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Gedanken zur Dunklen Materie

kirk11

Mitglied
Dann hast du wohl die Quintessenz des Artikels, nämlich dass sich der Raum mit Überlichtgeschwindigkeit ausdehnen kann, nicht verstanden.
Diese 'Quintessenz' hat allerdings alles andere als Neuigkeitswert, allein hier in diesem Thread hatten wir das (wie schon erwähnt an sich durchaus interessante) Thema schon mehrmals (und in Summe wesentlich ausführlicher), in Zusammenhang mit der Phase nach dem Urknall als auch ganz allgemein.

Ein 2. Zitat aus diesem Artikel hätte ich auch noch:

...Das hat in der Vergangenheit des Universums auch dazu geführt, dass sich Galaxien oder Bereiche im Universum innerhalb von Sekunden Tausende oder Milliarden Lichtjahre voneinander entfernt haben, ohne sich dabei selbst großartig zu bewegen...


Also entweder verstehe ich da (bezüglich der beiden Zitate) in der Tat etwas ganz und gar nicht (bzw. ich habe vorher nirgendwo auch nur annähernd solche Behauptungen gelesen), oder ist das einfach nur hanebüchener Unsinn (oder der betreffende Wissenschaftler wurde komplett falsch zitiert).

Aber eben auch die Behauptung aus dem 1.Zitat dass ...auf die heutige Größe oder noch größer aufgebläht... - wie soll das stimmen wenn das Universum seit damals immer (manchmal langsamer, manchmal schneller) expandiert sein soll ?
 

kirk11

Mitglied
Das ist ein öffentlich abrufbarer Artikel mit als Fakten dargestellten (zumindest angeblichen) Aussagen eines Astrophysikers.

Nur sind diese Aussagen in der gewählten Formulierung leider zum Teil grob falsch.

Interessierte (Hobby-)Astronomie-Leser ohne entsprechendes Background-Wissen könnten jedes Wort für bare Münze nehmen und dadurch (zum Teil) unnötigerweise falsch informiert werden und mit solchen falschen Vorstellungen herumlaufen.
 

kirk11

Mitglied
Die Problematik mit der DM ist ja hinlänglich bekannt - einerseits hat sie sich (im Standard-Modell) in vielerlei Bereichen unentbehrlich gemacht, andererseits sind wesentliche Eigenschaften von ihr nach wie vor nicht bekannt (aus was sie besteht, wie sie im Genaueren strukturiert ist, etc.).

Ich sehe da gewisse Parallelen zur Raumzeit.
Im Falle der Raumzeit gibt es zumindest keinen Hauch eines Zweifels, dass sie existiert.
Aber z.B. woraus sie besteht, wie sie strukturiert ist?
Zu meiner Verblüffung (zumindest soweit ich mich bisher mit dieser Materie beschäftigt habe) scheint das aber für kaum jemand ein Thema zu sein, dass mit einer hohen Priorität bzw. mit besonderem Nachdruck zu erforschen wäre.

Aber wie es bei der DM noch viele Fragezeichen und ungelöste Rätsel gibt, so verhält es sich nach meiner Einschätzung bei der Raumzeit genauso, solange nicht mehr z.B. über ihre Struktur und (manche) ihrer Eigenschaften herausgefunden wird.

Die Erfolge bzw. Wissensfortschritte in anderen Bereichen der Astronomie sind mE inzwischen so groß, dass das teilweise doch noch recht beschränkte Wissen in Bezug auf die Raumzeit ein Hemmschuh sind, um einige wichtige Zusammenhänge besser verstehen zu können.

Man wird für neue Erkenntnisse in Bezug auf die Raumzeit natürlich die ART benötigen, allerdings nicht nur, ohne das derzeit beste Wissen auch aus dem Bereich der Quantenphysik einzubringen, wird es nach meiner Einschätzung diesbezüglich keine substantiellen Fortschritte geben.
 

kirk11

Mitglied
Bei der Bewertung von Geschwindigkeiten ist es mE vorteilhaft wenn man das sprachlich sehr exakt hält.

Wenn man sagt oder schreibt, dass die maximale Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht c ist, dann würde ich sagen 'aufpassen'...

Wenn man z.B. eine Supernova analysiert: das in diesem Zusammenhang emittierte Licht wird wohl kaum in nur eine Richtung
strömen, sondern - wie es bei Explosionen so üblich ist - in alle Richtungen.
Das heißt dass die ausgelöste (wohl kugelförmige) Lichtwelle mit (bis zu) 2 c expandiert.

An sich ein ziemlich banaler Zusammenhang, aber von der Formulierung her wohl ungewöhnlich.

Licht ist ja die jeweilige Summe seiner Quanten; für sich betrachtet kann sich das einzelne Photon natürlich nicht schneller als mit c bewegen.
Aber für die Beurteilung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Licht-Emission sind mE ALLE damit zusammenhängenden Photonen zu berücksichtigen und diese können durch ihren (in manchen Fällen) genau gegenläufigen Richtungsvektor eben im Gesamten betrachtet die 2 c erreichen.

Wenn der Begriff 'Überlichtgeschwindigkeit' fällt, ist deswegen mE zu analysieren auf was genau sich das bezieht:

Auf Basis eines einzelnen Quants würde es sich bei einer tatsächlichen Überlichtgeschwindigkeit um ein (bisher noch nicht nachgewiesenes) Tachyon handeln.
Wenn es sich allerdings um Begriffe wie 'Licht' oder 'Raumzeit' handelt, dann sind Geschwindigkeiten von bis zu 2 c mE nichts wirklich Überraschendes oder Außergewöhnliches, da hier auch exakt gegenläufige Ausbreitungsvektoren zu berücksichtigen sind.
 
Zuletzt bearbeitet:

P_E_T_E_R

Mitglied
Gleichwohl wirst du niemals ein Photon finden, welches sich im Vakuum mit einer anderen Geschwindigkeit als c bewegt, egal wie schnell du dem Photon hinterher oder ihm entgegen fliegst. Das ist eben der Kern des relativistischen Additionstheorems für die Geschwindigkeiten:

u'_x = (u_x - v) / (1 - v u_x/c²)

wobei sich das gestrichene Bezugssystem S' gegenüber dem ungestrichenen System S mit Geschwindigkeit v in positiver x-Richtung bewegt.

Für Photonen gilt im ungestrichenen System u_x = c.

Daraus folgt

u'_x = (c - v) / (1 - v/c) = c

Also, egal wie schnell du dem davon fliegenden Photon hinterher fliegst, auch im System S' hat es immer die Geschwindigkeit c.
 

kirk11

Mitglied
Dass sich ein (einzelnes) Photon nicht schneller als mit c bewegen kann, hatte ich nicht bestritten (sondern extra nochmals erwähnt) - und natürlich kenne ich (leider) auch keinen 'Trick' wie diese Geschwindigkeit von einem Lichtquant übertroffen werden könnte...

Aber Licht ist anders zu bewerten als ein einzelnes Phtoton.

Genauso wie man keine ausreichend relevanten Aussagen über einen Menschen treffen oder seine physikalische Eigenschaften beschreiben kann, wenn man nur ein einzelnes menschliches Atom heranzieht.

Noch ein Beispiel: wenn man einen vollen Kübel Wasser senkrecht auf eine plane Fläche ausschüttet, dann entspricht die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Wassermenge nicht der eines einzelnen Wassermoleküls.
Das Wasser (als Ganzes) wird sich (bis zu) doppelt so schnell ausbreiten wie ein dazugehöriges Wassermolekül.

Es gilt neben der Geschwindigkeit auch den Richtungsvektor zu berücksichtigen.

Bei einem Laserstrahl z.B. gibt es in der Regel nur eine Bewegungsrichtung; deswegen ist seine Geschwindigkeit c.

Bei einer explosionsartigen Lichtverbreitung hingegen (als Beispiel hatte ich eine Supernova angeführt), ist davon auszugehen dass es keine einzige bzw. bevorzugte Bewegungsrichtung gibt.
Ein Lichtquant bewegt sich z.B. genau in Richtung Norden, ein anderer exakt in Gegenrichtung nach Süden (beide als Bestandteile derselben Lichtquelle).
Die Lichtausbreitung erfolgt deswegen mE in der summierten Gesamtgeschwindigkeit von c + c = 2 c.

Folgender Artikel passt zur Abrundung ganz gut zum Thema:


Ich muß aber ehrlicherweise zugeben, dass ich den Inhalt nicht so ganz nachvollziehen kann. ;)
Aber lesenswert kann er ja trotzdem sein...
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Klar, wenn man ein Ensemble von divergierenden Photonen betrachtet, dann verteilen sich die Geschwindigkeiten kugelförmig in alle Richtungen, z.B. entlang der x-Achse zwischen -c und +c.

Es macht aber keinen Sinn, sich ins Bezugsystem eines dieser Photonen zu versetzen und zu erwarten, dass das gegenläufige Photon dann eine Relativgeschwindigkeit von 2c hat. Du könntest einem Photon, welches in Richtung der negativen x-Achse fliegt zwar mit einer beliebig hohen Geschwindigkeit |v| < c folgen und aus diesem Inertialsystem das gegenläufige Photon betrachten. Wie aus dem Additionstheorem folgt, wirst du dafür aber immer nur eine Geschwindigkeit von c und nichts anderes bekommen!
 

kirk11

Mitglied
Das stimmt ja alles, aber warum hat bei Dir bei der Analyse von Licht(-Eigenschaften) deren Lichtquanten einen so hohen Stellenwert ?

Wenn man sich darauf (weitgehend) beschränkt wäre das so als ob man Menschen in erster Linie über einzelne Atome oder Wasser über Wassermoleküle zu analysieren versuchen würde.
Natürlich spielt das jeweils auch eine Rolle, aber genauso wichtig ist doch das Betreffende (und dessen Eigenschaften) als eine Einheit / Gesamtheit zu durchleuchten.

Ich habe das eigentlich ursprünglich hier nur zum Thema gemacht, weil von Überlichtgeschwindigkeit einerseits der Raumzeit (unmittelbar nach dem Urknall) und andererseits der Expansion des Universums die Rede war.

Und da finde ich es eben einen Äpfel/Birnen-Vergleich wenn man z.B. die (Ausbreitungs-)Geschwindigkeit von Photonen mit derjenigen der Raumzeit in eine direkte Relation setzt.

Einen mE ziemlich aufschlußreichen Artikel zum Thema Expansion des Universums findet sich hier:

 

kirk11

Mitglied
Drei Zitate aus obigen Link:

...Objekte am Beobachtungshorizont entfernen sich scheinbar mit mehr als 3-facher Lichtgeschwindigkeit von uns...

...Ein ausgehendes Photon am Hubble-Radius würde sich beispielsweise mit 2c von uns entfernen und ein eingehendes mit 0c....

...Der Hubble-Radius startet gemäß Standardmodell der Kosmologie beim Urknall mit dem Wert Null, steigt anschließend stark bis zum heutigen Wert an (14,4 Milliarden Lichtjahre) und wird in ca. 113 Milliarden Jahren bei einem Wert von 17,55 Milliarden Lichtjahren stagnieren...


Das dritte Zitat finde ich am erstaunlichsten - nämlich dass man das tatsächlich so exakt vorausberechnen können soll.
 

kirk11

Mitglied
Zum Begriff Dunkle Energie bei Wikipedia:


Ein Vorschlag ist, die Dunkle Energie als Vakuumenergie des „leeren Raumes“, die in der Quantenfeldtheorie auftritt, zu verstehen. Da mit der Expansion des Universums der Raum zunimmt, wächst auch die Vakuumenergie und beschleunigt die Expansion.

Irgendwie überzeugt mich das nicht so wirklich.

1. Woraus speist sich das Wachstum der Vakuumenergie (auf Kosten welcher anderen Energie) ?
2. Warum beschleunigt die Zunahme von Energie die Expansion des Universums (Energie wirkt ja in aller Regel gravitativ) ?

Wir hatten hier unlängst schon die Begriffe falsches und echtes Vakuum.
Beim echten Vakuum geht es ja darum, dass dieses dann tatsächlich praktisch frei von Energie sein oder werden sollte.
Bei einem schlagartigen Übergang vom falschen zum echten Vakuum wird ja (zum Glück weitestgehend hypothetisch) ein ultimatives Katastrophenszenario an die Wand gemalt.

Aber was wenn dieser Prozess - allerdings langsam und kontrolliert - tatsächlich stattfindet ?

Und zwar indem die durchschnittliche Energiedichte des Vakuums laufend (etwas) geringer wird (in Richtung echtes Vakuum) und - als Kompensation - sich das Universum entsprechend ausdehnt.

Die Gesamtenergie des Universums bzw. des Vakuums würde dadurch praktisch unverändert bleiben.

Mir persönlich erscheint das irgendwie plausibler und man bräuchte dafür auch gar Postulat einer Dunkle Energie...
 

kirk11

Mitglied
Aus Kosmologische Konstante (Wikipedia):


Die Annahme, dass die Vakuumenergiedichte auch bei Expansion des Universums konstant bleibt, führt zu der Zustandsgleichung..., das heißt eine positive Vakuumenergiedichte führt zu negativem Druck p, der die beschleunigte Expansion des Universums treibt.

Das würde bedeuten, dass dem Universum laufend zusätzliche Energie zugeführt wird (da laufend ein größeres Raumvolumen entsteht, ohne Abnahme der Energiedichte), aber woher soll diese denn kommen ?
Sich selbst generierende Energie ? Irgendwie seltsam... :rolleyes:
 

kirk11

Mitglied
In folgendem Artikel zum Thema Vakuumenergie


kommt folgende Passage vor:

...Einige Forscher vermuten auch, dass die Vakuumenergie die in der Kosmologie diskutierte Dunkle Energie ist, die wesentlichen Einfluss auf die Kosmologische Konstante und damit auf die zeitliche Entwicklung des Universums hat. Es gibt dafür aber noch keine überzeugende theoretische Grundlage. Besonders problematisch ist hierbei, dass nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie die Gesamtenergie des Universums gleich Null sein muss....


Der letzte Satz ist es, der mich etwas wundert.
Ist das 'common sense' und wenn ja, wie leitet sich das nach der ART ab ?

Auf das Thema Negative Energie wird hier eingegangen:


...Das hat eine ganz wichtige Konsequenz für die Gravitation: Über die Formel E=mc² ist Energie mit Masse verknüpft. Negative Energie würde somit auch negative Masse bedeuten. Positive Massen ziehen einander an, aber mit einer negativen Masse könnte die Gravitation plötzlich zu einer abstoßenden Kraft werden.
Die Quantentheorie allerdings erlaubt so etwas. „Nach der Quantenphysik ist es möglich, sich Energie an einem bestimmten Ort gewissermaßen aus dem Vakuum auszuleihen, wie Geld bei der Bank“, sagt Daniel Grumiller. „Offen blieb lange Zeit die Frage, wie hoch dieser Kredit maximal sein darf, und mit welchen Zinsen man ihn zurückzahlen muss.“...


Das ist zumindest der Ansatz einer Erklärung, allerdings aus dem Bereich der Quantenphysik.

Zum Thema Negative Masse auch noch ein Artikel:


...Doch es geht auch anders: In der Welt der Quantenphysik ist eine negative effektive Masse durchaus möglich – nicht anders als eine negative elektrische Ladung. Forscher vermuten, dass sie unter extremen Bedingungen auch natürlicherweise vorkommt, beispielsweise in Neutronensternen und Schwarzen Löchern oder vielleicht sogar bei der rätselhaften Dunklen Energie...

Negative Masse im Zusammenhang mit Dunkler Energie könnte ich noch eher nachvollziehen, aber bei Neutronensternen und Schwarzen Löchern, wenn da die Negative Masse / Negative Energie die Überhand hätten:
warum wirken diese dann auf andere Massen gravitativ und nicht abstoßend ?
 

kirk11

Mitglied
Zur Abrundung ist dieser Artikel nicht schlecht, allerdings schon von 2001:


Etwas schwergewichtiger ist da schon dieses Buchkapitel:


woraus ich folgendes zitieren möchte:

...Nachdem Feynman erst einmal die Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins auf seine ganz eigene Weise hergeleitet hatte, beschäftigte er sich auch ausführlich mit den Konsequenzen dieser Theorie. Dabei fiel ihm etwas Bemerkenswertes auf: Die Gesamtenergie des Universums könnte tatsächlich gleich null sein!

Zumindest ergibt sich dies, wenn man die damals nur annähernd bekannten Parameter wie Dichte und Ausdehnungsrate des Universums zugrunde legt: negative Gravitationsenergie und die in der Masse der Materie eingesperrte positive Energie haben dann dieselbe Größenordnung.

In Einsteins Gravitationstheorie hat das Universum allerdings nur dann die Gesamtenergie null, wenn die Materie darin eine bestimmte mittlere Dichte aufweist, die man als kritische Dichte bezeichnet. Moderne Messungen zeigen, dass das Universum offenbar tatsächlich genau diese kritische Dichte aufweist, die einer Masse von knapp sechs Wasserstoffatomen pro Kubikmeter entspricht − wobei es natürlich nicht unbedingt Wasserstoffatome sein müssen...
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Bevor man sich an "negativen" Energien festfrisst oder diesem Umstand sogar tiefgründige Bedeutung zuschreibt, sollte man wohl den banalen Umstand aus der klassischem Mechanik bedenken, dass die gravitative Potentialenergie eigentlich nur bis auf eine willkürliche Konstante bestimmt ist. Diese Konstante wählt man üblicherweise aus reiner Bequemlichkeit so, dass die Potentialenergie in unendlichem Abstand verschwindet, was dann zur Folge hat, dass sie überall sonstwo dann negativ ist:

U (r) = - G m M / r

Je geringer der radiale Abstand r der Testmasse m zum Zentrum der Masse M ist, desto negativer oder tiefer wird das Potential. Man spricht bildlich von einem Potentialtrichter (potential well), in den die Testmasse wie eine Murmel hinein stürzt. Dabei nimmt die Geschwindigkeit v und die kinetische Energie E_kin = (m/2) v² zu. Die Gesamtenergie ist dann eine Erhaltungsgröße

E = E_kin + U(r) = (m/2) v² - G m M / r = 0

Die absolute Höhe der Konstante ist aber reine Konvention und insofern hat das Vorzeichen der Energie auch keine tiefsinnige physikalische Bedeutung.
 

kirk11

Mitglied

@ P_E_T_E_R

Danke für Deine obigen Ausführungen.

Ich finde jedenfalls die Formulierung Die Gesamtenergie des Universums ist null (selbst wenn sie mathematisch punktgenau stimmen sollte, was ja mW noch keineswegs in Stein gemeißelt ist...) sowieso sprachlich reichlich unglücklich gewählt..

Z.B. eine Formulierung wie der mathematische Durchschnittswert der Energie im Universum ist 0 wäre in diesem Fall mE semantisch wesentlich sinnvoller.

Das würde aussagen dass es im Universum eben zwei gegensätzliche Energieformen (positiv + negativ) größenordnungsmäßig in Balance gäbe.

Wenn man als Beispiel wiederum 2 Photonen, welche sich (aus einem Startpunkt) in genau gegensätzliche Richtung bewegen, heranzieht, dann wäre es doch etwas seltsam wenn man es so formulieren würde:

Die Gesamtgeschwindigkeit der beiden Photonen ist null (weil sich deren Geschwindigkeiten aus Sicht des Nullpunktes / Startpunktes neutralisieren...)

Man könnte es sogar noch weiter treiben und behaupten: die Gesamtenergie des Universums ist doppelt so groß (wie angenommen), da für jede positive Energie die gleiche Menge an negativer Energie existiert (wenn diese Verteilung tatsächlich zutrifft).

Wenn man theoretisch von einem (Parallel-)Universum ausgeht, welches ausschließlich aus einem echten Vakuum besteht (also überall mit Energie = 0, ohne positive oder negative Energie), dann wäre die Gesamtenergie (auch) 0.

Aber was hätte dieses Universum mit unserem zu tun (obwohl es eine 100 % Übereinstimmung in diesem Punkt gäbe) ?

Abgesehen von solchen semantischen Feinheiten würde mich vor allem interessieren, wo denn nun tatsächlich der größte Brocken an negativer Energie steckt bzw. stecken soll.

Und hier meine ich konkret negative Energie welche sich auch als solche verhält, physisch vorhanden und verifizierbar ist (und nicht nur als ein Potential exisitiert, bei dem man nicht weiß wann es (bzw. ob es jemals) schlagend wird...)
 
Zuletzt bearbeitet:

kirk11

Mitglied
Kein so schönes Szenario für ein mögliches Ende unseres Universums:


Kosmologie: Fünf Erklärungen für die Dunkle Energie (unter Punkt 3)



und zuletzt noch

 

kirk11

Mitglied
Zitiert aus Big Rip - Wikipedia:

...Mit dem zugrunde gelegten Wert von w = -1,5 würde das Universum etwa in 22 Milliarden Jahren entarten...

Auch wenn dieses Szenario (mit diesem w-Wert) aus derzeitiger Sicht nicht so wahrscheinlich und auf der pessimistischen Seite ist:

es zeigt jedenfalls für mich einmal mehr dass ein besseres Verständnis des Bereiches Raumzeit / Vakuum (und den Vorgängen / Energien welche damit verbunden sind) von großer Bedeutung ist - u.a. dafür dass wir zu einem besseren Verständnis der langfristigen Entwicklung unseres Universums finden.

Aber zurück zum Thema (beschleunigte) Expansion des Universums:
auch nach den letzten Beiträgen sehe ich keine zwangsläufige Begründung, warum diese nicht einfach dadurch stattfinden könnte, weil die durchschnittliche Energiedichte (im Universum) laufend abnimmt.
Wenn bei kontinuierlich wachsendem Raumvolumen die durchschnittliche Energiedichte gleich bleibt (was ja zumindest für die Dunkle Energie überwiegend postuliert wird), dann wird die Gesamtenergie größer (und woher soll diese zusätzliche Energie kommen...)
Dunkle Energie wird als Energie mit +Vorzeichen angenommen (sonst könnte sie ja nicht auf der selben Seite der Gleichung wie bayronische und Dunkle Materie stehen) und ist gleichzeitig der wichtigste globale Faktor in Bezug auf die Energiedichte.

Eine überzeugende Darstellung für negative Energie in einem Umfang (in etwa) wie er für die positive Energie bekannt ist, habe ich bisher noch nicht gelesen, aber vielleicht kommt das ja noch...
 

kirk11

Mitglied
Beim Blog


möchte ich auf einige Punkte kurz eingehen:

...Für unser Beispiel hiesse das, für die Erzeugung von negativem Druck muss Energie aufgewandt und Arbeit verrichtet werden. Nicht anders sieht es bei der negativen Gravitation aus. Und damit sind wir mitten in unserem Problem. Negative Gravitation bedeutet antigravitative, also abstossende Wirkung. Diese manifestiert sich, wie wir gesehen haben, seit ca. 7 Milliarden Jahren in einer beschleunigten Ausdehnung des Universums...

Antigravitativ
war hier im Forum so eine 'no go'-Geschichte und auch bei Wikipedia wird das nur mit hypothetisch und Science Fiction in Verbindung gebracht.
Ich glaube dass die Verwendung von antigratativ in diesem Zusammenhang gerechtfertigt ist.

...Nach dem oben Gesagten verrichtet sie (die Dunkle Energie) darüber hinaus Arbeit am bestehenden System Raum, nämlich dessen kontinuierliche Expansion und müsste daher auch hierbei abnehmen. Der durch die Ausdehnung vergrösserte Raum speichert jedoch die aufgewandte Energie. Damit bleibt auch die Gesamtenergie des Systems Raum offenbar erhalten...

Das ist es was ich (mit meinen eigenen Worten) gemeint hatte: Die Raumexpansion funktioniert durch die Abgabe von Raumenergie (oder auch Vakuumenergie / Dunkler Energie), dessen Dichte dadurch abnimmt.

...Dass Einstein’s 100 Jahre alte Kosmologische Konstante Ʌ die bisher bekannten Eigenschaften der Dunklen Energie in sich schlüssig beschreiben kann, allerdings mit dem gegenteiligen Vorzeichen: die Vakuumenergie ist eine negative, abstossende Energie...

Für mich ist das an sich plausibel; allerdings wird Dunle Energie mW weitgehend als eine Energie mit positivem Vorzeichen betrachtet.
Dieser Punkt sollte eigentlich geklärt werden und diesbezüglich eine einheitliche Meinungsbildung und Wissensvermittlung geschafft werden.
 

kirk11

Mitglied
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt dass im Teil 4 dieses Blogs auf die Argumente eingegangen wird, welche zeigen sollen, dass der Energieerhaltungssatz möglicherweise doch verletzt werden kann:


...Jetzt liegt die Frage nahe: Sind Zeitsymmetrie und damit auch die Energieerhaltung absolute, universell gültige Parameter oder gibt es Situationen, für die sie nicht gelten, also gebrochen sind.Wir haben in diesem blog bei der Diskussion Dunkler Materie bereits andere Symmetriebrüche kennengelernt (vgl. z.B. https://cosmoblog.space/dunkle-mate...n-verhaltens-von-neutrinos-und-antineutrinos/ ). Die Frage ist also nicht unberechtigt. Wie wir wissen, krümmen nach der Allgemeinen Relativitätstheorie Materie und Energie den Raum und zwar in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Masse – also verschieden stark. Die diesbzügliche Raumsymmetrie ist dadurch gebrochen. Auf Grund der verschiedenen Verformbarkeit des Raums durch Materie bzw. Energie wird auch die Geometrie des Raums verändert. Experimente bzw. Vorgänge, die in verschieden geformten Raumsegmenten stattfinden, können durchaus auch zeitlich unterschiedlich ablaufen. Das heisst nichts anderes als dass im Universum auch die Zeitsymmetrie gebrochen ist! Damit gilt auch der Satz der Energieerhaltung nicht mehr. Die Dunkle Energie könnte demnach ohne Verletzung des Erhaltungssatzes zunehmen...

Ich finde diese Argumentation allerdings nicht so wirklich überzeugend - von gebrochener (Raumzeit-)Symmetrie (was ja schon seit langer Zeit bekannt ist) den direkten logischen Schluß zur Energieerhaltung zu wählen, finde ich schon ziemlich gewagt.

Wenn ich die Meinung vertrete dass es durchaus plausibel ist, dass der Dunklen Energie ein negatives (Energie-)Vorzeichen zuzurechnen ist, dann möchte ich aber doch anmerken, dass dies im Ganzen gesehen schon erheblich komplexer sein dürfte.
Auch Plus-Energie spielt da sicher eine Rolle (siehe z.B. Quantenfluktuationen) aber in der Gesamtbilanz gehe ich bei der DE von einem Überhang der Minus-Energie aus.
 

PSM

Mitglied
Ich finde diese Argumentation allerdings nicht so wirklich überzeugend - von gebrochener (Raumzeit-)Symmetrie (was ja schon seit langer Zeit bekannt ist) den direkten logischen Schluß zur Energieerhaltung zu wählen, finde ich schon ziemlich gewagt.

Hallo kirk11,

es gibt das sogenannte Noether-Theorem, das Symmetrien eines physikalischen Systems mit Erhaltungsgrößen assoziiert. Eine Symmetrie ist dabei eine stetige Transformation einer Variable des Systems, ohne dass sich die Physik ändert (etwas genauer: ohne dass sich die Wirkung bzw. Bewegungsgleichungen ändern).

Man kann nun folgende interessante Zusammenhänge beweisen:
- Ist ein physikalisches System invariant unter Translation der Zeit (t->t+dt), dann ist die Gesamtenergie erhalten (in der Mechanik kinetische + potentielle Energie).
- Ist ein physikalisches System invariant unter Translation des Raumes (x->x+dx), dann gilt Impulserhaltung (in x-Richtung).
- Ist ein physikalisches System invariant unter Rotation (phi -> phi + d(phi)), dann gilt Drehimpulserhaltung (bezüglich der Drehachse).

In der Kosmologie bricht die Expansion des Universums die Translationssymmetrie in der Zeit explizit, sodass es keine (globale) Energieerhaltung gibt (die ist in Allgemeiner Relativitätstheorie sowieso nicht so einfach zu definieren). (Technisch liegt das daran, dass es für die Robertson-Walter-Metrik kein globales zeitartiges Killing-Vektorfeld besitzt.) Allerdings gilt auch in der Kosmologie sehr wohl lokal Energieerhaltung.

Wenn du solche Aussagen aus diesen Artikeln wirklich genauer verstehen willst, dann führt nichts an einem Physikstudium (bzw. entsprechendes Eigenstudium) vorbei. Du solltest also die Ratschläge, die dir hier mehrfach mitgegeben wurden, nicht komplett ignorieren. Gerade in Quantenmechanik und Relativitätstheorie kommt man mit Intuition leider gar nicht weit. Deshalb sind solche Aussagen von dir wie "...finde ich schon ziemlich gewagt" keine gute Diskussionsgrundlage. Nichts für ungut, ist nicht böse gemeint. (Ich habe hier im Forum bereits als Schüler gepostet, darunter viel Unfug, den ich rückblickend am liebsten löschen würde - damals haben mir einfach zu viele Grundlagen gefehlt, um Aussagen, über die ich diskutieren wollte, überhaupt zu verstehen. Das habe ich aber erst mit dem Physikstudium realisiert.) Fragen stellen ist natürlich immer gut (und davon lebt ja ein Forum u.a.), aber wenn man sich im Kreis dreht oder als Laie einfach mal so sagt "Aussage X ist gewagt" oder "die Forschung soll doch endlich mal sich um Y kümmern", dann macht eine weitere Diskussion erstmal wenig Sinn.

Beste Grüße
Patrick
 

kirk11

Mitglied
Hallo Patrick,

zuerst vielen Dank für Deine Ausführungen.

Zum Thema Energieerhaltung (in Zusammenhang mit der Expansion des Universums) gibt es offensichtlich auch unter den Experten gegensätzliche Meinungen - das wird ja in dem zitierten Blog expliziert festgehalten.
Es wäre wohl zu viel von mir verlangt zu wissen, was nun tatsächlich Sache ist (wenn das der Fall wäre, dann würde ich nicht hier posten sondern mit meinem Wissen fett abcashen... ;) ).
Allerdings finde ich dass es mir freistehen sollte, dazu meine Einschätzung (auch) in der von mir gewählten Formulierung festhalten zu dürfen.
Ich bin der Erste der weiß, dass ich das in näherer Zukunft vielleicht wieder ganz anders beurteilen werde (und über meine jetzige Formulierung dann nicht so ganz glücklich sein werde), aber man kann sich halt nur nach seinem aktuellen Wissensstand artikulieren.
Selbst ein gewisses astrophysikalisches Jahrhundert-Talent hat ja in einem Punkt, welcher von der genannten Thematik nicht allzu weit entfernt ist, von seiner 'größten Eselei' gesprochen ;) (obwohl er dabei aus späterer Sicht wohl viel zu streng mit sich war...)

Prinzipiell finde ich es eigentlich gar nicht so wirklich prioritär, sich zum jetzigen Zeitpunkt allzu viel Kopfzerbrechen über Themen wie die Gesamtenergie des Universums oder die globale Energieerhaltung zu machen.

Solange da zentrale Faktoren wie die DM, DE sowie das Vakuum ganz allgemein noch nicht zu 100 % verstanden & analysiert sind (und es ist auch nicht gerade davon auszugehen, dass dies in einem Zeitraum von ein paar Jahren der Fall sein wird), ist es finde ich noch nicht möglich, sich diesbezüglich schon mit letzter Sicherheit festzulegen.
Es wundert mich deswegen wenig, dass es bei solchen Punkten auch unter den Profis stark divergierende Einschätzungen bzw. Theorien gibt.

Noch kurz zum Thema 'Negative Energie': wenn es hier vom astrophysikalischen Establishment eine mehr oder weniger einhellige Darstellung bzw. Definition dazu gäbe, dann müßte ich die ja einfach lesen - und das Thema wäre für mich in 10 - 15 Minuten abgehakt.
Diese konnte ich aber leider bisher nicht finden - vielleicht liegt's ja daran dass ich noch zu wenig oder falsch gesucht habe.
Natürlich kann's auch mal daran liegen dass ich eine zutreffende Erklärung nicht richtig verstehe (oder verstehen will...)

Aber warum schreiben dann (wieder einmal) auch die Profis Unterschiedliches bis Gegensätzliches zu diesem Thema ?
 

Nebelhorn

Mitglied
Hallo kirk11,

die Energieerhaltung folgt aus der Symmetrie der Zeittranslationsinvarianz. Dieser Zusammenhang ist bewiesen, weshalb man darüber nicht geteilter Meinung sein kann. Nach aktuellem Forschungsstand lässt sich jedoch grundsätzlich nicht beweisen, dass die Zeittranslationsinvarianz gilt. Man kann sie zurzeit nur falsifizieren.

Viele Grüße
Jörg
 
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Reaktion: PSM

PSM

Mitglied
Hallo kirk11,

du schreibst dreimal sinngemäß, dass sich die Experten bezüglich der Energieerhaltung in der Kosmologie uneinig wären (und einmal verweist du auf den Blog-Beitrag). Ich habe es gar nicht wahrgenommen, dass sich Kosmologen darin völlig uneinig wären. Die lokale Energieerhaltung im Sinne von Nullkomponente der Divergenz des Energie-Impulstensors = 0 ist jedenfalls in jedem Lehrbuch der Kosmologie zu finden. Dass man die dadurch gefundene Gleichung ebenfalls mit dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ohne Wärmeaustausch, nämlich dE=-pdV (siehe Blog-Artikel), herleiten kann, ist ebenfalls Standard (und wird in einer Kosmologie-Vorlesung für Studierende ohne Vorwissen in ART oft so gelehrt). Die Frage, wo die Energie des Photons hingeht, wenn dessen Wellenlänge doch wie E~1/a skaliert, also mit der Expansion abnimmt, wird in solchen Vorlesungen ebenfalls regelmäßig gestellt, und normalerweise wird dann auf das Noether-Theorem (s.o.) verwiesen (siehe auch z.B. hier). Ich kann also den von dir behaupteten Dissens unter Kosmologen nicht nachvollziehen.

Noch kurz zum Thema 'Negative Energie': (...)
Natürlich kann's auch mal daran liegen dass ich eine zutreffende Erklärung nicht richtig verstehe (oder verstehen will...)

Hast du denn Peters Beiträge dazu gelesen und verstanden?

Allerdings finde ich dass es mir freistehen sollte, dazu meine Einschätzung (auch) in der von mir gewählten Formulierung festhalten zu dürfen.

Du bist natürlich völlig frei (im Rahmen der Forenregeln), hier zu schreiben, was du willst. Die letzten fünf Beiträge vor meinem obigen Kommentar waren alle von dir ohne Zwischenantwort von anderen Forenteilnehmern. Das wundert mich keineswegs, denn
- deine Texte sind lang und unstrukturiert
- es ist oft nicht klar, was deine Frage bzw. dein Problem ist
- Fragen und Missverständnisse wiederholen sich
- dein Tonfall gegenüber Experten ist jedenfalls despektierlich, teils sogar unverschämt
- dieser Thread ist ein unübersichtlicher Sammelthread geworden, wo es oft nicht mehr um Dunkle Materie ging (z.B. ging es hier seitenweise um Schwarze Löcher, Dunkle Energie, Inflation, elementare Basics der speziellen Relativitätstheorie, etc.).
Im Ergebnis hat also vermutlich kaum noch jemand Lust, sich hier zu beteiligen. Ich habe mich zu dem Kommentar bezüglich Energieerhaltung und Noether-Theorem in der Kosmologie hinreißen lassen, weil es an sich ein interessantes Thema ist und du die Erklärungen in dem Blog-Beitrag dazu gar nicht verstanden (oder gelesen?) hast:
von gebrochener (Raumzeit-)Symmetrie (was ja schon seit langer Zeit bekannt ist) den direkten logischen Schluß zur Energieerhaltung zu wählen, finde ich schon ziemlich gewagt.
Wenn man in dem Blog-Beitrag den Abschnitt zu Noether, Symmetrien und Erhaltungssätze gelesen hat, kann man so einen Satz eigentlich kaum schreiben...

Obwohl schon 15 Jahre alt, finde ich folgendes Buch sehr schön zu lesen (wenn Mathematik vorkommt, dann nur auf Schulniveau der Mittelstufe):
Kosmologie für helle Köpfe
Dafür, dass das Buch die Grundlagen relativ akkurat beschreibt, ist es verblüffend verständlich.

Beste Grüße
Patrick
 

kirk11

Mitglied
Hallo kirk11,

du schreibst dreimal sinngemäß, dass sich die Experten bezüglich der Energieerhaltung in der Kosmologie uneinig wären (und einmal verweist du auf den Blog-Beitrag). Ich habe es gar nicht wahrgenommen, dass sich Kosmologen darin völlig uneinig wären. Die lokale Energieerhaltung im Sinne von Nullkomponente der Divergenz des Energie-Impulstensors = 0 ist jedenfalls in jedem Lehrbuch der Kosmologie zu finden. Dass man die dadurch gefundene Gleichung ebenfalls mit dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ohne Wärmeaustausch, nämlich dE=-pdV (siehe Blog-Artikel), herleiten kann, ist ebenfalls Standard (und wird in einer Kosmologie-Vorlesung für Studierende ohne Vorwissen in ART oft so gelehrt). Die Frage, wo die Energie des Photons hingeht, wenn dessen Wellenlänge doch wie E~1/a skaliert, also mit der Expansion abnimmt, wird in solchen Vorlesungen ebenfalls regelmäßig gestellt, und normalerweise wird dann auf das Noether-Theorem (s.o.) verwiesen (siehe auch z.B. hier). Ich kann also den von dir behaupteten Dissens unter Kosmologen nicht nachvollziehen.



Hast du denn Peters Beiträge dazu gelesen und verstanden?



Du bist natürlich völlig frei (im Rahmen der Forenregeln), hier zu schreiben, was du willst. Die letzten fünf Beiträge vor meinem obigen Kommentar waren alle von dir ohne Zwischenantwort von anderen Forenteilnehmern. Das wundert mich keineswegs, denn
- deine Texte sind lang und unstrukturiert
- es ist oft nicht klar, was deine Frage bzw. dein Problem ist
- Fragen und Missverständnisse wiederholen sich
- dein Tonfall gegenüber Experten ist jedenfalls despektierlich, teils sogar unverschämt
- dieser Thread ist ein unübersichtlicher Sammelthread geworden, wo es oft nicht mehr um Dunkle Materie ging (z.B. ging es hier seitenweise um Schwarze Löcher, Dunkle Energie, Inflation, elementare Basics der speziellen Relativitätstheorie, etc.).
Im Ergebnis hat also vermutlich kaum noch jemand Lust, sich hier zu beteiligen. Ich habe mich zu dem Kommentar bezüglich Energieerhaltung und Noether-Theorem in der Kosmologie hinreißen lassen, weil es an sich ein interessantes Thema ist und du die Erklärungen in dem Blog-Beitrag dazu gar nicht verstanden (oder gelesen?) hast:

Wenn man in dem Blog-Beitrag den Abschnitt zu Noether, Symmetrien und Erhaltungssätze gelesen hat, kann man so einen Satz eigentlich kaum schreiben...

Obwohl schon 15 Jahre alt, finde ich folgendes Buch sehr schön zu lesen (wenn Mathematik vorkommt, dann nur auf Schulniveau der Mittelstufe):
Kosmologie für helle Köpfe
Dafür, dass das Buch die Grundlagen relativ akkurat beschreibt, ist es verblüffend verständlich.

Beste Grüße
Patrick
Hallo kirk11,

du schreibst dreimal sinngemäß, dass sich die Experten bezüglich der Energieerhaltung in der Kosmologie uneinig wären (und einmal verweist du auf den Blog-Beitrag)...


Was ist an

Dunkle Energie Teil 5: Energieerhaltungssatz gilt uneingeschränkt​

so schwer zu verstehen ?

In dem Blog auf den ich mich beziehe werden eben BEIDE Standpunkte zum Thema Energieerhaltung dargestellt, und keiner davon als unmöglich ausgeschlossen.
Wenn Du das anders siehst - ok - dann solltest Du Dich aber mit Deiner Kritik wohl eher an den Blog-Autor wenden.
Mich haben die Argumente aus Teil 5 mehr überzeugt (als aus Teil 4), ich weiß nicht was daran so furchtbar sein soll.

...Die letzten fünf Beiträge vor meinem obigen Kommentar waren alle von dir ohne Zwischenantwort von anderen Forenteilnehmern...

Natürlich freue ich mich über konstruktives Feedback bzw. Diskussionbeiträge.
Wenn Du allerdings glaubst dass es mich kränkt, enttäuscht oder sonstwie stört, wenn auf meine Beiträge nicht direkt eingegangen wird, dann liegst Du falsch.
Wenn dies der Fall wäre, dann hätte ich meine Posting-Tätigkeit in diesem Thread längst eingestellt.
Keine Kommentare zu erhalten hat immerhin den Vorteil dass man seine Überlegungen ohne Unterbrechung darstellen kann.
 

kirk11

Mitglied
Ich finde das Thema 'Negative Energie' jedenfalls sehr spannend - speziell da ja im Raum steht dass es im Universum in etwa gleich viel negative wie positive Energie geben könnte.

In einigen Punkten blicke ich diebzüglich noch nicht so wirklich durch.

Das betrifft z.B. eine klare Definition was negative Energie aus astrophysikalischer Sicht ist, sowie auch deren Eigenschaften.
Bzw. was passiert wenn positive und negative Energie direkt aufeinander treffen ?
Sind positive und negative Energie in die Richtung zu interpretieren wie positive <-> negative elektrische Ladung, Teilchen <-> Antiteilchen (etc.), also als sich ergänzende Gegensatz-Paare ?

Wenn z.B. ein Feld mit negativer Energie Arbeit verrichtet, dann müßte sich dieses Feld noch weiter vom Energiezustand 0 entfernen.
Bei Energiezufuhr müßte sich wiederum eine Annäherung an 0 ergeben (bzw. wenn die zugeführte positive Energie > der vorherigen negativen Energie wäre, dann müßte das Feld wiederum Energie-positiv werden...)

Umgesetzt auf Dunkle Energie bzw. Vakuumenergie:
wenn man davon ausgeht dass dieser negative Energie zuzurechen ist (siehe dazu die entsprechenden Ausführungen aus
Dunkle Energie Teil 5: Energieerhaltungssatz gilt uneingeschränkt – cosmoblog )
dann würde die Verrichtung von Arbeit im Zusammenhang mit Raumzeit-Expansion dazu führen, dass diese dadurch einen noch höheren negativen Energie-Level aufweist.
Dieser energetische (Aufschaukelungs-)Mechanismus könnte mE eine Rolle spielen bei der beschleunigten Expansion des Universums.
 

M_Hamilton

Mitglied
Hallo Kirk,

da du einiges über Dunkle Energie geschrieben hast und dazu neues beitragen willst, kannst du uns kurz mit den Einstein-Feldgleichungen erklären:
  1. Was die kosmologische Konstante ist.
  2. Wie eine positive kosmologische Konstante zu einer beschleunigten Expansion des Universums führt.
  3. Warum die Dichte der Dunklen Energie, die durch die kosmologische Konstante beschrieben wird, bei der Expansion des Universums konstant bleibt.
Viele Grüße
Mark
 

kirk11

Mitglied
Hallo Kirk,

da du einiges über Dunkle Energie geschrieben hast und dazu neues beitragen willst, kannst du uns kurz mit den Einstein-Feldgleichungen erklären:
  1. Was die kosmologische Konstante ist.
  2. Wie eine positive kosmologische Konstante zu einer beschleunigten Expansion des Universums führt.
  3. Warum die Dichte der Dunklen Energie, die durch die kosmologische Konstante beschrieben wird, bei der Expansion des Universums konstant bleibt.
Viele Grüße
Mark
1. Was die kosmologische Konstante ist.

Was in etwa der aktuelle Stand der Forschung zum Thema kosmologische Konstante ist, kann jeder (u.a.) auf Wikipedia nachlesen:


Punkt 2 + 3 lassen sich auf die selbe Art und Weise erledigen: das Entsprechende in Google eingeben, den passenden Link anklicken et voilà...

Nun ist es aber so, dass (zumindest bei Punkt 3) der Stand der Forschung keineswegs nur in eine Richtung geht.

Siehe z. B.


und daraus zitiert:

...Unter Quintessenz versteht man eine Alternative zum Konzept einer kosmologischen Konstante: die kosmologische Konstante wird als fester, konstanter Wert einer Vakuumenergiedichte interpretiert, die das Universum homogen ausfüllt (siehe dazu auch Quantenvakuum). Die Quintessenz hingegen ist eine zeitlich veränderliche Dunkle Energie, die inhomogen den Raum ausfüllt. Mit der Ausdehnung des Universums nimmt die Energiedichte in Quintessenz-Modellen ab...

Ich bin jetzt auf Deine Punkte (einigermaßen) eingegangen; es wäre nur fair wenn auch Du noch auf meine Fragen zum Thema Negative Energie eingehen würdest.
Und wenn dann hoffentlich etwas spezifischer als mit Die Antwort liegt in den Einstein-Feldgleichungen...
 
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