Für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Aktion. Diese Formulierung des dritten Newtonschen Gesetzes hat zwei sehr wichtige Konsequenzen: Erstens gibt es eine physikalische Größe, die immer im Universum erhalten bleibt (Impuls), und zweitens sind die Gesetze der Physik unabhängig von Ihrer Position im Raum gleich. Es scheint, dass nur ein paar Worte, aber in der Tat sind sie kolossal, denn wenn Sie zum Beispiel ein Gerät zwingen möchten, die Bewegung zu ändern, müssen Sie es mit etwas drücken.
Dies können Raketenauspuff, Reifen gegen die Straße, Zugräder auf Schienen oder sogar Photonen sein, die von einem Segel abprallen. Das einzige, was verboten ist, ist das sogenannte Inercoid, Bewegung ohne Reaktion: Aktion ohne Reaktion. Dies soll EMDrive sein - eine "unmögliche" Weltraum-Engine, die kürzlich die NASA-Tests bestanden hat. Wenn es tatsächlich wie angekündigt funktioniert, verstößt es gegen die Gesetze der Physik. Es gibt aber auch eine mögliche Lücke: Vielleicht gibt es eine Reaktion, wir haben sie einfach nicht gefunden. Es ist möglich, dass es Opposition gibt, aber sie ist mit dunkler Materie verbunden.
Nach dem Standardmodell der Kosmologie liegt der größte Teil der Materie im Universum nicht in Form von Atomen oder anderen bekannten Teilchen vor. Nein, die überwiegende Mehrheit der Masse - im Unterschied von 5 zu 1 - ist dunkle Materie. Dunkle Materie kollidiert nicht, vernichtet nicht und interagiert unter keinen bekannten Umständen mehr mit sich selbst oder mit anderer gewöhnlicher Materie, außer unter dem Einfluss der Gravitation. 13,8 Milliarden Jahre später hat es ein riesiges, diffuses kosmisches Netzwerk aus Gravitationsstrukturen und riesigen kugelförmigen Lichthöfen mit einem Durchmesser von über einer Million Lichtjahren gebildet, die Galaxien wie unsere flankieren. Dunkle Materie durchdringt jeden Quadratzentimeter unserer Galaxie, einschließlich aller Objekte auf der Erde, sogar unseres Körpers, wenn auch in kleinen Mengen.
Unter bestimmten Umständen kann dunkle Materie jedoch dazu gebracht werden, je nach ihrer Natur mit sich selbst oder mit gewöhnlicher Materie zu interagieren. Wenn dunkle Materie aus WIMPs besteht (WIMP, ein schwach wechselwirkendes massereiches Teilchen), könnte das Produkt seiner Vernichtung durch Detektoren nachgewiesen werden. Wenn es aus sehr leichten, massearmen Teilchen von Axionen besteht, kann es sich unter bestimmten Bedingungen mit Photonen verbinden. Eines der Experimente zum Auffinden von Axionen ist als ADMX bekannt: das Axion-Experiment der Dunklen Materie. 1983 erfand der Physiker Pierre Sikivi das Axionhaloskop, wobei er die Tatsache ausnutzte, dass ein Axion-Photon-Paar unter bestimmten Bedingungen in einem elektromagnetischen Hohlraum verstärkt werden kann. Zwanzig Jahre später ist ADMX aus dieser Studie hervorgegangen und seitdem suchen Wissenschaftler mit dieser Methode nach Axionen.
Bisher war ihre Suche leider noch nicht von Erfolg gekrönt. Möglicherweise existieren keine Axionen, oder wenn sie keine dunkle Materie sind, haben sie möglicherweise andere Parameter, für die ADMX nicht empfindlich genug ist. Es ist durchaus möglich, dass unterschiedliche elektromagnetische Hohlräume mit unterschiedlichen Eigenschaften Wechselwirkungen mit Axionen aktivieren. Möglicherweise können Photon-Axion-Wechselwirkungen auftreten, und der Hohlraum mit den erforderlichen Parametern führte zur Streuung der Axionen in die bevorzugte Richtung. Es ist unwahrscheinlich, aber durchaus akzeptabel, dass EMDrive ein solcher Hohlraum ist.
Wie es funktioniert? Zu jedem Zeitpunkt passieren dunkle Materieteilchen alle Bereiche des Raums, ohne durch das Vorhandensein von Materie oder anderen Teilchen des Standardmodells eingeschränkt zu werden. In der elektromagnetischen Kavität springen Photonen einer bestimmten Frequenz in alle Richtungen, behalten den Impuls bei und erzeugen keinen Schub. Wenn sich die Photonen jedoch in eine bestimmte Richtung bewegen - zum Beispiel zur Rückseite des Hohlraums - können sie mit Partikeln der dunklen Materie kollidieren. Dies ist:
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- Das Photon ändert seinen Impuls und bewegt sich "etwas weniger rückwärts" und "etwas vorwärts" als vor der Kollision mit einem Teilchen dunkler Materie.
- Das Photon kollidiert mit der Wand des Hohlraums, reflektiert von diesem und sendet einen Impuls in Vorwärtsrichtung für den Hohlraum selbst.
- Ein Teilchen dunkler Materie erhält einen Impuls in genau die entgegengesetzte Richtung: zurück.
- Der Impuls bleibt erhalten, weil die dunkle Materie ihn wegträgt, gleich und entgegengesetzt zu dem, der den Hohlraum absorbiert.
Wenn dies der Fall ist, ist dies ein echter Durchbruch. Da dunkle Materie überall ist, brauchen wir nur eine Energiequelle - keinen Treibstoff -, um durch die Galaxie zu reisen, denn an jedem Punkt im Weltraum werden wir genug dunkle Materie finden. Dies bedeutet, dass wir eine Methode zum Nachweis dunkler Materie erhalten, die versehentlich mit unseren Partikeln kollidiert, und somit deren Existenz bestätigen. Und vor allem verstößt all dies nicht gegen die Gesetze der Physik, da der Impuls erhalten bleibt.
Die EMDrive-Testergebnisse müssen noch bewiesen werden. Es gibt viele mögliche Fehlerquellen, und die Messungen selbst zeigen eine große Unsicherheit darüber, wie viel Schub erzeugt wird. Es ist noch nicht klar, ob es wirklich einen Schub ohne Reaktion gibt oder ob es eine Reaktion gibt, die wir noch nicht gefunden haben.
Und die Erklärung der Dunklen Materie wird ebenfalls zweifelhaft sein, da sie viele Unbekannte erfordert. Aber wenn EMDrive wirklich mit dunkler Energie arbeitet und das Geheimnis der dunklen Materie auf unerwartete Weise ein für alle Mal gelöst wird, wird es unglaublich sein.
ILYA KHEL
