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geladenes Universum

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geladenes Universum

Beitrag von Maclane » 21. Jul 2010, 13:47

Okay, nachdem man mir die geladenen Schwarzen Löcher ausgeredet hat, kommt mir schon die nächste Schnapsidee. :D

Könnte unser Universum nicht im Ganzen elektrisch geladen sein?

Wenn ich mir die Anfangszeit des Universums betrachte, insbesondere die Zeit, wo die Teilchen (Baryonen und Leptonen) entstanden sind, erscheint es mir unlogisch, davon auszugehen, dass positive Ladungen und negative Ladungen in gleicher Zahl entstanden sein sollen. Und Asymmetrien scheinen ja damals schon gang und gäbe gewesen zu sein. ;)

Wenn es aber einen Überschuss an einer Ladung gegeben hätte, dann wäre auch heute noch das Universum in seiner Gesamtheit elektrisch geladen.

Und wenn es in seiner Gesamtheit elektrisch geladen wäre, dann müsste das doch einen Netto-Abstoßungseffekt erwirken, ähnlich der Dunklen Energie.

Kann man zu diesem Thema eine konkrete Aussage machen? Wie ließe sich beweisen, ob das Universum geladen ist oder nicht?
Und falls ich mal wieder falsch liegen sollte, könntet ihr mir dann bitte nochmal erklären, warum genau es zwingend eine gleiche Verteilung von positiven und negativen Ladungen im Universum geben muss?

Danke und Gruß
Mac
Zuletzt geändert von Maclane am 22. Jul 2010, 09:31, insgesamt 1-mal geändert.
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Re: geladenes Universum

Beitrag von gravi » 21. Jul 2010, 19:53

Konkret kann ich dazu leider nichts sagen.
Ich denke jedoch schon, dass es neutral ist - global gesehen.

Gruß
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Re: geladenes Universum

Beitrag von tomS » 21. Jul 2010, 21:09

M.E. muss das Universum insgs. elektrisch neutral sein. Das ist eine (rein mathematische) Konsistenzbedingung an die bzw. aus der Maxwellschen Theorie.

Das Argument läuft wie folgt:

Die Maxwellgleichungen lauten (symbolisch bzw. kompakt in Differentialformschreibweise)

F = dA (Definition der Feldstärke über das Eichfeld)
d(*F) = j (Kopplung der Feldstärke an die elektromagnetische Stromdichte)

Aus dem Noethertheorem bzgl. der U(1) Eichsymmetrie folgt die Stromerhaltung

dj = 0

Dies ist eine Konsistenzbedingung an j, denn es gilt

dj = d d(*F) = d²(*F) = 0 (folgt aus der Eigenschaft von d)

D.h. zunächst dass die elektromagnetische Wechselwirkung inkonsistent wäre, wenn der Strom (und damit die Ladung) nicht erhalten wäre.

Nun betrachten wir die Eichung A° = 0

Daraus folgt das Gaußsche Gesetz (Gauß-Constraint) als eine der Maxwellgleichungen

G = div E - j°
G = 0

Nun gilt aber auch für das Integral über das Gaußsche Gesetz

0 = ∫ dV G = ∫ dV [div E - j°] = ∫ dV j° = Q

wobei das letzte Integral über die Ladungsdichte die elektrische Gesamtladung ergibt. Dabei nutze ich aus, dass

∫ dV div E = ∫ dS E = 0

wobei die letzte Identität mittels des Gaußschen Integralsatz bewiesen wird. Sie gilt immer, unter der Voraussetzung, dass das Universum keinen Rand hat! Hätte das Universum einen Rand, so könnte Q = 0 verletzt sein, allerdings müsste es dann eine Oberflächenladungsdichte geben, die auf der Oberfläche des Universums sitzt.

Diese Konsistenzbedingung ist eng mit der U(1) Eichsymmetrie verknüpft. Zum einen erkennt man dies aufgrund des Noethertheorems, zum anderen kann man zeigen (und das benötigt man insbs. in der Quantenelektrodynamik), dass

U[f] = exp i∫ dV fG

eine Eichtransformation mit der Eichfunktion f erzeugt. Eine Nicht-Invarianz der Theorie unter Eichtransformationen ist ausschließlich für nicht-triviale Topologien erlaubt, also z.B. für das Torus-Universum oder das Dodekaeder-Universum, sowie für ein Universum mit Rand. Letzteres halte ich jedoch für pathologisch.
Gruß
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Re: geladenes Universum

Beitrag von seeker » 22. Jul 2010, 00:06

JOKER!!! Ich glaube dir, nur hab ich's leider nicht verstanden. Ob McLane es mir wohl erklären kann?
Grüße
seeker


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Re: geladenes Universum

Beitrag von tomS » 22. Jul 2010, 00:08

Es gibt übrigens mehrere Möglichkeiten dafür, dass das Universum einen Rand hat.

Natürlich könnte es "außen" einen Rand haben, wobei das niemand glaubt. Aber man könnte auch Singularitäten wie schwarze Löcher betrachten und sie hinter einer Sphäre "verstecken", z.B. hinter dem Ereignishorizont. Mathematisch wären diese Horizonte soetwas wie Ränder, und gegen Ereignishorizonte hätte niemand was einzuwenden. Damit könnte schwarze Löcher, die Ränder bilden, Oberflächenladungen tragen und somit zur Gesamtladung des Universums beitragen.

Mein Argument gilt also streng genommen nur in einem Universum ohne schwarze Löcher bzw. für einen Zeitpunkt, zu dem keine schwarzen Löcher gab.
Gruß
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Re: geladenes Universum

Beitrag von Maclane » 22. Jul 2010, 09:31

seeker hat geschrieben:JOKER!!! Ich glaube dir, nur hab ich's leider nicht verstanden. Ob McLane es mir wohl erklären kann?
Mein Fehler. Ich hab das :idea: vergessen. :oops:

Also nochmal langsam... :)

Dass die Ladung eine Erhaltungsgröße sei, ist ein Postulat, was bisher niemand widerlegen konnte. Also kann man wohl von ausgehen, dass es so ist. Also mal rein praktisch gedacht, ohne Mathematik. ;)

Aber bei der Entstehung des Universums herrschten ja ganz andere Umstände.
Es sind ja zuerst die ganz schweren Teilchen entstanden, also Quarks und son Zeugs. Und zwar immer Teilchen und Antiteilchen, die sich aber sofort wieder annihilierten. Dabei gab es eine gewisse Asymmetrie, sodass es mehr Teilchen als Antiteilchen gab. Die Teilchen blieben übrig. Und diese übrig gebliebenen Teilchen waren erstmal alle positiv geladen -> Quarks.
Und danach erst kam es ja zur massenhaften Entstehung von Leptonen, als einfach weniger Energie da war. Und auch hier entstanden Elektronen und Positronen. Die Elektronen blieben übrig und waren naturgemäß negativ geladen.

Und wer sagt jetzt, dass positive Ladung und negative Ladung gleich gewesen sein muss? Das sind doch zwei völlig verschiedene Vorgänge. Die Entstehung der Baryonen hat doch mit der Entstehung der Leptonen erstmal nix zu tun.
Oder hat die Natur ein Gedächtnis und zählt ganz genau ab, wieviele Elektronen entstehen dürfen, nachdem man die positiven Ladungen schon in die Welt gebracht hat? ;)

Gruß
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Re: geladenes Universum

Beitrag von tomS » 22. Jul 2010, 10:45

Maclane hat geschrieben: ...Also nochmal langsam... :)
Das war mir klar, dass das kommen würde :-)

Maclane hat geschrieben: Dass die Ladung eine Erhaltungsgröße sei, ist ein Postulat, was bisher niemand widerlegen konnte.
Globaler gedacht: Es wird eine mathematische Struktur postuliert (Lagrangedichte, Eichsymmetrie, ...) aus der die Ladungserhaltung und alles andere folgt.

Maclane hat geschrieben: Aber bei der Entstehung des Universums herrschten ja ganz andere Umstände. ...

Und wer sagt jetzt, dass positive Ladung und negative Ladung gleich gewesen sein muss? Das sind doch zwei völlig verschiedene Vorgänge. Die Entstehung der Baryonen hat doch mit der Entstehung der Leptonen erstmal nix zu tun.
Das ist so nicht richtig. Alle diese Prozesse (Baryon- und Leptonentstehung, CP-Verletzung mit Materie-Antimaterie-Asymmetrie etc. lassen sich formal durch elementare Prozesse beschreiben für die man Feynmandiagramme hinmalen kann; es gibt endlich viele Feynmandiagramme, sie sind uns alle bekannt, ihre Gesamtheit bildet das Standardmodell der Elementarteilchenphysik - und sie sind streng ableitbar aus der o.g. mathematischen Struktur (der Lagrangedichte).

D.h. dass bei diesen Prozessen Ladungen, die mit lokalen Eichsymmetrien verknüpft sind,ebenfalls streng erhalten sind; dies gilt für die elektrische Ladung, die Farbladung sowie eine bestimmte Art der "schwachen Ladung"; andere Dinge wie Baryonen-und Leptonenzahl, Rechts.- und Linkshändigkeit von Teilchen sind mit globalen Symmetrien verknüpft; diese können sogenannte Anomalien entwickeln (und tun das experimentell nachweisbar auch!) und sind dann nicht mehr erhalten.

Zusammenfassend: Solange wir an das Standardmodell glauben (und ich tue das), bleibt festzuhalten, dass damals genau dieselben Prozesse abliefen wie heute. Die Ladungserhaltung ist dann eine Konsistenzforderung; eine Eichsymmetrie, die diese KOnsistenzbedingung verletzt, ist mathematisch inkonsistent.
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Re: geladenes Universum

Beitrag von Maclane » 22. Jul 2010, 12:27

Ja okay. Ladungserhaltung... Ich denke, ich hab schon kapiert, was das ist. Wenn z.B. ein Teilchen zerfällt, muss die Ladung erhalten bleiben.

Aber ich verstehe immer noch nicht so ganz den Zusammenhang zu oben genanntem Szenario.

Es entstehen die positiven Ladungen in einer bestimmten Menge. Lagrangedichte und Eichsymmetrien und so weiter werden dabei überhaupt nicht verletzt, weil Ursache ist ja einzig die Verletzung der globalen Symmetrien, die du aufgezählt hast. Es bleibt eben, warum auch immer, eine bestimmte Anzahl positiver Ladungen übrig. Praktisch nur Up- und Down-Quarks.

Später passiert das gleiche dann nochmal mit den Elektronen.

Jetzt kann man natürlich sagen: positive und negative Ladungen sind gleich häufig, weil die Formeln sagen, dass es so ist.
Na gut, kann man erstmal so hinnehmen.

Aber jetzt stelle man sich vor (Gedankenexperiment), nach der Entstehung der Quarks hätte das Universum, warum auch immer, nochmal einen gewaltigen Expansionsschub bekommen. Dann wäre es viel schneller abgekühlt und folglich wären auch viel weniger Elektronen im Anschluss entstanden, weil die Temperaturuntergrenze viel schneller erreicht wäre.

Die Menge der entstandenen (bzw. übriggebliebenen) Ladungen ist ja nicht nur von der Gestaltung bestimmer Symmetrien und Asymmetrien abhängig, sondern auch davon, wieviel Zeit für die Teilchenentstehung vorhanden war.

Leuchtet ein? ;)

Gruß
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Re: geladenes Universum

Beitrag von tomS » 22. Jul 2010, 16:54

Nee, ich versteh's immer noch nicht.

Du hast einen Urzustand, der ist global elektrisch neutral, enthält aber lokal unterschiedliche Ladungen; da ein bisschen merh positive, dort ein bisschen mehr negative. Nun passiert irgednwas, so dass es praktisch nur noch die positiven u-Quarks und negativen d-Quarks (Materie) sowie die negativen Elektronen (ebenfalls Materie) gibt.

Entweder gibt es die entsprechend Antimaterie woanders (also weit weg hinter irgendeinem kosmischen Horizont), dann ist der Gesamtzustand global aber immer noch elektrisch neutral, auch wenn er dies lokal evtl. nicht ist (ist er aber, soweit wir sehen).
Oder es gibt die entsprechende Antimaterie nirgendwo (also auch nicht hinter irgendeinem kosmischen Horizont), dann ist der Gesamtzustand global aber wiederum elektrisch neutral.

Du kannst das ganze an Feynmandiagrammen aufbauen: z.B. zwei Teilchen rein, drei raus, Ladung erhalten (so wie die Kirchhoffschen Regeln in Strom-Spannungs-Netzwerken: Stromerhaltung an den Knoten)
Gruß
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Re: geladenes Universum

Beitrag von Maclane » 22. Jul 2010, 17:52

tomS hat geschrieben:Nee, ich versteh's immer noch nicht.
Ich auch nicht. :oops:

Am liebsten würd ich ja jetzt in die Zeit zurückreisen und alle Ladungen damals einzeln zusammenzählen, um ganz sicher zu gehen. :mrgreen:

Weil bisschen skeptisch bin ich noch.

Also machen wir's noch langsamer (Schneckentempo) und du sagst mir, bei welchem Satz der Denkfehler liegt.

1. Phase
Es entstehen die Quarks. Wir zählen nur die, die nach der Annihilation übrig geblieben sind.
Das sind im Wesentlichen
Up-Quark: +2/3e
Down-Quark: -1/3e

An diesem Punkt müsste die Ladungserhaltung schon greifen, richtig? Also die Gesamtladung des Universums wäre 0e.

Manche von den Quarks bilden Neutronen (Ladung 0e) und andere bilden Protonen (Ladung +1e).
Und die hier fehlende negative Ladung wären dann irgendwelche Leptonen, die bei Zerfallsprozessen entstanden sind (z.B. Beta-Zerfall).

Ergo: 1. Phase zuende und Ladung des Universums 0

2. Phase
Es entstehen nur noch die Elektronen-Positronenpaare. Wir zählen nur die Elektronen, die nach der Annihilation übrig geblieben sind.
Elektron: -1e

Und wo bleiben die positiven Ladungen, um die Elektronen auszugleichen? Wo kommen die her?


Vielleicht sollte ich auch morgen nochmal drüber nachdenken. Da solls ja kühler werden. ;)

Gruß
Mac
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Re: geladenes Universum

Beitrag von gravi » 22. Jul 2010, 19:44

Hey, geh doch mal einfach noch weiter zurück:
Zu einem Zeitpunkt, als es noch gar keine Teilchen gab, sondern nur Photonen.

Da war das Universum elektrisch völlig neutral. Einverstanden? Photonen haben ja keine Ladung.


Wenn die nun "abkühlen" und daraus Teilchen kondensieren, ist irgendwie nicht einzusehen, weshalb sich jetzt irgendwelche Ladungsüberschüsse ergeben sollten. Die Natur sucht immer die Elektroneutralität zu wahren.
In der Hadronenära entstanden Protonen und Antiprotonen - die sich gegenseitig vernichteten.
Danach kamen die Leptonen an die Reihe, Elektronen und Positronen, die sich annihilierten.
Übrig blieben dann Protonen und Elektronen - zu gleichen Teilen - die Ladungen sind wiederum ausgeglichen.

Außer mir (manchmal :wink: ) ist also kaum etwas im Universum geladen.

Netten Gruß
gravi
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Re: geladenes Universum

Beitrag von seeker » 22. Jul 2010, 23:23

@gravi: Klingt einleuchtend! Ich würde sogar noch weiter gehen und sagen: Das Vakuum oder die Raumzeit ist elektrisch neutral - zumindest der physikalisch wirksame Teil. Teilchen sind im Grunde ein besonderer Zustand des Vakuums. Daher muss die Summe aller sichtbaren bzw. wirksamen Ladungen Null sein - auf welchem zugrundeliegenden Potential auch immer (welches als Null definiert werden muss, da unwirksam).

Hmm, Leute,
eigentlich kommen wir auf diesem Weg doch jetzt direkt zu dieser Geschichte mit dem geringen Materieüberschuss gegenüber der Antimaterie...
Ich weiß das jetzt nicht genau: Wurde das hier schon einmal ausführlich besprochen?

Die Sache ist ja wirklich die: Warum soll es genau so viele Elektronen geben wie Protonen?
Das ginge doch nur, wenn der Mechanismus, der zum Materieüberschuss geführt hat auf Baryonen (bzw. auf die Landungs-tragenden Quarks) exakt genau so gewirkt hat wie auf Leptonen - oder?

Ich weiß noch, dass diese Symmetrieverletzung etwas mit unserer Zeitrichtung zu tun hat...

Grüße
seeker
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Re: geladenes Universum

Beitrag von AlTheKingBundy » 23. Jul 2010, 07:41

Man weiß nicht genau, wie der Überschuss an Materie gegnüber Antimaterie bei der Entstehung unseres Universums zu erklären ist. Früher glaubte man, dass Antimaterie-Galaxien existieren, was aber ausgeschlossen werden kann, da diese sich bei Zusammenstoß mit Materie vernichten müsste und diese Vernichtungsstrahlung könnte man beobachten.

Eine weiter Möglichkeit ist, dass in der Kondensationsphase eben nicht gleich viel Materie und Antimaterie entstanden ist, sondern ein kleiner Materieüberschuss existierte, der nach der großen Annihilation übrig blieb und unser Universum mit seinen Galaxien und Nebeln formte. Warum das so sein sollte, weiß keiner.

Der letzte und wahrscheinlichere Fall ist meiner Meinung nach der, dass gleich viel Materie und Antimaterie entstand und die CP-Verletzung als Ursachen für den Materieüberschuss verantwortlich ist. Die schwache Wechselwirkung, die sich nicht um die CP-Erhaltung kümmert, könnte also für das Universum, wie wir es kennen, verantwortlich sein. Das Problem ist nur, dass die beobachtete Asymmetrie im Universum größer ist, als das was das Standardmodell vorhersagt. Es müssten also noch andere Verletzungen existiert haben, die jedoch bis heute keine experimentelle Bestätigung erfahren haben.
Gruß Al

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Re: geladenes Universum

Beitrag von tomS » 23. Jul 2010, 08:39

Ich möchte nochmal auf die ursprüngliche Frage zurückkommen, nämlich ob das Universum als ganzes geladen sein kann.

Zunächst mal zum Begriff der Ladungserhaltung. Nehmen wir an, wir haben Tischtennisbälle, und zwar weiße und gelbe (Materie und Antimaterie). Nun schreiben wir auf die Tischtennisbälle noch PLUS, MINUS und NULL drauf (die Ladungen). Wir verteilen die Ladungen völlig willkürlich auf weiße und gelbe Tischtennisbälle. Wir fordern nur folgendes: es gibt gleichviele weiße und gelbe Tischtennisbälle und es gibt insgs. gleich viel PLUS und MINUS. Das ist unser Ausgangszustand.
Nun sollen bestimmte Prozesse ablaufen; Tischtennisbälle dürfen verschmelzen, sich teilen, dabei weiß-gelb-gestreift werden, PLUS + MINUS gibt NULL usw. Nach einigen Milliarden Jahren stellen wir fest, dass es auf einmal praktisch nur noch weiße Tischtennisbälle gibt. Zählen wir aber PLUS und MINUS, so haben wir immer noch exakt gleich viel PLUS wie MINUS.
Dann zur Frage der Gesamtladung. Ich behaupte ja, dass der Ausgangszustand bereits gleich viele PLUS und MINUS enthält und dass dieses Gleichgewicht erhalten bleibt. In meiner mathematischen Argumentation zeige ich aber auch, dass bereits der Anfangszustand so sein muss, d.h. dass das Gleichgewicht für den Anfangszustand gefordert ist. Ich habe hier keine Wahl und kann nicht mit mehr PLUS als MINUS starten.

Das einzige was m.W.n. zulässig ist sind Oberflächenladungen. Betrachten wir dazu ein einfaches Beispiel. Das Universum sei eindimensional, d.h. eine Linie (die zweite Dimension, die Zeit, käme noch dazu). Dabei gibt es im wesentlichen zwei mögliche Formen für ein endliches Universum (das nehmen wir der Anschaulichkeit jetzt einfach mal an), nämlich ein Linienstück mit zwei Enden sowie ein Kreis. Meine Aussage ist, dass die QED in diesem 1+1 dimensionalen, kreisförmigen Universum fordert, dass es insgs. elektrisch neural ist. Im Universum mit zwei Enden wäre es evtl. zulässig, an ein Ende eine statische Ladung zu setzen. Zumindest verbietet es meine Argumentation nicht direkt. Wenn wir aber ein Universum mit Rändern ausschließen, dann verschwindet der einzig mögliche Ladungsterm. Ich integriere über die Oberfläche um meine Oberflächenladung zu berechnen. Wenn aber keine Oberfläche da ist (wie im eindimensionalen Fall der Kreis - er hat keine Endpunkte), dann ist dieser Term automatisch Null.
Gruß
Tom

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Re: geladenes Universum

Beitrag von Maclane » 23. Jul 2010, 09:24

gravi hat geschrieben: In der Hadronenära entstanden Protonen und Antiprotonen - die sich gegenseitig vernichteten.
Danach kamen die Leptonen an die Reihe, Elektronen und Positronen, die sich annihilierten.
Übrig blieben dann Protonen und Elektronen - zu gleichen Teilen - die Ladungen sind wiederum ausgeglichen.
So hatte ich das auch im Kopf, weil so steht es auch auf deiner Webseite.
Aber so kann es nicht richtig oder zumindest nicht vollständig sein (imho). ;)

Denn wenn es so wäre, dann gälte ja mein Argument, welches seeker grade eben ja auch noch mal mit eigenen Worten wiederholte ("warum gleiche Anzahl?").
Das entspräche dem zweiten Szenario von Al genannt.

Nun hab ich die ganze Nacht drüber nachgedacht (konnt ja eh nicht schlafen :? ).
Wenn die Ladung erhalten bleiben soll, dann kann es eigentlich nur über die CP-Verletzung gehen, welche ja bedeutet, dass bei Zerfallsprozessen bestimmte Teilchen bevorzugt werden (nämlich Quarks und Elektronen), allerdings keine Ladungen, denn die bleiben erhalten.
Allerdings sind diese Asymmetrien auch noch nicht wirklich erforscht, richtig?

Jedenfalls könnte man nun schlussfolgern: Wenn das Universum elektrisch neutral ist, dann wäre das ein Hinweis, dass der Materieüberschuss aufgrund der CP-Verletzung richtig ist.

Mich würde noch rein formal interessieren, ob man es denn erkennen könnte, ob das Universum als Ganzes geladen wäre oder neutral ist. Wie würde ein solcher Nachweis aussehen?

Gruß
Mac
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Re: geladenes Universum

Beitrag von tomS » 23. Jul 2010, 12:03

Die CP-Verletzung ist an sich recht gut verstanden.

Man kennt die elektroschwache CP-Verletzung, die mittels der sogenannten CKM-Matrix beschrieben wird. Diese enthält im wesentlichen die Mischungsparameter der Quarks bzw. die "Verdrehung" der Masseneigenzustände ggü. den schwachen Eigenzuständen. Die CKM-Parameter werden auch in Beschleunigerexperimenten gemessen.

Ein weiterer theoretisch möglicher Mechanismus wäre die starke CP-Verletzung. Dieser ist experimentell jedoch widerlegt, die Frage warum er exakt Null ist, wird seitens der Theoretiscker noch diskutiert (strong CP Problem,Pecci-Quinn-Mechanismus, theta-Winkel, Axion, ...).

Fakt ist, dass die aus den K- und B-Mesonzerfällen bekannte CP-Verletzung nicht ausreicht, um den Materieüberschuss zu erklären. Demzufolge muss es entweder einen Verstärkungsmechansimus geben, der z.B. etwas mit den beteiligten Energieskalen zu tun hat, oder evtl. doch einen ganz neuen Mechanismus jenseits des Standardmodells.
Gruß
Tom

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Re: geladenes Universum

Beitrag von Skeltek » 24. Jul 2010, 03:21

Für mich sind die Sachverhalte relativ einfach und klar zu deuten, auch wenn ich keinen Anspruch auf die Richtigkeit der Deutungen habe ^^
Was genau elektrische Ladung hervorruft, bzw welche tiefere Mechanik sich hinter der Existenz eines z.B. Positrons verbirgt und wie die Raumzeit selbst ihre Wirkung durch den Raum überträgt werden wir wohl erst verstehen, wenn wir wissen, welches Wesen den Grundkräften des Universums zugrunde liegt.
Aber einige Dinge würde ich jetzt mal ganz intuitiv behaupten, auch wenn ich keine Zeit habe mich mit Formeln auseinander zu setzen:

Zur Sache der Abstoßung, falls das Universum als ganzes geladen wäre:
Dann gäbe es zu allen Seiten hin ein Kräftegleichgewicht. Es ist fraglich, ob man contradirektionale Impulsaustäusche für die Expansion des Universums verantwortlich machen sollte, wenn die Gesammtbilanz dieser unterm Strich immer bei 0 liegt. Bei jedem Kräftegleichgewicht fließt jederzeit gleich viel Impuls in die eine als auch andere Richtung.

Zur Gesammtladung:
Innerhalb eines Ladungsträgers wie einer Kugel oder dem Universum herrscht meiner Meinung nach keine elektrische Krafteinwirkung. Die Ladung versucht in alle Richtungen zu expandieren. Bei einem extrem großen Ladungsträger(oder ohne Rand) wäre das Bestreben der Ladungen die sich ausreichend weit vom Rand entfernt befinden) vom Ladungsträgermittelpunkt zu entfliehen linear von der Entfernung dazu abhängig. Bei einem unendlich großen Ladungsträger, wird die elektrische Abstoßung zum Rand hin immer größer(da gibts aber keinen Rand)
Alles in allem, würden sich positive und negative Ladungen paarweise zusammen schließen. Nehmen wir an, die Gesammtladung des Universums wäre positiv. Dann würde bei der Generierung von Positron-Elektron Paaren aus Strahlung, das Positron vermutlich auch "mehr Ladung" haben als das Elektron.
Trotz allem stellt sich die Frage, ob man diesen Umstand innerhalb des Universums überhaupt messen kann.

Das einzige, was wir messen können ist den Unterschied der Oberfläche der Elektronen und Positronen von der durchschnittlichen Ladungsdichte des Raumes in dem sie sich befinden.
Nimmt man an, dass die durchschnittliche Ladungsdichte(falsches Wort, aber das erklär ich weiter unten) positiv ist, werden sich die Ladungsdichte von Elektronen und Positronen an deren Oberfläche über und unter diesem Wert befinden, sobald sie generiert werden.

Man kann sich das wie Wellentäler(Elektronen) und Wellenberge(Positronen) vorstellen. Jeweils ein Wellenberg und ein Wellental gleichen sich aus, allerdings ist es von einem Schiff aus unmöglich die Tiefe des Meeresspiegels(Gesammtladung des Universums) zu bestimmen, indem man sich die Wellenberge und Täler ansieht.

Dem Wesen der Ladung liegt vielleicht eine viel tiefere physikalische Mechanik zugrunde, als wir ahnen können die sie mit den anderen Naturkräften verbindet. Es ist aber oft so im Universum, dass sich komplexe Systeme und Sachverhalte oft selbst gegenseitig so heraus kürzen, dass wir nachher nur noch die Oberfläche von etwas viel komplizierteren ansehen und uns nicht vorstellen können, dass die kompliziertere Theorie die richtige ist.

Schöne Grüße, Skel


ps: Sorry, falls ich falsche Begriffe und so weiter verwendet habe. Mein Physikunterricht ist schon so lange her, kann mich an keine einzige Formel erinnern und ich hab nur noch die dreidimensionalen Bilder von den Zusammenhängen im Kopf. Alles von Grund auf jedes mal neu herleiten is mir zu zeitaufwendig, seit Physik mehr oder weniger nen ab-und-zu-Hobby geworden is.
Zuletzt geändert von Skeltek am 24. Jul 2010, 09:51, insgesamt 1-mal geändert.
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Re: geladenes Universum

Beitrag von AlTheKingBundy » 24. Jul 2010, 08:01

Um Missverständnissen vorzubeugen (in einigen Beiträgen machte es den Anschein, als gäbe es einen Denkfehler). Auch wenn das Universum geladen wäre, würde die elektrische Kraft keinen Beitrag zur Expansion des Universums liefern. Die Ladungen würden sich innerhalb des Universums im Rahmen ihrer Reichweite auseinanderbewegen. Für die Expansion des Universums (der Raumzeit) sind ausschließlich die Bestandteile der Einsteinschen Feldgleichungen verantwortlich.

Gruß Al
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Re: geladenes Universum

Beitrag von tomS » 24. Jul 2010, 11:18

Man stelle sich ein Universum ohne Rand vor in dem eine einzige positive überschüssige Elementarladung existiert
a) experimentell sicher zu winzig um nachweisbar zu sein
b) mathematisch inkonsistent
Gruß
Tom

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Re: geladenes Universum

Beitrag von seeker » 24. Jul 2010, 13:34

Das elektrische Feld in einer homogen geladenen Kugelschale ist Null.

Ich denke, darauf wollte Tom hinaus, als er von Universen mit Rand sprach.
Man könnte diese Ladung auf dem Universumsrand nicht im Universum bemerken.

Das elektrische Feld in einer homogen geladenen Kugel ist nicht null und auch nicht konstant.
Diese Ladung würde man bemerken.

Universen mit Rändern scheinen wenig Sinn zu machen.

Das elektrische Feld in einem unendlich ausgedehnten, homogen geladenen Körper müsste wieder Null sein.
Man würde diese Ladung nicht bemerken.

Grundsätzlich sollte man davon ausgehen, dass das Gesetz der Ladungserhaltung richtig ist - wir haben nie etwas anderes beobachtet.
Außerdem hat Al recht. Es könnte allenfalls der Energiebeitrag der Ladung in der ART zu berücksichtigen sein - nicht das el. Feld selbst.

Ich hätte da noch eine Idee:

Nehmen wir an es würden immer zwei Universen paarweise entstehen (so, wie es auch Teilchen tun). Könnte man damit vielleicht gewisse Asymmetrien, wie die CP-Verletzung erklären?
Univerum A hätte z.B. mehr Materie, Universum B mehr Antimaterie oder Universum A hätte z.B. mehr positive Ladung, Universum B mehr negative Ladung.
In der Summe soll wieder Null herauskommen.

Es ist dabei natürlich immer schwierig nicht direkt beobachtbare Universen in die Überlegungen mit aufzunehmen.

Grüße
seeker
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Re: geladenes Universum

Beitrag von tomS » 24. Jul 2010, 16:02

Man kann über Branen spekulieren, wobei zwischen zwei parallelen, kollidierenden Branen eine Asymmetrie entsteht.
Gruß
Tom

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Re: geladenes Universum

Beitrag von Skeltek » 25. Jul 2010, 09:41

seeker hat geschrieben:Das elektrische Feld in einer homogen geladenen Kugelschale ist Null.

Das elektrische Feld in einem unendlich ausgedehnten, homogen geladenen Körper müsste wieder Null sein.
Man würde diese Ladung nicht bemerken.
Was ich meinte war, dass es innerhalb der geladenen Kugel keine resultierende Kraft auf Ladungen wirkt, aber der "Druck" wenn man das so nennen kann von der Dichte abhängig ist, auf die die darin enthaltene Elektronenwolke zusammen gepresst ist.

Wenn durch Energie, positive und negative Ladungen immer nur paarweise aus dem Vakuum geschlagen werden können, wird das Elektron über und das Positron unter einem gewissen Wert liegen, der direkt vom Vakuum abhängig ist, aus dem die Ladungen geschlagen werden...
dieser Wert lässt sich leider von innerhalb des Universums nicht messen.
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Re: geladenes Universum

Beitrag von tomS » 30. Jul 2010, 22:25

Du hast recht, aber das wird dann recht leicht pathologisch.

Ich habe meine Diplomarbeit über QCD in 1+1 Dimensionen geschrieben (nicht lachen, das war kompliziert genug!); bereits hier treten Probleme auf, wenn man einen nicht-kompakten Raum hat. Man stellt jedoch fest, dass "Oberflächenladungen" bzw. "Hintergrundfelder" nur zu einem sogenannten Zero-Mode beitragen, also zu räumlich konstanten Feldkonfigurationen. Wenn nun die Größe des Raumes gegen Unendlich geht, dann divergiert die Energie eines derartigen Zero-Modes, d.h. er wird danymisch unterdrückt und ist Null.

Ich habe das damals aber nicht erschöpfend diskutieren können - und auf den realen Fall eines 3+1 dimensionalen, dynamischen Universums ist das sowieso kaum übertragbar.
Gruß
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Re: geladenes Universum

Beitrag von tomS » 30. Jul 2010, 22:53

Sculletto hat geschrieben:Man bräuchte ja nicht von einer Oberflächenladung ausgehen, die sich homogen über eine Kugeloberfläche verteilt, die das beobachtbare Universum umschließt. Man könnte doch auch eine Punktladung annehmen, die irgendwo im Universum herumliegt. Außerdem: dass der Energieinhalt eines unendlich großen Raumes divergiert, ist ja nun wirklich nicht besonders überraschend, das ist in der flachen und offenen Friedmann-Lösung auch schon der Fall, ganz ohne Ladungsüberschuss :wink:
Nicht so ganz.

In 1+1 Dimensionen scheint eine Oberflächenladung bzw. ein konstantes Hintergrundfeld die einzige Möglichkeit zu sein, überhaupt eine nichtverschwindende, jedoch dynamische Ladung in die Theorie einzubauen. Das hängt mit der Eichsymmetrie zusammen. Und nur für dieses konstante Hintergrundfeld divergiert die Energie - es sei denn, das Hintergrundfeld ist exakt Null.
Gruß
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