In der Kosmologie werden negative Massen als Kandidaten für negative Paralleluniversen und für die Erklärung von Dunkler Materie, Dunkler Energie, kosmische Inflation und das beschleunigte Universum diskutiert. Sowohl negative Massen als auch die mit ihnen zusammenhängenden negative Energien können nicht direkt experimentell mit unseren naturwissenschaftlichen Möglichkeiten in unserem Universum nachgewiesen werden. Sie gelten deshalb als hypothetisch. Entweder gibt es sie grundsätzlich nicht, oder sie können aus speziellen naturwissenschaftlichen Gründen, die noch zu klären sind, nicht in unserer Welt existieren. Da die Naturgesetze für positive Massen bekannt sind, können sie auch für negative Massen angewendet werden, indem man die Massen negativ in die entsprechenden Formeln einsetzt. Man muss dabei allerdings zwischen der Trägheitsmasse und der Gravitationsmasse unterscheiden. In Kombination mit den naturwissenschaftlich bestätigten Vakuumfluktuationen kann mit negativen Gravitationsmassen die Entstehung der riesigen Menge von Materie und Energie in unserem Universum sowie von Paralleluniversen mit jeweils positiver und negativer Masse und Energie ohne Wunder erklärt werden.
Einführung
Erst seit einigen wenigen Jahrzehnten werden negative Massen und negative Energien unter naturwissenschaftlichen Aspekten diskutiert, da unser Universum einerseits einen beträchtlichen Anteil von Dunkler Masse und Dunkler Energie enthält und andererseits, weil es neben der positiven Ladung auch negative Ladungen gibt, die formal den gleichen Gesetzmäßigkeiten folgen. Schon Einstein stellte die Frage: Warum sollte es, wenn es negative Ladungen gibt, keine negativen Massen geben, die sich formal, was das Gravitationsgesetz betrifft, ähnlich verhalten? Dabei ist zu berücksichtigen, dass es neben der gravitativen Masse des Gravitationsgesetzes Fg = Gm1m2/r2 auch die träge Masse gibt, die als formale Masse identisch mit der Gravitationsmasse ist (Äquivalenzprinzip), aber grundsätzlich positiv bleiben muss, damit die Beschleunigung a in der Formel F = ma immer dieselbe Richtung hat wie die einwirkende Kraft F, und damit die Trägheitskraft Ftr = – ma immer gegen die Beschleunigung a gerichtet ist. Unter dieser Voraussetzung unterscheidet sich dieser Artikel von anderen, bei denen die Naturgesetze verletzt werden und bei denen keine Paralleluniversen mit negativer Masse möglich sind. Die Trägheitskraft und die mit ihr zusammenhängende Trägheitsmasse folgt auch anderen Gesetzmäßigkeiten als die Gravitationskraft, da sie ja nicht durch die Austauschwechselwirkung der Masseteilchen zustande kommt, die durch Gravitonen vermittelt wird. Deshalb beziehen wir uns in diesem Artikel bei negativen Massen ausschließlich auf die Gravitationsmassen, negative Trägheitsmassen werden ausgeschlossen.
In einer Welt mit negativen Massen müssten, damit alles so funktioniert wie in unserer Welt mit positiven Massen, die gleichen Gesetzmäßigkeiten wie in unserer Welt gelten, d.h., die negativen Massen müssten sich per Gravitation anziehen und die Beschleunigung a müsste dieselbe Richtung wie die einwirkende Kraft F haben. Dann könnte sich in ihr alles so entwickeln wie in unserem Universum. Die Bewohner einer negativen Welt würden dann dieselben Naturgesetze wie wir mit positiven Massen haben und könnten daher selbst nicht erkennen, ob ihre Massen positiv oder negativ sind.
Naturwissenschaftliche Erkenntnisse entstehen durch Theorien, die experimentell bestätigt werden müssen. Eine Theorie gilt erst nach ihrer experimentellen Bestätigung als naturwissenschaftlich fundiert. Beispielsweise können empirisch entwickelte Naturgesetze (wie z.B. das Newtonsche Grundgesetz und das Gravitationsgesetz) ebenso wie mathematisch formulierte physikalische Theorien, die auf speziellen Annahmen aufbauen (wie beispielsweise die Einstein’sche Relativitätstheorie) experimentell bestätigt werden. Mit den auf diese Weise mit den Naturwissenschaften im Lauf der Zeit angesammelten Erkenntnissen können, vor allem seit den letzten Jahrzehnten, immer mehr Phänomene, Ereignisse, Gesetzmäßigkeiten und Probleme dieser Welt einschließlich der Entstehung unseres Universums und des Lebens ohne Wunder immer besser verstanden werden.
Massen und Ladungen sind Eigenschaften der Materie. Das in den letzten Jahrzehnten entwickelte Standardmodell der Elementarteilchen enthält positive und negative Ladungen aber nur positive und keine negativen Massen. Teilchen mit negativer Masse gelten deshalb als hypothetisch. Dabei stellen sich die Fragen: Warum konnten noch keine negativen Massen nachgewiesen werden? Warum sollte es keine negativen, speziell keine negativen Gravitationsmassen geben? Was würde geschehen, wenn es sie gäbe? Kann es sie nur in unserer Welt nicht geben?
Dunkle Materie und Dunkle Energie
Dunkle Materie ist eine unsichtbare Form von Materie, die etwa 27% der Gesamtmasse des Universums ausmacht und die nur durch ihre gravitativen Effekte indirekt nachweisbar ist. Dunkle Energie ist eine hypothetische Form von Energie, die für die beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich gemacht wird und etwa 68 % etwa der gesamten Energie des Universums ausmacht. Die physikalische Interpretation der Dunklen Materie und der Dunklen Energie ist weitgehend ungeklärt, da ihre Existenz bisher experimentell nicht direkt nachgewiesen werden konnte. Die gängigsten Modelle bringen die Dunkle Energie mit Vakuumfluktuationen in Verbindung.
Dunkle Masse und Dunkle Energie könnten auch auf negative Gravitationsmassen zurückgeführt werden, wird neuerdings argumentiert, was auch die negative Energie der Dunklen Energie erklären würde. Sie könnten allerdings auch durch völlig andere unbekannte Elementarteilchen mit positiven Massen verursacht werden, die anstelle von elektrischen Ladungen durch andere physikalisch unbekannte Eigenschaften beschrieben werden, da sie nicht mit elektromagnetischer Strahlung, also nicht mit Photonen, wechselwirken. Allerdings müssten dann auch ihre gravitativen Massen negativ sein, um die negative Energie der Dunklen Materie zu erklären.
Für Massen gilt das Gravitationsgesetz, so wie für Ladungen das Coulombgesetz gilt, bei denen jeweils das Produkt der jeweils wechselwirkenden Ladungen oder das der wechselwirkenden Massen enthalten ist. In beiden Gesetzmäßigkeiten führt minus mal minus sowie plus mal plus zu einem positiven Ergebnis. Nur bei minus mal plus wird das Ergebnis negativ und deshalb stoßen sich gleichartige Ladungen ab und gleichartige Massen ziehen sich an. Bei ungleichartigen gilt jeweils das Gegenteil. Beide Gesetzmäßigkeiten basieren auf den Fundamentalkräften und der Quantenfeldtheorie, die durch Informationsaustausch zwischen den jeweiligen Ladungen bzw. Massen zustande kommen. Die Austauschteilchen bei Ladungen sind virtuelle Photonen und bei Massen sind es virtuelle Gravitonen. Photonen sind experimentell nachweisbar, aber Gravitonen konnten bisher aufgrund ihrer extrem schwachen Wechselwirkung noch nicht nachgewiesen werden.
Was unterscheidet Antiteilchen von Teilchen mit negativer Gravitationsmasse?
Hypothetische Teilchen mit negativen Massen sind etwas Anderes als die inzwischen naturwissenschaftlich bestens bestätigten Antiteilchen, die durch Änderung des Ladungsvorzeichens entstehen. Dabei wird z.B. aus einem Elektron ein Positron mit gleicher unveränderter positiver Masse, gleichem Spin und gleicher, aber positiver Ladung. Antiteilchen haben immer dieselben positive Massen wie ihre zugehörigen Teilchen.
Das Besondere an Teilchen und Antiteilchen ist, dass sie sich gegenseitig vernichten, dabei entsteht aber wieder ein neues Teilchen, nämlich ein Photon mit der Energie der beiden Teilchen, das aufgrund des Welle-Teilchen Dualismus ebenfalls eine Masse (allerdings keine Ruhmasse) hat. Die Ruhmassen der beiden Ausgangsteilchen und ihre Ladungen sind dabei verschwunden, aber ihre Energie, die wegen E = mc2 proportional zur Masse ist und sowohl beim Teilchen als auch bei dem Antiteilchen positiv ist, nicht!
Völlig anders ist es, wenn sich zwei Teilchen mit entgegen gesetzter, aber gleichgroßer Masse treffen würden. Das ist nur ein Gedankenexperiment, da ja alle Atome und Moleküle unsere Welt ausschließlich aus Elementarteilchen mit positiven Massen aufgebaut sind und keine negativen Gravitationsmassen in unserer Welt zu finden sind. Wenn ein Elementarteilchen unserer Welt auf ein entsprechendes Elementarteilchen mit negativer Masse stoßen würde, dann würden folgende Gesetzmäßigkeiten gelten:
- Das erste Teilchen hat eine positive Masse m1 = m und eine positive Energie E1 = E = mc2 und das zweite eine negative Masse m2 = – m und auch eine negative Energie, wegen E2 = m2c2 = – mc2 = – E.
- Damit ergibt sich bei ihrer Rekombination/Annihilation/Vernichtung sowohl m1 + m2 = 0 als auch E1 + E2 = 0. Die beiden Teilchen würden dabei komplett samt ihrer Energie im Nichts verschwinden. Nichts mehr wäre dann von ihnen übrig.
- Bei dem umgekehrten Prozess könnten demzufolge aus dem Nichts zwei Teilchen mit entgegen gesetzten Massen und Energien ohne Wunder entstehen!
- Wie im Folgenden erklärt wird, ist der umgekehrte Prozess tatsächlich aufgrund von Vakuumfluktuationen möglich.
Da es einen umgekehrten Prozess gibt, stellen sich die Fragen: Was geschieht mit den negativen Masseteilchen und weshalb können wir sie grundsätzlich nicht beobachten?
Vakuumfluktuationen
Einen leeren Raum, in dem absolut nichts geschieht, gibt es aufgrund von Vakuumfluktuationen nicht. Letztere stellen ein faszinierendes, aber auch sehr komplexes Thema in der modernen Physik dar, das auf dem Wellencharakter und der Quantenmechanik kleinster Teilchen beruht und zur Heisenbergschen Unschärferelation führt. Es beschreibt mit 𝛥E ∙𝛥t ≥ ℎ/4𝜋 wie im Vakuum im Zustand niedrigster Energie aufgrund der Quantenmechanik sehr kurzfristig im Zeitintervall 𝛥t und deshalb nicht dauerhaft existierende Teilchen der Energie 𝛥E entstehen können, die deshalb als virtuell bezeichnet werden und sehr klein sind. Dies trifft nur auf die uns bekannten Elementarteilchen zu, was nicht ausschließt, dass es auch unbekannte Elementarteilchen geben kann. Obwohl Vakuumfluktuationen nicht direkt messbar sind, haben sie indirekt Auswirkungen auf messbare Erscheinungen wie den Casimireffekt und den Lambschift der Spektrallinien. Ferner spielen sie eine wichtige Rolle in der Quantenfeldtheorie und für das Verständnis der Vakuumpolarisation sowie der Hawkingsstrahlung.
Aufgrund von Vakuumfluktuationen können neben den im Standardmodell der Elementarteilchen beschriebenen Elementarteilchen, mit denen wir unsere Welt verstehen, im Prinzip auch völlig andere unbekannte Teilchen entstehen. Diese Teilchen könnten dabei nicht nur andere Größen von Spin, Ladung und Masse besitzen, die ihre Eigenschaften und Identitäten charakterisieren, sondern sie könnten anstelle von Spin, Masse und Ladung auch völlig andere Identitäten haben. Ein Beispiel dafür stellt die Dunkle Materie dar, die nicht mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirkt und deshalb auch nicht aus den uns bekannten Elementarteilchen aufgebaut sein kann. Entsprechendes gilt für die zugehörige Dunkle Energie, die deshalb gern als negativ bezeichnet wird, weil sie durch ihre negative Energie -E für die beschleunigte Ausdehnung des Universums verantwortlich gemacht werden kann und wegen E = mc2 auch negative Masse besitzen sollte.
Da die Dynamik der Paarerzeugung durch Quantenfluktuation nicht bekannt ist und auch nicht quantitativ beschrieben werden kann, ist auch nicht bekannt, wieviel Teilchen sowie welche Teilchen pro Sekunde und Raumeinheit produziert werden und auch nicht in welchen Schritten die Materie in Form der uns bekannten Atome aus diesen Teilchen entsteht.
Permanente Massenproduktion ohne Verletzung der Naturgesetze
Unser Universum enthält mit Trillionen Sonnensystemen eine unvorstellbar riesige Menge von Materie und Energie, die kaum in Zahlen zu fassen ist, die aber definitiv irgendwie entstanden sein muss. Wenn man davon ausgeht, dass es grundsätzlich beliebig viele Universen geben könnte, dann würde die Menge sogar unendlich groß. Eine unendlich große Menge kann nur während einer unendlich langen Zeit entstehen. Wie dies ohne Wunder möglich sein könnte, konnte bisher naturwissenschaftlich noch nicht geklärt werden. Ungeklärt ist auch, ob schon vor unserem Universum und außerhalb unseres Universums, also überall und für alle Zeiten die Naturgesetze galten, die allein mit den Eigenschaften unserer Elementarteilchen erklärt werden können, deren Feinabstimmung dann möglicherweise während einer speziellen Art von Mutation und Selektion der Universen erfolgte.
Für die folgenden Überlegungen nutzen wir unsere gesicherten Kenntnisse über die Fundamentalkräfte, insbesondere der Gravitation und der elektromagnetischen Wechselwirkung. Zusätzlich verwenden wir unsere inzwischen ebenso gesicherten Kenntnisse über Vakuumfluktuationen und über die dabei entstehenden virtuellen Teilchenpaare mit positiven und hypothetischen negativen Massen anstelle von virtuellen Teilchenpaaren aus Teilchen und Antiteilchen. Bei unseren Überlegungen sollten keine der uns in unserem Universum und unserer Welt gesicherten Naturgesetze verletzt werden.
Einerseits kann die Produktion von virtuellen Teilchenpaaren mit positiver und negativer Masse durch Vakuumfluktuationen aus dem Nichts zu ihrer sofortigen gegenseitigen Vernichtung führen. Andererseits entsteht aber auch durch die unterschiedlichen Massenvorzeichen und mit den dadurch erzeugten entgegen gesetzten Gravitationskräften eine Abstoßung, die die Annihilation verhindern kann. In diesem Fall bricht das virtuelle Teilchenpaar während seiner kurzen Lebensdauer 𝛥t auseinander und es entstehen aus ihm zwei reale Teilchen mit Massen m und -m und den Energien E und -E, die sich nur durch das Vorzeichen ihrer Masse und ihrer Energie unterscheiden.
Von Bedeutung sind dabei folgende Punkte:
- Durch Vakuumfluktuationen können virtuelle Teilchenpaare mit positiver und negativer Masse entstehen, die nach ihrer kurzfristigen Lebensdauer entweder rekombinieren oder, da sie sich durch die negative Gravitationskraft abstoßen, auch trennen können.
- Wenn sie sich trennen, entstehen aus den virtuellen Teilchen reale Teilchen, bei denen sich sowohl die Massen als auch ihre Energien, die durch E1 = mc2 und E2 = -mc2 gegeben sind, zu Null addieren. Damit wird kein Erhaltungssatz verletzt.
- Da sich positive und negative Massen entsprechend dem Gravitationsgesetz F = G m1m2/r2, das durch Austauschwechselwirkung mittels Gravitonen entsteht, wegen m1 = m und m2 = -m im Gegensatz zu zwei positiven Massen wegen der resultierenden negativen Kraft F = – Gm2/r2 nicht anziehen, sondern abstoßen, werden sie sich grundsätzlich voneinander entfernen und nie wieder zusammenfinden.
- Wenn sie sich trennen, entstehen durch die Gravitationskräfte die kinetischen Energien E1 = mv2/2 und E2 = – mv2/2.
- Da sich positive Massen anziehen, können sie unabhängig von den negativen Massen eine eigene positive Welt bilden. Auch die negativen Gravitationsmassen können durch ihre Anziehungskräfte eine ähnliche eigene negative Welt bilden, die wie unsere funktionieren sollte.
- Positive und negative gravitative Massen und die aus ihnen entstehenden Welten können, da sie sich abstoßen, nie wieder zu null rekombinieren, sodass sowohl die Summe der positiven Massen für sich als auch die der negativen ständig zunimmt.
- Vakuumfluktuationen produzieren damit unaufhaltsam kleinste Teilchen mit positiver und negativer Masse aus dem Nichts, die aus physikalischen Grunden nicht mehr rekombinieren können. Damit kann die Bildung der riesigen positiven Masse und der ebenso riesigen positiven Energie unseres Universums aus dem Nichts über einen unendlich großen Zeitraum ohne Wunder erklärt werden.
Auch in unserem Universum entstehen durch Vakuumfluktuationen Elementarteilchen mit positiver Gravitationsmasse. Was mit ihnen geschieht, ist noch unklar, da die Menge und genaue Art dieser Teilchen, sowie wie sie regieren, unbekannt sind. Sie könnten durch die Strahlung der Sonnen daran gehindert werden, sich an Sonnen oder Planeten anzulagern und einfach nur durch elastische Stöße mit Photonen weggeblasen werden. Aber die Schwarzen Löcher, die alles, was positive Massen hat, gravitativ aufsaugen, können sie problemlos übernehmen. Sie stellen Singularitäten wie die dar, aus der mit dem Urknall unser Universum entstand. Deshalb könnten sie, nachdem sie genügend positive Massen verschluckt haben, im Prinzip mit ihnen in einem neuen Urknall neue Universen bilden. Das unterscheidet sie von der Theorie der pulsierenden Universen, die Albert Einstein zugeschrieben wird, bei dem das Universum als „oszillierendes oder zyklisches Universum“ in einem endlosen Zyklus von Expansion und Kontraktion ewig pulsiert. Diese Vorstellung widerspricht jedoch der beschleunigten Expansion unseres Universums. Mit der steten Produktion von Teilchen mit positiver und negativer Gravitationsmasse durch Vakuumfluktuationen wird diese Theorie aber entscheidend verändert, da das Universum nicht mehr kollabieren muss, um ein neues zu erzeugen, wenn über endlose Zeiträume ununterbrochen riesige Mengen neuer positive und negative Materie und Energie entstehen, die von zahllosen positiven oder negativen Schwarzen Löchern aufgesaugt werden.
Die in unserem Universum durch Vakuumfluktuationen entstehenden Elementarteilchen mit negativer Masse und Energie haben hingegen auf alle Sonnen und Planeten eine abstoßende Wirkung, was im Zusammenhang mit der Dunklen Materie und der Dunklen Energie für die beschleunigte Ausdehnung des Universums verantwortlich gemacht werden kann. So wie die positiven Massen von Schwarzen Löchern mit positiver Masse verschluckt werden, so können auch negative Massen von Schwarzen Löchern mit negativer Masse verschluckt werden.
Schwarze Löcher aus jeweils positiven und negativen Massen stoßen sich ab und können nicht rekombinieren. Schwarze Löcher mit positiven Massen ziehen sich an und können sich so zusammenlagern wie auch solche mit negativen Massen. Wenn dann noch unbekannte spezielle Bedingungen erfüllt sind, können mit Ihnen zahllose neue positive und negative Universen wie unseres über einen Urknall entstehen.
Zusammenfassung
Grundlage der in diesem Artikel vorgestellten Überlegungen zur Entstehung riesiger Mengen von gleichzeitig positiver und negativer Materie und Energie ist ein unendlich ausgedehnter Raum ohne Begrenzung und eine unendlich ewige lange Zeit oder Anfang und Ende, die schon vor unserem Universum existierten und auch nach ihm existieren werden. In diesem unbegrenzten Raum werden durch Vakuumfluktuationen unaufhaltsam positive und negative Materie und Energie unterschiedlichster Art produziert, mit denen sich zahllose Universen sowohl mit positiver Materie wie unseres, als auch solche mit negativer Materie bilden und ausbreiten. Entsprechend der Heisenbergrelation, die mit der Quantenmechanik aufgrund der Welleneigenschaften der kleinsten Teilchen formuliert werden konnte, können sich auch nur die kleinsten Teilchen während ihrer kurzen Lebensdauer so weit voneinander entfernen, dass sie nicht mehr rekombinieren können.
Welche und wie viele virtuelle Elementarteilchen bekannter und unbekannter Art mit positiver und negativer Gravitationsmasse in einem Raum wie z.B. der Größe unseres Sonnensystems laufend erzeugt werden, wissen wir nicht, da die Mechanismen der Fluktuationen unbekannt sind. Mechanismen haben immer etwas mit Informationen zu tun, die verarbeitet werden müssen und einen Willen auszuführen scheinen. Sie spielen beispielsweise als elementarer Geist, genetischer Geist, denkender Geist oder elektronischer Geist bei allen anorganischen und organischen Formen des Lebens eine zentrale Rolle. Der zugehörige Mechanismus und damit der Geist der Vakuumfluktuationen könnte der Ursprung allen Lebens sein. Dies ist aber für unsere aktuellen Überlegungen nicht entscheidend, sondern nur, dass jede beliebige Anzahl gebildeten Teilchen nach unendlich langen Zeiten zu unendlich riesigen Massen und Energien führt.
Nur durch Vakuumfluktuationen können kleinste virtuelle Teilchen, wie wir sie vom Standardmodell der Elementarteilchen kennen, aufgrund der Unschärferelation aus dem Nichts entstehen. Allerdings müssen sie mit negativer und positiver Masse paarweise produziert werden, denn nur dann addieren sich Impuls und Energie der Teilchen jeweils zu null. Entscheidend ist dabei, dass sich die beiden Teilchen des virtuellen Teilchenpaars aufgrund der Gravitationskräfte gegenseitig abstoßen, sodass ihre Rekombination verhindert werden kann. Diese Bedingungen sind ausschließlich für Teilchenpaare aus positiven und negativen Massen erfüllt, aber nicht für Teilchen-Antiteilchenpaare, da für diese die Energie- und Impulserhaltung nicht erfüllt wären und da sie wegen fehlender Abstoßungskräfte auch wieder sofort rekombinieren würden.
Eine unvorstellbar riesige Menge an Materie und Energie eines Universums aus kleinsten Teilchen zu bilden, erfordert viel Zeit und viel Raum. Dies funktioniert nur, wenn der unendlich große leere Raum, in dem sich auch unser Universum befindet, ununterbrochen seit ewiger Zeit durch Vakuumfluktuationen als ewiger Massengenerator gleichzeitig positive und negative Materieteilchen produziert, die aufgrund ihrer negativen Gravitationskräfte nicht mehr rekombinieren und getrennte Welten, d.h. positive und negative Universen bilden können. Da dieser Prozess für positive und negative Gravitationsmassen und ausschließlich positiver Trägheitsmassen im Einklang mit unseren Naturgesetzen ist, stellt er die bisher einzige Erklärung für die Entstehung der riesigen Menge an Materie und Energie unseres Universums und unserer Welt ohne Wunder dar. Die Tatsache, dass dies mit unseren Naturgesetzen erklärt werden kann, bedeutet aber auch, dass sie nicht nur hier und heute, sondern schon immer und überall in Raum und Zeit galten und gelten. Da negative Massen nicht in unserer Welt existieren können, ist es auch unmöglich, sie experimentell zu verifizieren. Was nur in einer anderen Welt existiert, bleibt daher für uns auch für immer hypothetisch.
Dieser Beitrag basiert auf hypothetischen negativen Gravitationsmassen, unbegrenztem Raum und Zeit sowie auch außerhalb unseres Universums unbegrenzt gültigen elementaren Gesetzmäßigkeiten der Mechanik, Quantenmechanik, Quantenfeldtheorie und der Vakuumfluktuationen, mit denen seit Ewigkeiten ununterbrochen positive und negative Massenteilchen erzeugt werden, die nicht mehr rekombinieren können und getrennte Welten mit jeweils positiver und negativer Gravitationsmasse generieren. Da nur elementare, einfach verständliche naturwissenschaftliche Erkenntnisse genutzt wurden, bedarf dieser Beitrag noch einer genauen Analyse der Theoretischen Physik.
