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Singularität, Urknall, Energieerhaltungssatz

245 Beiträge, Schlüsselwörter: Urknall

Singularität, Urknall, Energieerhaltungssatz

11.04.2018 um 14:01
@schtabea
@hawak
hawak schrieb:Aus der ART folgt mathematisch, dass der Urknall ein Punkt in der Raumzeit war, der unendliche Dichte und unendliche Energie aufwies, weil die Einstein-Gleichungen unter dieser Bedingungen unendliche Werte annehmen.
Ich will das etwas genauer schreiben. Die ART gibt einen Formalismus an die Hand mit der man verschiedene Universen modellieren kann. Z.B. kann man bestimmte Parameter so anpassen das man ein statisches Universum erhält oder eines das sich verändert, z.B. ausdehnt.

Mathematische MOdelle wie sie in der Physik benutzt werden sollten die Realität richtig wiedergeben. Um das zu Überprüfen macht man Experimente und vergleicht die Resultate mit den Vorhersagen des mathematischen MOdells.

Mal eine ganz simple Analogie. Nehmen wir an wir haben einen Ball vor uns und möchten seine geometrische Form mathematisch beschreiben. Jeden Punkt auf der Oberfläche könnten wir dann so beschrieben:

r^2 = x^2 +y^2 +z^2


Dabei gibt r den Radius an und x,y und z die senkrechten Ortskoordinaten. Dies Formel gibt uns eine Anleitung wie wir z.B vom Mittelpunkt des Balles auf die Oberfläche gelangen. Wäre z.B. der Radius des Balles 6 m . Dann könnten wir zuerst 2m entlang der x-RIchtung gehen, dann 4 m entlang der y-Richtung und dann 4 m entlang der z-Richtung und wir würden uns auf der Oberfläche befinden denn:

r =\sqrt{ x^2 +y^2 +z^2} = \sqrt{ (2m)^2 +(4m)^2 +(4m)^2} = 6m


Wir könnten nun am Ball testen ob wir für alle Möglichkteiten von x, y, und z die für r = 6m ergeben auch tatsächlich an der Balloberfläche ankommen. Ist das so, ist die Hypothse nicht falsifiziert, also gültig und wird evtl. zur Theorie. Wir könnten dann weitere Aussagen machen z.B. wenn die SUmme von x2, y2 und z2 kleiner 6m, ist müssen wir uns innnerhalb des Balles befinden. DAs wäre jetzt erstmal nur eine Vorhersage könnte man aber auch experimentell testen.

Unsere Theorie könnte sich aber auch noch als falsch erweisen nämlich z.B. dann wenn wir den Ball rotieren. Durch die Fliehkraft dehnt sich der Ball an seinem Äquator aus und wir würden feststellen das unsere Formel (das Modell) nicht immer stimmt: nämlich genau dann nicht wenn der Ball rotiert. Die Oberfläche wäre dann nicht mehr 6m von der Oberfläche entfernt sondern mehr. Wir würden praktisch denselben WEg wie oben abngegebn zurücklegen aber noicht an der Oberflöche ankommen. ALos würden wir daraus schließen die Formel muss unter bestimmten Umständen falsch sein,Der Radius wäre dann nicht mehr konstant über die gesamt Kugel (die dann elliptisch wird) und würde auch davon abhängen wie schnell die Kugel rottiert. Man könnte aber nun eine Gleichung finden die diese Parameter berücksichtigt.

Dann hätten wir eine allgmeinere "Theorie" die nicht nur für ruhende Bälle sondern auch für rotierende Bälle gilt. Der ruhende Fall wäre dann nur noch ein Sonderfall mit der Rotationsgeschwindigkeit von 0. Anhand dieser Formel könnten wir nun auch versuchen ein Vorhersage zu machen für extreme Rotationsgeschwindigkeiten. Nehemn wir an wir hätten noch nie etwas von der Speziellen Relaativitätstheorie gehört dann könnten wir berechnen was mit dem Radius passieren würde bei unendlicher Rotationsgeschwindigkeit. Dabie wäre dann auch der Radius r unendlich groß. Unser Modell versagt offensichtlich ohne das wir experimentelle Überprüfungen machen müssen. Irgendwann würden wir rausfinnden das unendliche GEschwindigkeiten in der Natur gar nicht existieren sodass wir unser mathematisches Modell erneut modifizieren müssen und dabei auch die Unendlichkeit eliminieren. --> Keine unedliche Rotationsgeschwindigkeit --> kein unenldicher Radius.

Ganz ähnlich, nur etwas komplizierter verhält es sich mit dem "Urknall" in der Physik . Die ART, also die Gleichugnen die Einstein aufgestellt hat, erlauben verschiedene mathematische Modell eines universums zu schaffen. Man kann statische und dynamische Unversen modellieren. Im Vergleich mit unserem Beipiel: wir könnten verschieden große Bälle modellieren oder gar Würfel usw. Über Experimente haben wir dann aber rausgefunden das sich das Universum ausdehnt. Im Vergleich zu unserem Beipiel: Würfel können modelliert werden in der Realität werden aber nur runde Bälle endeckt. Würfel existieren in der Natur nicht.

Zurück zum UNiversum. Hublle hat entdeckt das sich das UNiverum asudehnt, also ein experimenteller Fakt. Man hat dann die Parameter der ART so angpasst das sich das mathematische "Modell"-UNiversum so verhält wie wir es sehen. IM Gegensatz zur Realität kann man nun am mathamatischen MOdell die Zeit rückwärts laufen lassen und sehen was passiert. UNd was passiert ist eigentlich logisch: Was sich in Zukunft laufend ausdehnt, schrumpft wenn man es rückwärts betrachtet.

Nun wen wir das UNiversum schrumpfen lassen erhöht sich ständig die Energiedichte bis irgendwann unser Modell selbst keien richtigen Vorhersagen mehr macht. Das ist so wie mit dem Ball der unendlich schnell rotiert. Irgendwann stimmen die VOrhersagen des Modells nicht mehr da das mathematische MOdell nicht vollständig ist.

SO muss man es auch sehen mit dem Urknall. Anhand der ARt kann man das MOdell beschrieben wie wir es heute sehen und auch zurückrechnen wie es mal gewesen sein muss. Aber nur bis zu einem gewissen Zeitpunkt. Dann versagt das Modell. Das ist dann einfach ein Zustand des UNiversums über den wir weder experimentelle noch theoretische Daten haben. WIr wissen darüber einfach gar nichts.


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hawak
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Singularität, Urknall, Energieerhaltungssatz

12.04.2018 um 14:35
schtabea schrieb:Ähm, noch eine : als was bezeichnet die Wissenschaft den Urknall selbst und die Anfangssingularität : Theorie, Hypothese, Modell, Spekulation, Glaube ?
Bei dieser Frage ist es relativ wichtig, auf Details zu achten, die (auch in wissenschaftlichen Beiträgen) gerne mal übergangen werden...

Mit unseren derzeit verfügbaren physikalischen Werkzeugen, wie ART und QM, gibt es keine Theorie, die den Urknall bzw. die (mathematische) Anfangssingularität beschreiben kann. Wenn es um die Modellierung eines solchen Urknalls geht, beginnen die Theorien zwangsweise nicht beim Zeitpunkt 0, sondern nach der ersten Planck-Sekunde.

Allerdings sind selbst in diesem kosmologischem Standardmodell (und in seinen Varianten) unangenehm viele Annahmen enthalten, die zwar dazu führen, dass wir die Dinge so beobachten können, wie sie die Modell vorhersagen, aber das ist wissenschaftlich durchaus dünnes Eis.

Das Standardmodell verlangt 'Dunkle Materie' und eine inflationäre Phase der Expansion des Universums - und zwar aus dem simplen Grund, weil es sonst nicht so aussehen würde, wie es eben heute aussieht. Selbst wenn sich diese Annahmen sehr gut in die Theorien integrieren lassen und auch elegante Voraussagen liefern, hat diese Argumentation für mich immer etwas fehlerhaftes.

Darüber hinaus existieren noch eine ganze Reihe weiterer Theorien, die ohne Singularitäten oder Inflation auskommen und durchaus ebenso ihre Berechtigung haben - auch wenn die große Mehrheit hinter dem Standardmodell steht.

Trotz alledem sind einige Tatsachen über unser frühes Universum bekannt: Es muss auf sehr kleinem Raum sehr heiß und geordnet gewesen sein - das zeigen uns theoretische Berechnungen und korrespondierende Beobachtungen.

Unterm Strich denke ich, Deine Frage wird Dir von hundert Kosmologen möglicherweise zehnmal unterschiedlich beantwortet.

Ich selbst halte die Urknall/Singularitäts-Theorien eher nicht für Theorien, sondern mehr für Modelle, die daraufhin geprüft werden, ob sie ein Universum hervorbringen, dass so aussieht wie unseres.

Falls es überhaupt einen Urknall (im Sinne einer Singularität) gegeben hat - was durchaus in Zweifel gezogen werden darf - muss erst noch eine vollständige überprüfbare Theorie darüber entwickelt werden.

@mojorisin
Vielen Dank für Deinen wie immer sehr anschaulichen und fundierten Beitrag. Super erklärt.


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Singularität, Urknall, Energieerhaltungssatz

13.04.2018 um 22:28
@hawak
@mojorisin

Muss ich als Laie auch mal erwähnen.
Du mojo, hast im Grunde hervorragend erklärt, wie Wissenschaft und Forschung funktioniert.
Das sollten sich so einige mal durchlesen, vor allem die ganzen Dunning-Kruger-Kandidaten und VT zugeneigten Spinner-Skeptiker.


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Singularität, Urknall, Energieerhaltungssatz

04.05.2018 um 01:41
Neues vom Urknall und ein letzter Gruß...

Prof. Thomas Hertog von der Katholischen Universität Leuven/Belgien und Prof. Stephen Hawking haben gemeinsam eine neue Theorie entwickelt, die am 27.04.2018 veröffentlicht wurde.

Es handelt sich dabei um Hawkings letzte Arbeit.

In dem Fachartikel mit dem Titel "A smooth exit from eternal inflation?" behandeln die beiden das Phänomen der sogenannten Inflation (oder besser gesagt, der angenommenen "ewigen Inflation"), also der sprunghaften Ausdehnung des Universums unmittelbar nach dem Urknall. Nach Meinung der beiden Theoretiker ist die Vorstellung einer ewigen Inflation, bei der sich in einzelnen Bereichen Taschenuniversen bilden, in denen die Inflation gestoppt wird, vermutlich falsch. Als Grundlage diente ihnen dabei interessanterweise die Stringtheorie.
"Wir sagen voraus, dass unser Universum auf den größten Skalen relativ glatt und global endlich ist. Es ist also keine fraktale Struktur", sagte Hawking, als er letzten Herbst auf die neue Theorie zu sprechen kamen.

Diese behauptet zudem, zuverlässigere Vorhersagen über die globale Struktur des Multiversums ableiten zu können. Ihren Annahmen zufolge ist dieses endlich und viel einfacher als die unendliche fraktale Struktur, die von der alten Theorie der ewigen Inflation vorhergesagt wurde. Das hätte logischerweise weitreichende Implikationen für das Multiversum-Paradigma.

derstandard.at - Artikel Stephen Hawkings posthum publizierte Theorie vereinfacht Multiversum
Der Standard - Stephen Hawkings posthum publizierte Theorie vereinfacht Multiversum

Der Artikel im Standard kann leider nur ohne Addblocker gelesen werden...


Hier noch ein Link zum ORF:

Hawking's letzte Arbeit


Hier ein Link zum Paper (englisch), dass ich als pdf auch angehängt habe:

A smooth exit from eternal inflation?

Dateianhang: a smooth exit from eternal inflation.pdf (488 KB)


Sowie die Transkription des Interviews mit Prof. Hertog (auch in englisch):

Interview


Und für alle jene, deren Englischkenntnisse ein wenig hinterher hinken, hab ich mal versucht, eben jenes Interview zu übersetzen. Ich weise aber darauf hin, dass meine Englischkenntnisse auch keine Zungenschnalzer bei native speakers auslösen würden... :D

Aber Google war hilfreich...

Spoiler
Stephen Hawking's letztes Paper, gemeinsam mit Co-Author Prof. Thomas Hertog erstellt, schlägt eine neue kosmologische Theorie vor, in der das Universum weniger komplex und endlich ist.


Prof. Thomas Hertog von KU Leuven und der verstorbene Professor Stephen Hawking von der Universität Cambridge haben eine neue Theorie des Ursprungs des Universums vorgelegt. Das Paper, Hawking's letztes, wurde jetzt im Journal of High Energy Physics veröffentlicht, trägt den Titel "Ein reibungsloser Ausstieg aus der ewigen Inflation?". Es hebt das unendliche Multiversum auf und schlägt einen strengeren Rahmen für die Kosmologie vor, der ein einfacheres und endlicheres Universum vorhersagt. Professor Hertogs Arbeit wurde vom Europäischen Forschungsrat unterstützt.

Interviewer: Sie stellen eine neue Theorie des Ursprungs des Universums vor. Was stimmt nicht mit dem aktuellen?

Prof. Hertog: Die vorherrschende Theorie des Urknalls wird ewige Inflation genannt. Es besagt, dass aus dem Urknall nicht nur unser eigenes Universum entstanden ist, sondern auch viele andere Universen - das sogenannte Multiversum. Sie können sich das Multiversum als ein Mosaik aus Taschenuniversen vorstellen, ähnlich wie Blasen in kochendem Wasser. Die Gesetze der Physik und Chemie können von einem Taschenuniversum zum anderen variieren. Einige Taschenuniversen enthalten Sterne und begünstigen Leben, andere sind fast leer. Das Problem mit der vorherrschenden Theorie ist, dass sie nicht viel über unser eigenes Universum sagt. Wenn die Skala verschiedener Taschenuniversen im Multiversum groß oder sogar unendlich ist, wie einige vorschlagen, ist alles möglich. Daher kann die Theorie nicht richtig getestet werden. Die zentrale Herausforderung für die moderne fundamentale Kosmologie besteht darin, das Multiversum in einen angemessenen, nachprüfbaren wissenschaftlichen Rahmen zu verwandeln. Mit unserer Arbeit machen wir einen Schritt in diese Richtung.

Interviewer: Wie behebt Eure neue Theorie das verbessert damit unser Verständnis des Universums?

Prof. Hertog: Unsere neue Theorie reduziert das riesige Multiversum auf ein viel überschaubareres und kleineres Spektrum möglicher Universen. Dies macht die Theorie prädiktiver und testbarer. Unser Modell basiert auf der Stringtheorie, einem Zweig der theoretischen Physik, der versucht, die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenphysik in Einklang zu bringen. Insbesondere verwendet es das neue Konzept der Holographie in der Stringtheorie, das postuliert, dass das Universum ein großes und komplexes Hologramm ist: die physikalische Realität in bestimmten 3D-Räumen kann mathematisch auf 2D-Projektionen auf einer Oberfläche reduziert werden. Wenn man sie auf die Kosmologie anwendet, impliziert der holographische Standpunkt, dass die Zeitentwicklung emergent, nicht eingebaut ist. In unserer Theorie entspringt das Universum, das sich in der Zeit entwickelt, aus einem zeitlosen Zustand beim Urknall. In unserer Arbeit stellen wir zu Beginn ein mathematisches Modell für den Zustand des Universums vor. Wir verwenden das dann, um vorherzusagen, welche Arten von Universen entstehen können. Wir finden, dass unsere Theorie vorhersagt, dass das Universum endlich und viel einfacher ist als die unendliche fraktale Struktur, die von der alten Theorie der ewigen Inflation vorhergesagt wird.

Wenn das alte Modell des Multiversums all diese Mängel hatte, warum hat es sich überhaupt durchgesetzt? Der Grund, warum das Multiversum populär und bis zu einem gewissen Grad ansprechend wurde, ist, dass es mit der Theorie der kosmischen Inflation einherging. Dies besagt, dass sich unser Universum in den frühesten Stadien seiner Evolution immer schneller ausbreitete. Inflation führt zu einem Muster von Variationen in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung - dem Nachleuchten des Urknalls. Der ESA-Satellit Planck hat die Hintergrundstrahlung sehr detailliert gemessen und ein Muster von Variationen in Übereinstimmung mit der Inflation gefunden. Die Inflation selbst sagt jedoch die Einzelheiten dieses Musters nicht voraus, und die ewige Inflation mit all ihren unterschiedlichen Taschenuniversen macht die Situation viel schlimmer. Sie könnten unsere Arbeit als eine Ergänzung der Inflationstheorie betrachten, die ihre Vorhersagen schärft. Es erklärt, wie die Inflation überhaupt angefangen hat.

Interviewer: Glauben Sie, dass das jemals überprüft werden kann?

Prof. Hertog: Theorien des frühen Universums können getestet werden, indem ihre Vorhersagen mit Satellitenbeobachtungen verglichen werden, insbesondere mit denen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung. Das Muster kleiner Temperaturschwankungen der Hintergrundstrahlung, die uns aus verschiedenen Richtungen am Himmel erreichen, sowie seine Polarisierung liefern uns eine Fülle von Informationen über die frühesten Stadien des Universums. Ich beabsichtige, die Implikationen unserer neuen Theorie für Merkmale unseres Universums auf Skalen, die in Reichweite unserer Weltraumteleskope liegen, in den kommenden Monaten genauer zu untersuchen. Im Allgemeinen sagt unsere Theorie voraus, dass es einen Beitrag von Gravitationswellen gibt, die während der Inflation zu dem Muster von kosmischen Mikrowellenhintergrundvariationen erzeugt werden. Die Beobachtung von Signaturen dieser Gravitationswellen vom Urknall wäre ein starker Hinweis, dass wir auf dem richtigen Weg sind.

Interviewer: Was bedeutet es wirklich, dass das Universum endlich ist und warum kann es nicht unendlich sein?

Prof. Hertog: Der entscheidende Punkt ist nicht so sehr die räumliche Größe, sondern die Tatsache, dass wir die Vielfalt verschiedener Regionen oder Taschenuniversen stark reduzieren. Wir sagen voraus, dass das Universum überall in etwa gleich aussieht, während dies in der alten Theorie der ewigen Inflation radikal anders war.

Interviewer: Den Ursprung und die Struktur des Universums verstehen. Ist es nicht eine zu anspruchsvolle Herausforderung für einen Wissenschaftler?

Prof. Hertog: Wir sollten ehrgeizig sein! Wir haben einen langen Weg in unserem Verständnis der Funktionsweise des Universums gemacht. Unser Ziel bleibt es, das Studium des Ursprungs unseres Universums vollständig in den Bereich der Naturwissenschaften zu bringen. Das heißt, wir wollen Theorien des Universums entwickeln, die sowohl mathematisch konsistent als auch beobachtbar sind. Natürlich könnten Sie denken, dass es eine fundamentale Grenze für das geben muss, was wir beobachten können und somit für das, was wir wissen können. Vielleicht gibt es das, wir wissen es einfach nicht. Aber wir sollten es unbedingt versuchen. Die reine wissenschaftliche Forschung ist schließlich eine der ehrgeizigsten und aufregendsten Missionen der Menschheit.

Interviewer: Denken Sie, dass Ihre Theorien die Art beeinflussen können, wie Menschen die Welt sehen und sich verhalten?

Prof. Hertog: Am Ende meiner ERC-Befragung fragte mich das Gremium, was ich meiner Meinung nach - für die Astronomie im Allgemeinen und darüber hinaus - für die breiteren Auswirkungen meines Projekts halten würde. Ich antwortete, dass eines der Ziele meines Projekts darin bestünde, moderne wissenschaftliche Methoden zu verwenden, um uralte Fragen wie "Warum ist das Universum so, wie es ist und was unser Platz im Großen Plan ist" zu klären und das meiner Meinung nach Astronomie und Kosmologie diese Fragen nicht scheuen sollten. Es ist grundlegend, worum es in diesem neuen Paper geht. Was mich an unseren Theorien des Kosmos am meisten beeindruckt, ist, wie sie uns ein einheitliches Verständnis der Realität vermitteln. Sie zeigen uns, dass die gesamte kosmologische Geschichte eng miteinander verbunden ist. Unsere Existenz hier auf der Erde ist tief verwoben mit dem, was beim Urknall passiert ist. Zum Beispiel sind die winzigen Temperaturschwankungen des Nachglühens des Urknalls die Keime für die Strukturen, die wir im heutigen Universum beobachten. Die moderne Kosmologie bietet eine Art Synthese, die stark betont, dass wir Teil einer besonderen kosmischen Evolution sind. Die alte kopernikanische Weltanschauung, die unsere Existenz und damit unsere Handlungen im großen Ganzen irrelevant machte, ist furchtbar veraltet.

Interviewer: Warum haben Sie sich um einen ERC-Zuschuss beworben und wie hat er Ihnen bei Ihrer Recherche geholfen?

Prof. Hertog: Diese Art von Arbeit ist ehrgeizig, risikoreich und liegt vollständig im Bereich der von Neugier getriebenen Grundlagenwissenschaften. Daher passt es sehr gut zu den Zielen und der Vision des ERC. Außerdem hatte ich das Gefühl, dass mein Projekt ein sehr spannendes Training für junge Studenten und Postdocs sein würde, die sich für die Schnittstelle zwischen Kosmologie und Hochenergiephysik interessieren. Mit meinem ERC-Stipendium habe ich eine Art Schule in theoretischer Kosmologie eingerichtet, die sich als fruchtbare und anregende Forschungsumgebung für neue Ideen in diesem Bereich erwiesen hat.



Bitte um Verständnis, dass ich das Paper selbst nicht übersetzt habe... :)


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hawak
ehemaliges Mitglied

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Singularität, Urknall, Energieerhaltungssatz

04.05.2018 um 18:53
@Blues666
Danke für die Informationen...

Bei der Gelegenheit darf man auch nochmal erwähnen, dass Hawking oft genug eigene Überzeugungen gerne über Bord geworfen hat, wenn sich entsprechende Indizien ergaben.

Das zeichnet meines Erachtens einen wirklich großen Geist aus: Nie die vermeintliche Wahrheit dogmatisch zu vertreten, nur um ihrer selbst Willen.

Mal abwarten, wie das Papier in der Fachgemeinde aufgenommen und kommentiert wird.


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