Physik vs Science Fiction

[Pyromancer]

Das Unviersum expandiert in dem Sinne das es immer mehr Raum in Anspruch nimmt. Es erschaft nicht 'mehr Universum'. Das würde das erste Gesetz der Thermodynamik verletzen.

Äh, ja, ein expandierendes Universum führt dazu, dass Energieerhaltung in großem Maßstab nicht gegeben ist. Ich dachte, dass sei Stand der Wissenschaft von vor Jahrzehnten.

[Agent Scullie]

Bitte erläutere (wenn möglich populärwissenschaftlich, damit wir Nicht-Astrophysiker auch was verstehen) deine Aussage "den Raum gibt es nicht" etwas genauer.

es gibt keinen vierdimensionalen Raum, in den der gekrümmte dreidimensionale Raum einbettet ist. Auf die Analogie der in einen dreidimensionalen Raum eingebetteten gekrümmten zweidimensionalen Fläche übertragen bedeutet das: den einbettenden dreidimensionalen Raum gibt es nicht, der dient nur Illustrationszwecken.

Ohne jetzt auf hypothetische oder modellhafte weitere Raumdimensionen eingehen zu wollen, hat uns die gute alte Schulphysik immer zu erklären versucht, dass bei der Urknalltheorie die Materie sich kugelförmig von einem Punkt in einem dreidimensionalen Raum ausdehnt

also wenn dir das im Physikunterricht in der Schule so beigebracht wurde, würde ich das nicht unbedingt als "gute alte Schulphysik" bezeichnen. Immerhin ist es aber ein Stück weit verständlich: die meisten Schüler - egal ob Grunschule, Sekundarstufe I oder Oberstufe - haben noch nicht das nötige Grundwissen, um gekrümmte Raumzeiten und expandierende Räume zu verstehen. Deswegen erzählt man ihnen halt etwas, das zwar nicht unbedingt 100%ig stimmt, aber vom Durchschnittsschüler zumindest verstanden werden kann. Du kannst dich aber immer noch glücklich schätzen: wir haben in der Schule in Physik nie Kosmologie oder auch nur Astronomie durchgenommen

Kurzum: was man dir da in der Schule beigebracht hat, vergiss lieber schnell, hast dadurch nichts verpasst.

- genauso wie Strahlung sich in alle Richtungen ausdehnt. Dass sich dabei in etwa eine Blasenform ergebe läge daran, dass sich seit der Entstehung die Materie vom Ausgangspunkt weg bewegt habe und darum eine Art "Hohlraum" im inneren des Universums ohne Sterne gebildet habe.

das kannst du getrost ganz schnell vergessen.

Wo genau liegt nun - laienhaft erklärt - der Unterschied zu dem Modell, von dem du aktuell sprichst?

es gibt keinen Anfangspunkt und keinen "Hohlraum im Inneren". Der dreidimensionale Raum ist mehr oder weniger homogen mit Galaxien/Galaxienhaufen/Superhaufen gefüllt. Einen einbettenden vierdimensionalen Raum gibt es nicht.

[Darth.Hunter]

Von vierdimensionalen Räumen sprach ich ja auch gar nicht, aber danke erstmal für die kurze Erläuterung.
Was mir dabei allerdings nun überhaupt nicht klar ist: Du sagst, es gäbe keinen Ausgangspunkt. Aber ist das nicht der Kern der Urknalltheorie, dass aus einem Punkt - einer Singularität heraus - das Universum entstand? Zumindest wurde das stets so uns gegenüber vermittelt.

[mimesot]

beim Zwillingsparadoxon sind die Bezugssystem der beiden Zwillinge nicht gleichberechtigt, weil zumindest eines von beiden kein Inertialsystem ist.

? Sagte ich das nicht ?

@ Energie borgen

Die QFT geht allerdings davon aus, dass man sich aus dem energetischen Pool bedient, um die Energieerhaltung zu geährleisten, muss diese Energie auch wieder zurückgegeben werden. Man spricht von virtuellen Teilchen meines wissen immer in einem Atemzug von Fluktiationen im Diracsee. Ich denke nicht, das man sich Energie aus dem Vakuum auf unbestimmte zeit leihen kann. Vielleicht ist das Maß nicht korrekt, aber einen Lebensdauer für die Fluktuation muss wohl existieren. Einen fundierten Gegenbeweis nehme ich natürlich auch gerne


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
mimesot schrieb nach 4 Minuten und 37 Sekunden:

BTW hat die Vakuumenergie eigentlich positivn Druck?


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
mimesot schrieb nach 12 Minuten und 35 Sekunden:

Noch was: Ja, die Heisenbergsche sagt das nicht aus. Sie stellt aber möglicherweise ein Maß für die Fluktuation bereit. E und t bilden eine Wirkung und werden sehr wohl vorallem in der Form E/hbar ~ Gamma (Halbwertsbreite) in furchtbar vielen QM überlegungen einbezogen. Hab ich erst kürzlich in einem Seminarvirtrag gehabt :-) Lediglich ob diese Interpretation auf die Nutzung von Vakuumsenergie übertragen werden darf, könnte man anzeifeln. Die Zeit in der Heisenbergschen wird aber üblicherweise als Messdauer interpretiert, und es bräuchte ein Gutes Argument, um die Messdauer nicht mit einer WW-Dauer gleichsetzen zu dürfen. Die aussage "das fällt eher unter die Kategorie populärwissenschaftliche Märchen" ist für einen beinahe-wissenschaftlichen Disput etwas zu plump. Ich bitte um eine alternative Formel für die Beschreibung einer Vakuumsfluktuation, dann will ich nicht mehr widersprechen.

Aber falls die Energieerhaltung nicht existiert: hier Möglich ist ja bekanntlich alles, aber ich würd ned dran glauben...

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Von vierdimensionalen Räumen sprach ich ja auch gar nicht, aber danke erstmal für die kurze Erläuterung.
Was mir dabei allerdings nun überhaupt nicht klar ist: Du sagst, es gäbe keinen Ausgangspunkt. Aber ist das nicht der Kern der Urknalltheorie, dass aus einem Punkt - einer Singularität heraus - das Universum entstand? Zumindest wurde das stets so uns gegenüber vermittelt.

würdest du unseren 3DRaum von deinem Standort aus mit einem (3D)Raster überziehen hätte jeder Kreuzungspunkt einen gewissen Abstand. Dieser Abstand vergrößert sich. Das heißt im Umkehrschluss das dieser Abstand einmal unendlich klein war. Deswegen spricht man umgangssprachlich von einem Punkt, dies ist aber kein Punkt in einem Raum sondern er stellt den gesamten 3D-Raum dar.

+ In dem in der Schule vorgestellten Sphärenmodell stellt der Radius keine Raumkoordinate dar sondern die Zeitachse dar

[Lukewarm]

@Darth_Hunter
Hätte das Universum seinen Anfang in einem Punkt im Raum, dann müsste man anhand der Bewegung der Galaxien einen Punkt im Raum extrapolieren können, an dem der Urknall statt fand. Wäre das Universum so beschaffen, wie du es dir vorstellst, dann würdest du mit "einem Blick über die Schultern" weit entfernt hinter dir den Startpunkt, also den Urknall sehen, und mit einem Blick nach vorne würdest du den Raum sehen, in den du dich hinein bewegst. Außerdem würdest du beobachten, dass sich Objekte "hinter dir" nicht so schnell von dir fort bewegen wie Objekte vor dir.

Dies ist jedoch nicht der Fall denn, wie es schon gesagt wurde, war der Raum selber diese "Singularität" und entstand erst mit dem Urknall. Tatsächlich ist es so, dass jeder Punkt im Universum als Mittelpunkt des Universums (fehl)interpretiert werden kann. Egal wo du dich im Universum befändest, du würdest überall das gleiche sehen: Alles würde sich von dir weg bewegen und das Universum sähe überall gleich aus. Du würdest nicht beobachten, dass die Objekte in der einen Richtung dichter gepackt sind, weil sie sich näher am Ausgangspunkt befinden, während die Objekte in der anderen Richtung weiter auseinander liegen, weil sie sich weiter von Ausgangspunkt entfernt befinden.

Die Sache ist eben, dass sich der Raum selber, wie schon gesagt wurde, ausdehnt, weshalb sich alles im Universum voneinander entfernt. Die Galaxien bewegen sich nicht etwa weil sie einen entsprechenden Impuls vom Urknall erhalten haben. Tatsächlich bewegen sie sich eigentlich gar nicht sondern der Raum bzw. die Distanzen zwischen den Galaxien vergrößern. Freilich bewegen sich Galaxien auf die Gravitationspotentiale, bspw. Galaxsenhaufen, in ihrer Umgebung zu, aber bewegen sich eben nicht selber aufgrund eines Impulses, den sie beim Urknall erhalten haben.

Stell dir dazu den berühmten Ballon vor, denn man an der Stelle zu Darstellung heran zieht. Stell ihn dir aber nicht mit den Punkten auf der Oberfläche sonder gefüllt mit Kügelchen vor. Diese Kügelchen liegen alle dicht bei dicht (beim Urknall hätten sie alle in einer Singularität zusammen gelegen). Nun stell dir einfach vor, dass sich der Raum zwischen den Kügelchen ausdehnt, ohne dass sich die Kügelchen selber bewegen, dann hast du eine eine grobe Annäherung an die Beschaffenheit des Universums, der es freilich an der Raumkrümmung fehlt, die dafür sorgt, dass du immer wieder an dem Ausgangspunkt deiner Reise zurück kehren würdest, wenn du stur in eine Richtung fliegst.

Im Grunde sind wir zweidimensionale Wesen, die auf einem dreidimensionalen Objekt leben und die sich dieser Tatsache mathematisch und physikalisch zwar bewusst, diese sich aber nicht zutreffend veranschaulichen können.

[HMS Fearless]

Also nur damit ich das richtig verstanden habe:

Es gibt nur das Universum, und ncihts anderes drum herum. Das Universum dehnt sich nicht wie eine Blase in einen leeren Raum hinein aus, weil es ausserhalb des Universums keinen leeren Raum gibt.

Es gibt kein 'ausserhalb des Unviersums', richtig?

Alles was nicht Universum ist, ist eine Art Nicht-Existenz?


Wenn ich darüber nachdenke stelle ich zwei Dinge fest:

1. ich kriege Kopfschmerzen.

2. erscheint mir der Gedanke gläubig zu werden und mich stur auf die Idee eines gottgeschaffenen Universums mit der Erde im Mittelpunkt zu versteifen plötzlich sehr atraktiv.

[Battleschnodder]

Ja, das wars ja was ich gesagt habe. Das es gibt kein NIcht-universum, weil dort weder Raum noch Zeit ist, weil da eben kein Licht ist, das wäre dafür nötig.

Es kann keinen leeren Raum geben, ohne Licht, es kann GAR keinen Raum und GAR keine Zeit ohne Licht geben.

Natürlich kann man an die Grenze des Universums, jedenfalls kann das Licht das, wie sonst sollte es expandieren NUR ist an der absoluten Grenze keine Physik im eigentlichen sinne, sobndern die Urknallphysik (alpha zm Beispiel ist etwas kleiner und so weida)

Alles drumherum ist nicht nichtexistent, es ist nur ohne Raum und ohne Zeit, dass heißt also es erfüllt die Kriterien dei unser gehirn benötigt,. um etwas als existent zu registrieren nicht, ist aber.,.... naja, DA.

[McWire]

? Sagte ich das nicht ?

@ Energie borgen

Die QFT geht allerdings davon aus, dass man sich aus dem energetischen Pool bedient, um die Energieerhaltung zu geährleisten, muss diese Energie auch wieder zurückgegeben werden. Man spricht von virtuellen Teilchen meines wissen immer in einem Atemzug von Fluktiationen im Diracsee. Ich denke nicht, das man sich Energie aus dem Vakuum auf unbestimmte zeit leihen kann. Vielleicht ist das Maß nicht korrekt, aber einen Lebensdauer für die Fluktuation muss wohl existieren. Einen fundierten Gegenbeweis nehme ich natürlich auch gerne

Genau da liegt das Problem, dass man mit Vakuumenergie keine Kausalitätskette wie z.B. das Arbeiten von Maschinen antreiben kann.
Wenn diese Energie wieder zurückgegeben werden muss, aber vorher in Arbeit umgewandelt wurde, wie will man sie wieder zurückgeben?
Hört dann das entsprechende Arbeitsprodukt auf zu existieren?


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
McWire schrieb nach 6 Minuten und 26 Sekunden:

nur springt dir dabei der 2. HS der Thermodynamik zusammen mit der Entropie vor die Füße

Äh, ja, ein expandierendes Universum führt dazu, dass Energieerhaltung in großem Maßstab nicht gegeben ist. Ich dachte, dass sei Stand der Wissenschaft von vor Jahrzehnten.

Naja es gibt im Universum zwei grundlegende Effekte, die davon beeinflusst werden.

1) Die Vakuumenergiedichte des RZ-Kontinuum bleibt konstant.

Ein expandierendes Universum erschafft sich sozusagen selbst Energie aus seiner Expansion.
Die spannende Frage ist, was aus dieser Energie in einem kollabierten Universum würde... sie würd wohl wahrscheinlich verschwinden.

2) Durch die Expansion des Universum verlieren alle EM-Wellen mit der Zeit an Energie, z.B. auch die Hintergrundstrahlung, da sie rotverschoben werden und die Energie von EM-Strahlung ja direkt mit der Frequenz und Wellenlänge korreliert. (E=h*f)

Da stellt sich die Frage, ob die Effekt aus 1 und 2 exakt gleich groß sind und sich gegenseitg kompensieren, sodass auf das Universum bezogen die Energieerhaltung wieder stimmt.

[Lukewarm]

Es gibt nur das Universum, und ncihts anderes drum herum. Das Universum dehnt sich nicht wie eine Blase in einen leeren Raum hinein aus, weil es ausserhalb des Universums keinen leeren Raum gibt.

Vielleicht hilft dir dieser Artikel samt den weiterführenden Links weiter, die Topologie des Universums zu erfassen. Versuch allerdings gar nicht erst, dir einen vierdimensionalen Raum vorzustellen. Du wirst dir immer denken "Häh? Da muss doch irgendwo eine Grenze sein und dann ein leerer Raum dahinter".

[HMS Fearless]

Versuch allerdings gar nicht erst, dir einen vierdimensionalen Raum vorzustellen. Du wirst dir immer denken "Häh? Da muss doch irgendwo eine Grenze sein und dann ein leerer Raum dahinter".

jep genau das denke ich dauernd.

Das Bild das sich das Universum zwar ausdehnt aber es nichts gibt in das es sich hinein ausdehnt, passt irgendwie nicht in mein Vorastellungsvermögen.

[Darth.Hunter]

Danke Lukewarm, das war bisher die verständlichste Erklärung, auch der Artikel war sehr interessant. Wenn ich es also richtig sehe, grübeln selbst die hellsten Forscher über die geometrische Beschaffenheit unseres Universums nach (Hyperkugel, Trichter, Plane), wenngleich sich jeder von diesen Ansätzen auf die Urknalltheorie stützt.
Wobei die Vorstellung der Geometrie hier äußerst schwer fällt durch die Vierdimensionalität. Einen Tesserakt kann ich mir modellhaft noch relativ gut vorstellen, bei einer Hyperkugel scheitere ich bereits.

Ich denke der entscheidende Satz für mein Verständnis in deiner Erklärung war

Die Galaxien bewegen sich nicht etwa weil sie einen entsprechenden Impuls vom Urknall erhalten haben.

denn genau nach dem Schema hatte man versucht, uns das Thema in der Schule näher zu bringen, was bei mir dann für das fundamentale Missverständnis gesorgt haben dürfte.

Dennoch bleiben an einigen Stellen Fragen offen, z.B.:

• Warum geht man bei dem Modell zwingend von einem vierdimensionalen Raum aus? Und handelt es sich dabei um die Raumzeit nach Einstein oder um eine tatsächliche vierte Raumdimension ("Hyperraum")?
• Würde man nach dem Modell gehen, gäbe es nur in der von Materie durchzogenen Ausdehnung tatsächlich einen "Raum". Die Frage nach dem "außerhalb" würde man mit "nichts" beantworten.
  Doch hier stoße ich auch auf ein Gedankenproblem: Was genau soll das nichts außerhalb von dem nichts zwischen der Materie unterscheiden? Also z.B. von den großen Leerräumen zwischen Galaxienhaufen? Und hier bitte ich, verirrte Staubpartikel oder Strahlung mal außen vor zu lassen.
  Zurück zu unserem Raketen-Gedankenexperiment: Unser hypothetisch superschneller Rückstoßantrieb braucht kein materielles Medium, um sich zu bewegen. Warum also sollte sie sich also nicht bis über die maximale Ausdehnung von Sternen weiter bewegen können?

Was bei den Fragen ziemlich absurd erscheint, führt mich zu einer möglicherweise entscheidenden Frage: Als was definiert die Astrophysik "Raum"? Für mich hat der Begriff Raum bisher immer ein endliches oder unendliches Volumen gekennzeichnet, das entweder etwas beinhalten kann oder vollkommen leer ist. Wird nun aber die Behauptung aufgestellt, dass außerhalb des Universums kein Raum existiert, so kann diese Definition jedoch nicht zutreffen, da das Attribut "leer" ja auch hier gegeben ist.

Wenn du zu den Fragen noch interessante Infos aus der heutigen Wissenschaft hast, immer her damit Lukewarm

[Mondkalb]

jep genau das denke ich dauernd.

Das Bild das sich das Universum zwar ausdehnt aber es nichts gibt in das es sich hinein ausdehnt, passt irgendwie nicht in mein Vorastellungsvermögen.

Wenn man annimmt, dass das Universum in eine höhere Dimension eingebettet sein muss, um sich darin ausdehnen zu können, führt das zu einem unendlichen Regress: Diese fünfte Dimension müsste dann konsequenterweise auch in einen höher dimensionalen Raum eingebettet sein usw. weiter ...

[Pyromancer]

Zurück zu unserem Raketen-Gedankenexperiment: Unser hypothetisch superschneller Rückstoßantrieb braucht kein materielles Medium, um sich zu bewegen. Warum also sollte sie sich also nicht bis über die maximale Ausdehnung von Sternen weiter bewegen können?

Weil die Sterne überall im Universum sind. Es ist ja der Raum zwischen den Sternen, der sich ausdehnt, nicht die Sterne, die irgendwo hinfliegen und die man "überholen" könnte, um dahin zu kommen, wo noch keine Sterne sind.

[Agent Scullie]

Dennoch bleiben an einigen Stellen Fragen offen, z.B.:[LIST][*]Warum geht man bei dem Modell zwingend von einem vierdimensionalen Raum aus?

tut man doch gar nicht. Das ist doch genau das was ich dir erklärt habe: das vierdimensionale Einbettungsmedium für den gekrümmten 3D-Raum dient nur zu Veranschaulichungszwecken, es existiert nicht wirklich. Es gibt nur den dreidimensionalen Raum, dessen Krümmung sich über seine innere Geometrie definiert, über das was ein dem Raum interner Beobachter von der Krümmung wahrnimmt.

Und handelt es sich dabei um die Raumzeit nach Einstein oder um eine tatsächliche vierte Raumdimension ("Hyperraum")?

mit der Zeitdimension hat das nichts zu tun. Eine Einbettung, die die Zeit als Dimension berücksichtigt, würde einen fünfdimensionalen Einbettungsraum erfordern.

[*]Würde man nach dem Modell gehen, gäbe es nur in der von Materie durchzogenen Ausdehnung tatsächlich einen "Raum". Die Frage nach dem "außerhalb" würde man mit "nichts" beantworten.

eher würde man sagen, dass "außerhalb" selbst nicht definiert ist. Würde man in eine beliebige Richtung im Raum immer weiter fliegen, würde man nie an eine Grenze stoßen, wo der mit Materie gefüllte Bereich des Raumes aufhört.

Doch hier stoße ich auch auf ein Gedankenproblem: Was genau soll das nichts außerhalb von dem nichts zwischen der Materie unterscheiden? Also z.B. von den großen Leerräumen zwischen Galaxienhaufen?

die Leerräume zwischen den Galaxienhaufen kann man erreichen, indem man hinfliegt. Aber keine Flugbahn kann einen aus dem Raum selbst heraus führen

Du scheinst dich immer noch nicht von der Vorstellung gelöst zu haben, das Universum sei ein begrenzter Ausschnitt des Raumes, mit leerem materielosem Raum drum herum. Um nochmal die Analogie der Kugeloberfläche zu bemühen: die Voids sind Teilflächen auf der Kugeloberfläche, also innerhalb der Kugeloberfläche. Außerhalb des Raumes aber würde außerhalb der Kugeloberfläche bedeuten. Außerhalb der Kugeloberfläche gibt es aber nicht, da es den die Kugeloberfläche einbettenden höherdimensionalen Raum nicht gibt.

Zurück zu unserem Raketen-Gedankenexperiment: Unser hypothetisch superschneller Rückstoßantrieb braucht kein materielles Medium, um sich zu bewegen. Warum also sollte sie sich also nicht bis über die maximale Ausdehnung von Sternen weiter bewegen können?

weil es eine solche nicht gibt. Es gibt keine Grenze, wo die Sterne aufhören und sich leerer Raum anschließt. Der gesamte Raum ist mehr oder weniger homogen mit Galaxien gefüllt (von lokalen Inhomogenitäten wie Voids einmal abgesehen).

Was bei den Fragen ziemlich absurd erscheint, führt mich zu einer möglicherweise entscheidenden Frage: Als was definiert die Astrophysik "Raum"? Für mich hat der Begriff Raum bisher immer ein endliches oder unendliches Volumen gekennzeichnet, das entweder etwas beinhalten kann oder vollkommen leer ist. Wird nun aber die Behauptung aufgestellt, dass außerhalb des Universums kein Raum existiert, so kann diese Definition jedoch nicht zutreffen, da das Attribut "leer" ja auch hier gegeben ist.

es wird ja auch nicht die Behauptung aufgestellt, außerhalb des Universums existiere kein Raum, sondern dass "außerhalb des Universums" eine völlig sinnleere Wortkonstruktion ist.

Wenn du zu den Fragen noch interessante Infos aus der heutigen Wissenschaft hast, immer her damit Lukewarm

ich bin zwar nicht Lukewarm, aber ich hoffe das ist kein Hindernis


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Agent Scullie schrieb nach 5 Minuten und 36 Sekunden:

Das Bild das sich das Universum zwar ausdehnt aber es nichts gibt in das es sich hinein ausdehnt, passt irgendwie nicht in mein Vorastellungsvermögen.

du musst dich einfach mit der Vorstellung auseinandersetzen, dass ein gekrümmter n-dimensionaler Raum keine höherdimensionale Einbettung benötigt, um gekrümmt zu sein.

Die Expansion des Raumes ist nun einfach das Resultat einer bestimmten globalen Krümmung der Raumzeit (Robertson-Walker-Metrik). Für die gekrümmt Raumzeit gilt natürlich dasselbe wie für gekrümmte Räume: sie benötigt keine höherdimensionale Einbettung. Da also die Krümmung der Raumzeit keiner Umgebung bedarf, in der die Raumzeit gekrümmt ist, bedarf auch die aus der Krümmung der Raumzeit hervorgehende Expansion des Raumes keiner Umgebung, in die hinein der Raum expandiert.