Expansionrate des Universums

Peter0167 schrieb:Ich glaube, ich habs gefunden (bin mir aber nicht sicher):

Diskussion: Warum werden Funkwellen im All (Vakuum) übertragen? (Beitrag von Z.)

Damals war Z. noch dabei ... in den guten alten Zeiten.

Der gute, alte "Z" ist teilweise immer etwas "schwierig" zu lesen :)

Habe auch bei ihm hier wieder was gefunden, wo ich erstmal ins Grübeln komme:

Z. schrieb am 04.04.2019:In einem expandierenden Kosmos vagabundierende Photonen erleiden daher eine fortgesetzte Rotverschiebung; dies gilt insbesondere für die kosmische Hintergrundstrahlung (Kapitel 55). Physikalisch kann dies so gedeutet werden, dass die Photonen gegen das schwächer werdende Gravitationsfeld anlaufen und dabei Energie verlieren (so wie ein Stein, der sich von einem Stern entfernt).

Ist es nicht so, dass die Photonen nicht an Energie verlieren,
sondern nur ihre "kinetische Energie in "potentielle" umgewandelt wird?

Fragen uber Fragen ...

delta.m schrieb:... aber was mit der verlorenen Energie passiert steht da leider nicht ...

und

Peter0167 schrieb:Ja, das ist eine interessante Frage, die hier früher auch schon mal diskutiert wurde.

Ich glaube mich zu erinnern, dass die Energie wohl im Raum selbst gespeichert wird, und die Energieerhaltung in diesem Fall nicht zuständig sei, wei kein abgeschlossenes System, ... etc.

Stellt Euch mal vor, ihr leuchtet mit ner Taschenlampe eine Sekunde lang in Richtung eines sehr fernen Planeten, und der Strahl der Taschenlampe ist extremstens gebündelt, sodaß es am Ende auch als enger Strahl ankommt.

Das Licht hat ne bestimmte Wellenlänge, und es wird eine Sekunde lang kontinuierlich ausgestrahlt. Die Zahl der "Wellenberge" des Lichts dieser einen Sekunde sei X. Würde man dieses Licht am Ziel absorbieren, hätte man die Energie des Wertes Y aufgenommen.

Nun ist der Zielplanet weit entfernt, und bis das Licht dort angekommen ist, wurde es durch die Raumexpansion auf doppelt so große Wellenlänge gedehnt. Das Licht hat 50% seiner Energie verloren. Wo ist diese Energie hin? Steckt sie im Raum selbst, ist sie gar der energetische Preis, der für die Expansion gezahlt werden muß?

Nu lassen wir doch erst mal den Typen am Ziel das Licht empfangen. Was passiert? Empfängt er eine Sekunde lang? Nope, er empfängt zwei Sekunden lang halb so energetische Strahlung. 2 x 1/2 macht 1. Doppelt so lang halb so energetisches Licht zu empfangen ist die selbe Energiemenge. Die Zahl der Wellenberge des ankommenden Lichts ist noch immer X (doppelt so lange Wellen, doppelt so lange Strahlungsdauer am Ziel), und die absorbierte Energie ist noch immer Y. Da ist keine Energie aus der Strahlung raus und in irgendwas anderes rein gewechselt.

Licht geht also nicht wirklich auf mystische Weise in den Raum verloren, sondern nur in den Raum, über den sich das Strahlungspaket verteilt. Die Energie bleibt komplett in der Strahlung, nur eben die Strahlung verteilt sich. So sollte man das bei Wiki angesprochene

skagerak schrieb:Die Energie der Photonen geht in Form von Arbeit in die Expansion des Universums ein.

verstehen. Denn der Raum expandiert auch, ohne daß da gerade Strahlung durchgeht, also ohne daß Strahlung die Energie für die "Arbeit der Raumexpansion" liefert. Die Arbeit geht nicht in die Expansion des Raumes, sondern in die "Expansion" der Wellen.

perttivalkonen schrieb:... Die Arbeit geht nicht in die Expansion des Raumes, sondern in die "Expansion" der Wellen.

Gute Erklärung :Y: @perttivalkonen

Mir ist aber immer noch nicht klar,
warum sich das Licht "auseinanderziehen" lässt.

Da es für sein Vorankommen kein Medium braucht (anders wie der Schall z.B.),
wundert es mich, dass es sich durch die Raumexpansion beeinflussen lässt.

@perttivalkonen
Die Idee hatte ich auch mal. Problem an der Vorstellung ist aber, dass die Energie einer Elektromagn. Welle auch von der Amplitude abhängt. Und die sollte beim "auseinander ziehen" auch kleiner werden, wodurch sich dann die Gesamtenergie verringert. Ansonsten müssten bei dir Photonen aus dem nichts entstehen.

delta.m schrieb:Mir ist aber immer noch nicht klar,
warum sich das Licht "auseinanderziehen" lässt.

Weil der Raum auch zwischen zwei Wellenbergen expandiert.

Chemik schrieb:Problem an der Vorstellung ist aber, dass die Energie einer Elektromagn. Welle auch von der Amplitude abhängt. Und die sollte beim "auseinander ziehen" auch kleiner werden, wodurch sich dann die Gesamtenergie verringert.

Ne Zentimeterwelle mit 10cm Wellenlänge hat ne Frequenz von 3 GHz und ne Photonenenergie von 2 x 10^-24 J bzw. 12 Mikroelektronenvolt. Eine mit 1cm Wellenlänge hat ne Frequenz von 30GHz und ne Photonenenergie von 2 x 10-23 J bzw. 120 Mikroelektronenvolt.
Wikipedia: Elektromagnetisches Spektrum

Das klingt mir irgendwie nach:

Beim photoelektrischen Effekt ist die kinetische Energie nicht von der Amplitude der Strahlung abhängig, sondern wächst linear mit der Frequenz.

Wikipedia: Elektromagnetische Welle

Ganz wie ich schrieb: am Ziel absorbiert der Empfänger genauso viel Energie (Wirkungsgrad mal außen vor gelassen), wie am Anfang losgeschickt wurde.

@perttivalkonen
Die Energie einer Elektromagn. Welle ist proportional zu
- der Amplitude A (je heller die Lampe desto höher Energie)
- der Frequenz f (blaues Licht ist energiereicher als rotes)
- der Pulsdauer/-länge L (je länger die Lampe Leuchtet desto mehr Energie wird frei)

Für die Gesamtenergie E ergibt sich dann:


Alternativ lässt sich die Gesamtenergie der Strahlung auch aus der Energie eines Photons (h f) und der Anzahl der Photonen N berechnen:



Daraus kann man ablesen, dass die Amplitude ein Maß für die Photonendichte (N/L) ist:



Wenn wir dies wieder in die erste Gleichung einsetzen erhalten wir:



Du behauptest jetzt korrekterweise, dass in der ersten Gleichung f L bei der Rotverschiebung konstant bleibt, hast dabei aber übersehen, dass die Änderung von L auch die Photonendichte ändert.

PS: Wenn du das nicht verstehst, daran überlege dir mal, was passiert, wenn der Sender nur genau ein Photon zum Empfänger schickt.

Peter0167 schrieb:RayLight schrieb:
Es wurde festgestellt das SNIa nicht immer gleich hell leuchten

Ich kenne das/die Verfahren mit denen das festgestellt wurde zwar nicht, aber benötigt man dafür nicht eine verlässliche Entfernungsangabe? :)

Die Verfahren die verwendet wurden habe ich beschrieben, nein dazu bedarf es keiner verlässlichlichen Entfernungsangabe da es um Lichtkurven geht die bei unterschiedlicher Zusammensetzung von SNIa differieren.

Peter0167 schrieb:Dann bleiben uns also nur noch die Cepheiden und die kosmische Rotverschiebung zur Entfernungsbestimmung. Wenn die auch irgendwann mal "wegbrechen", ... dann stehen wir wieder janz am Anfang. Beruhen denn die Aussagen zur beschleunigten Expansion nicht auch auf den ermittelten Entfernungen von Galaxien ... nicht das wir es am Ende doch noch mit einem statischen Universum zu tun haben :D

Ohne Eichmethode sind ermittelte Entfernungen von Galaxien Mumpitz. Ein statisches Universum liegt sicher nicht vor da die Expansion an sich alleine mittels photometrischer Effekte überprüft werden kann. Es geht um die Frage ob die dunkle Energie möglicherweise gar nicht existiert um die beschleunigte Expansion erklären zu können.

@Peter0167

Chemik schrieb:Die Energie einer Elektromagn. Welle ist proportional zu
- der Amplitude A (je heller die Lampe desto höher Energie)

Sagen wir mal so: die Helligkeit einer Lampe verändert sich a) mit der veränderten Größe des Strahlenpakets, b) mit der veränderten Wellenlänge und c) für den Beobachter mit der veränderten Größe der beschienenen Fläche.

Wenn Du mit ner Lichtquelle ein Strahlenpaket aussendest, dann bleibt a) erst mal unverändert. B verändert sich dank der Raumexpansion, und c) verändert sich, wenn die Strahlung z.B. in Form eines Kegels abgeht. Wegen der Raumexpansion bildet der Laserstrahl natürlich ebenfalls einen Kegel, klar, also Fall c). Aber auch da gilt, wenn Du die absorbierte Energie der gesamten "beschienenen Fläche" absorbierst, hast Du wiederum die gesamte anfangs emittierte Energie. Ist das selbe in Grün wie b). In meinem Bild bin ich von quasi Punktstrahlung ausgegangen, deswegen bin ich auf diesen Aspekt nicht eingegangen, ich wollts nicht verkomplizieren.

Chemik schrieb:PS: Wenn du das nicht verstehst, daran überlege dir mal, was passiert, wenn der Sender nur genau ein Photon zum Empfänger schickt.

*lach* Na das beantworte Dir besser selber. (Kleiner Tip, hat was mit Nichtverkomplizierenwollen zu tun. Oder anders, benenn mal die Wellenlänge eines Teilchens. Oder das variierende Ergebnis beim Doppelspalt-Experiment mit nur einem Photon.)

perttivalkonen schrieb:Nun ist der Zielplanet weit entfernt, und bis das Licht dort angekommen ist, wurde es durch die Raumexpansion auf doppelt so große Wellenlänge gedehnt. Das Licht hat 50% seiner Energie verloren. Wo ist diese Energie hin? Steckt sie im Raum selbst, ist sie gar der energetische Preis, der für die Expansion gezahlt werden muß?

In der ART liegt ein Energieerhalt nur bei zeitartigen Killingvektorfeldern vor.

@perttivalkonen

perttivalkonen schrieb:Wenn Du mit ner Lichtquelle ein Strahlenpaket aussendest, dann bleibt a) erst mal unverändert. B verändert sich dank der Raumexpansion, und c) verändert sich, wenn die Strahlung z.B. in Form eines Kegels abgeht. Wegen der Raumexpansion bildet der Laserstrahl natürlich ebenfalls einen Kegel, klar, also Fall c). Aber auch da gilt, wenn Du die absorbierte Energie der gesamten "beschienenen Fläche" absorbierst, hast Du wiederum die gesamte anfangs emittierte Energie. Ist das selbe in Grün wie b). In meinem Bild bin ich von quasi Punktstrahlung ausgegangen, deswegen bin ich auf diesen Aspekt nicht eingegangen, ich wollts nicht verkomplizieren.

In welcher Theorie soll das so sein?

@perttivalkonen

@RayLight
Ich bin hier Laie. Und zwar ein solcher Laie, daß mir manches Fachvokabular udgl. abgeht. Daher weiß ich nicht wirklich, was Du mit dem ersten Post sagen wolltest. Versuchs mal umgangssprachlich. Auch da, wo ich ein wenig mehr weiß, versuche ich es lieber umgangssprachlich auszudrücken. So, was die "Helligkeit" einer Lampe betrifft - für den Beobachter. Und das funzt in der Realität, nicht in einer bestimmten Hypothese (was Du wohl meintest; alternierendes zum selben Phänomen heißt ja nicht Theorie). Und da hab ich es doch eigentlich korrekt benannt. Die Helligkeit einer Lampe hängt a) von der Strahlungsmenge, b) von der Wellenlänge und c) vom Anteil ab, der von der Gesamtemission beim Beobachter pro (z.B.) cm² ankommt.

perttivalkonen schrieb:*lach* Na das beantworte Dir besser selber. (Kleiner Tip, hat was mit Nichtverkomplizierenwollen zu tun. Oder anders, benenn mal die Wellenlänge eines Teilchens. Oder das variierende Ergebnis beim Doppelspalt-Experiment mit nur einem Photon.)

Dann rechnen wir das doch mal an einem Beispiel durch:
Eine Lampe sendet bei einer Wellenlänge von 300 nm Strahlung mit einer Gesamtleistung von 6.6*10^-19 J aus.

Das ist nach



genau ein Photon (N=1).

Jetzt vergrössert sich die sich die Wellenlänge der Strahlung durch die Raumexpansion auf 330 nm.

Um mit dieser Strahlung immernoch auf eine Gesamtleistung von 6.6*10^-19 J zu kommen, benötige ich nun 1.1 Photonen! Leider kommen Photonen aber nur im Ganzen vor. Deswegen kannst du bei 330 nm keine Strahlung mit einer Gesamtleistung von 6.6*10^-19 J haben.

Frage zum drüber streuen:
Betrachten wir das Universum als isoliertes/ abgeschlossenes System?

@therealproton
Ich wollte auch noch fragen, ob man denn nicht unterscheiden muss, ob man hier von einem statischen Universum spricht?

Chemik schrieb:Dann rechnen wir das doch mal an einem Beispiel durch

Nee, berechnen kann man mehr als nur Reales. Das akzeptier ich nicht als Beleg. Erklär mir lieber, wie sich die diskrete Energie eines Photons fließend verändert bei fließend ab- oder zunehmender Amplitude oder auch Frequenz. Rechnen kannste das nämlich problemlos, nützt nur nix.

Nee Du, Du solltest wissen, wieso Dein "ein einzelnes Photon" ein Rohrkrepierer war. (Vor Jahren bin ich mal ähnlich aufgelaufen, als ich Wärme als Maß der Eigenbewegung eines einzelnen Teilchens beschrieben habe.)

@therealproton
@skagerak

Daß es praktisch kein einziges abgeschlossenes System gibt, macht Sache wie z.b. Thermodynamik nicht irrelevant, ja es verhindert nicht einmal den Aufbau von Laborbedingungen, unter denen thermodynamische Prozesse beobachtet und entsprechende Voraussagen bestätigt werden können - und diese Prozesse gelten grundsätzlich selbst für die offensten Systeme (nur eben nicht störungsfrei z.B. durch weitere, ebenfalls grundsätzlich saubere thermodynamische Prozesse). Ich würd da nicht so viel drauf geben, daß die Realität sich leider unseren gewünschten Idealbedingungen entzieht.

perttivalkonen schrieb:Nee, berechnen kann man mehr als nur Reales.

Typische Trollantwort...oder kannst du mir konkret sagen, was an der Rechnung irreal sein soll?

perttivalkonen schrieb:Erklär mir lieber, wie sich die diskrete Energie eines Photons fließend verändert bei fließend ab- oder zunehmender Amplitude oder auch Frequenz.

Liest du überhaupt, was ich schreibe? Ein Photon hat keine Amplitude. Amplituden hast du, wenn du Licht als eine Welle beschreibst. Wenn man jetzt dieses Modell mit dem Photonenmodell verbindet, dann kann man herausfinden, dass in die Amplitude der Welle die Photonenanzahl steckt. Und da die Photonenanzahl diskret ist, kann auch die Amplitude der Welle in diesem Fall nur diskrete Werte annehmen. Deswegen kannst du mit Monochromatischer Strahlung nur Licht mit einer Gesamtenergie erzeugen, die einem vielfachen von hf entspricht. Die experimentelle Bestätigung dieser Idee findest du in der Beschreibung der Schwarzkörperstrahlung oder auch dem Photoeffekt.

Chemik schrieb:Typische Trollantwort...oder kannst du mir konkret sagen, was an der Rechnung irreal sein soll?

Konntest Du mir sagen, was an meiner Rede vom "Wellenpaket" falsch gewesen sein soll? Letztlich ist "die Anzahl der Wellen im Paket" das, was Du "Amplitude A (je heller die Lampe desto höher Energie)" genannt hast.

Na jedenfalls bist Du da ebenfalls nicht auf meine Darlegungen eingegangen, sondern hast einfach nur was anderes dargelegt, so als würde das aller erklären un meines wegwischen. Ebendrum hab ich auf Dich genauso geantwortet. Wenn Du das für Getrolle hältst, na dann weißte ja, wer hier der wirkliche Troll ist und wer der Trollspiegel.

Chemik schrieb:Und die sollte beim "auseinander ziehen" auch kleiner werden, wodurch sich dann die Gesamtenergie verringert. Ansonsten müssten bei dir Photonen aus dem nichts entstehen.

Nur die "Photonendichte" verändert sich, a) bei Veränderung der Emissionsenergie, b) im Laufe der Zeit durch Raumexpansion, c) bei Streuung (Lichtkegel). Das war alles schon erklärt, nur hast Du es da nicht verstanden, und verstehst es noch immer nicht.

Und nun kannste mir gerne noch mal erklären, was ich mit Deinem

Chemik schrieb:überlege dir mal, was passiert, wenn der Sender nur genau ein Photon zum Empfänger schickt.

anderes anfangen sollte als das, was ich dazu geschrieben habe.

Vielleicht versuchste nächstens, Dein Gegenüber erst mal zu verstehen (im Ernstfall durch Nachfragen), bevor Du Unverstandenes gleich mal abkanzeln mußt, z.B. als "typische Trollantwort".

Chemik schrieb:Liest du überhaupt, was ich schreibe?

Mindestens so, wie Du es bei meinem Geschriebenen tust. (Ok, vielleicht gehts mehr ums Verstehen als ums Lesen...

Chemik schrieb:Und da die Photonenanzahl diskret ist

Nein. Die ist konstant, nicht diskret. Diskret ist der Wert der Photonenenergie. Amplitude einer Welle übertragen auf Photonen ist eben "Teilchendichte" Und deswegen kann die Amplitude eines Strahlenbündels (Bündel ist wohl besser als Paket) eben auch "fließend" zu oder Abnehmen, durch Streuung/Bündelung von Strahlung. Die Veränderung der Amplitude durch Veränderung der Wellenlänge jedenfalls (und davon sprach ich ja anfangs, habs später sogar ausdrücklich erklärt, daß ich die Streuung außen vor gelassen hatte) ist keine Entgegnung zu meinem "doppelte Welle gleich halbe Energie pro gleichbleibendem Wellenabschnitt, aber gleiche Energie, weil eine Lichtsekunde Strahlung bei Streckung auf doppelte Wellenlänge eben auch auf zwei Lichtsekunden "Gesamtstrahl" geweitet ist. Ich sprach von der Absorbierung des Gesamtstrahls, und da erhalte ich genau so viel Energie, wie ursprünglich abgestrahlt wurde. Da spielt die veränderte Amplitude Null, aber auch wirklich nicht den Hauch einer Rolle. Hatte ich ja extra schon so geschrieben. Und da bleibts bei.

Chemik schrieb:Deswegen kannst du mit Monochromatischer Strahlung nur Licht mit einer Gesamtenergie erzeugen, die einem vielfachen von hf entspricht.

Wenn Du dies verstehen und sagen kannst, vielleicht kannst Du nun auch verstehen, daß ich sage, daß diese Gesamtenergie nicht weniger geworden ist, wenn die Strahlung a) gestreut, b) gebündelt, c) durch Raumexpansion gestreckt wird. Das war ja meine Rede. Beim Absorbieren der anfangs binnen einer Sekunde emittierten Strahlung muß man eben raumexpansions-bedingt länger als eine Sekunde absorbieren und streuungsbedingt über eine größere Fläche hinweg absorbieren, um die anfangs emittierte "Gesamtenergie" am Ende wieder zu absorbieren (Wirkungsgrad mal außen vor gelassen, ich wiederhole mich). Die Gesamtenergie ist ncht auf mysteriöse Weise "aus dem Strahl verschwunden", sie ist da noch immer vollständig drinnen. Und somit bleibt auch die Photonenzahl konstant. Dein

Chemik schrieb:Ansonsten müssten bei dir Photonen aus dem nichts entstehen.

war einfach völlig an meiner Darlegung vorbei-"verstanden". Was mich ehrlich verwundert, da die Annahme veränderter Photonenzahl der "Gesamtenergie" ja nu sowas von überhaupt nicht zu meinem

perttivalkonen schrieb:Die Energie bleibt komplett in der Strahlung

paßt.

skagerak schrieb:Die Energie der Photonen geht in Form von Arbeit in die Expansion des Universums ein.

Das würde Ja im Umkehrschluss bedeuten dass elektromagnetische Strahlung die Ausdehnung des Raumes beeinflusst. Was wiederum bedeuten würde, dass sich der Raum an verschiedenen Orten unterschiedlich stark ausdehnt. Wurde dieser Effekt denn schonmal beobachtet?
Wobei ich mir bei dieser Frage nichtmal sicher bin ob man das, wenn man nur von einem Standpunkt aus beobachten kann, überhaupt bemerken könnte. Und wenn, dann wahrscheinlich auch nur durch einen statistischen Kniff.

@perttivalkonen

Ich habe dir hier

Chemik schrieb:Eine Lampe sendet bei einer Wellenlänge von 300 nm Strahlung mit einer Gesamtleistung von 6.6*10-19 J aus.

Das ist nach

E = N h f = \frac {N h c} {\lambda} \Rightarrow N = \frac{E \lambda}{h c}​

genau ein Photon (N=1).

Jetzt vergrössert sich die sich die Wellenlänge der Strahlung durch die Raumexpansion auf 330 nm.

Um mit dieser Strahlung immernoch auf eine Gesamtleistung von 6.6*10-19 J zu kommen, benötige ich nun 1.1 Photonen! Leider kommen Photonen aber nur im Ganzen vor. Deswegen kannst du bei 330 nm keine Strahlung mit einer Gesamtleistung von 6.6*10-19 J haben.

mathematisch bewiesen, dass sich bei einer Änderung von f die Anzahl der Photonen ändern muss, wenn wir E konstant halten.

Du behauptest jetzt aber:

perttivalkonen schrieb:Die Gesamtenergie ist ncht auf mysteriöse Weise "aus dem Strahl verschwunden", sie ist da noch immer vollständig drinnen.

perttivalkonen schrieb:Chemik schrieb:
Und da die Photonenanzahl diskret ist

Nein. Die ist konstant,

Also dass Photonenanzahl und Gesamtenergie konstant bleiben können, wenn sich die Frequenz der Strahlung ändert. Diese Aussgage steht im Widerspruch zu meinem Beweis. Dann zeige mir doch bitte, wo dieser Beweis fehlerhaft ist. Wenn du das nicht kannst brauchen wir den Rest erst garnicht zu diskutieren.

Chemik schrieb:Dann zeige mir doch bitte, wo dieser Beweis fehlerhaft ist.

Du unterschlägst dabei schlicht die unterschiedliche Zeit von Emission und Absorption. Wenn Licht mit der Wellenlänge 300nm eine Sekunde lang an Punkt A abgestrahlt wird, und dann durch die Raumexpansion auf 330nm Wellenlänge gestreckt wird, dann würden am Zielpunkt B in der Tat bei gleicher Energiemenge binnen einer Sekunde nur 10/11 der anfangs emittierten Photonen absorbiert. Freilich auch nur 10/11 der Strahlungsenergie. Um die vollständige Strahlung zu absorbieren, braucht es hier aber nun 1,1 Sekunden.

In Deiner Formel ist N die Zahl der Photonen, aber so weit ich es herausfinden konnte, meint N die Zahl der Photonen in einer Sekunde. So jedenfalls nach diesem Buch, siehe auf S.1270 der Kasten "Beispiel 38.4". Ist das der Fall, so verändert sich tatsächlich bei nur einem Photon / Sekunde die Photonenzahl nach der expansionsbedingten Wellenlängenvergrößerung von 300nm auf 330nm auf eine nichtdiskrete und damit unmögliche Menge. Nur steckt die "echte Photonenzahl" bei der Absorption am Zielpunkt B eben nicht in einer Sekunde, sondern eben in 1,1s. Und 10/11 Photonen pro Sekunde auf 11/10 Sekunden macht wie viel Photonen?

Und das erkläre ich schon die ganze Zeit, von Anfang an. Versteh endlich meine Darlegung, ansonsten darfste gerne nächstens mit der Wand reden.

Übrigens schrieb ich schon mal

perttivalkonen schrieb:Ich bin hier Laie. Und zwar ein solcher Laie, daß mir manches Fachvokabular udgl. abgeht.

Löse bitte Deine Formeln auf, red mit mir laien-verständlich. Wir sind hier kein wissenschaftliches Fach-Forum.