Negative Masse im Bose-Einstein-Kondensat. Rückt der Warp-Antrieb näher?

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Historie

Laserkühlung

Evaporative Kühlung

Warp-Antrieb

Spezielle Relativitätstheorie

Äquivalenzprinzip

Interview mit Dr. Stephan Seidel

Fazit

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Einleitung

Die Raumfahrt entwickelt sich stetig weiter, um immer fernere Sterne und Planeten bereisen zu können. Gerade in Zeiten, in denen sich Wissenschaftler schon Gedanken um die Umsiedlung der Menschheit auf andere Planeten machen, stellt sich folglich die Frage nach einem geeigneten Antrieb. Denn mit der heutigen Technik ist es nicht möglich, Exoplaneten, die mitunter Lichtjahre entfernt sind, zu erreichen. Eine aus Science-Fiction Filmen bekannte Antriebsmöglichkeit stellt der Warp-Antrieb dar, zu dessen Funktion allerding negative Masse benötigt werden würde. Kürzlich haben Forscher der Washington State University (nachfolgend WSU) in einem Bose-Einstein-Kondensat (nachfolgend BEK) eben solche negative Masse hergestellt. Sie haben Rubidium-Atome bis auf Bruchteile vor dem absoluten Nullpunkt von -273,15°C oder 0 K heruntergekühlt, wodurch sich die Atome wie eine Welle verhalten. Nach zweiseitiger Bestrahlung durch Laser verhielten sich die Atome wie negative Masse, der Gravitation entgegen.¹ Vielleicht ist der Warp-Antrieb doch nicht nur Science-Fiction, sondern wird in Zukunft zur Realität.

Einen anderen theoretischen Ansatz könnte die Forschung an Bose- Einstein-Kondensaten im Bereich der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein hervorbringen. Aktuell ist eine unbemannte Raumfahrtmission in Planung, in der die Fallgeschwindigkeit von BEKs verschiedener Elemente im Vakuum verglichen werden soll. Nach dem Äquivalenzprinzip, welches einen Teil der allgemeinen Relativitätstheorie ausmacht, müssten beide Atomwolken mit identischer Geschwindigkeit fallen. Wäre dem nicht so, würde dieses Experiment zumindest einen Teil der Arbeit Einsteins widerlegen und somit schlussfolgernd die Korrektheit an sich in Frage stellen.²

Im Zuge meiner Facharbeit werde ich mich auf die oben genannten

Themen, den Warp-Antrieb und die Widerlegung des Äquivalenzprinzips, eingrenzen, da die möglichen Nutzen der Forschung an BEKs auf viele verschiedene und in sich sehr komplexe Gebiete gestreut sind, deren Beleuchtung und Evaluierung den Rahmen dieser Facharbeit sprengen würden.

Da im Internet genügend differenziertes Material zu meinem Thema zu finden ist, werde ich hauptsächlich mit digitalen Quellen arbeiten, auch um eine bessere Nachvollziehbarkeit bei eventuell auftretenden Fragen zu ermöglichen. Außerdem lasse ich ein Interview mit dem deutschen Wissenschaftler Dr. Stephan Seidel von der Universität Hannover einfließen, um die Meinung eines Experten zu den Themen darlegen und analysieren zu können.

Historie

Die Forschung mit extrem tiefen Temperaturen wurde maßgeblich durch den niederländischen Physiker Kamerlingh Onnes initiiert.

Bereits am 10.07.1908 stellte er erstmals flüssiges Helium her, dass er bis auf eine Temperatur von 0,95 K herunterkühlte, für diese Zeit enorm. Außerdem ist er der Entdecker der Supraleitung, bei der der elektrische Widerstand von Materialien ab einer gewissen Sprungtemperatur nicht länger existent ist. Diese Eigenschaft macht man sich heute in vielen hochtechnologischen Geräten zunutze, bei denen noch weitaus niedrigere Temperaturen genutzt werden. Für seine wissenschaftlichen Erkenntnisse erhielt er 1913 den Nobelpreis für Physik.³

Wenige Jahre später sagte Albert Einstein, ausgehend von den Forschungsergebnissen Satyendranath Boses, voraus, dass bei Abkühlungen nahe an den absoluten Nullpunkt ein Bose-Einstein- Kondensat entstehen würde, welchess als Wellenfunktion beschrieben werden kann und in dem alle Teilchen vollkommen delokalisiert, also nach dem quantenmechanischen Superpositionsprinzip angeordnet wären. Demnach lassen sich die vorher einzelnen Atome nur noch als ein großes „Super-Atom“ beschreiben, in dem die einzelnen Atome überall zugleich seien können, sie sind völlig ununterscheidbar.⁴

Einen weiteren entscheidenden Schritt in der Tieftemperaturforschung machte der sowjetische Physiker Kapiza 1937, als er die Suprafluidität von Helium-2 entdeckte, bei der die Viskosität ähnlich wie bei der Supraleitung der elektrische Widerstand verschwindet. Für diese Forschungen erhielt Kapiza 1978 den Physik-Nobelpreis.⁵

Um Gase praktisch auf die für die Entstehung eines Bose-Einstein- Kondensates erforderlichen Temperaturen im Nano-Kelvin Bereich herunter zu kühlen, werden besondere Kühlverfahren benötigt. Das Laserkühlverfahren wurde während der achtziger Jahre erstmals experimentell angewandt, wofür 1997 ein weiterer Nobelpreis im Bereich Physik verliehen wurde.⁶ Dies ebnete den Weg für die erste Realisierung eines Bose-Einstein-Kondensats im Jahre 1995, bei dessen Entstehung auch erstmals das Verfahren der evaporativen Kühlung angewandt wurde, welches quasi simultan am MIT unter Vorstand des Deutschen Ketterle und am JILA unter Vorstand der Amerikaner Cornell und Wieman hergestellt wurde. Dafür erhielten die drei leitenden Wissenschaftler 2001 den Nobelpreis für Physik.⁷ Erst kürzlich ist deutschen Wissenschaftlern von der Universität Hannover ein Durchbruch in der Forschung rund um BEKs gelungen. Da die für die Erschaffung benötigten technischen Aufbauten im Lauf der Jahre immer weiter verkleinert wurden, konnte nun erstmals ein BEK in der Schwerelosigkeit in einer unbemannten Rakete hergestellt und daran experimentiert werden. Diese MAIUS-1-Mission ebnet durch ihre erfolgreiche Durchführung im Januar 2017 den Weg für weitere Missionen, in denen weiter an BEKs geforscht werden kann. In Aussicht stehen MAUIS-2 in 2018 und MAUIS-3 in 2019, bei denen unter anderem das Verhalten der BEKs im Vakuum näher erforscht werden soll.⁸

Laserkühlung

Der erste Schritt zur Herabkühlung eines Gases bis zum Bose- Einstein-Kondensat wird mithilfe der Laserkühlung praktiziert. Dabei fragt man sich vorerst: „Moment, können Materialien mit Lasern nicht nur extrem erhitzt und sogar geschmolzen werden? Wie sollen Lasern etwas kühlen können?“ Zugegeben, die Vorstellung ist schwer, aber wenn man den Mechanismus verstanden hat wird alles sehr klar. Allgemein ist Temperatur nichts anderes als die Bewegung von in unserem Fall Atomen. Je weiter man das Gas dieser Atome herunterkühlt, desto langsamer werden die Atome innerhalb des Gases. Folglich ist eine Kühlung eine Verringerung der Geschwindigkeit der Atome, in unserem Fall innerhalb eines Gases. Wenn Photonen, aus denen Laserlicht besteht, auf Atome des Gases treffen, regen diese Photonen das Atom an und werden von den Atomen absorbiert. Dabei überträgt sich der Impuls des Photons auf das Atom und dieses wird in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt, aus der das Photon auf das Atom traf, es wird sozusagen angeschubst. Da die Verbindung von Atom und Photon aber nicht sonderlich stabil ist, emittiert das Atom das Photon nach einiger Zeit in eine zufällige Richtung. Dadurch wird es durch eine Art Rückschlag in die Richtung entgegengesetzt der Emissionsrichtung des Photons beschleunigt. Da dieser Vorgang hochfrequentiert abläuft, wird das Atom folglich in die Richtung, in die der Laserstrahl auf das Atom trifft, beschleunigt, da die Emittierungsrichtung immer dem Zufall unterliegt und sich die Emittierungsrichtungen somit gegenseitig aufheben. Dieses Prinzip lässt sich nun auch zur Kühlung einsetzen, indem man das zu kühlende Gas von allen Richtungen her mit Lasern bestrahlt. Dadurch werden die Atome in alle Richtungen gleichzeitig abgelenkt, wodurch sie sich kaum noch bewegen können und schließlich immer langsamer werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: K ü hlung eines Atoms durch sechsseitige Lasereinstrahlung

Wenn die Temperatur durch die Bewegung der einzelnen Atome zustande kommt und man diese immer weiter abbremst, da man sie von allen Seiten mit Laserlicht, also Photonen, bestrahlt, sinkt folglich die Temperatur des Gases. Mit dieser Methode lassen sich aber noch keine Bose-Einstein-Kondensate erzeugen, da per Laserkühlung noch nicht die gewünschte extrem niedrige Temperatur erreicht werden kann.^{9 10} Für eine weitere Abkühlung wird in der Forschung die sogenannte evaporative Kühlung eingesetzt, die im Folgenden ebenfalls erläutert wird.

Nach der Laserkühlung folgt auf dem Weg zum Bose-Einstein- Kondensat nur noch die evaporative Kühlung, die umgangssprachlich auch Verdampfungskühlung genannt wird. Dieser Prozess lässt sich durch eine Kaffeetasse veranschaulichen. Gießt man sich heißen Kaffee ein und wartet, kühlt der Kaffee ab. Pustet man zusätzlich leicht auf den noch heißen Kaffee, kühlt sich dieser noch schneller ab, weil mehr Platz für neue „heiße“ Atome geworden ist. Analog dazu werden die Atome des durch die Laserkühlung bereits auf circa 100 μK heruntergekühlten Gases meistens in einer magnetischen Falle (unsere Kaffeetasse) eingefangen. Nun wird mit Strahlung auf das Gas geschossen (das Pusten), wodurch die schnelleren und damit heißeren Atome aus der Falle entweichen können. Schaltet man die Magnetfelder von oben ausgehend Eins nach dem Anderen aus, so entweichen immer mehr der heißeren Atome, wodurch die Temperatur des zurückbleibenden Gases sowie die Masse immer weiter gesenkt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: K ü hlung durch Evaporation hei ß erer Atome

Dieser Prozess dauert einige Minuten, schlussendlich erreicht man aber den Nano-Kelvin-Bereich. Da jetzt eine Gaswolke aus ähnlich niedrig temperierten Atomen vorliegt, verlieren die einzelnen Atome ihre Identität und verschmelzen zu einem neuen Aggregatzustand, dem Bose-Einstein-Kondensat.¹¹

[...]

¹ vgl. Matting, Matthias: Kann Masse negativ sein? 23.01.2017

² vgl. Unbekannter Autor: Erstmalig interferieren ultrakalte Atome im Weltraum. 07.02.2017

³ vgl. Sieland, Agnes: Heike Kamerlingh Onnes. 06.2011

⁴ vgl. Beenakker, Carlo: Einstein papers. Datum nicht angegeben

⁵ vgl. Köthe, Rainer: Bizarres im goldenen Käfig. 27.10.1978

⁶ vgl. Hemmerich, Dr. Andreas: Nobelpreis für Physik - Kühlung von Gasen mit Laserstrahlen. 01.12.1997

⁷ vgl. Dewald, Ulrich: Physik-Nobelpreis für Herstellung eines Bose-Einstein-Kondensats verliehen. 10.10.2001

⁸ vgl. Unbekannter Autor: Erstmalig interferieren ultrakalte Atome im Weltraum. 07.02.2017

⁹ vgl. Unbekannter Autor: Wie kühlt man Atome? Laserkühlung. Datum nicht gegeben

¹⁰ vgl. Kanal Light & Schools: Der Laserkühlschrank - Fast Forward Science 2013. 29.08.2013 Evaporative Kühlung

¹¹ vgl. Kanal Muon Ray: Bose-Einstein Condensate - Coldest Place in the Universe. 17.11.2013