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Expansion des Universums

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

Beitrag von Pippen » 15. Feb 2011, 08:37

Es wird heute als allg. bekannt angenommen, dass das Universum expandiert, weil die Galaxien um uns herum, sich von uns und zueinander entfernen.

1. Frage: Ich habe mit Erschrecken festgestellt, dass bisher nur recht wenige (ca. 30.000) Galaxien auf ihre Rotverschiebung getestet wurden. Bei dieser Zahl (es dürfte weit über 10^10 Galaxien geben) könnte es sich ohne Weiteres noch um eine reine Anomalie handeln. Wie gesichert ist denn die Erkenntnis, dass sich "alle von uns aus wahrnehmbaren Galaxien/Galaxienhaufen von uns & voneinander entfernen"?

2. Frage: Gehen wir mal davon aus, dass das mit der Expansion so stimmt. Wir messen also die Rotverschiebung im Licht anderer Galaxien. Aber das heißt ja nur, dass sich diese Galaxien von uns weg bewegen. Aber warum braucht man als Erklärung dafür die Raumausdehnung? Oder anders gefragt: Wieso erklärt man die kosmologische Rotverschiebung nicht mit den klass. Dopplereffekt (ein Objekt bewegt sich von einem anderen Objekt weg)? (my guess: weil sich dann besonders weit entfernte Galaxien mit Überlichtgeschwindigkeit von uns weg bewegen würden, d.h. die ganze "Rotverschiebungs-Raumausdehnungserklärung" soll das Postulat von c "retten")

3. Frage: Was haltet ihr von der These, dass das Licht zwar nicht per se "ermüdet", aber durch dark matter (bzw. deren Gravitation) abgebremst und damit rotverschoben wird. Dark matter wäre keine uns bekannte Materieform, so dass nicht einfach entgegnet werden kann, sie müßte sich aufheizen. Wenn die Physiker schon dark matter einführen, weil sonst ihr Modell zusammenbricht, dann können sie sich mE nicht nur die Rosinen rauspicken. Wenn dark matter Gravitation ausübt und dadurch Expansion beschleunigt...wieso dann nicht umgekehrt: dark matter lediglich als Verschleierung einer gar nicht stattfindenden Expansion, sondern nur Lichtermüdung?

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von tomS » 15. Feb 2011, 09:27

1 - Nimm mal an, du hättest recht und die Stichprobe der 3000 Galaxien zeigt diese Anomalie. Dann müsstest du erklären, wieso alle 3000 beobachteten Galaxien sich entsprechend des Modells verhalten und warum keine einzige entdeckt wurde, die diesem Modell wiederspricht. Nimm an du hast eine Urne mit weißen oder schwarzen 10^10 Kugeln. Du ziehst blind 3000 Kugeln - alle sind schwarz - was dich zur Vermutung führt, dass letztlich alle Kugeln schwarz sind. Frage: wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass in der Urne trotz allem gleich viele schwarze und weiße Kugeln sind?

2 - Es ist ja gerade umekehrt: Einsteins Gleichungen sagten einen expandierenden Raum voraus, was er zunächst mit Hilfe der kosmologischen Konstante "reparieren" wollte. Die Idee, eines statisches Universums (Einstein-Universum) geht aber in jedem Fall schief, da sich das Modell so verhält, wie wenn man eine Kugel auf einem Berggipfel balancieren möchte; sie wird bei der kleinsten Störung doch ins Tal rollen. Genauso verhält es sich mit dem Einstein-Universum: eine winzige Störung = Inhomogenität dieses statischen Universums führt doch wieder zu einem expandierende oder kontrahierenden Universum.
Dann wurde in den 20iger Jahren die Rotverschiebung weit entfernter Galaxien entdeckt und sofort als Bestätigung anderer Weltmodelle akzeptiert, die alle einen nicht-statischen Kosmos vorhergesagt hatten. Einstein hatte also die große Chance verpasst, diese Expansion vorherzusagen.

3 - Klingt unnatürlich und wird nicht funktionieren, da auch die DM den Einsteinschen Feldgleichungen unterliegt und sich somit wieder ein nicht-statisches Universum ergibt.
Gruß
Tom

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von seeker » 15. Feb 2011, 09:59

Zu 2. noch ergänzend:

Wenn man die Galaxienflucht nur über den Dopplereffekt erklären- und ansonsten einen statischen Raum annehmen wollte, dann stünde man vor dem Problem, dass wir die Galaxienflucht in allen Richtungen gleich sehen. Das könnte dann nur dann so sein, wenn wir genau in einem ausgezeichneten Zentrum des Universums sitzen würden.
Man kann sich das wie eine Explosion vorstellen: Man sieht nur dann in allen Richtungen das gleiche, wenn man genau im Explosionszentrum sitzt.

Zusätzliche Schwierigkeit:
Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto rotverschobener erscheint auch ihr Licht. Wir können diese Entfernung nicht nur über die Rotverschiebung bestimmen, sondern z.B. auch über sog. Standardkerzen und diese Daten mit der gemessenen Rotverschiebung abgleichen/überprüfen (nicht dass du glaubst ich würde hier Ursache und Wirkung vertauschen).

Nun ist es also so, dass sich die Galaxien umso schneller von uns fortbewegen, je weiter sie von uns entfernt sind. Wie wollte man das erklären, wenn man davon ausgeht, wir würden im Zentrum einer Explosion sitzen (bei einem statischen Raum)?

Ganz anders ist es, wenn wir von einem expandierenden Raum ausgehen: Man denke an das Bild mit dem aufgehenden Hefeteig (Raum) in dem Rosinen (Galaxien) isotrop verteilt sind. Durch die Expansion des Teigs ergeben sich die beobachteten Effekte (Isotropie bei der Beobachtung des Universums und Zunahme der Galaxienflucht mit der Entfernung) ganz natürlich von selbst - und das ohne einen irgendwie ausgezeichneten Beobachtungsort im Raum annehmen zu müssen.

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von Pippen » 15. Feb 2011, 11:20

seeker hat geschrieben: Wenn man die Galaxienflucht nur über den Dopplereffekt erklären- und ansonsten einen statischen Raum annehmen wollte, dann stünde man vor dem Problem, dass wir die Galaxienflucht in allen Richtungen gleich sehen. Das könnte dann nur dann so sein, wenn wir genau in einem ausgezeichneten Zentrum des Universums sitzen würden.
Man kann sich das wie eine Explosion vorstellen: Man sieht nur dann in allen Richtungen das gleiche, wenn man genau im Explosionszentrum sitzt.
Aber es ist doch durchaus vorstellbar, dass man nicht im Zentrum der Explosion sitzt, sondern auf einem der wegfliegenden Splitter und die Explosion aber eben so strukturiert ist, dass alle Splitter nicht nur vom Zentrum aus, sondern auch zueinander gesehen wegfliegen (das ist dann halt keine Explosion im klassischen Sinne). D.h. die beobachtbare Galaxienexpansion allein dürfte nicht noch für einen expandierenden Raum sprechen. Aber es scheint so zu sein, dass schon allein die ART die Interpretation der Beobachtungen vorgibt...ist ja auch nicht schlimm. Ich hatte eben gedacht, dass nach dieser Hubble-Tabelle die Rotverschiebung irgendwann so groß wird, dass man annehmen müßte, dass sich die Galaxie mit c+1 von uns wegbewegt...und weil das nicht sein dürfte, hat man einfach den Raum "gestreckt".

@toms: Wenn du 1000 Kugeln in einer Urne hast und 10 davon ziehst und alle 10 sind weiss, dann sagt das doch kaum etwas darüber aus, wie sich die Farben über die restlichen 990 Kugeln verteilen. Das kann purer Zufall sein. Da kannst du auch nicht mit Stochastik kommen, denn für eine seriöse Ermittlung hast du viel zu wenig Basisdaten. Wenn es stimmen würde, dass erst ein Bruchteil der Galaxien auf ihre Rotverschiebung hin untersucht wurde, dann frage ich mich, ob hier nicht etwas vorschnell geurteilt wurde - nach dem Motto: Super, das passt schön zur CMB und chem Evolution des U. als Folge des Urknalls.

Je mehr ich mich - frelich als Laie - damit beschäftige, desto mehr glaube ich, dass die Raumausdehnung bzw. die Annahme eines nichtstatischen Raumes ein viel grundsätzlicheres Problem verdeckt, nämlich dass einer weiteren Dimension. Dann wäre es nämlich gut möglich, dass die Raumausdehnung für uns dasgleiche ist wie für 2D-Wesen eine Fläche ohne 180°-Winkelaxiom (von Kürmmung hätten diese Wesen ja keinen Begriff, weil es sowas gar nicht gäbe, könnten also damit auch nicht operieren...das wird oft übersehen, wenn in solchen Bp. die 2D's aufeinmal durch Aufspannen von 3-ecken eine Krümmung erkennen könnten...das könnten sie nicht...sie würden lediglich stutzen und feststellen, dass in diesen oder jenen Bereichen der Innenwinkelsatz anders gilt..so wie wir auf einmal Raumausdehnungen "konstruieren".

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von tomS » 15. Feb 2011, 12:23

Zunächst mal danke an seeker für den Hinweis bzgl. der ausgezeichneten Position der Erde im Zentrum einer klassischen Explosion.
Pippen hat geschrieben:Aber es ist doch durchaus vorstellbar, dass man nicht im Zentrum der Explosion sitzt, sondern auf einem der wegfliegenden Splitter und die Explosion aber eben so strukturiert ist, dass alle Splitter nicht nur vom Zentrum aus, sondern auch zueinander gesehen wegfliegen
Du konstruierst mit erheblichem Aufwand ein Modell, obwohl du bereits eines hast (die ART mit ihrer Anwendung im Rahmen der kosmologischen Modelle), das das alles erklärt. Nach dem Prinzip der maximalen Einfachheit muss dein Modell einfacher sein als die ART; aber da es ohne ART nicht auskommt, wird es sicher komplizierter, oder?
Pippen hat geschrieben:@toms: Wenn du 1000 Kugeln in einer Urne hast und 10 davon ziehst und alle 10 sind weiss, dann sagt das doch kaum etwas darüber aus, wie sich die Farben über die restlichen 990 Kugeln verteilen. Das kann purer Zufall sein.
Aber Zufalls ist berechenbar und man kann das exakt ausrechnen.Ist bei mir schon ein paar Jahre her, aber ich werde das mal tun.
Pippen hat geschrieben:Da kannst du auch nicht mit Stochastik kommen, denn für eine seriöse Ermittlung hast du viel zu wenig Basisdaten. Wenn es stimmen würde, dass erst ein Bruchteil der Galaxien auf ihre Rotverschiebung hin untersucht wurde, dann frage ich mich, ob hier nicht etwas vorschnell geurteilt wurde …
Wie gesagt: Wenn du aus stochastischen Gründen annehmen möchtest, dass die 3000 Messwerte reine Zufälle sind, dann musst du wieder erklären, warum die gerade diese 3000 Ausnahmen gefunden hast.
Pippen hat geschrieben:Je mehr ich mich - frelich als Laie - damit beschäftige, desto mehr glaube ich, dass die Raumausdehnung bzw. die Annahme eines nichtstatischen Raumes ein viel grundsätzlicheres Problem verdeckt, nämlich dass einer weiteren Dimension.
Es ist möglich, aber mathematisch nicht zwingend, eine Ausdehnung in eine weitere Dimension hinein anzunehmen. Grundsätzlich ist es aber so, dass diese „Einbettung“ das ganze nicht wirklich vereinfacht. Mathematisch wird das durch die sogenannten Einbettungssätze von Nash beschrieben. Es gibt mehrere, je nach Annahme die man über das Universum und die Art der Einbettung trifft. Jedenfalls reicht für eine allgemeine 4-dim. Raumzeit ein 5-dim. Raum NICHT aus; man benötigt für „vernünftige physikalische“ Einbettungen höherdimensionale Räume.
Gruß
Tom

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von positronium » 15. Feb 2011, 12:37

Pippen hat geschrieben:Wenn du 1000 Kugeln in einer Urne hast und 10 davon ziehst und alle 10 sind weiss, dann sagt das doch kaum etwas darüber aus, wie sich die Farben über die restlichen 990 Kugeln verteilen.
Angenommen, das Verhältnis von sich wegbewegenden und auf uns zu bewegenden Galaxien ist 1:1. Dann bedeutet das je Messung eine Wahrscheinlichkeit von 0,5.
Wenn man 1000 Kugeln nimmt, und 10 mal zieht, liegt die Wahrscheinlichkeit, nur eine Farbe zu ziehen, bei 0,089%.
Für 10^10 Galaxien und 10 Messungen bei 0,098%.
Und bei 30000 Messungen bei



Wenn ich nicht falsch liege. :wink:

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von tomS » 15. Feb 2011, 12:54

Gegeben N = 10[up]10[/up] Galaxien.

Wir nehmen z.B. Normalverteilung der Fluchtgeschwindigkeiten an, d.h. dass jeweils N/2 Galaxien pos. bzw. neg. Fluchtgeschwindigkeit haben (nur die Richtung interessiert, nicht der Betrag).
Die Wahrscheinlichkeit, beim einfachen Ziehen eine Galaxie mit entweder pos. oder neg. Fluchtgeschwindigkeit zu ziehen, liegt dann jeweils bei p = ½.

Gesucht ist die Wahrscheinlichkeit P(n, p), dass beim Ziehen einer Stichprobe vom Umfang n = 3000 alle gezogenen Werte aus der Menge mit pos. Fluchtgeschwindigkeit stammen. Da hier N viel größer als n ist, dürfen wir annehmen, dass wir ein „Ziehen mit Zurücklegen“ anwenden dürfen und dass sich das p somit für die gesamte Stichprobe mit Umfang n nicht ändert (Ziehen ohne Zurücklegen liefert den exakten Wert, die Abweichung ist jedoch für die betrachteten Werte von N und n irrelevant).

Die Wahrscheinlichkeit P(n, p) berechnet sich zu

P(n, p) = p[up]n[/up]

In unserem Falle ist dies

P(3000, ½) = (½)[up]3000[/up] ≈ 1/10[up]903[/up]

Man könnte nun noch die Irrtumswahrscheinlichkeit berechnen, also die Wahrscheinlichkeit, dass trotz dieses Ergebnisses der Stichprobe von n = 3000 eine Gleichverteilung vorliegt; Ich spare mir das; das Ergebnis ist eindeutig, oder?
Gruß
Tom

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von belgariath » 15. Feb 2011, 13:25

@ Positronium
Ich denke die exakte Formel wäre Aber Tom hat schon recht, die Differenz hat praktisch keine Auswirkungen...

@ Pippen
Die Chance, dass wir nur zufällig ausschließlich sich entfernende Galaxien beobachten und in Wirklichkeit die Galaxienbewegungen statistisch verteilt sind, ist wirklich verschwindend gering.
Aber es gibt die Theorie, dass sich nur die näheren Galaxienhaufen von uns fortbewegen (, da wir und diese sich fortbewegenden Haufen uns in einer Gegend des Universums mit niedrigerer Dichte befinden) die weiter von uns entfernten jedoch nicht. Wir befinden uns, gemäß dieser Theorie also an einer besonderen Stelle im Universum
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Re: Expansion des Universums

Beitrag von positronium » 15. Feb 2011, 13:37

belgariath hat geschrieben:@ Positronium
Ich denke die exakte Formel wäre Aber Tom hat schon recht, die Differenz hat praktisch keine Auswirkungen...
Hmm. Ich kann mich täuschen, bin ja kein Mathematiker, denke aber, dass Tom das ausgerechnet hat:


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Re: Expansion des Universums

Beitrag von belgariath » 15. Feb 2011, 13:51

Ja genau, denn wenn man die von dir soeben angegebene Formel mit kürzt, kommt heraus, also die Näherung von Tom. (Tom hat versehentlich mit 3000 statt mit 30000 gerechnet)
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Re: Expansion des Universums

Beitrag von seeker » 15. Feb 2011, 13:59

Pippen hat geschrieben:Aber es ist doch durchaus vorstellbar, dass man nicht im Zentrum der Explosion sitzt, sondern auf einem der wegfliegenden Splitter und die Explosion aber eben so strukturiert ist, dass alle Splitter nicht nur vom Zentrum aus, sondern auch zueinander gesehen wegfliegen (das ist dann halt keine Explosion im klassischen Sinne).
Nein, das ist nicht möglich, jedenfalls nicht in einem klassischen 3-dimensionalen, statischen Raum, über den wir reden.
Wenn du nicht gerade ausgerechnet genau in einem punktsymmetrischen Explosionszentrum sitzt, werden bei jeder beliebigen Auseinanderbewegung von Körpern immer einige Raumrichtungen anders aussehen als andere.

Wenn du auf irgend einem Splitter sitzt, dann wirst du in Richtung Explosionszentrum etwas anderes sehen, als in jeder anderen Richtung.
Außerdem wirst du auf jedem Splitter etwas anderes sehen. Es wäre dann also nicht egal auf welchen Splitter du sitzen würdest.
Das gilt auch dann, wenn es viele Explosionszentren gäbe oder irgendeine andere Art der Auseinanderbewegung.

Einzige Ausnahme: "Hefeteigexpansion", was jedoch eine Expansion des Raums selbst bedeutet.

Grüße
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Re: Expansion des Universums

Beitrag von Gepakulix » 15. Feb 2011, 19:32

seeker hat geschrieben:
Pippen hat geschrieben:Aber es ist doch durchaus vorstellbar, dass man nicht im Zentrum der Explosion sitzt, sondern auf einem der wegfliegenden Splitter und die Explosion aber eben so strukturiert ist, dass alle Splitter nicht nur vom Zentrum aus, sondern auch zueinander gesehen wegfliegen (das ist dann halt keine Explosion im klassischen Sinne).
Nein, das ist nicht möglich, jedenfalls nicht in einem klassischen 3-dimensionalen, statischen Raum, über den wir reden.
Wenn du nicht gerade ausgerechnet genau in einem punktsymmetrischen Explosionszentrum sitzt, werden bei jeder beliebigen Auseinanderbewegung von Körpern immer einige Raumrichtungen anders aussehen als andere.
Das dürfte stimmen, wenn man einen statischen Raum annimmt und gleichzeitig die RT nicht berücksichtigt.

Wenn aber die RT anwendbar ist, dann lohnt es sich mit einer Rechnung zu überprüfen.

In diesem Fall kann kann man einen beliebigen Splitter nehmen: Es ergibt für eine Person auf dem Splitter immer das Messresultat, dass sich alle andern Splitter von ihm entfernen.
Je nach Wahl des Bezugssystems eines weiteren Beobachters liegt die Begründung in:
- effektiv grösser werdendem Abstand (zwischen dem Splitter und der Lichtquelle auf einem anderen Splitter)
- oder aufgrund des Unterschieds in der Zeitdilatation zwischen Splitter und Lichtquelle.

Bei dieser Frage kommt man um die Rechnung nicht herum.

Gruss, Gepakulix

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von tomS » 15. Feb 2011, 21:35

Jedenfalls sollten wir der Stochastik glauben, dass unsere Stichprobe von 30000 Messungen (sorry für meinen Fehler) doch repräsentativ ist.
Gruß
Tom

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von Pippen » 17. Feb 2011, 17:05

tomS hat geschrieben:Jedenfalls sollten wir der Stochastik glauben, dass unsere Stichprobe von 30000 Messungen (sorry für meinen Fehler) doch repräsentativ ist.
Vielen Dank. Sehr schöne Erklärung von euch allen, dass ein Bruchteil der Untersuchungen aller Galaxien auf Rotverschiebung ausreicht, um eine Wahrscheinlichkeitsaussage für die große Menge zu machen. In der Tat würde ich euch nach Aufzeigen des Lösungsweges zustimmen, dass 30.000 rotverschobene Galaxien (bei 0 ohne Rotverschiebung) ziemlich wahrscheinlich darauf hindeuten, dass fast alle der 10^10 Galaxien wohl expandieren. So macht Stochastik Spass, man lernt am "Fall". Und damit dürfte auch die Frage beantwortet sein, dass und warum man heute allgemein von einer generellen Expansion des Universums ausgehen kann, obwohl man nur einen Bruchteil der Galaxien/Galaxienhaufen daraufhin untersucht hat.

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von Pippen » 21. Feb 2011, 13:04

Vielleicht noch eine andere Frage zu dieser Thematik. Die Expansion der Galaxien vollzieht sich ja auf großen Skalen, lokal gesehen kann es aufgrund der Gravitation manchmal anders aussehen (vgl. Andromedanebel, der sich sogar auf uns zubewegt).

1. Kann man - und wenn, dann wie - eigentlich (praktisch) ausschließen, dass wiederum die Expansion von Galaxien nur ein lokales Phänomen im viel grösseren Universums ist?

2. Woher und wie wissen wir eigentlich, dass die CMB nicht nur zB in der lokalen Gruppe, sondern auch in Gebieten zB in 10 Mrd. LJ Entfernung auftritt, d.h. nicht nur ein lokales Phänomen ist (welches seit ca. 13 Mrd. Jahren lokal bei uns "rumschwirrt")? Wir können doch nur die CMB, die auf die Erde oder unsere Satelliten fällt, wahrnehmen und messen, oder ist die CMB auch im Lichtspektrum von entfernten Sternen irgendwie nachweisbar?

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von tomS » 21. Feb 2011, 13:10

Pippen hat geschrieben:1. Kann man - und wenn, dann wie - eigentlich (praktisch) ausschließen, dass wiederum die Expansion von Galaxien nur ein lokales Phänomen im viel grösseren Universums ist?
Nein, das kann man nicht ausschließen, da wir über das was wir prinzipiell nicht sehen könne auch nichts aussagen können. Üblicherweise geht man davon aus, dass wenn sich eine Theorie in einem bestimmten Bereich gut bewärt hat, sie (mit gewisser Vorsicht) auch über diesen Bereich hinaus extrapoliert werden darf (wir tun dies ständig in der Physik). Allerdings haben wir hier natürlich das Problem, dass wir eine Theorie in einen grundsätzlich nicht mehr testbaren Bereich hinein extrapolieren.

Es gibt ach andere Ideen bzgl. des Universums, nämlich eines fraktalen Universums auf allen Größenordnungen, alos auch jenseits des sichtbaren Universums. Das würde auch andere Annahmen betreffen, insbs. auch die Expansion, aber es ist natürlcih ebenfalls nicht beobachtbar.
Pippen hat geschrieben:2. Woher und wie wissen wir eigentlich, dass die CMB nicht nur zB in der lokalen Gruppe, sondern auch in Gebieten zB in 10 Mrd. LJ Entfernung auftritt, d.h. nicht nur ein lokales Phänomen ist (welches seit ca. 13 Mrd. Jahren lokal bei uns "rumschwirrt")? Wir können doch nur die CMB, die auf die Erde oder unsere Satelliten fällt, wahrnehmen und messen, oder ist die CMB auch im Lichtspektrum von entfernten Sternen irgendwie nachweisbar?
Selbe Aussage wie oben, wir wissen es nicht, weil wir nur hier experimentieren können, aber wiederum erscheint eine Extrapolation sinnvoll.
Gruß
Tom

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von seeker » 21. Feb 2011, 14:27

Man muss ja auch zugeben, dass man bei der Kosmologie mit besonders großen Schwierigkeiten zu kämpfen hat.
Man kann z.B. (abgesehen von Erkenntnissen aus der Teilchenphysik) keine Experimente machen, insbesondere kann man nicht reproduzieren: Man kann ja nicht einfach mal ein paar Universen im Labor erschaffen und beobachten, was diese tun. Wir finden also ein Universum -unser Universum- so vor, wie es ist und müssen uns rein auf Beobachtungen verlassen, die noch dazu prinzipiell unvollständig sind, da wir nicht das ganze Universum sehen können. Daher wird Kosmologie immer weniger "hart" sein als Bereiche der Physik, die experimentell arbeiten können, wie z.B. die Teilchenphysik. Die Kosmologie wird uns also immer einen relativ großen Spielraum für Spekuationen lassen.

Es ist noch nicht lange her, da war Kosmologie nur wenig mehr als intelligente Spekulation. Wir haben es neuen Messmethoden und Messgeräten wie z.B. modernen Großteleskopen oder Satelliten wie Hubble, WMAP oder Planck zu verdanken, dass daraus überhaupt so langsam eine exakte Wissenschaft geworden ist - und das ist schon ein Riesenerfolg!

Grüße
seeker
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Re: Expansion des Universums

Beitrag von Timm » 21. Feb 2011, 17:56

Pippen hat geschrieben:Vielleicht 2. Woher und wie wissen wir eigentlich, dass die CMB nicht nur zB in der lokalen Gruppe, sondern auch in Gebieten zB in 10 Mrd. LJ Entfernung auftritt, d.h. nicht nur ein lokales Phänomen ist (welches seit ca. 13 Mrd. Jahren lokal bei uns "rumschwirrt")? Wir können doch nur die CMB, die auf die Erde oder unsere Satelliten fällt, wahrnehmen und messen, oder ist die CMB auch im Lichtspektrum von entfernten Sternen irgendwie nachweisbar?
Du kannst es Dir so vorstellen: Die Region aus der heute CMB Photonen eintreffen, war, als das Universum transparent wurde, 40,5 Millionen LJ und ist heute 44 Milliarden LJ von unserer Weltlinie entfernt. Ich verweise nochmal auf das Raumzeit-Diagramm in http://www.mso.anu.edu.au/~charley/pape ... aver04.pdf. Diese Region, in deren Zentrum wir uns befinden, ist homogen, das zeigen die Messungen. Das bedeutet, dass heute Bewohner einer 10 Milliarden LJ entfernten Galaxie zum überwiegenden Teil "unseren" CMB sehen. Über den bei uns nicht sichbaren Rest können wir nur Plausibilitätsbetrachtungen machen.

Ich bin nicht sicher, ob Du Dir über die Entstehung des CMB im klaren bist. Der CMB ist kein Bestandteil des Lichtspektrums von Sternen. Als er freigesetzt wurde, gab es noch lange keine Sterne. Die entstanden erst einige 100 Millionen Jahre später.

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von Pippen » 21. Feb 2011, 21:20

Timm hat geschrieben: Du kannst es Dir so vorstellen: Die Region aus der heute CMB Photonen eintreffen, war, als das Universum transparent wurde, 40,5 Millionen LJ und ist heute 44 Milliarden LJ von unserer Weltlinie entfernt. Ich verweise nochmal auf das Raumzeit-Diagramm in http://www.mso.anu.edu.au/~charley/pape ... aver04.pdf. Diese Region, in deren Zentrum wir uns befinden, ist homogen, das zeigen die Messungen. Das bedeutet, dass heute Bewohner einer 10 Milliarden LJ entfernten Galaxie zum überwiegenden Teil "unseren" CMB sehen. Über den bei uns nicht sichbaren Rest können wir nur Plausibilitätsbetrachtungen machen.

Ich bin nicht sicher, ob Du Dir über die Entstehung des CMB im klaren bist. Der CMB ist kein Bestandteil des Lichtspektrums von Sternen. Als er freigesetzt wurde, gab es noch lange keine Sterne. Die entstanden erst einige 100 Millionen Jahre später.
Hm...das verstehe ich leider nur bedingt. Der Punkt, der mich interessiert, ist, ob wir die CMB nur "bei uns" messen können. Ich weiß, dass die CMB nicht von Sternen stammt, sondern das "Urknallecho" ist, also die Expansion begann und die ersten Photonen in den Raum austraten. Es könnte ja aber sein, dass die CMB irgendwie im entfernten Licht in dessen Spektrum nachweisbar ist...wenn die CMB überall ist, müßte sie dann nicht als "Hintergrundrauschen" auch im normale Lichtspektrum eines entfernten Sterns nachweisbar sein?

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seeker
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Re: Expansion des Universums

Beitrag von seeker » 21. Feb 2011, 23:07

Du meinst, ob man eine Art indirektes Echo der CMB in der Strahlung von Sternen sehen kann? Man könnte sich vorstellen, dass die CMB entfernte Sterne aufheizt und dass das dann Auswirkungen auf deren Spektrum haben könnte... gut. Die CMB ist heute aber nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt. Das ist wirklich nur sehr wenig Energie, die da im Hintergrund wirkt, fast nichts - insbesondere im Vergleich zur Energiedichte in Sternen. Ich halte es daher für für völlig ausgeschlossen, solches im Spektrum von Sternen messen zu können. Bei kalten Gas- und Staubwolken wäre es eher vorstellbar - aber auch das glaube ich nicht. Immerhin: Mikrowellenstrahlung kann absorbiert werden, kalte Staubwolken aufheizen und so z.B. zu IR-Strahlung führen und sie kann auch reflektiert werden... je nach Bedingungen und Material. Aber wie gesagt: Ich glaube nicht, dass man derart schwache Signale sehen kann. Außerdem muss ja auch das Licht solcher Sterne erst einmal zu uns gelangen. Dieses Licht ist weniger alt als die CMB. Wenn wir solche Sterne betrachten, dann schauen wir daher weniger tief in die Ferne und in die Vergangenheit als wir es bei der Beobachtung der CMB tun.

Dennoch: Die Hintergrundstrahlung war ja früher sehr viel intensiver als heute. Ich frage mich, ob sie nicht doch merkliche Auswirkungen in der Frühphase des Universums, noch nach der Entkoppelung gehabt haben könnte - und falls ja: Welche?
Weiß da jemand näheres?

Beste Grüße
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Wissenschaft ... ist die Methode, kühne Hypothesen aufstellen und sie der schärfsten Kritik auszusetzen, um herauszufinden, wo wir uns geirrt haben.
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Re: Expansion des Universums

Beitrag von Timm » 21. Feb 2011, 23:20

Pippen hat geschrieben: Der Punkt, der mich interessiert, ist, ob wir die CMB nur "bei uns" messen können. Ich weiß, dass die CMB nicht von Sternen stammt, sondern das "Urknallecho" ist, also die Expansion begann und die ersten Photonen in den Raum austraten. Es könnte ja aber sein, dass die CMB irgendwie im entfernten Licht in dessen Spektrum nachweisbar ist...wenn die CMB überall ist, müßte sie dann nicht als "Hintergrundrauschen" auch im normale Lichtspektrum eines entfernten Sterns nachweisbar sein?
Wir können den CMB tstsächlich nur bei uns messen. Es handelt sich um eine äußerst langwellige Strahlung mit einer Rotverschiebung von z = 1100. Die Strahlung von Sternen ist je nach Entfernung ebenfalls rotverschoben, aber sehr viel weniger. Das Licht der Sterne ist im Vergleich zum CMB also erheblich kurzwelliger und enthält keine Information über diesen. Denn dieses Licht - dessen Spektrallinien - stammt von den äußeren Atomen der Sterne, nicht vom CMB. Wenn man in Richtung einer Galaxie schaut, sieht man deren Licht und CMB Photonen separat, mit ganz unterschiedlichen Instrumenten.

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von Timm » 21. Feb 2011, 23:45

seeker hat geschrieben: Man könnte sich vorstellen, dass die CMB entfernte Sterne aufheizt und dass das dann Auswirkungen auf deren Spektrum haben könnte... gut.
Das ist recht unwahrscheinlich. Als die ersten Sterne entstanden, hatte sich das Universum seit der Freisetzung des CMB schon um den Faktor 50 - 100 ausgedehnt, sodaß der CMB zu diesem Zeitpunkt schon wesentlich kälter war, als die Sterne. Erst recht natürlich bei später entstandenen Sternen.

Es gibt eine Signatur anderer Art: Galaxienhaufen enthalten vielfach ein Millionen Grad heißes Plasma. Die Elektronen diese Plasmas übertragen Energie auf den CMB, der dadurch etwas kurzwelliger wird (Sunjajew-Seldowitsch-Effekt).

Gruß, Timm

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von Pippen » 22. Feb 2011, 01:34

seeker hat geschrieben:
Pippen hat geschrieben:Aber es ist doch durchaus vorstellbar, dass man nicht im Zentrum der Explosion sitzt, sondern auf einem der wegfliegenden Splitter und die Explosion aber eben so strukturiert ist, dass alle Splitter nicht nur vom Zentrum aus, sondern auch zueinander gesehen wegfliegen (das ist dann halt keine Explosion im klassischen Sinne).
Nein, das ist nicht möglich, jedenfalls nicht in einem klassischen 3-dimensionalen, statischen Raum, über den wir reden.
Wenn du nicht gerade ausgerechnet genau in einem punktsymmetrischen Explosionszentrum sitzt, werden bei jeder beliebigen Auseinanderbewegung von Körpern immer einige Raumrichtungen anders aussehen als andere.

Wenn du auf irgend einem Splitter sitzt, dann wirst du in Richtung Explosionszentrum etwas anderes sehen, als in jeder anderen Richtung.
Außerdem wirst du auf jedem Splitter etwas anderes sehen. Es wäre dann also nicht egal auf welchen Splitter du sitzen würdest.
Das gilt auch dann, wenn es viele Explosionszentren gäbe oder irgendeine andere Art der Auseinanderbewegung.

Einzige Ausnahme: "Hefeteigexpansion", was jedoch eine Expansion des Raums selbst bedeutet.

Grüße
seeker
So richtig verstehe ich das immer noch nicht. Könnte man die Hefeteigexpansion nicht auch in einem 3D-Raum erklären. Wenn ich mir das bildlich vorstelle, dann kann ich mir schon vorstellen, dass Teilchen jeweils voneinander wegfliegen ohne dass es ein Zentrum gibt, von dem aus sie wegfliegen.

Und auch bei der Rotverschiebung habe ich meine Bedenken. Denn die Deutung der Rotverschiebung als banaler Dopplereffekt ist doch nach der ART nicht per se ausgeschlossen, oder? Warum sollte die ART einfach so jede Rotverschiebung im Weltraum als kosmologisch, d.h. raumausdehnend, annehmen? Wenn man die Rotverschiebung der Galaxien zu uns als Dopplereffekt annimmt, dann bleibt es doch trotzdem bei der Expansion, oder?

Daher nochmal: Ist es richtig, dass nach unseren Erkenntnissen manche weit entfernten Galaxien so weit rotverschoben sind, dass daraus bei Annahme des Dopplereffekts eine Entfernung mit Überlichtgeschwindigkeit folgen würde und allein DESHALB die Rotverschiebung nicht als Dopplereffekt (A bewegt sich von B weg), sondern als Raumausdehnung, gedeutet wird?

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von Skeltek » 22. Feb 2011, 06:04

Pippen hat geschrieben: Daher nochmal: Ist es richtig, dass nach unseren Erkenntnissen manche weit entfernten Galaxien so weit rotverschoben sind, dass daraus bei Annahme des Dopplereffekts eine Entfernung mit Überlichtgeschwindigkeit folgen würde und allein DESHALB die Rotverschiebung nicht als Dopplereffekt (A bewegt sich von B weg), sondern als Raumausdehnung, gedeutet wird?
Der erste Satz stimmt nicht. Egal wie rotverschoben das Licht ist, kann daraus keine Überlichtgeschwindigkeit hergeleitet werden. Solange man das Licht noch detektieren kann, hat sich die Lichtquelle beim Aussenden mit Unterlichtgeschwindigkeit weg bewegt.

Es wird deshalb nicht als Dopplereffekt gedeutet, weil man annimmt, daß die Geschwindigkeit, mit der sich Gestirne von uns weg bewegen mit zunehmender Entfernung immer weiter ansteigt(linear mit der Entfernung) Somit hätten Gestrine, die weit genug weg sind eine Relativgeschwindigkeit höher c. Damit wäre aber die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit verletzt(eigentlich gilt sie ohnehin nur lokal), oder der Energieerhaltungssatz wäre verletzt, weil das Licht in unserem Bezugssystem eine geringere Energie besitzt.
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  • Widersprüchlich - Dieser Satz ist falsch.

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Re: Expansion des Universums

Beitrag von tomS » 22. Feb 2011, 07:28

Nochmal zur Klarstellung:
  • Man kann in einem expandierenden Kosmos für entfernte Objekte keine eindeutige Geschwindigkeit definieren; das führt immer zu Inkonsistenzen oder "optischen Täuchungen"; z.B. scheint sich ein entfernter Lichtrstrahl in einem starken Gravitationsfeld mit Unterlichtgeschwindigkeit zu bewegene (Shapiro-Verzögerung).
  • Betrachtet man die Expansion des Universums und leitet daraus eine "Geschwindigkeit" ab, so erhält man (unter der o.g. Einschränkung) in einem beschleunigt expandierenden Universum sowie zur Phase der kosmischen Inflation tatsächlich Überlichtgeschwindigkeiten. Allerdings ist das eben nicht die Geschwidnigkeit eines Objektes bezogen auf den Raum (bzw. ein lokal definierbares Inertialsystem), sondern die Expansion des Raumes selbst - und die wird nicht durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt
  • Man könnte die kosmologische Rotverschiebung durch den Dopplereffekt deuten, allerdings würde dann zwingend folgen, dass wir uns im Zentrum der Expansion befinden. Der Dopplereffekt kann kein homogenes und isotropes, expandierendes Universum ersetzen. Da man diese Annahme als künstlich ablehnt, ersetzt man sie durch die kosmologische Expansion.
  • Alle Lösungen der ART weisen auf eine kosmologische Expansion hin. Es handelt sich dabei um eine unausweichliche Vorhersage der ART. Demzufolge ist die Expansion die einfachste Erklärung der Rotverschiebung. Würde man den Dopplereffekt mit ins Spiel bringen, hätte man immer noch eine Expansion, also eigtl. zu Viel des Guten.
Gruß
Tom

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