physikBlog | Physik und ihre seltsamen Gedanken

Ron Garan hat aus seinem Bürofenster an der ISS geguckt und Nordlichter (Aurora borealis) beobachtet.

Ron Garan ist Astronaut und zog bis vor kurzem auf der ISS seinen Bahnen um die Erde. Und da oben konnte er bei einer Kaffeepause natürlich wunderbar vor einem Fenster schweben und in die Ferne gucken. Wenn er vor dem Richtigen schwebte, sah er dann natürlich diesen großen blauen Ball, a.k.a. Erde. Und genauso, wie ihr fasziniert aus dem Flugzeug auf die Ministädte am Boden guckt, weil von oben alles irgendwie anders aussieht, gucken auch die Astronauten von der ISS gerne von oben auf die Erde. Bestimmt.

Yuichi Takasaka

Aurora borealis in einer Langzeitaufnahme, diesmal von der Erde aus.

Glücklicherweise hatte Ron gerade eine Kamera dabei, als auf der Erde fancy Naturerscheinungen zu sehen waren und es entstand das faszinierende Bild von oben. Die bunten Streifen, die in der Atmosphäre wabern, nennen sich Polarlichter bzw. im Fachbegriff »Aurora borealis« für ihr Auftreten im Norden. Für den Süden ändert sich das zu »Aurora australis«, sie sind aber das gleiche in grün. Und beide Varianten treten ganz ohne Zusätze von rosaroten Brillen, LSD oder Michael Bay auf, also rezeptfrei und fast ohne Nebenwirkungen für den Beobachter¹. Klasse, oder?

Polarlichter, soso. Hä?

Die grünen streifigen Dinger entstehen als Reaktionen der Atmosphäre auf Beschuss aus dem All. Damit sind natürlich keine bewusst böswilligen Bösewichtaliens gemeint, sondern geladene kosmische Strahlung. Sowas wie Protonen, Elektronen, Helium-Kerne, … alles Krams, der unangenehm wäre, wenn wir ihn direkt abbgekommen würden².
Aber zum Glück haben findige Wissenschaftler vor Milliarden von Jahren zwei Verteidigungslinien um die Erde gebaut: die Atmosphäre und das Magnetfeld. In ihrer Kombination sind sie ziemlich effektiv.

1. Verteidigungslinie: Magnetfeld

NASA

Das Erdmagnetfeld reicht weit ins All und schützt uns vor dem Sonnenwind.

Das Magnetfeld der Erde reicht ziemlich weit über die Atmosphäre hinaus, in dem Bild rechts bekommt man eine kleine Vorstellung davon. Natürlich ist das nicht maßstabsgetreu, aber hilft für den ersten Eindruck.
So Magnetfelder haben die praktische Eigenschaft, dass sie mit geladenen Teilchen interagieren: sie werden abgelenkt. Also die Teilchen, nicht die Magnetfelder. Ein Elektromotor funktioniert genau deswegen: Drahtschlaufen liegen in einem Magnetfeld. Schaltet man jetzt einen (Wechsel-)Strom ein, werden die Schlaufen abgestoßen und der Motor dreht sich wie ein Brummkreisel. Und auch unser Lieblingsbeschleuniger, der LHC, funktioniert durch die magnetische Ablenkung geladener Teilchen.

Weil der Effekt recht stark ist, reicht selbst das relative schwache Magnetfeld der Erde für den Großteil der Teilchen aus und sie werden entlang der Magnetfeldlinien um die Erde herum geführt. Schaut man sich das Bild rechts oben an, sieht man zwei kleine Kerben im sonst rundlichen Magnetfeld: die magnetischen Pole. An ihnen liegen die Magnetfeldlinien derart, dass Teilchen nicht um die Erde herum sondern zur Erde hin geleitet werden. Das betrifft zwar nur einen Bruchteil der gesamten Strahlung, aber immerhin noch einige.

2. Verteidigungslinie: Atmosphäre

CERN

Ein Teilchenschauer breitet sich in der Atmosphäre aus.

Bevor wir auf dem Erdboden von Teilchen durchlöchert werden müssen sie erst durch die Atmosphäre.
Die Atmosphäre kann man sich dabei wie einen römischen Markt mit ganz vielen Besuchern vorstellen: die geladenen Teilchen wollen schnell durch, ecken aber dauernd an. Dadurch werden sie langsamer und wenn es blöd läuft, entsteht eine Schlägerei und die Teilchen sind kaputt. Dann muss ein anderer, nennen wir ihn Sekundärbesucher, loslaufen um Hilfe zu holen. Der eckt dann auch wieder an und das Spiel geht von vorne los.
In der Realität stoßen die Teilchen aus dem All mit Teilchen in der Atmosphäre, werden langsamer, vernichten sich und produzieren andere Teilchen (Sekundärteilchen). Das passiert prinzipiell überall auf der Erde, insbesondere da sich hochenergetische Teilchen nicht so sehr am Magnetfeld stören, und ist relativ langweilig. An den Polen aber führt das Magnetwegeleitsystem von oben zu einer Häufung, so dass eine richtige Römerparty in der Atmosphäre abgeht. Die sorgt in den passenden Atmosphärenschichten³ dafür, dass Moleküle angeregt werden und anfangen zu leuchten wie das Studio 54 an einer Wochenendnacht.

Herkunft der geladenen Teilchen

Wenn man sein Polarlichtbeobachtungszelt im Norden aufgebaut hat, stellt man anhand seines Teekonsums relativ schnell fest, dass die Polarlichter eher im Winter auftauchen und auch über die Jahre hinweg gewisse Intensitätsschwankungen zeigen. Ersteres lässt den findigen Polarforscher einen Zusammenhang zwischen den Positionen von Erde und Sonne vermuten. Die (Sonne, nicht Erde) ist da also auch irgendwie mit drin. Bestätigt wird das durch die Schwankungen, die grob im 12-Jahres-Rythmus laufen und vergleichbar mit der Sonnenaktivität sind.
Sonnenaktivität meint, wieviel Material von der Sonne in die Umgebung geblobbert wird. Das passiert stetig ein bisschen oder immer mal wieder in großen Eruptionen. Eine eindrucksvolle Version davon sieht man in folgendem Video in Aktion:

DirektSolarFlare

Diese Sonneneruptionen schleudern Massen an heißen Protonen und Helium-Kernen, also geladenen Teilchen, von der Sonne weg. Ab dann nennt man sie Sonnenwind. Und wenn auf der Sonnenoberfläche gerade mal wieder viel los ist, kommt etwa zwei Tage später hier auf der Erde auch eine etwas stärkere Briese an, die zum bunten Polarhimmel führt.

physikBlog-Reisetipps zum Polarlichter-Beobachten

Tommy Eliassen

Polarlichter, die Milchstrasse und ein vorbeiziehender Komet – herrlich!

Wenn also der astronomische Wetterbericht bezüglich des Sonnenwinds Besonderes voraussagt, heißt es, die physikBlog-Reisetipps schon ausgedruckt am Kühlschrank hängen zu haben und schnell einen Flieger zu buchen.
Sehen kann man die Polarlichter nämlich besonders gut im hohen Norden, Richtung Polarkreis (also Skandinavien z.B.). Ein klarer Himmel, Nacht und die Abwesenheit von Sonnenbrillen⁴ sind ebenfalls hilfreich, wenn man das schwache Leuchten über einem erkennen will.
Und wenn man sich ein besonders schönes Plätzchen ausgesucht hat, die digitale Spiegelreflexkamera mit extremer Langzeitbelichtung parat hat und im richtigen Moment abdrückt, dann kommt vielleicht so etwas nettes heraus, wie ihr rechts seht.

Profitipp: Handwärmer nicht vergessen!

Sicherheitshinweis: Flipflops sind nicht die geeignete Schuhwahl für Ausflüge in den hohen Norden. Auch nicht in den Süden, übrigens. [↩]
Siehe Fukushima z.B. [↩]
Grün entsteht durch Sauerstoffatome in ca. 100 km Höhe, rot durch Sauerstoffatome in 200 km und blau bis violett durch Stickstoffatome. [↩]
Sorry, Coolnessfaktor. [↩]

Das musiklizenzlich in Deutschland nicht verfügbar ist. Aber ihr könnt ja euren Hintern verstecken. [↩]

Logisch, technisch ist die Entfernungsmessung auch schon ordentlich. [↩]

Sie haben systematischen und statistischen Fehler quadratisch aufaddiert. [↩]

Immer mehr Katzen werden durch ihre außerirdischen Pendants ersetzt. Positiv oder negativ für die Menschheit?

Vor ein paar Wochen wurde ein Paper im Internet heiß diskutiert. Nachrichtenseiten ließen sich zu Schlagzeilen wie »NASA-Wissenschaftler warnen: Aliens könnten die Erde zerstören um andere Zivilisationen zu schützen« hinreißen. Sind etwa die außerirdischen Katzenüberwesen mit ihrem Fellshuttle gelandet und haben gedroht, uns totzuschnurren? Bekamen wir den Hinweis, dass wir bald durch eine intergalaktische Wasserrutsche ersetzt werden würden?
»Aliens könnten die Erde zerstören« – das klingt doch wie gemacht für’s physikBlog!

Der Titel des Papers, um das es geht, ist »Would contact with extraterrestrials benefit or harm humanity? A scenario analysis«, geschrieben von drei US-amerikanischen Autoren in ihrer Freizeit, die sonst für Universitäten und die NASA arbeiten. Im Paper analysieren sie verschiedene Kontaktszenarien mit außerirdischen Intelligenzen, häufig mit Bezug auf Science-Fiction-Literatur und -Filme¹. Dabei, so sagen die Autoren, schrieben sie die erste Arbeit, die sich um eine breitflächige Herangehensweise kümmert und die Spezialszenarien einzelner Werke bündelt. Außer, dass sie einem Drittelautor seine täglichen ~~Brötchen~~ Toastbrote bezahlt, hat die NASA nichts mit dem Kram zu tun.

Es folgt eine Erläuterung der wichtigsten Punkte des Papers. Ich habe für diesen Artikel eine ausführlichere, deutsche Zusammenfassung gemacht, die ihr hier finden könnt.

Die Wissenschaftler unterteilen Kontaktmöglichkeiten in drei prinzipielle Kategorien: Solche, die für die Menschheit gutartig, neutral oder bösartig sind.

Kontakt mit Konfetti

Die meisten Menschen wünschen sich Außerirdischen-Kontakt, bei dem etwas Nützliches² für die Menschheit rum kommt. Innerhalb dieser Positiv-Kategorie wird im Paper in drei Möglichkeiten unterteilt.

Jeremy Zilar

Mit dem Very Large Array konnte man 1974 erstmalig die Mondbewohner detektieren.

Möglichkeit 1: Detektion

Die Menschheit detektiert eine außerirdische Zivilisation. Aber über diese Entdeckung hinaus gibt es keinen Austausch. Implikationen hat das für Physik, Mathematik – und Philosophie und Religion. Letztere müssten vermutlich ihre Weltbilder anpassen³ und fleißig in ihren Schriften redigieren. Das gibt vermutlich ordentlich Stress in der Welt – also warum setzen die Autoren diese Möglichkeit in den pro-Bereich? Sie schreiben dazu, dass das ein falsches Argument sei: Nicht die Detektion des außerirdischen Signals würde einer Religion Stress machen, sondern das eigentliche Vorhandensein der Außerirdischen. Don’t shoot the messenger.

Möglichkeit 2: Kooperation

Die Katzenüberwesen sind der Menschheit kooperativ gesinnt. Und tauschen fröhlich Wissen, Technologie und Antworten auf tagtägliche Problemstellungen⁴ mit uns aus. Die Autoren sprechen an der Stelle eine Vermutung aus: Vielleicht sind alle Außerirdischen, die mit uns Kontakt aufnehmen, zwangsläufig kooperativ? In der Menschheit gäbe es die Tendenz, dass mit erhöhter Evolution auch die Kooperationsbereitschaft ansteigt⁵. Vielleicht lässt sich das ja auf eine Universumsskala erweitern.

Ein wichtiges Standardargument, was sich durch das gesamte Paper zieht: Wenn uns eine außerirdische Zivilisation kontaktiert, ist sie mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlich wesentlich weiter entwickelt als wir. Es wäre einfach ein zu großer Zufall, dass wir eine Zivilisation erwischten, die genau auf unserem Technologiestand ist. Im Vergleich zur gesamten Menschheitsgeschichte sprechen wir einfach noch nicht so lange mit dem Universum.

Alles, außer irdische Planeten.

Möglichkeit 3: Unkooperation⁶

Unkooperative Außerirdische als positiv für die Menschheit? Eine unwahrscheinliche Möglichkeit. Denn eine unkooperative außerirdische Zivilisation ist vermutlich trotzdem technologisch fortschrittlich und das riecht nach keinem guten Ende für die Menschheit. Trotzdem kann man sich ein paar Szenarien für die aktuelle Kategorie ausdenken. Nach bestem Science-Fiction könnten Außerirdische uns angreifen, wir aber dank unseres großartigen Verstands⁷ gewinnen. Wir kämen moralisch gestärkt aus der Sache raus. Positiv.

Egale Extraterresten

Unter welchen Umständen ist das Resultat eines Kontakts mit Außerirdischen neutral für die Menschheit? Entweder, weil sie unsichtbar für uns sind oder sich positive und negative Umstände aufheben.

Möglichkeit 1: Geisteraußerirdische

Außerirdische Intelligenzen könnten für uns unter gewissen Umständen unsichtbar sein. Entweder zufällig, weil wir in einem anderen Bereich des Universums suchen, als sie hineinsenden⁸ – oder aber völlig absichtlich.
Sie beobachten die Erde von weit weg oder sogar ganz nah und verhandeln noch, ob sie mit uns den Fressnapf teilen wollen. Vielleicht sind es ihre Werte⁹, vielleicht warten sie auf einen gewissen Punkt in der Menschheitsgeschichte¹⁰, bevor sie Kontaktaufnehmen.
Beim Beobachten aus dem Nahen könnten sie es sich entweder innerhalb eines Asteroidenhaufens mit ihrem Raumschiff gemütlich machen, oder sie ziehen einfach ihren Unsichtbarkeitsumhang Level 15 an (ihre Technologie ist schließlich hoch entwickelt).
So ganz passt diese Möglichkeit allerdings nicht zum Mission Statement des Papers.

IMDb

In einem Slum von Johannesburg bittet ein Regierungsangestellter einen gestrandeten Außerirdischen um Unterschrift. Eine Szene, wie aus einem Film.

Möglichkeit 2: Mittelwertegalheit

Diese Möglichkeit deckt ab, dass sich die positiven und die negativen Effekte eines Außerirdischenkontakts gegenseitig aufheben.
Zuerst ist da die Detektion von außerirdischer Intelligenz, die dadurch Ernüchterung erfährt, dass sie uns keinen Nutzen bringt: Die außerirdischen Wesen leben etwa in der Atmosphäre eines Gasplaneten oder, noch simpler, versenden durch den interstellaren Äther Kram, der furchtbar langweilig ist.
Dann wiederum könnten wir Kontakt mit einer Zivilisation hergestellt haben, nur um festzustellen, dass es uns jede Menge Anstrengung erfordert, diesen Kontakt zu beiderseitigem Wohlgefallen aufrecht zu erhalten. Die Autoren denken da an District 9, in dem die Gestrandeten in einem Slum-artigen Camp leben und geschützt werden müssen.

Bewusst böswillige Bösewichtaliens

Außerirdische wollen uns vernichten. Weil ihnen danach ist, sie mit einem falschen Tentakel aufgestanden sind, unser Regenwald wunderbar in ihr Sommerhaus passt oder unsere Nasenform darauf hindeuten, dass wir in 1205 Jahren alle Sterne der Galaxie vernichten werden.

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Dieses vieräugige Plastikalien wurde 1254 in einer Höhle bei New York City erlegt. Es plante, wegen ihrer Plastiklosigkeit die Menschheit zu vernichten, konnte aber mit dem im Hintergrund abgebildeten Stein Dingfest gemacht werden.

Möglichkeit 1: Extraterrestrischer Egoismus

Auch Außerirdische haben (intrinsische) Werte. Leben, Wohlstand, die Anerkennung des fliegenden Flauschmonsters. Diese Werte wollen sie uns aufzwingen. Beispiel dafür ist die eigene Menschheitsgeschichte, bei der sich expandierende Zivilisationen missionierend verhalten haben.
Egoistische Außerirdische, die das Ganze etwas materialistischer betrachten, könnten uns versklaven oder gar essen wollen. Die Versklavung hat dabei ein großes Spektrum: Wir könnten Zwangsarbeit verrichten müssen, oder würden in das Wirtschaftssystem der Außerirdischen eingegliedert¹¹. Menschen als Sklaven oder Nahrung — klingt erstmal plausibel. Nicht mehr allerdings, wenn man sich wieder das Standard-Argument einer hochtechnisierten außerirdischen Zivilisation vor Augen führt: Sollten intergalaktische Fluoreszenzsgorillas Arbeits- und Nahrungsprobleme nicht längst durch ihre Technologie gelöst haben?

Die Autoren führen ein Bewertungskriterium an, wie man bereits vor Kontakt mit Außerirdischen ein Indiz auf deren Gesinnung feststellen kann: Schnell expandierende Zivilisationen brauchen dafür Ressourcen, die sie vermutlich nicht selbst aufbringen können. Da käme unsere Erde gelegen. Die kann schließlich wunderbar ausgebeutet werden. Außerirdische, die das tun, sind uns vermutlich böswillig gesinnt. Eine langsam, »nachhaltig« expandierende Zivilisation ist da vermutlich netter — und uns gegenüber kooperativer gesinnt.

Möglichkeit 2: Universalistische Universumsbewohner

Universalisten setzen das Gesamte vor das Einzelne.
Universalistische Außerirdische könnten sich die Erde anschauen und sehen, dass wir furchtbar dumm mit unseren Ressourcen und sogar miteinander umgehen. Vielleicht würden sie intervenieren, weil sie finden: Das geht besser.
Eine Ausfahrt weiter auf der Universalistenautobahn steht das Nutzen gegenüber einer größeren Entität im Universum. Die Erde wird zerstört, weil es dem Gesamtwohl des Universums zuträglich ist. Ein bekanntes Beispiel ist aus Douglas Adams »Per Anhalter durch die Galaxis«, in der die Erde einer hypergalaktischen Expressroute weichen muss.
Gleiches Argument mit kleinem Spin: Außerirdische würden uns vernichten, weil wir zu einer Bedrohung gegenüber anderen Zivilisationen heranwachsen könnten.

»Ups!«-Außerdische: Unbewusste schadhaft

Im letzten untersuchten Fall ist es relativ egal, nach welcher Ideologie die Aliens leben. Sie fügen Mensch und Erde unbewusst Schaden durch ihre Handlung zu.

dotsi

Ein typisches Sandaußerirdischesjunges, kurz nach dem Aufstehen.

Möglichkeit 1: Physische Probleme

Außerirdische sind außer-irdisch und daher Objekte, mit denen noch kein Immunsystem der Welt Kontakt gehabt hat. Entweder ist uns das völlig egal, weil wir in keiner Weise kompatibel mit den Staubsauger-ähnlichen Kreaturen sind, oder es ist völlig verheerend: Keine Antikörper können sich gegen den Beschuss der extraterrestrischen Biologie wehren. Schlimmer noch, könnte unsere ganze Medizin überhaupt nicht in der Lage sein, in einem zeitlich angemessenen Maß die Extraviren zu untersuchen.
Neben eingeschleppten Krankheiten könnten auch ganze Spezies unbewusst von den Außerirdischen mitgebracht werden. Riesenheuschrecken mit 360°-Blick und armgroßen Schwingen, die fröhlich unsere Erde plündern.

Eine etwas andere Kategorie physischer Probleme sind Maschinen, die von außerirdischen geschaffen wurden. Dies setzt wieder voraus, dass die Außerirdischen, mit denen wir Kontakt haben, vermutlich weiter entwickelt sind. Haben sie kleine (oder große) Maschinen gebaut, die autark den Weltraum nach Interessantem (Rohstoffe, Diamanten, Trockenfutter) durchforsten, könnte dort im Design schlichtweg vergessen worden sein, dass andere intelligente Zivilisationen im Universum existieren. Und, zack, wird unser Planet Brutstätte für den großen, allesverschlingenden Sandwurm.

Möglichkeit 2: Informationsinvasion

Nicht nur Menschen können in Invasionsraumschiffe eindringen und kurz vor der Siegeszigarre den Computer des Schiffs abrauchen, auch Aliens könnten uns einen Computervirus zuschicken, der mal eben alles lahm legt.
Die weiteren, etwas esoterischeren Szenarien dieser Kategorie lest ihr besser selber im Paper nach.

Zusammenfassung

Alle besprochenen Szenarien sind durch eines beschränkt: Unsere Vorstellungskraft. Meist sind die Begegnungen immer inspiriert durch einen vergleichbaren Vorgang irgendwann in der Menschheitsgeschichte — oder er setzt Technik voraus, die wir bereits kennen oder uns ausgedacht haben.
Die Wahrscheinlichkeit ist groß, dass es alles völlig anders kommt, wenn so ein Außerirdischenkontakt denn zustande kommt.

Die Autoren sehen ihre Diskussion der Kontaktszenarien eher als Training der Denkweise bei einer Begegnung der dritten Art an.

So geben sie auch Empfehlungen für momentanes Kommunizieren mit dem Weltall: Möglichst wenig Informationen über die menschliche Biologie¹² und nicht selbst wie eine stark-expansive Zivilisation aussehen¹³.

Allerdings nicht immer. Meistens sind es Ausführungen von Wissenschaftlern, die sie besprechen. [↩]
Gutes. [↩]
Oder aber einfach nicht. [↩]
Wie bekämpfen wir den Hunger der Welt? Wie kann es überall Frieden geben? Und wie räume ich die Spülmaschine richtig ein? [↩]
Unterbauung des Arguments: Eine stark exponentielle Evolution auf Universumsskala deute auf eine egoistische außerirdische Zivilisation hin. Exponentielle Evolution funktioniert nicht und kollabiert zwangsläufig. Kollaps = keine Außerirdischen = kein Kontakt mit uns. [↩]
Das ist kein Wort. Na und? [↩]
Und mit Virus. Computervirus. [↩]
Das Äquivalent zu einer trivialen Lösung eines mathematischen Problems. Langweilig also. [↩]
Sie mögen keine Lebewesen mit längeren Haaren als sie selbst. [↩]
Weltenruhm und Anerkennung für lila Physik-Blogs. [↩]
Eine etwas weitere Fassung von »Versklavung«. [↩]
Damit die bösen Aliens da draußen keine Anti-Rote-Blutkörperchen-Waffe bauen können. [↩]
Denn die könnte auch von anderen Zivilisationen früher oder später als Gefahr gedeutet werden. [↩]

physikBild #3: Polarlichter (Aurora borealis)