Das expandierende Universum - Gedanken dazu

[seeadler]

Ich möchte mich hier mit der Frage beschäftigen, und dies aus mehreren Blickwinkeln, warum das Universum eigentlich expandiert. Was ist die mögliche Ursache, und wohin soll die Reise eventuell gehen. Dabei möchte ich aus meiner Warte aus meine Ideen dazu hier vorstellen und weniger das, was allgemein in allen gängigen Fachbüchern aber auch einschlägigen Internetseiten nachzulesen ist. Dies dürfen gerne andere tun.

Diese Erkenntnisse daraus kann man ja den freien Gedanken gegenüber stellen, und dabei versuchen, herauszufinden, in wiefern man hier überhaupt etwas falsifizieren kann oder als eine "die gültige Aussage" als Richtlinie verwenden kann.

Was genau sehen wir eigentlich, wenn wir in den Kosmos blicken?

Wir sehen verschiedene Galaxien, die wir als solche benannten und klassifizierten, die aufgrund der Beobachtung unterschiedlich weit voneinander entfernt zu sein scheinen.

Wir stellen fest, jene Galaxien scheinen sich mit zunehmender Distanz zueinander um so "schneller" voneinander zu entfernen, je weiter sie entfernt sind. Dazu haben wir den Wert 2,3*10^-18 m/s pro Meter festgelegt, mit dem sich das Universum auf den absolut freien Raum bezogen auszudehnen scheint. So der anfängliche Stand der so genannten Hubble-Auswertung des expandierenden Raumes.

Mittlerweile scheint es Grund zur Annahme zu geben, dass das Universum aber beschleunigt expandieren würde. Hier stellt sich für mich zunächst die Frage, ist es eine lineare gleichförmige Beschleunigung, also mit einem einzigen Beschleunigungswert, wie ich ihn als Grenzmaß auch für die Erde selbst festlegen kann, jene 9,81 m/s²? Oder ist es eine ab- oder zunehmende Beschleunigung, wie in einem offenen Gravitationsfeld beispielsweise üblich, wenn ich die Beschleunigungswerte zwischen der Erde und dem Mond vergleiche?

Eine Beschleunigung setzt eine wie auch immer geartete Kraft voraus, selbst dann, wenn die Kraft - wie hier schon erwähnt wurde in diesem Forum - lediglich ein relativer Begriff zu sein scheint, also diese sogar selbst als "Scheinelement" auftritt, wie es bei der Kraft sein soll, die durch die Krümmung des Raumes anstelle einer aktiven Gravitation gemäß Newton verursacht werden soll.

Alle drei hierbei bereits angesprochenen Fakten können unter Umständen bereits etwas über eine mögliche Ursache der Expansion aussagen. Ist die Expansionsgeschwindigkeit als zwischen den Raumpunkten gesehen jeweils gleichbleibend? Also damals wie heute 2.3*10^-18 m/s? oder ist sie beschleunigt linear? Oder gar mit wachsender oder fallender Beschleunigung? Und wenn, wird dabei der Raum selbst gekrümmt?

Zu unterscheiden wäre hier natürlich noch ein statisches Universum oder ein Universum aus dem Urknall heraus? Genauso wie ja auch die Beziehung zwischen "Masse", "Raum" und "Zeit" : Hierzu stellt sich mir die Frage, wenn sich einer jener Faktoren verändert, verändern sich dann die anderen zwei Faktoren ebenfalls? Wenn ja, warum?

[ThomasM]

Wir sehen verschiedene Galaxien, die wir als solche benannten und klassifizierten, die aufgrund der Beobachtung unterschiedlich weit voneinander entfernt zu sein scheinen.

korrekt

Wir stellen fest, jene Galaxien scheinen sich mit zunehmender Distanz zueinander um so "schneller" voneinander zu entfernen, je weiter sie entfernt sind. Dazu haben wir den Wert 2,3*10^-18 m/s pro Meter festgelegt, mit dem sich das Universum auf den absolut freien Raum bezogen auszudehnen scheint. So der anfängliche Stand der so genannten Hubble-Auswertung des expandierenden Raumes.

korrekt

Mittlerweile scheint es Grund zur Annahme zu geben, dass das Universum aber beschleunigt expandieren würde. Hier stellt sich für mich zunächst die Frage, ist es eine lineare gleichförmige Beschleunigung, also mit einem einzigen Beschleunigungswert, wie ich ihn als Grenzmaß auch für die Erde selbst festlegen kann, jene 9,81 m/s²? Oder ist es eine ab- oder zunehmende Beschleunigung, wie in einem offenen Gravitationsfeld beispielsweise üblich, wenn ich die Beschleunigungswerte zwischen der Erde und dem Mond vergleiche?

Korrekt
Die Frage läßt sich zurzeit allerdings nicht beantworten.
Man könnte versuchen, die Beschleunigung als Funktion der Zeit zu messen. Dafür reichen die aktuellen Messmethoden nicht.
Oder man könnte es aus der Theorie herleiten. Aber es gibt noch keine Theorie.

Eine Beschleunigung setzt eine wie auch immer geartete Kraft voraus, selbst dann, wenn die Kraft - wie hier schon erwähnt wurde in diesem Forum - lediglich ein relativer Begriff zu sein scheint, also diese sogar selbst als "Scheinelement" auftritt, wie es bei der Kraft sein soll, die durch die Krümmung des Raumes anstelle einer aktiven Gravitation gemäß Newton verursacht werden soll.

Die einfachste Form dieser Kraft, eine abstoßende Gravitationskraft, hat uns bereits Einstein geliefert, ist also vereinbar mit der ART (und damit mit dem Bild der Gravitation = Krümmung des Raumes). Dies ist Einsteins berühmte kosmologische Konstante. Diese liefert eine konstante Beschleunigung.
Es gibt aber Bedenken mit dieser Modellierung und die Physiker versuchen, Alternativen zu entwicklen.
Eine mögliche Alternative ist die sogenannte "massive Gravitation". Diese nimmt an, dass die Gravitationskraft keine unendliche Reichweite hat. Bisher ist man davon ausgegangen, dass die entsprechende Theorie mathematisch inkonsistent ist, aber in den letzten paar Jahren ist man auf Wege gestoßen, diese konsistent zu formulieren.

Alle drei hierbei bereits angesprochenen Fakten können unter Umständen bereits etwas über eine mögliche Ursache der Expansion aussagen. Ist die Expansionsgeschwindigkeit als zwischen den Raumpunkten gesehen jeweils gleichbleibend? Also damals wie heute 2.3*10^-18 m/s? oder ist sie beschleunigt linear? Oder gar mit wachsender oder fallender Beschleunigung? Und wenn, wird dabei der Raum selbst gekrümmt?

Wenn sich das Universum beschleunigt ausdehnt, dann ist die Expansionsgeschwindigkeit zwischen Raumpunkten zunehmend.
Der Raum selber ist vermutlich - nach allem, was man aktuell weiß - nicht gekrümmt, sondern flach.

Zu unterscheiden wäre hier natürlich noch ein statisches Universum oder ein Universum aus dem Urknall heraus? Genauso wie ja auch die Beziehung zwischen "Masse", "Raum" und "Zeit" : Hierzu stellt sich mir die Frage, wenn sich einer jener Faktoren verändert, verändern sich dann die anderen zwei Faktoren ebenfalls? Wenn ja, warum?

Das Universum ist sicherlich nicht statisch.

Es kann sein, dass es keinen Urknall gegeben hat, aber es hat mit Sicherheit einen extrem dichten Zustand mit extrem kleiner Ausdehnung gegeben. Das erwarten eigentlich alle Physiker, weil es ein "unendlich klein" nicht gibt. Aber die Daten sagen ganz klar, es gab ein "ziemlich klein".

Raum und Zeit sind nach der ART miteinander verknüpft, Masse (Energie) ist dabei unabhängig.
Im Rahmen einer Quantentheorie könnte ein "leeres Universum" auch automatisch Masse enthalten über die Vakuumfluktuationen. Dann ist die automatisch mit drin. Da eine solche Theorie aber noch nicht bekannt ist, kann man nicht im Detail sagen, wie diese Zusammenhänge aussehen.
Nur ist eines sicher: einfach wird es vermutlich nicht.

[Pluto]

Ich finde seeadler hat einige gute Ideen postuliert.
Warum das Universum expandiert (nehmen wir an die Theorie der Standardkerzen ist richtig) ist eine Frage die man auch ohne Druck (Kraft) beantworten.

Könnte es sein, dass Expansion einfach eine Eigenschaft des Raums ist, wie es Prof. Sean Carroll in einem Blog beschreibt?

- Die Menge an dunkler Energie ist über den Raum und die Zeit konstant, sodass das Universum mit einer festen Beschleunigung expandiert.

- Die scheinbare Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien ist abhängig von ihrer Entfernung. Doch diese scheinbare Expansionsrate des Universums muss keine Geschwindigkeit sein. Carroll meint, man könne sie als eine Art Zeitskala betrachten. Es ist die Zeit die es braucht, damit das Universum die doppelte Größe erreicht.

[seeadler]

- Die scheinbare Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien ist abhängig von ihrer Entfernung. Doch diese scheinbare Expansionsrate des Universums muss keine Geschwindigkeit sein. Carroll meint, man könne sie als eine Art Zeitskala betrachten. Es ist die Zeit die es braucht, damit das Universum die doppelte Größe erreicht.

Der Begriff Geschwindigkeit impliziert sowohl Zeit als auch eine zurückglegte Strecke, also Raum und zeit. Das Problem, welches ich dabei sehe, hat etwas mit Heisenbergs Unschärfephänomen zu tun, mit dem Unvermögen, den Ort und die zeit gleichzeitig zu bestimmen, was aber zur Bestimmung von Geschwindigkeit notwendig ist. Handelt es sich dabei um ein gewaltiges Objekt wie das Universum kommt erschwerend hinzu, dass wir niemals in der Lage sind, die Ausdehnung zweier weit entfernter Objektpaare in exakt dem gleichen aufeinander abgestimmten Zeitraum wie mit einer Stoppuhr zu bestimmen. Dies sehe ich als unmöglich.

Darum lehne ich es ohnehin ab, hier von einer Geschwindigkeit zu sprechen, sondern belasse es dabei, dass sich der Raum zwischen den Massen innerhalb eines bestimmbaren lokalen Zeitraumes ausgedehnt hat.

Denn es ist zumindest aus meiner Sicht falsch, anzunehmen, die Objekte würden beispielsweise mit 100.000 km/s in einem Abstand von 4,5 Milliarden Lichtkahren voneinander weg fliegen. Was wir sehen können ist, dass sich der Raum innerhalb einer Sekunde offenbar um 100.000 km ausgedehnt hat, und genau dies ersehen wir aus der Rotverschiebung.

Es spielt zunächst also keine Rolle, ob sich zwischen dem Start eines Sportwagens und seinem Beschleunigungszielpunkt hier die Geschwindigkeit erhöht, vom Startpunkt bis zum Zielpunkt, oder ob sich hier der Raum zwischen den Wagen und dem Startpunkt in der gleichen Zeit vergrößert hat. Die Rotverschiebung dürfte nach meiner Überlegung die gleiche sein? (dies ist eine Frage?)

ich sehe dies wie in der folgenden vereinfachten Skizzierung:

0 -- 1 -- 2 -- 3 -- 4 -- 5 (die Punkte 1 bis 5 Stellen Galaxien dar, die in etwa gleich weit voneinander entfernt sind, zum Zeitpunkt 0 )

0 --- 1 --- 2 --- 3 --- 4 --- 5 Dies ist der Abstand der Galaxien nach einer zeiteinheit ; wie man unschwer erkennen kann, hat sich die Gesamtdistanz von 0 - 5 auf 5 * 1 Strich erhöht. Das Objekt nr. 5 ist also nicht 5 mal schneller, sondern ebenso schnell wie alle anderen Objekte; es hat sich lediglich von 0 aus gesehen um insgesamt 5 Striche weiter entfernt.

Um dies zu kontrollieren, müsste man jeweils zwei Objekte die gleich weit von uns aus entfernt sind, aber um einen bestimmbaren Winkel voneinander entfernt sind. Jene beiden Objekte muss man vorher und danach messen, und zwar exakt synchron. Erst dann können wir daraus schlussfolgern, hier hat sich der Raum an sich ausgedehnt.

Aber auch dies sagt noch nichts über eine mögliche Beschleunigung aus. Denn wenn tatsächlich eine Beschleunigung vorliegt, können die Hubblewerte nicht richtig sein, oder die Interpretation der Messung ist verkehrt.

Allerdings sagt dies etwas ganz anderes aus, das, was ich schon geschrieben habe in den anderen beiden Threads, was Scrypton so vehement ablehnt, nämlich : Jeder beliebige Raummeter im Kosmos dehnt sich im Durchschnitt um 2,3*10^-18 m in der Sekunde aus. Stand: Heutige Messung. Resümee : Vor 2 Milliarden Jahren hat sich das Universum mit der gleichen Geschwindigkeit ausgedehnt, wie vor 4 Milliarden Jahren, oder gar vor 6 Milliarden und auch noch früher.

Dies widerspricht keineswegs die Annahme, dass die Expansionsgeschwindigkeit am Anfang schneller gewesen sein muss. Denn man braucht ja nur den Wert c / a = relativ v heranzuziehen.....

Was wir eventuell dabei übersehen, ist, dass sich hierbei auch die Geschwindigkeit c relativ verändern muss. Denn wenn sich die einzelnen Raumpunkte (Quanten) innerhalb einer bestimmbaren Zeit ausdehnen, so wird auch die Geschwindigkeit der darin eingebetteteten Objekte ebenso relativ größer, nämlich um den Wert der Raumausdehnung. Das heißt, die tatsächliche Ausdehnungsgeschwindigkeit ist in der Gesamtgeschwindigkeit der Objekte enthalten.

Da bin ich dann wieder bei meinem Beispiel mit dem Dreieck der Geschwindigkeit, wo ich die Gleichung aufgestellt habe c² = (c-vb)² + ve²; welche besagt, dass die Summe der Geschwindigkeiten, die sich aus der Gravitation und aus den elektromagnetischen kräften ergibt, im Quadrat niemals größer sein kann, als das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit, also c². Jene Gleichung kann man auch auf das expandierende Universum anwenden.

soweit erst mal

[seeadler]

angenommen, bei jenen Hubblegeschwindigkeiten handelt es sich um eine in diesem Abstand resultierende Fluchtgeschwindigkeit in Abhängigkeit zu der "zurückliegenden Masse", so würden würden wir durch Verwendung der einfachen Formel 1/2 vf² / a die jeweilige Beschleunigung im entsprechenden Abstand zum Zeitpunkt t feststellen.
Nachdem ich dies gerade gerechnet habe, ergibt sich somit eine Beschleunigung in einem Abstand von 4,5 Milliarden Lichtjahren von relativ 1.17*10^-10 m/s². Und in einen Abstand von 2 Milliarden Lichtjahren nur noch 5,21* 10^-11 m/s². Der Beschleunigungswert reduziert sich also linear direkt proportional zum relativen Abstand, sprich dem Verlauf der Zeit. Vor 13,6 Mrd Jahren betrug sie demnach 3,6*10^-10 m/s².

Ich denke mal, man muss hier die Werte für die Ausdehnung umkehren?!

13,6 mrd Lichtjahre Entfernung ist auf die Zeit gerechnet und auf die Strecke der relative 0 punkt, der Start der Expansion, so ergeben sich folgende Werte daraus für +4,5 Mrd Lichtjahre = -9,1 Mrd. Lichtjahre = 5,8*10^-11 m/s²; und für + 2 Mrd. Lichtjahre = - 11,6 Mrd. Lichtjahre = 9*10^-12 m/s².

Resümee: Die mittlere Beschleunigung könnte somit abgenommen haben. Erweitert man diesen Gedanken, so hatte dieses Universum vor 4,5 Milliarden Jahren eine Masse von 6,45*10^51 kg und vor 2 Mrd Jahren 1,63*10^53 kg. Die Masse nähme demnach kontinuierlich zu

[Pluto]

- Die scheinbare Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien ist abhängig von ihrer Entfernung. Doch diese scheinbare Expansionsrate des Universums muss keine Geschwindigkeit sein. Carroll meint, man könne sie als eine Art Zeitskala betrachten. Es ist die Zeit die es braucht, damit das Universum die doppelte Größe erreicht.

Der Begriff Geschwindigkeit impliziert sowohl Zeit als auch eine zurückglegte Strecke, also Raum und zeit.

Vielleicht bewegt sich aber nichts?
Ich denke so meint es Prof. Carroll: Diejenigen Objekte die durch die Gavitation zusammen gehalten werden, bleiben so wie sie waren. Dazwischen aber, wo die Gravitation sehr schwach ist, entsteht neuer Raum.
In einem solchen Fall sind Bewegung und Geschwindigkeit nur eine Illusion.

Das Problem, welches ich dabei sehe, hat etwas mit Heisenbergs Unschärfephänomen zu tun, mit dem Unvermögen, den Ort und die zeit gleichzeitig zu bestimmen, was aber zur Bestimmung von Geschwindigkeit notwendig ist.

Nö. Das kann es nicht sein, weil Heisenbergs Unschärfe ein Quanteneffekt ist der sich im Kleinsten zeigt, aber nicht auf der größten Skala des Universums.

[Pluto]

Resümee: Die mittlere Beschleunigung könnte somit abgenommen haben

Angenommen, es gibt tatsächlich keine Beschleunigung, was dann?

[seeadler]

Resümee: Die mittlere Beschleunigung könnte somit abgenommen haben

Angenommen, es gibt tatsächlich keine Beschleunigung, was dann?

Dazu tendiere ich auch, schon weil ich hier das Universum mit dem Inneren einer homogen verteilten Masse vergleiche. Allerdings hätte die Beschleunigung der Expansion vermutlich keine Auswirkung auf die darin befindliche Masse. Trotzdem wirkt sie sich meiner Meinung nach auf den Wert der Gravitationskraft aus. Denn diese muss größer sein, je stärker die Expansion wirkt. Ansonsten müsste die Masse zerfallen, also sich auflösen... so meine Überlegung.

Das Problem, welches ich dabei sehe, hat etwas mit Heisenbergs Unschärfephänomen zu tun, mit dem Unvermögen, den Ort und die zeit gleichzeitig zu bestimmen, was aber zur Bestimmung von Geschwindigkeit notwendig ist.

Nö. Das kann es nicht sein, weil Heisenbergs Unschärfe ein Quanteneffekt ist der sich im Kleinsten zeigt, aber nicht auf der größten Skala des Universums.

es geht mir hier um die Unmöglichkeit der gleichzeitigen genauen Bestimmung von Ort und Zeit. Dies hat nicht unbedingt etwas mit der Größe zu tun

[Pluto]

Allerdings hätte die Beschleunigung der Expansion vermutlich keine Auswirkung auf die darin befindliche Masse.

Stimmt!
Ein Folge der Energieerhaltung ist auch die Erhaltung der Gesamtmasse des Universums.

An das Universum als Schwarzes Loch glaube ich allerdings nicht, denn dafür gibt es NULL Hinweise.

[Pluto]

es geht mir hier um die Unmöglichkeit der gleichzeitigen genauen Bestimmung von Ort und Zeit. Dies hat nicht unbedingt etwas mit der Größe zu tun

Da liegst du falsch. Das erkennst du schon an deinem Schreibtisch.
Heisenbergs Unschärfe wirkt sich nur auf der Ebene der Elementarteilchen aus. Im Makrobereich verschwinden diese Ungenauigkeiten im allgemeinen Rauschen der Signale.