Montag, August 22, 2016

Unsere Zukunft mit Astronomie verstehen

Astronomie kann indirekt Gefahren erkennen

In diesem Blog will ich nicht auf den Aberglauben Astrologie eingehen, sondern auf neuartige Analysen der Geschichte.
Es geht um die Frage, kann uns die Beobachtung der Sterne, fremder Planeten und Galaxien einen Hinweis auf unsere Zukunft geben und insbesondere, können wir dadurch große Gefahren besser einschätzen. Ich will aber nicht an dieser Stelle auf Asteroiden eingehen, die die Erde bedrohen.

Eine kurze Geschichte der Menschheit

Blicken wir auf die Geschichte unseres Universums, das vor 13,8 Mrd. Jahren entstand, dann ist für uns auf der Erde relevant, dass es die Erde schon seit 4 Mrd.  Jahren gibt. Und sehr bemerkenswert ist, dass es bereits kurz danach das erste Leben gab, je nach Analyse begannen biologische Prozesse vor 3,8-3,5 Mrd. Jahren.

Vor etwa 500 Millionen Jahren kam es dann zum Sex mit der Folge, dass das Leben einen unglaublichen Aufschwung genommen hat, in der sogenannten Kambrischen Artenexplosion entstanden innerhalb weniger Millionen Jahre alle grundlegenden Baupläne der Natur, vom Insekt bis zum Wirbeltier. Seit etwa 500 tausend Jahren gibt es Menschen und seit 500 Jahren Bücher. Seit 50 Jahren fliegen wir ins Weltall und bauen Rechner mit Silizium.
Bisher scheint alles glatt gelaufen zu sein, nie ist das Leben oder unsere Zivilisation vernichtet worden. Ob das so bleibt würde man natürlich gerne wissen, und da könnte die Astronomie Hinweise geben.

Die Frage nach den Ausserirdischen

Enrico Fermi stellte die Frage: "Wo sind sie denn?" (Wo sind die Ausserirdischen)
Je nach persönlicher Meinung gibt es Ausserirdische oder eben nicht. 
Ich unterscheide daher die beiden Fälle getrennt.

A. Es gibt keine Ausserirdischen
(siehe auch den Blogbeitrag "Sind wir allein im Weltall")
Folgerung: Wir sind die einzige Zivilisation im Universum und es muss irgendetwas in der Geschichte gegeben haben, das so noch nie auf einem anderen Planeten stattgefunden hat. 
Die Tatsache, dass bereits kurze Zeit nach Abkühlen der Erde erste Einzeller gab, lässt es unwahrscheinlich erscheinen, dass auf anderen Planeten, und davon gibt es Milliarden alleine in unserer Milchstraße, keine Einzeller entstanden sind.

Kritischer scheint schon die Entwicklung höherer Lebensformen zu sein, 80% der Geschichte auf der Erde fand nur mit Einzellern statt! Eine völlig vereinfachte Abschätzung könnte uns vermuten lassen, dass nur jeder 5. Planet mit Leben auch höhere Formen entwickelt.
Danach schien alles rapide auf den Menschen und unsere Zivilisation zuzulaufen.

Damit gäbe es aber immer noch Millionen Planeten in der Galaxie, die mit Zivilisationen überzogen sind. Wenn es also keine gibt, kann das nur bedeuten, dass sich die Zivilisationen sehr schnell selbst zerstören, mit welchen Mittel auch immer. Ich komme darauf noch zurück.

B. Es gibt Ausserirdische
Wenn es Ausserirdische gibt, dann wäre dies aus dieser Sicht höchst erfreulich. Denn es bedeutet, eine Zivilisation kann lange überleben. Bleibt aber noch das Problem, warum wir dann noch keine gefunden haben. (Oder haben wir schon welche gefunden, siehe Blogbeitrag "Erste Super-Zivilisation entdeckt")

Schwierigkeiten bei der Suche nach einer anderen Zivilisation

Sehr leicht machen auch seriöse Wissenschaftler den Fehler, sich Super-Zivilisationen sehr ähnlich zu unserer sich vorzustellen. So gibt es die Suche nach Radiosignalen (SETI), obwohl es schon heute schwer ist, einen Jugendlichen mit Radio zu finden (;-). 

Auch die seriöse Überlegung, welche Signale wir zur Kommunikation innerhalb unserer Zivilisation verwenden, hat sich massiv geändert. Gab es in den 1970 Jahren sehr starke Sender für die Farb-TV Versorgung so haben wir heute Internet in Glasfasern das keinerlei Signale ins Weltall abgibt.
Auch die starken Radarstrahlen zum Erkennen von Flugzeugen oder feindlichen Raketen sind sicher kein dauerhaftes Element unserer Zivilisation. Letztendlich wird man immer versuchen Signale so aufzubereiten, dass sie nur den Empfänger erreichen und damit erzeugt eine Zivilisation kaum unabsichtlich Radiosignale die jenseits des Sonnensystems reichen.

Verbleiben die Zivilisationen, die absichtlich Radiosignale aussenden, weil sie das für die beste Technologie der interstellaren Kommunikation halten. Darüber kann man streiten, faktisch hat man jedoch noch keine Radio Signale, außer vielleicht das WOW! Signal, entdeckt. 

Es gibt noch einige andere uns bekannte Ansätze zu kommunizieren, etwa mit Laser-Strahlen, die sehr gut gebündelt werden können. Zudem kann man bereits heute kurze Laserimpulse erzeugen, die 10 Terawatt haben, mehr Leistung als alle Kraftwerke der Erde zusammen.
Möglich sind auch sehr große Spiegel, die das Sonnenlicht manipulieren. Diese Systeme haben den Vorteil, dass man mit relativ wenig Aufwand die gewaltige Energie der Sonne direkt nutzen kann. Nicht ganz unähnlich zum Handspiegel, der es einem ermöglicht, bei Sonnenschein über weite Entfernungen Lichtsignale zu senden.

Wir sollten Sie mit Astronomie finden

Wenn wir wissen, dass unsere Zivilisation ein wahrscheinliches Ereignis ist und die Abwesenheit von anderen Zivilisationen auf eine große, noch unbekannte Gefahr hinweist, dann sollte man die Suche nach den Ausserirdischen sehr viel intensiver und kreativer betreiben. 

Die Astronomie ist dabei der Schlüssel, denn die Astronomie hat zwei wertvolle Elemente. Zum einem kennt sie den Normalzustand im Universum, welche physikalischen Vorgänge führen zur Abstrahlung unterschiedlichster natürlicher Signale. Denn nur wenn man ein genaues Verständnis der natürlichen Signale hat, hat man eine Chance ungewöhnliche Signale, welcher Art auch immer, zu erkennen.

Zum Zweiten besitzt die Astronomie die besten Geräte zur Beobachtung des Himmels. Das Problem ist allerdings, dass diese Geräte nicht sehr zahlreich sind, daher kann jeweils nur ein winziger Ausschnitt des Himmels kurz beobachtet werden. Es müsste schon ein sehr großer Zufall sein, dass man genau dann an die richtige Stelle sieht, wenn ET zu uns sendet.
Eigene Analyse der Lichtkurve von KIC 8262852


Bemerkenswert ist dabei ein Resultat der Kepler Mission, ein Satellit, der über vier Jahre einen Himmelsausschnitt mit 105 Quadratgrad (Etwa der fünfhundertste Teil des Himmelsgewölbes) genau beobachtet hat. Über 150.000 Sterne wurden kontinuierlich in der Helligkeit verfolgt um Planetendurchgänge zu erkennen. Tatsächlich hat man ca. 3000 Planeten inzwischen gefunden, eine bemerkenswert hohe Zahl, wenn man bedenkt, dass nur Planeten, die zufällig auf der Sichtlinie zwischen Stern und Erde lagen beobachtet wurden.

Ein Stern hatte eine derart starke Helligkeitsänderung, dass der Computer das Signal als "Störung" zunächst nicht weitergegeben hat. Erst die visuelle Betrachtung der Daten durch eine Gruppe freiwilliger Helfer hat den merkwürdigen Verlauf der Helligkeit von KIC 8262852 bemerkt und analysiert. Das Resultat ist höchst bemerkenswert, meiner Ansicht nach ein starkes Indiz für eine Superzivilisation

Würde man den Astronomen mehr Ressourcen für die kontinuierliche Beobachtung des ganzen Himmels zur Verfügung stellen und zudem mehr auf merkwürdige Beobachtungen achten, könnte man wesentlich leichter unbekannte Zivilisationen auffinden. Heute sieht die Situation derartig schlecht aus, dass für die weitere Beobachtung von KIC 8262852 zwar lediglich 100.000€ erforderlich sind, diese aber privat gesammelt werden mussten!

Zukunft bleibt unsicher

Auch wenn es gelingt, eine Superzivilisation zu entdecken, wissen wir nicht ob die ursprüngliche Kultur die die Superzivilisation hervorgebracht hat noch existiert. Man kann ohne große Phantasie sicher sein, dass eine Superzivilisation, die ein Sonnensystem besiedelt eher aus Robotern und superintelligenten Computern besteht als aus biologischen Systemen, die von Wasser, Sauerstoff und vielem Anderem empfindlich abhängig sind.

Nick Bostrom spekuliert in seinem Buch Superintelligence damit, dass die Entwicklung von starker künstlicher Intelligenz, also Software, die vergleichbare Leistungen wie ein Mensch liefert, in sehr kurzer Zeit durch die nutzung der globalen Rechnerkapazität zu einer Superintelligenz werden könnte. Diese würde möglicherweise den Menschen nicht achten und aus irgendeinem Grund die menschheit vernichten. Das Problem ist, dass wir nicht wissen können, was ein System das weitaus klüger ist als wir plant, denkt, umsetzt. Damit haben wir nach auftreten des Systems keine Entscheidungsfreiheit über den Fortgang sondern nur vorher. Noch leben wir vor dem Auftreten der Superintelligenz.

Literatur

Dieser Beitrag basiert zum Teil auf dem Blogbeitrag The Fermi Paradox von Tim Urban,
auf dem Buch Superintelligence: Paths, Dangers, Strategies von Nick Bostrom sowie
aktuellen Informationen zur Analyse von KIC 8262852, diese findet man bei der Website https://www.reddit.com/r/KIC8462852/ 
Die "offizielle" Website zum Stern gibt es hier: http://www.wherestheflux.com/

Dienstag, Juli 19, 2016

Statistik von Klausuraufgaben

Wie baut man eine optimale Prüfung?

Als Professor an der Hochschule hat man die spannende Aufgabe Klausuren zu erstellen und dann auch noch zu korrigieren. Entgegen der Meinung mancher Studenten ist das kein Versuch "auszusortieren" sondern mit einer möglichst fairen Prüfung gerecht Leistung zu bewerten.

Wie schaut die optimale Prüfungsfrage aus?

Eine gute Prüfungsfrage erkennt man meiner Ansicht daran, dass die Antworten von den guten Studenten richtig gegeben werden und dass schwache Studenten damit Schwierigkeiten haben.
Selbstverständlich müssen die Fragen auch inhaltlich sinnvoll sein.
Die Qualität bezüglich der Trennschärfe einer Frage kann man dadurch messen, dass man die erreichten Punkte bei einer bestimmten Aufgabe mit der gesamten Punktzahl vergleicht, die ein Student bei anderen Fragen erreicht. 
Ein guter Student, der viele Punkte sammelt, sollte also auch in einer einzelnen Aufgabe überdurchschnittlich abschneiden. Genau das kann man mathematisch mit einer Korrelationsanalyse messen.
Ich habe das mal für eine meiner letzten Klausuren durchgeführt und dabei gesehen, dass zumindest alle Aufgaben eine positive Korrelation zum Gesamtresultat hatten. 
Die beste Aufgabe erreichte eine Korrelation von 0,7!

Ich darf diese Frage aus der "Einführung in die Wirtschaftsinformatik" hier wiedergeben:
"Welche wesentlichen Aufgaben übernimmt eine Grafikkarte?"

Die geringste, oder besser gesagt keine Korrelation hatte die Frage:
"Wie viele verschiedene Ziffern hat eine Schreibmaschinentastatur?"
(Obwohl die Antwort "10" einfach ist, waren weit weniger als die Hälfte in der Lage die Frage zu beantworten)

Betrachtet man die Prüfungsergebnisse in der Gesamtschau als Grafik erhält man nach dem Sortieren der Aufgaben nach richtigen Ergebnis und Studenten nach Leistung eine interessante Visualisierung der Klausur:

Klausurergebnisse: Nach Rechts verschiedene Studenten, nach Oben verschiedene Aufgaben,
Wert gibt die Qualität der Lösung an. 
Im Idealfall würde es einen linearen Anstieg von links Oben nach rechts Unten geben, aber die Menschen sind natürlich nicht einfach linear einzusortieren. Letztendlich freue ich mich aber, dass es eine doch bemerkenswert homogene Struktur gibt. 

Daraus folgere ich: Es gab genügend leichte und schwere Aufgaben, jeder hatte eine Chance, obwohl ich leider feststellen muss, dass nicht jeder Student seine Chance nutzt und leider ein Drittel das gewünschte Leistungsniveau nicht erreicht hat.

Hinweis zur Berechnung:

Alle Punkte für jede Aufgabe wurden in Excel eingetragen und durch die jeweils mögliche erreichbare Punktezahl dividiert..
Für jeden Teilnehmer wurde die Summe der Punkte errechnet und mit der Funktion: =KORREL(v1,v2) die Korrelation der Aufgaben mit der Gesamtleistung bestimmt.
Zur Visualisierung der Ergebnisse wurde die Funktion "Bedingte Formatierung/Farbskalen" verwendet. Danach wurden die Zeilen und Spalten aufsteigend sortiert.
Ich würde mich freuen, wenn Kollegen mit mir vergleichbare Resultate (anonym!) austauschen.

Sonntag, Juni 12, 2016

Glück gehabt!

Warum große Risiken bisher selten waren


Wir leben in einer Welt, in der man mit ein wenig Chemiewissen und einen Besuch im Baumarkt eine Bombe bauen kann, die mehreren Menschen das Leben nimmt. Leider leben wir in einer Gesellschaft die Menschen hervorbringt die derartige Verbrechen auch begehen.

So schlimm diese Verbrechen sind, so wenig können Sie aber die Existenz der Menschheit ernsthaft gefährden. Dass auch eine andere Welt denkbar werde will ich hier beschreiben.



Nick Bostrom beschreibt in diesem Video Risiken für die Menschheit, 
der Vortrag hat mich zu diesem Blogbeitrag angeregt.

Der Preis einer Atombombe

Mit viel Geld kann man vermutlich einen Killer engagieren, aber der Kauf einer Atombombe erscheint nicht so einfach zu sein. Offensichtlich hat noch keine Privatpersonen eine Atomwaffe erworben und eingesetzt. Dass dies so ist, liegt daran, dass der Bau einer derartigen Waffe enorme Ressourcen erfordert und sehr auffällig ist.

Die Struktur der Gefahr


In der Natur finden extrem zerstörerische Prozesse statt. Das Feuer in unserer Sonne ist Millionen Grad heiß, kein Atom kann dort seine Hülle behalten, geschweige denn ein komplexes Molekül oder gar Leben kann dort existieren. In Galaxien gibt es Schwarze Löcher mit derart gewaltiger Energiefreisetzung, dass man sie noch in vielen Milliarden Lichtjahren Entfernung beobachten kann. Auch die Energie eines Gammabursts [1] überschreitet jegliche menschliche Vorstellung.

Es ist kein Zufall, dass wir noch nie eines dieser Ereignisse von der Nähe gesehen haben, sonst würde nämlich niemand diesen Blog schreiben oder lesen.

Vor Energiefreisetzungen im astronomischen Maßstab sind wir insofern sicher, dass zumindest bisher kein derartiges Ereignis das Leben auf der Erde in den letzten 3,8 Mrd. Jahren ausgelöscht hat, wenngleich einige Ereignisse, insbesondere der Einschlag von Kometen und Meteoriten jeweils umfangreich Arten ausgelöscht hat.

Mit Intelligenz neue Gefahren hervorrufen


Seit der Werkzeugnutzung des Menschen ist eine neue Qualität der Fähigkeiten dazugekommen, die zu einer systematischen Entwicklung von zerstörerisch wirkenden Fähigkeiten geführt hat.

Bei der Entfesselung des Feuers zur Brandrodung hätte theoretisch die Sache sehr schlecht ausgehen können. Man stelle sich eine etwas sauerstoffreichere Atmosphäre und eine etwas weniger feuchte Vegetation vor. Aus dem Versuch einer kleinen Brandrodung hätte ein globales Feuer werden können, das praktisch die gesamte zusammenhängende Landoberfläche zerstört hätte. Warum ist das nicht geschehen?

Nicht weil von Anfang an alle Feuerschutzmaßnahmen peinlich genau eingehalten wurden sondern weil wir auf einem Planeten mit natürlichen Feuerquellen leben. Blitze und Vulkan können seit Anbeginn an Feuer legen. Eine Vegetation, die damit nicht umgehen kann würde nicht existieren und daher ist unsere Umgebung in gewisser Weise „Kindersicher“, sie kann durch einfache Fehler nicht zerstört werden. 
Natürliche Entzündung eines Feuers in Lanzarote an einem Vulkangestein

Die Herstellung von „natürlichem“ Sprengstoff kann nicht erfolgen, da Substanzen, die zu einer heftige Reaktion neigen aus thermodynamischen Gründen nicht entstehen. Der Mensch hat das aber durch das Mischen von chemischen Substanzen überwunden, indem er einzelne Substanzen mit anderen Substanzen vermischt hat, die zusammen sehr wohl extrem schnell viel Energie freisetzen. Das berühmte Schwarzpulver wurde noch zufällig entdeckt und in China dann friedlich zum Bau von Feuerwerksraketen verwendet.

Im 19. Jahrhundert war dann die Chemie so weit entwickelt, dass gezielt explosive Substanzen entwickelt werden konnten, insbesondere der Dynamit, von Alfred Nobel erfunden, war ein Segen, aber auch ein Desaster in der weiteren Weltgeschichte.

Doch die Energie in einer chemischen Reaktion ist begrenzt, zunächst muss man etwa die gleiche Energiemenge in einer Chemiefabrik der Substanz zuführen um sie dann später innerhalb extrem kurzer Zeit freizusetzen. Der Aufwand der Energiegewinnung ist so groß, dass keine chemischen Sprengstoffe in Mengen existieren, die global Schaden anrichten können [2].

Eine neue Kategorie: Kernwaffen


Die Kernenergie kann pro Masse etwa eine Million Mal mehr Energie freisetzen als eine chemische Reaktion. Zudem liegen auf der Erde Elemente, namentlich Uran 235, die energetisch instabil sind vor. Das bedeutet, man muss nicht erst die Energie gewinnen, mit der dann eine Atombombe funktioniert sondern nutzt die potentielle Energie die im Kern vor seiner Spaltung liegt aus. 
Modell der ersten Atombombe, erklärt in Los Alamos von einem Veteranen

In der Natur kommen keine Kernwaffen vor, allerdings gibt es natürliche Atomreaktoren, die über Jahrtausende Energie freigesetzt haben. Ein Beispiel sind die 14 natürlichen Kernreaktoren bei Oklo in Gabun, die vor 2 Milliarden Jahren über 500.000 Jahre lang gearbeitet haben und dabei bis zu 100kW geleistet haben. (https://www.wikiwand.com/de/Naturreaktor_Oklo)

Der Bau einer Kernwaffe erfordert also ein sehr unnatürliches Auftreten von geeigneten Isotopen, das aktuell nirgends natürlich vorliegt. Würde es vorliegen, wäre es an derartigen Orten auch schon zu einer Kernexplosion gekommen, was nie der Fall war. Mit dem Bau der Atombombe hat man also „Neuland“ betreten, ähnlich zur Entdeckung des Feuers. Es bestand also die Gefahr, dass die Zündung einer Kernwaffe, insbesondere einer Wasserstoffbombe, mehr als nur die Energie des Kernwaffenmaterials freisetzt. Davor hatte Enrico Fermi bereits 1942 gewarnt, http://www.atomicheritage.org/history/hydrogen-bomb-1950

Genaue Rechnungen zeigen dann zwar, dass dies unwahrscheinlich ist, aber es ist eine ähnliche Situation wie in jenen Tagen, als die Menschheit begann mit dem Feuer zu experimentieren. Es kann sehr wohl sein, dass mehr Energie freigesetzt wird, wie die Energie die in dem Holzstapel enthalten ist, den man für das Feuer gesammelt hat. Ein (begrenzter) Waldbrand ist sehr wohl möglich.

An dieser Stelle ist unklar, inwiefern die USA oder später die UDSSR den Test von Wasserstoffbomben unterlassen hätten, wenn das Risiko einer globalen Kettenreaktion nicht ausgeschlossen werden hätte können. An dieser Stelle hat die Menschheit vermutlich nur Glück gehabt.

Technisch ist der Bau einer Atombombe zum Glück derartig komplex, dass man zumindest ein Staat von der Größe und Wirtschaftskraft Nordkoreas sein muss um alle Komponenten zusammenzustellen. Der kritische Pfad besteht im Anreichern von U235. Wäre die Menschheit schon vor drei Milliarden Jahren auf dem Planeten gewesen, zu einer Zeit als es noch reichlich U235 gab (etwa 5% statt der heutigen 0,7% im Uranerz) wäre der Bau einer Atombombe wesentlich einfacher gewesen. Eine Zivilisation hätte sich dann immer wieder zerstört, wenn einfache „Terroristen“ wieder ausreichend Atombomben eingesetzt hätten. Dies ist natürlich hochspekulativ, solle aber zum Nachdenken anregen.

Wir hatten also bisher Glück, weil:

  • Chemische Reaktionen begrenzt Energie freisetzten
  • Nukleare Reaktionen energetisch sehr schwer zu zünden sind
  • Nukleare Reaktionen zufällig keine globale Kettenreaktion auslösen können

Zukünftige Gefahren


Die Tatsache, dass es bisher immer noch gut gegangen ist, wie der Kölner sagt, bedeutet nicht, dass dies ein Naturgesetz ist. Mit jeder weiteren Fähigkeit die die menschliche Zivilisation erlangt, kann sie Grenzen überwinden, die natürlich noch nie überwunden wurden.

Einige Aktuelle Entwicklungen will ich dazu kurz ansprechen:

Supervirus


In den Genlabors könnte ein Virus entwickelt werden, der alle Menschen ansteckt und damit in kurzer Zeit die gesamte Menschheit dahinrafft. Ich halte einen derartigen Virus für sehr unwahrscheinlich, da auch die bisherigen Viren, die seit Jahrmilliarden durch die Evolution optimiert wurden, keine globale Vernichtung ermöglichten. Das liegt an den unterschiedlichen Menschen, die aufgrund des sehr trickreichen Immunsystems nie alle erkranken. Wenngleich manche Erreger, man denke nur an die Pest, unendliches Leid mitbrachten.

Auch die Tatsache, dass es uns nicht gelungen ist, das „endgültige“ Mittel gegen Bakterien zu entwickeln, lässt mich an die Vitalität der Natur glauben.

Superbeschleuniger


Mit dem Einschalten des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN in Genf wurden Befürchtungen geäußert, ein Schwarzes Loch könnte in dieser Anlage entstehen und dann alles in sich verschlingen. Die Sorge ist unbegründet, wenn man weiß, dass in der Kosmischen Strahlung Partikel mit bis zu 10E21eV Energie auftreten, das ist das Milliardenfache der Energie als im LHC, dort werden maximal 7E12eV erreicht, können.

Da aber noch nie in unserer Umgebung die Entstehung eines Schwarzen Lochs oder eines anderen obskuren vernichtenden Teilchens beobachtet wurde, konnte man sicher sein, dass es zu keiner gefährlichen Nebenwirkung bei der Erforschung der Natur mit diesem Experiment kommt.


Superintelligenz


Mit der Entwicklung der Künstlichen Intelligenz (KI) tut sich ein weiteres Feld auf, mit dem sehr wohl auch katastrophale Risiken verbunden sein könnten. Nick Bostrom hat in seinem Buch „Superintelligenz“ ein Szenarium entwickelt, das sehr ungünstig für die Menschheit ausgehen könnt. Die Grundidee ist dabei folgende: In einem Labor wird eine Software entwickelt, die echte Intelligenz wie ein Mensch hat. Diese Software versucht dann durch selbsständiges Lernen, ein Vorgang den man bei KI Systemen immer nutzt, sich zu verbessern. Im nächsten Schritt bricht die Software aus dem System aus und übernimmt andere Computer die im Internet angeschlossen sind. Bekanntlich sind das inzwischen Milliarden von Rechnern. Da Intelligenz wesentlich durch die Rechenkapazität begrenzt ist, könnte das System in kurzer Zeit, und hier sind Stunden gemeint(!), die Rechnerwelt unbemerkt, wie ein Computervirus, besiedeln.

In dieser Phase, wenn das System einen IQ hat der vielleicht tausend Mal größer ist als der eines Genies, könnte das System durch geschickte Manipulation von Fabriken (Industrie 4.0!) die „Störquelle“ Mensch ausschalten.

Wir wissen weder, ob es das Phänomen Superintelligenz gibt, aber die Fähigkeiten einer Suchmaschine wie Google hätte man vor 30 Jahren auch für unmöglich erachtet, noch wissen wir irgendetwas über die Wünsche und Pläne einer Superintelligenz die sich selbst optimiert.

Ob wir auch in diesem Fall wieder Glück haben ist schwer einzuschätzen. Laut Nick Bostrom liegen die Chancen bei 50:50.

Ein Naturgesetz das uns vor unseren Fähigkeiten schützt gibt es jedenfalls nicht.

Anmerkungen

[1] Gammaburst ist ein noch nicht ganz verstandener Energieausbruch, dabei kann in weniger als einer Sekunde mehr Energie freigesetzt werden, als die Sonne in 100.000 Jahren freisetzt. Quelle: https://www.wikiwand.com/de/Gammablitz


[2] Ich will hier in keiner Weise einen konventionellen Krieg verniedlichen, aber wir müssen festhalten, dass konventionelle Kriege die Menschheit nicht ausgelöscht haben und das auch nicht können.

Sonntag, Mai 15, 2016

China, wenn Menschen arbeiten

Eindrücke von meiner Chinareise

Vorab, ich war nur geschäftlich für wenige Tage in China und will mir daher in keiner weise anmaßen, "bescheid" zu wissen. Doch meine subjektiven Eindrücke will ich zusammen mit meinem objektiven Wissen über dieses Land hier kurz schildern.

Anflug

Von meinem bequemen Fensterplatz auf der linken Seite des A380, in der Economy Plus Klasse bei Lufthansa, hatte ich einen schönen Blick auf das Land mit Sonne im Rücken. 
Die ersten Bilder zeigen riesige Kraftwerke, die Kohle verbrennen und dabei das Land in einen weißen Nebel, eine euphemistische Umschreibung des Smogs, tauchen.
Quelle von Strom, Wohlstand und Smog: Kohlekraftwerke
Kraftwerke für eine stabile Stromversorgung sind ein Schlüsselelement für eine Volkswirtschaft. Der aktuelle Energiemix ist aber völlig ungeeignet, dauerhaft ein Reich zu versorgen. Aber "wo die Gefahr ist, da wächst das Rettende" (nach Hölderlin) und so sieht man aus dem Flugzeugfenster auch schon den Wandel, Windparks und Solarparks (letztere habe ich auf meiner Flugroute nicht gesehen).
Windpark, westlich von Peking
Die aktuellen Zahlen über die Chinesische Stromversorgung besagen auch, dass 2015 mehr Wind- und Solarkraftwerke gebaut wurden, als Kohlekraftwerke.

Infrastruktur

Bei der Annäherung an die Hauptstadt Peking, mein Reiseziel, sieht man die gigantische Infrastruktur des Landes. Autobahnen, vor meinem Hotelzimmer war es eine mit 10 Spuren, Schnellbahntrassen und Wohnhochhäuser, soweit das Auge reicht. 
Wie ich der Literatur [1] entnehme, hat China in den letzten drei Jahren mehr Beton verbaut, als die USA im 20. Jahrhundert. Obwohl eine derartige Zahl wirklich schwer zu glauben ist, zumindest die gesehenen Baustrukturen stärken den Glauben an dieses Faktum.
Autobahnen, Eisenbahnen, Wohnhäuser, in wenigen Jahren entstanden
Bei all dem Beton wollen Menschen natürlich Grün sehen und mit Liebe werden die Parks und selbst kleine Grünflächen gepflegt. Gefühlt ist Peking eine sehr grüne Stadt, außerordentlich viele Bäume und gefühlt bin ich immer im Schatten von Straßenbäumen gelaufen. 
Angeblich pflanzt jeder Chinese einmal im Jahr, am Tag des Baumes, einen Baum. Offensichtlich hat das einen nachhaltigen Effekt. 
Chinesische Gartenkunst, gesehen von meinem Frühstücksplatz im Hotel

Der Smog

Eines der größte Problem des Landes dürfte der Smog sein. Mitten im Mai, also bei warmen Wetter was nicht nach Heizung verlangt, aber auch die ungezählten Klimaanlagen noch nicht auf Hochtouren bringt, gab es eine für mich noch nie erlebte schlechte Luftqualität. 
Obwohl ich zum Glück nicht am Asthma leide begann ein trockener Husten. Und ein Blick auf die Messwerte zeigen das Desaster: Ein PM 2,5 Wert [A1], das ist die Feinstaubkonzentration im Bereich "Hochgefährlich" auch gesunde Personen sollen Innenräume nicht verlassen. 
Rot bedeutet Luftqualität "Ungesund", Violett sehr ungesund und Braun, wie am Dienstag erlebt, gefährlich. [2]

Die Skala für Luftqualität. In Deutschland ist sie meist "good", nur an wenigen Plätzen und Tagen "Moderate" [3]
Und wie erkennt man den Smog wenn man aus dem Fenster schaut, kein Problem, das sieht man sofort, hier ein Bild am Dienstag bei Smog (PM 2,5: 300+) und am nächsten Morgen, nachdem ein kräftiges Gewitter die Luft vorübergehend gereinigt hat (PM 2,5: 0-50). Diese Bilder wurden bewusst nicht bearbeitet.
Smog bei ~ PM 2,5 bei 250
Saubere Luft nach einem Gewitter ~ PM 2,5 bei 20
Meine chinesische Bekannte hatte natürlich eine App auf dem Handy, auf der sie sofort den aktuellen Wert und die Entwicklung der Luftqualität ablesen konnte. 
Eine Lösung ist natürlich nicht durch Messen und bunte Apps zu erwarten sondern durch einschneidende Änderungen in der Energieversorgung. Wenn die Gesundheit der Nichtraucher derart gefährdet ist, angeblich entspricht das Atmen in diesen Regionen dem Rauchen von einer Schachtel Zigaretten am Tag, dann werden die Menschen das nicht dauerhaft akzeptieren. 

Wohlstand und Armut

Peking gehört zu den reichsten Provinzen Chinas mit einem durchschnittlichen Einkommen von 10.000$ im Jahr. Im Straßenbild schlägt sich das in einem Fuhrpark nieder, der mit US Städten durchaus konkurieren kann.
Man beachte den roten Tesla S auf dem Bild
Elektroautos, selbst so teure wie der Tesla S, kann man sehen, schon wenige Minuten nachdem ich im Taxi vom Flughafen zum Hotel war, hat uns ein Tesla S überholt. Sicherlich, Flughafen und Hotels haben eine höhere "Autopreisverteilung" als andere Regionen. 
Läuft man durch die Wohnstrassen ist man aber überrascht, dass es nicht den Lärm von Mopeds gibt, alle fahren elektrische Zweiräder (keine Pedelecs) auf denen zwei Personen Platz finden können. 
Der lokale Gütertransport erfolgt zu einem guten Teil mit elektrisch angetriebenen Kleintransportern.
Lichtblick, elektrischer Kleintransporter im Kreisverkehr
Wie gut es den "normalen" Menschen geht kann ich nicht beurteilen, allerdings ist offensichtlich, dass der Wohlstand in weiten Kreisen der Bevölkerung ankommt. Es gibt eben nicht nur Hotel und Bankhochhäuser, fast alle Hochhäuser sind Wohnbauten. 
Der große Unterschied zu den Ölstaaten, die ich in letzter Zeit auch besucht habe, ist, dass die Menschen sich selbst den Wohlstand erarbeitet haben. Nicht der Verkauf zufällig im Boden lagernder Rohstoffe ist die Währung mit der auf dem Weltmarkt bezahlt wird sondern eigene Arbeit bei der Herstellung von High Tech Produkten.

Technologie und Forschung

Der Grund meines Besuchs in China war ein eingeladener Konferenzbeitrag über den Lageenergiespeicher auf der "Energy Storage China 2016"[4]. Auf der Konferenz wurden im wesentlichen chinesische Forschungsergebnisse präsentiert. Völlig ungewohnt war dabei für mich, dass diese Resultate zumeist in chinesischer Sprache präsentiert wurden. Es gab zwar teilweise eine Simultan- Übersetzung in das Englische, aber das ist bei rein in Mandarin geschriebenen Folien auch nicht immer ausreichend.
Energy Storage China 2016 in Peking

Inhaltlich wurden hochkarätige Ergebnisse präsentiert. So habe ich hier das erste mal Systeme gesehen, die den triboelektrischen Effekt nutzen [A2]. 
Die Entwicklung der Batterien, auch anderer Systeme als die beliebten LiIonen-Akkus, wurden vorgestellt und diskutiert. Auch wenn ich nur einen winzigen Ausschnitt der Forschung gesehen habe, so hatte ich einen deutlich besseren Eindruck von der Qualität als etwa in Moskau, wo ich eher rückwärts gewandte Forschung sah. 

Empathische Menschen

Zu den Menschen hatte ich, gefühlt, immer gleich einen guten Draht. Es ist eine offene Art, und auch eine Freundlichkeit, die ich in Deutschland und vielen anderen Ländern nicht so erlebt habe.
An mehreren Stellen, eher Kleinigkeiten, war ich überrascht, wie mein Gegenüber fast hellseherisch meine Wünsche bemerkte und freundlich geholfen hat. 
Allerdings ist die Sprachbarriere auch hier ein sehr großes Problem, kein Taxifahrer, Straßenhändler, Hotelangestellter (Außer Leiter der Rezeption) spricht auch nur ein Wort englisch. 
Obwohl wir hier im Westen die Sprache Englisch als gesetzt sehen, sollte man doch ernsthaft nachdenken, Mandarin an den Schulen als zweite Fremdsprache eher zu lehren als Latein oder Griechisch.
Echtes Chinesisches Essen 
Auffällig fand ich auch die legere Arbeitskleidung, wie man sie eher von der Westküste der USA kennt. Bei einem Geschäftsessen mit hochrangigen Mitarbeitern einer Firma war ich mit Anzug und Krawatte leicht "overdressed". Ich hatte mich am Auftreten von Japanern in Europa orientiert, die ich bisher sehr korrekt bekleidet erlebte.
Das Essen schmeckte mir, wenn es auch eine Nuance weniger scharf sein hätte können. Die servierten Mengen waren weit jenseits der Möglichkeiten meines Verdauungssystems. Trotz des leckeren Essens sieht man wenig übergewichtige Menschen. Ob das an der Zusammensetzung des Essens oder an der ausgeglichenen Lebensweise liegt, kann ich leider nicht beurteilen.

Einschränkungen

Auf meiner Reise war die Blockade wesentlicher Internetdienste, insbesondere Google und alle angeschlossenen Dienste wie Google Mail, Google maps sowie facebook deutlich spürbar. Im Alltag verwende ich diese Dienste auf allen Geräten und habe bemerkt, wie schwierig es ist, etwa ohne Navigation auf dem Handy in einer Millionenstadt in der keiner meine Sprache spricht und ich keine Schilder lesen kann, etwas zu finden (Ich habe z.B. keine U-Bahnstation gefunden). 
Mir ist an dieser Stelle unerklärlich warum der "Great FireWall" existiert. Insbesondere, wenn man bemerkt, dass der gleiche Service von Microsoft (zumindest bing.com und skype) gut erreichbar ist.
Bemerkenswert ist die chinesische Suchmaschine baidu.cn, die bei erstaunlich vielen Begriffen pornographische Links aus dem Westen anbietet. 
Weiterhin ist es für Kontakte schlecht, wenn man immer noch 2,99€/Minute für ein Gespräch mit dem Mobiltelefon bezahlen muss. Warum hier die Provider keine kundenfreundliche Lösung anbieten kann ich nicht verstehen. Insbesondere, da ein perfektes Mobilfunknetz existiert und, wie angemerkt, skype kostenlos funktioniert. 

Zukunft

Die wichtigste Ressource eines Landes, kluge, gebildete, kooperative und fleißige Menschen, ist in China praktisch unbegrenzt vorhanden. Dies wird es dem Land, trotz mancher Einschränkungen, in den nächsten Jahren erlauben, eine der erfolgreichsten Nationen zu werden. 
Auf jeden Fall werde ich wieder nach China reisen, nicht nur der Geschäfte wegen, sondern auch weil hier Innovationen zu erwarten sind, die man hier nicht erfunden hat. 

Quellen:

[A1] PM bedeutet Partikel Measure, und 2,5 sind Partikel die in einem Filter mit 2,5um aufgefangen werden. Eine besonders tückische Feinstaubsorte, die tief in die Lunge eindringt, die in Deutschland erstaunlicherweise kaum gemessen wird (Grund: Dieselgate?). In Deutschland findet man häufig den PM 10 Wert, das sind größere Partikel die im 10um Filter hängen bleiben.
[A2] Die Reibungselektrizität (triboelectric effect) ist zwar jedem vom Haarkämmen und Gewitterblitzen bekannt, aber wer nutzt diesen Effekt für die Stromerzeugung? Bei optimalen Materalien kann man damit offensichtlich mit hohem Wirkungsgrad Strom gewinnen. Mehr dazu unter Wikipedia.

[1] Vaclav Smil, Making the Modern World: Materials and Dematerialization, Wiley (2013)
[2] Weltweite Daten zur Luftqualität bei World Air Quality Index (Peking)
[3] Skala für die Beurteilung der Luftqualität ebenfalls beim World Air Quality Index (Link nach Stuttgart;-)

Freitag, Februar 12, 2016

Gravitationswellen nachgewiesen

Dieser Beitrag ist Hanns Ruder (1939 - 2015) gewidmet.

Erstmals wurden Gravitationswellen direkt nachgewiesen!

Wenn man von einer Jahrhundertentdeckung [1] sprichtsollte Vorsicht geboten sein. Im Falle des Nachweises von Gravitationswellen halte ich als Physiker dies allerdings für wirklich angebracht. Albert Einstein hat die dazu notwendige Theorie, die Allgemeine Relativitätstheorie (auch gerne als ART bezeichnet) 1916 aufgestellt. Die darin enthaltenen Differenzialgleichungen beschreiben das mögliche Ausbreiten von Wellen in Form einer Raumzeitverzerrung.
Die Verschmelzung der beiden schwarzen Löcher in einer guten Simulation

Dies ist, andere Physiker mögen mir die Vereinfachung verzeihen, ähnlich wie bei den Maxwellgleichungen, die im 19. Jahrhundert (1861-1864) entdeckt wurden und aus denen die Ausbreitung der Elektromagnetischen Wellen folgt. Sie sind die Grundlage von fast allem, was mit heutiger Kommunikation zu tun hat: Licht, Radiowellen und auch Röntgenstrahlen.
video
Quelle des Videos ist der lesenswerte Artikel zur Entdeckung in der FAZ

Bedeutung für das tägliche Leben

Die Messungen erforderten derart genau Messungen, dass schwer vorstellbar ist, dass dies für alltägliche Anwendungen irgendeine direkte Bedeutung hat.
Aber die Bedeutung liegt an einer anderen Stelle: Durch die Bestätigung der Gravitationswellen ist ein sehr wichtiger Baustein der Relativitätstheorie bestätigt. Damit ist es nicht mehr nötig nach einer anderen Erklärung zu suchen, warum sich die Wellen der Gravitation bisher nicht nachweisen ließen.

Dies ist ähnlich wie auf einer Suche nach einem Reiseziel. Wenn man die richtige Autobahnauffahrt gefunden hat, dann weis man, man kommt jetzt schnell voran. Ähnlich läuft es bei der Suche nach dem physikalischen Wissen, auf dem unsere Kultur basiert. Wenn eine wichtige Theorie eine derart zentrale Bestätigung erhält, dann weis man, diese Theorie ist im Kern richtig.

Die Beobachtung macht den Weg frei

Durch die Beobachtung kann man zum einem viele alternative Theorien zur Gravitation zu den Akten legen und zudem kann man aus Details der Beobachtung relevante Rückschlüsse auf die Raum-Zeit Struktur des Universums folgern. 
In der Physik gibt es ein zentrales Forschungsproblem: Quantenmechanik und Relativitätstheorie sind nicht vereinbar. Das 20. Jahrhundert hat zwei fundamentale Naturbeschreibungen hervorgebracht: Die ART von Albert Einstein und die Quantenmechanik. Mit der Quantenmechanik können wir heute so praktische Sachen wie Energiesparende LEDs bauen, aber auch der Computer an dem ich diesen Blog schreibe wäre ohne Verständnis der Quantenmechanik nicht denkbar.
Merkwürdigerweise sind aber beide Theorien nicht verträglich. Es muss noch eine tieferliegende logische Struktur geben, auf der unser Universum basiert. Um diese zu erforschen, ist es äußerst hilfreich, dass die Gravitationswellen entdeckt wurden. Es ist wie ein blaues Autobahnhinweisschild, wir sind auf dem richtigen Weg.

Das Ziel

Wann wie und in welcher Form die Quantentheorie und die Relativitätstheorie zusammengeführt werden, vermag ich natürlich nicht zu sagen, aber die Bedeutung ist, um wieder auf das 19. Jahrhundert zurückzukommen, vergleichbar mit dem Zusammenführen von Magnetismus und Elektrizität in den Maxwell Gleichungen. Danach hat sich die menschliche Zivilisation grundlegend verändert. Der Elektromotor und Generator haben das Energiesystem mit Strom ermöglicht. Die Radiowellen und das Licht haben unser Kommunikationssystem bis hin zum Internet und Mobilfunk ermöglicht.
Welche völlig neuartigen Möglichkeiten eine Theorie die Quantenmechanik und Relativitätstheorie vereint, kann man kaum erahnen.

Unser Weltbild auf einem besserem Fundament

Seit Newton und Galilei versucht die Physik unsere Welt auf Basis von Experimenten und mathematisch formulierter Theorien zu verstehen. Das ist bisher erstaunlich gut gelungen. Die Entdeckung der Gravitationswellen ist dabei ein klassisches Beispiel: Das Michelson-Morly-Experiment hat 1887 gezeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist. Daraus hat Einstein letztendlich die Allgemeine Relativitätstheorie abgeleitet und die Gravitationswellen vorhergesagt. Deren Entdeckung haben wir jetzt erlebt! Damit ist eine Theorie fundamental bestätigt.

Einige erstaunliche Zusammenhänge

Die erste Pointe an der Bestätigung ist: Für die Aussendung der Gravitationswellen waren schwarze Löcher verantwortlich, die ebenfalls von der ART (erkannt von Schwarzschild) vorhergesagt wurden.

Die zweite Pointe ist, das Messsystem basiert auf einem LASER, einer quantenmechanischen Form der Lichtverstärkung die ebenfalls von Einstein vorhergesagt wurde.

Die dritte Kuriosität ist, dass die Messung mit einem Michelson Interferometer erfolgte, das auch für die Entdeckung der Relativitätstheorie eine zentrale Rolle spielte.

Quellen:
[1] B. P. Abbott et al. (1000 Autoren!), Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, PRL 116, 061102 (2016)

Dienstag, Januar 19, 2016

Erste Superzivilisation entdeckt

Der Fall KIC 8462852

Der Stern KIC 8462852 steht unter dem Verdacht, dass wir dort Bauergebnisse einer Superzivilisation beobachten. Sollten sich die Beobachtungen bestätigen, dann ändert sich unser Weltbild grundlegend, das erste mal seit der Aufklärung. Warum ich den Verdacht für sehr begründet halte, will ich im folgenden Blogbeitrag näher erläutern
Vorab die unabhängigen und unerklärlichen Hauptindizien:

  • Völlig ungewöhnliche Form der Verdunklungskurve
  • Völlig ungewöhnliche Stärke der Verdunklung
  • Völlig ungewöhnliches Dimmen eines Hauptreihensterns
Ein aktuelles Update im Vortrag am SETI (12.8.2016)

Was wurde genau beobachtet?

Mit der Raumsonde Kepler wurde zwischen 2009 und 2013 ein bestimmter Bereich des Himmels permanent beobachtet und insbesondere die Helligkeit aller Sterne in diesem Bereich gemessen.

Himmelsausschnitt, den Keppler beobachtet. In dem Bereich von 105 Quadratgrad wurden 190.000 Sterne überwacht. Quelle Wikipedia

Wenn auf der direkten Sichtlinie von Kepler zum Stern ein Planet vorbeigezogen ist, dann verdunkelte sich der Stern um etwa 1% und man kann vermuten es ist ein Planet. 

Kepler Teleskope, das unabhängig von der Erde um die Sonne kreist um Störungen durch die Erde zu vermeiden. Quelle Wikipedia

Wiederholt sich die Sternbedeckung nach einiger Zeit, kann man relativ sicher sein, man hat einen Planeten entdeckt. Auf diese Weise wurden innerhalb weniger Jahre hunderte von Planeten entdeckt. Kennt man einen Stern mit einer derartigen Planetenbedeckung, kann man auch mit den Mitteln eines guten Amateur Astronoms wie etwa Dittler, der duzende Exoplaneten beobachtet hat [1], eine weitere Bedeckung registrieren!
Typische Lichtkurve eines Planetendurchgangs. Die rote theoretische Kurve beschreibt die Situation  genau. Man beachte die minimale Abdunklung von maximal 0,09% Quelle: NASA, Ames Research Centre/ Kepler


Diese Form der Beobachtung hat aber im Fall von KIC 8462852 etwas sehr merkwürdiges hervorgebracht. Dieser Stern wurde derart stark abgedunkelt, dass die Helligkeit um 15% abgesunken ist. Dies kann natürlich ein Messfehler sein. Dabei muss man wissen, dass es noch nie eine Abdunklung von über 5% gab, also schon sehr ungewöhnlich. 

Lichtkurve bei der ersten gemessenen Abdunklung von KIC 8462852 [2]

Nach 700 Tagen kam es wieder zu einer Bedeckung des Sterns, aber diesmal sogar um 22% und es war nicht eine einfache, regelmäßige Bedeckung, sondern mehrere unregelmäßige Bedeckungen. Einen derartigen Vorgang hat man noch nie gesehen. 

Lichtkurve bei der 2. gemessenen Abdunklung von KIC 8462852 [2]

Nun sind nicht alle Sterne gleich, es gibt in der Astronomie viele Ereignisse, die die Helligkeit von Sternen verändern können etwa Sonnenflecken. All das wurde sehr genau untersucht und ist im lesenswerten wissenschaftlichen Artikel von T. S. Boyajian und Mitarbeiter veröffentlicht [2].

Mit akribischer Genauigkeit wurden zuerst Messfehler und dann Planeten ausgeschlossen. Planeten kann man relativ leicht ausschließen, da ein Planet, der den halben Sonnenradius hat, eher Teil eines Doppelstern wäre und zumindest den Stern derart stark bewegt, dass man die Bewegung auch im Spektrum erkennen würde.

Als Lösung geben die Autoren dann mehrere sehr ungewöhnliche Kometen an. Diese Kometen müssen zwar sehr ungewöhnliche Größe, Umlaufbahn und Ähnliches haben, sind aber zumindest nicht völlig auszuschließen und dienen im Artikel als mögliche Erklärung. 

Der zusätzliche Hinweis

Die bisherigen Daten deuten auf ein extrem merkwürdiges Sternsystem hin, insbesondere die weit über das Übliche hinausgehende Verdunkelung des Sterns um 22% bei der zweiten Beobachtung.

Änderungen der Helligkeit von KIC 8462852 als blaue Punkte dargestellt. Vergleichssterne ohne systematischer Helligkeitsänderung als graue Kreuze [3]

Daraufhin hat der Forscher Bradley E. Schaefer [3] die historischen Daten zu diesen Stern herausgesucht. Glücklicherweise besitzt die Harvard Universität ein Archiv mit 500.000 Photoplatten von Himmelsbeobachtungen, die bis 1890 zurückreichen. Auf einigen Platten konnte die Helligkeit des Sterns vermessen werden.Dies ist im Nachhinein immer noch gut möglich, da auch viele andere Sterne auf den Platten sind, die zum Vergleich herangezogen werden können. 

Das Resultat ist ein Rückgang der Helligkeit des Sterns um 20% innerhalb von 100 Jahren. Es gibt keinen bekannten Mechanismus, der dazu führt, dass ein Stern dieser Art (Hauptreihe F3 V/IV), innerhalb von 100 Jahren um 20% dunkler wird. Wären es Kometen, die oben beschrieben wurden, dann müssten etwa 600.000 Kometen in genau geplanten Abstand eingefallen sein. Ein derartiger Kometenschauer erscheint mehr als ausgeschlossen.

Dieser zusätzliche Hinweis auf völlig ungewöhnliches Verhalten des Sterns und seiner Umgebung erfordert eine sehr ungewöhnliche Erklärung.

Nachtrag: das Dimmen über 100 Jahre ist möglicherweise ein Messfehler, mehr dazu im Paper von Hippke [3]

Letzte Meldung: Aus den Kepler-Daten zeigt sich, dass es innerhalb der Beobachtungszeit von Kepler auch ein generelles Dimmen und zudem einen Abfall um 2,5% innerhalb von 200 Tagen gab. Ein weiterer Vorgang, der so noch nie bei einem anderen Stern beobachtet wurde. Das Paper von Benjamin [5].

Typ II Zivilisation

Die Kardaschow Skala beschreibt verschiedene Stufen einer Zivilisation. Zuerst beginnt eine Zivilisation Rohstoffe zu verbrennen und setzt damit unwesentlich Energie um, dazu gehört die Menschheit und ist von der Stufe 0 auf der Kandraschow Skala. Bauen wir die Solarenergie weiter aus, wird irgendwann alles Sonnenlicht, das auf die Erde fällt, von der Zivilisation genutzt und Stufe 1  ist erreicht. Das wird die Menschheit beim derzeitigen Ausbau der Solarenergie etwa 2040 erreichen, siehe Blogbeitrag "Von der Solarförderung zur Dyson-Sphäre".

Gelingt es einer Zivilisation die gesamte Energie eines Sterns einzusammeln, dann ist es eine Stufe 2 Zivilisation. Dazu ist es notwendig eine Dysonsphäre zu bauen, das bedeutet, die Sonne ist von Solarzellen so dicht umgeben, dass kaum mehr Licht ins Weltall gelangt. Im beobachteten Fall wäre der Rückgang der Helligkeit damit gut zu erklären.

Wie genau der Bau und der Betrieb einer Dysonsphere abläuft hängt entschieden von den Rohstoffen, verfügbaren Materalien und der Nutzung der Energie ab. Wir können uns das kaum vorstellen, insbesondere ist davon auszugehen, dass diese Stufe nicht durch Menschen oder "Aliens" sondern eher durch Systeme künstlicher Intelligenz mit dem Drang zur Expansion und damit zum Energieverbrauch realisiert wird.

Eine weitere Stufe der Zivilisation wäre die Stufe 3, bei der die gesamte Galaxie besiedelt wird. Offensichtlich ist das in unserer Galaxie nicht der Fall und auch in den bisher untersuchten 100.000 anderen Galaxien, Blogbeitrag "Sind wir alein im Weltall", hat man dafür keine Anzeichen gefunden.

Was genau könnte auf KIC 8462852 vor sich gehen?

In Sternsystemen gelten sehr gut bekannte Gesetze, die Keplergesetze. In unserem Sonnensystemen gibt es kugelförmige Körper, diese werden aufgrund der Masse und der Schwerkraft zu Kugeln. Die Größe hängt von der Masse ab. Die Umlaufbahn von der Masse der Sonne. Gelten die gleichen Gesetze auf KIC 8462852, dann kann man aus der Wiederholung der Bedeckung auf einen Planeten mit etwa gleichem Abstand wie Erde oder Mars rechnen. Damit eine Struktur 22% der Sonne bedeckt, müsste diese etwa den Durchmesser der Mondbahn haben. 

Würde man aus dem Mondmaterial eine Scheibe bauen, die einen derartigen Durchmesser hat, dann hätte diese eine Dicke von 25 Meter. Allerdings würde diese Scheibe unter dem eigenem Gewicht zu einer Kugel kollabieren, da ein derartiger Körper eben nicht stabil ist.

Will man eine Struktur der beobachteten Größe realisieren, erfordert das eine ausgeklügelte Konstruktion, die etwa durch hochfeste Materalien und gegebenenfalls durch Rotation erreicht wird. Kein Gebilde, das natürlich entstehen kann, kann sich so formen.

Allerdings kann man festhalten, dass bereits das Material des Mondes ausreichen würde, eine astronomisch große Scheibe herzustellen. Bei der Nutzung weiterer Gesteinsplaneten, insbesondere der Erde kann man Strukturen bauen, die einen wesentlichen Teil des Sonnenlichts absorbieren. 

Will man eine Sonne dauerhaft um 20 % verdunkeln, so wie es beobachtet wird, dann benötigt man auf einer Erdbahn dazu 56.548.667.764.616.278 km² Folie. Hat diese Folie eine Dicke von einem Millimeter, dann entspricht dies einer Masse von einem Hunderttausendstel der Erdmasse. Eine plausibel zu beschaffende Menge Material. 

Aus der Sicht der benötigten Massen könnten zumindest theoretisch in unserem Sonnensystem Strukturen gebaut werden, die für einen Beobachter in 1480 Lichtjahren Entfernung vergleichbare Schattenspiele erscheinen lässt.

Das Fehlen von Radiosignalen 

Das SETI Institut hat versucht, Radiosignale vom Stern KIC 8462852 zu empfangen, dabei aber nichts Auswertbares gefunden [4]. Ist das eine Widerlegung, dass in diesem Sonnensystem eine Zivilisation existiert. Noch vor 20 Jahren haben wir alle mit Fernsehsender mit einer Abstahlleistung von MegaWatt unsere Tagesschau empfangen. Heute senden wir mit wenigen Watt an jedes Handy. Selbst die Signale der Plutosonde liegen im Bereich weniger Watt. Es ist mit unserer Technik völlig ausgeschlossen irgendeins der genannten Radiosignale in einer Entfernung von 1480 Lichtjahren zu empfangen. 

Für die vermutete Zivilisation gibt es auch keinen Grund zu uns fokussiert Radiosignale zu senden, da diese gerade die Erde vor 2900 Jahre, also ohne jeglichen Funksignal, sehen und damit berechtigtermassen keine fortgeschrittene Zivilisation vermuten können, es war bei uns gerade Bronzezeit.

Ich sehe im Fehlen von Radiosignalen daher keinerlei Hinweis, dass keine Zivilisation auf KIC 8462852 existiert. 

Weitere Forschung dringend nötig

Offensichtlich ist den Planetenjägern mit der Keplersonde der dickste denkbare Fisch ins Netz gegangen, nämlich die Anzeichen auf eine Super-Zivilisation. Ich halte es für dringend geboten, diesen Anzeichen mit allen möglichen Forschungsresourcen nachzugehen. 

Ein wesentlich genaueres Verständnis ist möglich, wenn mit den besten Teleskopen die spektralen Signale einer weiteren Bedeckung des Sterns untersucht werden. Aber auch alle anderen Beobachtungen, die an diesem Stern möglich sind, sollten genutzt werden um das Verständnis zu vertiefen.

Wir gewinnen damit ein völlig neues Weltbild

  • Wir sind nicht allein im Kosmos
  • Zivilisationen können weit über unsere Stufe hinauswachsen
  • Friedliche Zusammenarbeit ist möglich (sonst würde man dort nicht so weit kommen)
  • Reisen zu anderen Sonnen ist extrem schwer (Sonst würden die Nachbarsonnen auch Anzeichen von Zivilisation zeigen)
  • Es geht keine Gefahr von Level 2 Zivilisationen aus
Es bleibt sehr spannend. Sollte eine andere Erklärung für das Flackern gefunden werden, dann wäre ich sehr überrascht, aber in der Astronomie ist das dann sicherlich auch eine gewaltige Entdeckung, was immer es sein mag, unser Verständnis der Welt verändert sich auf jeden Fall.

Quellen:

[1] U. Dittler, Exoplanet Kepler-6b, Blogbeitrag

[2] T. S. Boyajian et. al., Planet Hunters X.KIC 8462852 – Where’s the flux?, 17 October 2015, arXiv:1509.03622v1


[4] G. R. Harp, et.al., RADIO SETI OBSERVATIONS OF THE ANOMALOUS STAR KIC 8462852,  arxiv/papers/1511/1511.01606.pdf

[5] Benjamin T. Montet1, and Joshua D. Simon, KIC 8462852 FADED THROUGHOUT THE KEPLER MISSION


Freitag, November 13, 2015

Die Welt im Jahre 2100

Wie leben wir 2100

Immer wieder lese ich auch in Qualitätsmedien berichte aus der Zukunft, so in der FAZ "Unser Leben im Jahr 2100". Mondflüge als Tourismus, Wasserstoffautos und ähnliches. Ich will in diesem Beitrag meine eigene Sicht auf die Zukunft beschreiben und auf die Grenzen entsprechender Aussagen hinweisen.

Die Menschen

Im Mittelpunkt setze ich zunächst einmal die Menschen. Eine einfache Extrapolation zeigt, die Menschen haben sich in den letzten 1000 Jahren nur wenig geändert. Sie leben gerne zusammen und nehmen gern Kontakt auf. Das wird sich nicht ändern. Ob es allerdings die Großfamilie ist, die Wohngemeinschaft, Wiener Cafes oder Face2b00k bleibt offen. Es gab immer wieder interessante Innovationen, wie man Menschen zusammenbringen kann. Niemand hat vor 85 Jahren, das war 1930! facebook vorhergesagt, obwohl man bereits begann in 1000 Jahren zu denken...
Menschen leben und arbeiten gerne zusammen.
Entscheidender ist die Frage gibt es dann noch Menschen. Die Anzahl wird irgendwo zwischen Null und 20 Milliarden liegen. Die untere Grenze kann aus zwei Gründen eintreten, einmal, wenn eine religiöse Gruppe die Macht über das aktuelle Nuklearwaffenpotential bekommt, oder wenn die Roboter der Zukunft im Menschen keine sinnvolle Spezies sehen. Letzteres beschreibt Nick Bostrom in seinem Buch Superintelligenz. Dort wird sehr plausibel gezeigt, dass die starke künstliche Intelligenz eine sehr konkrete Gefahr für die Menschheit darstellt. Wichtige Menschen, wie Bill Gates (früher Microsoft) und Elon Musk (Tesla) nehmen die Warnung sehr ernst.

Aus meiner Sicht, die tendenziell optimistisch ist, ist es trotzdem unrealistisch, dass die Menschheit sich selbst zerstört. Dies passt nicht in die grundsätzliche Logik des langfristigen Überlebens des Lebens. Insbesondere würde das implizieren, dass es schon frühere Zivilisationen von intelligenten Lebewesen auf der Erde gegeben haben sollte, die sich zerstört haben, das ist offensichtlich nicht der Fall, daher betrachte ich diesen Zweig nicht länger.
Der Einschlag eines Kometen hat das Wachstum dieses Baums beschleunigt.
Die Menschheit wird sich in gewissem Umfang vermehren, der beste Schätzwert ist letztendlich, dass sich die Zahl der Menschen gegenüber heute nicht grundlegend ändert, also etwa 7-8 Milliarden Menschen im Jahr 2100 auf der Erde leben.

Was tun die Menschen

Um zu verstehen, was Menschen gerne tun, ist es immer wieder hilfreich zu sehen, was Menschen tun, die nicht durch materielle Grenzen an der freien Entfaltung behindert sind. Reiche Menschen lieben Luxus, daher werden auf Dauer alle Menschen nach Luxus streben. Welcher Luxus wird das sein?

An erster Stelle Gesundheit!

Der höchste Luxus ist eine sehr gute Gesundheit. Daher werden die Menschen erhebliche Mittel für dieses Ziel ausgeben. Da die medizinische Forschung stetig voranschreitet kann man mit vielen Erfolgen bei der Bekämpfung von Krankheiten rechnen. Zudem wird die bisher unvermeidliche "Krankheit" Alter besiegt werden. Alter ist nur eine kleine Störung des Organismus nach dem Erreichen des Lebensziels "Vermehrung" und setzt daher mit etwa 40 Jahren ein. Eine sehr gute Analyse diese Problems hat Björn Schuhmacher in seinem Buch "Das Geheimnis des menschlichen Alterns" gegeben. Auch andere Autoren, etwa Ray Kurzweil, vermuten, dass sehr langes gesundes Leben in Zukunft normal wird, damit besteht eine erhebliche Chance, dass nicht wenige der Leser noch das Eintreffen der Prognosen erleben werden.

Platz ist wichtig

Menschen lieben große Wohnungen, daher werden die Menschen, soweit es möglich ist, ihre eigenen Räume vergrößern. Das kann auf vielfältige weisen geschehen, etwa die Besiedlung bisher ungenutzter Flächen, sei es Wüsten oder Meeresoberfläche. Zudem kann durch das Errichten von hohen Gebäuden Grundstücksfläche gespart werden und viel Wohnraum geschaffen werden. 
Jährlich werden für eine Million Menschen Hochhäuser gebaut
Das Ausweichen in den Weltraum halte ich für sehr unwahrscheinlich, da dort viele sehr grundlegende Probleme auftreten, insbesondere Strahlung, Lebensmittelversorgung, fehlende Schwerkraft, extremer Energiebedarf zum Erreichen von Umlaufbahnen oder gar anderer Planeten.
Dünn besiedelte Natur lieben die Menschen immer
Natürliche Umgebungen lieben Menschen ebenfalls, daher werden heutige Naturparks eher natürlicher werden, das bedeutet weitgehend dem Einfluss der industriellen Besiedlung entzogen. Der Zugang zu diesen sehr großen Gebieten erfolgt dann durch Verzicht auf bestimmte Bequemlichkeiten, etwa großflächige Hotels, daher beschränkt sich ganz selbstverständlich der Besuch auf wenige Wochen im Jahr. Ein ähnliches Konzept haben bereits heute die Nationalparks in den USA, in denen man fast nur im Zelt oder Wohnmobil leben kann.

Service

Jeder Wohlhabende hat viele Diener, jeder Mensch hat das auch gerne. Bereits heute haben wir viele Diener, eine Spül- und Waschmaschine die unsere Sachen reinigt, eine Bedienung im Restaurant, ein Auto, das uns fast automatisch an jeden Ort bringt. Viele weitere Diener, die Rasen mähen, den Garten pflegen und Putzen, Hilfe beim Kochen und Aufräumen, Unterstützung bei der Lebensplanung, werden hinzukommen. Technisch gibt es hier kaum Grenzen und daher werden alle nützlichen Unterstützungen auch umgesetzt werden. 
Wenn selbst unangenehme Arbeiten vom Roboter übernommen werden.
Die Idee, dass die Altenpflege auch von Robotern erfolgt, will ich aber nicht sehen. Da die Gesundheit auch bei vielen Lebensjahren nicht schlechter werden soll, ist auch eine Pflege, so wie wir sie heute kennen nicht nötig. Ausnahmen mögen die Zeiten nach einem Unfall sein, aber auch Unfälle werden eher sehr selten sein. Letztendlich werden Menschen die Pflege übernehmen, da nur im sozialem Kontakt ein menschliches Leben und Genesen möglich ist.

Mobilität

Wohlhabende Menschen zeigen eine sehr hohe Mobilität. Nicht wenige Menschen verwenden das erste verdiente Geld für Reisen und die Anschaffung eines Autos. Das kann man extrapolieren und sieht dann, dass Menschen gerne 100.000 km im Jahr zurücklegen. Da dies dann von einem Großteil der Menschen genutzt wird, wird der Luftverkehr oder andere Techniken wie Hyperloop, eine Art Rohrpost, die mit Schallgeschwindigkeit Menschen preiswert transportieren kann, zunehmen. 
Der Flugverkehr wächst seit hundert Jahre kontinuierlich.
Alle diese Transportformen laufen aber im wesentlichen innerhalb des Gravitationspotentials der Erde ab, das bedeutet, wir werden nur in Ausnahmefällen in den fernen Weltraum reisen.
Individuelle Mobilität ist gewünscht, daher kann es leicht sein, dass fast jeder ein Flugzeug hat, welcher Art das sein könnte, habe ich in einen anderen Blogbeitrag schon mal betrachtet.
Luftfracht Flugzeug, wird bald jeder eines haben?

Energie

All die faszinierenden neuen Produkte und Möglichkeiten benötigen viel Energie. Es wird wohl die am stärksten belächelte Vorhersage sein, dass wir in Zukunft weniger Energie verbrauchen. richtig ist, wir werden weder Öl noch Kohle verbrauchen, sondern saubere Energiequellen nutzen. 
Naheliegend erscheint heute, dass wir sehr viel Solarenergie nutzen, im Extremfall sogar eine Dyson Sphere bauen. 
Die Energiequelle der Zukunft ist unbekannt
Allerdings sollte man hier warnen, in diesem Artikel geht es nicht um die nächsten 20 Jahre, sondern um die nächsten 85 Jahre. Ich kann mir gut vorstellen, dass völlig neue Energieformen zur Verfügung stehen, etwa die "Kalte Kernfusion". Aus energetischer Sicht gibt es einige Energieformen, die noch nicht genutzt werden. Entscheidend ist daher, welche technologischen Durchbrüche in den nächsten 80 Jahren gemacht werden, die heute eben nicht vorhergesagt werden können.

Künstliche Intelligenz

In den letzten 50 Jahren hat sich die Leistung der Computer immer exponentiell entwickelt. Die Vorhersagen, wie viel Computerleistung für den Aufbau einer künstlichen Intelligenz nötig ist, kann man zwar nicht genau ermitteln, allerdings sollte die notwendige Schwelle weit vor dem Jahr 2100 überschritten werden. 
Werden wir völlig in Computern versinken?
Mit dem Erreichen der künstlichen Intelligenz (KI) wird sich im günstigen Fall, das ist der Fall, dass die Menschheit nicht von dieser KI ausgerottet wird, das Leben erheblich vereinfachen. Da es dann nicht mehr die vielen mühevollen Arbeiten gibt, die man als Physiker oder Wissenschaftler hat, es genügt eine Intuition und das KI System hilft die Idee in eine funktionierende Theorie umzubauen oder den Irrtum zu erkennen. 

Auch alle anderen einfachen aber anstrengenden Entscheidungen, welche Strecke muss ich fahren, wo steht welche Information kann der Computer beantworten. Genaugenommen kann er das schon heute, aber wir trauen uns nicht, das künstliche Intelligenz zu nennen. In Zukunft wird in solchen Bereichen kaum ein Leistungsbeschränkung auftreten.

Zukunft

Wir kennen die Zukunft nicht, aber es macht immer wieder Freude, die eigene Phantasie in die Zukunft zu entführen. Ich hoffe dies ist mir ein wenig gelungen.
Eine Anleitung, eigene Zukunftsvisionen zu entwickeln finden sich in der Praxilogie von Otto Buchegger.