Hannes Alfvén (1982) - How Space Research Changes our View of the Universe

Three years before the present lecture, in 1979, Hannes Alfvén gave a talk on ”Observations and Cosmology” at the Lindau Meeting. In his talk, he rejected the Big Bang theory and instead advocated a model of the Universe symmetric in matter and anti-matter

I am going to report about the achievements of space research, 25 years of space research, and its application to the more distant regions of space. And I will concentrate on the change it has produced in plasma physics. I think this is an illustration of what Professor Nagel said, that you should not believe in what is accepted today because that may very well change very rapidly. First of all, you may ask is plasma physics of very much importance in astrophysics? If you read the usual text books in astrophysics, you don't think this is the case. But in reality, the stars consist of plasmas and the interstellar medium also of plasmas. And it seems that the universe consists to more than 99% of plasma. In fact, at least by the volume, more than 99.99999999% of plasma. So plasma physics should not be considered to be completely irrelevant to the research of how the universe is structured. To be more specific, plasma physics extends from the laboratory. Typically, this is in a logarithmic scale, that is typically, 1/10 of a metre for a normal experiment. Up to the magnetospheres, the magnetic fields surrounding the earth and the other planets and the sun, that is about 10^8 metres. And then we come up, this is a jump of nine orders of magnitude. By another jump by a factor of one billion, you come up to the galactic phenomena. And a third jump, this is a cosmic triple jump, brings you up to the Hubble distance which is what the big bang believers call the size of the universe. This is 27 orders of magnitude. And laser fusion has extended it downwards by five orders of magnitude more. There are reasons to believe that the basic properties of plasma are the same in the whole region. This is by no means certain. We can trust that it is so in the laboratory and in the magnetospheres because there we have reliable measurements out to this limit. Outside this, the field is necessarily more speculative because of what is called high quality diagnostics. That is, an investigation of the properties of a plasma is possible in the laboratory and as far out as the spacecrafts go. But it is not possible further out. Whether we should believe, accept that plasma changes its properties at the outer reach of space craft or not, this is a thing which we cannot prove. But I think there are good reasons to suppose so. What has happened in this field during the last years? It is especially that the space research has made the magnetosphere accessible to detailed analysis by high quality instruments which are sent out here, and going up and down, up and down and sending signals to the earth which have been interpreted in detail. The result of this is at the same time laboratory research has made a great step forward. To some extent favoured by, to a large extent favoured by the fusion work which is going on there. So far, the fusion research has not given us any energy but it has given us very valuable information which can be used for clarifying the structure of the universe. There has also been much work spent on the translation between laboratory work and the magnetosphere. And the result of this is that we have got a drastic change in our concept of what the plasmas out in space are like. In reality, there are half a dozen different respects in which this change has taken place. And I am going to select a few of them and try to discuss them more in detail. One of the important things is that our concept of the structure of interplanetary, interstellar and intergalactic space has changed drastically. was absolutely empty. It is from that point of view absolutely empty. But not absolutely empty, it is rather empty but the little matter which is between is very important. and this was then considered to be a homogeneous, nebulous gas with dust in it. Space research has given us a new view which you can call the space age concept of space. Namely, that space is highly structurised. It is penetrated by a network of electric currents. And this is something which is of importance in all fields of plasma physics. We know that this is so after this limit there are good reasons to suppose that the whole universe is penetrated by, has this structure, highly structured, penetrated by electric currents. More specifically, what does structured mean? It means that we have discovered a number of phenomena which are strongly inhomogeneous. There are electric double layers which you'll find everywhere in space. These were not believed to exist up to something like five years ago. Now they are very popular. There was, a few weeks ago, a symposium in Denmark where there were 50 of the most prominent people working in this field who discussed the properties of double layers. What is a double layer? If we have an electric current in this direction, then under certain conditions we have the density of the plasma which is fairly homogeneous. This is the density and this line gives the electric potential, the voltage which increases slowly. There is an electric field which drives the current through the plasma. However, when a double layer is produced, the conditions are changed like this, here is the voltage, it makes a sudden jump and then has another constant value and the density changes in a corresponding way. Such double layers were well known in the laboratory since the time of Langmuir about 50 years ago. It was denied that they could be of any importance in space until they were actually discovered. There are such double layers at a height of something like one or two radii above the earth. And this is a picture of the earth and these are magnetic field lines. And here in the equatorial plain at a distance of five or six earth radii you have a plasma flow, sunward plasma flow. This is seen from the night side and that produces an electromotive force here. And this produces electric currents which flow along magnetic field lines to the earth, then through the ionosphere and back again to the equatorial plain. So we have, we are here discussing an astrophysical problem, not in terms of magnetic fields as has usually been done but to the same extent in terms of electric currents. And these electric currents may produce double layers. In here is a double layer at one or two radii. And that means that we have a sudden jump in the voltage there which produces, in which auroras or aurora electrons are accelerated. Here, we have the electromotive force, here the auroral electrons are accelerated and the energy is transferred by the circuit. This is not a hypothetical, theoretical hypothetical picture; it is something which is actually measured by space crafts which have penetrated many times. Of course, there are many details which are still obscure. These double layers may have voltage differences of kilovolts, which you have here, solar flares, it is megavolts or gigavolts and they may be still higher. Then the currents produce filaments. In cosmical physics we are accustomed to the Newtonian attraction. The general gravitation which typically produce, aims at producing spheres, like stars and planets and so on. However, we have also electromagnetic forces. And these electromagnetic forces, they tend to produce filaments. The basic phenomenon is known for a very long time. It is actually, that two parallel currents attract each other. And this produces electric pinches and filamentary structures. And such filamentary structures are common in the universe. Can I have the slides here? And we have good reasons to suppose that whenever you observe a filament, that is just an indication that we have electric currents pinching electric currents there. Can I have the first slide? Yes, this is the sun, this is the solar corona and if you sharpen the picture a little you will see that this has thin, thin, thin filaments in every direction. The sun goddess actually has beautiful hair which you see here. And these filaments are likely to be due to electric currents which produce the so called pinch effect, produce filaments out of it. Next slide. Here is a comet and here you see striations, filaments of the same kind. The tail of a comet is obviously a plasma phenomenon. This was first pointed out by professor Biermann here in Germany. Next slide. Here are photographs of interstellar space, far out in the galaxy. You see thin filaments everywhere. Next slide. Here are other filaments of the same kind. Next slide. Here is an ordinary cosmic cloud which seems to be a homogenous structure. But if you subject it to what is called contrast enhancement technology you get this picture. That is, you put it into a computer and ask the computer to look for contrast. And then you see it is penetrated by filaments, which is a strong indication that there are electric currents also there. Can I have one more slide? Here you have dark lanes which probably are also due to filaments. These are just some arbitrary examples to show you how important the formation of filaments is and what it is likely to be due to. Then come surface currents in space which are also very dramatic. It is actually, to me it was the most important, the most shocking discovery. Namely that if you go out from the earth, measure the magnetic field out from the earth you observe, this is now the distance from the earth, this is the magnetic field. You will observe that it decreases approximately as r ^-3 as it should do, out to something like seven or eight radii. Then it may suddenly change its sign. And this is made very abruptly, in a very, very short distance, some 100 kilometres, less than the distance from here to Paris, for example. And what a space craft records here is that you have constant value here with some fluctuation and then suddenly it jumps over in this way. This demonstrates that there is a thin current layer which separates the plasma controlled by the earth's magnetic field from the plasma controlled by the solar magnetic field. And such double layers, they are found in many places. On Jupiter, Saturn and quite a few other places, comets and so on. We have something like ten different cases where we have such thin, thin filaments. And they separate regions which may have different magnetisations. It goes here like that and outside it goes like this. The regions may also have different temperature, different density, different chemical composition. And if we go out in space, further on, it may be that similar layer separates regions of ordinary matter from anti matter, if we extrapolate it. The awkward thing with such a layer is that you cannot observe it until you penetrate it. I attended a meeting, I attended the arrival of the space probe to Saturn and then it was dramatic, no one saw it and suddenly everybody, the big hole, saw it, here it comes. And this makes it awkward too because if you go out to the interplanetary, to the intergalactic, to the interstellar and intergalactic regions, you may have similar structures there. And they cannot be observed. Now, it is very unpleasant to introduce such a concept if you cannot observe it. But it is still more unpleasant, at least to me, to postulate that at the outer edge of the reach of the space craft, space changes its properties. And this has far reaching consequences for astrophysics in general and not the least for cosmology. If we try to apply all this, to see what changes this makes for astrophysics in general, I think many people are mostly interested in the application to cosmology. And I have tried to concentrate on it. I don't think there is time enough to develop and present a new cosmology here. The application is first of all that space has a cellular structure. And this means that the existence of anti-matter is not excluded. There are a number of very nice arguments against the existence of anti-matter in the universe but these are all based on a concept which we know now is not valid. So we cannot exclude the existence of anti-matter and the universe may very well be symmetric with regard to ordinary matter and anti-matter. Then comes an analysis of the red shift. The red shift demonstrates without any question it must be a Doppler shift and I think it is impossible to avoid that. The red shift demonstrates that the universe or to be more correct, to use the old term, metagalaxy, that means all the galaxies we can observe. It is a synonym to what the big bang believers call the universe. If you plot the red shift, that is the velocity of galaxies and here is the distance to the galaxies, you get this famous Hubble diagram. And people conclude that this proves that there is a linear relation between the expansion and the distance. And that the deviations from a straight line here are due to observational errors. This may very well be so but it is not necessary to make such a conclusion. If you take each individual point and extrapolate backwards in time. You see here that this is now and from here you extrapolate backwards in time and then this is the distance from the earth and in the reference system you see that these do not necessarily coincide in one point. They spread here over a large region and it does not exclude that everything could converge in one point but it does not prove it. It proves that the metagalaxy at present is expanding and that it was once, about ten billion years ago 1/10 of the present size. That is one billion years ago, one billion light years. But this is not proved at all. Furthermore, it has been discovered that space has a hierarchical structure. The hierarchical model was introduced by Charlier long before the big bang, around the beginning of this century. And it's said that stars are aggregated to galaxies, galaxies to what we now should call clusters of galaxies and clusters of galaxies to super clusters and super clusters to some larger units. If this hierarchical structure follows some general law then we can satisfy some conditions the Albert objection and the Seeliger objection to an infinite universe. This was not believed in until 1970, de Vaucouleurs demonstrated, he is a very famous observer, that this really is true. The universe has the galaxies, metagalaxies and so on which are arranged into hierarchical structure. And this is how de Vaucouleurs' diagram looks actually. It is plotted in different coordinates. This is the size of a structure and this is the mass of it. Here you see that the stars are here. This limit, which is very important, that is the Schwarzschild, the Laplace Schwarzschild limit, it means actually that on the other side up here we have black holes. You see here that stars go down and neutron stars may approach the Schwarzschild limit rather much. But if we go out to galaxies and clusters of galaxies and so on, they are very far from the Schwarzschild limit. This is actually given an escape velocity, it's actually two orders of magnitude in density here. So they are four or five orders of magnitude from the Schwarzschild limit. It means that the general theory of relativity comes in here as a correction which is negligible, Then if we extrapolate to the metagalaxy using the same formula, it comes here for orders of magnitude in density from the Schwarzschild limit. So the hierarchical structure of space which de Vaucouleurs introduced in 1970 that was not believed until in the end of the '70's, it was generally pupils and collaborators who made highly sophisticated statistical analysis and did confirm this. So you can say that the hierarchical structure of space is now an observationally confirmed structure. And there is a large void region here which makes it very unlikely that space is closed, which it should be if it is on the other side of the Laplace Schwarzschild limit. I think this is approaching its end. This is the Sand Reckoner which Archimedes has as a title for one of his most famous books. And if I should conclude this, I think that we should not take the generally accepted big bang hypothesis as confirmed by observations. Instead I should like to quote once again what Professor Nagle said and I think that space research has given us so much new information about what the space structures are like. And it is, as far as I can see, unavoidable that this will shake the concept of, the basic concepts of astrophysics in a rather drastic way. So if I should conclude this by giving an advice to the 500 students here, it is that those of you who are interested in astrophysics, should not take the curriculum in the general theory of relativity but instead a very good course in modern plasma physics. Thank you. Applause.

Ich möchte von den Ergebnissen aus 25 Jahren Weltraumforschung und ihrer Anwendung auf die entfernteren Weltraumregionen berichten. Dabei werde ich mich auf die Veränderungen konzentrieren, die sich daraus für die Plasmaphysik ergeben haben. Ich glaube, das wird genau das verdeutlichen, was Professor Nagel schon sagte, dass man nämlich nicht an das glauben sollte, was heute allgemein anerkannt ist, weil sich das sehr schnell ändern könnte. Zunächst mag man sich fragen, ob die Plasmaphysik von großer Bedeutung für die Astrophysik ist. Liest man die üblichen Lehrbücher der Astrophysik, hat man diesen Eindruck nicht. Tatsächlich aber bestehen die Sterne und auch das interstellare Medium aus Plasmen. Und das Universum scheint zu über 99% aus Plasma zu bestehen – zumindest dem Volumen nach zu über 99,99999999% Plasma. Die Plasmaphysik dürfte also nicht völlig irrelevant für die Erforschung der Struktur des Universums sein. Um konkreter zu werden: Die Plasmaphysik erstreckt sich vom Labor, typischerweise im logarithmischen Maßstab, normalerweise 1/10 Meter für ein normales Experiment, bis zu den Magnetosphären, den Magnetfeldern, die die Erde und die anderen Planeten und die Sonne umgeben. Das sind rund 10^8 Meter. Und dann landen wir bei einem Sprung um neun Zehnerpotenzen, bei einem weiteren Sprung um einen Faktor von einer Milliarde, dann sind wir bei galaktischen Phänomenen. Und nach einem dritten Sprung, das ist ein kosmischer Dreifachsprung, sind wir in der Hubble-Entfernung angelangt, die das ist, was die Urknall-Anhänger als die Größe des Universums bezeichnen. Das sind 27 Zehnerpotenzen. Und die Laserfusion hat dies nach unten um fünf weitere Zehnerpotenzen erweitert. Es gibt Gründe für die Annahme, dass die Grundeigenschaften von Plasma in der gesamten Region gleich sind. Dies ist aber keinesfalls gesichertes Wissen. Wir können darauf vertrauen, dass dies im Labor und in den Magnetosphären so ist, weil wir zuverlässige Messungen bis zu dieser Grenze haben. Außerhalb dieses Bereichs ist das Feld zwangsläufig spekulativer. Mit dem, was wir als hochwertige Diagnostik bezeichnen, können wir die Eigenschaften eines Plasmas im Labor und bis in die Regionen erforschen, die mit Raumfahrzeugen erreichbar sind. Aber darüber hinaus ist das nicht möglich. Ob wir glauben bzw.annehmen sollten, dass Plasma seine Eigenschaften jenseits der Reichweite von Raumfahrzeugen verändert oder nicht, ist etwas, was wir nicht nachweisen können. Aber ich denke, es gibt gute Gründe für solche Annahmen. Was ist auf diesem Gebiet in den letzten Jahren passiert? Die Weltraumforschung hat insbesondere die Magnetosphäre für eingehende Analysen zugänglich gemacht, und zwar durch hochwertige Instrumente, die von hier ausgesandt wurden, sich auf und ab bewegen und Signale an die Erde senden, die detailliert ausgewertet wurden. Diese Bemühungen resultierten darin, dass die Laborforschung einen großen Schritt nach vorne gemacht hat. Dies wurde zum Teil, zu einem Großteil durch die dort stattfindenden Fusionsaktivitäten begünstigt. Bisher hat die Fusionsforschung noch nicht zur Energie geführt, aber sie hat sehr wertvolle Informationen erbracht, die zur Klärung der Struktur des Universums genutzt werden können. Es wurde auch intensiv an der Übertragung der Laborarbeiten auf die Magnetosphäre gearbeitet. Infolgedessen hat sich unser Konzept von der Beschaffenheit der Plasmen im Weltraum drastisch verändert. Tatsächlich betreffen diese Veränderungen ein halbes Dutzend unterschiedliche Aspekte. Und ich möchte hier einige auswählen und näher darauf eingehen. Zu den wichtigsten Aspekten zählt die Tatsache, dass sich unser Konzept von der Struktur des interplanetaren, interstellaren und intergalaktischen Weltraums drastisch verändert hat. Vor 50 Jahren galt die allgemeine Auffassung, dass der Raum zwischen den Sternen, den Planeten, den Satelliten, Kometen usw. absolut leer ist. Er ist aus dieser Perspektive absolut leer. Aber nicht absolut leer, er ist ziemlich leer, aber die wenige Materie dazwischen ist von großer Bedeutung. Vor 25 Jahren richtete sich die Aufmerksamkeit auf die interstellare, interplanetare Materie, die damals als homogenes, nebulöses Gas mit Staubinhalten betrachtet wurde. Die Weltraumforschung hat uns eine neue Perspektive eröffnet, die man als Weltraumkonzept des Weltraumzeitalters bezeichnen könnte, dass nämlich der Weltraum stark strukturiert ist. Er ist von einem Netzwerk aus elektrischen Strömen durchdrungen. Und das ist etwas, das in allen Bereichen der Plasmaphysik von Bedeutung ist. Wir wissen, dass dies so ist. Und es gibt gute Gründe für die Annahme, dass das gesamte Universum hinter dieser Grenze von elektrischen Strömen durchdrungen ist und eine solche Struktur, eine solch starke Strukturierung aufweist. Konkreter: Was bedeutet strukturiert? Es bedeutet, dass wir zahlreiche, äußerst inhomogene Phänomene entdeckt haben. Überall im All sind elektrochemische Doppelschichten zu finden, deren Existenz man bis vor ungefähr fünf Jahren nicht für möglich gehalten hätte. Heute stehen sie hoch im Kurs. Vor einigen Wochen fand in Dänemark ein Symposium statt, auf dem 50 der bekanntesten Forscher auf diesem Gebiet die Eigenschaften der Doppelschichten diskutiert haben. Was ist eine Doppelschicht? Wenn ein elektrischer Stromfluss in dieser Richtung besteht, haben wir unter bestimmten Bedingungen die Plasmadichte, die sehr homogen ist. Das hier ist die Dichte und diese Linie hier zeigt das elektrische Potential, die Spannung, die langsam zunimmt. Da ist ein elektrisches Feld, das den Strom durch das Plasma treibt. Wenn jedoch eine Doppelschicht erzeugt wird, ändern sich die Bedingungen, wie hier. Hier ist die Spannung. Sie macht einen plötzlichen Sprung und weist dann einen anderen konstanten Wert auf und die Dichte verändert sich entsprechend. Solche Doppelschichten sind im Labor seit den Arbeiten von Langmuir vor rund 50 Jahren bekannt. Es wurde aber bestritten, dass sie im Weltraum von Bedeutung sein könnten, bis man sie schließlich entdeckt hat. Es gibt solche Doppelschichten in einer Höhe von etwa ein oder zwei Erdradien. Und das hier ist ein Bild der Erde und das sind Magnetfeldlinien. Und hier in der Äquatorialebene in einer Entfernung von fünf oder sechs Erdradien existiert ein sonnenwärtiger Plasmastrom. Dies ist der Blick von der sonnenabgewandten Seite her und hier wird elektromotorische Kraft erzeugt. Und das erzeugt elektrische Ströme, die entlang der Magnetfeldlinien zur Erde, dann durch die Ionosphäre und wieder zurück zur Äquatorialebene strömen. Wir sprechen hier über ein astrophysikalisches Problem, nicht im Sinne von Magnetfeldern wie üblicherweise, sondern gleichermaßen von elektrischen Strömen. Und diese elektrischen Ströme können Doppelschichten erzeugen. Und hier ist eine Doppelschicht bei ein oder zwei Erdradien. Und das heißt, dass wir dort einen plötzlichen Spannungssprung vorfinden, in dem Auroren oder Auroraelektronen beschleunigt werden. Hier haben wir die elektromotorische Kraft, hier werden die Auroraelektronen beschleunigt und die Energie wird durch die Zirkulation übertragen. Dies ist kein hypothetisches, kein theoretisch-hypothetisches Bild, sondern wurde von Raumfahrzeugen, die diese Regionen vielfach passiert haben, tatsächlich gemessen. Dennoch bleiben viele Details bisher im Dunkeln. Diese Doppelschichten können Spannungsdifferenzen aufweisen in einer Größenordnung von Kilovolt, die man hier sieht, Sonneneruptionen, aber auch Megavolt oder Gigavolt und sogar noch darüber. Dann erzeugen die Ströme Filamente. In der kosmischen Physik kennen wir die Newtonsche Anziehungskraft, die allgemeine Gravitation, die typischerweise bestrebt ist, Sphären wie Sterne, Planeten usw. zu erzeugen. Es bestehen aber auch elektromagnetische Kräfte. Und diese elektromagnetischen Kräfte haben die Tendenz, Filamente zu erzeugen. Das Grundphänomen ist seit sehr langer Zeit bekannt. Faktisch ziehen sich zwei Parallelströme gegenseitig an. Und das erzeugt Pinch-Effekte und fadenförmige Strukturen. Und solche fadenförmigen Strukturen sind im Universum verbreitet. Kann ich bitte die Dias haben? Und wir haben gute Gründe für die Annahme, dass zu beobachtende Filamente ein Hinweis darauf sind, dass dort elektrische Ströme, elektrische Ströme mit Pinch-Effekten vorliegen. Kann ich bitte das erste Dia haben? Ja, das ist die Sonne, das ist die Sonnenkorona und wenn man das Bild ein bisschen schärfer stellt, sieht man, dass da in alle Richtungen dünne, sehr dünne Filamente verlaufen. Wie hier zu sehen ist, hat die Sonnengöttin wunderschöne Haare. Und diese Filamente sind wahrscheinlich auf elektrische Ströme zurückzuführen, die den so genannten Pinch-Effekt erzeugen, daraus Filamente erzeugen. Nächstes Dia. Das hier ist ein Komet. Und hier sieht man Streifen, Filamente der gleichen Art. Der Schweif des Kometen ist offensichtlich ein Plasmaphänomen. Das hat erstmalig Professor Biermann hier in Deutschland aufgezeigt. Nächstes Dia. Das sind Fotos des interstellaren Weltraums, weit draußen in der Galaxie. Überall sind Filamente zu erkennen. Nächstes Dia. Hier sind andere Filamente der gleichen Art zu sehen. Nächstes Dia. Hier ist eine normale kosmische Wolke zu sehen, die eine homogene Struktur aufzuweisen scheint. Aber wenn man ein Verfahren anwendet, das als Kontrastoptimierung bezeichnet wird, erhält man dieses Bild. Man speist das Bild dazu in einen Computer ein und lässt ihn nach Kontrasten suchen. Und dann erkennt man, dass die Wolke von Filamenten durchzogen ist – ein deutlicher Hinweis darauf, dass auch dort elektrische Ströme vorliegen. Kann ich bitte das nächste Dia haben? Hier sind Dunkelbänder zu sehen, die wahrscheinlich auch auf Filamente zurückzuführen sind. Dies sind nur zwei beliebige Beispiele, um zu zeigen, welche Bedeutung die Bildung von Filamenten hat und worauf sie wahrscheinlich zurückzuführen sind. Dann kommen wir zu den Oberflächenströmen im Weltraum, die ebenfalls hochdramatisch sind. Für mich war das in der Tat die bedeutendste, die schockierendste Entdeckung. Wenn man von der Erde ausgeht und das Magnetfeld von der Erde aus misst, stellt man fest – das hier ist dann die Entfernung von der Erde und das ist das Magnetfeld – stellt man also fest, dass es abnimmt, ungefähr bei r ^-3, wie zu erwarten, bis ungefähr sieben oder acht Erdradien und dann plötzlich sein Vorzeichen ändern kann. Und das erfolgt ziemlich abrupt, in sehr, sehr kurzer Entfernung, gerade einige hundert Kilometer, weniger als beispielsweise die Entfernung von hier nach Paris. Und hier zeichnet ein Raumfahrzeug einen konstanten Wert mit leichter Fluktuation auf, der dann plötzlich, wie hier, springt. Das belegt die Existenz einer dünnen Stromschicht, die das vom Magnetfeld der Erde gesteuerte Plasma von dem Plasma trennt, das vom Magnetfeld der Sonne gesteuert wird. Solche Doppelschichten sind an vielen Stellen zu finden. Auf Jupiter, Saturn und an mehreren anderen Orten, Kometen usw. Es gibt so ungefähr zehn verschiedene Fälle, wo wir diese sehr dünnen Filamente beobachtet haben. Und sie trennen Regionen voneinander, die unterschiedliche Magnetisierungen aufweisen können. Hier verläuft es so und außen so. Die Regionen können zudem unterschiedliche Temperaturen, eine unterschiedliche Dichte und eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen. Und wenn wir weiter ins Weltall hinausgehen, könnten ähnliche Schichten Regionen mit gewöhnlicher Materie von Regionen mit Antimaterie voneinander trennen. Das Schwierige an diesen Schichten ist die Tatsache, dass man sie erst untersuchen kann, wenn man sie durchdringt. Ich habe an einem Treffen anlässlich der Ankunft der Raumsonde auf dem Saturn teilgenommen. Und das wurde hochdramatisch. Keiner sah etwas und dann sahen es auf einmal alle, das große Loch, hier ist es. Und das macht es so schwierig: Wenn man weiter hinaus geht zu den interplanetaren, interstellaren, intergalaktischen Regionen, hat man dort möglicherweise die gleichen Strukturen. Man kann sie aber nicht beobachten. Natürlich ist die Einführung eines solchen Konzepts sehr unbefriedigend, wenn man es nicht beobachten kann. Aber es ist, zumindest für mich, noch viel unbefriedigender, zu behaupten, dass der Weltraum am äußeren Rand der Reichweite von Raumfahrzeugen seine Merkmale verändert. Und das hat weitreichende Konsequenzen für die Astrophysik generell und nicht zuletzt für die Kosmologie. Wenn wir versuchen, diese Erkenntnisse anzuwenden und zu schauen, welche Änderungen sie für die Astrophysik generell bedeuten, sind wohl viele Menschen am stärksten an der Anwendung auf die Kosmologie interessiert. Und darauf habe ich mich konzentriert. Ich glaube, die Zeit wird hier nicht ausreichen, um hier eine neue Kosmologie zu entwickeln und zu präsentieren. Die Anwendung der Erkenntnisse bedeutet in erster Linie, dass der Weltraum eine zelluläre Struktur aufweist. Und das heißt, dass die Existenz von Antimaterie nicht ausgeschlossen ist. Es gibt zahlreiche sehr gute Argumente gegen die Existenz von Antimaterie im Universum, die aber alle auf einem Konzept basieren, das, wie wir jetzt wissen, ungültig ist. Wir können also die Existenz von Antimaterie nicht ausschließen. Und das Universum könnte hinsichtlich von gewöhnlicher Materie und Antimaterie sehr wohl symmetrisch strukturiert sein. Dann kommen wir zu einer Analyse der Rotverschiebung. Die Rotverschiebung zeigt – es muss fraglos eine Doppler-Verschiebung sein, das lässt sich, so denke ich, nicht vermeiden – die Rotverschiebung also demonstriert, dass das Universum – oder um korrekterweise den alten Begriff Metagalaxie zu benutzen, also alle Galaxien, die wir beobachten können, das ist ein Synonym für das, was die Urknall-Verfechter das Universum nennen … Wenn man die Rotverschiebung darstellt erhält man dieses fabelhafte Hubble-Diagramm. Und viele schlussfolgern daraus, dass es eine lineare Beziehung zwischen der Expansion und der Entfernung geben muss und dass Abweichungen von einer geraden Linie hier auf Beobachtungsfehler zurückzuführen sind. Das könnte sehr gut so sein, aber man muss nicht notwendigerweise zu dieser Schlussfolgerung gelangen. Wenn man jeden einzelnen Punkt nimmt und zeitlich zurück extrapoliert ist das die Distanz von der Erde und sieht man in dem Referenzsystem, dass diese Linien nicht notwendigerweise in einem Punkt zusammentreffen. Sie verteilen sich hier über eine riesige Region und es ist durchaus nicht ausgeschlossen, dass alles in einem einzigen Punkt zusammentreffen könnte, aber das ist hiermit nicht belegt. Es deutet darauf hin, dass die Metagalaxie sich derzeit ausdehnt und dass sie vor rund zehn Milliarden Jahren 1/10 der heutigen Größe hatte. Das war vor einer Milliarde Jahren, einer Milliarde Lichtjahren. Aber dafür gibt es überhaupt keinen Nachweis. Zudem wurde entdeckt, dass der Weltraum eine hierarchische Struktur aufweist. Das hierarchische Modell wurde von Charlier weit vor dem Urknall-Modell so um Beginn dieses Jahrhunderts eingeführt. Und es besagt, dass sich Sterne zu Galaxien zusammenfinden, Galaxien zu Galaxien-Clustern und Galaxien-Cluster zu Super-Clustern und Super-Cluster zu noch größeren Einheiten. Wenn diese hierarchische Struktur einem generellen Gesetz folgt, können wir einige Bedingungen erfüllen, etwa den Einwand von Albert und den Einwand von Von Seeliger in Bezug auf ein unendliches Universum. Dies wurde nicht für möglich gehalten, bis de Vaucouleurs, ein sehr bekannter beobachtender Astronom, 1970 nachgewiesen hat, dass das tatsächlich der Fall ist. Das Universum besteht aus Galaxien, Metagalaxien usw., die in einer hierarchischen Struktur angeordnet sind. Und so sieht die Darstellung von de Vaucouleurs tatsächlich aus. Sie ist in verschiedene Koordinaten eingefügt. Dies hier ist die Größe einer Struktur und dies hier ist ihre Masse. Hier sehen Sie das. Die Sterne sind hier. Dieses Limit hier ist sehr wichtig. Es ist das Laplace-Schwarzschild-Limit, was bedeutet, dass es auf der anderen Seite Schwarze Löcher gibt. Hier sehen Sie, dass sich Sterne zurückbilden und sich Neutronensterne nahezu dem Schwarzschild-Limit nähern können. Aber außerhalb der Galaxien-Cluster usw. sind sie sehr weit vom Schwarzschild-Limit entfernt. Dies ist übrigens in Fluchtgeschwindigkeit dargestellt, es sind hier tatsächlich zwei Zehnerpotenzen der Dichte, sodass sie vier oder fünf Zehnerpotenzen vom Schwarzschild-Limit entfernt sind. Das bedeutet, dass die allgemeine Relativitätstheorie hier als vernachlässigbare Korrektur einfließt, Wenn wir das mit Hilfe der gleichen Formel auf die Metagalaxie extrapolieren, erhalten wir hier vier Dichte-Zehnerpotenzen vom Schwarzschild-Limit. Bis Ende der 70er Jahre hat man nicht an die hierarchische Weltraumstruktur geglaubt, die de Vaucouleurs 1970 postuliert hatte. Es waren in erster Linie Schüler und Kollegen von ihm, die sehr komplexe statistische Analysen durchführten und diese Annahme bestätigten. Man kann also sagen, dass die hierarchische Struktur des Weltraums durch Beobachtungen bestätigt ist. Und es gibt hier eine riesige leere Region, die es sehr unwahrscheinlich macht, dass der Raum geschlossen ist, was der Fall sein müsste, wenn er sich auf der anderen Seite des Laplace-Schwarzschild-Limits befände. Ich glaube, wir nähern uns dem Ende. Dies hier ist der Sandrechner, den Archimedes als Titel für eines seiner bekanntesten Bücher gewählt hat. Und wenn ich meine Ausführungen hier beschließe, so möchte ich betonen, dass wir die allgemein anerkannte Urknallhypothese nicht als durch Beobachtungen bestätigtes Konzept betrachten sollten. Stattdessen möchte ich lieber erneut auf das hinweisen, was Professor Nagle sagte. Ich denke, dass die Weltraumforschung uns eine Fülle von neuen Informationen darüber erbracht hat, wie Weltraumstrukturen beschaffen sind. Und soweit ich das beurteilen kann, ist es unvermeidbar, dass diese Informationen das Konzept, die Basiskonzepte der Astrophysik in ziemlich drastischer Weise durcheinanderbringen werden. Wenn ich den 500 Studenten also hier einen Rat geben darf, dann ist es der: Diejenigen unter Ihnen, die sich für Astrophysik interessieren, sollten nicht keinen Kurs über die allgemeine Relativitätstheorie belegen, sondern ein sehr gutes Seminar über moderne Plasmaphysik wählen. Vielen Dank. Applaus.

Hannes Alfvén (1982)

How Space Research Changes our View of the Universe

Hannes Alfvén (1982)

How Space Research Changes our View of the Universe

Comment

Three years before the present lecture, in 1979, Hannes Alfvén gave a talk on ”Observations and Cosmology” at the Lindau Meeting. In his talk, he rejected the Big Bang theory and instead advocated a model of the Universe symmetric in matter and anti-matter. In 1982 he came back to Lindau, this time with a more general lecture title about space research and its results. In particular he wanted to describe the implications for cosmology of the discoveries made in 25 years of space research. In his introduction, Alfvén quotes the Chairman of the session, Bengt Nagel, at that time the Scientific Secretary to the Nobel Committee for Physics, as saying ”one should not believe in what is believed today, because that may very well change rapidly”. Even though I was not present at the lecture, I think that I can warrant that this is a correct quotation. Nagel was my predecessor as secretary to the Nobel Committee and it is true that he used to say things like that. After the introduction, as a true plasma physicist, Alfvén then spends most of his lecture describing and explaining electric currents and magnetic fields in space. In particular the emphasis is on the then recently discovered electric double layers. These were well known from laboratory plasma physics, but had only recently been discovered by spacecrafts exploring our solar system. He then makes a rather large extrapolation from these interplanetary discoveries to space in general and in particular to a hierarchically structured universe, with stars, galaxies, galactic clusters and superclusters, etc., etc. If this extrapolation is accepted, there is a mechanism that would give rise to a cellular structure in space, where the matter content of each cell would be separated from that in the surrounding cells by double layers. So the main result for Alfvén turns out to be a physical mechanism that would allow a universe symmetric in matter and anti-matter, as described by him in 1979. Always somewhat of a showman, at the very end of his lecture, Alfvén again quotes the Chairman and ends by giving as advise to the young 500 students in the audience: Don’t go for a curriculum of General Relativity but chose Plasma Physics instead!

Anders Bárány

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