Quelle sich auf einen zu bewegt.

[Tribekiller]

Hier einige Ergänzungen zur Raum/Zeitkrümmung:

Die Raumzeit ist gekrümmt:

Beschleunigung und Gravitation können nur äquivalent sein, wenn ein massereicher Körper die Raumzeit krümmt und dadurch die Bahnen von Objekten in seiner Nachbarschaft beeinflusst.

Gekrümmte Lichtbahnen:

Das Licht eines Sterns, das nahe der Sonne vorbeistreicht, wird abgelenkt, weil die Masse der Sonne die Raumzeit ktümmt. Dies bewirkt eine leichte Verschiebung in der scheinbaren Position des Sterns aus der Sicht eines irdischen Beobachters, ein phänomen, das man während einer Sonnenfinsternis beobachten kann.

Ende eines Sterns, Entstehung eines schwarzen Lochs:

Wenn der Kernbrennstoff eines massereichen Sterns erschöpft ist, verliert er Wärme und schrumpft. Die Krümmung der Raumzeit kann dabei so groß werden, dass ein Schwarzes Loch entsteht, aus dem kein Licht zu entweichen vermag. Im Inneren einen Schwarzen Lochs endet die Zeit.

Teilchenspin:

Alle Teilchen haben eine Eigenschaft, den Spin, von dem es abhängt, wie Teilchen unter verschiedenen Blickwinkeln aussehen. Das läßt sich an einem Kartenspiel anschaulich machen.
Betrachten wir zunächst das Pik-As. Gleich sieht es nur nach einer vollständigen Umdrehung von 360 Grad aus. Daher sagt man, es habe Spin1.
Dagegen besitzt die Herzdame zwei Köpfe und sieht schon nach einer halben Umdrehung von 180 Grad gleich aus. Bei ihr spricht man von Spin 2. Entsprechend kann man sich Objekte mit Spin 3 oder mehr vorstellen, die schon bei kleineren Bruchteilen einer Umdrehung gleich aussehen.
Je höher der Spin, desto kleiner der Bruchteil einer vollständigen Umdrehung, der erforderlich ist, um das Teilchen gleich aussehen zu lassen. Bemerkenswert - und nicht anhand von Alltagsgegenständen darstellbar - ist der Umstand, dass es auch Teilchen gibt, die sich selbst erst wieder gleichen, wenn sie zwei vollständige Umdrehungen hinter sich haben. In diesen Fällen spricht man von Spin 1/2.


-> Alles Auzüge aus Stephen Hawking's "Das Universum in der Nussschale"

Tribe

[Spocky]

Der absolute Nullpunkt liegt ja nicht bei -273 °C, sondern eher bei -273,15 °C (Hey, als Vulkanier muss ich so genau sein ), aber genaugenommen passiert bereits bei höheren Temperaturen etwas merkwürdiges mit der Materie. Sie geht in einen anderen Aggregatszustand über, also von fest zu einem BEC (Bose-Einstein-Condensate). Bei einem solchen "verschmelzen" die Teilchen zu einem, sie sind nicht mehr unterscheidbar. Das ganze bildet dann nur noch einen amorphen Klumpen, den nichts mehr durchdringen kann, außer man regt es mit Licht einer bestimmten Länge an, wodurch es für Licht einer anderen bestimmten Länge durchlässig wird, aber dabei nur sehr langsam vorankommt (teilweise unter 10 km/h), oder wohl sogar darin angehalten werden kann, wobei die Photonen in einen Anregungszustand der Materie übergehen ).

Vgl. dieser Thread

[Dishmaster]

Absoluter Nullpunkt

Die Sache mit T=0K ist noch komplizierter - leider. Das Bose-Einstein-Kondensat bezieht sich lediglich auf Bosonen (so eben der Name). Das sind Teilchen mit ganzzahligem Spin wie das Photon. Elementarteilchen wie Protonen, Neutronen und Elektronen sind aber saemtlich Fermionen (halbzahliger Spin) und unterliegen dem Paulischen Ausschlussprinzip. Danach duerfen in einem geschlossenen System keine Teilchen in allen Eigenschaften identisch sein. Das betrifft dann auch ihre Energie. Daher bedeutet T=0K nur, dass kein Teilchen mehr Energie abgeben kann, weil die niedrigeren Energien bereits vergeben sind. Nicht aber, dass sie keine besitzen duerfen. Das ist naemlich beispielsweise in sog. "Weissen Zwergen" (Endstadium von massearmen Sternen wie die Sonne) der Fall. Im Extremfall koennen die Teilchen sogar fast Lichtgeschwindigkeit haben und dennoch hat der Koerper die Temperatur T=0K. Haelt mein Thermometer rein, kann man keine Temperatur messen, da die Teilchen ja keine Energie (Waerme) abgeben koennen. Allerdings sind Atomkerne mit gerader Anzahl von Kernteilchen auch Bosonen, da der Gesamtspin des Kerns dann ganzzahlig ist. Kompliziert oder?

[EoD]

Dimensionen im Bezug auf die Stringtheorie(n)
(eigentl. aus folgendem post)

Da mir es in folgendem Topic so vorkam dass die Leute mit dem Begriff "Dimension" um sich werfen und das von vielen leicht missverstanden werden kann / wird, will ich mal ein wenig was klarstellen.

"Das Universum besteht laut Einstein aus 4 Dimensionen."
Wenn man "das Universum" als anderes Wort für Raumzeit auffasst ist die Aussage vollkommen korrekt. Doch auch in dieser 4 dimensionalen Raumzeit gibt es nur 3 Raumdimensionen verknuepft mit 1 Zeitdimension. Es ist jedoch ueblich von Raumdimensionen zu sprechen. Sprich, wenn man zB von einem 3D Modell redet dann ist es normal klar, dass damit eine Projektion gemeint ist die sich über 3 Raumdimensionen erstreckt.

Das nur mal so für den Anfang. Natürlich gibt es Theorien, die noch weit mehr Dimensionen vorhersagen, wie zB die Stringtheorie(n).

Die erste und wohl älteste Stringtheorie ist die bosonische Stringtheorie die bis zu 26 Raumzeit Dimensionen (25 Raum-, 1 Zeitdimension) vorhersagt. Die Theorie ist jedoch nicht sehr angesehen, da sie Teilchen mit imaginären Massen hervorbringt (Tachyonen) und diese noch nie nachgewiesen / beobachtet wurden.

Die 5 anderen Stringtheorien (Typ I, Typ IIA, Typ IIB, heterotisch E und O) sagen, dass es bis zu 10 anderen Raumzeit-Dimensionen (9 Raum, 1 Zeitdimension) gibt, die jedoch so klein sind, dass sie nicht beobachtbar bzw vernachlässigbar sind. (Man denke an ein Stromkabel, dass aus der Entfernung wie ein 2d-Strich aussieht, obwohl es ein 3d-Zylinder ist).

Es gibt jedoch auch eine sog. M-Theorie (für was das M steht, weiß niemand so genau *g*. Manche behauptet jedoch es steht für "mystery"), mithilfe welcher versucht wird die oben genannten 5 anderen Stringtheorien (und die 11d Supergravitation) zusammenzufassen. Man geht dabei davon aus, dass diese Theorien verschiedene Seiten der M-Theorie beschreiben und man sie deswegen alle in einer übergelagerten Mannigfaltigkeit (darf man das so formulieren?) zusammenfassen kann. So kommen die 11 Dimensionen zusammen, von denen oft die Rede ist...

[Neodyn]

Die Supperstringtheorie die eine eirweiterung zur Stringteorie darstellt bessagt auserdem das sich diese zusätzlichen Dimmensionen auf Membrannen befinden und das unser Universumm und alles was sich darin befindet ebenfalls auf einer gigantischen Membrann befindet. Auf silchen Membrannen befinden sich auch viele andere Universen. Jedes Universum befindet sich auf einer eigenen Membran und diese membrannen schwingen durch den Raum.

[MoNoSToNe]

Tachyonen

Erster Post in diesem Forum... ^^

Tachyonen

Tachyonen sind bislang ein mathematisches Konstrukt und stellen streng genommen eine Teilchenklasse dar, wobei man Tardyonen, Luxonen und eben Tachyonen unterscheidet.

Tardyonen sind Teilchen, die eine Ruhemasse besitzen und sich immer langsamer als Lichtgeschwindigkeit bewegen. Sie können also niemals schneller werden. Also ist alles, was wir als Materie kennen als Tardyonen zu klassifizieren.
Luxonen sind Teilchen, die keine Ruhemasse besitzen und sich immer genau mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, wie die Photonen.

Die hypothetischen Tachyonen sind jetzt Teilchen, die eine imaginäre Ruhemasse besitzen und sich immer schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen und sich niemals langsamer bewegen können. Durch die imaginäre Masse würde die Relativitätstheorie nicht verletzt werden (Imaginäre heißt weder, dass die Masse kleiner, oder größer Null ist, sondern, dass das Quadrat der Masse kleiner Null ist, analog zur Definition, der Imaginären Einheit i² = -1).

Diese Attribute führen zu interessanten Konsequenzen:

• Die imaginäre Masse wirkt sich auf andere physikalische Werte wie Impuls und Energie aus, die reell sein müssen, damit sie beobachtet werden können. Daher ist es fraglich, ob man Tachyonphänomene beobachten kann.
• weiters können unter gewissen Bedingungen negative Energien entstehen, die den Energieerhaltungssatz verletzen könnten.
• Ebenso, wie Tardyonen bei höherer Geschwindigkeit höhere kinetische Energie besitzen, haben Tardyonen um so höhere Energie, je langsamer sie werden. Sowohl bei Tardyonen, als auch bei Tachyonen geht die Energie gegen Unendlich, wenn sie Lichtgeschwindigkeit erreichen würden.
• Die Zeit der Tachyonen würde rückwärts laufen, was für den Fall von Wechselwirkung zwischen Tardyonen und Tachyonen die gesamte Fülle an temporalen Paradoxa bescheren würde.

Obwohl Tachyonen ein reines Konstrukt sind, das zwar denkbar und möglich ist, aber nicht alles was möglich ist auch wirklich existieren muss, ist es auf Grund der vorhergesagten Eigenschaften mit konventionellen Methoden weder möglich Tachyonen nachzuweisen, noch zu widerlegen.


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Ich hoffe, meine Erinnerung hat mich nicht getrügt, ansonsten bitte korrigieren ^^

Übrigens ein sehr interessantes Forum, nur schade, dass ich es nicht früher gefunden habe.

[xanrof]

MODERATION:

Ich will diesen Klarstellungs-Thread mal etwas wiederbeleben (*hust*) und habe zunaechst alle Beitraege, die keine bestaetigten physikalischen Grundlagen widergeben, in den dazugehoerigen Diskussions-Thread verschoben:
http://www.scifi-forum.de/off-topic/off-topic-allgemein/technik-wissenschaft/7278-einige-klarstellungen-sachen-physik-diskussion.html

Vielleicht finden sich nun wieder einige naturwissenschaftlich vorbelastete User, die kurze Beitraege und Zusammenfassungen von nicht spekulativer Physik oder Chemie hier wiedergeben koennen und wollen.

Aber denkt daran: alle Diskussionen hierzu bitte im Diskussionsthread!

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Ich fang dann mal an:

Ueberleben im Vakuum ohne Schutzausrüstung

Beim Durchlesen verschiedener Threads faellt auf, dass es doch immer wieder die gleichen Fragen bzw. Missverstaendnisse sind, die vorgebracht werden (Explodiert der Kopf, faengt der Mensch an zu kochen, ...?).
Auch bei den Anworten, obwohl oftmals viel Richtiges dabei, erscheint manches eher mit Vorsicht zu geniessen. Insbesondere wird i.A. nicht zwischen verschiedenen Umstaenden bzw. Geschwindigkeiten der Dekompression unterschieden.
Ich habe mir nun mal versch. Fachartikel und anderes Material aus dem Internet durchgelesen. Das meiste Material stammt von der NASA, manches auch z.B. von flugmedizinischen Studien und Handbuechern der USAF und USN. Im folgenden Text will ich auf die verschiedenen Phaenomene und Folgen bei unterschiedlichen Arten von Dekompression im Weltraum eingehen. Die meisten Punkte wurden in diversen Thread-Kommentaren schon mal erwaehnt. Ich sortiere das ganze jetzt ein wenig und bringe noch ein paar Beispiele dazu.

• die Kernfrage: Was passiert mit dem Mensch, wenn er ungeschuetzt dem Vakuum ausgesetzt wird?
• 1. Zusatzfrage: In welchem Zeitrahmen passiert das?
• 2. Zusatzfrage: Was ist (hier) Vakuum?

VAKUUM

Die letzte Frage zuerst: Ich beziehe mich im Folgenden nur auf das Vakuum des Weltraums, nicht auf die unteren Atmosphaeren von Mars oder die potenitiellen Umweltverhaeltnisse auf Io, Europa, etc.
Laut Wiki betraegt der Druck im geostationaeren Orbit (Hoehe 35786 km) nur ca. 10^-20 bar, in einem niedrigen Satellitenorbit (200-1500 km) schon etwa 10^-10 bar. Die ISS fliegt ungefaehr in 400 km Hoehe.
Fuer meine Berechnungen/Beispiele werde ich einen Aussendruck von 10^-10 bar = 10^-5 Pascal (Pa) annehmen.


DEKOMPRESSION

Also zur mittleren Frage: Der Zeitrahmen einer Dekompression ist DER entscheidende Faktor fuer die medizinischen Folgen: "explosive" Dekompression oder mittlerer/langsamer Druckverlust?
Welche Zeiten (Sekunden, Minuten, Tage?) sind in bestimmten Situationen ueberhaupt realistisch?

Eine Zeitangabe ist sehr schwierig zu schaetzen, daher muss man -wenn moeglich- rechnen: Die entscheidenden Faktoren sind das austretbare Gas-Volumen (V) im Inneren (des Raumschiffs, Orbitalstation, Luftschleusenkammer, Shuttle-Rampe, etc.) und die Groesse (=Flaeche, A) des Lecks. Genauer ist es deren Verhaeltnis (=V/A).

Beispiele:
(a) Einen sehr langsamen Druckverlust (viele Stunden) erhaelt man z.B nach dem Einschlag eines Mikrometeoriten: V/A ist dann sehr gross.
(b) Einen mittleren Druckverlust kann man erhalten, wenn z.B. langsam (!!) die aeussere Schleusentuer aufgeht, obwohl die Kammer noch unter Druck steht.
(c) Explosiven Druckverlust als Extremfall hat man, wenn V/A sehr klein ist, z.B. ein Astronaut nimmt waehrend seiner EVA seinen Helm ab, ein grosses Fenster in einem kleinen Raumschiff platzt, die Folgen einer Kollision, ... .

Ich verweise hier auf einen Artikel von A. J. Higgins, Ingenieur/Ass. Prof. fuer kompressible Fluide ("Gase"). Hier werden Formeln hergeleitet, die genau das Gesuchte beschreiben (Ich gebe das hier natuerlich nur stark verkuerzt wieder: Vacuum Exposure: How long will it take a spacecraft to decompress?, zu finden auf der Website von Geoffrey A. Landis, NASA-Wissenschafter und SciFi-Autor)

Ausgangspunkt ist eine Gleichung fuer die allgemeine Massenflussrate: dm/dt = rho * V * A (mit rho fuer die Gasdichte). Die Herleitung geht ueber eine Gleichung fuer konstante Anfangsbedingungen P,T hin zu einer vereinfachten Funktion, wenn das verwendete Gas Luft ist. Da sich jedoch P und T aendern (koennen), muss die Gleichung weiter angepasst werden. Wenn die Groesse des Lecks konstant bleibt, dann gilt zunaechst:

t = 0.43 * (V/A) * [ ( (p1/p2)^0.143 ) - 1] / (sqrt [T0])

mit
t = gesuchte Zeit in Sekunden
V = Volumen in m^3
A = Leck-Flaeche in m^2
p1 = Anfangsdruck = Innendruck = 1 bar = 10^5 Pa
p2 = Enddruck = Aussendruck = 10-10 bar = 10^-5 Pascal (Pa)
T0 = Innentemperatur

nun die Anpassung fuer die Temperatur:
Hier gilt es zu beachten, dass das umgebende Raumschiff i.d.R. eine sehr viel hoehere Masse hat als die entwichenen Gase und damit auch eine hoehere Waermekapazitaet. Diese Waerme wird aber deutlich langsamer abgegeben. Das heisst, die Abkuehlung durch die Gasausdehnung wird kompensiert (isothermaler Prozess).
Ist im Inneren des Raumschiffs das Vakuum hergestellt, wirkt dieses sogar als Waerme-Isolation. Eine weitere Abgabe von der gespeicherten Waerme des Raumschiffs findet dann nur noch ueber Waerme(ab-)strahlung, aber nicht mehr ueber Waermeleitung statt.
(Das ist wichtig fuer die medizinischen Auswirkungen.)

Letztlich gilt (mit Luft als Gas, konstant-grosses Leck und T = allg. konstante Temperatur) die Gleichung:

t = 0.086 * (V/A) * ln [p1/p2] / sqrt[T]

Die Zeit ist also proportional zu (V/A) und zum nat. log. der Druckverhaeltnisse

Um nun einen Eindruck fuer Dekompressionszeiten zu bekommen, will ich mal ein paar Beispiele durchrechnen:

Bsp. 1:
Angenommen: eine kleine Orbitstation oder Raumschiff mit dem Innenvolumen von 10 m^3, gefuellt mit Luft bei 20°C = 293 Kelvin, wird von einem Mikrometeoriten getroffen, der ein Loch mit einer Flaeche von 1 mm^2 = 10-6 m^2 verursacht.
t = 0.086*(10/10-6)*ln(10^5/10^-5) / sqrt(293)
t = 1156858 Sekunden = 321 h = ca. 13,4 Tage bis vollstaendiger Druckausgleich.

Aber: erste Bewustseinstruebungen treten bereits bei einem Umgebungsdruck von 200 mmHg = 0.3 bar =1/3 Atmosphaere auf (nach Cooke&Bancroft, Aerospace Medicine, 1966).
Eingesetzt in die Formel: p2 = 0.3 bar = 26.66 Pa
t = 0.086*10^7*ln(10^5/26.66)/17.12
t = 413477 Sekunden = 115 Stunden = ca. 4.8 Tage bis zum Auftreten gesundheitlicher Probleme.

R. Harding (Survival in Space, 1989) erwaehnt, dass das Space Shuttle entworfen wurde, um bei einem Loch mit 11 mm Durchmesser (A=9.5*10^-5 m^2) das Ueberleben der Astronauten bei 0.6 bar (414 mmHg) fuer 165 Minuten zu garantieren. Die Zeit reiche fuer eine Notfall-Rueckkehr zur Erde.

Bsp. 2
Angenommen die gleiche kleine Raum- oder Orbitstation, diesmal aber mit defekter aeusserer Schleusentuer, waehrend die innere Schleusentuer noch offen ist: Die aeussere Tuer (2 x 1 m) oeffnet sich ruckartig um 1 Zentimeter. Das Leck hat also eine Flaeche von 2*0.01 = 0.02 m^2. Vollstaendige Dekompression erfolgt in
t = 0.086*(10/0.02)*ln(10^5/10^-5) / sqrt(293) = 58 Sekunden

Oeffnet sich dieselbe Tuer ruckartig um 10 Zentimeter, dann erfolgt die vollstaendige Dekompression bis Vakuum in 5.8 Sekunden. Das waere dann schon eine "explosive" Dekompression.

Bsp. 3
Eine sehr viel groessere Raumstation, Innenvolumen, sagen wir, 10000 m^3, auch hier geht "versehentlich" die aeussere Schleusentuer ruckartig auf, waehrend die innere Tuer noch offen ist.
Bei 10 cm geoeffnet: vollstaendige Dekompression in 5780 Sekunden = ca 1.5 Stunden
Geht die Tuer ruckartig vollstaendig auf (A = 2*1 = 2 m^2) erfolgt die vollst. Dekompr. in 9.6 Minuten

Bsp. 4
In der STTNG-Episode "Katastrophe auf der Enterprise" waren Crusher und LaForge in einem Frachtraum eingeschlossen, in dem guenstigerweise auch ein Plasmafeuer brannte, welches die Umgebung verstrahlte. Um das Feuer zu loeschen, beschliessen die beiden, die Frachtraumtuer bei aktiviertem Kraftfeld zu oeffnen und dann das Kraftfeld zu deaktivieren. Nach dem Erloeschen des Feuers (mehrere Sekunden) wurde das Kraftfeld wieder aktiviert.
Geschaetzte Volumen des Frachtraumes (LxBxH): 10*10*5 Meter, d.h. V = 500 m^3
die Frachtraumtuer geht ueber die ganze Breite des Frachtraumes: A = 10*5 = 50 m^2
t = 0.086*(500/50)*ln(10^5/10^-5) / sqrt(293) = 1.1 Sekunden.
Gut, dass die beiden sich festgehalten haben


MEDIZINISCHES

Was hat ein Druckabfall nun fuer Folgen fuer den ungeschuetzten Menschen?

In einem Artikel von G. A. Landis (2007, Homepage) finden sich weitere Angaben zu Erscheinungen, mit Verweis auf "The USAF Flight Surgeon's Guide" :
* Knall+Brausen/Rauschen ("noise") durch die Bewegung der Luftmassen
* Die Temperatur der Atmosphaere sinkt rapide (durch die Ausdehnung der Gase), aber nur, bis die Gase entwichen sind (Waermekapazitaet des Raumschiffs/der Station, siehe oben).
* Nebel (gefrorene Luftfeuchtigkeit, damit auch voruebergehende Sichtbehinderung)
* umherfliegende Teile (Gegenstaende, Staub, => auch Sichtbehinderung)

Bei einem explosiven Druckabfall mit grossem Volumen koennen Gegenstaende und Menschen mitgerissen werden. Hier besteht also zunaechst mal erhebliche mechanische Verletzungsgefahr. Auch darf man den "Wind" nicht unterschaetzen: Ich bin nicht sicher, ob es realistisch war, dass sich Crusher und LaForge haben ueberhaupt festhalten koennen, wenn 500 Kubikmeter Luft in etwa 1 Sekunde ausstroemen. Auch das bekannte Beispiel aus "2001-Odyssee im Weltraum" halte ich diesbezueglich fuer etwas unrealistisch: Dave Bowman hat gegen die ausstroemenden Gase ankaempfen muessen, um zurueck in die Discovery zu gelangen.

Aus medizinischer Sicht ist das Schlechteste, was Mensch machen kann: die Luft anhalten (so gesehen, waeren Crusher und Laforge definitiv tot). Das Lungengewebe ist der empfindlichste Teil des Koerpers bei einer schnellen Dekompression. Ist der Druckabfall schneller als das Ausstroemen von Gas aus der Lunge (besonders, wenn die Atemwege auch blockiert sind = Mund geschlossen), kann es zu einem Reißen des Lungengewebes kommen. Die Luft entweicht in den Brustkorb und gelangt ueber die Verletzungen in die Blutbahn. Dies fuehrt letztlich zu Gasansammlungen in Herz und Gehirn (Embolie, Taucherkrankheit). Aber: durch die enorme Dehnbarkeit der Haut und die Staerke der Rippen kann der Brustkorb nicht explodieren oder platzen. Ein Differenzdruck von 1 bar ist hierfuer nicht ausreichend. (Angaben von Landis, 2007, und Czarnik: "Ebullism at 1000000 Feet" sowie hierin versch. Zitate aus Fachartikeln)

Atmet man dagegen rechtzeitig aus , sind die Folgen die gleichen wie bei einem etwas langsameren Druckabfall.

Fuer den Fall eines Druckverlustes innerhalb von 10 Sekunden geben die meisten Quellen (u.a. Bioastronautics Data Book, 2nd Ed., 1973, oder Landis, 2007) an, dass ein trainierter Mensch zirka 10 Sekunden (Maximum 15 Sekunden) bei Bewustsein bleibt - mit abnehmender Reaktionsfaehigkeit. Bei einem explosiven Druckverlust halbiert sich diese Zeit durch den Adrenalinshock und den damit verbundenen rasenden Anstieg der Herzfrequenz. Hintergrund ist das Ausgasen von Sauerstoff aus dem Blut in die (evakuierten) Lungen. Dieser Sauerstoff fehlt dann sehr schnell im Gehirn. Daher der schnelle Bewustseinsverlust, obwohl man auf der Erde die Luft viel laenger "anhalten" koennte.

Der Blutdruck aendert sich ebenfalls. Im normalen, ruhigen Zustand liegt der Blutdruck zwischen den Herzschlaegen bei etwa 100 mbar (75 mmHg) ueber dem externen Druck. Faellt der externe Druck auf null, dann faellt der Verdampfungspunkt von Wasser (bei einem Blutdruck von 100 mbar) auf 46°C - und das ist noch oberhalb der Koerpertemperatur. Das Blut kocht nicht.
Hier spielen auch die Elastizitaet der Blutgefaesse und eventuell kleine Ansammlungen von Gas in den Blutbahnen eine Rolle, die verhindern, dass der Druck in den Blutbahnen zu schnell unter einen bestimmten Wert sinkt.
Nach spaetestens 2 Minuten sinkt der Blutdruck auf annaehernd null, das Herz koennte jedoch noch schwach fuer weitere 5-7 Minuten kontrahieren (Kolesari & Kindwall, 1982, in "Aviation, Space and Environmental Medicine"). In Tierversuchen und nach einigen Unfaellen mit Menschen (in Druckkammern und in der Fliegerei) haben alle Menschen und Tiere ohne Anzeichen von Folgeschaeden ueberlebt, solange das Herz noch geschlagen hatte.

Eine weitere, haeufig beobachtete Folge ist die Anschwellung des Koerpers durch die Bildung von Wasserdampf unter der Haut. Das Volumen kann dabei bis auf das Zweifache zunehmen. Dies wurde mehrfach an Menschen beobachtet und durch Experimente mit synthetischen Materialien bestaetigt. Die Zaehigkeit der Haut verhindert jedoch in jedem Fall ein Platzen des Koerpers, egal an welcher Stelle. (Ivanov et al., 1960, in: "Decompression Phenomena in the Human Body in Conditions of Extremely Low Atmospheric Pressure", sowie Parker & West (Ed., 1973): Bioastronautic Data Book). Dieses Anschwellen ist vollkommen reversibel und hat keine weiteren Folgen.

Augen sind innen mit Augenfluessigkeit gefuellt, die Augenhaeute sind gasdicht.
Da sich Fluessigkeiten nicht ausdehnen, blaehen sich die Augen auch nicht auf und sie platzen auch nicht.

Es gibt den Fall des Astronauten Gregory Bennett (STS-37), der sich waehrend einer EVA einen Metallstift durch den Handschuh in den Finger rammte. Er bemerkte es zwar, verspuerte aber nichts (Kaelte, Schmerz, etc.). Spaeter sah man, dass er quasi in den Weltraum geblutet hat, waehrend das Anschwellen des Finger ds Loch stopfte und einen weiteren Druckverlust verhindert hatte.
Das Blut blieb im freien Weltraum wegen seiner Eigenwaerme auch eine ganze Zeit fluessig (Man fand Bluttropfen an verschiedenen Stellen seines Anzugs).


Bezueglich der Temperatur muss man auch unterscheiden, ob sich der Mensch (ohne Raumanzug) noch im Inneren eines Raumschiffs oder einer Raumstation befindet oder soeben aus einer Luftschleuse geblasen (nicht: gesaugt) wurde. Die Masse selbst eines nur kleinen Raumschiffs ist sehr viel groesser als Masse an Gas, die bei einer Dekompression verloren gehen kann.

Wie oben bereits beschrieben, sinkt die Temperatur nur waehrend der Dekompression der Gase ab. Im Inneren eines Objekts (Station/Raumschiff) wird dies aber von der Waermeabstrahlung der umgebenden Materie bzw. Waermeleitung durch Gase kompensiert, solange noch Gase vorhanden sind. Man wuerde nur eine leichte Abkuehlung verspueren.

Da im darauf folgenden Vakuum keine Waermeleitung mehr stattfindet (siehe Thermoskanne), gibt der menschliche Koerper nur noch ueber Abstrahlung Waerme ab. Dies geschieht aber so langsam, dass ein Waermeverlust in der kurzen Zeit, in der Ueberlebenschancen bestehen, keine Rolle spielt.

Aehnliches gilt, wenn ein Mensch ohne Raumanzug ins All geblasen wurde. Die Waermeabgabe ist immer noch so gering, dass man nicht einfriert. Durch den niedrigen Druck verdampft lediglich etwas Wasser von der Haut, weshalb sich die Haut zu Beginn wohl etwas kuehl anfuehlen wuerde. Gleichzeitig quillt man auf.

Der Koerper friert also nicht spontan ein! Die Waermeabgabe ist so langsam, dass zuerst das Wasser der Oberflaechen-Zellen (Haut) verdampft, wodurch die Koerperoberflaeche quasi eintrocknet. Gleichzeitig beginnt im Inneren die Verwesung (Koerperbakterien, Sauerstoff durch Wasserdampf). Die Eintrocknung = Mumifizierung macht die Haut dabei poroes, weshalb nach einiger Zeit dann auch die Gase aus dem Inneren entweichen koennen.

Direkte Exposition der Haut zur Sonne kann einen Sonnenbrand verursachen.


Zusammenfassung :

Explosiver Druckabfall :

• Luftanhalten ist toedlich => ausatmen,

danach wie

Langsamerer Druckabfall:

• Bewustlosigkeit nach 10-15 Sekunden
• Blutdruck null nach 2 Minuten (Tod steht bevor)
  
• Letzte Herzzuckungen nach 5-7 Minuten (spaetestens ab hier Tod sicher)
• kein kochendes Blut
• keine explodierenden Koerperteile
• keine platzenden Augen
  
• kein spontanes Einfrieren, stattdessen Vakuumtrocknen,
  d.h. Mumifizierung.
  

Abschlusskommentar:
Eine Mensch der ploetzlich einem schnellen Druckabfall bis hin zu Vakuum ausgesetzt ist, hat sehr gute Ueberlebenschancen, wenn man sich wirklich gut festhaelt, ausatmet und die Atmosphaere innerhalb von 20 Sekunden wieder hergestellt wird.

Aus rein zeitlicher Sicht haetten Dr. Crusher, Laforge und auch David Bowman ihr Abenteuer in den unendlichen Weiten wohl ueberlebt. Und wenn nicht, dann waeren sie als eingetrocknete Mumien durch die Unendlichkeit geschwebt - ohne, dass irgendwas verkocht oder explodiert waere.

[Mondwinter]

Ein paar wichtige generelle Tips für den interessierten Laien

Die folgenden Tips sind eine Mischung aus jahrelanger Erfahrung, Psychologie und physikalischem Fachwissen.

1. Es gibt heute sehr viele popularisierte Darstellungen der Physik. Quellen, die nicht zur Fachliteratur gehören, kratzen allerdings stets nur an der Oberfläche, zeigen die Dinge meist in entstellter Form und enthalten oftmals Fehler oder Missverständnisse. Keine Doku ist perfekt. Viele Dinge lassen sich nicht allgemeinverständlich ausdrücken - durch die Vereinfachung werden sie in der Regel falsch. Daher sollte man stets alles mit Vorsicht genießen. Das Universum ist mathematisch: jede Art und Weise, es anders zu beschreiben, ist daher unzulänglich.
2. In der Wissenschaft ist bekannt, dass auf dieser Welt keine schlechtere Beweisquelle existiert, als die Aussage eines Augenzeugen. Es gibt unzählige Möglichkeiten, unsere Sinne und unseren Verstand zu täuschen. Die Realität vollbringt dies ständig. Traue nur, was eine Maschine gemessen hat – denn ihre Messung hängt nicht von Gefühlen und Vorstellungen ab, und träumen tut sie auch nicht. Sie ist objektiv.
3. Erfahrungstatsache: Wenn jemand Informationen weitererzählt, weden diese Informationen ungenauer. Wenn sich zum Beispiel Kinder in einer Reihe aufstellen und eine kleine Geschichte von Ohr zu Ohr weiterflüstern, ist die Geschichte am Ende komplett anders. Durch jeden Verstand, durch den sie geht, wird sie verändert, und sie wird stets ein bisschen falscher weitererzählt. Hier haben wir Ohrenzeugen, und diese sind nachweislich ebenso nutzlos wie Augenzeugen. Vorsicht also, wenn jemand etwas berichtet, was er irgendwo gelesen oder gehört hat! Es schleichen sich allzuleicht Fehler ein. Immer nach der Quelle fragen.
4. Erfahrungstatsache: Wenn in einem Forum jemand viel unnötige Fachsprache einfügt, versteht er in der Regel nichts und will sich profilieren. Ein Physiker erkennt das übrigens auf den ersten Blick, weil er genau weiß, was für Fachsprache nicht benutzt wird. Kein Physiker würde in einer Unerhaltung etwa das Wort „Quantenphysik“ verwenden.
5. Die Relativitätstheorie enthält keinerlei seltsame Effekte. Wer immer dir dies weis machen will, versteht nicht genug davon. Nimm kein Wort von dem ernst, was er sagt. Auch nicht, wenn es eine Doku ist. Wenn sie richtig (geometrisch) erklärt wird, ist sie sogar sehr anschaulich, was in der Physik selten der Fall ist.
6. Populärwissenschaftliche Informationsquellen sind verdünnt, vereinfacht und enthalten kein verwendbares Fachwissen. Diese Quellen werden gemeinhin überschätzt. Mit dem aus Dokus/Magazinen gelernten Infos lässt sich nicht weiterarbeiten. Wenn ein Physiker mit der Physik arbeitet, dann geschieht dies mathematisch. Wer auf der Basis von Dokus oder Magazinen versucht weiterzudenken, versucht einen Stuhl aus Holz herzustellen, besitzt aber weder Holz noch Werkzeug.

Gute populärwissenschaftliche Informationsquelle:
Vergesst Harald Lesch. Wenn ihr des Englischen mächtig seid, lege ich euch "Neil deGrasse Tyson" ans Herz. Ihr findet mehr als genug von ihm auf Youtube. Er ist der Direktor des Planetariums von New York City, hat seine eigenen Wissenschaftssendungen im amerikanischen Fernsehen, hat Pluto als erster als Eiszwerg dargestellt und ist der offizielle Nachfolger von Carl Sagan.

Fakten, tiefere Einblicke und Korrekturen häufiger Missverständnisse

• Raum und Zeit sind fast das gleiche. Sie sind so eng miteinander verwandt, dass sie sich ineinander umwandeln können. Dies geschieht beim Eintritt in ein schwarzes Loch: Beim Übergang vertrauschen die radiale Richtung und die Zeit ihre Bedeutung. Die Richtung zum Zentrum hin wird die Richtung der Zukunft. Dies ist der wahre Grund, weshalb nichts aus dem Feld entkommen kann, denn sich hinaus zu bewegen ist identisch mit einer Bewegung in die Vergangenheit, was jedoch unmöglich ist. Man fällt unweigerlich ins Zentrum hinein, weil dies die Bewegung in die Zukunft ist. Das Zentrum eines schwarzen Loches existiert nicht jetzt an einem bestimmten Ort, sondern an irgendwelchen Koordinaten in der Zukunft.
  
• Es existiert keine andere Geschwindigkeit als die Lichtgeschwindigkeit: alle Dinge in diesem Universum bewegen sich stets mit ihr. Erklärung: Die Zeit ist eine Richtung, und wir bewegen uns durch sie wie entlang eines Tunnels. Wenn wir im Raum still stehen, bewegen wir uns mit Lichtgeschwindigkeit in der Zeit nach vorne. Wenn wir loslaufen, bewegen wir uns durch den Raum und dafür etwas langsamer in Richtung der Zeit – in der Summe ist es aber wieder die Lichtgeschwindigkeit. Wenn wir uns mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegen könnten, würden wir in der Zeit stillstehen. Damit haben wir auch gleich die Erklärung für die Zeitdilatation. Was die Uhr anzeigt ist lediglich ein Maß dafür, wie weit wir uns in der Zeit nach vorne bewegt haben. Eine Sekunde entspricht dabei etwa 300.000 km in Zeitrichtung. (In der Relativitätstheorie messen wir Zeit als Strecke.)
  
• Ein Gegenstand bewegt sich auf derjenigen Bahn durch ein Gravitationsfeld, auf der er am meisten altert. Dies entspricht der kürzesten Verbindung zwischen zwei Punkten in der gekrümmten vierdimensionalen Geometrie der Raumzeit. Bemerke: Die kürzeste Verbindung zwischen zwei raumzeitlichen Punkten ist keine Strecke, sondern eine Bewegung.
  
• Die Gesamtenergie des Universums ist Null. Jede Quantenfluktuation kann daher ein Universum wie unseres spontan aus dem Nichts produzieren.
  
• Galaxien bilden sich dort, wo sich viel dunkle Materie angesammelt hat. Die Gravitation all dieser dunklen Materie führt dazu, dass sich auch die normale baryonische Materie dort anreichert. Wir sind ein Dreckeffekt.
  
• Die spezielle Relativitätstheorie (SRT) ist die einfachste Theorie der modernen Physik. Sie wird dennoch durchgehend in vielen Belangen missverstanden und falsch wiedergegeben. Dies liegt daran, dass sie so dargestellt wird, wie sie Einstein ursprünglich darstellte. Das Problem daran ist aber, dass Einstein die Theorie zu Beginn selber noch nicht verstand und sie erst bei ihrer Verallgemeinerung zu verstehen lernte – diese Verallgemeinerung hat daher auch 10 Jahre gedauert.
  Einsteins berühmte Gedankenexperimente mit relativ zueinander bewegten Zügen und dergleichen waren für ihn notwendige Konstrukte, weil er die richtigen Antworten während der Entwicklung der SRT natürlich noch nicht kannte. Erst später und durch den Mathematiker Hermann Minkowski wurde die SRT auf die Geometrie einer vierdimensionalen Raumzeit zurückgeführt. Durch diese Geometrie wurden Einsteins Gedankenexperimente überflüssig und die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie war geboren.
  Die Gedankenexperimente werden auch heute noch bei der Erklärung der SRT verwendet, obwohl sie Missverständnisse enthalten, erzeugen und weitergeben. Die scheinbare Seltsamkeit der SRT rührt allein aus diesen Gedankenexperimenten, da sie die Theorie ohne die vierdimensionale Geometrie zu beschreiben versucht, was also bedeutet, dass eine Dimension vernachlässigt wird und ein unvollständiges Bild liefert. Wenn man versucht, Bewegungen in einer vierdimensionalen Geometrie in einer rein dreidimensionalen Geometrie zu veranschaulichen, so geschehen natürlich seltsame Vorgänge. Und es sind eben diese seltsamen Vorgänge, welche die SRT seltsam erscheinen lässt. Das ist aber nur ein Erklärungsproblem. Wird die SRT wie die allgemeine Relativitätstheorie beschrieben, ist sie völlig anschaulich und klar.
  Außerdem wusste Einstein ganz am Anfang noch nicht, dass die Lichtgeschwindigkeit eine Konstante für ALLE Teilchen ist. Er nahm nur an, dass sie für das Licht gilt. Wenn man sie dagegen für alle Teilchen annimmt, lässt sich die spezielle Relativitätstheorie im Rahmen einer einzelnen Din A4 Seite herleiten. Die wesentliche Komplikation der Theorie ist also diese eine Symmetrie.
  
• Sämtliche Elementarteilchen und Erhaltungssätze (wie der Energieerhaltungssatz) sind Symmetrien in der Struktur des Universums, oder genauer, in der Struktur der Gleichungen. Eine Symmetrie ist allgemein etwas, durch den ein Vorgang keine Veränderung einer Sache bewirkt. So etwa wenn man eine Kugel um ihr Zentrum rotiert – jede solche Rotation verändert die Kugel nicht; sie sind Symmetrien der Kugel.
  In der Physik ist eine Symmetrie zum Beispiel die Homogenität der Zeit: Es macht keinen Unterschied, ob ein Vorgang jetzt oder in einigen Minuten geschieht. Die Zeit ist später nicht von anderer Beschaffenheit als jetzt. Wenn es der gleiche Vorgang ist, so muss er auch gleich ablaufen. Diese Symmetrie (Verschiebung in der Zeit = Vorgang unverändert) erzeugt die Energieerhaltung. Oder umgekehrt: Wäre die Energie nicht erhalten, würde dies eine Änderung der Beschaffenheit der Zeit bedeuteten.
  Eine weitere Symmetrie ist die Homogenität des Raumes: Ob ein Vorgang hier oder woanders stattfindet, macht keinen Unterschied. Der Raum selbst ist woaders nicht von anderer Beschaffenheit. Diese Symmetrie erzeugt die Impulserhaltung.
  Es gibt zahlreiche Symmetrien; die meisten sind unanschaulich und erzeugen gemeinhin unbekannte Erhaltungsgrößen, wie etwa den Isospin oder die Anzahl der Leptonen: Die Anzahl aller Leptonen im Universum ist konstant.
  Elementarteilchen werden ebenfalls aus Symmetrien erzeugt.
  Wenn eine Symmetrie gebrochen wird, so erfahren wir dies als eine Kraft. Das ist es, was eine Kraft eingentlich ist: eine gebrochene Symmetrie.
  Das Higgs Teilchen z.B. bricht eine Symmetrie in der elektoschwachen Theorie und erzeugt somit die Masse der Elementarteilchen. Oder eine Krümmung der Raumzeit: Sie erzeugt einen Unterschied von hier zu einem benachbarten Punkt, ist also ein Symmetriebruch und erzeugt entsprechend eine Kraft – in diesem Fall die Gravitation.
  
• Quantenmechanik in einem Satz: Alles, was geschehen kann, geschieht.
  Aber: Nicht alles geschieht. Der Rest der Physik dreht sich darum festzustellen, was geschehen kann und was nicht.
  
• Die Sonne ist nicht gelb, sondern schneeweiß. Deshalb ist frischer Schnee nämlich weiß: er spiegelt Farben sehr naturgetreu wieder. Bilder der Sonne sind gefiltert, damit man ihre Oberfläche erkennen kann. Ein Echtfarbenbild würde eine weiße Kugel mit schwarzen Punkten zeigen.
  
• Die Sonne wird nicht zu einem roten Riesen werden, sondern tut dies mehrere Male. Das ist ein häufiger Fehler in Dokumentationen. Sie wird sich aufblähen, dann aber wieder zusammenschrumpfen, sich wieder aufblähen und so weiter. Dies geschieht immer schneller. Gegen Ende stößt sie dabei ihre Hüllen ab und formt einen planetarischen Nebel.
  
• Es gibt Schall im Weltall, er ist bloß extrem schwach.
  
• Die Sonne nimmt kontinuierlich an Helligkeit und Leuchtkraft (abgegebene Leistung) zu. Vor 4.5 milliarden Jahren hatte sie etwa 70% der heutigen Leuchtkraft. In einer Milliarde Jahren wird sie die Atmosphäre der Erde wegblasen und die Ozeane verdampfen. Die Biosphäre der Erde wird fort sein, lange bevor die Sonne erstmals zum roten Riesen wird.
  
• Schwarze Löcher befinden sich in der vierdimensionalen Geometrie des Universums am Ende der Zeit. Jedes schwarze Loch ist ein Ende der Zeit.
  
• Allgegenwärtiges Missverständnis: Es gibt keine Gegenwart. Wir alle existieren zu verschiedenen Zeiten - genauer: alle Elementarteilchen sind verschieden weit in der Zeit nach vorne gereist, je nachdem, wie sie sich seit dem Urknall bewegt haben. Wir sind nicht in der Zeit nebeneinander, sondern existieren im gleichen Raum. Wir existieren HIER, nicht jetzt. Es gibt kein Jetzt.
  Angenommen, ich würde 5 Minuten in die Vergangenheit reisen, dann würde ich zwar meine Koordinaten in der Zeit ändern, wäre aber immer noch im gleichen Raum. Also wäre ich immer noch hier, wäre also garnicht gereist.
  Es gibt nur diesen einen Raum, und egal wann man ist, man ist immer HIER.
  Die Vergangenheit, wie sie in der Sci-Fi gezeigt wird, ist eine der größten Missverständnisse der Relativitätstheorie. Sie existiert nicht. Alles, was existiert, sind die Positionen der Teilchen im Raum und in der Zeit. Und alles, was passiert, ist die Änderung der Positionen dieser Teilchen im Raum.
  Beweis: Wink mal! Deine Hand ist aufgrund ihrer Bewegung durch den Raum nun weniger gealtert als der Rest von dir, befindet sich also zeitlich weiter in der Verganenheit. Sie ist aber noch da!!! Warum ist sie nicht verschwunden? Weil sie immer noch im gleichen Raum ist wie alle anderen Teilchen.
  Wie im vorherigen Punkt gesagt, ist ein schwarzes Loch ein Ende der Zeit. Sogar das Ende der Zeit ist HIER, im Raum. Daher ist also die Vorstellung einer Zeitreise im Sinne von „Zurück in die Zukunft“ ein Missverständnis. Die Positionen der Teilchen im Raum werden nicht für dich allein zurück oder vorgespult. Schade D:
  
• Energie kann nicht verschwendet werden, denn sie ist eine Erhaltungsgröße. Aber Exergie kann uns ausgehen. Exergie ist der Anteil der Energie, der nutzbar ist, um Arbeit zu leisten. Sie ist diejenige Energie, welche beim Ausgleich von Unterschieden vermittelt wird. So zum Beispiel ein Wind, also dem Ausgleich von hohem Druck und niedrigem Druck. Oder ein Fluss, also dem Ausgleich von hoher Lage zu niedriger Lage. Eines Tages jedoch werden alle Unterschiede im Universum ausgeglichen sein, und dann wird nie wieder etwas geschehen. Was also Picard sagen sollte ist: Exergie!
  
• Für's Ende noch ein Fun Fact: Die Farbe eines handelsüblichen Spiegels ist grün!

P.S. ich bin studierter Astrophysiker.

[Mondwinter]

Etwas zu dunkler Materie
Dunkle Materie besteht nicht aus Baryonen und hat daher die Besonderheit, nicht über alle 4 Grundkräfte der Natur mit anderen Dingen in Verbindung zu stehen. Sie tauscht sich nur über die Gravitation mit anderen Dingen aus. D.h. sie bildet keine Strukturen, also auch keine Dunkelmaterie-Asteroiden a la Star Trek. Licht und normale baryonische Materie taucht wie ein Geist durch sie hindurch, als wäre sie nicht da.
Prinzipiell könnte sich etwa in einem Neutronenstern auch ein Stern aus dunkler Materie befinden, ohne dass sich die beiden anders als über ihre Gravitation wahrnehmen. Dunkle Materie ist also für uns in keinster Weise etwas Materielles in dem Sinne, das wir irgendetwas damit anstellen können.
Es gibt jedoch einige hypothetische Teilchen, die sehr schwer sind und auch über die schwache Kernkraft interagieren; dies sind die sogenannten WIMPS.
Daneben gibt es auch sogenannte baryonische dunkle Materie, die ganz normale Materie ist, man aber aufgrund ihrer schwachen Leuchtkraft nicht sehen kann - so etwa schwarze Löcher oder braune Zwergsterne.

Etwas zu dunkler Energie
Dunkle Energie (oder Vakuumenergie) ist eine der Raumzeit selbst innewohnende Energie. Jeder Punkt des Universums enthält ein bisschen davon. Sie kann nicht fließen oder anderweitig in Aktion treten und damit nicht als Energiequelle dienen. Sie ist völlig passiv und hat die besondere Eigenschaft, abstoßende Gravitation zu generieren. Antigravitation an sich ist also nicht Sci-Fi, sie ist eine Wirkung der dunklen Energie - und lässt das Universum beschleunigt expandieren.

Gravitation wird nicht durch Masse erzeugt...
...sondern durch Energie und Impuls. Druck verhält sich physikalisch wie eine Energiedichte und erzeugt ebenfalls Gravitation - so etwa ist der Druck in einem Neutronenstern direkt ein Beitrag zu seiner Gravitation.
Sogar Licht erzeugt Gravitation, denn es trägt sowohl Energie als auch Impuls - diese sind es, die ein Photonentorpedo schließlich überträgt
Das Licht eines Sterns kann mit seinem Impuls sogar Gaswolken davon abhalten, auf den Stern zu fallen. Sie werden dabei nur durch das Licht alleine fortgedrückt: so etwa beim Stern Eta Carinae.

Haie sind keine Monster - Schwarze Löcher auch nicht
Wenn man die Sonne durch ein schwarzes Loch gleicher Masse ersetzen würde, dann würde sich im Sonnensystem nur eine Sache ändern: es wäre dunkel, also entsprechend kalt.
Die Gravitation des schwarzen Loches aber ist identisch zu jener der Sonne, weil die Masse (Energiemenge) gleich ist. Sie sind also keine allesverschlingenden Monster, wie sie so gerne dargestellt werden.
Allerdings ist es bei einem schwarzen Loch möglich, sehr nahe an den Mittelpunkt desselben heranzukommen. Bei der Sonne oder der Erde ist da die Oberfläche im Weg - und unter der Oberfläche nimmt die Gravitation ab. Nur außerhalb des Körpers nimmt die Gravitation zu, wenn man sich näher heran bewegt. Da ein schwarzes Loch aber sehr klein ist, ist einem da nichts im Weg. Man kommt nahe an den Mittelpunkt und entsprechend auch in Gebiete immer größer werdender Gravitation. Erst in der Nähe wird das Feld also stärker als alles, was ein normaler Himmelskörper erzeugen könnte - schlicht, weil diese eine Ausdehnung haben.

Genau genommen nimmt die Schwere innerhalb der Erde bis zum Rand des inneren Erdkerns zu, bevor sie abnimmt. In der Erde ist alles noch schwerer als auf der Oberfläche. Das liegt daran, dass die Erde im Kern dichter ist als weiter außen.

Alles ist verbunden
Wenn du auf dem Tisch vor dir reibst und ihn erwärmst, springen Elektronen in den Atomen des Tisches auf höhere Energieniveaus. Die Elektronen sämtlicher Atome im ganzen Universum ändern dann gleichzeitig und augenblicklich ebenfalls ihren Zustand. Wenn das nicht so wäre, würde nämlich ein Naturgesetz verletzt: Alle Fermionen (Teilchen mit halbzahligem Spin, wie das Elektron) müssen sich in ihren Quantenzuständen unterscheiden. Wenn irgendwo im Universum ein Zustand verändert wird, passen sich alle anderen Teilchen im Universum unbemerkbar daran an. Es gibt dabei keine Lichtgrenze.

Alles ist noch mehr verbunden
Vielleicht ist dir bekannt, dass das Photon (Lichtteilchen) ein Teil des elektromagnetischen Feldes ist - wie Wasserwellen anschaulich gesagt ein Teil des "Wasserfeldes" eines Sees sind. Eher unbekannt ist dagegen, dass alle Teilchen ein Feld haben. Alle Elektronen z.B. sind Teil eines Elektronenfeldes. Aus diesem Grund wissen sie voneinander und ihren jeweiligen Zuständen, überall im Universum, weil sie eigentlich Teile einer gemeinsamen Sache sind: Wie Ecken eines Würfels. Dies ist wahr für alle Teilchenarten, die wir kennen. Es ist dieser Umstand, welcher der Quantenfeldtheorie und dem Quantenfeld ihre Namen gibt.

Wo dehnt sich das Universum rein?
In die Zukunft.

Warum Glas durchsichtig ist
Man kann ein Buch nur von einer Ebene eines Regals zur nächsten hochheben. Dazwischen gibt es keine Position zum Abstellen. Die Höhe der nächsten Ebene entspricht einer bestimmten Energie, die man gegen die Gravitation der Erde aufbringen muss, um das Buch hochzuheben. Angenommen es kämen tausend kleine Vögel vorbei: keiner von ihnen hat genug Energie, um das Buch auf die nächste Ebene zu schaffen. Also fliegen alle Vögel unverrichteter Dinge weiter.
Nun ersetze Bücherregal durch Glas, ersetzte das Buch durch ein Elektron in der Schale eines Atoms des Glases, und ersetze die Vögel durch Photonen (Lichtteilchen). Photonen sichtbaren Lichtes haben nicht genug Energie, um ein Elektron über die sogenannte "Bandlücke" zu heben (Buch von Ebene 1 auf Ebene 2). Da es keinen Zustand zwischen der Bandlücke gibt, können die Photonen ihre Energie nicht abgeben und müssen weiter fliegen. Also fliegen sie durch das Glas durch.
Ultraviolettes Licht dagegen hat genug Energie, dass es die Elektronen über die Bandlücke heben kann. Deshalb ist Glas für ultraviolette Strahlung (und jedwede höherenergetische Strahlung) nicht transparent.
Außerirdische, die im ultravioletten Licht sehen, würden sich also fragen, warum wir dauernd verträumt gegen Wände starren

Bewegung mit Fast-Lichtgeschwindigkeit
Tödlich. Wenn man sich zunehmend schneller bewegt, wird sämtliches Licht aus der vorderen Umgebung des Raumschiffs zu einem Strahl zusammengezogen - und die Energie erhöht sich ebenfalls. Während der Millenium Falke bei der Beschleunigung länger werdende Sternenstriche sieht, würde ein echtes Raumschiff sehen, wie alles Licht auf einen Punkt zusammenschrumpft. Es würde ein hochenergetischer Lichtstrahl längs durch das Schiff hindurch schießen und es wohl oder übel zerstören. Autsch D:

Hilfe, mir fehlt ein Technobabble! Wie nennen Physiker "überlichtschnell" fachsprachlich?
Superluminar.

Dimensionen sind keine Universen
Rechts und Links, der Freiheitsgrad entlang dieser Linie ist eine räumliche Dimension. Geometrisch gesehen hat eine räumliche Dimension ein positives Vorzeichen. Eine zeitliche Dimension hat den einzigen Unterschied, dass ihr Vorzeichen negativ ist. Beides kann auch umgekehrt gewählt werden, und beides hat ganz und garnichts mit einem anderen Universum zu tun, wie es in der Sci-Fi und in vielen Cartoons gerne benutzt wird.

Antimaterie
Beschreibt sich in der Quantenfeldtheorie wie normale Materie, wenn sie sich in der Zeit rückwärts bewegt. Das bedeutet aber nicht, dass sie das auch tut. Sie kann lediglich so beschrieben werden.

[Agent Scullie]

Die Definition der Einheit Meter und ihre Bedeutung

Wie die meisten sicherlich wissen, wird seit 1983 die Einheit Meter über die Lichtgeschwindigkeit definiert:

"1 Meter ist 1 / 299.792.458 der Strecke, die das Licht im Vakuum in 1 Sekunde zurücklegt."

Nun haben allerdings manche Laien, besonders die SRT-Skeptiker unter ihnen, recht seltsame Vorstellung darüber, was diese Definition genau bedeutet. Einige sind der Meinung, mit dieser Definition des Meters sei die Aussage der SRT, dass die Lichtgeschwindigkeit immer gleich groß ist, bedeutungslos oder zu einer Tautologie geworden, da sie damit ja per definitionem gelte. Einige sind dann auch der Meinung, dass infolgedessen die SRT unwiderlegbar geworden sei: gäbe es, im Widerspruch zur SRT, eben doch Bedingungen, unter denen sich das Licht im Vakuum mit einer anderen Geschwindigkeit als 299.792.458 m/s ausbreitet, so wäre das mit dieser Definition des Meters gar nicht mehr feststellbar.

Laien, die so denken, haben eine grundlegend falsche Vorstellung davon, was es bedeutet, die Einheit einer Größe zu definieren. Um das zu verdeutlichen, werfen wir mal eine kurzen Blick in die Geschichte. Zwischen 1889 und 1960 war die Einheit Meter über den Pariser Meterprototypen (auch Urmeter genannt) definiert:

"1 Meter ist der Abstand zwischen den Mittelstrichen der Strichgruppen auf dem Meterprototypen bei einer Temperatur von 0°C."

Das hieß aber nun keineswegs, dass der Abstand zwischen den Mittelstrichen der Strichgruppen auf dem Meterprototypen per definitionem immer genau 1 Meter gewesen wäre. Ganz im Gegenteil war man sich im Jahr 1889 sehr wohl bewusst, dass dieser Abstand geringfügig schwanken konnte. So wusste man, dass man nur mit endlicher Genauigkeit eine Temperatur von 0°C einstellen konnte - geringfügige Temperaturschwankungen und damit geringfügige Längenschwankungen infolge thermischer Ausdehnung und Zusammenziehung konnte man somit nicht ausschließen. Und man wusste auch, dass sich ein Platin-Iridium-Stab, wie der Meterprototyp einer war, bei langjähriger Lagerung geringfügig verformen und folglich in seiner Länge ändern konnte.

Das alles wusste man. Und dass man trotzdem die Einheit Meter über den Pariser Meterprototypen definierte, zeugt davon, dass damals niemand ernsthaft vorhatte, den Abstand der Mittelstriche auf dem Meterprototypen für per definitionem immer genau gleich zu erklären. Was man vorhatte, war, eine möglichst genaue Definition für die Einheit Meter anzugeben. Eine, von der man zwar wusste, sie mit einer gewissen Ungenauigkeit behaftet war (beim Pariser Meterprototypen lag die relative Ungenauigkeit bei 10^-7, d.h. der Abstand der Mittelstriche konnte zwischen 99,99999 cm und 100,000001 cm schwanken), die aber genauer war als alle sonstigen damals zur Verfügung stehenden.

Später dann, zwischen 1960 und 1983, wurde der Meter über die Wellenlänge der Strahlung, die von Krypton-Atomen beim Übergang zwischen den Zuständen 5d^5 und 2p^10 ausgesandt wird, definiert:

"1 Meter ist das 1.650.763,73-fache der Wellenlänge der von Atomen des Nuklids 86Krypton beim Übergang vom Zustand 5d5 zum Zustand 2p10 ausgesandten, sich im Vakuum ausbreitenden Strahlung".

Analog zum Pariser Meterprototypen war man sich auch da von Anfang an bewusst, dass die Wellenlänge der betreffenden Strahlung keineswegs immer gleich ist, sondern, da die Strahlung eine von null verschiedene Linienbreite hat, in einem gewissen Maße schwankt. Und somit hat auch niemand im Sinn, die Wellenlänge dieser Strahlung für per definitionem immer gleich zu erklären. Auch da ging es darum, eine möglichst genaue Definition für den Meter zu gewinnen: nach damaligem (und auch nach heutigem) Kenntnisstand, ist die Schwankung der Wellenlänge dieser Strahlung so gering, dass eine Genaugkeit von 10^-8 erzielt werden konnte, eine ganze Größenordnung genauer als mit dem Pariser Meterprototypen. Es war (und ist) auch ohne Schwierigkeiten möglich nachzuweisen, dass diese Wellenlänge nicht immer gleich ist, sondern schwankt: man braucht dazu nur die Linienbreite zu bestimmen.

1983 schließlich wurde entschieden, die heutige Definition des Meters, über die Sekunde und die Lichtgeschwindigkeit, einzuführen. Und genauso wie die Definition über den Pariser Meterprototypen nicht bedeutete, dass der Abstand der Mittelstriche auf dem Meterprotoypen per definitionem immer gleich wäre, und die Definition über die Wellenlänge der von Krypton-Atomen ausgesandten Strahlung nicht bedeutete, dass die Wellenlänge dieser Strahlung per definitionem immer gleich wäre (was sie, wie man auch damals schon wusste, erwiesenermaßen nicht ist), bedeutet die heutige Definition nicht, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum per definitionem immer gleich wäre. Sie bedeutet einfach nur, dass durch sie nach heutigem Kenntnisstand der Meter wesentlich genauer definiert ist als durch frühere Definitionen: die heutige Definition der Sekunde (über die Periodendauer der Strahlung, die beim Übergang zwischen zwei Hyperfeinstruktur-Niveaus von Cäsium-Atomen emittiert wird) hat eine Ungenaugkeit von 10^-12, die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist nach heutiger Kenntnis immer gleich und hat demnach die Ungenaugkeit 0, die Ungenauigkeit in der Definition des Meters ist daher, nach heutigem Kenntnisstand, gleich der Ungenaugkeit in der Definition der Sekunde, also ebenfalls 10^-12. Das sind immerhin 4 Größenordnungen genauer als durch die Definition über die Wellenlänge der Strahlung von Krypton-Atomen, und 5 Größenordnungen genauer als durch die Definition über den Pariser Meterprototypen.

Und genauso wie die Definition des Meters über die Wellenlänge der Strahlung von Krypton-Atomen nicht ausschloss, dass man feststellen konnte, dass die Wellenlänge nicht immer gleich ist, sondern schwankt, schließt auch die heutige Definition nicht aus, dass man in der Lage wäre festzustellen, wenn die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit schwanken würde.

Manche Laien deuten die heutige Definition des Meters auch so, dass sie aussagen würde, dass der Raum - also das was man üblicherweise mit der Einheit Meter ausmisst - durch die Zeit und die Lichtgeschwindigkeit generiert würde. Diese Vorstellung ist genauso unsinnig wie die, dass zwischen 1889 und 1960 der Raum durch die Konstruktion des Pariser Meterprototypen generiert worden wäre, oder zwischen 1960 und 1983 durch die von Krypton-Atomen erzeugte Strahlung, oder dass die Zeit durch die von Cäsium-Atomen emittierte Strahlung generiert würde. Die Definition der Einheit einer Größe sagt i.d.R. rein gar nichts über die Natur der betreffenden Größe aus. Die Zielsetzung bei der Definition ist eben nicht, Angaben über die Natur der jeweiligen Größe zu machen, sondern möglichst genau, im Sinne einer möglichst kleinen quantitativen Schwankung, zu sein.

[Mondkalb]

Ein sehr klarer Artikel von Prof. Ulrich Walter zur Krümmung bzw. Flachheit und Gestalt des (beobachtbaren) Universums:

http://www.n24.de/n24/kolumnen/Prof-Ulrich-Walter-Wissenschaft/d/9026092/wie-sieht-unser-universum-denn-nun-in-wirklichkeit-aus-.html

Fragen danach tauchen ja immer mal wieder auf. In dem Artikel finden sich auch anschauliche Illustrationen.

[Tweety]

BEAMEN - KORREKTUR
Beamen unmöglich - das stimmt leider nicht, denn es ist wissenschaftlich bewiesen worden. Nun ist die leidige Frage nach der Quelle, da bitte ich entspechend interessierte im Web zu "graben". Ich führe jedenfalls nicht irre oder profiliere mich mit Falschaussagen (denn ich mag das selbst auch nicht!) Im Versuch kam eine Eigenschaft zum tragen: "Informationen" . Man beamt nicht das Atom an sich, sondern man überträgt seine Informationen. Ein Bleiatom wird immer ein Bleiatom bleiben, seine Zusammensetzung wird an einem Ort entnommen und stetzt sich am Zielort aus der dort vorhanenen Materie wieder zusammen. Es behält dabei laut der Wissenschafter alle Eigenschaften eines Originals, es ist also kein Klon.
Einen ganzen Menschen freilich zu beamen, bedürfte mit unseren heutigen Mitteln einen gigantischen Energiebedarf, es ist da heraus (derzeit) nicht möglich, nicht aber, weil es physikalisch nicht möglich wäre. Das müßte bitte, nach Überprüfung selbstverständlich, korrigiert werden. Das Experiment jedenfalls war ein voller Erfolg. Das ging durch diverse Medien.

Ergänzung:
Hätt ich ja auch gleich raussuchen können. Aber das ist eine Eigenschaft von mir, wenn ich was weiß, dann raus damit, statt erstmal zu sammeln.
Hier ein Beispiel als Quelle:

http://www.abendzeitung-muenchen.de/inhalt.teleportation-koennte-realitaet-werden-forscher-beamen-information-von-einem-teilchen-zum-anderen.de4afa74-c0ad-4d9e-bfaa-83e51935921d.html