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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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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von Gepakulix » 27. Feb 2016, 20:09

Ich konnte noch nie richtig nachvollziehen, weshalb man beim Phänomen "Expansion des Universums" das Wort "Expansion" verwendet.

Denn die Messungen zeigen zwar deutlich, dass das Universum heute viel grösser ist als beim Urknall. Aber das Wort "grösser" bezieht sich auf einen Längenvergleich, weil das der Definition vom Messen in der Physik entspricht.
Damit meine ich: wir koennen nur relative Aussagen machen, indem wir 2 Objekte miteinander vergleichen. Z.B. "Durchmesser Universum" relativ zu einem Massstab der Länge 1m.
In der ganzen Physik können wir aber keine absoluten Längenmessungen machen.

Wenn aber in einem System nur relative Aussagen gemacht werden können, dann sollte man ein Objekt als Referenz definieren.

Wir können also z.B.
- unseren Masstab mit 1m Länge als Referenz definieren. Mit dieser Definition expandierte das Universum seit dem Urknall.
- oder wir könnten auch den Durchmesser des Unversums als Referenz definieren (der deshalb seinen Wert nicht ändert). Entsprechend muessen dann alle inneren Strukturen (z.B. Atomdurchmesser, Masstab der Länge 1m) mit der Zeit kollabiert sein

Offenbar hat man sich entschieden, unseren Massstab mit 1m Länge als Referenz von Allem zu setzen, und das Universum muss sich danach richten.
Es erinnert mich irgendwo etwas an die Vorstellung im Mittelalter, wonach die Erde im Mittelpunkt von allem steht.

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von tomS » 28. Feb 2016, 07:16

Gepakulix, deine Kritik ist schlichtweg nicht zutreffend.

Natürlich können wir prinzipiell vernünftige Längenmessungen durchführen und ausgezeichnete Längenskalen einführen. Z.B. definieren die QED und die QCD ausgezeichnete Längen- und Energieskalen (Teilchenmassen, QCD-Lambda, Atom- und Hadrongrößen, ...).

Und es ist keineswegs so, dass sich alle Maßstäbe vergrößern. Insbs. liegt in gravitativ gebundenen Systemen keine Expansion vor.

Man kann z.B. die Lichtlaufzeitentfernung verwenden, und auch bzgl. dieser vergrößern sich die Abstände zwischen Galaxien. Man kann die Energiedichte betrachten, und diese verringert sich mit der Zeit. Das bedeutet, es liegt objektiv betrachtet Expansion vor, in dem Sinne, dass physikalisch messbare Längen auf anwachsen bzw. dass das Volumen zunimmt.

Die Längenskalen sind keineswegs willkürlich gewählt. Und die "Größe des Universums" ist keine vernünftige Skala.
Gruß
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von tomS » 28. Feb 2016, 08:45

positronium hat geschrieben: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?
Die numerischen Resultate besagen, dass nie eine kompliziertere Theoriestruktur vorlag, d.h. dass unabhängig von der Energieskala keine weiteren Kopplungen bzw. Terme beitragen. Die weiteren Terme haben einen Vorfaktor Null, der trotz Renormierung Null bleibt (man könnte erwarten, dass beliebige Werte auftreten).
positronium hat geschrieben: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?
Das hat nichts mit weiteren Grundkräften zu zu tun; es handelt sich ausschließlich um die ART. Diese lässt beliebige skalare Terme zu, z.B. 1, R, R2, RabRab, RabcdRabcd, R3, ... Einstein setzte ausschließlich der R-Term an, mit einem Vorfaktor, der die Newtonsche Gravitationskonstante G enthält; später führte noch den 1-Term ein, mit dem Vorfaktor Lambda; alle weiteren Terme werden üblicherweise nicht betrachtet, können jedoch theoretisch auftauchen [f(R), Lovelock, Gauss-Bonnet]. Dabei handelt es sich immer noch um reine metrische, tensorielle Gravitation ohne zusätzliche Felder (wobei einige dieser Terme mittels weiterer Hilfsfelder umgeschrieben werden können). Im Rahmen der Renormierung der Gravitation erwartet man, dass unendlich viele derartige Terme auftreten. Numerische Ergebnisse zeigen nun, dass es eine konsistente Theorie zu geben scheint, bei der über alle Energien nur die zwei ersten Terme tatsächlich beitragen.
Gruß
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von Gepakulix » 28. Feb 2016, 11:23

@tomS
Bei diesem Einwand kann es sich (aus meiner Sicht) nur um ein Missverständnis handeln.

Denn ich kann mir wirklich nicht vorstellen, dass unser Universum anders aussähe, wenn wir es in Zoll statt in Metern vermessen würden.
Die Physik ist nicht vom (völlig willkürlich) gewählten Masstab (Meter oder Zoll) abhängig.

Es gibt auch keine Moeglichkeit, aus den physiklaischen Beobachtungen einen einzig wahren Massstab abzuleiten. So wäre es dann auch recht unwahrscheinlich, dass der (im 18ten Jahrhundert definierte) "Meter" zufällig gerade der einzig richtigen Bezugsgrösse in unserem Universum entsprechen würde.


Das Universum wird sich auch nicht anders verhalten, wenn man den verwendeten Massstab als Funktion der Zeit definiert.
Dass wir Grössen wie "Längen und Zeit" nur relativ messen können, kommt eben von der Tatsache, dass die Einheiten dieser Grössen völlig willkürlich definiert wurden.
Man könnte den Meter auch als Mittelwert der Grösse aller Menschen in cm definieren. Dann würde halt das Universum in Zeiten einer Hungersnot noch etwas mehr "expandieren". Seine Physik würd sich aber nicht aendern.

Entsprechend sehe ich es sinnvoller, den Massstab am Durchmesser des Universums orientieren:
Man spräche dann nicht von Expansion des Universums, sondern von einem Kollabieren der inneren Strukturen. Die Physik wäre nicht tangiert.

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von positronium » 28. Feb 2016, 11:55

tomS hat geschrieben:Die numerischen Resultate besagen, dass nie eine kompliziertere Theoriestruktur vorlag, d.h. dass unabhängig von der Energieskala keine weiteren Kopplungen bzw. Terme beitragen. Die weiteren Terme haben einen Vorfaktor Null, der trotz Renormierung Null bleibt (man könnte erwarten, dass beliebige Werte auftreten).
Ach so. Jetzt habe ich es verstanden.
tomS hat geschrieben:...es handelt sich ausschließlich um die ART. Diese lässt beliebige skalare Terme zu, z.B. 1, R, R2, RabRab, RabcdRabcd, R3, ... Einstein setzte ausschließlich der R-Term an, mit einem Vorfaktor, der die Newtonsche Gravitationskonstante G enthält; später führte noch den 1-Term ein, mit dem Vorfaktor Lambda...
Was bedeutet das dann für die Quantengravitation? - Du hattest geschrieben:
tomS hat geschrieben:Im Rahmen der Quantengravitation und der Renormierungsgruppentheorie tragen prinzipiell beliebig viele Terme höherer Ordnung zur Wirkung der ART bei...
Führt die Quantisierung der ART zu unnötiger Komplexität?

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von seeker » 28. Feb 2016, 14:32

Man muss also die Expansion in die ART sozusagen "von außen" einfügen?
D.h. die ART vermag expandierende Universen zu beschreiben, wenn Expansion vorhanden ist, sie sagt uns bei gegebenen Randbedingungen auch die weitere Entwicklung der Universen voraus, aber sie sagt uns nicht den Grund, warum überhaupt Expansion da ist? Ist das richtig?

Zu Gepakulix Vorschlag "Nicht das Universum expandiert, sondern alles darin kontrahiert":
Ich habe früher auch nichts davon gehalten und einige Gegenargumente gebracht, inzwischen bin ich aber zu der Meinung gekommen, dass das tatsächlich eine mögliche alternative Sichtweise ist. (Ob dadurch irgendetwas einfacher zu beschreiben ist, ist eine andere Frage.)

Die Sache ist doch die:
Tatsächlich ist die Aussage "Das Universum expandiert!" ungenau.
Genauer muss es heißen: "Der Skalenfaktor vergrößert sich!"
Was bedeutet das?
Ich lege auf das Universum zu irgendeinem Zeitpunkt (z.B. "jetzt") eine Metrik (das ist so, wie wenn ich auf ein Blatt Papier Karos einer bestimmten Größe einzeichne), d.h. ich definiere eine Länge und nehme diese Länge mal dem Skalenfaktor a, den ich in meiner Gegenwart als "1" definiere:, z.B.:

Längeneinheit ("1 Karo") = s * a
s = 1 LJ
a= 1

Nun stelle ich über die Beobachtung der zeitabhängigen Rotverschiebung fest, dass meine Karos relativ zu mir selbst, heute früher kleiner waren und in Zukunft größer sein werden.
D.h. dann aber, dass entweder a früher kleiner gewesen sein muss oder s größer.
D.h.: Entweder expandiert der Raum oder alles darin kontrahiert. Die Situation zwischen s und a ist vollkommen symmetrisch, bildet eine Relation zwischen s und a, deshalb muss das gleichwertig sein.
Dass wir die Expansion erst auf Größenskalen von Galaxienhaufen bemerken ist kein Gegenargument. Auch in der Standardfolklore muss man das erklären. Man tut das, in dem man auf gravitative Bindung hinweist, also auf Anziehungskräfte.
Bei einer Kontraktion der Teilchen im Universum ergäbe sich allerdings genau dasselbe, nur umgekehrt: Bindung durch Fliehkräfte, also effektiv Abstoßungskräfte.
Bei noch kleineren Skalen analog (EM-Abstoßung/EM-Anziehung, usw.).
Allerdings würde ich auch sagen, dass es einfacher ist (insbes. rechnerisch) anzunehmen, dass der Raum expandiert, als anzunehmen, dass absolut alles darin kontrahiert.


Noch ein Gedanke, der mir kam, eine evtl. weitere Möglichkeit:

Man erklärt die gemessene Rotverschiebung bei der Galaxienbeobachtung gewöhnlich über eine Raumexpansion.
Könnte man die Rotverschiebung nicht genausogut über eine Zeitexpansion erklären?
D.h.: Wenn die Zeit heute relativ zu früher schneller ablaufen täte, dann bekämen wir beobachtungstechnisch genauso einen Redshift, weil dann z.B. aus ursprünglich 1 Million Schwingungen/s (einer EM-Welle) am Ort der Aussendung 100.000 gemessene Schwingungen/s bei uns werden, wenn inzwischen die Zeit bei uns 10x schneller abblaufen täte (-> Redshift = 10).

Und wenn man sich dann wieder daran erinnert, dass Zeit und Raum eh eine Einheit bilden, kann man dann überhaupt noch von einer reinen Raumexpansion des Universums ausgehen, ohne Zeitexpansion? Muss nicht immer beides zusammen auftreten?
Und: Könnte es sein, dass "Zeit" gar nicht vergeht, sondern expandiert?
Timm hat geschrieben: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.
Danke! Das ist ein gutes Bild. Wobei: Wenn in unserem Universum SL und vor allen Dingen Wurmlächer auftreten würden, wäre damit nicht auch eine Topologieränderung verbunden, wenn auch nur lokal und auf kleinen Skalen?
Also: Ist das soo sicher, dass sich eine Topologie nicht ändern kann?


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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von tomS » 28. Feb 2016, 18:14

@Gepakulix, du verstehst den Kern der Argumentation nicht: Es gibt im Universum diverse Längenskalen, die sich alle nicht ändern! Es gibt nur eine einzige Abmessung, die mit der Zeit zunimmt, nämlich die zwischen mitbewegten Galaxien. Und deswegen ist es physikalisch sinnvoll, letztere als einzige als zunehmend zu betrachten, und alle anderen als fest. Es handelt sich hier auch nicht um die physikalisch willkürliche Definition einer Einheit (Meter, Zoll, Yard, ...) sondern um die tatsächliche Länge. Es handelt sich nicht darum, ob der Maßstab oder die Einheit zeitunabhängig sind oder nicht, sondern darum, dass physikalische Längen (die man durch unterschiedliche Messverfahren bestimmen kann) allesamt fest sind, außer der o.g. Länge. Wenn man ein System von unabhängigen, festen Längenskalen hat (atomare sowie nukleare Längenskala), und eine weitere unabhängige Länge, dann ist es physikalisch sinnvoll, dass sich diese eine ändert, nicht alle anderen (das ist wie mit dem Geisterfahrer, dem hunderte andere Geisterfahrer entgegenommen)
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von tomS » 28. Feb 2016, 18:21

positronium hat geschrieben:Was bedeutet das dann für die Quantengravitation? - Du hattest geschrieben:
tomS hat geschrieben:Im Rahmen der Quantengravitation und der Renormierungsgruppentheorie tragen prinzipiell beliebig viele Terme höherer Ordnung zur Wirkung der ART bei...
Führt die Quantisierung der ART zu unnötiger Komplexität?
Nein.

Diese Terme könnten bereits klassisch beitragen. Wenn du sie klassisch null setzt, bleiben sie klassisch immer null. Wenn du sie in der QG null setzt, tust du das für genau eine Energieskala k, und i.A. werden sie für andere Energie k' nicht mehr null sein, d.h. die Kopplungskonstanten werden energieabhängige Funktionen. Das spannende an diesem Ansatz der QG ist, dass zwar G und Lambda energieabhängig werden, dass alle anderen, theoretisch möglichen Kopplungskonstanten null sind (bei unserer Energieskala) und konsistent zu null gesetzt werden können, da der Renormierungsgruppenfluss sie nicht ändert.
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von tomS » 28. Feb 2016, 18:24

@seeker: gleicher Einwand wie oben; wenn sich der Abstand zweier Galaxien bzgl. verschiedener, unabhängiger, relativ zueinander konstanter Maßstäbe ändert, dan usw es sinnvoll, dass alle diese verschiedenen Maßstäbe fest sind, und es der Galaxienabstand ist, der sich tatsächlich ändert.
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von positronium » 28. Feb 2016, 18:47

tomS hat geschrieben:Das spannende an diesem Ansatz der QG ist, dass zwar G und Lambda energieabhängig werden, dass alle anderen, theoretisch möglichen Kopplungskonstanten null sind (bei unserer Energieskala) und konsistent zu null gesetzt werden können, da der Renormierungsgruppenfluss sie nicht ändert.
Danke für die Erklärung! Das war wie immer sehr interessant.

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von seeker » 28. Feb 2016, 19:50

tomS hat geschrieben:@seeker: gleicher Einwand wie oben; wenn sich der Abstand zweier Galaxien bzgl. verschiedener, unabhängiger, relativ zueinander konstanter Maßstäbe ändert, dan usw es sinnvoll, dass alle diese verschiedenen Maßstäbe fest sind, und es der Galaxienabstand ist, der sich tatsächlich ändert.
tomS hat geschrieben:Wenn man ein System von unabhängigen, festen Längenskalen hat (atomare sowie nukleare Längenskala), und eine weitere unabhängige Länge, dann ist es physikalisch sinnvoll, dass sich diese eine ändert, nicht alle anderen (das ist wie mit dem Geisterfahrer, dem hunderte andere Geisterfahrer entgegenommen)
Sinnvoll im Sinne von einfacher erscheinend, ja.
Ich sage nur, dass das kein Beweis ist. Es bleibt dabei, dass das eine Relation ist, wenn sich der Saklenfaktor ändert, so lange man nichts beweisbar Absolutes hat, an dem sich alles messen ließe.
Und wie viel ist denn "alles andere" tatsächlich? So viel scheint mir das gar nicht zu sein.
Und da sich alles andere schließlich IM Raum abspielt, kann man schon auch auf den Gedanken kommen, dass dieser hier primär sei.

Wie gesagt, will ich hier die umgekehrte Sichtweise gar nicht wirklich vertreten, ich will nur darauf hinweisen, dass sie konsistent möglich ist.

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von tomS » 28. Feb 2016, 20:02

Also jetzt mal halblang. Auf nuklearer und atomarer Ebene, auf der Erde, im Sonnensystem und innerhalb der Milchstraße ändern sich keinerlei Abstände. Außerhalb schon.
Gruß
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von seeker » 28. Feb 2016, 21:26

tomS hat geschrieben:Auf nuklearer und atomarer Ebene, auf der Erde, im Sonnensystem und innerhalb der Milchstraße ändern sich keinerlei Abstände. Außerhalb schon.
Weil dort viel stärkere Kräfte wirken als ein bisschen Expansion bzw. Kontraktion in Milliarden Jahren.
Und: Es ändern sich keine Abstände relativ wozu? Wie viele Grundeinheiten haben wir, woran wir das messen können?
Eine Hand voll... und die dann gegen eine andere auf kosmologischer Ebene gemessen. Soo ungleich ist das Verhältnis da nicht.

Gruß
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von positronium » 28. Feb 2016, 21:31

Ich denke, dass der wesentliche Punkt, der für Raumexpansion und gegen Kontraktion bzw. Veränderung von allem anderen spricht, der ist, dass die anderen entfernungsabhängigen Phänomene nicht mit der gleichen Skalierung veränderbar sind - die Formeln sind nicht alle auf gleiche Weise von der Entfernung abhängig.

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von seeker » 28. Feb 2016, 21:40

Interessanter Punkt, denn dann wärs tatsächlich sehr unplausibel (wenngleich immer noch möglich) dass sich die anderen Phänomene gerade so verändern sollten, dass ihre Kontraktion gerade wie eine Expansion ausschauen kann, d.h., dass ihre Verhältnisse untereinander dabei genau gleich bleiben.
Aber Frage:
positronium hat geschrieben:die Formeln sind nicht alle auf gleiche Weise von der Entfernung abhängig.
Ist das so?

Gruß
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von Gepakulix » 28. Feb 2016, 21:50

@tomS
Dass man mit physikalischen Beobachtungen ein mathematisches "Gesetz" aushebeln kann, davon habe ich noch nie gehört.

Und das mathematische "Gesetz" besagt eben folgendes:
Wenn ein System von Strukturen (in diesem Fall Galaxien, Atome, ...) ausschliesslich mit relativen Grössenangaben definiert sind, kann man keine Angaben zu seiner absoluten Grösse geben.

Alle physikalischen Beobachtungen, auf die du dich beziehst, beruhen auf Messungen. Hier die Definition von "Messen aus Wikipedia:
"Eine Messung ist das Ausführen von geplanten Tätigkeiten zu einer quantitativen Aussage über eine Messgrösse durch Vergleich mit einer Einheit".

Das Wort "Vergleich" zeigt, dass es nur eine relative Grössenangabe ist.
Deshalb ist mir völlig unklar, was das Wort "tatsaechlich" in deinem folgenden Satz bedeutet:
tomS hat geschrieben:Es gibt im Universum diverse Längenskalen, die sich alle nicht ändern! Es gibt nur eine einzige Abmessung, die mit der Zeit zunimmt, nämlich die zwischen mitbewegten Galaxien. Und deswegen ist es physikalisch sinnvoll, letztere als einzige als zunehmend zu betrachten, und alle anderen als fest. Es handelt sich hier auch nicht um die physikalisch willkürliche Definition einer Einheit (Meter, Zoll, Yard, ...) sondern um die tatsächliche Länge
Betreffend dieser einzigen Abmessung, welche mit der Zeit zunimmt.
Effektiv kann man die Diversen Strukturen (Galaxien, Atome, ..) in 2 Gruppen unterteilen:
- jene, die ein eigenes Gleichgewicht erzwingen
- und jene ohne Gleichgewicht.

Zur Erklärung dieser Wortwahl ein einfaches Beispiel.
Auf einem elastischen gesprenkelten Papier steht eine Ameise.
Wenn das Papier auseinandergezogen wird, dann wird die Ameise aber nicht auseinandergezogen. Ihr inneres Gleichgewicht wird das ausgleichen.

So ist das auch zu erwarten von den meisten Strukturen:
- ein Atomdurchmesser ist primär durch die Formeln gegeben (Ladung, ...). Eine eventuelle Veränderung des Raumes wuerde automatisch auskorrigiert (sonst würde ja die Formel verletzt).
- Nur Strukturen ohne Gleichgewicht (hier die gesprenkelten Punkte auf dem Papier, dort ein Gruppe unabhängiger Galaxien) kann auseinandergezogen werden.

Somit ist es eben nicht 1 gegen 100 (eine Abmessung die zunimmt, und und hundert die nicht zunehmen).
Sondern es ist einfach 1 gegen 1 (eine Gruppe deren Abmessung sich ändert, und eine Gruppe deren Abmessung sich nicht ändert).

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von positronium » 28. Feb 2016, 23:29

seeker hat geschrieben:
positronium hat geschrieben:die Formeln sind nicht alle auf gleiche Weise von der Entfernung abhängig.
Ist das so?
Der Hubble-Parameter besitzt die Einheit km/(s*Mpc), also werden nach dem Standardmodell Entfernungen im Lauf der Zeit mit H 1/s multipliziert.

- Was man als Rotverschiebung durch Raumexpansion kennt, ist ein Integral über den Raum vom Ort der Emission zum Ort der Detektion. Die Reststrecke wird immer mit dem Hubble-Parameter multipliziert. Ich habe es nicht nachgerechnet, aber es sollte irgend eine Exponentialfunktion heraus kommen, also etwas der Form H^t. Das sollte bedeuten, dass Licht im Lauf der Zeit in einem statisch grossen Universum exponentiell mit der Zeit an Energie verlieren müsste.

- Die Ausdehnung von durch Gravitation (Galaxien, Sonnensystem etc.) und EM (Festkörper, Atome etc.) bestimmten Gebilden, deren Potentiale der Form 1/r genügen, müsste sich mit dem Lauf der Zeit wie ein Potential t H/r verändern. Alternativ dazu müsste potentielle Energie in Abhängigkeit von der Zeit irgendwie verloren gehen.

- Die Kraft der starken Wechselwirkung ist nicht 1/r-abhängig. Soweit ich weiss, kann man dafür noch kein klassisches Potential angeben, aber die Kraft ist wohl entfernungsunabhängig konstant. D.h. Nukleonen etc. würden im Lauf der Zeit immer grösser erscheinen, so vermutlich wie t H.

Wenn etwas davon falsch ist, bitte korrigieren!

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von tomS » 28. Feb 2016, 23:34

Also jetzt mal halblang.

Ich definiere eine atomare Längenskala mittels der Größe eines Wasserstoffatoms; letztlich folgt dieser aus der Comptonwellenlänge des Elektrons sowie der (dimensionslosen) Feinstrukturkonstanten; die Comptonwellenlänge folgt aus anderen Naturkonstanten wie h,c sowie der Elektronenmasse von 511 keV.

In gleicher Weise definiere ich eine nukleare Längenskala mittels der QCD-Skala Λ = 220 MeV. Diese Skala ist relevant für die Größe von Nukleonen sowie Atomkernen.

Die elektro-schwache Skala folgt aus dem Vakuumerwartungswert des Higgsfeldes von ca. <H> = 246 GeV.

Für gravitativ gebundene, nicht-relativistische Systeme existiert eine typische Längenskala L = GM/v2 = GmM/2E.

Diese Energie- bzw. Längenskalen sind voneinander unabhängig; sie folgen aus voneinander unabhängigen Theorien. Sie gelten über einen Bereich von Bruchteilen von Femtometern bis in galaktische Größenordnungen. Innerhalb dieser Größenordnungen gibt es keinen Hinweis auf Abweichungen von der Konstanz dieser Längenskalen. Aus 4 Skalen folgen zumindest 3+2+1 = 6 Beziehungen, die bzgl. einer Variabilität untersucht werden könnten. Es gibt keine.

Damit würdet ihr also jetzt eine einzige neue (kosmische) Skala einführen, würdet sie absolut und damit die o.g. Skalen variabel ansetzen - und zwar so, dass die 6 Beziehungen nicht verletzt werden. Wenn ihr mir das vorgerechnet habt, glaube ich euch, vorher nicht ;-)
Gruß
Tom

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von Skeltek » 29. Feb 2016, 01:17

tomS hat geschrieben: Und es ist keineswegs so, dass sich alle Maßstäbe vergrößern. Insbs. liegt in gravitativ gebundenen Systemen keine Expansion vor.
Sorry, hier musste ich noch einmal einschreiten. "Expansion" innerhalb gravitativ gebundener Systeme entspricht in beiden Fällen nicht dem Analog eines "Hohmann-Transfers" sondern des einer über extrem lange Zeit/Umläufe verteilten "constant-thrust-trajectory".
Eine verhältnissmäßige Vergrößerung der Abstände ist in gravitativ gebundenen Systemen in beiden Fällen nicht zu erwarten.
Das soll jetzt deine Meinung nicht abwerten, allerdings ist dein aufgeführtes Argument unsinnig bzw in dem Zusammenhang nicht anwendbar.
tomS hat geschrieben: Man kann z.B. die Lichtlaufzeitentfernung verwenden, und auch bzgl. dieser vergrößern sich die Abstände zwischen Galaxien. Man kann die Energiedichte betrachten, und diese verringert sich mit der Zeit. Das bedeutet, es liegt objektiv betrachtet Expansion vor, in dem Sinne, dass physikalisch messbare Längen auf anwachsen bzw. dass das Volumen zunimmt.
Das Argument ist genauso unsinnig. Du lässt über die Hälfte der Zusammenhänge bei der Argumentation weg. Die Lichtlaufzeitentfernung ist zu 100% abhängig von Messuhr, Meterstab, Zeitdilatation usw. Du suggerierst eine Unabhängigkeit deiner Meßinstrumente von den Effekten, welche dein zu messendes System in gleichem Maße betreffen.
tomS hat geschrieben: Die Längenskalen sind keineswegs willkürlich gewählt. Und die "Größe des Universums" ist keine vernünftige Skala.
Das ist völlig richtig. Längenskalen werden heutzutage nach Natur"konstanten" gewählt - der Meter ist vielfaches der Lichtlaufstrecke, welches Licht in einem Vielfachen der Zeit benötigt, die Caesium133 für den Wechsel zwischen zwei bestimmten Hyperfeinstruktur-Niveaus benötigt.
Der Meter wurde aus historischen Gründen jedoch als ein Vielfaches dieser Definition "eingefroren".

Trotzdem ist Gepakulix' Unvermögen seine Argumentation auf einem Terminologie-technisch einwandfreien, korrekten und hohen Niveau wie du auszudrücken nicht grundsätzlich etwas das gegen seinen Gedankengang spricht - du bist ihm aus deinem Vorwissens- und Terminologie-bedingten argumentativen Vermögen heraus schlicht haushoch überlegen, was dir in der Diskussion und der Wahl deiner Argumente einen unfairen Vorteil verschafft.
Er hätte die "Normstrecke" eher von der aktuellen Hubble-Konstanten, der dereitigen Ableitung des Skalenfaktors oder ähnlichem abhängig machen müssen um dein Gegenargument in der Luft hängen zu lassen.

Die "Energiedichte" ist der ursprünglichen Wortbedeutung als solches nicht ganz sinnig, da eine Definition der Gesamtenergie in einem offenen System nicht durchführbar ist. In dem Zusammenhang der Expansion ist sie ein von den obigen strittigen Sachverhalten ein abgeleiteter Begriff.

Dein letzter Beitrag hat ein sehr solides Fundament, da müsste man eine gute Weile arbeiten um das von Hinten bis Vorne umzustülben und eine Äquivalenz mit dem derzeitigen Model herzuleiten.
Damit hast du den gesamten Angelpunkt der Pros und Contras meiner Meinung nach auf einen wirklich sehr guten Nenner gebracht.


Zur Expansion/Kontraktion in gravitativ gebundenen Systemen:
Zur Anomalie der Streckenändernung in gravitativ gebundenen Systemen kann ich übrigens ein vergleichsweise einfacheres Studium der orbitalen Manöver zur Änderung des orbitalen Radius von Raumfahrzeugen empfehlen, dessen Erkentnisse sich relativ leicht fast 1:1 auf das verwandte Thema übertragen lassen.
https://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_maneuver
Hier gibt es jedenfalls viele argumentative Paralellen.
Für ein Minimum an notwendigem Impuls für einen orbitalen Transfer von niedrigem zu hohem Bahnradius beschleunigt man stark und instantan an der Periapse(tiefster Punkt der Elipse) und noch einmal ganz kurz sobald man die Apoapse(höchster Punkt der Elipse) erreicht.
Verteilt man die Bahnimpulszunahme gleichmäßig auf eine lange Zeitperiode bis zum Erreichen des höheren Orbits, geht der größte Teil des aufgewedeten Impulses in der Aufrechterhaltung des erreichten Radius der nicht exakt transversalen Bahnrichtung verloren.
bei Beschleunigungsvektror Radial+Transversal konstant

Für ausreichend geringe Winkelabweichung von kreisförmiger und tatsächlicher Bahnkurve ist die radiale Komponente des Beschleunigungsvektors relativ proportional zum Abweichungs-Winkel, während die transversale Komponente in nahezu reziprok quadratischer Abhängigkeit steht (für die Argumentation reicht diese stark vereinfachte Darstellung). Der radiale Kraftaufwand simuliert sozusagen einfach nur langfristig eine scheinbar geringere Anziehungskraft des Körper um den gekreist wird. Die radiale Beschleunigungskomponente trägt nicht zur Erhöhung des Orbitalradius bei und wird vollständig verschwendet.

Der Punkt ist, dass der notwendige Impulsaufwand für eine Änderung des orbitalen Radius beliebig weit gegen unendlich gehen kann, wenn man ihn auf beliebig viele Umläufe um den Masseschwerpunkt verteilt. Das gehört seit langem zu einer der grundlegenden fest etablierten Erkentnissen der Raumfahrt-Navigation (siehe Hohmann-Manöver vs constant-thrust).
In beiden oben besprochenen Theorien verteilt sich die Zunahme der Größenordnungen auf viele Umläufe.
Zumindest die Form des Mechanismus welcher eine verhältnismäßig homogene Neuskalierung verhindert ist in beiden Systemen dieselbe.
Eine Verdopplung der Streckenverhältnisse hätte in beiden Fällen in gravitativ gebundenen Systemen kaum Auswirkungen, wenn man sie zeitlich auf genügend orbitale Umläufe verteilt.
Das Argument der gravitativ gebundenen Systeme ist daher kein sinnvolles Gegenargument gegen keine der beiden Theorien.
In beiden Fällen wäre keine nennenswerte Zunahme der orbitalen Radien zu erwarten.

Ratet übrigens mal, wohin der überschüssige Impuls verschwindet welcher verschwendet wird; er bleibt im System erhalten.
Das Analog dazu bei Expansion ist ähnlich; allerdings würde das den Rahmen meines Postings sprengen wegen der vielen Wechsel zwischen Impulsbetrachtung und "Raum"betrachtung und deren fehlerfreier ordnungsgemäßer Untermauerung. Die Rückführung beider auf die Meter-Definition als Relation von Naturkonstanten wäre sicherlich einige DinA4-Seiten lang.
Zuletzt geändert von Skeltek am 29. Feb 2016, 07:37, insgesamt 2-mal geändert.
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von Skeltek » 29. Feb 2016, 05:18

Ist folgendes nicht auch eher ein Argument dafür?
Ockhams Rasiermesser schreibt vor, dass die einfachste Erklärung die plausibelste ist.
So wäre es doch ituitiver, dass globale Dinge wie Hubble-Parameter dem Inhalt des Raum ein Verhalten aufzwängen als anders herum.
Zu erklären weshalb alle Teilchen gleichen Typs im Universum dieselben Ausmaße haben ist in der Standardtheorie ein Graus.
Es scheint mir meiner Meinung nach mathematisch zumindest nicht unwahrscheinlicher, dass der Inhalt sich davon entkoppelt entwickelt und sich der Inhalt im Wechselspiel mit Vakuum-Energiedichte usw angleicht.
Bisher ist es nötig völlig gekünstelt einen Urknalls-Urzustand zu postulieren, welcher im Anfagszustand die Homogenität des Universums überall gleich beschaffen erst hergestellt hat (siehe "Feinabstimmung der Naturkonstanten").
Außerdem müsste die kosmologische Konstante in dem Fall nicht künstlich ohne Erklärung postuliert werden sondern wäre eine direkte Folge der Theorie.
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von seeker » 29. Feb 2016, 09:04

tomS hat geschrieben:Aus 4 Skalen folgen zumindest 3+2+1 = 6 Beziehungen, die bzgl. einer Variabilität untersucht werden könnten. Es gibt keine.
Aber du siehst, du kommst auf die Schnelle nur auf 6 Beziehungen.
Damit wäre das Verhältnis 6 : 1. Soo viel ist das nicht...
Insgesamt hat das Universum soweit ich weiß 20 Stellschrauben (Naturkonstanten).
Auch wenn dann evtl. ein noch größeres Verhältnis herauskommt (evtl. aber auch nicht), muss ich hier eines immer wieder festhalten:
Die Argumentation mit der Expansion beruht notwenig wieder einmal allein auf Einfachheit.
Das ist sinnvoll und ich stimme dem zu: Ich nehme auch lieber die sechs!
Dennoch ist das kein Beweis, deshalb sollte man auch hier Vorsicht walten lassen, nie das Zweifeln vergessen.
Das ist das, was ich sage.
Und ich fände es immer noch interessant nachzuschauen, wie denn der umgedrehte Fall ausschauen täte?

Wo ich immer noch dran hänge:

Wenn ich mir unsere Grundeinheiten anschaue, dann ist das sehr, sehr wenig:
Länge, Masse, Zeit, Stromstärke, Temperatur, Stoffmenge und Lichtstärke

ALLE anderen Einheiten sind von diesen abgeleitet.
Relevant erscheinen mir für uns nur Länge, Masse und Zeit und evtl. Temperatur.
Wobei die Länge auch von der Zeit abgeleitet ist.
Bleiben also nur zwei bis drei: Masse und Zeit und Temperatur
Man kann erkennen, dass nur die drei Basiseinheiten Kilogramm, Sekunde und Kelvin unabhängig von anderen Basiseinheiten definiert sind, während die Definitionen der übrigen vier Basiseinheiten Abhängigkeiten von anderen Basiseinheiten aufweisen:

Meter von Sekunde
Mol von Kilogramm
Ampere sowie Candela von Meter, Kilogramm und Sekunde
https://de.wikipedia.org/wiki/Internati ... seinheiten
(mit Hervorhebung)

Das ist bemerkenswert.
positronium hat geschrieben:Der Hubble-Parameter besitzt die Einheit km/(s*Mpc), also werden nach dem Standardmodell Entfernungen im Lauf der Zeit mit H 1/s multipliziert.

- Was man als Rotverschiebung durch Raumexpansion kennt, ist ein Integral über den Raum vom Ort der Emission zum Ort der Detektion. Die Reststrecke wird immer mit dem Hubble-Parameter multipliziert. Ich habe es nicht nachgerechnet, aber es sollte irgend eine Exponentialfunktion heraus kommen, also etwas der Form H^t. Das sollte bedeuten, dass Licht im Lauf der Zeit in einem statisch grossen Universum exponentiell mit der Zeit an Energie verlieren müsste.

- Die Ausdehnung von durch Gravitation (Galaxien, Sonnensystem etc.) und EM (Festkörper, Atome etc.) bestimmten Gebilden, deren Potentiale der Form 1/r genügen, müsste sich mit dem Lauf der Zeit wie ein Potential t H/r verändern. Alternativ dazu müsste potentielle Energie in Abhängigkeit von der Zeit irgendwie verloren gehen.

- Die Kraft der starken Wechselwirkung ist nicht 1/r-abhängig. Soweit ich weiss, kann man dafür noch kein klassisches Potential angeben, aber die Kraft ist wohl entfernungsunabhängig konstant. D.h. Nukleonen etc. würden im Lauf der Zeit immer grösser erscheinen, so vermutlich wie t H.
Danke. Muss ich noch drüber nachdenken. Ich weiß noch nicht, ob man daraus tatsächlich eine messbares und stichhaltiges Argument bauen kann.
Lokal (und wir auf der Erde sind seehr "lokal") kommt bei 1. nichts Exponentielles heraus. Das schaut lokal sehr sehr linear aus. (-> messtechnische Unterscheidbarkeit?)
P.S.: Vergiss das. Eine lineare Vergrößerung des Skalenfaktors IST exakt linear in einer Dimension, quadratisch bezüglich der Fläche und hoch 3 bezüglich des Volumens. Ob nun dabei die Abstände wachsen oder die Objekte schrumpfen ist exakt symmetrisch, egal ob linear oder exponentiell. Von daher spielt das m. E. eh keine Rolle. Und das "Energieproblem" ergibt sich sowieso.
Bei 2. sehe ich keine Änderung, da linear bzw. s.o.
Bei 3. (starke WW) weiß ich es nicht.

Ich frage mich im Moment: Angenommen die Materie würde tatsächlich schrumpfen. Müsste dann c nicht über die Millarden Jahre mit-schrumpfen, sodass das Verhältnis aus Teilchendurchmesser zu c = konstant? Was würde daraus folgen? Würden wir das merken?

Gruß
seeker
Grüße
seeker


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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von Skeltek » 29. Feb 2016, 11:05

Nö, Zeitprogression ist ja auch von c abhängig. Das hebt sich exakt auf.
Cäsium133 Hyperfeinstrukurübergangsdauer ist auch von c abhängig.
c ist definiert über die Strecke, die Lichtwährend der Dauer des obigen Feinstrukturübergangs zurück legt.
Ein variables c würde das Caesium133 genauso beeinflussen wie die mit der genannten Zeitdauer assoziierte Strecke...
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von Timm » 1. Mär 2016, 18:25

seeker hat geschrieben:Danke! Das ist ein gutes Bild. Wobei: Wenn in unserem Universum SL und vor allen Dingen Wurmlächer auftreten würden, wäre damit nicht auch eine Topologieränderung verbunden, wenn auch nur lokal und auf kleinen Skalen?
Also: Ist das soo sicher, dass sich eine Topologie nicht ändern kann?
Die Topologie betrifft die globale Struktur des Universums. Wenn wir vom kosmologischen Prinzip ausgehen ist die Krümmung global konstant. Lokale Abweichungen ändern daran nichts.

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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von tomS » 1. Mär 2016, 21:19

seeker hat geschrieben:Danke! Das ist ein gutes Bild. Wobei: Wenn in unserem Universum SL und vor allen Dingen Wurmlöcher auftreten würden, wäre damit nicht auch eine Topologieränderung verbunden, wenn auch nur lokal und auf kleinen Skalen?
Also: Ist das soo sicher, dass sich eine Topologie nicht ändern kann?
Da die ART an diesen Singularitäten ungültig wird, kann sie darüber m.E. keine Aussage treffen.

Es gibt dazu unterschiedliche Aussagen.

In der Stringtheorie scheinen Topologieänderungen m.W.n. möglich zu sein. In der kanonischen Quantisierung der ART oder LQG sind Topologieänderungen (und geschlossene zeitartige Kurven) zunächst per Konstruktion ausgeschlossen. Allerdings hat die zugrundeliegende Struktur der LQG (das Spinnetzwerk) letztlich gar keine Topologie mehr; diese resultiert erst auf einer Näherung für größere Längenskalen, und damit wäre eine Topologieänderungen m.E. wieder möglich. Die LQG, die CDT und m.W.n. noch andere Theorien sagen eine eher fraktale Struktur voraus, wobei die fraktale Dimension der Raumzeit zwischen 2 im Planck-Regime und 4 im klassischen Regime variiert (die Definition der Dimension erfolgt nicht mittels der bei Fraktalen üblichen Hausdorff- sondern mittels der spektralen Dimension).
Gruß
Tom

Der Wert eines Dialogs hängt vor allem von der Vielfalt der konkurrierenden Meinungen ab.
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Re: Warum expandiert(e) das Universum?

Beitrag von seeker » 2. Mär 2016, 10:14

OK, ich entnehme daraus, dass das mit der Topologie bzw. Topologieänderungen noch nicht so ganz klar ist.
Dann muss man zwischen globaler und mikroskopischer Betrachtung unterscheiden. Von Interesse ist bei unserem Thema hier zunächst (von der Herangehensweise her) vorwiegend die globale Topologie.
Und dann geht man so vor, wie man es in der Wissenschaft in solchen Fällen immer tut: Man nimmt erst einmal den einfachsten Fall, welcher besagt, dass die Topologie existiert und sich nicht ändert. Das ist das einfachste Modell. Falls sich später noch herausstellen sollte, dass das zu einfach gedacht war, kann man das Modell dahingehend dann jederzeit noch erweitern. Ich halte das auch für sinnvoll so vorzugehen.

Zurück zur Expansion:

Ich verstehe dabei das, was ich verstehen will, leider immer noch nicht...

Also, ich habe folgendes Bild im Kopf:

Zunächst haben wir den Urknall und die Expansion einer "Energiesuppe" in der allerersten Zeit, in den allerersten 10 hoch minus was weiß ich wie viel Sekunden. Darüber will ich hier gar nicht reden, nehmen wir das als gegeben hin.
Dann haben wir das Inflationsfeld und die Inflation: Materie kondensiert aus, das Universum expandiert mit Überlicht und stoppt dann wieder.
(Einfachster Fall,die Option "ewige Inflation" will ich hier auch nicht beachten.)
Das Inflationsfeld bzw. dieser Phasenübergang kann als negative Energie gedeutet werden. Dass negative Energie das Universum expandieren lässt erscheint mir einleuchtend.

Ab hier wird es für mich schwieriger zu verstehen:
Danach haben wir ein heißes Plasma, strahlungsdominiert, hoher Strahlungsdruck.
Dann entkoppelt die Materie von der Strahlung, die Materie kondensiert im Wesentlichen zu Staub, Sternen, SL, sehr verdünntem Gas, d.h. der Druck sinkt auf ungefähr Null.

Dieses Stadium bzw. die weitere Entwicklung des Universum ab hier möchte ich betrachten:

Die dunkle Energie (eine weitere negative Energieform, wo mir auch einleuchtet, dass sie expandierend wirkt) ist noch nicht relevant, kann als näherungsweise Null angenommen werden/ noch vernachlässigt werden, da das Universum noch sehr klein ist.
Wir haben also im Prinzip jetzt nur noch vorwiegend Masse (Materie) und Impuls.
Nehmen wir an, es wäre ein Universum, dessen Energiedichte größer als die kritische Energiedichte ist, k=1.
(Als Beispiel, damit kann ich m. E. meinen Knackpunkt am besten darstellen.)
D.h.: Wir haben hier ein Universum, das irgendwann wieder kollabieren wird.
Wir haben auch Masse und Impuls, die beide eine positive Gravitationswirkung haben.
Dennoch wird dieses Universum aus diesem Stadium heraus noch eine ganze Weile expandieren, bevor es wieder kontrahieren wird, obwohl hier keine nennenswerte negative Energie wirken kann.

Frage:
Warum? Warum expandiert es noch eine ganze Weile, warum kontrahiert es nicht jetzt sofort wieder?
(...was ja nicht einmal eine Topologieänderung zur Folge hätte.)
Wie kann man das verstehen?
Was treibt es weiter auseinender? Ist es die Trägheit der Massen, ihr Fluchtmoment (wohin??), also doch der Impuls? Oder hat die Raumexpansion selbst so etwas wie ein "Trägheitsmoment" (das man im einfachsten Fall an einer konstanten globalen Raumzeit-Krümmung sehen könnte)?
Was ist es?

Und:
Worin genau unterscheidet sich dieses Universum, das im besagten Moment noch weiter expandiert von einem Spiegeluniversum*, das bei genau gleichen Bedingungen, Energiedichte, usw. bei genau gleicher Audehnung, gerade am Kontrahieren ist?

*: Im Grunde könnte man sich auch vorstellen, dass es dasselbe Universum ist, nur zu einem späteren, dazu symmetrischen Zeitpunkt. Expansion und Kontraktion sind ja hier symmetrisch aufeinander folgend.

Gruß
seeker
Grüße
seeker


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