Dunkle Materie & Dunkle Energie

[ThomasM]

Thema abgetrennt aus: Dunkle Materie-Teilchen

In dem aktuellen Spektrum der Wissenschaft gibt es einen sehr guten Artikel zum Stand der Forschung zu dunkler Materie und dunkler Energie.
http://www.spektrum.de/alias/inhaltsver ... 13/1190295

In dem Artikel wird sehr schön dargestellt, wie überwältigend vielfältig die experimentellen Hinweise auf dunkle Materie sind. Insbesondere die Tatsache, dass es eine sehr große Anzahl unabhängiger Messungen gibt (unabhängige physikalische Mechanismen), die sich durch das dunkle-Materie Standardmodell (es gibt ein WIMP Teilchen weakly interacting massive particle, schwach wechelwirkendes Teilchen mit grosser Masse) erklären lassen, macht es schwer, Alternativen zu formulieren. Aber es ist auch noch nicht gelungen, dieses WIMP zu identifizieren oder gar nachzuweisen oder zu messen.

Auch wenn es so einen Favoriten gibt, so werden doch alle möglichen Alternativen diskutiert. Das Problem ist wieder einmal, dass es nicht zu wenig Theorien gibt, sondern zu wenig Messergebnisse. Theorien gibt es eher zu viele.

Gruß
Thomas

[closs]

@ThomasM

Du weißt sicherlich besser als ich, dass es in vor-relativistischer Zeit die Theorie gab, dass irgend etwas den Raum erfüllen müsse (der Begriff liegt mir auf der Zunge - habs gerade vergessen), weil sonst etwas nicht aufginge. Durch den Paradigmenwechsel in relativistisches Denken war dieses vorher postulierte Phänomen plötzlich weggewischt. - Wie wäre theoretisch ein Paradigmenwechsel zu definieren, dass die Theorie der dunklen Materie mit einem Schlag nichtig wäre?

[Anton B.]

Du weißt sicherlich besser als ich, dass es in vor-relativistischer Zeit die Theorie gab, dass irgend etwas den Raum erfüllen müsse (der Begriff liegt mir auf der Zunge - habs gerade vergessen), weil sonst etwas nicht aufginge. Durch den Paradigmenwechsel in relativistisches Denken war dieses vorher postulierte Phänomen plötzlich weggewischt.

Die Äthertheorie hatte aber nunmal eine sehr diffuse "Erklärungsmacht". Und aufgrund der Relativitätstheorie mit ihren dezidierten "Gesetzen" wurde die Äthertheorie ein Opfer des Ockham'schen Rasiermessers.

Wie wäre theoretisch ein Paradigmenwechsel zu definieren, dass die Theorie der dunklen Materie mit einem Schlag nichtig wäre?

Warum muss man einen Paradigmenwechsel definieren? Wir haben Theorien und wir haben Beobachtungen. Die Theorien sind noch nicht voll augereizt (die "Lösungsmenge" ist noch nicht vollständig bestimmt) und wir hätten auch gerne mehr Beobachtungen um die Eigenschaften besser benennen zu können. Erst, wenn beide Arbeiten soweit getan sind, dass erkennbar das eine mit dem anderen nicht zusammen passt, würde der Ruf nach einer alternativen Theorie wirklich laut werden.

[closs]

Die Äthertheorie hatte aber nunmal eine sehr diffuse "Erklärungsmacht".

Danke - das Wort "Äther" war mir entfallen. - Wie auch immer: Wenn ich das (damals ) richtig verstanden habe, war die Äthertheorie Platzhalter für etwas ansonsten Unerklärbares - und hat als solches funktioniert, bis die Relativitätstheorie kam.

Warum muss man einen Paradigmenwechsel definieren?

Weil man nicht nur auf ein Pferd setzen sollte - es geht ja nicht um einen Angriff auf die Theorie(n) der Dunklen Materie.

Nein - rein als Denkaufgabe: In welche Richtung müsste man denken, wollte man dem Worst Case einer scheiternden Theorie der Dunklen Materie einen ganz anderen Ansatz entgegensetzen. - Ich denke, dass wäre doch eine Aufgabe für die theoretische Physik?!

[ThomasM]

Du weißt sicherlich besser als ich, dass es in vor-relativistischer Zeit die Theorie gab, dass irgend etwas den Raum erfüllen müsse (der Begriff liegt mir auf der Zunge - habs gerade vergessen), weil sonst etwas nicht aufginge. Durch den Paradigmenwechsel in relativistisches Denken war dieses vorher postulierte Phänomen plötzlich weggewischt. - Wie wäre theoretisch ein Paradigmenwechsel zu definieren, dass die Theorie der dunklen Materie mit einem Schlag nichtig wäre?

Der Begriff des Äthers ist ja schon gefallen. Einstein hat den Äther überflüssig gemacht, indem er zeigte, dass Wellen auch ohne Medium möglich sind. Das war ein Teil des Paradigmenwechsels, den er vollzogen hat.

Alternativen zur WIMP Theorie wären z.B. die nichtlineare Veränderung der Gravitationsmodellierung, d.h. zu sagen "wir müssen Einstein ergänzen", denn das würde auf eine Erweiterung der allgemeinen Relativitätstheorie herauslaufen. Diese Überlegung hatte sehr schöne Anfangserfolge, aber inzwischen gibt es Messergebnisse, die diesen Ansatz in Zweifel ziehen, die aber das WIMP Modell erhärtet.

Das WIMP Modell führt ja ein neues Teilchen ein. Statt eines einzelnen Teilchens kann man auch einen ganzen Zoo neuer Teilchen einführen. Aber das wäre ja das WIMP Modell, nur komplizierter.

Insgesamt kann man sagen, dass es zwar eine ganze Horde von theoretischen Überlegungen gibt, dass aber erst Messungen wirklich Entscheidungen bringen können. Und die sind in dem Gebiet teuer und schwierig. Der Planck Satellit, der die aktuelle Messungen möglich macht, war schon Millionen schwer. Aktuell werden neue Satelliten vorbereitet, die dann noch mehr können, aber auch noch mehr kosten.

Gruß
Thomas

[closs]

Insgesamt kann man sagen, dass es zwar eine ganze Horde von theoretischen Überlegungen gibt

Gibt es eigentlich diesbezüglich auch Überlegungen, die vom Physiker akzeptiert sind UND beim Christen zu Zungenschnalzen führen?

[ThomasM]

Gibt es eigentlich diesbezüglich auch Überlegungen, die vom Physiker akzeptiert sind UND beim Christen zu Zungenschnalzen führen?

Für die Physiker ist das Zungenschnalzen von Christen reichlich gleichgültig.
Interessanterweise war der eine Zeitpunkt, wo sich die Physiker als Zuarbeiter zum christlichen Glauben gefühlt hatten, als die Urknall Theorie bestätigt wurde. Die Physiker hätten lieber ein unendliches Universum gehabt. Aber die Fakten sind nun mal überwältigend und sprechen für den Urknall. Es gibt nur eine undankbare Gruppe von Christen, die damit auch nicht zufrieden sind.

Diese Gruppe (zu der z.B. R.F. gehört) ist auch mit der WIMP Theorie nicht zufrieden und auch mit keinem der alternativen Ansätze. Denn es kommt einfach nicht das heraus, was deren Meinung nach herauskommen muss, egal was die Fakten sagen. Insofern ist da keine Kommunikation möglich.

Dann gibt es die Gruppe von Christen, wie ich, die die Ergebnisse interessiert verfolgen, aber ohne eigene Meinung (ausser in nicht-christlichen Details), weil unser Glaube, unsere Gottesvorstellung und unser Bibelverständnis nicht davon abhängt, was die Physiker oder irgend jemand anderes in der Naturwissenschaft entwickeln. Das, was mir wichtig ist, ist durch keines dieser Entwicklungen in Frage gestellt und daher bin ich sehr neutral eingestellt.

Was würdest denn du als "Zungenschnalzen" betrachten? Einen Beweis für Gott gibt es nicht und wird es nie geben. Und die Ungläubigen werden die Naturwissenschaft immer als Ausrede für ihren Unglauben nehmen, egal welche Details darin sichtbar sind. Und eine Gruppe vernagelter Christen werden in der Naturwissenschaft immer Falsches sehen, weil ihre Glaubensvorstellungen nicht so herauskommen, wie sie das gerne verstehen.

Gruß
Thomas

[Pluto]

@ Alle

Ich habe diesen Teil-Thread eröffnet, um etwas tiefer die Themen der modernen Kosmologie einzusteigen, und Alternativen zu den vermuteten Elementen Dunkle Materie und Dunkle Energie zu diskutieren.

Als Einstimmung dazu, einen kurzen Auschnitt aus einem Interview mit dem Theoretiker Prof. Leonard Susskind, in dem er den Status dieser neuen Elemente des Kosmos darlegt. Auch wenn das Interview schon 5 Jahre alt ist. ist IMO immer noch aktuell.

[ThomasM]

Ich habe diesen Teil-Thread eröffnet, um etwas tiefer die Themen der modernen Kosmologie einzusteigen, und Alternativen zu den vermuteten Elementen Dunkle Materie und Dunkle Energie zu diskutieren.

Zusammenfassend kann man das folgende sagen.

Dunkle Materie macht sich dadurch bemerkbar, dass mehr Gravitationskraft beobachtbar ist als auf Grund der sichtbaren und sonstwie nachweisbaren Materie vorhanden ist. Vom Modell her ist die Energiedichte des Universums also größer als ewartet.

Das Standardmodell der dunklen Materie ist, dass es Teilchen gibt, die weder stark noch elektromagnetisch wechselwirken und sehr hohe Masse haben (eben die WIMPs). Man hat nur keinerlei Ahnung, was das für Teilchen sein können, denn in das Standardmodell der Teilchenphysik passt kein solches Teilchen. Daher nimmt man die exotischen Vermutungen zur Hilfe, wie z.B. die Annahme der Supersymmetrie, die einen ganzen Zoo von supersymmetrischen Partnerteilchen postuliert.
Nur ist die Supersymmetrie nach nunmehr 50 Jahren Forschung immer noch eine Annahme, es gibt keinerlei experimentelle Hinweise, dass diese Symmetrie stimmen könnte.

Ene mögliche Alternative wäre eine nicht-lineare Abwandlung der allgemeinen Realitivitätstheorie. Diese funktioniert bei den Bewegungen von Galaxien recht gut, hat aber bei anderen Phänomenen keinen Vorteil.

Weitere Exoten, die überlegt wurden, sind die Einführung zusätzlicher Dimensionen (was man bei der Supersymmetrie sowieso macht). Hier würden de normalen Kräfte nur über drei Raumdimensionen wirken, die Gravitation aber über mehr. Das würde auch erklären, warum die Gravitation so schwach erscheint. Macht man das richtig, würde man manche Phänomne der gravitativen Abweichung beschreiben können. Aber auch nur manche.

Bei der dunklen Energie sieht es noch problemtischer aus. Diese macht sich als Anti-Gravitation bemerkbar, indem sich das Universum entgegen dem gravitativen Druck immer schneller ausdehnt.

Die kennt man ja schon als kosmologische Konstante von Einstein. Aber eine solche Konstante wirkt wie künstlich aufgestopft und hat irgendwie "unphysikalische" Eigenschaften. Insbesondere sagt diese Setzung von Einstein nicht über die Quelle und Natur dieser Anti-Gravitation aus. Trotzdem ist das immer noch die einfachste Art und Weise, die dunkle Energie zu beschreiben.

Es gibt eine Theorie, die postuliert als Quelle der dunklen Energie ein neues Skalarfeld (also auch eine Art Teilchen). Dieses wird Quintessenz genannt. Damit wäre die dunkle Energie keine Konstante, sondern auch dynamisch erzeugt. Es gibt aber einige Messergebnisse, die nicht mit dieser Idee in Übereinstimmung gebracht werden können.

Das war es, was es aktuell an Ideen gibt.

Gruß
Thomas

[Pluto]

Zusammenfassend kann man das folgende sagen.

Danke für die schöne, kompakte Zusammenfassung.

Vom Modell her ist die Energiedichte des Universums also größer als ewartet.

Eine orignelle Art, die Auswrkungen der dunklen Materie zu beschreiben.

Das Standardmodell der dunklen Materie ist, dass es Teilchen gibt, die weder stark noch elektromagnetisch wechselwirken und sehr hohe Masse haben (eben die WIMPs).
Man hat nur keinerlei Ahnung, was das für Teilchen sein können.

WIMP = Weakly Interactiing Massive Particles.
Das bedeutet, man geht davon aus, dass es sich um ziemlich massereiche Teilchen handeln muss, die in den Galxien verteilt sind. Schliesst diese Idee das einzige bisher bekannte schwach wechselwirkende Teilchen, das Neutrino, aus?

Nur ist die Supersymmetrie nach nunmehr 50 Jahren Forschung immer noch eine Annahme, es gibt keinerlei experimentelle Hinweise, dass diese Symmetrie stimmen könnte.

Das ist ein allgemeines Problem der modernen theoretischen Physik. Einstein, Bohr, Schrödinger, Heisenberg, Pauli... alle haben sich nicht getraut, ohne experimentelle Bestätigung, seh weit voraus zu denken. Aber heute "erfinden" die Nachfolger mathematische Modelle wie Supersymmetrie Stringtheorie oder Multiversumstheorie, von denen man nicht einmal weiss, wie man sie bestätigen soll.

Ene mögliche Alternative wäre eine nicht-lineare Abwandlung der allgemeinen Realitivitätstheorie.

Meinst du damit MOND (= MOdified Newtonian Dynamics)?

Diese funktioniert bei den Bewegungen von Galaxien recht gut, hat aber bei anderen Phänomenen keinen Vorteil.

Mer als das, bei manchen Galaxientypen vermag MOND die Wirklichkeit nicht so recht darzustellen. Das Problem bei MOND ist, dass wr keinerlei Chance haben, sie zu bestätigen, weil um uns herum überall noch viel zu viel Masse vorhanden ist, als dass man die mnimalen Abweichung von Newton/Einstein messen könnte.

Weitere Exoten, die überlegt wurden, sind die Einführung zusätzlicher Dimensionen (was man bei der Supersymmetrie sowieso macht). Hier würden de normalen Kräfte nur über drei Raumdimensionen wirken, die Gravitation aber über mehr. Das würde auch erklären, warum die Gravitation so schwach erscheint. Macht man das richtig, würde man manche Phänomne der gravitativen Abweichung beschreiben können. Aber auch nur manche.

Das Problem hier, ist dass es keinen "natürlichen" Grun gibt, warum wir nur in 3 Dimensionen leben. Wer sagt uns, wie viele und welche Dimensionen "aufgerollt" werden, und so wieder verschwinden. Das wurde schon vor 30 Jahren durch Feynman beklagt:
Warum bleiben genau 3+1 Dimensionen übrig?

Es gibt eine Theorie, die postuliert als Quelle der dunklen Energie ein neues Skalarfeld (also auch eine Art Teilchen). Dieses wird Quintessenz genannt. Damit wäre die dunkle Energie keine Konstante, sondern auch dynamisch erzeugt. Es gibt aber einige Messergebnisse, die nicht mit dieser Idee in Übereinstimmung gebracht werden können.

Im Grunde haben die Kosmologen also keine Ahnung.

Das finde ich allerdings nicht weiter schlimm, weil sowohl Dunkle Materie (DM) als auch Dunkle Energie (DE) an der Grenze zum Unbekannten stehen, und ie Forscher est noch Instrumente bauen müssen um Daten zu sammeln. Möglicherweise steht uns sogar ein neuer Paradigmenwechsell bevor, der genauso tiefgreifende Auswirkungen auf die Physik haben wird, wie schon die RT oder die QM.