#4 Der Urknall (und die Zeit danach)

Basisforum, in dem immer wieder spannende Themen wie Urknall, schwarze Löcher, Quantenphysik usw. auf Einsteiger-Niveau als kurze Artikel vorgestellt und diskutiert werden

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#4 Der Urknall (und die Zeit danach)

Beitrag von tomS » 27. Aug 2010, 00:21

Hallo liebe Abenteurer!

Der Urknall als Thema für einen leichten und dennoch interessanten Einstieg? Was soll ich über den Urknall schreiben, was nicht schon längst geschrieben wurde? Wahrscheinlich nicht viel, aber ich probier’s mal. Außerdem soll das ja kein abgeschlossener Artikel werden; er soll vielmehr Fragen aufwerfen, zum Nachdenken, Spekulieren und Diskutieren anregen. Und dafür wird es schon reichen...



Der Urknall war der Beginn von allem, was wir kennen. Nicht nur Materie, Energie, und Strahlung in verschiedenen Formen wie Licht und Elementarteilchen sowie später komplexeren Materieformen wie Sternen, Planeten usw., sondern auch der Beginn unseres Universums selbst, d.h. von Raum und Zeit (von „Sein“, wie die Philosophen sagen würden). Vor dem Urknall gab es buchstäblich nichts („Nichts“). D.h. der Urknall war keine gewöhnliche Explosion, bei der Energie, Strahlung usw. in das Universum hinein-explodierten; im Urknall entstanden Raum und Zeit selbst. Nach dem „Davor“ zu fragen ist ungefähr so sinnlos, wie zu fragen, was nördlich vom Nordpol liegt. Der Begriff „Davor“ existiert zum Zeitpunkt des Urknalls selbst nicht.

(Dennoch spekulieren die Physiker heute darüber, dass sogar der Urknall und die Geburt unseres Universums in ein größeres kosmisches Geschehen eingebettet sind, und dass die Frage nach dem „Davor“ evtl. doch einen Sinn ergeben könnte; aber das gehört – noch – nicht hier her).

Warum und seit wann glauben die Physiker an den Urknall? Nun, die Idee eines sich ausdehnenden Universums (wobei diese Ausdehnung sozusagen die Nachwirkung des Urknalls ist) ist noch gar nicht so alt. Zu Beginn des 20igsten Jahrhunderts glaubten die Physiker an einen ewigen, statischen Kosmos, in dem sich alles seit Ewigkeiten (und in alle Ewigkeit) im Wesentlichen unter dem Einfluss ewiger Gesetze bewegt bzw. abspielt. Die Idee eines Anfangs (nicht unbedingt im Sinne einer Schöpfung) war nicht verbreitet.

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie wurde sehr bald nach ihrer Publizierung (1915) von Kollegen auf ihre Auswirkungen für die Geschichte des gesamten Universums untersucht; Friedmann, Lemaitre, Robertson und Walker fanden (in den 20igern) bzw. untersuchten eine „einfache“ Lösung, die ein expandierendes Universum vorhersagte. Einstein kannte die Arbeiten teilweise (bzw. wusste selbst schon länger um diesen expandierenden Kosmos), erkannte jedoch nicht ihre Wichtigkeit. Im Gegenteil, er versuchte einen ewigen, statischen Kosmos zu „retten“, in dem er eine sogenannte kosmologische Konstante einführte, die die Gleichungen statisch machen sollte – was nicht gelingt, wie wir heute wissen.
(Erläuterung: es gelingt nicht, da die statische Lösung instabil gegen kleine Störungen ist; vergleiche die instabile Lage einer Kugel auf einer Sattelfläche: jede kleine Störung = Inhomogenität im Universum bzw. "Wackeln an der Kugel" würde zu nicht-statischem Verhalten bzw. einem "Wegrollen der Kugel" führen.)

D.h. die natürlichste Lösung der allgemeinen Relativitätstheorie für das Universum ist ein expandierendes Universum!

Den Begriff „Big Bang“ prägte übrigens Fred Hoyle, ein Gegner der Urknalltheorie und ein Verfechter eines statischen Kosmos’.

Verfolgt man nun die Geschichte eines solchen expandierenden Universums rückwärts, so gelangt man unweigerlich zu einem Zeitpunkt, an dem die gesamte Materie, Strahlung und Energie in einem einzigen Punkt unendlicher Dichte, Energie und Temperatur konzentriert sein musste – dem sogenannten Urknall.

Spekulation? Nein. Seit Edwin Hubble (20iger bis 30iger) wissen wir, dass sich weit entfernte Galaxien von uns entfernen, und zwar umso schneller, je weiter sie entfernt sind; ein erstes Indiz für den Urknall und das sich ausdehnende Universum. Ca. zwei Jahrzehnte später sagten Gamow, Alpher und Herman voraus, dass dieses Überbleibsel des „Urknalls“ als Temperaturstrahlung noch heute messbar sein sollte. Die Strahlung wurde schließlich 1964 von Penzias und Wilson entdeckt, wofür diese (1978!) den Nobelpreis bekamen. Damit ist die Theorie des Urknalls keine Spekulation, sondern eine allgemein akzeptierte Tatsache.

Die exakte Vermessung dieser sogenannten kosmischen Hintergrundstrahlung ist heute eines der wichtigsten Forschungsvorhaben der Astrophysik. Man erhofft daraus genauere Rückschlüsse auf Größe, Form und Alter des Universums zu ziehen, sowie den Urknall selbst besser zu verstehen (stellt euch vor, ihr hört den Sound einer Trommel und wollt feststellen, wie diese gebaut und bespannt ist, welche Form sie hat …).

Wenn ihr nun Lust bekommen habt, euch mit auf die Reise durch die Geschichte des Universums zu begeben und mitzudiskutieren wie es weitergeht, ob und wie es endet, was davor war, was sich außerhalb bzw. jenseits unseres Universums befindet, …, dann herzlich willkommen und viel Spaß.
Gruß
Tom

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Re: #4 Der Urknall (und die Zeit danach)

Beitrag von Maclane » 27. Aug 2010, 10:36

tomS hat geschrieben: Verfolgt man nun die Geschichte eines solchen expandierenden Universums rückwärts, so gelangt man unweigerlich zu einem Zeitpunkt, an dem die gesamte Materie, Strahlung und Energie in einem einzigen Punkt unendlicher Dichte, Energie und Temperatur konzentriert sein musste – dem sogenannten Urknall.
Gut, dann stell ich mal die erste blöde Frage. ;a

Wo kommt die ganze Energie her, die da in einem Punkt konzentriert war? Wieviel Energie war das überhaupt? Gibt es da eine Ober- oder Untergrenze oder war es "einfach unendlich viel"?

Und was hatte die ganze Energie dort in einem Punkt zu suchen? Wenn sie es in diesem dichten, kompakten Zustand nicht ausgehalten hat, warum hat sie sich nicht vorher schon räumlich verteilt?

Alles im Universum strebt doch nach dem Gleichgewicht. Warum hat denn also alles mit einem Ungleichgewicht anfangen? Wäre es nicht "einfacher" und "natürlicher" gewesen, mit einem Gleichgewicht anzufangen? (zugegeben, dann wären wir heute wohl nicht hier, aber die Frage muss ja erlabut sein).

Gruß
Mac
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Re: #4 Der Urknall (und die Zeit danach)

Beitrag von wilfried » 27. Aug 2010, 16:45

Tag zusammen

nach einem schönen Segelurlaub habe ich jetzt wieder Musse fürs Forum

Ihr habt ja eine ganz interessante Diskussion am laufen und als ich diese las, fand ich, dass sie ohne tiefgehende Mathe und komplexe Physik doch einen sehr beachtlichen Stand besitzt und sehr allgemein verständlich gehalten wird.

Glückwunsch dazu!!

Einige wenige Anmerkungen habe ich:

ihr spracht darüber, dass die Energiedichte im Urzustand unendlich hoch war. Das lass ich so nicht stehen, denn unendlich heisst eben unendlich und tät damit bedeuten, dass auch nach der Expansion die Dichte der Energie unendlich bleiben muss. Es ist auch mathematisch zweifelhaft, ob bei einer unendlichen Ausdehnung die Energiedichte einen endlichen Wert (0?) annimmt. Das müsste erst einmal nachgewiesen (berechnet) werden.

lass uns lieber sagen: die Energiedichte in statu nascendi war enorm hoch ... von mir auch auch noch "nahezu" unendlich hoch.

Dann auch die Fragen der Expansion -insbesondere bei Beteiligung der DE- ist ebenso fraglich. Die Ergebnisse von XMM Newton (ESA) sind nicht so dolle bzgl. nachweis DE, eher das Gegenteil ist der Fall. Viele Astrophysiker sind darüber sehr enttäuscht. Ich kann aber nicht sagen, ob diese Ergebnisse nun eventuell Fehler (Messfehler, Auswertfehler) beinhalten oder nicht.

Wenn man den Theorien Ashtekars folgt und diese ein wenig erweitert, kann man diese Anfangssingularität bekanntermassen wegdiskutieren (Planck Größen werden dazu verwendet). Damit ist auch ein "Durchtritt" möglich, bei dem sich jedoch die Dimensionen mit transformieren. Damit ergibt sich eine völlig anders artige Gestalt einer Geburt eines Universums.

Auch ist es eine fragliche und äußert spannende Geschichte, wenn man den kosmologischen Parameter betrachtet, der sich ja offensichtlich entschlossen hat zuzunehmen. Nun, vorausgesetzt bei dieser Zunahme bliebe es, dann würde sich das Universum unendlich lange ausdehnen, es tät seinen Kältetot oder Bewegungstot erleben.

Aber ist das wirklich alles Wahrheit???

Wir beobachten das Universum zwar mittlerweile hochtechinisert, aber wie lange erst?

Sind unsere Aussagen wirklich richtig, fussen unsere Analysen tatsächlich auf den richtigen Fundamenten??

Schau ich mir die Vielfalt der kosmologischen Modelle an dann stell ich fest, dass es immer noch genügend viele dieser Modelle nebeneinander gibt, welche ernsthaft diskutiert werden. Und diese Modelle sind alles andere als sicher.

Die Fragen um die Existenz des Alls können m.E. diskutiert, aber noch lange nicht mit genügender Sicherheit beantwortet werden. Ich denke, wenn wir ein vernünftiges kosmologisches Modell haben (eventuell aus diff geo Modell, LQT), dann werden wir ein wenig schlauer werden.

Was mich so "ärgert" ist, dass trotz aller Technologie, trotz aller besten Kameras in allen Wellenlängen die DM, die DE bis dato so völlig unbekannt und damit zweifelhaft bleiben. Das stört mich gewaltig, dass diese nachwievor als Grundlagen für Argumente herangezogen werden. Mir wird viel wohler, wenn Argumente bzw. Erklärungen ohne diese seltsamen Begriffe auskommen würden.

Allein, mir fehlt zunehmend der Glaube an DM und DE, obgleich ich deren Nutzen natürlich voll einsehe.

Netten Gruss

Wilfried
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Re: #4 Der Urknall (und die Zeit danach)

Beitrag von Maclane » 27. Aug 2010, 16:48

Sculletto hat geschrieben:in kosmologischen Modellen mit Anfangssingularität war ebendiese Anfangssingularität der Anbeginn der Raumzeit selbst, sie und die in ihr enthaltene Energie kam folglich nicht irgendwo her, sie war einfach da. Wenn dir das unbefriedigend erscheint, dann Herzlichen Willkommen im Club der Anfangssingularitäts-Gegner. Ich empfehle dir dann, dich bei den singularitätsfreien Alternativmodellen umzusehen.
Können denn die alternativlosen Singularitätsmodelle oder die singularitätslosen Alternativmodelle die Frage beantworten, warum überhaupt etwas da ist? Ich fürchte, das gelingt auch den Alternativmodellen nicht. Stattdessen wird das Problem (der Existenz sozusagen) einfach noch weiter ins Unerreichbare verschoben, bis es generell nicht mehr beantwortbar wird. Bei all diesen Multiversumstheorien ist das z.B. der Fall.
Sculletto hat geschrieben:unendlich groß war erstmal nur die Energiedichte. Wie viel Energie das war, steht nicht ohne weiteres fest, dazu müsste man erstmal wissen, wie viel Energie das Universum heute enthält. Je nachdem, ob das Universum aktual endlich oder unendlich ist, wäre das eine endliche oder eine unendliche Gesamtmenge an Energie.
Okay, wie kriegt man das raus?
Sculletto hat geschrieben:du kannst dir das so vorstellen: ein anfänglich statisches Universum würde nach der ART, sofern keine antigravitativ wirkenden Effekt wie eine kosmologische Konstante, Vakuumenergie oder Dunkle Energie zum Zuge kommen, durch die Gravitation der in ihm enthaltenen Materie und Energie zu einer Endsingularität zusammenstürzen. Umgekehrt muss ein expandierendes Universum zwangsläufig aus einer Anfangssingularität hervorgegangen sein, quasi in Umkehrung des Gravitationskollapses.
Das wäre eine Umkehrung der Zeit. Aber haben wir nicht gelernt, dass sich die Zeit nicht umkehren lässt? Okay, auf dem Papier schon, aber in der Praxis halt nicht. Da gibt's dann solche Sachen wie Entropie und Kausalität, die dafür sorgen, dass die Zeit in Richtung Zukunft anders aussieht als in Richtung Vergangenheit. Hat die ART daran auch gedacht?
Sculletto hat geschrieben:"vorher" gab es nicht, da die Anfangssingularität ja gerade der Anfang der Zeit selbst war. Man kann auch nicht sagen, die Energie hätte es in dem singulären Zustand nicht ausgehalten. Wenn man, wie im Urknall-Szenario, nur gravitativ anziehende Energie annimmt, hatte die Energie im Gegenteil sogar das Bestreben, aufgrund ihrer Eigengravitation einen Zustand möglichst hoher Dichte einzunehmen. Die Expansion ist im Urknall-Szenario Anfangsbedingung, sie hat keinen Auslöser.

Alternativszenarien wie Lindes ewige Inflation, in der eine gravitativ abstoßend wirkende Vakuumenergie dominiert, die auf die Expansion des Universums beschleunigt wirkt, enthalten gar keinen singulärer Zustand. Die abstoßende Wirkung führt gerade dazu, dass die Analogie zum umgekehrten Gravitationskollaps nicht mehr zutrifft.
Kannst Du mehr davon erzählen? :)
Sculletto hat geschrieben:zunächst einmal lässt sich bei einem singulären Zustand nicht feststellen, ob da ein Gleichgewicht oder ein Ungleichgewicht herrscht. Dann kommt noch hinzu, dass das Gleichgewicht und das Streben nach diesem thermodynamische Konzepte sind, die Thermodynamik aber nicht fundamental ist. Die für die großräumige Dynamik des Universums verantwortliche Gravitation scheint sich nicht sonderlich um die Thermodynamik zu scheren.
Inwiefern? Setzt sich die Gravitation einfach über die Thermodynamik hinweg? Wenn ich das meinem alten Physiklehrer erzähle, darf ich bestimmt nochmal die Tafel mit Spucke und Daumen saubermachen. :mrgreen:
Nein ernsthaft, wie ist das zu verstehen, dass die Thermodynamik nicht fundamental sei und die Gravitation machen kann, was sie will?

Gruß
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Re: #4 Der Urknall (und die Zeit danach)

Beitrag von Maclane » 27. Aug 2010, 16:53

wilfried hat geschrieben:Tag zusammen

nach einem schönen Segelurlaub habe ich jetzt wieder Musse fürs Forum
Cool Wilfried! :beer:
Wie war der Urlaub? Ich hab auf meiner letzten Bootstour auch immer brav alle Segelboote gegrüßt (was man als Motorbootfahrer normalerweise nicht macht), weil ich dachte, da könnte ja irgendwo der Wilfried draufstehen und mit dem will man's sich ja nicht verscherzen. ;a
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Re: #4 Der Urknall (und die Zeit danach)

Beitrag von wilfried » 27. Aug 2010, 17:00

Hey Mclane

das ist auch gut so, wenn Du uns Segler grüßt. Wir haben das ob unserer Langsamheit auch verdient. Ich habe übrigens einen Rekord gesegelt:

Ausfahrt Nord Dronbuch -Hiddensee Richtung Darsser Ort mit halb raumen Wind Bft 6: 7.4 Knoten unter Blister und Dauergeschwindigkeit nicht unter 7 Knoten. Das ist für mein Schiff mit 9.5m Länge ganz schön schnell. War auch ein Super segeln und was haben wir gemacht??? Na.... Skat gespielt!

Gruß

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Re: #4 Der Urknall (und die Zeit danach)

Beitrag von wilfried » 28. Aug 2010, 09:34

Tag zusammen

Sculetto schreibt:
dass das eingenommene Volumen null war.
nun das ist eine Annahme, deren Begründung offen steht. Denn: wäre das so, dann wären damit die Planck Größen ad absurdum geführt.

Schwierig!!!

Denn: zu diesem Zeitpunkt gab es keine Materie, damit keine Masse, sondern nur irgendeine energetische Formulierung des Universum -halt stark zusammengepresst.

Wäre diese tatsächlich auf Durchmesser Null angesiedelt, dann hättest Du recht ... aber ...

Nun das Problem der Singularitäten will ich hier gar nicht so sehr strapazieren, das taucht in so vielen Disziplinen immer wieder auf. Ich denke auch, dass es schlussendlich darum geht, dass uns zur Zeit immer noch das richtige Verständnis, das richtige Modell oder die richtige Vorstellung dieser Anfangssituation fehlt.

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unendlich viel Energie durch ein unendlich großes Volumen dividieren geht natürlich auch nicht einfach so, das stimmt wohl, da macht man das dann einfach so, dass man für die Zeit nach der Anfangssingularität erstmal unabhängig vom konkreten (aktual unendlichen) Gesamtvolumen des Universums eine endliche Energiedichte annimmt. 
Auch das ist zu einfach gestrickt. Gar so einfach darf man sich die Welt in diesem Zustand nicht vorstellen. Ausserdem ist das ein Widerspruch zu Deiner angenommenen unendlichen Energiedichte. Wie soll denn aus einer unendlichen Energiedichte eine endliche werden ... es sei denn, Deine Annahme des Startvolumens identisch Null wäre wahr...

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damit würdest du schlicht die Urknalltheorie und die von ihr ausgesagte Anfangssingularität negieren.
Ja, das mache ich, bezüglich der klassischen Aussagen über den "Urknall"

zur DE sowie DM:

ich habe hier im Forum ein wenig über DM und DE geschrieben, das kannst Du Dir ja mal durchlesen.
mit Ashtekars Methode, die Urknallsingularität zu vermeiden, tritt stattdessen ein Big Bounce auf, bei dem ein vorheriger Kollaps des Universums in eine Expansion umschlug. Wo sich da jetzt irgendwelche Dimensionen bei irgendeiner Transformation mittransformieren sollen, ist mir aber schleierhaft, woher hast du das? Das Big Bounce-Szenario an sich gibt es auch schon viel länger, da war Ashtekar nicht der erste, der sich so was ausgedacht hat. Übrigens ändert der Big Bounce nichts ander Expansion des Universums, die du ja gerade noch in Zweifel gezogen hast.
Eine der weiterführenden Spekulationen -auch das ist hier im Forum mit einigen Detaisl bereits ausgeführt worden- ist, dass durch Hinzunahme der Planck Größen eben jene Anfangssingularität quasi wegdiskutiert werden kann und stattdessen ein "Durchgang" geöffnet wird. Dieser Durchgang jedoch ist ein äußerst spekulativer, denn die Dimensionen, besser deren Bedeutungen, verändern sich dabei.
was genau meinst du, den Hubble-Parameter oder die kosmologische Konstante?
Ja, ich meine die HP. Wir müssen aber auch damit sehr vorsichtig sein Schliesslich ist die Erweiterung RWM mit den Expansions Parametern ja auch "nur" eine Reihenentwicklung und damit in gewisser Weise unscharf.
Wir erhalten daraus:
a) den klassischen Hubble Parameter durch die zeitliche Ableitung
b) den Verzögerungs Parameter (deceleration P.) über die 2. Ableitung
c) den jerk Parameter über die 3. Ableitung
Ableitungen bezogen auf den Ausbreitungs (expansion) Parameter, welcher mittels einer Reihenentwicklung erhalten wird.

Völlig anders läuft das in der FLM, denn hier werden die kosmologischen Bewegungen aus den Einstein Gleichungen gewonnen. Ich empfinde diesen Weg als "sauberer". Wir erhalten daraus eine Aussage über die Krümmung. Auch lässt sich hier entscheiden, ob wir es mit einem strahlungs betonten oder einem Masse betonten Universum zu tun haben. und das erhalten wir über eine Integration (mathematisch sauberer) und nicht über eine Reihenentwicklung.
Aus mathematischen Gründen, die in diesem Subforum nicht erwähnt werden dürfen, bezeichnet man das als exponentielle Expansion.
Das klingt etwas zu rigide, aber ja, wir wollen dieses Forum für nicht so mathematisch versierte Leute frei von wissenschaftlichen Formulierungen halten. Aber gerne können wir solche Details in den wissenschaftlichen Sektionen des Forums tiefer erörtern. Was Du schreibst unterstreiche ich auch.
dann ist Lindes ewige Inflation auch sicher keine akzeptable Alternativ zur Urknall-Singularität für dich?
Sicherlich ist sie das nicht. Das ist für mich eher ein schwacher versuch sich aus Problemen unelegant herauszuwinden.

Die Frage soll sich hier eher stellen:

ist die primordiale Quantenfluktuation ein richtiger Weg oder ein vielversprechender Weg die Fragen nach dem Beginn des Universums zu beantworten. Ich denke mal es ist recht müßig sich zu streiten, ob denn nun eine Singularität vorhanden ist oder nicht. Dies wird durch eine "vernünftige" Hypothese, welche hoffentlich zu späteren zeiten dann als Theorie erhoben werden kann entweder bestätigt oder verworfen werden.


Gruß

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Re: #4 Der Urknall (und die Zeit danach)

Beitrag von Skeltek » 28. Aug 2010, 09:54

Was spricht denn dagegen, dass ein von null unterschiedliches Volumen unendliche Dichte hat? Wenn ich etwas unendlich großes so komprimiere, dass es unendliche Dichte hat, muss entweder das Volumen auf 0 runter oder der Inhalt pro Volumen auf unendlich hoch.

Ausgehend davon, dass das Universum unendlich groß ist mit unendlich viel Inhalt, wäre es möglich, dass bereits die Anfangssingularität eine ausdehnung hatte.
Wir wissen nicht, welche der Parameter am gemutmaßten Start alle singulär waren.
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oder
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Re: #4 Der Urknall (und die Zeit danach)

Beitrag von wilfried » 28. Aug 2010, 10:07

Lieber Skeltek

der menschliche Verstand spricht dagegen. Die mathematik lässt das zu. Nur wäre eben ein Volumen endlich und trüge eine unendliche Masse, dann wäre auch die Masse unendlich bei sich änderndem Volumen. Unendlich meint eben: ohne jedes Ende. Würde die Masse irgendwann einen endlichen Wert annehmen, dann wäre sich in Deinem Anfangssadium gewaltig hoch gewaltig hoch gewaltig ... gross, eber eben trotzdem endlich.

Spricht man von einem unendlich kleinen Volumen, dann ist es mathematisch "machbar", dass bei Ausdehnung in reale Distancen die vorher unendliche Masse dann endlich wird. Ist in gewisser Hinsicht vergleichbar zur Regel von de L'Hospital. Ist zwar auch ein Kunstgriff, über den trefflich gestritten werden kann, aber hier lässt uns die Mathematik ein Hintertürchen offen, das gerne angenommen wird.

Gruß

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Re: #4 Der Urknall (und die Zeit danach)

Beitrag von wilfried » 28. Aug 2010, 16:00

Tag tensor

ja so meine ich das

Gruß

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Re: #4 Der Urknall (und die Zeit danach)

Beitrag von Skeltek » 28. Aug 2010, 19:06

Man könnte es auch so auffassen, dass es zum Zeitpunkt 0 keine Masse und kein Volumen gab... mach da mal nen Quotient draus...
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Re: #4 Der Urknall (und die Zeit danach)

Beitrag von Skeltek » 28. Aug 2010, 23:59

Glaube was Wilfried meint ist die Dichte, auch wenn er Masse geschrieben hat.
In jedem Fall muß das Volumen nicht von Punktförmig auf endlich anwachsen, damit die Dichte auf endlich fällt.
Solange das ursprüngliche Volumen sich verunendlichfacht, kann es vorher auch unendlich sein.
Sorry für den mathematisch völlig schrecklichen Ausdruck.
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