Abenteuer-Universum

Urknall, Energiesatz, Inflation

lou hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 00:20

Urknall

ergibt sich, wenn man die Raumbewegungen der Galaxien in die Vergangenheit zurückrechnet.
Vorhersage: 3K-Strahlung, die gemessen und im Jahre 1978 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt wurde

lou hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 00:20

Energiesatz

heisst Energieerhaltungssatz und besagt, dass in einem abgeschlossenen System keine Energie verloren oder neu erzeugt werden kann, d.h. Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile.
Analoge Erhaltungssätze gibt es auch für den Impuls und den Drehimpuls.

lou hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 00:20

Inflation

Das Horizontproblem, das Flachheitsproblem und das Problem der fehlenden magnetischen Monopole lässt sich mit der kosmologischen Inflation lösen.

Was war der Anfang der kosmischen Dynamik?

Ein Universum kann sich aus einem zeit- und raumlosen Zustand durch Quantentunneleffekte zu winzigen Räumen verschiedener Größen entwickeln, die auch schnell wieder verschwinden müssen. Die Zeit ist dann wieder auf Null gestellt. Dieser Vorgang kann sich unzählig oft wiederholen. Dabei kann auch ein Raum mit einer bestimmten Größe geschaffen werden, indem darin nach der Heisenbergschen Unschärferelation auch einige virtuellen Teilchenpaare entstehen müssen. Diese haben jedoch auf Grund der winzigen Ortsunschärfe im eingesperrten Raum eine riesige Geschwindigkeitsunschärfe. Diese ist nicht nur Sache unserer Unwissenheit, sondern die Eigenschaften der Bestandteile sind dort so. Bei genügend vielen Teilchenpaaren beginnt der Raum sich also auszudehnen. Dabei entsteht die so genannte Makrozeit (vorher Mikrozeit), da jetzt Dinge irreversibel ablaufen können. Aus unserer Sicht ist damit ein Uruniversum spontan entstanden. Nun entstehen im weiter vergrößerten Raum noch mehr virtuelle Teilchenpaare, wobei gleichzeitig ihre Entstehungswahrscheinlichkeit wegen der geringeren Mindestmasse im größeren Raum zunimmt. Auch ihre Aufenthaltsdauer wird wegen der Heisenbergschen Unschärferelation größer. Diese sich selbst verstärkenden Effekte führen zu einer beschleunigten Ausdehnung des Raumes ohne Verdünnung der virtuellen Teilchenmenge, da für die Quantenfluktuationen immer mehr Raum zur Verfügung stünden.

Mit der weiteren beschleunigten Ausdehnung des Raumes findet die Vernichtung der virtuellen Teilchenpaare immer später statt. Dabei steigt die negative Energiedichte, hervorgerufen durch die Schulden der Teilchenpaare an das Vakuum, immer weiter an. Diese negative Energiedichte wirkt anti-gravitativ und beschleunigt jetzt zusätzlich die Ausdehnung. Schließlich wird die Ausdehnungsgeschwindigkeit so groß, dass sich die virtuellen Teilchenpaare nicht mehr gegenseitig vernichten können. Sie können aber noch nicht real werden, da die entsprechende negative Energie aus dem Gravitationsfeld, welche die ausgleichende positive Energie liefern könnte, noch nicht oder kaum zur Verfügung steht. Denn dieses Gravitationsfeld ist auf Grund der geringen Feldstärke und der noch kleinen Raumausdehnung dafür noch viel zu klein. Das frühe Universum befindet sich jetzt in einem unterkühlten Zustand mit maximaler negativer Energiedichte. Das führt zu einem ersten Symmetriebruch und zur Zündung der Inflation. Diese exponentielle Ausdehnung schafft nun enormen Raum für Unmengen zusätzlicher virtuellen Teilchenpaare, aber auch Raum für schnelles Anwachsen des Gravitationsfeldes. Damit können immer mehr Teilchen real werden, wobei deren Massen auch die Gravitationsfeldstärke inflationär anwachsen lässt und das Gravitationsfeld kann damit mit seiner negativen Energie dem Ur-Universum zum Ausgleich noch mehr positive Energie zum Abbau der negativen Energiedichte im Vakuum zur Verfügung stellen. Ist diese abgebaut, so bricht die inflationäre Ausdehnung ab. Ein weiteres Anwachsen des Gravitationsfeldes liefert schließlich die Energie für ein kräftiges Nachheizen des Uruniversums auf eine Temperatur, welche dann von den gängigen Theorien dargestellt wird und ohne Singularität auskommt.

Auch der Energiesatz für das Universum ist während der Entwicklung gewährleistet, da sich im gesamten Verlauf die positive Energie der Massen und der Strahlung und die negative Energie des Gravitationsfeldes sich gegenseitig aufheben.

https://en.wikipedia.org/wiki/Inflation ... _inflation

https://www.preposterousuniverse.com/bl ... conserved/

Einfach mal durchlesen und mit den eigenen Phantasien abgleichen.

lou hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 01:49

Auch der Energiesatz

Hallo Lou,

kannst Du mir bitte einen riesigen Gefallen tun und das Ding künftig "Energieerhaltungssatz" nennen ?


Besten Dank und freundliche Grüsse, Ralf

Durch Quantentunneleffekte? Ernsthaft jetzt? Von wo nach wo sollen die denn führen, wenn es nicht einmal Raum gibt? Und wieso soll sowas überhaupt gequantelt sein?
Hab die unfundierte Behauptung am Anfang übersprungen und nehme einfach das nächstbeste unproblematischere Wort, weil mir das irgendwie aus der Luft gegriffen scheint. Wir könnten uns dann Wort für Wort voran arbeiten und am Ende den Kontext besprechen.

Skeltek hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 10:11

Durch Quantentunneleffekte? Ernsthaft jetzt? Von wo nach wo sollen die denn führen, wenn es nicht einmal Raum gibt? Und wieso soll sowas überhaupt gequantelt sein?
Hab die unfundierte Behauptung am Anfang übersprungen und nehme einfach das nächstbeste unproblematischere Wort, weil mir das irgendwie aus der Luft gegriffen scheint. Wir könnten uns dann Wort für Wort voran arbeiten und am Ende den Kontext besprechen.

Hallo Skel,

ich finde die Idee gar nicht so schlecht. Da wird vielleicht noch ein bisschen Finetuning betrieben werden müssen, d.h. Begriffe wie "Raum", "Zeit", "Quanten" und "Tunneleffekt" sind da noch etwas genauer anzuschauen, aber der Grundmechanismus ist meines Erachtens durchaus interessant.

Auch deswegen, weil es Lou gelingt, die Massen-/Energiedichte mit kleiner werdenden Abständen ebenfalls kleiner werden und tatsächlich gegen 0 konvergieren zu lassen. Ob das zum Vermeiden der Urknall-Singularität ausreichend ist kann man so nicht beurteilen, da 0/0 immer noch unbestimmt ist, aber vielleicht gelingt es durch eine detailliertere Betrachtung, da einen endlichen Wert für die Energiedichte stetig hineinzudefinieren, m.E. idealerweise der Wert 0.


Freundliche Grüsse, Ralf

Also ich finde die Darstellung von lou gar nicht so schlecht.

Unser Grundproblem dabei ist halt:

Wir können vieles von diesen Dingen gar nicht wissen, wir können uns nur Geschichten darüber erzählen, die wir für plausibel halten.

Wir müssen uns fragen, woraus ist das Universum hervorgegangen?
Wahrscheinlich aus dem Nichts! Was ist nun das Nichts? Dies könnte der vollkommen leere Raum sein. Aber in diesem Vakuum finden laufend Quantenfluktuationen statt. Dabei entstehen aus dem Vakuum völlig zufällig virtuelle Teilchen. Auf jeden Fall ist der Raum dann nicht mehr leer. Außerdem wissen wir, dass sich seit dem Urknall der Raum ausdehnt. Somit war er kurz nach dem Urknall winzig klein. Und vor dem Urknall gab es überhaupt keinen Raum. Nach der Relativitätstheorie hängen aber Raum und Zeit untrennbar miteinander zusammen. Damit gab es vor dem Urknall auch keine Zeit. Eigentlich gibt es damit auch kein Vorher. Diesen Zustand will ich das absolute Nichts bezeichnen: weder Materie noch Raum noch Zeit. Dieser Zustand ist für uns schwer vorstellbar, da wir seit Geburt an Raum und Zeit gewöhnt sind. Wie kann aus einem solchen Zustand so etwas wie unser Universum hervorgehen?
Dazu gibt es in einigen Fachkreisen die Überlegung, dass der Raum selbst einer Fluktuation unterworfen sein kann. Es können dann aus dem Nichtraum heraus durch Quantentunneleffekte winzige Räume im Bereich des Planckvolumens entstehen, die aber meist auch wieder schnell verschwinden müssen. Die Zeit ist dann wieder auf null gestellt. Das wären also die „ersten“ Versuche des Universums in die Realität zu treten (man beachte das Wort „ersten“, wenn es keine Zeit gibt). Mit geringerer Wahrscheinlichkeit können jedoch auch etwas größere Räume entstehen, so dass darin schon virtuelle Teilchenpaare auftreten können. Dabei muss jedoch ein virtuelles Teilchenpaar eine Mindestenergie bzw. Mindestmasse mitbringen, welche von der Größe des Raumes abhängt. Sie sind umso kleiner, je größer der Raum ist. In größeren Räumen entstehen also die virtuellen Teilchenpaare leichter. Insgesamt ist also die Wahrscheinlichkeit für die Entstehung eines winzigen Raumes mit einigen virtuellen Teilchenpaaren ungleich Null.
Doch wenn es noch keine Zeit gab, könnten für diesen Vorgang unendlich viele Versuche gestartet worden sein. Das Ereignis tritt also sicher ein (Lemma von Borel und Cantelli).

virtuelle Teilchen sind aber nur mathematische Konstrukte, nicht reell, deswegen heißen sie auch "virtuell"
wenn sie soda wären, wäre ja von Anfang was da und nicht Nichts, ein physikalisches Vakuum ist nicht leer, auch wenn nur 0 drin ist

wenn es keine Zeit gibt, wie können unendlich viele Versuche gestartet worden sein 0*∞ ∞

@lou: möchtest Du Monologe halten oder möchtest Du diskutieren ?

Gegen Gedankenspiele ist prinzipiell nichts einzuwenden. Gedankenspiele über Kosmologie sollten aber die Kenntnis des Lambda-CDM Modells voraussetzen, sie sollten Quantenfluktuationen nicht für bare Münze nehmen, s. @Herr5Senf, negative Energiedichte nicht mit negativem Druck verwechseln, ... .

Diskussion statt Monolog ist sicher gut, birgt aber die Gefahr mangelndes Verständnis zu offenbaren.

neg. Energiedichte entspricht neg. Druck
vgl. J/m3 = Nm/m3 = N/m2

Herr5Senf hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 20:17

0*∞

Hallo zusammen,

was ergibt 0*∞ ?

Nun, es ist nicht definiert, aber man kann sich ja Gedanken machen, indem man das schönes Grenzwertübergänge betrachtet.

0*∞ "=" (lim_x->0) * (lim_y->∞)

Behauptung: (lim_x->0x) * (lim_y->∞y) kann jede beliebige Zahl c in [-∞,+∞] annehmen, d.h. einschliesslich beider Intervallgrenzen

Beweis:

Fall 1: c endlich
wähle (lim_x->0x) = lim_{n in IN}(1/n)
wähle (lim_y->∞y) = lim_{n in IN}(c*n)

Dann gilt: (lim_x->0x) * (lim_y->∞y) = (lim_{n in IN}(1/n) ) * (lim_{n in IN}(c*n) ) = lim_{n in IN}((1/n)*c*n) = c


Fall 2: das Ergebnis divergiert gegen +∞
wähle (lim_x->0x) = lim_{n in IN}(1/n)
wähle (lim_y->∞y) = lim_{n in IN}n²

Dann gilt: (lim_x->0x) * (lim_y->∞y) = (lim_{n in IN}(1/n) ) * (lim_{n in IN}n² ) = lim_{n in IN}((1/n)*n²) = n für alle n in IN, d.h. n wächst über alle Schranken


Fall 2: das Ergebnis divergiert gegen -∞
wähle (lim_x->0x) = lim_{n in IN}(1/n)
wähle (lim_y->∞y) = lim_{n in IN}-n²

Dann gilt: (lim_x->0x) * (lim_y->∞y) = (lim_{n in IN}(1/n) ) * (lim_{n in IN}-n² ) = lim_{n in IN}((1/n)*(-n²) ) = -n für alle n in IN, d.h. n fällt unter alle Schranken


Freundliche Grüsse, Ralf

lou hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 22:14

neg. Energiedichte entspricht neg. Druck
vgl. J/m3 = Nm/m3 = N/m2

Da offenbart sich das Problem, was hat denn ein Jonglieren mit Einheiten mit Kosmologie zu tun? So simpel ist das nicht.

https://ned.ipac.caltech.edu/level5/Car ... ll2_1.html

... Vacuum energy does not change as the universe expands, so rhoLambda propto a0; from (26) this implies a negative pressure, or positive tension, when the vacuum energy is positive.


Wer sich Gedanken über Kosmologie macht, sollte wenigstens eine Ahnung vom Lambda-CDM Modell haben.

virtuelle Teilchen sind aber nur mathematische Konstrukte, nicht reell, deswegen heißen sie auch "virtuell"
wenn sie soda wären, wäre ja von Anfang was da und nicht Nichts, ein physikalisches Vakuum ist nicht leer, auch wenn nur 0 drin ist

Nein: vgl. Casimir-Effekt, VT als Träger der elektromagnetischen Wellen, Lambseffekt usw.
VT brauchen Raum! Vor dem Urknall gab es keinen Raum!

... der "Urknall" war überall gleichzeitig, nicht punktförmig, also im Raum, er ist eine zeitliche Interpretation
Der Casimir-Effekt ist quantentheoretisch deutbar = mathematische Beschreibung, er kann erklärt werden ohne Vakuumfluktuationen.

Timm hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 22:59

https://ned.ipac.caltech.edu/level5/Car ... ll2_1.html

... Vacuum energy does not change as the universe expands, so rhoLambda propto a0; from (26) this implies a negative pressure, or positive tension, when the vacuum energy is positive.

Eine Fläche hat zwei Seiten, Timm.

lou hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 20:07

Wir müssen uns fragen, woraus ist das Universum hervorgegangen?

Müssen tun wir das nicht. Aber es interessiert uns eben und wir suchen nach Geschichten darüber.

lou hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 20:07

Wahrscheinlich aus dem Nichts!

Das wissen wir nicht. Wir wissen auch nicht, was das sein soll.

lou hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 20:07

Dies könnte der vollkommen leere Raum sein.

Das eher nicht. "Vor" oder "im" Urknall ist nicht leerer Raum, sondern Nicht-Raum, wenn schon.

lou hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 20:07

Aber in diesem Vakuum finden laufend Quantenfluktuationen statt. Dabei entstehen aus dem Vakuum völlig zufällig virtuelle Teilchen.

Wir wissen auch nicht, ob im "Urknallzustand" die bekannte Quantenphysik noch gültig ist. Wir können so etwas nur annehmen oder nicht annehmen und dann eine Geschichte daraus spinnen. Klar, das wird gerne und oft getan.

lou hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 20:07

Außerdem wissen wir, dass sich seit dem Urknall der Raum ausdehnt. Somit war er kurz nach dem Urknall winzig klein.

Nein, das ist ungewiss und ein häufiges Missverständnis. Wir wisen nur, dass der Zustand extrem dicht gewesen sein muss. "Klein" und "Groß" wissen wir deshalb nicht, weil wir nicht wissen, ob das Universum a) endlich oder b) unendlich ausgedehnt ist. Im Falle von b) wäre es das auch im Urknall schon gewesen.

lou hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 20:07

Damit gab es vor dem Urknall auch keine Zeit. Eigentlich gibt es damit auch kein Vorher.

Ja. Zumindest nicht "unsere Raumzeit", "unser Raum", "unsere Zeit".

lou hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 20:07

Diesen Zustand will ich das absolute Nichts bezeichnen: weder Materie noch Raum noch Zeit.

Nein, das kannst du nicht. Der Begriff "Nichts" als "absolutes Nichts" meint etwas anderes und ist eigentlich unsinnig, da widersprüchlich.
Was du meinst ist ein "ETWAS", das aber ganz andersartig ist, eben kein Raum, keine Zeit. Warum dann noch Quanten dort? Wir wissen es nicht.

lou hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 20:07

Wie kann aus einem solchen Zustand so etwas wie unser Universum hervorgehen?

Das können wir nicht wissen, weil wir diesen Zustand nicht kennen und auch nicht kennen können.

lou hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 20:07

Dazu gibt es in einigen Fachkreisen die Überlegung, dass der Raum selbst einer Fluktuation unterworfen sein kann. Es können dann aus dem Nichtraum heraus durch Quantentunneleffekte winzige Räume im Bereich des Planckvolumens entstehen, die aber meist auch wieder schnell verschwinden müssen.

Ja, so etwas wird dann gerne gemacht und man mag das auch plausibel finden und man kann lange und erbaulich darüber reden. Es werden dabei aber Annahmen getroffen, über Dinge, die man nicht weiß und daraus dann eine Geschichte gesponnen: "So und so könnte es gewesen sein"... oder anders! Das ändert nichts daran, dass wir es leider nicht wissen und nicht wissen können.

Wir können an der Stelle nur uns plausibel erscheinende Geschichten stricken.

seeker hat geschrieben: ↑

9. Mär 2021, 07:47

lou hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 20:07

Außerdem wissen wir, dass sich seit dem Urknall der Raum ausdehnt. Somit war er kurz nach dem Urknall winzig klein.

Nein, das ist ungewiss und ein häufiges Missverständnis. Wir wisen nur, dass der Zustand extrem dicht gewesen sein muss. "Klein" und "Groß" wissen wir deshalb nicht, weil wir nicht wissen, ob das Universum a) endlich oder b) unendlich ausgedehnt ist. Im Falle von b) wäre es das auch im Urknall schon gewesen.

Mit seinem 2. Satz liegt @lou dann richtig, wenn er sich auf das beobachtbare Universum bezieht. Uneingeschränkt (ob endlich oder unendlich) gilt jedoch, "dass sich seit dem Urknall der Raum ausdehnt."

Leute, so kommen wir hier nicht weiter.

Ich schlage vor, dass Lou seine Bereitschaft erklärt, zu diskutieren statt zu "missionieren".

Und dann sollten wir zunächst nicht über seine Ideen zum "Anfang" erörtern, sondern über das, wie es dann weiterging, also konkret Plank-Ära und Inflations-Ära.

Und wenn dann darüber Konsens besteht, dann kann man sich auch den "Anfang" anschauen.

Als Einstieg schlage ich vor, dass uns Lou folgende Aussage erklärt:

lou hat geschrieben: ↑

8. Mär 2021, 22:14

neg. Energiedichte entspricht neg. Druck
vgl. J/m3 = Nm/m3 = N/m2

Warum ist das korrekt bzw. warum ist das inkorrekt ? Zunächst einmal ist es wenigstens einheitengleich, das ist gut so, aber aber das genügt natürlich nicht.


Freundliche Grüsse, Ralf


@Lou: wenn Du zitieren möchtest, zu macht man das mit "quote" in [] vor dem Zitat und "/quote" in [] nach dem Zitat.

Mir ist schon klar, dass meine Aussagen nur eine Hypothese bedeuten.
Doch die Geschehnisse ganz zu Beginn lassen sich nicht empirisch nachvollziehen. Auch steckt die Theorie der Quantengravitation noch in den Anfängen. Deswegen habe ich versucht, wenigsten eine plausible Erklärung zu finden. Vor allem die gigantische Energiemenge kurz nach dem Urknall ist für mich nicht nachvollziehbar, wenn der Energieerhaltungssatz gelten soll.
Nur der Aufbau eines Gravitationsfeldes ist mit einer Freisetzung von Energie verbunden. Doch dieses war im eingeschlossenen Raum noch viel zu klein. Die Energie aus Strahlung und Materie wuchs nur mit dem sich ausbreitenden und stärker werdenden Gravitationsfeldes.

louh hat geschrieben: ↑

9. Mär 2021, 00:54

(...)

lou hat geschrieben: ↑

9. Mär 2021, 19:00

(...)

Was soll das denn: hast Du zwei User oder wie ???

Sorry, war ein Versehen. Bitte louh streichen.

lou hat geschrieben: ↑

9. Mär 2021, 19:00

Mir ist schon klar, dass meine Aussagen nur eine Hypothese bedeuten.
Doch die Geschehnisse ganz zu Beginn lassen sich nicht empirisch nachvollziehen. Auch steckt die Theorie der Quantengravitation noch in den Anfängen. Deswegen habe ich versucht, wenigsten eine plausible Erklärung zu finden.

Klar, das ist auch in Ordung. Möchtest du irgendetwas davon diskutieren?

Was du da dargestellt hast ist wohl so etwas wie die 'neueste Standardfolklore' (zumindest etwas in der Art), die plausibel erscheint, gute Argumente bietet und vielen gut gefällt. Es gibt aber leider noch tausend andere Möglichkeiten: zyklische Universen, z.B. nach Penrose, aus entropischen Überlegungen heraus, umstülpende Universen, ewige Inflation, Multiversen und dann auch noch so Sachen wie die Simulationshypothese (simuliertes Universum), usw.

Die favorisierte Antwort auf die Frage "Wo alles herkommt?" ist eng verbunden mit der favorisierten Antwort auf die Frage "Wer und was wir eigentlich genau sind?" Man muss sich hier also vor Zirkelschlüssen und Voreingenommenheiten aller Art wirklich hüten.
Und wie du vielleicht bemerkst, geht die Frage "Wo alles herkommt?" über die Physik hinaus: Die Physik kann logischerweise nicht beantworten, wo die Physik (der Natur) herkommt. Und diese Frage ist auch nicht durch die Logik oder Mathematik lösbar, weil diese beiden am Ende Wenn-Dann-Spiele sind: Wenn A dann B, usw. ... Warum aber A?? Was wenn nicht A, sondern A'? Und warum 'dann'?

lou hat geschrieben: ↑

9. Mär 2021, 19:00

Deswegen habe ich versucht, wenigsten eine plausible Erklärung zu finden. Vor allem die gigantische Energiemenge kurz nach dem Urknall ist für mich nicht nachvollziehbar, wenn der Energieerhaltungssatz gelten soll.

Der Energieerhaltungssatz gilt nur lokal und ergibt sich aus dem Noether-Theorem, also aus Symmetriebetrachtungen unseres speziellen Universums, global ist er (mathematisch) gar nicht definierbar. Vielleicht äußert sich Tom dazu noch, er kann das gut erklären.