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Frage zur Expansion des Universums

Themen zur Kosmologie, Urknall, inflationärer Kosmologie, Expansion, Entwicklung und Zukunft des Universums
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Frage zur Expansion des Universums

Beitrag von seeker » 3. Jan 2021, 16:31

mneumann:

Frage zur Expansion des Universums

Allgemein anerkannte Grundlagen:

- Es gab vor etlichen Milliarden Jahren den sogenannten "Big Bang", die Entstehung von Raum, Zeit (und Energie aus einer Quantenfluktuation?).
- Die Lichtgeschwindigkeit ist eine sog. Konstante (ca. 300.000 km/s).
- Die Rotverschiebung in den Spektren der Galaxien weisen auf eine beschleunigte Entfernung der Objekte vom Beobachter aus gesehen hin (Ausnahme: Andromeda).
- Je weiter von uns entfernte Objekte wir betrachten, desto weiter schauen wir in die Vergangenheit des Kosmos (Hintergrundstrahlung mit der stärksten Rotverschiebung).

Frage:
Da wir also bei den von uns am weitesten entfernten (und damit am weitesten in der Vergangenheit befindlichen) Objekten die höchsten Fluchtgeschwindigkeiten messen,
müsste sich in diesem Falle das Weltall nicht in seiner Ausdehnungsgeschwindigkeit eher abbremsen (nach dem Urknall Inflation, dann langsamer werdende Ausdehnung)?

Mit freundlichen Grüßen
Manfred Neumann

(die Frage ging an mich, ich habe daraus nun einen Thread gemacht, dafür ist das Forum da, Gruß seeker)
Grüße
seeker


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Re: Frage zur Expansion des Universums

Beitrag von seeker » 3. Jan 2021, 16:42

Hallo Manfred, ich denke die folgende Grafik enthält dazu alle nötigen Informationen:
(Die x-Achse stellt die Zeit dar, die y-Achse quasi die Ausdehnung, t=0 ist Jetzt-Zeit)

500px-Mplwp_universe_scale_evolution.svg.png
500px-Mplwp_universe_scale_evolution.svg.png (46.5 KiB) 927 mal betrachtet
https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Mpl ... lution.svg
(Aus: https://de.wikipedia.org/wiki/Expansion_des_Universums)

Wenn du dir die Kurven anschaust (du darfst dir noch weitere mögliche hinzudenken), dann siehst du, dass es darauf ankommt, welcher Kurvenverlauf mit welcher Steigung gegeben ist, ob wir nun lineare, beschleunigte oder abgebremste Expansion haben. D.h. man muss schon viele Daten da eintragen, aus dem Befund "Da wir also bei den von uns am weitesten entfernten (und damit am weitesten in der Vergangenheit befindlichen) Objekten die höchsten Fluchtgeschwindigkeiten messen" lässt sich alleine noch nichts ableiten. Die Kurve, die am besten zu den Daten passt, ist die pinkfarbene, die eine zunächst abgebremste aber dann beschleunigte Expansion beschreibt, da sie über der braunen Geraden liegt.
Grüße
seeker


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Re: Frage zur Expansion des Universums

Beitrag von Skeltek » 3. Jan 2021, 17:31

seeker hat geschrieben:
3. Jan 2021, 16:31
die Frage ging an mich, ich habe daraus nun einen Thread gemacht
Ich glaube alle Admins/Mods haben die Privatnachricht bekommen. Leider habe ich meinen 'Gesendete Nachrichten'-Ordner geleert aus Platzmangel, sonst würde ich meine Antwortmails an ihn auch noch kurz hier reinstellen. Aber ich schreibe mal der Artischocke Kern hier rein.

Der ausschlaggebende Punkt ist:
Das Licht wurde allmählich rotverschoben während es zu uns unterwegs war. Da der Raum sich ständig ausdehnt wird das in ihm im Transit befindliche Licht mitgedehnt. Der Grund für die höhere Rotverschiebung ist also nicht, daß die Galaxien sich damals schneller von uns weg bewegten, sondern alleine bereits die Tatsache, daß das Licht bereits eine längere Zeit zu uns unterwegs war und somit eine viel größere Dauer lang allmählich rotverschoben wurde.
Die Galaxien selbst bewegen sich nicht im Raum und hängen statisch an ihrem eigenen Ort fest. Die Galaxien haben keine relevante Relativbewegung voneinander weg. Das 'Auseinanderdriften' sollte man nicht wörtlich nehmen, sondern im übertragenen Sinn. Würde der Raum plötzlich aufhören sich zu dehnen, würden alle Galaxien fast stillstehen und nur noch ihren eigenen Relativdrift gegenüber ihrer Umgebung aufweisen.

Die Aussage, daß sich die Galaxien von uns 'wegbewegen' ist im wörtlichen Sinne eigentlich falsch.
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  • Unvollständig - Aussage A: Es existiert nur ein Element A.
  • Widersprüchlich - Dieser Satz ist falsch.

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Re: Frage zur Expansion des Universums

Beitrag von Timm » 4. Jan 2021, 10:50

Skeltek hat geschrieben:
3. Jan 2021, 17:31
Die Aussage, daß sich die Galaxien von uns 'wegbewegen' ist im wörtlichen Sinne eigentlich falsch.
Mit dieser Meinung bist du nicht allein. Sie verkennt aber, dass koordinatenabhängige Phänomene nicht invariant sind und daher ist diese Aussage nicht falsch.

http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmology_faq.html#MX

Are galaxies really moving away from us or is space just expanding?

This depends on how you measure things, or your choice of coordinates. In one view, the spatial positions of galaxies are changing, and this causes the redshift. In another view, the galaxies are at fixed coordinates, but the distance between fixed points increases with time, and this causes the redshift. General relativity explains how to transform from one view to the other, and the observable effects like the redshift are the same in both views. Part 3 of the tutorial shows space-time diagrams for the Universe drawn in both ways.

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Re: Frage zur Expansion des Universums

Beitrag von Skeltek » 4. Jan 2021, 12:53

Hallo Timm,
die von dir verlinkte Seite sagt jedoch selbst, daß es sich bei der Doppler-Interpretation lediglich um eine lineare Annäherung handelt.
In a word: yes. In two sentences: the Doppler shift explanation is a linear approximation to the "stretched light" explanation.
Ich denke man kann für relativ 'kleine' Bereiche durchaus von einem Ansatz zum anderen wechseln, aber ich kann mir spontan nicht vorstellen, daß die Doppler-Darstellung bei relativistischen Geschwindigkeiten, pberhalb des Hubble-Radius oder jenseits des kosmologischen Horizontes noch akkurat ist.
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Re: Frage zur Expansion des Universums

Beitrag von Timm » 4. Jan 2021, 17:12

Die SRT hat in gekrümmter Raumzeit keine globale Gültigkeit, was aber an der Koordinatenabhängigkeit der Sichtweisen nichts ändert.

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Re: Frage zur Expansion des Universums

Beitrag von Pippen » 25. Aug 2021, 03:11

Ich hänge hier mal meine Frage an. Die Theorie der Expansion des Weltalls würde ja auch klappen, wenn wir im Zentrum der Welt wären. Kann man das empirisch ausschließen oder ist das eine Präsupposition, deren Negation (also dass wir nicht im Zentrum sind) die heutige Physik einfach annimmt?

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Re: Frage zur Expansion des Universums

Beitrag von seeker » 25. Aug 2021, 07:37

So weit ich weiß ist es im Kern eine Annahme, die auf dem kosmologischen Prinzip fußt (welches ebenso eine Annahme ist) und zum kosmologischen Standardmodell führt.
Diese Annahme ist sparsamer als ein heliozentrisches Weltbild (-> Ockhams Razor). Sie schließt auch im Gegensatz zum heliozentrischen Weltbild ein unendlich ausgedehntes Universum nicht von vorne herein aus (in einem räumlich unendlichen Universum kann es aus mathematischen Gründen keinen Mittelpunkt geben).

D.h. bewiesen ist die Sache nicht, aber sie ist einfacher und sparsamer und gut passend zu unseren Beobachtungen. Man kommt damit auch um die Frage herum, warum ausgerechnet unsere Sonne unter zig Milliarden gleichartigen Sonnen der Nabel des Universums sein sollte? (Dieselbe Frage ergäbe sich, wenn ein Mittelpunkt irgendwo anders existieren würde.)
Es heißt auch, dass es neben dem Standardmodell noch andere Modelle geben darf, dass es sich aber gut begründen lässt, warum unser Standardmodell unser Standardmodell ist.

Ob das Universum auf genügend großen Skalen perfekt isotrop und homogen ist, ist eine andere Frage.
In einem endlich ausgedehnten Universum müsste es zumindest irgendwo irgendeinen Bereich geben, der die meiste Masse im Vergleich zu allen anderen solchen Bereichen enthält und somit so etwas wie einen Schwerpunkt darstellen würde, gleich wie minimal das ausgeprägt wäre.

Hier kommen wir allerdings in diese Bereiche hier:
Und hinter dem Horizont?

Doch wir können vermutlich nur einen kleinen Teil des Kosmos überschauen und vermessen. Wenn das Universum vor 13,7 Milliarden Jahre entstanden ist, dann kann uns maximal Licht erreichen, das 13,7 Milliarden Lichtjahre zurückgelegt hat. Die Teile des Kosmos, von denen aus der Lichtweg zu uns größer ist als das Weltalter multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit, liegen für uns unbeobachtbar hinter dem kosmologischen Horizont. Wenn das Universum aber erheblich größer ist als dieser von uns beobachtbare Bereich – und vieles deutet darauf hin –, dann können wir auch keine definitiven Aussagen über den physikalischen Zustand und die Topologie des Universums als Ganzes machen – und damit auch keine endgültige Antwort auf die Frage nach einem Mittelpunkt des Universums erhalten. Um im Ballonbild zu bleiben: Der Ballon ist so riesig, dass wir die Krümmung in dem winzigen Bereich, den wir überblicken können, zu schwach ist, um sie zu erkennen.
https://www.weltderphysik.de/thema/hint ... niversums/
Grüße
seeker


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Re: Frage zur Expansion des Universums

Beitrag von Timm » 27. Aug 2021, 09:26

seeker hat geschrieben:
25. Aug 2021, 07:37
In einem endlich ausgedehnten Universum müsste es zumindest irgendwo irgendeinen Bereich geben, der die meiste Masse im Vergleich zu allen anderen solchen Bereichen enthält und somit so etwas wie einen Schwerpunkt darstellen würde, gleich wie minimal das ausgeprägt wäre.
Weshalb? Das kosmologische Prinzip gilt auch für eine (räumlich endliche) 3-Sphäre, die man für unser Universum nicht ausschließen kann.

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Re: Frage zur Expansion des Universums

Beitrag von seeker » 27. Aug 2021, 11:26

Näherungsweise....
Bei nicht ganz perfekter Isotropie/Homogenität muss es aus logischen Gründen einen Bereich geben, der etwas mehr Masse enthält als alle anderen gleichen Bereiche.
Und ganz perfekte Isotropie/Homogenität liegt nicht vor, auf keiner Skala in unserem Universum, das kann man m.E. schon sagen.
Grüße
seeker


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Re: Frage zur Expansion des Universums

Beitrag von Timm » 27. Aug 2021, 15:19

seeker hat geschrieben:
27. Aug 2021, 11:26
Bei nicht ganz perfekter Isotropie/Homogenität muss es aus logischen Gründen einen Bereich geben, der etwas mehr Masse enthält als alle anderen gleichen Bereiche.
Und ganz perfekte Isotropie/Homogenität liegt nicht vor, auf keiner Skala in unserem Universum, das kann man m.E. schon sagen.
Weshalb sollte es in einem räumlich endlichen Universum "aus logischen Gründen einen Bereich geben, der etwas mehr Masse enthält als alle anderen gleichen Bereiche"?

Natürlich gibt es die Verklumpung in unterschiedlichem Ausmaß, das ist trivial und ändert nichts an an der Isotropie/Homogenität auf hinreichend großen Skalen. Auf der Annahme der Isotropie/Homogenität beruhen die Aussagen der Friedmann Gleichungen, die das Universum global betreffen. Deshalb spielen da lokale Effekte ohnehin keine Rolle.

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Re: Frage zur Expansion des Universums

Beitrag von seeker » 27. Aug 2021, 16:15

Natürlich passt das alles, was du sagst. Mir geht es nur darum, dass das eine Näherung bzw. Idealisierung ist, mindestens bei endlichen Universen.

Überlegen wir einmal, wie eine Materieverteilung auf größter Skala in einem endlichen Raum aussehen müsste, die mathematisch perfekt homogen UND isotrop ist?
Schon da stößt man auf Schwierigkeiten, denn das geht soweit ich das sehe in Exaktheit nur in zwei Fällen:
a) der Raum ist komplett-lückenlos mit Materie gefüllt
b) der Raum ist völlig leer

Wenn wir nur perfekte Homogenität ab einer gewissen Skala fordern, dann kann man immerhin das herstellen:
Man nehme sehr viel gleiche Massepunkte und verteile diese als würfelförmiges Gitter im gesamten Raum.
Oder man kann sich auch einen Schaum vorstellen, aus exakt gleich großen Blasen, wo zwischen den Blasen (in den immer gleichen "Blasenwänden") die gesamte Materie sitzt.

Unser Universum ist aber auf den größten Skalen, die wir kennen, von Filamenten durchzogen, die keinesfalls alle Geraden darstellen, die ein solchen Würfel-Gitternetz bilden. Und es besteht auch kein Grund anzunehmen, dass sich ein solches bei noch größeren Skalen in Perfektion einstellt.
Beim Schaum dasselbe. D.h.: Es wird auf jeder Skala immer irgendeine Blase geben, die ein bißchen größer ist als alle andere Blasen bzw. irgendeinen Raumbereich, der etwas mehr Materie enthält als alle anderen. Anders gesagt: In einem realistischen endlichen Universum muss es eine größte und eine kleinste Blase geben. Die Abweichung vom Mittel kann dabei äußerst gering sein, aber eben nicht exakt Null.
Und bei endlichen Universen muss es eine größtmöglich-sinnvolle Skala geben, was die Betrachtung dort vereinfacht.

Man kann sich das auch so klarmachen, indem man sich als Vergleich einen mit Gas gefüllten Raum vorstellt und sich fragt, ob die Verteilung des Gases im Raum perfekt homogen ist? Das ist sie in der Realität nie, nicht ganz, auch nicht auf der größtmöglichen Skala, es wird immer irgendwelche kleine Störungen und zufällige Fluktuationen geben, die dafür sorgen, dass 'hier' gerade ein klein wenig mehr Gas (bzw. höherer Druck) ist als 'dort drüben'.
Wobei: Das Gas gleicht solche Dinge ja immer wieder aus, bis sie dann neu entstehen, bei der Gravitation ist es oft umgekehrt, da Materie gerne verklumpt.

Das heißt überhaupt nicht, dass an der Annahme der Homogenität/Isotropie und den Friedmann-Gleichungen irgendetwas verkehrt wäre, es heißt nur, dass es sich dabei um modellhafte Näherungen handelt, die die Realität gut abbilden mögen - aber eben nicht perfekt.
Wenn diese Nicht-Perfektion hinreichend klein ist, kann man sie getrost vernachlässigen, was aber nicht unbedingt heißt, dass man sie auch vergessen sollte. Das war es auch schon, was ich sagen wollte.
Grüße
seeker


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Re: Frage zur Expansion des Universums

Beitrag von Timm » 27. Aug 2021, 17:32

seeker hat geschrieben:
27. Aug 2021, 16:15
Mir geht es nur darum, dass das eine Näherung bzw. Idealisierung ist, mindestens bei endlichen Universen.
Bis zum Komma ja.

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Re: Frage zur Expansion des Universums

Beitrag von seeker » 27. Aug 2021, 17:54

Bei unendlichen Universen gibt es halt den Umstand, dass es dort eine größte Blase (unter dort ja unendlich vielen Blasen, auf irgendeiner beliebig großen Skala) nur dann geben kann, wenn es keine Gleichverteilung der Blasengrößen gibt und eine Ungleichverteilung würde halt erstmal recht unnatürlich ausschauen und wäre höchst erklärungsbedürftig. Aber wirklich wichtig ist das m.E. eigentlich auch nicht.
Grüße
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Re: Frage zur Expansion des Universums

Beitrag von Timm » 27. Aug 2021, 19:52

seeker hat geschrieben:
27. Aug 2021, 17:54
... würde ... wäre ... . Aber wirklich wichtig ist das m.E. eigentlich auch nicht.
Da stimme ich dir voll zu. :beer:

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