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Warum expandiert(e) das Universum?

Themen zur Kosmologie, Urknall, inflationärer Kosmologie, Expansion, Entwicklung und Zukunft des Universums
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Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von seeker » 23. Feb 2016, 12:58

Warum expandiert(e) das Universum?

Eine vielleicht auf den ersten Blick zumindest prinzipiell 'einfach' zu beantwortende Frage:
Na ja, wir haben das Fluchtmoment der Materie, das noch vom Urknall stammt, wir haben die dunkle Energie und wir hatten die Expansion durch Inflation. Dem allem stemmt sich die Schwerkraft entgegen, wer stärker ist gewinnt.

Über das mit dem Fluchtmoment habe ich nachgedacht und komme zu keinem rechten Ergebnis:
Nehmen wir das Universum kurz nach der Inflationsphase. Es ist noch sehr heiß und dicht.

Wenn man nun annimmt, dass das Universum unendlich ausgedehnt sei, dann kann man sich vorstellen, das dieser Zustand des Universums mit einem Druck einhergeht, der die Materie weiter auseinandertreibt und sie so ausdünnt: Der Skalenfaktor nimmt zu, das Universum expandiert, Ok.
(So etwas kann man bei einer unendlich großen 3D-Fläche wegen den Eigenschaften des Unendlichen leicht machen:
Wenn in Hilberts Hotel alle Zimmer belegt sind, kann ich leicht jedes zweite Zimmer (oder 99% oder 99,99%, wie ich halt will) frei machen und bekomme immer noch alle Leute unter. Ich kann also die Abstände zwischen den Leuten beliebig vergrößern.)

Was ist aber, wenn man hier annimmt, dass das Universum endlich ausgedehnt/geschlossen wäre, z.B. die Topologie einer Kugelsphäre hätte? Dann haben wir unseren berühmten Luftballon. Auf der Oberfläche des Luftballons ist Materie und Strahlung dicht gepackt und hat hohe Energien bzw. affenartige Teilchengeschwindigkeiten, der Impuls ist hoch.
Nur: In diesem Fall könnte die Materie und Strahlung ja nirgends hin, da sie ja auf der 3D-Fläche gefangen ist. Sie würde die geschlossene Oberfläche vielleicht mehrfach umrunden, aber sie könnte nicht weg, sich also auch nicht so ohne weiteres ausdünnen.
Sie hätte auch hier einen hohen Druck, aber warum sollte dieser Druck den Raum hier selbst dehnen, global?
Gleichzeitig muss die wirkende Gravitation sehr stark sein, weil die Masse/Energiedichte sehr hoch ist.

Frage:
Warum sollte in diesem Szenario der "Luftballon" weiter expandieren, durch was verursacht?
Warum kollabiert er nicht sofort wieder, verursacht durch die Gravitation?
(Ich weiß, auch Druck ist Quelle von Gravitation, krümmt also den Raum ebenso. Aber wär's dann nicht noch eindeutiger, wenn das auch noch zur normalen Masse-Gravitation hinzukommt? Müsste das Universum in diesem Zustand dann nicht "zweimal" kollabieren?)

Oder ist diese Geschichte evtl. sogar ein Hinweis darauf, dass das Universum unendlich sein müsste?


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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von positronium » 23. Feb 2016, 13:29

Meiner Vorstellung nach ist das so: Nach dem Urknall hat die Gravitationskraft eines jeden Teilchens nicht alle anderen Teilchen erreicht. D.h. man kann nicht für jedes Teilchen bis ins Unendliche ein 1/r-Potential annehmen, sondern nur so weit, wie die Kraft mit c kommen konnte. Dahinter befindet sich dann ein Potentialwert von 0. Diese Potentialstufe treibt das Universum auseinander.

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von seeker » 23. Feb 2016, 14:08

Jedes Teilchen "sieht" gravitativ mindestens sein Nachbarteilchen (tatsächlich mit Sicherheit viel viel weiter), also "sieht" immerhin indirekt jedes Teilchen im Universum jedes andere.
Schon das sollte m. E. für einen Gravitationskollaps ausreichen.

Salopp: Was bläst den Luftballon weiter auf, wenn er doch gravitativ unter 'Oberflächen-Spannung' steht, sich zusammenziehen 'will'?

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von positronium » 23. Feb 2016, 15:12

seeker hat geschrieben:Jedes Teilchen "sieht" gravitativ mindestens sein Nachbarteilchen (tatsächlich mit Sicherheit viel viel weiter), also "sieht" immerhin indirekt jedes Teilchen im Universum jedes andere.
Das sehe ich anders. Nehmen wir beispielhaft Teilchen in einer Dimension, und nehmen an, dass beim bzw. unmittelbar nach dem Urknall jedes Teilchen T links und rechts sein erstes Nachbarteilchen "fühlt", also in dessen Gravitationspotential liegt. Das bedeutet, dass das jeweils übernächste Teilchen keine potentielle Energie relativ zu T besitzt.
Es zieht dann zwar T die Teilchen T-1 und T+1 an, aber es müsste Energie aufgewandt werden, damit T-2 und T+2 ins Potential von T gehoben werden. - Das ist eine Gegenkraft.
Diese Gegenkraft (eigentlich fehlende Energie) treibt das Universum auseinander, weil sich diese Potentialstufe, im Lauf der Zeit von T entfernt.

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von gravi » 23. Feb 2016, 19:17

Ich mache da mal einen ganz saloppen Vorschlag: Das Beispiel mit dem Luftballon ist ja nicht schlecht, aber hier steckt das "Mini- Universum" in einer Pelle, die sich zusammen ziehen will. D.h., die Materie da drin (hier die Luftmoleküle) kann sich gar nicht ausdehnen, so lange jedenfalls nicht, wie der Ballon seine Größe beibehält.

Nehme ich aber einfach mal die Hülle weg. Dazu befinden wir uns irgendwo im Vakuum des Universums und haben einen Topf mit Luft vor uns. Nehmen wir nun den Deckel ab, entweicht die Luft und die Gasteilchen streben so weit auseinander wie sie nur können. Sie verdünnen sich bis ins Unendliche. Hier ist es wohl einfach nur der Gasdruck, der die Teilchen auseinander treibt. Ihre Gravitation jedenfalls bringt sie nicht wieder zusammen, denn die ist ja viel geringer als der Gasdruck.

Warum eigentlich sollte es beim Urknall anders gewesen sein? Dieses winzige, ultradichte Etwas muss doch unter einem ganz gewaltigen Druck gestanden haben, der alles einfach expandieren lässt. Wobei nicht auszuschließen ist, dass es gelegentlich zu Verklumpungen (Galaxien) kommen kann.

Das ist zwar ziemlich naiv beschrieben, Physiker werden das sicher anders sehen. Und die Inflation lässt sich damit auch nicht erklären - falls es sie überhaupt gab. Es soll ja auch nur ein ganz simples Modell sein...

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von seeker » 23. Feb 2016, 22:21

Sorry, das überzeugt mich nicht recht, Leute.
positronium hat geschrieben:Nehmen wir beispielhaft Teilchen in einer Dimension, und nehmen an, dass beim bzw. unmittelbar nach dem Urknall jedes Teilchen T links und rechts sein erstes Nachbarteilchen "fühlt", also in dessen Gravitationspotential liegt. Das bedeutet, dass das jeweils übernächste Teilchen keine potentielle Energie relativ zu T besitzt.
Es zieht dann zwar T die Teilchen T-1 und T+1 an, aber es müsste Energie aufgewandt werden, damit T-2 und T+2 ins Potential von T gehoben werden. - Das ist eine Gegenkraft.
Diese Gegenkraft (eigentlich fehlende Energie) treibt das Universum auseinander, weil sich diese Potentialstufe, im Lauf der Zeit von T entfernt.
Im Urknall selbst muss ja alles zusammen gewesen sein, quasi in einem Punkt (im Fall "endliches Universum"), woher sollte also der gravitative Kontaktverlust herkommen? Klar, du kannst jetzt sagen: Durch die überlichtschnelle Inflationsphase kurz nach dem Urknall! OK. Aber die Argumentation verstehe ich dennoch noch nicht, warum daraus eine nachfolgende, weitere Raumexpansion erfolgen sollte? Schließlich zieht ja jedes Teilchen sein Nachbarteilchen an und das wieder sein Nachbarteilchen, usw.
Das Potential von jedem T ist zunächst einmal negativ und auch falls T3 von T1 nichts "sieht", so sehen doch beide T2 und zerren an ihm. Das sollte dann auch zur Folge haben, dass sich beide T1 und T3 an T2 annähern und damit auch, dass sich T1 an T3 annähert, usw.
(Wenn wir statt der gravitativen WW die Impuls-WW per Teilchenstöße betrachten haben wir quasi auch einen Kontaktverlust, weil weit entfernte Teilchen nie miteinander stoßen. Ein normales Gas im ansonsten leeren Raum wird davon auch nicht gehindert dennoch einen globalen Gesamtdruck zu haben und sich dennoch auszudehnen.)

Ergo: Es entsteht insgesamt eine Art globaler gravitativer Spannung, die alle Masse zueinanderzieht. Entweder kontrahiert nun auch der Raum oder der Raum bleibt wie er ist und es entsteht ein Asymmetrie in der Verteilung der Materie IM Raum. Ich meine, dass die ART sagt, dass in dem Fall der selbst Raum kontrahiert, aber vielleicht irre ich mich auch?

Jedenfalls:
Einstein hatte damals in seine Feldgleichungen nicht ohne Grund die Kosmologische Konstante eingeführt:
Der Grund war der, dass er ein statisches Universum modellieren wollte und dass ein solches ohne kosmologische Konstante kontrahieren würde.

Zwischen dem damals angenommenen Steady-State-Universum und dem Universum, von dem wir heute ausgehen, sehe ich einen wichtigen Unterschied: Druck/Strahlungsdruck, Impulsstromdichte, ...
Diese sind aber auch alle Quellen der Gravitation. Wenn ihr mir jetzt sagt, dass Druck Quelle negativer Gravitation wäre, dann würde das Sinn machen.
Aber so ist es nicht - oder?

gravi ich sprach im zweiten Fall, der mich verwirrt, von einem in sich geschlossenen, endlichen Raum.

Deshalb funktioniert das in diesem Fall nicht:
gravi hat geschrieben:Nehme ich aber einfach mal die Hülle weg. Dazu befinden wir uns irgendwo im Vakuum des Universums und haben einen Topf mit Luft vor uns. Nehmen wir nun den Deckel ab, entweicht die Luft und die Gasteilchen streben so weit auseinander wie sie nur können. Sie verdünnen sich bis ins Unendliche. Hier ist es wohl einfach nur der Gasdruck, der die Teilchen auseinander treibt. Ihre Gravitation jedenfalls bringt sie nicht wieder zusammen, denn die ist ja viel geringer als der Gasdruck.
Es gibt hier keinen Ort, an den die Gasteilchen hin können, denn sie sind ja schon überall, wo Raum ist - und zwar zunächst mehr oder weniger gleichverteilt.
Es gibt hier nur eine Möglichkeit, dass der Druck abnimmt, die Teilchen größere Abstände voneinander gewinnen können: Der Raum selbst muss wachsen!
Aber warum sollte er? Warum kontrahiert er nicht? Gibt das die ART her, dass er hier expandieren muss oder nicht? DAS verstehe/weiß ich nicht.
gravi hat geschrieben:Warum eigentlich sollte es beim Urknall anders gewesen sein? Dieses winzige, ultradichte Etwas muss doch unter einem ganz gewaltigen Druck gestanden haben, der alles einfach expandieren lässt.
Beim Urknall kann es eben nicht so gewesen sein, wie bei einer Explosion IN einem leeren Raum. Wir haben hier einen vollen Raum. Das ist mein Problem: Lässt Druck IM Raum den Raum selbst expandieren oder nicht?


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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von Skeltek » 24. Feb 2016, 01:46

Möglicherweise sorgt die Ausbreitung der Gravitation für die Expansion.
Dekohärenz ist eng damit verbunden, wieviele Teilchen gleichzeitig miteinander wechselwirken müssen (Quantenverschränkung ist nicht nur bei einem Teilchen paar sondern auch bei mehr Teilchen möglich).
Und wie man weiss hemmen Entropie und Wechselwirkungen die Zeitprogression:
Umso öfter hintereinander gemessen wird, umso unwahrscheinlicher ist der Wechsel in einen anderen Eigenzustand.
Deshalb ist es völlig normal, dass Zeit langsamer vergeht, umso mehr Teilchen sich auf der Pelle hocken oder miteinander wechselwirkenmüssen.
Deshalb spinne ich hier mal Salopp vor mich hin und sage:
1. Gravitation breitet sich aus, Teilchen muss mit immer mehr Zeug wechselwirken
2. Zeit wird ausgebremst
3. Photonen werden rotverschoben wahrgenommen wegen der Zeitdilatation ^^

Ich finde es toll interessante kreative und völlig schwachsinnige Ideen zu haben :-)
Übrigens gibt es genau genommen keine Unterscheidung zwischen Aktion und Reaktio; zwei Billiardkugeln "weiss" und "8" im Weltraum welche sich gegeseitig rammen:
"weiss": du standest in meiner Flugbahn.
"8": Nein, du standest in meiner Flugbahn!

Ich denke ein schwerwiegendes Problem ist auch, dass -selbst wenn man die Zusammenhänge kennen würde- man nicht definitiv wissen kann ob Gravitation und Expansion miteinander kausal zusammen hängen. Und selbst wenn, wüsste man nicht, welches was verursacht...

@seeker:
Distanz ist eine Vergleichsgröße. Wie unbestreitbar hälst du die Ansicht, dass das Differential im Bruch als gazes zu suchen ist, statt im Nenner oder Zähler?
Geh mal das Gedankenexperiment selbst durch, wie man Distanz genau definiert und was wir über die Veränderung überhaupt definietiv aussagen können.
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von positronium » 24. Feb 2016, 11:38

seeker hat geschrieben:Im Urknall selbst muss ja alles zusammen gewesen sein, quasi in einem Punkt (im Fall "endliches Universum"), ...
Ich wüsste nicht, wie das der Fall gewesen sein könnte. Egal wie das Universum entstanden ist, hat die QM bereits im allerersten Moment seiner Existenz eine Rolle gespielt. Das Universum kann also nicht aus einer Singularität der ART gekommen sein, sondern bereits beim Urknall musste von jetzt auf gleich jedes Teilchen eine Unschärfe aufweisen - jedes war ausgedehnt. Gleichzeitig hatte aber die Gravitationskraft mit c noch nicht die Möglichkeit, von jedem Punkt der Verteilung eines jeden Teilchens jeden Punkt der Verteilung eines jeden anderen Teilchens zu erreichen.
seeker hat geschrieben:Aber die Argumentation verstehe ich dennoch noch nicht, warum daraus eine nachfolgende, weitere Raumexpansion erfolgen sollte? Schließlich zieht ja jedes Teilchen sein Nachbarteilchen an und das wieder sein Nachbarteilchen, usw.
Ja, aber es gibt eine Gegen"kraft". Wenn nämlich die Gravitation eines jeden Teilchens beim Urknall nicht bereits überall vorhanden ist, gibt es keine Möglichkeit mehr, im Unendlichen das Gravitationspotential gleich Null zu setzen.
Deshalb darf nicht Newtons Gravitationspotential gelten, das auf die Null im Unendlichen angewiesen ist:
newton.png
newton.png (6.49 KiB) 9214 mal betrachtet
Sondern das von diesem positronium :wink: :
positronium.gif
positronium.gif (46.35 KiB) 9214 mal betrachtet
Die zeitliche Entwicklung zeigt, dass nur Teilchen die sich in dem Bereich befinden, wo die Kurve ungleich Null ist, potentielle Energie besitzen, und angezogen werden; die ausserhalb müssten erst Energie aufwenden, um sich auf die Höhe des Potentials zu heben. Wenn sie diese nicht haben, werden sie weg geschoben.
D.h. für jedes Teilchen gilt: Es zieht die Teilchen an, die in seinem Potential liegen, und schiebt die weg, die ausserhalb liegen. Man hat aber insgesamt ein gewichtetes Wechselspiel aus Anziehung und Abstossung. Ein Energiemangel führt also zur Expansion des Universums.
Ich will das nicht wie saueres Bier anbieten, oder gar den Mitgliedern hier damit auf den Nerv gehen, und muss auch dazu schreiben, dass das nur eine ganz grobe Rechnung ist, weil das gar nicht so einfach zu berechnen ist, wie man (ich) im ersten Moment dachte, aber in der Datei www ganz am Ende (Anhang E.4) habe ich das abgeschätzt.

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von seeker » 24. Feb 2016, 13:56

Hmm, schon interessant, ich denke darüber nach...

Aber ich glaube, du setzt den Nullpunkt falsch (der ist m. E. oben auf der Linie, nicht unten) und außerdem ist die Ausbreitung der gravitativen Wirkung ebenfalls von der Expansion betroffen, genauso wie Lichtwellen ja auch.
Und im Urknall selbst -wie es auch immer war- können wir keinesfalls von Einzelteilchen sprechen, eher von einer unscharfen Suppe, die äußerst niederentropisch war. Ich denke nicht, dass wir dort von gravitativ getrennten Teilchen ausgehen sollten.

Wie auch immer... ich möchte die Sachlage im Moment erst einmal im Rahmen des Standardmodells, heißt im Rahmen der ART verstehen.
Ich meine, man hörte doch jahrzehntelang, dass das Universum expandiert und dass es von der darin enthaltenen Masse-/Energiedichte abhängt, ob es das ewig tun wird oder ob es irgendwann wieder kontrahiert (also alles noch ohne DE, usw.).
Dann habe ich auch schon Aussagen von Wissenschaftlern gehört, dass, wenn das Universum am Anfang mehr Masse/Energie enthalten hätte als es hat, dass dann alles auseinendergeflogen wäre, dass es dann wegen der dann höheren Expansionsrate nicht zur Galaxienbildung/Verklumpung gekommen wäre, usw.
Also muss die Standard-ART doch etwas dazu zu sagen haben, warum und wann ein Universum expandiert, wann kontrahiert, das man auch ausrechnen kann - oder doch nicht??

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von positronium » 24. Feb 2016, 14:58

seeker hat geschrieben:Aber ich glaube, du setzt den Nullpunkt falsch (der ist m. E. oben auf der Linie, nicht unten)...
Das würde nicht funktionieren, denn dann würden Teilchen im Potential beschleunigt, nur weil sich die Gravitation andernorts ausbreitet. Aber egal, wenn Du Dich auf das Standardmodell konzentrieren willst.
seeker hat geschrieben:... und außerdem ist die Ausbreitung der gravitativen Wirkung ebenfalls von der Expansion betroffen, genauso wie Lichtwellen ja auch.
Lichtwellen sind Teilchenströme im Raum, nicht der Raum selbst...
seeker hat geschrieben:Und im Urknall selbst -wie es auch immer war- können wir keinesfalls von Einzelteilchen sprechen, eher von einer unscharfen Suppe, die äußerst niederentropisch war. Ich denke nicht, dass wir dort von gravitativ getrennten Teilchen ausgehen sollten.
Das kann ich nicht nachvollziehen bzw. den Zusammenhang nicht erkennen. Von punktförmigen Teilchen kann man auch beim Standardmodell nicht sprechen. Es ist natürlich immer eine unübersichtliche Überlagerung grosser Mengen an Teilchen.
seeker hat geschrieben:Wie auch immer... ich möchte die Sachlage im Moment erst einmal im Rahmen des Standardmodells, heißt im Rahmen der ART verstehen.
Ich meine, man hörte doch jahrzehntelang, dass das Universum expandiert und dass es von der darin enthaltenen Masse-/Energiedichte abhängt, ...
Die Expansion hängt davon ab, ja. Das heisst aber nicht, dass das Universum wegen der enthaltenen Energiedichte expandiert, sondern dass es dadurch beeinflusst wird - die Energiedichte bestimmt, wie stark die Expansion gehemmt wird.
seeker hat geschrieben:Also muss die Standard-ART doch etwas dazu zu sagen haben, warum und wann ein Universum expandiert, wann kontrahiert, das man auch ausrechnen kann - oder doch nicht??
Naja. So weit ich weiss, nur: Energiedichte + Lambda. Das ist in der Form unbefriedigend. Aber die Physiker hier wissen vielleicht mehr?

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von seeker » 24. Feb 2016, 15:49

positronium hat geschrieben:Lichtwellen sind Teilchenströme im Raum, nicht der Raum selbst...
Das ist egal. Du kannst so etwas, was du dir vorstellst, auch als Gravitationswelle auffassen und die werden auch durch die Expansion gedehnt und breiten sich ebenso lokal gesehen mit c aus.
Ebenso verlässt auch eine Gravitationswelle ein SL nicht... d.h. ich sehe hier keine relevanten Unterschiede zu EM.

Aber zurück zum Standardmodell:
positronium hat geschrieben:Die Expansion hängt davon ab, ja. Das heisst aber nicht, dass das Universum wegen der enthaltenen Energiedichte expandiert, sondern dass es dadurch beeinflusst wird - die Energiedichte bestimmt, wie stark die Expansion gehemmt wird.
Das ist auch mein Kenntnisstand.
positronium hat geschrieben:Naja. So weit ich weiss, nur: Energiedichte + Lambda. Das ist in der Form unbefriedigend. Aber die Physiker hier wissen vielleicht mehr?
Darauf hoffe ich auch.
Ansonsten:
Heißt die ganze Geschichte vielleicht, dass wir zwar eine Expansion empirisch messen, diese der ART auch nicht widerspricht, die jedoch durch die ART gar nicht begründet werden kann? Heißt das, dass wir schon bei ganz normaler Expansion (also ohne Beschleunigung a la DE, etc.) eigentlich schon vor einem nicht durch die ART herleitbaren/vorhersagbaren Phänomen stehen??

Es bleibt mir im Moment noch ein Gedanke:

Wenn man die Zeitrichtung umkehrt (das darf man, weil die Gleichungen zeitsymmetrisch sind), was passiert dann?
Also: Ich erschaffe in einem Gedankenexperiment aus dem Nichts ein Universum, das so ausschaut, wie unseres heute, nur mit dem Unterschied, dass es dort keine DE gibt / Kosmologische Konstante = 0) und dass ich es in der Erschaffung statisch erscheinen lasse (die Galaxien sollen also zu t=0 auf kosmologischer Skala relativ zueinander ruhend sein).
Was passiert dann, wie entwickelt sich dieses Universum?
Die Massen werden sich natürlich anziehen und daher anfangen aufeinender zuzufliegen, aber wird dadurch auch der Raum global beeinflusst? Wird der Raum dieses Universums also kontrahieren oder nicht - und falls ja: kann man diese Kontraktion klar aus der ART ableiten oder nicht?

Wieder bitte für die zwei Fälle
1. räumlich unendlich ausgedehntes, flaches Universum
und
2. räumlich endliches, in sich geschlossenes kugel-sphärisches Universum.

Gibt es hier laut ART notwendig prinzipielle Unterschiede zu der Betrachtung über Newton (in dem Punkt, der hier interessiert) oder nicht?

Gruß
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von positronium » 24. Feb 2016, 16:07

seeker hat geschrieben:Heißt die ganze Geschichte vielleicht, dass wir zwar eine Expansion empirisch messen, diese der ART auch nicht widerspricht, die jedoch durch die ART gar nicht begründet werden kann?
Ich denke, so ist es. Warum sollte man sonst die DE postulieren...
seeker hat geschrieben:Heißt das, dass wir schon bei ganz normaler Expansion (also ohne Beschleunigung a la DE, etc.) eigentlich schon vor einem nicht durch die ART herleitbaren/vorhersagbaren Phänomen stehen??
Jetzt verunsicherst Du mich: Gibt es Raumexpansion ohne DE=Lambda?
seeker hat geschrieben:Was passiert dann, wie entwickelt sich dieses Universum?
Die Massen werden sich natürlich anziehen und daher anfangen aufeinender zuzufliegen, aber wird dadurch auch der Raum global beeinflusst? Wird der Raum dieses Universums also kontrahieren oder nicht - und falls ja: kann man diese Kontraktion klar aus der ART ableiten oder nicht?
Ich vermute, dass es dann keinen Grund für Kontraktion oder Expansion des Raumes gibt, nur Bewegung im Raum. Aber wie erwähnt, habe ich mich mit der ART für verlässliche Aussagen noch nicht halbwegs ausreichend befasst. :(

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von gravi » 24. Feb 2016, 19:18

Ohne DE dürfte es das Universum doch eigentlich gar nicht geben...

Ich gehe einfach mal vom Anfangszustand aus: Ein winziges Etwas, das nur aus Strahlung besteht (so war es ja wohl einst). Da auch Strahlung Gravitation verursacht, sollte sie so gewaltig gewesen sein, dass dieses Ding erst gar nicht expandieren dürfte!
Dennoch muss es eine Kraft gegeben haben, die als Ursache der Expansion steht. Vielleicht sogar der ursprüngliche Strahlungsdruck (der ja heute bekanntlich noch die Sternzentren stabilisiert), der bereits größer als die Eigengravitation war. Auf jeden Fall muss sich aber doch irgendwie die DE = Lambda entwickelt haben - aufgrund der heutigen Beschleunigung. Alles etwas rätselhaft...

Gruß
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von Skeltek » 24. Feb 2016, 23:21

Wieso geht ihr davon aus, dass beim Urknall eine Kraft alles voneinander weg gedrückt/beschleunigt haben muss? Die Annahme, zum Zeitpunkt des Urknalls wäre Strahlungsdruck oder ähnliches notwendig gewesen um alles auseinander zu treiben, ist völlig fehl am Platze. Es zeugt von der irrtümlichen Annahme, dass der Anfangszustand des Universums von einer Art Nullniveau oder Kräftegleichgewicht ausgehen müsste, was Impuls usw angeht.
Der Initialwert von irgendetwas muss größer gewesen sein, damit es überhaupt einen Urkall hat geben können - ansonsten muss man nicht zwangsläufig davon ausgehen, dass das Überwinden der initialen Gravitation einen nach Außen gerichteten Kräfteüberschuss hat haben müssen.

Mathematisch ist Raumexpansion gleichsetzbar mit einer globalen Zeitdilatation aller Masse-behafteter Teilchen, der globalen Abnahme der Wirkradien aller Grundkräfte (effektiv eine Verkleinerung Masse-behafteter Objekte) oder der Vergrößerung aller Strecken.

Was euch übrigens zu schaffen machen sollte ist: Photonen haben eine Wellenlänge, welche die zur Ausbreitungsrichtung maximalen vertikalen Maße angeben. Das Photon hat in Flugrichtung keine Ausdehnung. Die Wegstrecke in Flugrichtung welche eine Periode ausmacht repräsentiert lediglich die zeitliche Länge des 360° Phasenwinkels.
Anders erklärt: Photonen der Wellenlänge 1m, haben eine zur Flugrichtung vertikale maximale Ausdehnung von 1m. Nach 1 Meter zurück gelegter Strecke ist lediglich ein Zyklus beendet und das Photon ist wieder im selben Zustand.
Das Photon hat also in Flugrichtung zu keinem Zeitpunkt eine Ausdehnung.

Das löst auch den Widerspruch einiger Mittelstufen-Schüler auf, weshalb "das Heck" beschleunigte Photonen beim kurzwelliger-Werden "nach vorne zur Photonenfront rückt". Würde sich das Heck des Photons mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen oder die Front mit Unterlichtgeschwindigkeit, würde das nur viele logische Widersprüche induzieren.
Es spricht daher vieles dagegen, dass Photonen überhaupt eine Ausdehnung in Ausbreitungsrichtung haben.

Die Modelhafte Vorstellung, welche man in den Anfängen der "neuen Physik" im Rahmen der Wellentheorie auf die Rotverschiebung durch Raumexpansion entwickelt hat, ruht daher genau genommen auf einer falschen Annahme (Dehnung der benötigten Zeit für eine Schwingung "in Expansionsrichtung" ist nämlich nicht die Ursache sondern eine Folge der Rotverschiebung). Das einzige was bleibt ist die Planck-Konstante, welche aber eigentlich rein gar nichts untermauerndes zur geometrisch falsch begründeten Theorie der Raumexpansion beiträgt.
Die Parität von Photonen ist -1, es handelt sich geometrisch um ein 2-dimenionales Objekt (Ausdehnung nur vertikal zur Bewegungsrichtung).

Das sollte man berücksichtigen, wenn man die Auswirkung von Strahlungsdruck bei relativistischen Zuständen betrachtet.
Bei der Interpretation der Expansions-bedingten Rotverschiebung sollte man wie schon gesagt auch beachten, dass es sich dabei um eine Vergrößerung der zur Flugrichtung vertikalen Aplitude handelt und die Verlängerung der für eine volle Schwingung benötigten Strecke lediglich eine Folge dessen und nicht dessen Ursache ist.
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  • Widersprüchlich - Dieser Satz ist falsch.

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von seeker » 25. Feb 2016, 00:42

positronium hat geschrieben:Warum sollte man sonst die DE postulieren...
gravi hat geschrieben:Ohne DE dürfte es das Universum doch eigentlich gar nicht geben...
Leute, die DE wurde erst 1998 postuliert, zur Erklärung der beschleunigten Expansion.
Zur Erklärung einer abnehmenden Expansion durch Gravitation (also zur Erklärung, dass es überhaupt eine Expansion gibt) hat man sie dann doch wohl bis 1998 noch nicht gebraucht...

@Skeltek:
Können wir bitte ausnahmsweise mal zuerst zusammen versuchen die Sachlage laut "Standardfolklore" zu erfassen, bevor wir eigene Theorien aufstellen, nur einmal?

Und EM-Wellen haben natürlich durchaus eine Ausdehnung, eine längs und eine senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung (sind ja schließlich Transversalwellen, du darfst hier nicht einfach nur ausschließlich das Teilchenbild betrachten), wie man leicht nachweisen kann. Z.B. würden andernfalls die Mikrowellenn im Mikrowellenherd nicht durch das Lochgitter an der Tür aufgehalten werden.
Sie kommen deshalb dort nicht durch, weil ihre Wellenlänge mit ca. 12 cm dafür viel zu groß ist (das macht dann eine extreme Dämpfung), würde man die Löcher an der MW-Tür auf ein paar cm aufbohren, sähe es anders aus und man bekäme dann einige Watt ins Gesicht.
Polfilter würden auch nicht funktionieren, wenn Licht 1- oder gar 0-dimensional wäre, etc.

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von Skeltek » 25. Feb 2016, 04:47

seeker hat geschrieben: Und EM-Wellen haben natürlich durchaus eine Ausdehnung, eine längs und eine senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung (sind ja schließlich Transversalwellen, du darfst hier nicht einfach nur ausschließlich das Teilchenbild betrachten), wie man leicht nachweisen kann.
Ja, genau das habe ich ja gesagt. Es ging mir nur darum, dass die Ausdehnung in Ausbreitungsrichtung nicht bekannt ist.
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von tomS » 26. Feb 2016, 07:07

Die Expansion des Universums war bereits Einstein als mögliche Lösung seiner Feldgleichungen der ART bekannt. Die Lösungen werden unter dem Begriff Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker-Metrik zusammengefasst. Dies folgt aus der Dynamik der Raumzeit plus Materie und Strahlung.

M.W.n. gab es auch vor 1998 keine großen Probleme, die Beobachtungen damit in Übereinstimmung zu bringen.

Die erste Epoche einer beschleunigten, exponentiellen Expansion wird durch die Inflation beschrieben. Diese folgt im Rahmen verschiedener Modelle aus der Dynamik der Raumzeit plus (hypothetischem) Inflatonfeld oder äquivalenten Mechanismen.

Die beschleunigte Expansion auf kosmologischen Skalen, die 1998 nachgewiesen wurde, folgt ausschließlich aus der Dynamik der Raumzeit, wenn man eine kosmologische Konstante ansetzt. Dies ist im Rahmen einiger Modelle der Quantengravitation durchaus plausibel. Eine allgemeinere Theorie einer Dunklen Energie als zusätzliches Feld ist möglich, jedoch phänomenologisch nicht notwendig, da eine kosmologische Konstante alleine im Kontext der ART die Beobachtungen vollständig erklären kann.
Gruß
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von positronium » 26. Feb 2016, 13:40

Skeltek hat geschrieben:Was euch übrigens zu schaffen machen sollte ist: Photonen haben eine Wellenlänge, welche die zur Ausbreitungsrichtung maximalen vertikalen Maße angeben. Das Photon hat in Flugrichtung keine Ausdehnung. Die Wegstrecke in Flugrichtung welche eine Periode ausmacht repräsentiert lediglich die zeitliche Länge des 360° Phasenwinkels.
Anders erklärt: Photonen der Wellenlänge 1m, haben eine zur Flugrichtung vertikale maximale Ausdehnung von 1m. Nach 1 Meter zurück gelegter Strecke ist lediglich ein Zyklus beendet und das Photon ist wieder im selben Zustand.
Das Photon hat also in Flugrichtung zu keinem Zeitpunkt eine Ausdehnung.
Was Du schreibst, ist problematisch. Das könnte nur dann sein, wenn Du das quantenmechanische Objekt Photon aufteilst, in: das Teilchen Photon plus seine Wellenfunktion. Im Rahmen der QM hat aber ein Photon, zumindest aber sein Zustand sowohl mathematisch als auch experimentell in alle drei Dimensionen eine Ausdehnung. - Das Doppelspaltexperiment ist der Beweis dafür; der Streckenunterschied abseits der Mitte des Schirms zeigt, dass das Photon mit sich selbst an verschiedenen Entfernungen in Bewegungsrichtung interferieren kann.

seeker hat geschrieben:Können wir bitte ausnahmsweise mal zuerst zusammen versuchen die Sachlage laut "Standardfolklore" zu erfassen, bevor wir eigene Theorien aufstellen, nur einmal?
Ich habe mich nur deshalb dazu hinreissen lassen, weil meines Wissens nach keine Erklärung existiert.

tomS hat geschrieben:Eine allgemeinere Theorie einer Dunklen Energie als zusätzliches Feld ist möglich, jedoch phänomenologisch nicht notwendig, da eine kosmologische Konstante alleine im Kontext der ART die Beobachtungen vollständig erklären kann.
Meinst Du wirklich "erklären", oder doch nur "beschreiben"? Oder gibt es eine Herleitung für die kosmologische Konstante?

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von tomS » 26. Feb 2016, 19:44

Ich meine exakt so erklären wie auch für die Gravitation gem. ART ohne kosmologische Konstante.

Im Rahmen der Quantengravitation und der Renormierungsgruppentheorie tragen prinzipiell beliebig viele Terme höherer Ordnung zur Wirkung der ART bei, d.h. über die Einstein-Hilbert-Wirkung hinaus. Jeder Term enthält eune Kopplungskonstante: die Gravitationskonstante G, die kosmologische Konstante Lambda, ... Die Werte dieser "Konstanten" sind energieabhängig; im Niederenergiebereich liegen wohl nur zwei nicht-verschwindende "Konstanten" vor (die beiden o.g.), im Hochenergiebereich potentiell unendlich viele.

Denkt man sich den (unendlichdimensionalen) Raum aller Kopplungskonstanten von einem Vektorfeld (= Fluss) ausgefüllt, so repräsentiert jede einzelne Flusslinie eine mögliche Theorie; ein Punkt auf einer Flusslinie repräsentiert diese Theorie bei einer bestimmten Energieskala. Numerische Rechnungen liefern einen Hinweis (keinen Beweis), dass der Niederenergiebereich (mit den bekannten Werten für G und Lambda) durch eine Flusslinie mit einem Punkt bei unendlicher Energie verbunden ist, an dem wiederum nur endlich viele "Konstanten" mit einem jeweils endlichen Wert beitragen. Dies ist die sogenannte "asymptotic safety", eine Verallgemeinerung des "asymptotic freedom", wobei hier in der QCD nur eine "Konstante" beiträgt, die bei unendlicher Energie Null wird. In diesem Sinne ist diese Formulierung der QG nicht-störungstheoretisch renormierbar.

Die kosmologische Konstante Lambda ist halt eine zweite, von Null verschiedene Konstante, so wie G. Den Wert kann man nicht vorhersagen (den für G aber auch nicht).
Gruß
Tom

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von Skeltek » 26. Feb 2016, 19:48

positronium hat geschrieben: Das Doppelspaltexperiment ist der Beweis dafür; der Streckenunterschied abseits der Mitte des Schirms zeigt, dass das Photon mit sich selbst an verschiedenen Entfernungen in Bewegungsrichtung interferieren kann.
Darauf können wir gerne mal in einem extra Thread eingehen, hier wird das zu off-topic.
Deiner Beschreibung nach müsste das Photon eine praktisch unendliche progradiale Ausdehung haben. Der Spalt-Abstand des Doppelspaltes kann ja ein beliebiges Vielfaches der Wellenlänge sein.
Das würde implizieren, dass dasselbe Photon zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten versendet wurde oder die Dauer der Emission beliebig lang sein kann (auch wenn die Wahrscheinlichkeit für eine Absorbtion weit ausserhalb der Mitte immer kleiner wird). Koingt für mich eher unwahrscheinlich.
Vielleicht könnte ein Moderator die letzten Posts diesbezüglich in einen separaten Thread schieben?
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von positronium » 26. Feb 2016, 22:17

tomS hat geschrieben:Denkt man sich den (unendlichdimensionalen) Raum aller Kopplungskonstanten von einem Vektorfeld (= Fluss) ausgefüllt, so repräsentiert jede einzelne Flusslinie eine mögliche Theorie; ein Punkt auf einer Flusslinie repräsentiert diese Theorie bei einer bestimmten Energieskala. Numerische Rechnungen liefern einen Hinweis (keinen Beweis), dass der Niederenergiebereich (mit den bekannten Werten für G und Lambda) durch eine Flusslinie mit einem Punkt bei unendlicher Energie verbunden ist, an dem wiederum nur endlich viele "Konstanten" mit einem jeweils endlichen Wert beitragen. Dies ist die sogenannte "asymptotic safety", eine Verallgemeinerung des "asymptotic freedom", wobei hier in der QCD nur eine "Konstante" beiträgt, die bei unendlicher Energie Null wird. In diesem Sinne ist diese Formulierung der QG nicht-störungstheoretisch renormierbar.
Danke, das ist interessant!
Verstehe ich das richtig, dass sich unser Universum von einer "einfachen" mathematischen Struktur, direkt am Urknall, über eine möglicherweise höchstkomplizierte hin zu der heute auf andere Weise "einfachen" entwickelt hat?
Das würde ja sogar implizieren, dass es eine (vielleicht nur kurze) Phase gegeben haben könnte, während der es noch ganz andere Grundkräfte gegeben hat, richtig? Oder sollte man besser genau aufpassen, und sich überlegen, ob das nicht nur eine äusserst flexible Beschreibung ist, in der halt unser Universum Platz findet - vielleicht so etwas wie eine hochkomplizierte Matrix, die man durch die richtige Transformation zu einer einfachen machen kann?

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von positronium » 26. Feb 2016, 22:46

Skeltek hat geschrieben:Deiner Beschreibung nach müsste das Photon eine praktisch unendliche progradiale Ausdehung haben.
Abgesehen davon, dass das Photon anders dargestellt wird (Vierer-Potential und Polarisationsvektor) handelt es sich beim Zustand des Teilchens um ein normales Wellenpaket. Von daher ist es richtig, theoretisch von einer unendlichen Ausdehnung zu sprechen - es gibt aber wohl mathematische Möglichkeiten der Einschränkung auf einen bestimmten Raumbereich, aber das dürfte nur etwas für Fortgeschrittene sein...
Skeltek hat geschrieben:Der Spalt-Abstand des Doppelspaltes kann ja ein beliebiges Vielfaches der Wellenlänge sein.
Es gibt etliche experimentelle Einschränkungen, aber damit habe ich mich nicht befasst.
Skeltek hat geschrieben:Das würde implizieren, dass dasselbe Photon zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten versendet wurde oder die Dauer der Emission beliebig lang sein kann (auch wenn die Wahrscheinlichkeit für eine Absorbtion weit ausserhalb der Mitte immer kleiner wird). Koingt für mich eher unwahrscheinlich.
Ich bin mir nicht sicher, vermute aber, dass die Form des Photonen-Wellenpakets bei Erzeugung des Photons stark von der Form der Wellenfunktion der emittierenden Teilchen abhängt. Es sind aber nach dem Standardmodell immer kontinuierliche Verteilungen, wobei man diese aber z.B. bei der Berechnung von Streuexperimenten fallen lassen kann. Eben aus diesen Verteilungen, die den Zustand und die Startbedingungen für die Differentialgleichungen bilden, ergeben sich in QM und natürlich auch QFT alle Interferenzeffekte.

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von seeker » 26. Feb 2016, 22:54

Hmm... ich denk noch nach.
Jedenfalls ist mir eingefallen, wenn man per ART kosmologische Betrachtungen über die Expansion anstellt, dann sollte man wohl vermeiden in Anziehungs- und Abstoßungskräften, etc. zu denken, primär zu fragen wo die herkommen, das ist sonst wohl ein Kategorienfehler.

Ich denke, man muss sich anschauen, was die Einsteingleichungen mit der Metrik anstellen. Wenn der Skalenfaktor der Metrik wächst , dann ist das primär, dann IST das die Expansion. Ob damit dann auch Begriffe wie Kraft, Energie, etc. verbunden sind, kommt glaube ich erst danach.

Also FLRW-Metrik, Friedmann-Gleichung usw. ...
https://de.wikipedia.org/wiki/Friedmann-Gleichung

Als "Agenten", die dem Skalenfaktor gegenüberstehen, finde ich die kosmologische Konstante Lambda, die Energiedichte und den Druck.
Die Vorzeichen der drei... ist das Konvention? Welcher Agent wirkt wann in welche Richtung beim Skalenfaktor?
Der Agent "Druck" verschwindet wohl jedenfalls praktisch dann, wenn ein Universum in seiner Entwicklung anfängt Materie zu bilden: Es ist dann nicht mehr strahlungsdominiert.

Kann man irgendwie über andere Größen herleiten, ob k=1, k=0 oder k=-1 für irgendein Universum gilt?
Kann man: k hängt von der Dichte ab und ob dabei die sog. kritische Dichte erreicht wird oder nicht.
Warum kann sich k nicht ändern? Was bedeutet "kritische Dichte" bei einem expandierenden Universum (müsste ja dann abnehmen)?

So ganz steige ich da noch nicht durch, bei dem, was ich wissen will.
Expansion scheint es aber zunächst (nach einem Big Bang) immer zu geben - und zwar, wenn mann so will, räumliche und zeitliche Expansion.
Und dann erinnert man sich wieder, dass man die Geschichte eh raumzeitlich anschauen muss...
Und bei der Zeitentwicklung kann man ja per Wahl der Zeitrichung wählen, ob ein Universum in Zustand X expandiert oder kontrahiert (da Gleichungen zeitsymmetrisch)...
Das macht die Sache für mich noch komplizierter. Mir scheint, die ART ist für sich alleine im Punkt Expansion 'nur' eine effektive Theorie.


@Skeltek: Mach einen eigenen Thread auf, dann schiebe ich gerne oder du/ihr macht paste copy, wie du/ihr möchtet.

Gruß
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von Skeltek » 27. Feb 2016, 04:47

seeker hat geschrieben: Jedenfalls ist mir eingefallen, wenn man per ART kosmologische Betrachtungen über die Expansion anstellt, dann sollte man wohl vermeiden in Anziehungs- und Abstoßungskräften, etc. zu denken, primär zu fragen wo die herkommen, das ist sonst wohl ein Kategorienfehler.

Ich denke, man muss sich anschauen, was die Einsteingleichungen mit der Metrik anstellen. Wenn der Skalenfaktor der Metrik wächst , dann ist das primär, dann IST das die Expansion. Ob damit dann auch Begriffe wie Kraft, Energie, etc. verbunden sind, kommt glaube ich erst danach.

[...]

Und dann erinnert man sich wieder, dass man die Geschichte eh raumzeitlich anschauen muss...
Muss in beidem oben voll zustimmen.
Soweit ich das früher immer verstanden habe, ist sind kosmologische Konstante, DM, DE usw schlicht Voraussetzung, um die beobachtete Phänomenologie in altbekannten Kategorien wie Kraft, Druck usw interpretieren zu können.
Was letztlich bleibt ist die Änderung des Skalenfaktors, und einhergehend die Interpretation seiner zugrunde liegenden "Mechanik" in altbewährten Begriffen.

* In dem Zusammenhang nicht zwangsläufig als Lehre von starren Körpern aufzufassen; wüsste nicht welches Wort in dem Zusammenhang das bessere wäre.
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von Timm » 27. Feb 2016, 15:45

seeker hat geschrieben: Kann man irgendwie über andere Größen herleiten, ob k=1, k=0 oder k=-1 für irgendein Universum gilt?
Kann man: k hängt von der Dichte ab und ob dabei die sog. kritische Dichte erreicht wird oder nicht.
Warum kann sich k nicht ändern? Was bedeutet "kritische Dichte" bei einem expandierenden Universum (müsste ja dann abnehmen)?
Im Rahmen der chaotischen Inflation, dieses Modell wird derzeit favorisiert, entsteht ein Universum mit einem durch die Anfangsparameter festgelegtem Wert für k. Es expandiert ggfs. sofort exponentiell (Inflation), dann gebremst (ä < 0) und seit ca. 5 Mrd Jahren beschleunigt (ä > 0).

Die Frage nach k ist eine gute. Salopp gesagt wird aus einem Luftballon kein Gummituch, mag sich die Dichte wie auch immer ändern. Die Topologie ändert sich nicht. Eine Änderung ginge mit Zerreißen einher. Die kritische Dichte ist ~ H². Die Dichte nimmt ab, solange das Universum expandiert und H aus diesem Grund ebenfalls.

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