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#12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

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#12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von tomS » 4. Okt 2011, 23:50

Anlässlich der Wahl des Nobelpreis-Komitees

The Nobel Prize in Physics … was awarded "for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae" with one half to Saul Perlmutter and the other half jointly to Brian P. Schmidt and Adam G. Riess

hier ein ganz kurzer Überblick zur Entdeckung und ihrer Bedeutung.

Bereits seit Einsteins weiß man, dass die Allgemeine Relativitätstheorie natürlicherweise expandierende kosmologische Lösungen vorhersagt, d.h. man erwartet dass – getrieben durch den Urknall – das Universum expandiert. Allerdings wirkt zwischen Materie sowie Strahlung im Universum eine gravitative Anziehung, die diese Expansion bremsen und oberhalb einer bestimmten kritischen Dichte sogar umkehren sollte. Generell erwartet man also eine Verlangsamung der Expansion.

Ebenfalls seit Einstein ist bekannt, dass man durch Hinzufügen einer sogenannten kosmologischen Konstante zu den grundlegenden Gleichungen diese Expansion exakt aufheben könnte. Allerdings ist diese statische Lösung eines ewig unveränderlichen Kosmos zum einen extrem künstlich – die kosmologische Konstante müsste die Expansion durch hochpräzise Feinabstimmung ihres Wertes exakt kompensieren – zum anderen aber auch instabil – jede noch so winzige Abweichung (auch räumliche Fluktuationen) würde unvermeidlich doch wieder zu einem expandierenden Universum führen.

Eine nichtverschwindende kosmologische Konstante ähnelt formal einer Art „negativem Druck“, der interessanterweise zu einer beschleunigten Expansion führen sollte (positiver Druck wirkt gravitativ anziehend; das ist nicht anschaulich zu begründen, folgt jedoch zwingend aus der ART). Dabei ist diese Konstante – im Gegensatz zu normaler Materie – eben konstant, d.h. ihr Wert wird nicht durch die Expansion beeinflusst, insbs. bleibt ihre „Dichte“ konstant (und nimmt nicht ab wie im Falle gewöhnlicher Materie oder Energie). Dies führt dazu, dass die kosmologische Konstante langfristig alle anderen Effekte (Materie, Strahlung sowie deren Gravitation) dominiert und zu einem beschleunigt expandierenden Universum führt (sogenannte deSitter-Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen).

Über lange Jahre nahm man an, dass diese kosmologische Konstante exakt Null sei, wobei ein Mechanismus, der dies vorhersagen könnte, (noch) nicht bekannt war.

Die Vermessung der kosmologischen Expansion erfolgt mittels sogenannter Standardkerzen sowie der kosmologischen Rotverschiebung. Standardkerzen sind helle Objekten im Kosmos, deren absolute Leuchtkraft exakt bekannt ist und aus deren beobachteter Helligkeit unmittelbar auf ihre Entfernung geschlossen werden kann. Dafür hatte sich (insbs. für extrem weit entfernte Galaxien) sogenannte SN 1a Supernovae bewährt. Dabei handelt es sich um weiße Zwergsterne, die Masse von einem Begleitstern absaugen, bis sie selbst eine kritische Masse erreichen und zu einem Schwarzen Loch kollabieren. Im Gegensatz zu anderen Supernovae erfolgt der Kollaps bei einer ziemlich exakt bekannten Masse und innerhalb enger Grenzen, so dass die absolute Leuchtkraft kaum schwankt. Damit eignen sich diese Objekte nun hervorragend für die Entfernungsbestimmung. Man setzt dabei die Entfernung der Muttergalaxie mit der der Supernova gleich. Die Expansion, d.h. die „Geschwindigkeit, mit der sich die Galaxien entfernen“ leitet man aus der Rotverschiebung charakteristischer Spektrallinien von anderen Sternen innerhalb der Galaxien ab (Vorsicht: es ist irreführend, die Expansion der Raumzeit als Geschwindigkeit von in der Raumzeit eingebetteten Objekten zu interpretieren).

Man beobachtete nun zunächst, dass die Expansion des Universums nahe der erwarteten Expansion eines Modelluniversums mit nahezu kritischer Dichte sowie verschwindender kosmologischer Konstante liegt. Dies entspräche einer ewigen, jedoch immer weiter verlangsamten Expansion.

Den Nobelpreisträgern Perlmutter (Lawrence Berkeley National Laboratory, University of California) sowie Schmidt (Australian National University) und Riess (Space Telescope Science Institute, Johns Hopkins University) gelang es jedoch 1998, etliche weit entfernte Supernovae-Explosionen zu identifizieren, deren Helligkeit von diesem Modell signifikant abwich. Dies konnte letztlich nur dadurch erklärt werden, dass die „Geschwindigkeit“, mit der sich das Universum ausdehnt, nicht – wie bis dahin angenommen – durch die Gravitationswirkung von Masse und Strahlung allmählich geringer wird, sondern im Gegenteil zunimmt. Da diese Ergebnisse von zwei unabhängig arbeitenden Teams ermittelt und vorgelegt wurden, konnte man systematische Fehler bei der Messung bzw. der Auswertung ausschließen.

Die Bedeutung dieser Entdeckung ist vielfältig. Zum einen widersetzt sich eine winzig kleine, jedoch nicht-verschwindende kosmologische Konstante theoretischen Erklärungsmustern. Ist es nun eine Konstante, ähnlich wie die Newtonsche Gravitationskonstante? Oder kann sie z.B. als (negative) Vakuumenergiedichte von anderen Materie- und Strahlungsfeldern interpretiert werden? Letzteres erscheint formal zunächst naheliegend, scheitert jedoch in der Praxis, da heute bekannte Theorien entweder keine Berechnung erlauben – statt dessen muss die Vakuumenergiedichte künstlich zu Null gesetzt werden – oder zu absurd hohen Werten führen - der Fehler liegt im Bereich von ca.120 Zehnerpotenzen!!! Wenn es sich um eine Konstante handelt, warum liegt ihr Wert – verglichen mit anderen Naturkonstanten – so extrem nahe bei Null, aber eben doch nicht exakt bei Null? Wie kann die kosmologische Konstante in andere Theorien eingebettet oder sogar erklärt werden? Im Rahmen der Stringtheorie erscheint sie bis heute als Fremdkörper; hätte sie ein anderes Vorzeichen, würde sie dagegen recht zwanglos aus bestimmten Modellen folgen.

Ich hoffe, ich habe ein paar Fakten bzgl. dieser bedeutenden Entdeckung in den richtigen Zusammenhang bringen können. Nachfragen und Diskussionen sind wie üblich explizit erwünscht.
Gruß
Tom

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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von seeker » 5. Okt 2011, 09:45

Danke für diese schöne Einführung!

Erste Fragen:

Kann man (aus der Datenlage heraus) schon mit einiger Sicherheit sagen, dass die kosmologische Konstante auch konstant ist - oder könnte sie auch zeitlich veränderlich sein?

Wie ich das im Moment verstehe, handelt es sich bei dem Konzept DE um eine konstante Energiedichte, die das Universum durch neg. Druck auseinandertreibt. Wenn das Universum also z.B. auf die doppelte Größe angewachsen ist, dann verändert sich dabei nicht diese Energiedichte (also Energie pro Raumvolumen), wohl wächst aber das Integral dieser Dichte über den Raum und damit der Gesamtbetrag dieser Energie. Richtig? Damit würde durch "Vermehrung der Vakuummenge" ständig neue Energie quasi aus dem Nichts geschaffen. Im Prinzip würde es bedeuten, dass sich Raum selbst abstößt, dabei vermehrt und daher anschließend noch mehr abstößt (und dabei die in ihm enthaltene Materie mitnimmt).

Ich glaube, man könnte sich auch Universen denken, die trotz DE wieder kollabieren oder sich einem konstanten Endwert annähern (ganz wie das im alten Modell, ohne DE, als mögliches Schicksal des Universums angedacht war). Das wäre bei Universen der Fall, die deutlich mehr Masse als unser Universum enthalten würden. Ist das richtig?
Wenn dem so ist, dann lässt sich fragen, warum gerade bei unserem Universum die darin enthaltene Masse nicht ausreichte? Warum ist sie so klein?

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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von tomS » 5. Okt 2011, 10:14

seeker hat geschrieben:Kann man (aus der Datenlage heraus) schon mit einiger Sicherheit sagen, dass die kosmologische Konstante auch konstant ist - oder könnte sie auch zeitlich veränderlich sein?
M.W.n. lassen sich die Daten tatsächlich am besten mit einer kosmologischen Konstante mit w = -1 erklären, d.h. man benötigt keine erweiterten Formen der "Dunklen Energie", kann diese aber natürlich auch nicht letztendlich ausschließen. Man hat auch erweiterte Modelle untersucht, in denen die DE zeitlich veränderlich sein könnte; auch hier ist ein Wert w = -1 = const. mit den Daten gut verträglich. Zu den aktuellen Messungen und der KOmbination verschiedener Methoden zur Bestimmung der DE siehe unten die drei verlinkten Graphiken.
seeker hat geschrieben:Wenn das Universum also z.B. auf die doppelte Größe angewachsen ist, dann verändert sich dabei nicht diese Energiedichte (also Energie pro Raumvolumen), wohl wächst aber das Integral dieser Dichte über den Raum und damit der Gesamtbetrag dieser Energie. Richtig? Damit würde durch "Vermehrung der Vakuummenge" ständig neue Energie quasi aus dem Nichts geschaffen.
Nein. Wie schon oft betont kann man in einem expandierenden Universum i.A. keine integrale Größe defnieren; insbs. lässt sich die Energie E(t) nicht konsistent als Integral über T°°(x,t) definieren. Außerdem weiß man für die kosmologische Konstante nicht, ob man sie jetzt der Materie oder Gravitation zuschlagen soll, also der rechten oder der linken Seite der Einstein-Gleichungen; für eine gravitative Energie gibt es aber sowieso keinen Ansatz.
seeker hat geschrieben:Im Prinzip würde es bedeuten, dass sich Raum selbst abstößt, dabei vermehrt und daher anschließend noch mehr abstößt (und dabei die in ihm enthaltene Materie mitnimmt).
Korrekt
seeker hat geschrieben:Ich glaube, man könnte sich auch Universen denken, die trotz DE wieder kollabieren oder sich einem konstanten Endwert annähern
Nein. Man könnte theoretisch einen statischen Kosmos konstruieren. Allerdings würde jede infinitesimale Abweichung diese Eigenschaft zunichtemachen (So wie eine Nadel, die du auf der Spitze balancierst). Aufgrund der Tatsache, dass die KK eben konstant ist, überwiegt sie langfristig immer, d.h. eine Kontraktion ist nicht möglich (stimmt nocht - s.u.). Allerdings kannst du durch Variation des w-Parameters recht beliebige Kosmologien erreichen - wobei das eher Spekulation ist.

http://www.learner.org/courses/physics/ ... cmb_sn.jpg
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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von belgariath » 5. Okt 2011, 11:28

tomS hat geschrieben: [...]
seeker hat geschrieben:Ich glaube, man könnte sich auch Universen denken, die trotz DE wieder kollabieren oder sich einem konstanten Endwert annähern
Nein. [...]
Das sehe ich anders, Tom. Es gibt Kombinationen aus der Materieenergiedichte und der DE-Dichte, die wieder kollabieren und bei denen die DE-Dichte größer als Null ist. Das sieht man z. B. hier:
http://supernova.lbl.gov/PDFs/SCP2003OmegaConfTrans.pdf
Ein Universum mit und würde beispielsweise seekers Wünschen genügen. Wie seeker sagte, die Materieenergiedichte muss nur genügend groß sein.
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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von tomS » 5. Okt 2011, 12:54

Danke für den Hinweis; du hast recht; ich kommentiere das oben
Gruß
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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von deltaxp » 5. Okt 2011, 16:39

tomS hat geschrieben:(positiver Druck wirkt gravitativ anziehend; das ist nicht anschaulich zu begründen, folgt jedoch zwingend aus der ART).
ich hab mir da mal ne "anschauliche erklärung" zurechtgelegt. weiss nicht ob die so gut ist.

die idee besteht letzlich darin was positiven druck auf mikroskopischen niveau erzeugt: nämlich die bewegung der teilchen, seien es atome elektronen oder von mir aus sogar licht.

wenn man sich die ideale gastheorie vorstellt, steigt der druck bei erhöhung der dichte, weil mehr teilchen gegen die wand scheppern oder wenns wärmer wird, weil die heftiger gegen die wand scheppern.

und ich finde kein bezugssystem wo ich diesen kinetischen anteil rausnehmen kann, da der (gasdruck) druck nunmal überall hingeht.
wir haben also eine minimale mittlere kinetische energie, die nicht wegzulorentzboosten ist :)

über e_kin="m_kin" c^2 kann ich der kinetischen energie nun eine "kinetische masseanteil" zu ordnen. und da wir die äquivalenz von träger und schwerer masse berücksichtigen muessen, hatt der druck darüber natuerlich auch eine anziehende komponente über diesen mittleren kinetischen masseanteil!

der witz wird jetzt wenn man den ultrarelativistischen grenzfall nimmt, wenn man die ruhemasse sogar vernachlässigen kann wie beim entarteten elektronen gas eines weissen zwerges. dann übersteigt irgendwann sogar der gravitative anteil des /entarteten elektrogas-drucks) den auseinadertreibenden anteil des postiven drucks (der is immer endlich). so bei weissen zwergen, wenn sie das chandrasekar-limit erreichen. eine zunahme des drucks durch mehr materie führt zur Reduktion des sternradius, da die graviatation den positiven entartungsdruck überwiegt. die folgen sind bekannt:

thermonuklearer BOOOOOOOOOM -> die chandrasekhar-massen-bombe bzw weniger spektakulä ausgedrückt: supernova typ 1A :)

oder wenn ich bei ganz fetten sternen starte dann halt neutronenstern, bis auch der zuviel druck des guten aufbaut und dann schwarzes loch.

soweit ich gelesen habe bleibt bei ner SN 1A nix übrig, die wird vollkommen durch die thermonukleare explosion aufgeraucht. mittlerweile mehren sich auch die anzeichen, dass dass modell weisser zwerg+begleiter nicht die vorläufwersterne sind. abschätzungen zeigen dass es wohl deutlich zuwenig von der sorte gibt und zudem dass das abgesaugte material, was ja primär aus wasserstoff und helium besteht durch seine eigene fusion auf der oberfläche soviel energie erzeugt, dass es sich selber wieder ins all schiesst und der zwerg somit keinen grossen massezuwach durch dieses mechanismus erfährt. soweit ich gehört habe, gelten zentralsterne heisser planetarischer nebel mittlerweile eher als vorläufersterne. da ist das letzte wort aber wohl noch nicht gesprochen. fakt ist so oder so, dass die helligkeitskurven extrem charakteristisch sind und man aus ihnen die absolute helligkeit ableiten kann. im groben sind die immer gleich hell, aber die genauigkeit reicht nicht aus, schwankt noch um mehrer prozent, da nicht immer aller kohlenstoff fusioniert zu nickel war das glaub ich, aber aus der maximalen helligkeit zum aufsummierten intensität der "nachglühphase" der folgenden wochen kann man das rauskriegen und dann korrigieren.

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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von deltaxp » 7. Okt 2011, 23:52

nein warum ?
ein big bounce liegt in der vergangenheit. bojowalds löst nur die singularität auf und sagt aus, wenn sich das universum auf zusammenzeht geht das nicht beliebig, osndern es wird wieder raum gebildet. er sagt nicht, dass sich der raum unbedingt wieder zusammenziehen muss wenn er sich einmal ausdehnt

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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von seeker » 8. Okt 2011, 08:33

Es muss sich (wie oben schon angeschnitten) ja auch nicht jeder Kosmos für alle Zeit beschleunigt ausdehnen. Es kann nach wie vor auch Universen geben, die kollabieren.
Bojowald sagt nur, dass es theoretisch möglich ist, dass unser Universum aus so einem kontrahierenden Vorläuferuniversum entstanden ist - und dabei ein Teil der Information durch die Urknallsingularität herübergerettet wurde. Er sagt aber überhaupt nicht, dass es auch so war. Das bleibt nach wie vor völlig offen.

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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von tomS » 8. Okt 2011, 09:41

Nochmal der Hinweis "... for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae". Der Preis wurde für eine Beobachtung,ein Experiment vergeben, nicht für eine Theorie. Der theoretische Rahmen war schon da, er könnte sich aber auch noch ändern (z.B. könnte die DE bzw. die "Beschleunigung" als Scheineffekt erklärbar sein). Die wesentliche Leistung der Wissenschaftler bleibt davon unberührt.
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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von rick » 8. Okt 2011, 13:43

@ Tom, heißt das nun, dass der "Big Crunch" nun eindeutig experimentell widerlegt worden ist?

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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von tomS » 8. Okt 2011, 13:50

rick hat geschrieben:heißt das nun, dass der "Big Crunch" nun eindeutig experimentell widerlegt worden ist?
Mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit. Schau dir die von belgariath verlinkte Graphik an: http://supernova.lbl.gov/PDFs/SCP2003OmegaConfTrans.pdf

Die Werte weißen sehr eindeutig auf eine ewig andauernde und zunehmen beschleunigte Expansion hin. Bzgl. einer offenen oder geschlossenen Topologie sagen sie kaum etwas aus. Einen Urknall darf man annehmen, d.h. ein Universum, das bereits seit unendlich langer Zeit existiert und expandiert ist auch mit hoher Wahscheinlichkeit ausgeschlossen.
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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von tomS » 8. Okt 2011, 16:14

positive hat geschrieben:Müsste der Urknall dabei nun unbedingt eine Singularität sein? Oder könnte man auch eine fast(unendliche) Dichte, usw. auch annehmen?
Die Ergebnisse bzgl. der beschleunigten Expansion sowie der genauen Werte für die Dichten (siehe die Graphik) sagen praktisch nichts über den Urknall selbst aus - außer dass es ihn wohl gegeben hat. Seine genaue Natur kann aus diesen Beobachtungen (leider aus gar keinen Beobachtungen!) nicht abgeleitet werden.

Natürlich geht man davon aus, dass eine endgültige Theorie der Quantengravitation die Urknallsingularität "aufweicht"bzw. "regularisiert", aber ob diese Theorie wiederum etwas Neues über die Expansion aussagt, kann heute niemand mt Bestimmtheit sagen.
Gruß
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gerald

Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von gerald » 15. Okt 2011, 03:18

warum kompliziert – wenn es einfach geht?

in einem seiner mechanismen NICHT hinterfragten universum sprechen wir axiomatisch (=dahingestellt) von eigenschaften (der dinge, hier insgesamt) des universums. gravitation sei eine solche eigenschaft,… die dann als hilfsannahme nach mehr (also „der zunahme“ einer dunklen oder schwarzen) masse verlangt, wenn die ausdehnung des universums (beschleunigend) zunimmt... – was die frage nach dem woher dieser anstieg der massen kommen soll tabuisiert, undsoweiter… bis dann parallele multiversen dafür herhalten müssen (und wie hieße dann das uni aller... ein esaklierendes lügengebäude entsteht, das immer mehr hilfsannahmen fordert…)…

das ende solch „akademischen gebarens“ ist erfahrungsgemäß die erkenntnis, dass es genau „andersum“ ist… und hier das postulat fordert:

die beschleunigung der massen liegt an der universalen abnahme der massen!

indiz: seit dem urknall zerfallen die massen – und damit die trägheitsmomente der energie (dieses universums), was eine abnahme des aufhaltens von energie = eine zunahme ihrer bewegung bedeutet. (in analogie zur pirouette, die umso schneller dreht, wie man die bremsende hebelmasse hereinzieht... oder verliert....)..


noch mal gefragt: warum sollte es komplizierter sein?

in einem seiner mechanismen hinterfragten universum ließe sich gravitation als ein gegenimpuls der flucht der (bewegungs-energie)-quanten „deuten“,... der genau dann „entsteht“, wenn bewegungsenergie in lage geht (zu trägheit = masse wird). die bewegungsenergiequanten „verstehen“ den „momentanen verlust“ von bewegungsenergie nicht und rücken um die dabei entstehende lücke sofort auf (was diesen gravitationsimpuls deuten würde, denn alle quanten dieses universums nachrücken müßten...).

ich weiß, daß ich mit dieser deutung der doktrin von „axiomatischen eigenschaften“ schmerzen bereite, denn „mechanistisch“ hinterfragbare axiome keine mehr sind. hier dürfen wir sogar von quanten-mechanismen sprechen, die aus relativistischen mechanismen resultieren,... was nach geltender lehrmeinung „unvereinbare teilgebiete“ der physik seien. na, daß es so was überhaupt geben kann. (sicher in diesem forum nicht?)

vorsorglich: ich bezweifle mit nichten die existenz dunkler oder schwarzer materie – und vermute einfacher-weise, daß es sich dabei um neutrinos und neutronen handelt,... die allerdings wie jede materie (aus dem urknall) zerfallen muß (also derer ganz sicher nicht mehr wird).

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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von deltaxp » 15. Okt 2011, 18:19

nun, bisher wurde kein protonen zerfall noch zerfall des elektron festgestellt. bzw grenzen gefunden die höher als das alter des universums ist. und ausserdem e=mc^2, auch zerfälle wirken aufgrund der energie masse äquivalenz gravitativ anziehend. deshalb steht auf der rechten seite der art-gleichhungen auch der energie-impuls-tensor und nicht nur die masse. die art ist bis dato sehr gut empirisch verifiziert. ein massenzerfall, der keinen einfluss hat wegen e=mc^2 wurde ebensowenig empirisch für unsere hauptbaryonen und leptonen festgestellt. damit ist dein vorschlag leider nicht mit den beobachtungen vereinbar, von theoretischen überlegungen mal ganz zu schweigen.

dein modell wäre in der tat nicht einfacher, weil er einen proton und elektron zerfall postulieren würde und eine verletzung der energie-masse-äquivalenz und somit der der äquivalenz von träger und schwerer masse und somit einbe verletzung der art und srt und lokaler energieerhaltung, dass es theoretisch alles andere als einfach wäre, sondern viel viel komplizierter als alles was wir bisher haben und dabei die bereits getätigzten beobachtungen und experimente zu respektieren. na dann überzeg mich mal, qualitativ und quantitativ von deinem vorschlag. ich vermute das wird dir nicht gelingen

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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von seeker » 16. Okt 2011, 02:54

deltaxp hat m.E. ganz recht, wenn er schreibt, es würde eine Verletzung "der äquivalenz von träger und schwerer masse" bedeuten.
Wobei: Was bedeutet eigentlich "Äquivalenz von schwerer und träger Masse"? Steckt da zur Umrechnung nicht die Gravitationskonstante mit drin?
Ergo: Würde dein Vorschlag dann nicht darauf hinauslaufen, dass sich die Gravitationskonstante mit der Zeit ändern müsste?
Das hat man aber soweit ich weiß nicht beobachtet.
Ergo: Der beste Weg der uns bisher eingefallen ist, ist der, stattdessen an der kosmologischen Konstante zu "drehen", was zum Konzept der dunklen Energie führt.

Ganz allgemein: Auch wenn wir mal kurz annehmen würden, dass (schwere) Masse einfach mit der Zeit "verschwindet", dann würde das nur zu einer weniger verlangsamten Expansion führen, keinesfalls aber zu einer beschleunigten Expansion.

Dennoch finde ich die Frage interessant. Ich würde sie so formulieren:

"Was wäre, wenn der Wert der (schweren = trägen) Masse aller Materieteilchen mit der Zeit abnehmen würde?"

Grüße
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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von deltaxp » 17. Okt 2011, 09:49

der inhaltliche unterschied zwischen träger und schwere masse ist folgender: die träge masse stellt sich der änderung des bewegungszustandes beim einwirken einer kraft entgegen.
F=m_t*a
Die träge masse zeichnet sich auch verantworlich für die sogenannten trägheitskräfte (fliehkraft, choreliskraft), auch unter dem leicht irreführenden namen scheinkräfte aus der klassischen mechanik.

die schwere masse m_s ist letzlich die graviationsladung, und bildet bei newton die ursache für die gravitatiosnkraft. ein beispiel was jeder aus der schule kennt verdeutlich das dann. wenn man newtonsche graviationsgesetz nimmt steht da, wenn man das explizit ausscheibt

F=m_t*a=G=m_s*M_s/r^2

was jeder in der schule macht, ohne es zu hinterfragen ist m_t und m_s wegzukürzen. aber das eine ist die träge masse und das andere die schwere. wegkürzen koenne wir das nur wenn sie gleich sind (bzw streng proportional, aber dann würde ein konstante faktor über bleiben den man der einfachheit halber in die graviationskonstante steckt.

also a=M_s/r^2

mit dem qoulombgesetz würde das keiner maxchen

F=m_t*a=c*q*Q/r^2 , m_t/q kürzt sich nicht, das eine ist die elektrische ladung als ursache der kraft, das andere die träge masse. keiner würde das kürzen, nen proton beschleunigt im gegeben elektrischen feld nicht so flott wies elektron.

das hat weitreichende konsequenzen bei der gravitation: die beschleunigung ist unabhängig von der probemasse. (alles fällt gleich schnell, wie schon galileo wusste)

und was ist a: a=d^2s/dt^2, die zweite ableitung des weges nach der zeit. ein bisschen art steckt also bereits in newten.

links ist eine rein geometrische eigenschaft der raumzeit nämlich die zweite ableitung des weges nach der zeit. warum die zweite ? (in de rnewtonschen näherung ist dt=dtau also die eigenzeit, ein parameter der sagt wo man sich auf der weltlinie befindet.

und die zweite ableitung ist der wesentliche kern, der die krümmung eine kurve beschreibt!, da steht also bereits sowas wie die krümmung des raumes. auf der rechten seite steht die ruhe masse M_s , also letzlich sowas wier die T00 komponente des energie-Impuls-tensores (note E=mc^2). jetze noch ganze relativistisch invariant werden lassen und irgendwann nach viel viel rechnen und grübeln werden die art-gleichungen draus.

Krümmung der raumzeit=energie-impuls-verteilung (+ constant).

wenn man als die gleichheit von träger und schwerer masse postuliert wird daraus das starke äquivalent prinzip: es ist unmöglich zu entscheiden ob man sich (lokal) in einem freifallenden system in einem gravitationsfeld oder in einem inertialsystem befinden. alle gesetze sind gleich. ich kanns nicht unterscheiden. oder man kann ebensowenig unterscheiden ob man sich lokal ruhend in einem graviationsfeldfeld befindet oder einem beschleungiten system. es ist äquivalent. (der tangentialraum an einem punkt in der gekrümmten raumzeit ist der flache minkowski-raum).

daraus folgen dann auch graviative zeitdilatation und längenkotraktion.

das lokal ist wichtig. erstens muss der brühmte fahrstuhl klein sein gegenüber graviationsänderungen (stichwort sonst hat man tidalkräfte) und lokal auch deshalb, weil es i.a. kein globales inertialsystem gibt mit dem man das graviationsfeld herausrechnen kann. einfaches bespiel. zwe freifallende fahrstüle vom nord und südpol. in jedem fahrstuhl kann ich ein äquivalentes inertalsystem finden,, aber beide fahrstüle beschleunigen relativ zueinander, es gibt keines in beide sich unbeschleunigt bewegen.

kurz gesagt an jedem punkt im raum unterscheiden sich die inertialsystem etwas, und genau passiert wenn die raumzeit gekrümmt ist (anallogie kugeloberfäche. die tangentialflächen an jedem punkt sind immer etwas geknickt. die rüume unterscheiden sich, wie man von dem einen vektorraum in den anderen gelangt also einen vektor dorthin (parrallel) übertragen kann, wird dann gerade durch diese berühmt berüchtigten christophelsymbole beschrieben, die den zusammenhang beschreiben. und das ist dann dieser ominöse mathematische begriff: zusammenhang oder auch führungsfeld der in den modernen theorien auch in den eichtheorien (da sind das gerade die eichfelder) eine so fundamentale rolle spielt).

ich hoffe im groben ist das richtig, was ich mir durch selbststudium angegeignet habe, wenn da fehler in dieser vereinfachten beschreibung sind, können das tom und willfried und raylight sicher korrigieren.

wenn der wert abnehmen würde ? schlag mich jetzt nicht, tippe die krümmung würde geringer werden.

lokal ist denk ich ja einfach. man die freiwerde energie (note= e=mc^2)
ja abstrahlen, dass sie lokal nicht mehr zur verfügung steht sondern eher im rahmen der weitläufigeren umgebug wirkt.

die sonne gibt sonnenwind ab, damit fällt in unserem planetensystem die anziehung und die planetenbahnen rutschen a bisserl weiter nach aussen. das weiss man, das kann man schon in der newton-näherung berechnen, bzw die krümmung wird dann geringer und die geodäten verändern sich dann lokal. die abgestrahlte energie führt dann aber woanders halt zu einer vergrösserung der krümmung.

wenn sich das verhältnis von träger zu schwerer masse ändern wurde hingegen, währen die auswirkung interessanter. objekte würden nciht mehr gleich fallen, ich könnte mit verschiedenen freifallenden inertialsysteme dann doch rückschluesse aufs graviationsfeld geben, da sich die gestze in ihnen unterscheiden würden, ergo würde die aus der äquivalenz von träger und schwerer masse flgende geometrisierung der graviation als eigenschaft der raumzeit nicht mehr stimmen, ergo müsste die art nicht stimmen und man musste abweichungen von ihr feststellen.

deswegen beschäftigen sich nach wievor physiker mit experimenten die die äquivalenz messen. irgendwi soll oder wurde demnächst nen sateletit mit einer messvorichtung gestartet werden.

gerald

Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von gerald » 18. Okt 2011, 17:25

deltaxp hat geschrieben: na dann überzeg mich mal, qualitativ und quantitativ von deinem vorschlag. ich vermute das wird dir nicht gelingen
lol (schmunzel) - werd drüber nachdenken (und die nächsten tage eine vielleicht bessere antwort mitbringen). aber wir sollten vorher noch einen wetteinsatz felstlegen, denn andererseits würdest ja du mich überzeugen, dann...

vielleicht ist auch meine antwort (nicht minder provokativ) im beitrag nichts, null, vakkum... schon hilfreich, zu verstehen, was ich meine, hier mal soviel noch ergänzend:

ich sehe keine verletzung der energieerhaltung... in der wandlung zu materie und derem anschließenden zerfall (die energiemenge bleibt gleich).

gerald

Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von gerald » 18. Okt 2011, 17:36

seeker hat geschrieben: Ergo: Würde dein Vorschlag dann nicht darauf hinauslaufen, dass sich die Gravitationskonstante mit der Zeit ändern müsste?
.
.
.

Dennoch finde ich die Frage interessant. Ich würde sie so formulieren:

"Was wäre, wenn der Wert der (schweren = trägen) Masse aller Materieteilchen mit der Zeit abnehmen würde?"
eben - und zu g... vielleicht ja (über große zeiträume) oder sich wie bei satellitten die massen eh rauskürzen... (ich weiß es nicht mehr. dieses modell ist vierzig jahre alt und es existieren vielleicht keine "unterlagen" mehr, auch vielleicht noch eine bessere antwort folgt...)


ausserdem: in diesem modell entstehen die konstanten ja aus wechselwirkungen (als dynamisch resultierende) und ein reagierendes quantum darauf ändert (auch im ablauf großer zeiträume) nicht seine größe.... ergo: wird seine resultierenden konstanten also behalten.

gerald

Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von gerald » 18. Okt 2011, 17:53

deltaxp hat geschrieben:
wenn der wert abnehmen würde ? schlag mich jetzt nicht, tippe die krümmung würde geringer werden.
eben - und auf der gerader werdenden piste wird man dann eben auch schneller........ (zunehma der expansion!)

gerald

Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von gerald » 18. Okt 2011, 18:07

deltaxp hat geschrieben:der inhaltliche unterschied zwischen träger und schwere masse ist ....

...prinzipiell keiner (nach einstein?) oder so:

die beschleunigte masse demonstriert (in nicht nur relativistischen verhältnissen) immer(!) ihre physikalische qualität. - es könnte so sogar als beweis für ein prinzipielles gleichsein geführt werden, oder? (mal warum fragen, sie ausgerechnet mit "wachsender" trägheit antwortet, wenn bewegt und dafür beschleunigt wird?)


warum sollten wir es komplizierter sehen (und einen unterschied zwischen schwerer und träger masse machen)?

gerald

Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von gerald » 18. Okt 2011, 18:21

danke, dieses beispiel inspiriert mich:
deltaxp hat geschrieben:
F=m_t*a=c*q*Q/r^2 , m_t/q kürzt sich nicht, das eine ist die elektrische ladung als ursache der kraft, das andere die träge masse. keiner würde das kürzen, nen proton beschleunigt im gegeben elektrischen feld nicht so flott wies elektron.

das hat weitreichende konsequenzen bei der gravitation: die beschleunigung ist unabhängig von der probemasse. (alles fällt gleich schnell, wie schon galileo wusste)

weil sich die massen herauskürzen (aber ne schwerere dennoch mehr beschleunigt wird / sich also deshalb herauskürzen).


.......waas aaaber nicht mehr funktioniert (danke für den vergleich), wenn die kräfte gleich aber die (sie beschleunigenden) massen (hier elektron und proton) unterschiedlich sind.

ich übertrag das mal folgendermaßen: eigentlich haben wir ein meter-kilopond-sekunde-system,... das als meter-kilogramm-sekunde-system nur funktioniert, weil es dort (in diesem sogenannten "inertialsystem") solche sachen (wie "fremde" kräfte) nicht gibt. in diesem system sind die g-kräfte den massen proportional. (also das herauskürzen funktioniert).

deltaxp
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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von deltaxp » 19. Okt 2011, 02:14

gerald hat geschrieben: warum sollten wir es komplizierter sehen (und einen unterschied zwischen schwerer und träger masse machen)?
Machen wir ja eben aufgrund unserer Erfahrung nicht und Einstein erhob dieses zum Postulat. Nur ist einigen Leuten halt nicht klar, dass es nicht unbedingt trivial ist. Dafür ist eine etwas detailliertere Betrachtung des Sachverhalts nützlich.

Zum zerfall der Massen, Gerald. Die Energie zerfallender Masse, letzlich sowas wie frei werdende Bindungsenergie trägt zum Energie-Impuls-Tensor und damit zur gravitativ positiven Anziehung bei.

Der Sonnenwind und die Lichtabstrahlung mag an der Stelle unseres Sonnensystems zur Abnahme der Raumzeitkrümmung führen, an anderer Stelle diese aber erhöhen, da es immer noch erhaltene energie ist. Deswegen ändert sich im grösseren Masstab, insbesondere im universellen nichts. ein Massenzerfall ist daher nicht geeignet, eine beschleunigte expansion zu erklären. Er wäre es nichtmal, wenn Masse zerfallen würde ins nichts (und keine energieerhaltung gelten würde - global ist sie ohne nicht definierbar), weil lediglich die anziehende Wirkung dann schwächer wird aber nicht repulsiv, was man für eine beschleunigte Expansion bräuchte.

Deine hypothetisch zerfallende Masse müsste also eine Energieform erzeugen mit negativen Druck. Das sind 2 Dinge schonmal, die empirisch kein Fundament haben. Proton-Zerfälle treten in GUT-Theorien auf und es gibt auch Experimente dazu (zb Super-Kamiokande) Halbwertszeiten liegen aber nach den Ergebnissen über 10 hoch 35 Jahre. das Universum ist 10 hoch 10 Jahre alt. Das heisst eventuelle derartige Beiträge sind verschwindend gering. Das zweite. Ein Zerfall Proton zu Positron und Pion, was weiter zu 2 Photonen (Strahlung) zerfällt, hätte immer noch einen gravitativ positiven Beitrag über den Strahlungsdruck. Du bräuchtest einen negativen Druckterm (selbst eine 0 hülfe nicht weiter)! Das heisst also, du bräuchtest eine Theorie, die einen Protonzerfall in irgendwas mit negativem Druck erzeugt ohne mit den bisherigen empirischen Ergebnissen zu kollidieren.

Ohne einen negativen Druckbeitrag (und das tut Strahlung nicht) wirkt alle anziehend und damit verlangsamend, auch ein ewig expandierendes Universum würde verlangsamt werden bis auf ne konstante Expansion (Beschleunigung 0), auf keinen Fall beschleunigt.

Es ist also nicht so einfach, wie dein Gedanke scheint, zumindest für mich nicht. Mehr kann ich zu diesem Thema nicht beitragen. Wenn dir das nicht reicht, musst du nen Experten fragen, der mehr davon versteht.

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Eins ist mir aber heute früh noch eingefallen gerald. Ich bin ja kein Ignorant und Protonen-Fetischist. Wir haben noch eine Masseart im Universum, die 5 mal mehr vorhanden ist, als die baryonische. Unsere allseits geliebte dunkle Materie, von der niemand weiss, was es ist. Es gibt zwar (supersymmetrische) Modelle, die Kandidaten prognostizieren, aber bisher weigern die sich jeglicher experimenteller Bestätigung.

Denen könnte man daher vielleicht sone Zerfallseigenschaften spekulativ andichten in was, was nicht klumpt (muss ja gleichmässig verteilt sein) und nen negativen Druck dabei aufweist. Letzteres brauchst du unbedingt (solange man davon ausgeht, dass es ein Energiebeitrag und nicht eine einfache weitere nicht zu hinterfragende geometrische Naturkonstante ist.) Wie das mit praktischer Messbarkeit (Galaxien/Cluster in weiter Ferne/Vergangenheit müssten andere Strukturen/Bewegungsenergien haben, je nachdem wie stark der Zerfall in dieses ominöse Etwas mit negativem Druck wäre) und konsistenten theoretischen Modellen mit korrekter Quantität aussähe, hab ich freilich keine Ahnung.

Einen Reiz hätte es, weil man zugleich dunkle Materie und dunkle Energie erklären könnte. Für Science Fiction wäre das interessant, weil man daraus ne Energiequelle mit der nötigen negativen Energie für Warp-Antriebe basteln könnte :).

Aber EINFACHER ist dies beileibe auch nicht.

gerald

Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von gerald » 20. Okt 2011, 05:05

hallo seeker, versprochener nachtrag:

wenn g (wie analog auch c) keine globale sondern wechselwirkungsRESULTIERENDE KONSTANTE ist,... dann verändert sie sich mit dem globalen zerfall der teilchen nicht.

es verändert sich nur das verhältnis der in trägheit (= masse) gebundenen energie-quanten gegenüber freien energie-quanten. die freihesten sind (vermutlich) die photonen. wir haben mit einem allgemeinen zerfall (dann in photonen) auch nicht mehr energie im universum, sondern nur mehr freie energie (und am bitteren ende nur die und keine teilchen mehr).

die unfreihesten sind die in neutronen und neutrinos gebundenen (weil die sich mangelnder elektrostatik am dichtesten packen lassen... und neutronensterne bilden können). gerade in und an schwarzen löchern (neutronensternen) sehen wir, daß sich g (und c) nicht verändern (nur mehr beugen).

ergo: verändern können sich mit einem allgemeinen zerfall der teilchen nur die geodäten (die eben dann flacher „oder weniger krumm“ werden).

danke deiner frage (mußte selber drüber nachdenken) - lgg



hallo deltaxp

die „dunkle materie“ wäre in diesem modell elektrostatisch neutrale materie. also neutrinos und neutronen, die allesamt auch aus dem urknall stammen. (lol, bin auch kein protonenfetischist.) auch sie zerfallen, irgendwann, werden weniger (nicht mehr).

wobei „neutrale teilchen“ sicher am längsten überleben. (ein fades ende – wenn es dann nur noch dunkle materie gibt?) interessant ist in diesem zusammenhang die wegener-theorie, auch tesla ging von neutrinostürmen aus,... die uns regelrecht verfolgend durchfluten, gelegentlich doch treffen und „die erde sogar wachsen lassen würden“... egal, anderes thema? nicht unbedingt, denn auch die photonen der sonne lassen unsere erde „wachsen“. (das verteilt die massen aber nur anders und erzeugt keine neuen. was du, glaub ich, genau so siehst, siehe sonnenwind und masseverlust der sonnen, siehe oben.)

gegen den allgemeinen oder universellen zerfall der teilchen gibt es nur ein paar backöfen, die sie zu schwereren zusammenbrüten. grob skizziert sich das so, daß der urknall subatomare systeme bis zu den neutronen herstellt, die dann von neutronensternen eingesammelt werden und zu zentren der galaxien werden (im besten fall). in deren sonnen fusionieren dann (schon) leichte elemente und beim durchgang des strahlung- hier explosionssdruckes „durch den“ gravitationsdruck einer supernovae auch schwere elemente. das reicht für unseren teilchenzoo. aber zerfallen müssen auch die wieder, dann erst in wieder leichtere usw... bis am ende eben alles nur noch energiequanten sind, die keine trägheitsmomente mehr erfahren (weil keine masse mehr im universum ist). ich sehe da keine veränderung der menge der energiequanten (und brauche keine hilfsannahmen einer negativen energie, die was sein sollte).


...und dann (gegen das ende des universums gehend) eine wellenfront „purer photonen“ erzeugen muss, die sich ins nichts ergießen wollen? aber damit auch eine neue senke „induzieren“.... (eigentlich zum thema des anderen threads wird, dort als singulärer zustand diskutiert wird. aha. wieder alles von vorne beginnt???)


grüße euch, gerald

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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von seeker » 20. Okt 2011, 08:34

Freie Neutronen haben eine Halbwertszeit von nur ca. 15 Minuten und zerfallen dabei in Protonen, Elektronen, Neutrinos und EM-Strahlung.
Sie scheiden damit definitiv als DM aus, denn es kann praktisch keine freien Neutronen im Weltall geben.

Neutrinos sind zu schnell, als dass sie die "fehlende Masse" (z.B. der Galaxien) erklären könnten - zumindest (bei weitem!) nicht alleine.
Sie scheiden daher als DM-Hauptbestandteil auch aus.

Noch einmal zurück zu unserem Hauptargument:

Wenn alle Materie des Universums im nächsten Moment in Licht umgewandelt würde, dann würde sich das Weltall deshalb dennoch nicht BESCHLEUNIGT ausdehnen.
Es könnte sich maximal mit konstanter Geschwindigkeit ausdehnen. Ist nicht klar geworden warum?

Grüße
seeker
Grüße
seeker


Mache nie eine Theorie zu DEINER Theorie!
Denn tut man das, so verliert man zumindest ein Stück weit seine Unvoreingenommenheit, Objektivität.

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Re: #12 Beschleunigte Expansion des Kosmos (Nobelpreis 2011)

Beitrag von deltaxp » 20. Okt 2011, 10:08

Danke Seeker,

Gerald. Wir wissen mittlerweile sehr genau, dass dunkle Materie auf keinen Fall baryonischer Natur sein kann, Neutronen und Neutrinos aus besagten Gründen schon garnicht. Freie Neutronen sind instabil, zerfallen in protonen elektronen und neutrinos innerhalb von Minuten, Neutrinos snd zu "heiss" für DM. Wie seeker sagte, sie flitzen zu schnell und klumpen nicht. UND wie oben ausführlich erläutert führt ein Zerfall in andere Materie und Energie (Strahlung) NICHT zur Beschleunigung!

Diese Diskussion führt langsam auf eine unwissenschaftliche Basis, teilweises wirkten deine aussagen auf sogar etwas esoterisch. Da du jede wissenschaftlich und empirisch gewonne Erkenntnis als Argument nicht gelten läßt, Bruchstücke aus verschiedenen Theorien und Spekulationen teilweise in wilder Form zusammenwürfelst ohne Überprüfung auf theoretische und empirische Konsistenz ja teilweise in eklatantem Widerspruch dazu, kann ich dir hier an dieser Stelle leider nicht mehr weiterhelfen und diskutieren.

Wenn du weiterhin von deinen Ideen derart überzeugt bist, stelle eine fundierte Theorie auf, die die bisherigen Erkenntnisse respektiert und veröffentliche diese in einer der bekannten Fachzeitschriften oder Internet-plattformen, dass Wissenschafter diese analysieren und betrachten können. Ich kann es jedenfalls nicht.

Es gibt sicher andere Internetforen, die den wissenschaftlich Anspruch nicht so ernst nehmen wie dieses hier, die sich mit dir dann wahrscheinlich besser unterhalten können.

dieses forum hilft dir offenbar nicht weiter.

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