Kann die neue Mission, die SpaceX starten will, die allgemeine Relativitätstheorie wirklich umstoßen?

Einleitung: Die Aufdeckung der wahren Natur der dunklen Materie ist eines der zentralsten Probleme der modernen Kosmologie und sogar Physik. Leider konnte trotz jahrzehntelanger intensiver Suche kein eindeutiger Beweis für die Existenz dunkler Materie gefunden werden. Alternative Theorien zur Dunklen Materie haben also noch Entwicklungspotenzial. Einige Theorien führen sogar zu Schlussfolgerungen, die die Grundlagen der bestehenden Physik auf den Kopf stellen, wie etwa die Hypothese der Quantenträgheit, die Trägheit nicht länger als eine inhärente Eigenschaft von Objekten betrachtet. Die ursprünglich für den 12. Juni geplante Transporter-8-Mission von SpaceX sollte die tatsächliche Wirkung der Quantenträgheitshypothese testen – den IVO-Quantenmotor. Doch wenige Stunden vor dem Start von Transporter 8 gab das Entwicklungsteam des Quantentriebwerks plötzlich bekannt, dass es sich von der Startmission zurückziehen werde.

Geschrieben von | Jiawei

Am 12. Juni (UTC) startete das von Elon Musk gegründete Raumtransportunternehmen SpaceX erfolgreich die Transporter-8-Mission an Bord einer Falcon-9-Rakete. Dem ursprünglichen Startplan zufolge sollte die Mission auch die Machbarkeit eines Hightech-Geräts testen. Das Prinzip dieses Geräts basiert auf der Quantenträgheitshypothese. Das Gerät heißt IVO Quantum Drive und ist ein rein elektrisches Antriebssystem. Das Erscheinungsbild ist wie folgt:

IVO Quantenantriebsmotor | Quelle: IVO Ltd.

Allerdings waren die meisten Physiker offenbar von Anfang an der Meinung, dass es sich bei diesem Experiment um einen pseudowissenschaftlichen Hype und eine Geldverschwendung handelte und dass der IVO-Quantenantrieb definitiv keinen Erfolg haben würde.

Warum steht diese rein theoretische Technologie in der akademischen Gemeinschaft so negativ da? Was bedeutet Quantenträgheit? Das beginnt mit der Entdeckung der dunklen Materie …

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In den 1930er Jahren bemerkte der Schweizer Astrophysiker Fritz Zwicky, dass sich der Coma-Galaxienhaufen zu schnell drehte. Angesichts der Schwerkraft, die durch die Masse der Galaxien entsteht, könnte ihre Zentripetalkraft die Hochgeschwindigkeitsrotation der Galaxien nicht unterstützen – daher hätten die Galaxien auseinanderfallen müssen.

Aber das haben sie offensichtlich nicht getan.

Galaxie M101 mit einer Rotationskurve, die nicht durch sichtbare Materie erklärt werden kann | Bildquelle: NASA/CXC/SAO/D. Hartmann/JPL-Caltech

Im Grunde stehen uns zwei Wege offen: Entweder ist Newtons zweites Gesetz oder sogar das Gesetz der Schwerkraft falsch, oder wir fügen der Galaxie etwas anderes hinzu, um die Masse zu ergänzen.
Das Problem besteht darin, dass Newtons zweites Gesetz unzählige Male bestätigt wurde und eine große Anzahl physikalischer Phänomene erklären kann. Jede Theorie, die versucht, Newtons Gesetz zu ersetzen, muss zunächst in der Lage sein, die Phänomene zu berücksichtigen, die Newtons Gesetz erklären kann. Sowohl psychologisch als auch praktisch würden die meisten Menschen also lieber auf „etwas anderes“ setzen.
Zwicky kam daher zu dem Schluss, dass Galaxienhaufen eine große Menge an Masse enthalten, die wir nicht sehen können – die sogenannte dunkle Materie.
Im Jahr 1980 bestätigte und erweiterte die amerikanische Astronomin Vera Rubin Zwickys Beobachtungen: Die Rotationsgeschwindigkeit fast aller Galaxien ist unverhältnismäßig und die Winkelgeschwindigkeit übersteigt bei weitem die Größe, die ihre Masse aushalten kann.
Spätere Physiker folgten dem gleichen Weg wie Fritz Zwicky und die meisten von ihnen entschieden sich schließlich, auf dunkle Materie zu setzen.
In den Jahrzehnten seitdem haben Wissenschaftler die Hypothese der dunklen Materie wiederholt überprüft und verfeinert. Gleichzeitig bestätigen Beobachtungen der Bullet Galaxy beinahe die Existenz dunkler Materie. Doch das wichtigste Bindeglied, die dunkle Materie selbst, haben die Wissenschaftler nie entdeckt.

Derzeit gibt es von Wissenschaftlern zwei Hauptkandidaten für Dunkle Materie: relativ schwere schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs) und ein hypothetisches extrem leichtes Teilchen namens Axion.

Astronomen der Universität Hongkong schlugen dieses Jahr in der Zeitschrift Nature Astronomy vor, dass die „wahre Identität“ der Dunklen Materie mit Hilfe von „Gravitationslinsen“ und „Einstein-Ringen“ bestätigt werden könne. | Bildquelle: ESA/Hubble & NASA

Es gab zahlreiche Experimente mit dem Ziel, sogenannte Dunkle Materie zu entdecken oder gar zu erzeugen, doch bisher war keines davon erfolgreich.

Obwohl der oben beschriebene Typ des Dunkle-Materie-Modells von vielen Wissenschaftlern allgemein akzeptiert wird, gibt es dennoch einige ungeklärte Aspekte. Eines davon ist ein Problem namens „Galaktischer Halo-Cusp“, das darauf hindeutet, dass die Dichte der dunklen Materie in Galaxien nicht mit den Ergebnissen sogenannter N-Körper-Simulationen übereinstimmt. Es gab also immer eine kleine Gruppe von Physikern, die den zweiten Weg wählten und versuchten, Newtons Gesetze zu revidieren.

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Die Alternative zur dunklen Materie wird als Modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND) oder Milgrom-Dynamik-Rahmen bezeichnet. Diese Theorie – erstmals 1983 vom Physiker Mordehai Milgrom veröffentlicht – besagt, dass wir, wenn wir Newtons zweites Gesetz modifizieren und die Schwerkraft von Galaxien und Sternen neu berechnen, keine dunkle Materie benötigen, um die Massenlücke im Universum zu füllen (eine ausführliche Einführung in die MOND-Theorie finden Sie im vorherigen Artikel von „Fanpu“ „Ein Paar konkurrierender wissenschaftlicher Theorien: Dunkle Materie und modifizierte Gravitationstheorie“).
Die MOND-Theorie wurde als Möglichkeit vorgeschlagen, Daten zur Galaxienrotation zu erklären, ohne die mysteriöse dunkle Materie einzuführen. MOND-Befürworter bieten eine alternative Erklärung: Die Schwerkraft ändert sich, wenn die Beschleunigung unter einen Schwellenwert von 10^(-10) m/s^2 fällt. Diese Idee entspringt keiner fundamentalen Theorie. Überraschenderweise gilt für fast alle Galaxien, ob groß oder klein, jung oder alt, die gleiche Beschleunigungsschwelle.
Bei niedrigen Beschleunigungen ist der Gravitationseffekt im MOND-Modell stärker als der, der durch das klassische Gravitationsgesetz beschrieben wird. Als Nebeneffekt hängt die Bewegung eines Objekts nicht nur von seiner eigenen Masse ab, sondern auch von allen Massen in der Nähe. Dieses Phänomen wird als externer Feldeffekt (EFE) bezeichnet.

Im Jahr 2021 haben Wissenschaftler, die MOND unterstützen, endlich ein MOND-Modell entwickelt, das mit der Relativitätstheorie kompatibel ist. Aber insgesamt fühlt es sich immer noch wie Flickwerk an.

Das Äußerst Unnatürliche daran ist, dass der Schwellenwert von 10^(-10)m/s^2, bei dem Newtons Gesetze versagen, „künstlich festgelegt“ werden muss, um den beobachteten Daten zu entsprechen, und dass hierfür kein zufriedenstellender Grund angegeben wird.

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In dieser Situation versuchten einige Leute, einen dritten Weg zu finden: Mike McCulloch, ein Physiker an der Universität Plymouth, schlug 2007 die Theorie der Quantenträgheit (QI) vor. Dabei handelt es sich um eine Trägheitstheorie, die versucht, mithilfe der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik die Reaktionskraft zu erklären, die auf ein Objekt wirkt, wenn es beschleunigt wird.
Laut QI sieht ein beschleunigendes Objekt einen Rindler-Horizont in der seiner Beschleunigungsrichtung entgegengesetzten Richtung, da die Informationsausbreitung durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist. Der Rindler-Horizont wandelt virtuelle Teilchen in reale Strahlung um, die sogenannte Unruh-Strahlung.
QI geht davon aus, dass der Ereignishorizont die Unruh-Strahlung auf einer Seite des Objekts schwächt, was zu einem Gradienten im Quantenvakuum führt, der auf das Objekt einen Druck in die entgegengesetzte Richtung seiner Beschleunigung ausübt, was der Ursprung der Trägheit ist. Mit anderen Worten: Gemäß der QI-Theorie ist Trägheit keine inhärente Eigenschaft eines Objekts mehr, sondern eine Folge einer bestimmten Schubkraft, die von der Umgebung ausgeübt wird.
In der Relativitätstheorie ist der Raum-Zeit-Hintergrund des Rindler-Horizonts immer noch die Minkowski-Raumzeit. Es verwandelt sich lediglich durch die Wahl eines anderen Koordinatensystems (was durch einen Systemwechsel beseitigt werden kann) in einen Horizont. Diese Art von Horizont wird auch als Koordinatenhorizont bezeichnet. Es ist nur eine Art mathematische Transformation. Aber in QI wird es als eine Art physikalische Realität betrachtet.
Was die Unruh-Strahlung betrifft, bedeutet dies, dass ein beschleunigender Beobachter Schwarzkörperstrahlung beobachten kann, die ein Trägheitsbeobachter nicht sehen kann, d. h., der beschleunigende Beobachter befindet sich in einem warmen kosmischen Hintergrund. Unruh-Strahlung ist ein Konzept, dessen Existenz derzeit theoretisch anerkannt ist und das 1976 mathematisch abgeleitet wurde. Da der tatsächliche Effekt jedoch zu schwach ist, kann er nicht im Labor getestet werden. (Aber letztes Jahr haben Physiker einen Versuchsaufbau vorgeschlagen, mit dem man den Unruh-Effekt auf der Erde experimentell überprüfen könnte, wenn man bereit wäre, Geld auszugeben.)
McCulloch, der die QI-Theorie vorschlug, nahm die Unruh-Strahlung, die ein gewisses Maß an Akzeptanz genießt, als seinen theoretischen Ausgangspunkt. Er musste weder unbekannte Teilchen (wie etwa dunkle Materie) einführen, noch musste er künstlich unerklärliche kritische Schwellenwerte festlegen, um mit Beobachtungen zu kooperieren. Alles ist schön und gut, bis auf eines: QI ist mit der Grundlage und Kernidee der Relativitätstheorie – dem Äquivalenzprinzip – unvereinbar.
Mit anderen Worten: Die Prämisse für die Etablierung von QI ist, dass die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie (Äquivalenzprinzip) falsch ist – Trägheitsmasse und Gravitationsmasse sind nicht dasselbe. Durch die Entkopplung der Trägheits- und Gravitationsmasse eines Objekts behauptet McCulloch, die schnelle Rotation von Galaxien allein anhand der vorhandenen sichtbaren Materie erklären zu können.
QI sagt außerdem voraus, dass sich der Rindler-Horizont bei extrem niedrigen Beschleunigungen, wie sie etwa bei Sternen am Rand einer Galaxie auftreten, so weit verschieben würde, dass er sich dem kosmischen Horizont nähern würde, sodass die Unruh-Strahlung ringsum gleichmäßig schwächer würde und der Trägheitsmechanismus zusammenbrechen würde. Dies erklärt, warum Sterne am Rand einer Galaxie schneller rotieren können als erwartet und dennoch an die Galaxie gebunden bleiben. Daher kann die QI-Theorie die Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien perfekt beschreiben, ohne dass dunkle Materie oder Anpassungen der Newtonschen Mechanik erforderlich wären .

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Obwohl nicht viele Menschen an die QI-Theorie glauben, hat sie einen Vorteil, den die Theorie der dunklen Materie und die MOND-Theorie nicht haben: Es besteht eine unmittelbare Möglichkeit, die Echtheit der Theorie zu testen. Da QI vorhersagt, dass wir Schub und Energie aus einem Vakuum gewinnen können, führt dies zum IVO Quantum Drive, der am Anfang dieses Artikels erwähnt wurde – dem magischen Motor, den McCulloch auf der Grundlage des QI-Prinzips entwickelt hat.

Im Jahr 2018 vergab die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), der Forschungszweig des US-Verteidigungsministeriums, der für die Entwicklung neuer Technologien für militärische Zwecke zuständig ist, einen 1,3-Millionen-Dollar-Auftrag an QI-Forscher zur Erforschung der Quantenträgheit. Dieser Schritt löste rasch Kontroversen aus, da eine beträchtliche Zahl von Physikern glaubt, dass QI eine Pseudowissenschaft sei und die Investition der DARPA in dieses System zu einer verschleierten Unterstützung dieser Pseudowissenschaft wurde.
Der Verdacht dieser Physiker ist berechtigt. Nach der Berechnung entspricht der IVO-Quantenantrieb grundsätzlich dem Perpetuum mobile des ersten Typs ... Befürworter der QI-Theorie behaupten jedoch, dass der IVO-Quantenantrieb nicht selbst Energie erzeugt. Es nutzt die Energie der Umgebung, genau wie beim Segeln mit der Strömung. Es verstößt nicht grundsätzlich gegen Newtons Gesetze oder die Gesetze der Thermodynamik.

Die Frage, warum DARPA in eine derart scheinbar unzuverlässige Technologie investiert, hängt eigentlich mit dem offiziellen Charakter von DARPA zusammen. Ab 2021 besteht ihre Mission darin, „kritische Technologieinvestitionen für die nationale Sicherheit zu tätigen“. Daher hat die DARPA nichts dagegen, angemessen in einige damit verbundene Technologien zu investieren – selbst wenn sich später herausstellen sollte, dass es sich dabei um Pseudowissenschaft handelt, handelt es sich dabei immer nur um läppische Millionen Dollar. Wenn dies gelingt, wäre dies ein beispielloser Durchbruch auf dem Gebiet der Wissenschaft – es scheint sich zu lohnen, das Risiko einzugehen.

Natürlich wird DARPA nicht einfach still und leise Geld investieren. Der Vertrag verpflichtet McCulloch und seine Kollegen dazu, die Machbarkeit dieses flüssigkeitsfreien Motors nachzuweisen. Bei dem sogenannten „fluidless engine“ handelt es sich um einen Motor, der einen Rückwärtsschub erzeugen und sich vorwärts bewegen kann, ohne etwas zu versprühen. Das heißt, Dinge, die dem Impulserhaltungssatz nicht gehorchen. Das IVO-Quantenantriebstriebwerk kann Schub direkt aus dem Vakuum gewinnen, es handelt sich also ebenfalls um ein flüssigkeitsfreies Triebwerk. Die vorherige Generation flüssigkeitsfreier Motoren, der legendäre EMDrive, wurde widerlegt.
Doch jetzt hat IVO, ein in North Dakota ansässiges Unternehmen, die Entwicklung des ersten IVO-Quantenantriebsmotors bekannt gegeben. Ursprünglich war geplant, sie am 12. Juni 2023 an Bord der Transporter-8-Mission von SpaceX zu Testzwecken in eine niedrige Erdumlaufbahn zu bringen. Nun wurde dies vorübergehend dahingehend geändert, dass der Eintritt in den Weltraum im Oktober mit Transporter 9 erfolgt. Dabei handelt es sich um ein Orbitalexperiment, das IVO durchführen muss, um seinen Vertrag mit DARPA zu erfüllen und größere Investitionen anzustreben.

Wie eingangs erwähnt, ist man in der wissenschaftlichen Gemeinschaft im Allgemeinen der Ansicht, dass es sich hierbei um eine Falschmeldung handelt (genau wie bei der ersten Generation flüssigkeitsloser Motoren). Der Fairness halber gestatten Sie mir jedoch, die Stellungnahme der Gegenseite nachstehend wiederzugeben.

Laut der offiziellen Erklärung von IVO handelt es sich beim IVO Quantum Drive Engine um eine drahtlose Energieübertragungstechnologie, die auf der kapazitiven Luftübertragung (CBAT) basiert. CBAT kann die Größe von Satellitenbatterien um 50 % reduzieren und benötigt keinen Treibstoff. Das System kann 52 Millinewton (mN) Schub pro Watt Strom erzeugen und ist deutlich leichter als bestehende Ionentriebwerke. Das System nutzt Solarenergie als Energiequelle und ist unbegrenzt wendig.

Bitte beachten Sie, dass die obige Aussage vollständig auf den eigenen Angaben von IVO beruht. Es „erzeugt einen Schub von 52 Millinewton (mN)“ und so weiter, aber Außenstehende haben keine Versuchsberichte gesehen und können seinen Mechanismus nicht verstehen.

Um Telehey, den derzeitigen Mitbegründer von IVO Ltd., erneut mit seiner enthusiastischen Zukunftsvision zu zitieren: „Der IVO Quantum Drive überwindet die aktuellen Grenzen moderner Raumfahrttechnologie. Er ist der erste rein elektrische Antrieb, der ausschließlich mit Strom betrieben wird. Vorbei sind die Zeiten komplexer Treibstoffsysteme, die spezielle Treibstofflösungen für den Antrieb eines Raumfahrzeugs erfordern. Solange wir Strom haben, haben wir Schub, weshalb erstmals unbegrenztes Delta-V möglich ist. Dank seiner in sich geschlossenen Bauweise ist dies der erste Antrieb, der vollständig in ein Raumfahrzeug integriert werden kann.“

Unsere Zusammenarbeit mit unserem kommerziellen Partner (Rogue Space Systems, der die Brücke zwischen IVO Ltd. und SpaceX geschlagen hat, um dieses Experiment zu ermöglichen) entstand aus unserer gemeinsamen Leidenschaft für Innovation und dem ultimativen Ziel, die menschlichen Fähigkeiten zu erweitern. Seit Jahrtausenden blicken Menschen voller Staunen und Sehnsucht zu den Sternen auf. Jetzt, zum ersten Mal in der Menschheitsgeschichte, haben wir die Möglichkeit, diese weit entfernten Orte zu erreichen und zu berühren. Unsere Organisationen müssen dies ernster nehmen, und gemeinsam werden IVO und Rogue Geschichte schreiben.

Wenn der IVO Quantum Drive die Anwendung der QI-Theorie im Weltraum erfolgreich und überzeugend demonstriert, dann werden sie, wie der Mitbegründer sagt, Geschichte schreiben. Von da an werden Konzepte wie die Arche und das Generationenraumschiff nicht mehr in Science-Fiction-Romanen und -Filmen vorkommen.

Wenn das so ist, wird McCulloch zum Einstein der neuen Ära. Die moderne Physik, sowohl die theoretische Physik als auch die Astrophysik, wird völlig auf den Kopf gestellt. So wie die Relativitätstheorie die Newtonsche Mechanik ersetzte, wird die QI-Theorie die Relativitätstheorie ersetzen und das Konzept der dunklen Materie auf den Müllhaufen der Geschichte befördern. Alle aktuellen und zukünftigen Beobachtungsdaten, wie etwa die Gesamtmasse des Universums, sein Alter, der Radius des sichtbaren Universums usw., müssen durch die Einführung der QI-Theorie neu interpretiert werden.

Entscheidend sei jedoch, ob es „erfolgreiche und überzeugende“ experimentelle Beweise liefern könne. Es würde nicht ausreichen, wenn ein einzelnes Experiment zeigen würde, dass der Quantenantrieb von IVO Schub erzeugen kann. Die erste Generation flüssigkeitsloser Triebwerke zeigte einst Schub, aber nach sorgfältiger experimenteller Planung erfuhren wir, dass der geringe Schub tatsächlich von Umwelteinflüssen herrührte. (Was die Frage betrifft, wie man „überzeugend“ sein kann, müssen wir das Konzept entscheidender Experimente ansprechen. Leider ist der Platz begrenzt und wir können das hier nicht im Detail erklären.) Wenn das Experiment andererseits nicht zeigt, dass der Quantenantrieb Schub erzeugen kann, müssen wir auch berücksichtigen, ob es Störfaktoren gibt, wie etwa eine Störung des Geräts während des Startvorgangs (oder wie es jetzt der Fall ist, wenn das Orbitalexperiment vor dem Start plötzlich verschoben wird). Anhänger der QI-Theorie können sich sogar von IVO Ltd. distanzieren und behaupten, dass IVO lediglich ein betrügerisches Unternehmen sei, das seinen Namen verwende.

Nun, obwohl der Inspektionstermin auf Oktober verschoben wurde, warten wir es ab.

Aktualisierungshinweis: Dieser Artikel wurde ursprünglich 20 Stunden vor dem Start der Transporter-8-Mission veröffentlicht. Doch wenige Stunden vor dem Start (UTC-Zeit 12. Juni) gab IVO Ltd. plötzlich über seinen offiziellen Twitter-Account bekannt, dass die Testmission des IVO-Quantentriebwerks auf den SpaceX Transporter 9 verschoben wurde und im Oktober dieses Jahres starten wird. Daher wurde der Startplan in diesem Artikel auf Grundlage dieser neuesten Nachrichten überarbeitet.

Danksagung: Vielen Dank an Dr. Yusen An von der Fudan-Universität für die Überprüfung dieses Artikels!

Verweise

1 DARPA erforscht die quantisierte Trägheit, eine Theorie, die viele für Pseudowissenschaft halten (vice.com)

2 Eine alternative Trägheitstheorie wird im Weltraum getestet - Universe Today

3 Physik – Alternative zur Dunklen Materie besteht großen Test (aps.org)

4 Hinweise auf „modifizierte Schwerkraft“ stärken die Alternative der dunklen Materie (newatlas.com)

5 Physiker haben einen Weg gefunden, das seltsame Leuchten der Warp-Geschwindigkeitsbeschleunigung auszulösen: ScienceAlert

6 Wie quantisierte Trägheit dunkle Materie beseitigt | Mike McCulloch | TEDxPlymouth University (Mike McCulloch, der Erfinder der Quantenträgheitstheorie, stellte seine Theorie im März 2018 bei TED vor.)

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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