Gedanken zur Dunklen Materie | Seite 21 | Astronomie.de - Der Treffpunkt für Astronomie

Gedanken zur Dunklen Materie

hhh

Mitglied
Ein anderes Gedankenexperiment:
"Würde beispielsweise ein Detektor mit einer Masse des Jupiters und einer Effizienz von 100 % in einem nahen Orbit eines Neutronensterns platziert, so wäre nur alle 10 Jahre ein Graviton zu detektieren."
aus: https://de.wikipedia.org/wiki/Graviton (bzw. dort als Quelle angegeben: https://arxiv.org/abs/gr-qc/0601043).
Selbst das eine Graviton würde natürlich im Hintergrundrauschen untergehen. Das Gedankenexperiment selbst bezieht sich ja nur auf den Wirkungsquerschnitt.
 

holger_merlitz

Mitglied
Der vor einem Jahr im Alter von 96 Jahren gestorbene Freeman Dyson war überzeugt, dass man das Graviton mit keinem noch so gewaltigen Detektor jemals nachweisen kann:

Freeman Dyson: Is a Graviton Detectable?

Siehe dazu auch seine Poincare Prize Lecture zum selben Thema: Is a Graviton Detectable?

Und auf Seite 7 im IAS Institute Letter vom Frühjahr 2013 schrieb er konkret zu den Chancen von einem Detektor wie LIGO:

LIGO detectors can only detect waves far stronger than a single graviton. But even in a totally quiet universe, I can answer the question, whether an ideal LIGO detector could detect a single graviton. The answer is no. In a quiet universe, the limit to the accuracy of measurement of distance is set by the quantum uncertainties in the positions of the mirrors. To make the quantum uncertainties small, the mirrors must be heavy.

A simple calculation, based on the known laws of gravitation and quantum mechanics, leads to a striking result. To detect a single graviton with a LIGO apparatus, the mirrors must be exactly so heavy that they will attract each other with irresistible force and collapse into a black hole. In other words, nature herself forbids us to observe a single graviton with this kind of apparatus.

I propose as a hypothesis, based on this single thought-experiment, that single gravitons may be unobservable by any conceivable apparatus. If this hypothesis were true, it would imply that theories of quantum gravity are untestable and scientifically meaningless.


Das sind starke Worte von einem sehr eminenten Wissenschaftler, der leider nun nicht mehr lebt.


Sehr interessant! Mit seinem letzten Satz geht Dyson allerdings zu weit: Wieso wäre eine Quantengravitation nur dadurch testbar, dass man einzelne Gravitons nachweist? Eine solche Theorie dürfte doch auch in anderen Situationen testbare Vorhersagen treffen, die von der ART abweichen (z.B. gewisse Vorgänge im Urknall ...). Gravitons sind zudem Bosonen - vielleicht könnte man sogar einmal eine Art Bose-Einstein Kondensat von Gravitons erzeugen und ihnen damit auf die Spur kommen ...

Viele Grüße,
Holger
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Wieso wäre eine Quantengravitation nur dadurch testbar, dass man einzelne Gravitons nachweist?
Ich versuche das mal mit einer Analogie: was bliebe von der Quantenelektrodynamik, wenn wir den Compton-Effekt, die Elektron-Positron-Paarerzeugung und ähnliche Elementarprozesse nicht kennen würden? Allenfalls ein phänomenologischer Brei von unverstandenen Effekten, mit dem jeder Theoretiker seine ganz persönliche Suppe kochen würde.
 

holger_merlitz

Mitglied
Ich versuche das mal mit einer Analogie: was bliebe von der Quantenelektrodynamik, wenn wir den Compton-Effekt, die Elektron-Positron-Paarerzeugung und ähnliche Elementarprozesse nicht kennen würden? Allenfalls ein phänomenologischer Brei von unverstandenen Effekten, mit dem jeder Theoretiker seine ganz persönliche Suppe kochen würde.


Das Besondere an der Gravitation ist halt, dass sie auf der Ebene elementarer Prozesse so unendlich schwach ist. Das ist gleichzeitig ein Fluch und ein Segen: Man kann elementare Vorgänge mit einzelnen Gravitons leider nicht messen. Das Gute daran ist, dass man sie auf elementarer Ebene dann auch nicht braucht, um Vorgänge präzise beschreiben zu können. Deshalb funktioniert das Standardmodell ja auch hervorragend, ohne je ein Graviton erwähnt zu haben.

Anders ist es in Prozessen, in denen die Gravitation extrem wird: Eben nahe der 'Singularitäten' schwarzer Löcher oder kurz nach dem Urknall. Da wir 'Singularitäten' nicht direkt analysieren können, bleibt uns der Urknall und was er uns eventuell an Spuren hinterlassen hat. Gravitationswellendetektoren späterer Generationen könnten hier etwas beitragen. Zudem trifft eine Quantengravitationstheorie, etwa die Superstringtheorie, natürlich nicht nur Aussagen über Gravitons. Eine Dispersion des Lichts etwa könnte über lange kosmische Distanzen kumulativ sein (hat man ja bisher ohne Erfolg versucht nachzuweisen). Oder man schafft es doch mal, Mini-schwarze-Löcher zu basteln und findet irgendwas Ungewöhnliches bei deren Zerfall, was vielleicht auf indirektem Weg Aussagen über die 'Singularität' erlaubt, an der Gravitons in Massen vorkommen. Man misst zwar keine einzelnen Gravitons, aber andere Vorhersagen der neuen Theorie, die dann aus Konsistenzgründen auch die Existenz von Gravitons mit einschließt. So wurde ja die QED letztlich durch Präzisionsmessungen der Lamb-Shift und dem anomalen magnetischen Moment des Elektrons bestätigt, somit indirekt auch die Vakuumpolarisation und die Selbstenergie der Elektronen, die man jeweils auch nicht direkt sehen kann.

Dyson hätte da doch etwas mehr Vertrauen in die Kreativität junger Physiker setzen können, denn der Fortschritt endet ja nicht mit seiner Pensionierung ...

Viele Grüße,
Holger
 

kirk11

Mitglied
Ich denke dass es ja (von der Theorie & auch von der Messung her) abgesichert ist, dass sich Gravitation mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.
Spätestens seit dem Nachweis von Gravitationswellen...

Wie sonst wenn nicht auf Basis von Teilchen / Quanten sollen denn dann z.B. Gravitationswellen funktionieren ?

Lichtgeschwindigkeit ist halt genau die 'Reise-Geschwindigkeit', welche wir von anderen Masse-losen Teilchen wie Photonen oder Neutrinos kennen.
Nebenbemerkung: dass man Neutrinos eine (wenn auch sehr geringe) Masse zubilligt, ist wohl - in Anlehnung an vorhergehende Posts - als falsch zu bezeichnen.
Diese bewegen sich im Vakuum mit praktisch Lichtgeschwindigkeit und das läßt sich wohl nur als Energie-Teilchen vollbringen...

So sehr die Theorie zu Quantengravitation im allgemeinen sowie zu Gravitonen im speziellen noch nicht ausgereift bzw. wirklich verstanden sein mag, was wäre denn die (bessere) Alternative dazu ?

Solange man nichts plausibleres anzubieten hat, wird man sich wohl weiter mit der Quantengravitation etc. herumplagen müssen...
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Wie sonst wenn nicht auf Basis von Teilchen / Quanten sollen denn dann z.B. Gravitationswellen funktionieren ?
Hopla, der Umstand, dass man Gravitationswellen beobachtet, beweist aber noch lange nicht, dass es Gravitonen gibt.

Die optischen Eigenschaften von Licht lassen sich ja wunderbar mit der klassischen Wellenvorstellung von Huygens beschreiben. Die Sache mit den Photonen und dem Welle-Teilchen-Dualismus kam erst mit dem Photoeffekt ins Spiel.

Von einem analogen Verständnis sind wir bei der Gravitation noch sehr weit entfernt, und daran wird sich wohl auch so schnell nichts ändern.
 

M_Hamilton

Mitglied
Hallo,

mir ist aufgefallen, dass die naive Vorstellung vom Inneren eines Schwarzen Lochs und der Singularität ziemlich verkehrt ist (es geht nur um die bekannte, klassische Schwarzschild-Lösung, nicht um neue Physik, wie Quantengravitation). Durch eine Bemerkung in diesem pdf

www.damtp.cam.ac.uk/user/hsr1000/black_holes_lectures_2020.pdf

auf Seite 27 bin ich auf diesen Artikel gekommen


(es gibt auch andere Artikel, in denen das beschrieben wird, z.B. in Abschnitt II in [1806.05795] Effective dynamics of the Schwarzschild black hole interior with inverse triad corrections). Siehe auch: Changing places – space and time inside a black hole « Einstein-Online Vielleicht ist das für jemanden interessant.

Außerhalb des Ereignishorizonts gibt es die Zeitkoordinate t, die radiale Koordinate r und die sphärischen Koordinaten φ und θ auf S² (Kugeloberfläche). Die Schwarzschild-Metrik außerhalb des Ereignishorizonts ist statisch, d.h. insbesondere unabhängig von der Zeit t.

Die naive Vorstellung ist, dass der Raum innerhalb des Ereignishorizonts eine Kugel mit der punktförmigen Singularität in der Mitte ist. Das ist aber falsch, da sich innerhalb des Ereignishorizonts das Vorzeichen in der Metrik vor dt² und dr² ändert, d.h. die Koordinate t ist räumlich und die Koordinate r zeitlich (man kann sich das vorstellen, indem man das übliche Bild für die Schwarzschild-Raumzeit mit t nach oben und r nach rechts um 90° dreht, so dass t nach rechts läuft und r nach oben gegen 0 geht).

Der Raum innerhalb des Ereignishorizonts kann daher beschrieben werden durch t, φ, θ (und r=konstant) und hat die Form R x S² (R=reelle Zahlen), d.h. der Raum ist das 3-dimensionale Analogon eines unendlichen langen Zylinders und keine Kugel (nicht zu verwechseln mit dem Vollzylinder R x D² mit der Kreisscheibe D²). Die Metrik auf dem Raum hängt nicht von t ab, insbesondere ist der Raum homogen, aber nicht isotrop (die R-Achse entlang der t-Koordinate ist ausgezeichnet). Der Raum hat keinen ausgezeichneten Mittelpunkt und keine Singularität (zu jedem Zeitpunkt r≠0).

Die Koordinate t entlang der Singularität r=0 ist räumlich, d.h. die Singularität ist räumlich kein Punkt, sondern eine Gerade. Die Singularität liegt nicht an einem ausgezeichneten Ort im Raum, sondern in der Zukunft, da r zeitlich ist (d.h. die Singularität ist kein Punkt im Raum, sondern ein Zeitpunkt in der Zukunft). Da die Singularität in der Zukunft liegt, kann kein Beobachter sie sehen. Die Metrik innerhalb des Schwarzen Lochs hängt von der Zeit r ab, d.h. sie ist nicht statisch.

Die Raumzeit innerhalb des Ereignishorizonts kann daher als ein homogenes, nicht-isotropes Universum (Kantowski-Sachs Raumzeit) verstanden werden mit einem Big Crunch in der Zukunft. Die zwei Dimensionen entlang dem S²-Faktor des Raums ziehen sich zusammen, die R-Achse längs des Zylinders wird gestreckt (anders als bei einem Big Crunch im Friedmann-Modell, bei dem sich alle drei Raumrichtungen zusammenziehen). Am Schluss bleibt vom Raum nur noch die 1-dimensionale Gerade übrig. Alle Beobachter und Lichtstrahlen bewegen sich auf die Singularität zu, da die Singularität in der Zukunft liegt.

Viele Grüße
Mark
 

kirk11

Mitglied
Hopla, der Umstand, dass man Gravitationswellen beobachtet, beweist aber noch lange nicht, dass es Gravitonen gibt.

Die optischen Eigenschaften von Licht lassen sich ja wunderbar mit der klassischen Wellenvorstellung von Huygens beschreiben. Die Sache mit den Photonen und dem Welle-Teilchen-Dualismus kam erst mit dem Photoeffekt ins Spiel.

Von einem analogen Verständnis sind wir bei der Gravitation noch sehr weit entfernt, und daran wird sich wohl auch so schnell nichts ändern.
Dass Gravitonen aktuell hypothetische Teilchen sind, ist ja überall nachzulesen und das habe ich eingangs (als ich den Begriff erstmals verwendet habe) auch extra nochmals betont. Daran ändern (leider) auch Gravitationswellen nichts...

Aber mich würde wirklich interessieren, wie Du (bzw. Astrophysiker allgemein) Gravitationswellen ansatzweise alternativ erklärt kannst (wenn man die Thematik Quantengravitation / Gravitationsteilchen diesbezüglich aus dem Spiel lassen will ;)...)
 

kirk11

Mitglied
Ich versuche hier ein paar Überlegungen festzuhalten - sicher nicht sonderlich originelle - und in anderen Worten sicher schon an vielen anderen Stellen ausformuliert.

In sehr grob vereinfachter Form, um die Grundgedanken in einigermaßen kompakter Form darstellen zu können.

Ich denke dass man statt die Fortbewegung z.B. von Licht in Form von Photonen zu beschreiben, dies auch anders formulieren könnte
Ich beziehe mich für's erste - um die einfachst möglichen Bedingungen auszuwählen - auf die Fortbewegung im Vakuum bzw. in einem Vakuum-ähnlichen Raumbereich.

Es gibt ein kurzfristiges Ereignis a (oder eine stabile Impulsquelle a) welchen einen Impuls b auslöst - nehmen wir als Beispiel dass durch a Licht ausgesendet wird. Nun wäre die geläufige Beschreibung dass Photonen die Träger der Lichtquanten sind, welche das Licht mit Lichtgeschwindigkeit in die betreffende(n) Richtung(en) fortbewegt.

Stellen wir uns nun das Vakuum als ein Quantenfeld mit einer gigantischer Anzahl an Quanten im Anregungszustand 0 vor.

Impuls b startet nun mit einer Energie c, bei Licht natürlich mit Lichtgeschwindigkeit. Dieser Impuls bringt die Quanten des betroffenen Quantenfeldes von Anregungszustand 0 in einen angeregten Zustand, wobei ein Bruchteil des ursprünglichen Energieimpuls gebunden und Impuls b entsprechend (minimal) schwächer wird. Diese wellenförmige Impulsausbreitung mit Anregung von Quanten setzt sich mit Lichtgeschwindigkeit fort, solange bis die Impulsenergie entweder komplett aufgebraucht ist oder Licht an ein Medium (z.B. einen Stern) gerät wo es seine normale Fortbewegung nicht mehr weiterführen kann.

Nach diesem Modell bewegen sich keine Teilchen, sondern es gibt einen wellenförmiges Impulsausbreitung auf Quantenebene, mittels Änderung des Anregungszustand von Quanten.

Zur Veranschaulichung ein Beispiel aus dem 'Makrokosmos':
Wenn z.B. ein Tsunami ausgelöst wird, dann bewegt sich am offenen Ozean auch nicht das Wasser in Richtung Ufer, sondern der z.B. durch ein Seebeben ausgelöste Impuls pflanzt sich fort und bringt das Wasser dazu, eine entsprechende Welle zu bilden, welche sich Richtung Ufer bewegt.
Es bewegt sich aber nicht das Wasser des Ozeans Richtung Ufer, sondern der durch den Impuls angeregte Zustand des Wassers (= Welle). Am Ufer entladet sich dann die Impuls-Energie (mit potentiell verheerenden Folgen), nachdem die Welle durch die geringe Wassertiefe in Ufernähe erheblich höher geworden ist.

Ich denke dass der Mechanismus wie ich ihn anhand von Licht beschrieben habe, auch bei der Gravitation eine wesentliche Rolle spielen könnte.
Mit dem Unterschied dass durch Gravitations-(Energie-)Impulse nicht quasi ein Quanten-Anregungszustand 'Licht' sondern ein Quanten-Anregungszustand 'Gravitation' ausgelöst und transportiert wird, wiederum mit Lichtgeschwindkeit.
Auch hier würde sich durch jedes angeregte Quant der (Gravitations-)Impuls entsprechend minimal verringern.

Sobald ein (Licht-)Impuls direkt z.B. auf einen Atombestandteil trifft, wird dessen Teilchen-Charakter aktiviert und es kann unter den entsprechenden Rahmenbedingungen zu Reaktionen wie Paarbildungen kommen.
 
Zuletzt bearbeitet:

Nebelhorn

Mitglied
Hallo,

Photonen (und alle anderen Teilchen) breiten sich aber nicht wie Billardkugeln oder so aus. So stelle ich mir das zwar immer vor, aber eigentlich erhält man nur orts- und zeitabhängige Wahrscheinlichkeitsdichten.

Dein Bild mit den Tsunamis entspricht z. B. der Ausbreitung von sogenannten Phononen in Festkörpern. Es handelt sich dabei um quantisierte Gitterschwingungen, die sich im Festkoerper ausbreiten koennen. Die Gitteratome des Festkoerpers bewegen sich dabei bis auf Schwingungen selber nicht. Physikalisch kann man diese Phononen wie Teilchen beschrieben. Beispielsweise gibt es Phonon-Phonon-Streuung. Es bleibt deshalb im Endeffekt die Frage uebrig, was denn ueberhaupt Teilchen sind. Man stellt sich die vielleicht als Kugeln oder so vor, aber das ist ja nicht deren realer Zustand. Ein Teilchen ist eine Definition fuer ein bestimmtes Messsignal in einem Experiment/Detektor.

Viele Grüße
Jörg
 

kirk11

Mitglied
Ich möchte hier kurz ein paar Gedanken präsentieren - möglicherweise sind diese nicht wirklich kompatibel mit aktuellen Theorien wie der ART. Dann würden sich diese Überlegungen natürlich sehr flott falsifizieren lassen...

Knapp nach dem Urknall (in der Praxis), aber wohl auch ganz allgemein (zumindest in der Theorie) gilt für die (Ausdehnung der) Raumzeit selbst mW dass c nicht die Maximal-Geschwindigkeit ist.

Nachweislich rotiert die Raumzeit in der Nähe des Ereignishorizonts eines SL bereits mit beachtlicher Geschwindigkeit - was da die maximal mögliche Geschwindigkeit ist, dürfte noch etwas umstritten sein und hängt natürlich auch von der Beschaffenheit des betreffenden SL ab.

Ich halte es für sehr wahrscheinlich dass sich die Rotation der Raumzeit im Inneren des SL nahtlos fortsetzt, und zwar beschleunigt bei Annäherung an das Zentrum eines SL (auch wenn dieses als die zeitliche und nicht als die räumliche Komponente der Raumzeit definiert wird).
Die Frage welche ich mir stelle ist ob es möglich ist dass - verursacht durch die extremen Bedingungen im Inneren eines SL - die Geschwindigkeit dieser Rotation (der Raumzeit) c übertreffen kann ?

Sollte dies theoretisch möglich sein (und möglicherweise auch tatsächlich zutreffen), dann ergäbe sich daraus dass die Bewegungsrichtung (hier ist ja wieder die Zeitkomponente heranzuziehen) durch die Überlichtgeschwindigkeit der Raumzeit nicht in die Zukunft sondern in die Vergangenheit zeigen würde.
Daraus ergäbe sich weiters, dass Teilchen wie Tachyonen im Inneren eines SL eine nicht unwesentliche Rolle spielen könnten.
 

hhh

Mitglied
Die Expansion des Raums hat nichts mit der lokalen Geschwindigkeit zu tun. Daher können SL auch nicht überlichtschnell rotieren.

Tachyonen sind eine mathematische Konstruktion mit "imaginärer Masse". Ausrechnen kann man sich viele Sachen, deswegen muss es sowas nicht in der Realität geben.
 

kirk11

Mitglied
Zuerst ein Zitat aus der Begriffs-Erläuterung Überlichtgeschwindigkeit / Wikipedia:

...
Verschiedentlich wurden kosmologische Theorien mit einer variablen Lichtgeschwindigkeit (Variable Speed of Light Theories, VSL) vorgeschlagen. Bekannt wurde insbesondere ein Vorschlag von João Magueijo und Andreas Albrecht von 1999,[17] in denen das Horizontproblem und das Problem der Flachheit des Universums, die üblicherweise heute im Rahmen des Inflationären Modells der Kosmologie erklärt werden, stattdessen durch eine um bis zu 60 Größenordnungen höhere Lichtgeschwindigkeit im frühen Universum erklärt werden. Die Lichtgeschwindigkeit ist in dieser Theorie eine dynamische Variable, also zeitlich veränderlich, allerdings auf eine besondere Art und Weise, die die Form der Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht zu stark modifiziert. Die Lorentzinvarianz der Theorie ist aber explizit gebrochen, es gibt ein ausgezeichnetes Bezugssystem (das durch die kosmologische Expansion vorgegeben wird). Nach Magueijo und Albrecht wird auch das Problem der Kosmologischen Konstante so gelöst.[18][19] Magueijo schrieb darüber auch ein populärwissenschaftliches Buch.[20] Einen ähnlichen Vorschlag machte schon 1992 der kanadische Physiker John Moffat,[21] ebenfalls mit der Absicht der Lösung kosmologischer Probleme.[22] Die Idee der variablen Lichtgeschwindigkeit wurde von Köhn aufgegriffen und mit dem Konzept mehrerer Zeitdimensionen kombiniert[23]. Er zeigte, dass die Lichtgeschwindigkeit in solch einer Raumzeit von der Zeit abhängt. Jedoch ist diese Zeitabhängigkeit für das beobachtbare Universum vernachlässigbar, so dass die Lichtgeschwindigkeit im jetzigen Universum konstant erscheint, wohingegen sie im frühen Universum variabel war, wie ursprünglich von Albrecht und Magueijo vorgeschlagen.
...

Den Effekt dass sich etwas praktisch auf der Schnittlinie von Zukunft und Vergangenheit bewegt - also dass dabei für den äußeren Beobachter quasi die Zeit still steht - findet man ja bei einer Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit sowie (soweit ich das jetzt nicht falsch interpretiere) auch bei Annäherung an den Ereignishorizont eines SL.

Zweites Szenario ist in diesem Zusammenhang von besonderer Relevanz.

Weit außerhalb des Ereignishorizonts vergeht die Zeit auf normale Weise, beim Ereignishorizont ist die Zeit (für den Beobachter außerhalb) quasi zum Stillstand gekommen und bei den noch weit extremeren Bedingungen im Inneren des SL müßte - um diesbezüglich nochmals eins draufzusetzen - die Zeit dann (theoretisch) in Richtung rückwärts / Vergangenheit drehen.

Ob das tatsächlich der Fall ist, muß natürlich nach derzeitigem Wissensstand als sehr spekulativ betrachtet werden, so wie auch Teilchen mit Überlichtgeschwindigkeits-Eigenschaft (wie Tachyonen) möglicherweise nie exisitert haben bzw. nie existieren werden.

Ich denke dass das was für Materie oder Masse-lose Teilchen wie Photonen gilt, nicht automatisch auch für die Raumzeit gelten muß.
Außerhalb von SL gibt es nicht wirklich spektakuläre Effekte rund um die Raumzeit.
In und rund um SL gibt es viel Spektakuläres und Effekte welche außerhalb undenkbar sind und davon ist auch die Raumzeit betroffen (siehe z.B. die Rotation derselbigen).
Ich denke dass es in Bezug auf die Raumzeit - speziell unter extremen Bedingungen wie in einem SL - noch einges zu entdecken & erforschen gilt.

Z.B. wie ist der Konnex mit Gravitation zu interpretieren welche ja direkt auf die Raumzeit bzw. auf deren Krümmung einwirkt ?
Funktioniert auch Raumzeit auf Quanten-Basis ?
Was rotiert da im Genaueren (etwa Teilchen ?) wenn man sagt dass Raumzeit rotiert ?
Warum gibt es in SL quasi einen Rollentausch von Raum und Zeit ?
Etc.,etc.
 

hhh

Mitglied
Auch der Bereich innerhalb des Ereignishorizonts kann sehr gut von der ART beschrieben werden. Und dort gibt's nur eine Richtung - in die Zukunft.
Siehe auch den Beitrag von Mark etwas weiter oben (oder: https://www.einstein-online.info/spotlight/rollentausch-von-raum-und-zeit/#Eine_dunkle_Analogie der Link stamm auch von dir). Dort rotiert nichts mit Überlichtgeschwindigkeit und es bewegt sich auch nichts in die Vergangenheit. Das kann man mit der ART berechnen, und bislang gibt es keine (fachlich relevanten) Zweifel an der Gültigkeit.
 

kirk11

Mitglied
In SL entstehen - zumindest in Teilbereichen - Bedingungen, für welche die ART mE eben nicht mehr zuständig bzw. ausreichend ist.

Sonst wären ja SL schon längst komplett entschlüsselt.

Der von mir verlinkte Artikel widmet sich einer (etwas) anderen Thematik, eben dem 'Rollentausch' von Raum und Zeit.

Auf die von mir angeschnittene Thematik wird u.a. hier eingegangen:


mit dem Zitat:

...
Vielfach wird gesagt, dass durch die Ringsingularität völlig neue Möglichkeiten eröffnet werden: Man könnte sich oberhalb der Ringebene aufhalten oder sogar durch den Ring hindurch fliegen, zumindest bei supermassereichen Löchern, da hier die Gezeitenkräfte noch erträglich wären. Der Ring stelle nicht das Ende der Raumzeit dar, wie es bei einer intrinsischen Punktsingularität der Fall ist. Prinzipiell könnten wir unseren Astronauten also wieder auf die Reise schicken, und nach manchen Vermutungen sollte er durch die Ringsingularität sogar andere Universen erreichen. Allerdings liegen solche Spekulationen jenseits jeder Realität, niemand kann den Sturz in ein Schwarzes Loch überleben! Zunächst einmal dürfte es keine Konstruktion und keinen Organismus geben, die den Belastungen der Rotation mit evtl. relativistischen Geschwindigkeiten schon in Horizontnähe widerstehen könnten. Direkt am Horizont hätte jeder Gegenstand Lichtgeschwindigkeit, um dann überlichtschnell weiter zu stürzen! Materie in der uns bekannten Form kann hier wohl nicht mehr existieren, weil die Geodäten der Teilchen raumartig werden. Das bedeutet, dass die Teilchen tachyonische Eigenschaften annehmen, sich außerhalb aller von uns fassbaren Grenzen bewegen.
...


Weitere Informationen dazu finden sich im am Ende verlinkten Artikel


mit dem Zitat:

...
Innerhalb des Horizonts treten raumartige Geodäten (wie bei den Tachyonen) auf, die die Kausalität verletzen! Da jedoch nichts davon nach außen dringen kann (geschlossene Geodäten), erfüllt diese Kausalitätsverletzung gewissermaßen die kosmische Zensur: Wie die Singularität sind sie durch den Ereignishorizont verhüllt.
...
 

hhh

Mitglied
Den ersten Artikel kann man nicht wirklich ernst nehmen - durch den "Ring" hindurchfliegen, das ist völlig absurd! (Genau genommen sagt der Artikel ja nur "vielfach wird gesagt", vielfach wird nun mal viel gesagt...) Punkt- und Ringsingularitäten sind keine festen Objekte um die man herumhüpfen kann. Genausowenig hat der Astronaut innerhalb des Ereignishorizonts die freie Wahl wohin er sich bewegen will. Hier gibt es auch keine Überlichtgeschwindigkeiten.

Reisen in andere Universen, das ist genauso spekulativ wie die Theorie, dass im schwarzen Loch Teletubbies wohnen und oh oh rufen (beweise mal das Gegenteil ;) ).

Auch im zweiten Artikel steht nichts von Rotation mit Überlichtgeschwindigkeit oder Reisen in die Vergangenheit. Zeit- und Raumbegriffe haben hier auch eine andere Bedeutung.
 

kirk11

Mitglied
Den ersten Artikel kann man nicht wirklich ernst nehmen - durch den "Ring" hindurchfliegen, das ist völlig absurd! (Genau genommen sagt der Artikel ja nur "vielfach wird gesagt", vielfach wird nun mal viel gesagt...) Punkt- und Ringsingularitäten sind keine festen Objekte um die man herumhüpfen kann. Genausowenig hat der Astronaut innerhalb des Ereignishorizonts die freie Wahl wohin er sich bewegen will. Hier gibt es auch keine Überlichtgeschwindigkeiten.

Reisen in andere Universen, das ist genauso spekulativ wie die Theorie, dass im schwarzen Loch Teletubbies wohnen und oh oh rufen (beweise mal das Gegenteil ;) ).

Auch im zweiten Artikel steht nichts von Rotation mit Überlichtgeschwindigkeit oder Reisen in die Vergangenheit. Zeit- und Raumbegriffe haben hier auch eine andere Bedeutung.
Ich gebe Dir insofern recht als dass der 1.Artikel auch nach meiner Einschätzung nicht gerade auf höchstem Niveau verfasst wurde.

Allerdings tust Du mE dem Artikel-Verfasser etwas unrecht weil zum meisten was Du zitiert schreibt er

...Allerdings liegen solche Spekulationen jenseits jeder Realität...

Wie deutlich soll er es noch formulieren ?

Zum 2. Artikel:

Der Autor Andreas Müller ist ja kein Unbekannter - speziell in diesem Thread - wo er schon mehrfach verlinkt & zitiert wurde.

Innerhalb des Horizonts treten raumartige Geodäten (wie bei den Tachyonen) auf, die die Kausalität verletzen
!


Das ist zwar etwas anders formuliert aber der Inhalt ist wohl auch hier eindeutig.

Die Kausalitätsverletzung ist wohl so zu verstehen dass bei einer rückwärts gerichteten Zeit die Wirkung vor der Ursache staatfindet.

Raumartige Geodäten sind offensichtlich (zumindest in der Theorie) Merkmale bzw. Anzeichen für Überlichtgeschwindigkeit & einer Zeitausrichtung in die Vergangenheit.

Aber in diesen Bereich muß ich mich erstmals noch etwas näher einlesen, jedenfalls mE eine sehr interessante Thematik.
 

kirk11

Mitglied
Ein Update von Effekten & Eigenschaften welche in SL bzw. in unmittelbarer Nähe von diesen zu beobachten / messen sind oder welche (aus meiner Sicht) den Rang einer ernstzunehmenden theoretischen Möglichkeit einnehmen - in diesem Fall mit (?) gekennzeichnet (das betrifft aktuell die Punkte 6 + 7).

Diese Effekte und Eigenschaften zeichnet sich dadurch aus dass diese nur in Zusammenhang mit SL auftreten, im Vergleich zu sämtlichen anderen bekannten Himmelskörpern wie Sternen, Planeten, etc.

1. Fliehkraft nach innen
2. Rotierende Raumzeit
3. Nichts kann entkommen (postulierte Ausnahme: die Hawking-Strahlung)
4. Ereignishorizont
5. Rollentausch von Raum und Zeit
6. Materie-frei (abgesehen von gerade einfallender Materie), da sich die Materie in Gravitation / Raumzeit umgewandelt hat (?)
7. Das Auftreten von Überlichtgeschwindigkeit bzw. einer Zeitausrichtung in die Vergangenheit (das könnte allerdings jeweils auch nur einen Teil des SL betreffen) in Zusammenhang mit raumartigen Geodäten (?)

Zu 2. möchte ich anmerken, dass mir natürlich bekannt ist dass prinzipiell auch andere Himmelskörper auf die Raumzeit einwirken bzw. diese krümmen, bei Neutronensternen kommt es auch zu Raumzeit-Verwirbelungen. Aber diese Effekte sind relativ sehr schwach im Vergleich zur rotierenden Raumzeit wie sie um und vor allem in SL in Erscheinung tritt.

Zu 3. wäre zu ergänzen dass ich nicht ganz im Bilde bin, ob dieser 'Rollentausch' von Raum und Zeit aktuell nur als Postulat zu bewerten ist oder ob dieser Effekt schon weitgehend theoretisch abgesichert ist.
Falls ersteres der Fall sein sollte, dann wäre auch bei diesem Punkt ein Fragezeichen (?) am Ende gerechtfertigt.

Sollte jemand weitere Punkte / Effekte kennen, welche man in diese Liste aufnehmen könnte / sollte, dann wäre ich über ein entsprechendes Feedback natürlich sehr dankbar.
 

kirk11

Mitglied
Zum besseren Verständnis von SL wäre ein besseres Verständnis der 'Raumzeit' sicher kein Nachteil.

Die diesbezügliche Faktenlage würde ich als relativ dünn bezeichnen - das mag zum Teil daran liegen dass ich hier noch nicht ausgiebig genug nach informativen Quellen gesucht habe.

Unter 'normalen Verhältnissen' ist es relativ klar, was man unter 'Geschwindigkeit' versteht: eine Bewegung in der Raumzeit, von Materie oder auch Masse-losen Teilchen wie Photonen.
Masse-lose Teilchen können eine maximale Geschwindigkeit von (annähernd) c erreichen.

Aber wenn rotierende Raumzeit (wie im Zusammenhang mit SL) im Spiel ist, dann wird das Ganze ein bisschen komplizierter bzw. verwirrender und man kann da mE interessante Fragestellungen aufwerfen.

Z.B. wenn sich Materie in der rotierenden Raumzeit befindet und exakt dessen 'Geschwindigkeit' hat, hat sie selbst dann eben genau diese Geschwindigkeit (z. B. die 1/2 Lichtgeschwindigkeit) oder hat diese eigentlich gar keine Geschwindigkeit, weil sie ja im lokalen (rotierenden) Raumzeit-Bezugsfeld 'statisch' ist ?

Und wie schaut das mit Photonen in rotierender Raumzeit aus, mit welcher Geschwindigkeit bewegen sich diese ?
Ich sehe da folgende 3 Möglichkeiten:

a) Sie werden auf die betreffende Raumzeit-Rotationsgeschwindigkeit abgebremst, z.B. die 1/2 Lichtgschwindkeit
b) Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindkeit, wobei 50 % durch die Geschwindkeit der Raumzeit-Rotation + 50 % Eigengeschwindigkeit
c) Sie bewegen zusätzlich zur 1/2 Lichtgeschwindigkeit mit der vollen normalen Eigengeschwindigkeit c, aufsummiert also mit 1 1/2 facher Lichtgeschwindigkeit

Weiters stellt sich mir die Frage: in was (in welchem 'Medium') rotiert denn eigentlich die Raumzeit ?
Bzw. auf was bezieht sich die Rotationsgeschwindigkeit der Raumzeit ?
Die landläufige Astrophysik beschränkt sich ja auf 4 Dimensionen; kann es wirklich funktionieren dass alle 4 Dimensionen rotieren, ohne mindestens einer zusätzlichen Dimension, in welcher die Rotation stattfindet ?

Ich denke jedenfalls dass im Effekt der rotierenden Raumzeit (und dass es diesen tatsächlich gibt ist ja mW ziemlich gut abgesichert) weit mehr 'Exotik' steckt als man für's erste vermuten würde.
 

kirk11

Mitglied
Bevor du ins Innere von rotierenden Schwarzen Löchern abtauchst, solltest du vielleicht erst mal studieren, was in deren Umfeld passiert. Das ist nämlich schon kompliziert genug. Siehe frame-dragging und

Relativistic Motion of Stars Near Rotating Black Hole
Ich hab's leider nicht explizit dazu geschrieben, aber die Ausführungen meines letzten Posts bezogen sich mehr auf die 'Ergoregion' als auf das Innere der SL.

Im Inneren der SL ist es ja fraglich ob da noch irgend etwas (dauerhaft) rotiert, abgesehen von der Raumzeit selbst.

Was 'Rotierende Raumzeit' besonders interessant macht, ist ja dass diese nicht nur im Inneren von SL postuliert wird, sondern auch schon an der Grenze sowie knapp außerhalb auftritt bzw. auftreten soll.

Für die Verifizierung sowie die Möglichkeiten der Erforschung macht das natürlich einen erheblichen Unterschied.

Und wieder ein Rückgriff auf unseren alten Bekannten Müller:


Im Abschnitt ab 'Rotierende Raumzeit' werden ziemlich ausführliche Informationen zur Verfügung gestellt, naturgemäß keine 'leichte Kost'.
 

hhh

Mitglied
Ich glaub du würfelst da in deinen letzten Beiträgen viel zusammen.
Aber mal zu deinen Photonen und masselosen Teilchen: die bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit (und nicht "annähernd"), das muss so sein. Du könntest dich sonst zb. in ein Bezugssystem beschleunigen wo du ein ruhendes Photon "beobachten" könntest. Das hat übrigens auch nichts mit der "Unterlichtgeschwindigkeit" von Licht in dielektrischen Medien zu tun; und das hat auch nichts mit virtuellen Photonen aus der QED zu tun, wo sich Photonen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit mit Über- und Unterlichtgeschwindigkeit bewegen, vielleicht bringst du da was durcheinander.
Photonen können nicht auf 1/2 c abgebremst werden oder die Geschwindigkeit auf 1 1/2 c aufsummiert werden.
 

kirk11

Mitglied
Zum Thema Geschwindigkeit von Photonen (zitiert aus Wikipedia):

...
Daraus folgt, dass es sich im Vakuum immer mit Lichtgeschwindigkeit c bewegt, sofern es in einem Zustand mit wohldefiniertem Impuls ist, also durch eine einzige ebene Welle darzustellen ist. Sonst bewegt es sich mit der Gruppengeschwindigkeit der beteiligten ebenen Wellen. Ein Photon im Überlagerungszustand von Impulsen mehrerer Richtungen bewegt sich auch im Vakuum langsamer als die Lichtgeschwindigkeit (siehe Bessel-Strahl). In optischen Medien mit einem Brechungsindex n > 1 ist die Gruppengeschwindigkeit aufgrund der Wechselwirkung der Photonen mit der Materie um den Faktor n verringert.
...

Diese etwas komplexe Sachlage habe ich in die Angabe 'annähernd Lichtgeschwindigkeit' komprimiert, da sich Photonen in der Praxis eben nicht immer mit voller Lichtgeschwindigkeit bewegen, auch wenn sie sich nicht in direkter Wechselwirkung mit Materie befinden.

Photonen können nicht auf 1/2 c abgebremst werden oder die Geschwindigkeit auf 1 1/2 c aufsummiert werden.

Ich habe diesbezüglich nichts behauptet, sondern 3 mögliche Szenarien dargestellt.
Inzwischen habe ich eine Idee was davon stimmen könnte / sollte.

Welche der 3 Möglichkeiten a), b) oder c) würdest Du denn in diesem Zusammenhang als zutreffend einschätzen oder d) gar keine ;) ?
 

Nebelhorn

Mitglied
Es gibt einen Unterschied zwischen Phasengeschwindigkeit und Gruppengeschwindigkeit. Die Gruppengeschwindigkeit kann kleiner oder gleich der Lichtgeschwindigkeit sein.
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Und wie schaut das mit Photonen in rotierender Raumzeit aus, mit welcher Geschwindigkeit bewegen sich diese ?
Ich sehe da folgende 3 Möglichkeiten:

a) Sie werden auf die betreffende Raumzeit-Rotationsgeschwindigkeit abgebremst, z.B. die 1/2 Lichtgschwindkeit
b) Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindkeit, wobei 50 % durch die Geschwindkeit der Raumzeit-Rotation + 50 % Eigengeschwindigkeit
c) Sie bewegen zusätzlich zur 1/2 Lichtgeschwindigkeit mit der vollen normalen Eigengeschwindigkeit c, aufsummiert also mit 1 1/2 facher Lichtgeschwindigkeit

Welche der 3 Möglichkeiten a), b) oder c) würdest Du denn in diesem Zusammenhang als zutreffend einschätzen oder d) gar keine ;) ?
Seit Michelson-Morley wissen wir ja, dass es für Photonen im Vakuum nur eine Geschwindigkeit (c = 299792458 m/s) gibt. Solche Additionstheoreme sind also längst widerlegt, und der Hinweis auf abweichende Geschwindigkeiten für die einhüllende Amplitude (Gruppengeschwindigkeit) oder die Ausbreitung in optischen Medien ist hier völlig abwegig.

Gleichwohl gibt es bei rotierenden SL komplizierte Effekte, welche die Emission von Photonen betreffen. Das betrifft aber nicht ihre Geschwindigkeit, welche wie gesagt invariant ist, sondern ihre Richtung und Energie. Wobei es da dann wesentlich darauf ankommt, in welchem Bezugssystem das analysiert wird. Da gibt es dann außer Ereignishorizont, Ergo- und Photonsphäre so obskure Begriffe wie ZAVO (Zero Angular Velocity Observer) und ZAMO (Zero Angular Momentum Observer).

Hier mal ein paar Links zum Thema, wobei vieles davon auch hier schon mehrfach erwähnt wurde:

Photon Sphere

Kerr photon orbits

Abramowicz & Fragile: Three Destinations in Kerr’s Strong Gravity

Grib & Pavlov: Properties of particles in the ergosphere of black holes
 

kirk11

Mitglied
Seit Michelson-Morley wissen wir ja, dass es für Photonen im Vakuum nur eine Geschwindigkeit (c = 299792458 m/s) gibt.

Und würdest Du ernsthaft die Verhältnisse z.B. in der Ergoregion / Ergosphäre eines Quasars mit den Verhältnissen eines 'normalen' Vakuum vergleichen ?

Meine Fragestellung (die Geschwindigkeit eines Photons in der rotierenden Raumzeit) bezog sich ja auf einen Bereich knapp außerhalb des Ereignishorizonts eines SL (wo es noch keine Einschränkungen für die Gültigkeit der ART geben sollte);
für so eine ziemlich simpel gestrickte Problemstellung sollte sich doch deswegen eigentlich über die ART eine einigermaßen klare Antwort definieren lassen, hätte ich gedacht, von einem der Experten hier im Forum...
 

holger_merlitz

Mitglied
Die ART basiert darauf, dass c im Vakuum eine Konstante ist. Wäre sie es nicht, dann gäbe es auch keine ART.

Kirk, Du wirst Dich bis zum Ende des Universums im Kreis drehen, wenn Du nicht damit beginnst, erst die Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie und dann die der ART selber zu studieren und zu verstehen. Den Problemen, die Dich momentan interessieren, wirst Du Dich auf andere Weise nicht nähern können. Theoretische Physik ist kein Kaffeklatsch und lässt sich weder mit schönen Worten noch mit bunten Filmen auf Youtube vermitteln. Dir wird vielleicht der Eindruck vermittelt, etwas verstanden zu haben, aber im Wirklichkeit hast Du nur ein paar Worte aufgeschnappt ohne deren Hintergründe zu erfassen. Das ist kein Vorwurf an Dich, nur ein Hinweis, dass ein echtes Verständnis ohne harte Arbeit nicht zu erlangen ist.

Viele Grüße,
Holger
 

konfokal

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Hallo.

dazu fällt mir noch eine hübsche Anekdote ein. Ich erinnere mich an einen der tollen Vorträge von Hanns Ruder, nach dem es aus dem Publikum von Physikstudenten und -professoren eine persönliche Frage dazu gab. Und mit breitem Grinsen in gewohnt "frängischer Munndard" erzählte er in seiner unnachahmlichen Art kurz davon, wieviel Mühe ihn als bereits promovierter Astrophysiker die später nochmal vertiefte Aneignung der ART gekostet hätte.

Er hätte damals trotz der bereits intensiven Beschäftigung mit "demm Zeuch" doch immer das Gefühl behalten, das Ganze nie tief genug verstanden zu haben und es dann endlich mal wirklich wissen wollen. Deshalb hätte er seinerzeit (also schon mit einem nicht unerheblichen professionellen Vorwissen) dafür noch mal mehr als ein komplettes Jahr investiert, in dem er sich Tag und Nacht ausschließlich nur mit dem Thema ART beschäftigt hätte. Schneller wär' es bei ihm einfach nicht gegangen. Er halte sich zwar gewiss nicht für einen Überflieger. Aber andere hätten ihm versichert, meinte er charmant grinsend, er "wär jedzd au ned ganz bleed..." ;-)

Gruß,
Mathias

PS: und nein, es war und ist nicht entmutigend gemeint...
 
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kirk11

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Die ART basiert darauf, dass c im Vakuum eine Konstante ist. Wäre sie es nicht, dann gäbe es auch keine ART.

Es ist halt immer wieder so, dass Formulierungen von mir mit der Lupe auf Fehler abgesucht werden, und dass dann daraus Diskussions-Nebenstränge entstehen, welche vom eigentlichen Thema wegführen.

Es sollte ja eigentlich um Photonen (und deren Geschwindigkeit) im 'exotischem' Umfeld rotierender Raumzeit noch außerhalb des Ereignishorizonts eines SL gehen.
Das Wissen dass c im Vakuum eine Konstante ist, hilft uns da allein wohl nicht wirklich weiter.
Photonen sind nun mal - und dazu braucht's bei weitem noch keine rotierende Raumzeit - nicht immer nur mit Fullspeed im Vakuum unterwegs, sondern können u.a. (unter entsprechende Bedingungen) abgebremst, umgelenkt oder sogar umgewandelt werden.

Ich möchte jedenfalls morgen im Laufe des Tages selber nach meinen letzten Recherchen versuchen, auf die von mir gestellte Fragestellung nach besten Können eine Antwort zu geben.

Aber ich finde es irgendwie schade immer wieder nur das Loblied auf die ART zu hören (was diese ja im Prinzip durchaus verdient) statt auf eine nicht wirklich komplizierte Fragestellung eine konkrete Antwort (diese kann ja durchaus etwas komplexer ausfallen) zu erhalten.
Gerade in solchen Situationen könnte der ART-Experte zeigen wie zielführend diese eingesetzt werden kann, um auch in einem ausgefallerenen 'Setting' überzeugende Antworten liefern zu können.
Weil es ist mir an diesem 'Setting' nichts bekannt was dafür spricht, dass hier etwas tangiert wird, wo die ART nicht voll 'zuständig' ist (wie es z. B. für 'Singularitäten' im Zentren der SL vermutet wird).
 
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