Ungelöste Rätsel der Physik

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

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

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

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