Frühere Materiedichte im Universum

[Jomi]

Mit geht die Frage nicht aus dem Kopf, ob unser Universum nicht in früheren Stadien der Entwicklung hätte in mehrere bzw. viele Teiluniversen mit dem Charakter Schwarzer Löcher fragmentiert sein müssen, da bei der angenommenen Gesamtmasse und einem zu früherer Zeit geringerem Kosmos-Volumen die kosmische Materiedichte weit über der Dichte schwarzer Löcher mit entsprechender Masse gelegen haben müsste. Wie erklärt man das?

 

[astrofreund]

Ich habe hin und wieder zwischen Frühstück und Mittagessen auch so komische Ideen. Spätestens Mittag fällt mir ein, dass ich da umfangreich recherchieren und nachrechnen müsste. Dann bin ich für Monate und Jahre beschäftigt und keiner hört was von mir. Ich melde mich erst wieder, wenn meine Nachforschungen ein substantielles Ergebnis gebracht haben. Sorry, ich halte es mit Einstein. Der sinngemäß meinte: Wenn alle nur darüber reden würden, wovon sie was verstehen, wäre es still auf dieser Welt.

Gruß, Astrofreund

 

[ralfkannenberg]

Mit geht die Frage nicht aus dem Kopf, ob unser Universum nicht in früheren Stadien der Entwicklung hätte in mehrere bzw. viele Teiluniversen mit dem Charakter Schwarzer Löcher fragmentiert sein müssen, da bei der angenommenen Gesamtmasse und einem zu früherer Zeit geringerem Kosmos-Volumen die kosmische Materiedichte weit über der Dichte schwarzer Löcher mit entsprechender Masse gelegen haben müsste. Wie erklärt man das?

Hallo Jomi,

Antworten auf diese Frage findest Du z.B. in der Wikipedia, wenn Du nach "Multiversum" suchst, und zwar nicht im Zusammenhang mit der Quantenphysik, sondern im Zusammenhang mit der Kosmologie bzw. dem Urknall.


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[Jomi]

Lieber Ralf, lieber Astrofreund,
vielen Dank für Eure raschen Antworten! Ich melde mich in den nächsten Tagen wieder.
Viele Grüße
Jomi

 

[mac]

Hallo Jomi,

Es sind vom Urknall bis hin zu (ganz grob) 1 Millisekunde (ms) nach dem Urknall, mehr oder minder berechtigte theoretische Überlegungen, die messtechnisch auf der Erde (noch?) nicht verifiziert werden können.

Die Energiedichte des Universums im Bereich 1 ms nach dem Urknall, wird auf winzigem Volumen derzeit im Large Hadron Collider (LHC) im CERN erreicht.

Daher schreibe ich: ‚Es wird angenommen‘, daß sich die Gravitation erst nach dem Urknall von den damals noch vereinten Urkräften gelöst haben müßte, weil es mit den bisherigen Theorien, sonst keinen Urknall hätte geben können. Und auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitation muß mit der Lichtgeschwindigkeit (c) stattfinden, sonst hätte unser Universum auch nicht entstehen können.

Es ist wohl tatsächlich so, daß sich Expansionsgeschwindigkeit des Universums und die Energiedichte (dazu zählt alles: Strahlung und Masse) bis zum jeweiligen ‚Horizont‘ des Universums so gut miteinander im messtechnisch beobachtbaren Gleichgewicht halten, daß man ‚sehr‘ lange nicht gut genug entscheiden konnte, ob das Universum geschlossen, offen oder im Grenzbereich genau dazwischen, sein müßte.

Also, ob die Expansion nach gegebener Zeit wieder umkehrt; ob sie bis in alle Ewigkeit weiter geht oder ob sie immer langsamer werdend auf einen Grenzwert ‚zuläuft‘, ihn zwar nicht erreicht, aber eben immer langsamer darauf zu kommt.

Es gibt durchaus Wissenschaftler, die es für denkbar halten, daß wir in einem Schwarzen Loch leben und es sozusagen von Innen heraus beobachten. Lee Smolin – Wikipedia

Durch die Entdeckung Ende 1990er der, seit etwa 7 Milliarden Jahren wieder beschleunigten Expansion, hat ein für ‚uns‘ damals neuer ‚Akteur‘ die ‚Bühne‘ betreten: Mit der immer noch etwas ratlosen Bezeichnung ‚dunkle Energie‘.

Herzliche Grüße

MAC


Einige gute Quellen:
Andreas Müller - Astrophysik: Lexikon, Forschung und Essays (spektrum.de)
Wayne Hu (uchicago.edu)
Ned Wright's Cosmology Tutorial (ucla.edu)

 

[ralfkannenberg]

Es wird angenommen‘, daß sich die Gravitation erst nach dem Urknall von den damals noch vereinten Urkräften gelöst haben müßte, weil es mit den bisherigen Theorien, sonst keinen Urknall hätte geben können.

Hallo Mac,

ähm ... - blöde Frage von mir: wann denn sonst: vor der Planck-Zeit (aber nach dem Urknall) dürfte etwas schwierig sein; verbleibt noch "während" des Urknalls, was uns aber wegen der Urknall-Singularität derzeit physikalisch nicht zugänglich ist, oder allenfalls noch "vor" dem Urknall, also "irgendwie" dass die Abspaltung der Gravitation von den anderen Urkräften durch die Urknall-Singularität "durchgetunnelt" ist, wozu es derzeit aber meines Wissens keine passende Theorie gibt. Und was - sollte die Zeit mit dem Urknall angefangen haben, ohnehin physikalisch völlig abwegig und absurd sein dürfte.


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[Jomi]

Halle Mac, hallo Ralf,
danke für Eure Antworten und Hinweise! Da die Zeit ganz kurz nach dem Urknall für die empirische Wissenschaft nicht zugänglich ist, möchte ich die Aufmerksamkeit auf die jüngere Entwicklung des Universums lenken. Dazu forme ich die Gleichung für den Schwarzschildradius (R=GM/(c*c)) etwas um und erweitere mit M. Daraus erhalten wir eine Ungleichung, für alle Objekte, die keine Schwarzen Löcher sind. Bei diesen ist die Massenäquivalenzenergie größer als die Gravitationsenergie: Mc*c > G*M*M/R. Bei Schwarzen Löchern resultiert die Gleichung Mc*c = G*M*M/R. Erblickt man in dieser Gleichung einen Grenzfall für die vorher genannte Ungleichung, so beschreibt der Schwarzschildradius die Mindestausdehnung, die ein Objekt einer bestimmten Masse haben muss.
Unser heutiges Universum entspricht im Smolinschen Sinne größenordnungsmäßig etwa einem Schwarzen Loch, wenn R die Ausdehnung des beobachtbaren Universums ist und als Masse ca. 10exp81 Protonenmassen angenommen werden. Blickt man jedoch in die Vergangenheit des Universums, so kehrt sich das Vorzeichen der erstgenannten Ungleichung um, wenn die Masse als konstant, der Radius aber - wegen der Expansion - als kleiner angenommen wird. Daraus ergab sich meine Frage, ob man nicht für einen Kosmos konstanter Masse (hier nur weit nach dem Urknall betrachtet), annehmen müsste, dass er ursprünglich aus sehr vielen Schwarzen Löchern höherer Dichte bestanden hat, die dann mit der Expansion zu einem einzigen großen Schwarzen Loch geringerer Dichte fusionierten, wobei die Dichte aller betrachteten Schwarzen Löchern mit M(hoch minus 2) skaliert.
Viele Grüße
Jomi

 

[ralfkannenberg]

Da die Zeit ganz kurz nach dem Urknall für die empirische Wissenschaft nicht zugänglich ist, möchte ich die Aufmerksamkeit auf die jüngere Entwicklung des Universums lenken.

Hallo Jomi,

nur so als kleine Ergänzung: die Zeit ganz kurz nach dem Urknall ist nicht nur für die empirische Wissenschaft nicht zugänglich, sondern wegen der Heisenbergschen Unschärfe-Relation auch für die theoretische Wissenschaft nicht zugänglich.

Dazu forme ich die Gleichung für den Schwarzschildradius (R=GM/(c*c)) etwas um und erweitere mit M. Daraus erhalten wir eine Ungleichung, für alle Objekte, die keine Schwarzen Löcher sind. Bei diesen ist die Massenäquivalenzenergie größer als die Gravitationsenergie: Mc*c > G*M*M/R.

Lass uns das mal nachrechnen. Zunächst einmal fehlt auf der rechten Seite im Zähler ein Faktor 2. Ich füge den später ein.

Für ein Schwarzes Loch gilt:

R <= G*M/(c*c)) ; wir machen *(c*c)
R*(c*c) <= G*M ; wir machen *M
MR*(c*c) <= G*M*M ; wir machen :R
M*c*c <= G*M*M/R

Deine Ungleichung geht also in die falsche Richtung, statt ">" sollte es "<=" sein.

Fügen wir noch den Faktor 2 an der richtigen Stelle ein, d.h. statt G den Wert 2*G, so erhält man:

M*c*c <= 2*G*M*M/R

Oder habe ich da etwas unzutreffend verstanden ?


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[Jomi]

Lieber Ralf,
danke für Deine Antwort! Ich glaube, dass Deine Ungleichung R <= G*M/(c*c)) so nicht richtig ist, denn dann müssten ja Schwarze Löcher existieren können, deren Radius kleiner (wohl auch erheblich kleiner) als der Schwarzschildradius ist. Ergibt das einen Sinn?
Gibt es irgendein Indiz für eine solche Möglichkeit?
Viele Grüße
Jomi

 

[ralfkannenberg]

Ich glaube, dass Deine Ungleichung R <= G*M/(c*c)) so nicht richtig ist, denn dann müssten ja Schwarze Löcher existieren können, deren Radius kleiner (wohl auch erheblich kleiner) als der Schwarzschildradius ist. Ergibt das einen Sinn?

Hallo Jomi,

ja, genau das sind Schwarze Löcher.

Trotzdem hast Du recht, denn ich habe irrtümlich gemeint, dass Du diese Gleichung für Schwarze Löcher berechnest. Tatsächlich aber berechnest Du sie für Objekte, die keine Schwarzen Löcher sind, und dann ist Deine Inklusion korrekt.

Allerdings fehlt nach wie vor der Faktor 2.


Die richtige Gleichung für Objekte, die keine Schwarzen Löcher sind, lautet also:

M*c*c > 2*G*M*M/R

Entsprechend richtig ist dann auch Deine Folgerung, dass der Schwarzschildradius die Mindestausdehnung, die ein Objekt, welches kein Schwarzes Loch ist, bei einer bestimmten Masse haben muss.

Allerdings ist diese Feststellung trivial und auch ohne jegliche Umformung beweisbar, denn der Schwarzschildradius ist ja gerade der Radius, ab dem die Lichtgeschwindigkeit nicht mehr genügend ist, dem Objekt zu entkommen. Alles kleiner wäre ein Schwarzes Loch - wobei "kleiner" als der Schwarzschildradius irgendwie nicht wirklich definiert ist, weil man keine Information hat, was innerhalb des Schwarzschildradius passiert, und alle Objekte grösser als der Schwarzschildradius eben keine Schwarzen Löcher sind.


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[mac]

Hallo Ralf,

…wann denn sonst…

OK, hab‘ mich wohl nicht eindeutig genug ausgedrückt?
Zwei Zeitpunkte:
1. Von Anfang an.
2. ‚Kurz‘ danach.
1 geht nicht – es gäbe kein Universum
2 muß wohl so gewesen sein, denn nur dann kann der Raum, mit der darin enthaltenen Energie, der zunehmenden ‚Sichtbarkeit‘ der Gravitation ‚entkommen.

Herzliche Grüße

MAC

 

[mac]

Hallo Jomi,

Blickt man jedoch in die Vergangenheit des Universums, so kehrt sich das Vorzeichen der erstgenannten Ungleichung um, wenn die Masse als konstant, der Radius aber - wegen der Expansion - als kleiner angenommen wird. Daraus ergab sich meine Frage, ob man nicht für einen Kosmos konstanter Masse (hier nur weit nach dem Urknall betrachtet), annehmen müsste, dass er ursprünglich aus sehr vielen Schwarzen Löchern höherer Dichte bestanden hat, die dann mit der Expansion zu einem einzigen großen Schwarzen Loch geringerer Dichte fusionierten, wobei die Dichte aller betrachteten Schwarzen Löchern mit M(hoch minus 2) skaliert.

Du setzt bei Deiner Überlegung voraus, daß diese ‚Energie/Masse‘ sofort ‚sichtbar‘ war.

Stell Dir folgendes vor:
Gravitation ist nicht von Anfang an vorhanden. Erst ab kurzer Zeit nach dem Urknall (nur als Arbeitshypothese gedacht, denn wie es wirklich war, weiß niemand) ‚schaltet‘ ein kleinstmögliches Energiequant, gemeinsam mit mehr oder minder allen anderen sonst noch vorhandenen kleinstmöglichen Energiequanten, seine Gravitation ein.

Seine, gerade eingeschaltete Gravitation breitet sich mit c im beliebig großen Raum aus. In dem Moment, in dem sein nächster Nachbar von seiner Gravitation erreicht wird, wird auch unser kleinstes Energiequant von der Gravitation seines nächsten Nachbarn erreicht.
Unser Energiequant (und sein umgebender Raum?) nimmt daher nur genau die Gravitation der Energiequanten wahr, die seine eigene Gravitation bis dahin mit c hinter sich gelassen hat. Nun muß sich der Raum nur noch so schnell ausdehnen, daß er dem denkbaren Kollaps durch die zunehmend ‚sichtbaren‘ Gravitationsquellen entkommt. Ob es da tatsächlich ein Wechselspiel zwischen Raum und Energiedichte gibt, oder ob das Zufall ist, weiß ich nicht und nur weil ich das hier schreibe, muß es diesen Zusammenhang noch lange nicht geben. Und ob ich da wirklich alle Konsequenzen aus einem solchen Zusammenhang bedacht habe, weiß ich auch nicht.

Aber, ob es sich gegenseitig bedingt, oder ob es eine andere Ursache für die genau richtige Geschwindigkeit der Raumausdehnung gibt, ist erstmal für die Erklärung, warum es nicht bei zunehmendem Sichtbarkeitsradius zu den von Dir angenommenen Isolierungen der Raumabschnitte kommt, hoffentlich verständlich?

Herzliche Grüße

MAC

 

[Jomi]

Hallo Mac,
danke für Deine Zeilen! Meine Überlegung bezog sich nicht darauf, dass es mit fortschreitender Expansion zu einer Isolierung von Raumabschnitten kommen könnte, sondern dass - im Gegenteil - der Raum hätte - bei Annahme konstanter Masse - früher stark fragmentiert sein müssen, und es hätte auf dem Weg zu unserem heutigen kohärenten Kosmos mit fortschreitender Expansion und abnehmender Dichte eine sukzessive Fusion von Teilräumen geben müssen.
Viele Grüße
Jomi

 

[ralfkannenberg]

Gravitation ist nicht von Anfang an vorhanden.

Hallo Mac,

mit solchen Ideen wäre ich zum jetzigen Zeitpunkt extrem vorsichtig: auch wenn sich die Gravitation erst echt später als der Urknall "abgespalten" hat so heisst das nicht, dass es vor der Abspaltung keine Gravitation gegeben habe, sondern es heisst nur, dass diese von einer "verallgemeinerten Kraft" ausgegangen wäre.

Die Vereinheitlichung der Grundkräfte führt zunächst einmal nicht dazu, dass sich deren Verhalten ändert, sondern dass sich deren Beschreibung vereinfacht.


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[mac]

Hallo Jomi,

Meine Überlegung bezog sich nicht darauf, dass es mit fortschreitender Expansion zu einer Isolierung von Raumabschnitten kommen könnte,

Bei beschleunigter Expansion kommt es genau dazu. Allerdings liegen diese Grenzen für jeden Beobachter um seinen jeweiligen Standort herum, zu einem Zeitpunkt x nach Urknall, gleich weit entfernt. Für uns z.B. derzeit ca. 42 Milliarden Lichtjahre. Das Licht von Objekten aus dieser, heutigen Entfernung, erreicht uns gerade jetzt. Es wurde allerdings ausgesandt, als diese Objekte noch deutlich näher waren.
Es gibt dabei eine Grenze, einen Horizont, der heute ca. 46 Milliarden Lichtjahre entfernt liegt, jenseits dieses Horizontes, kann uns das Licht nie mehr erreichen. Die Ursache dafür ist eben die zunehmende Expansionsgeschwindigkeit.

sondern dass - im Gegenteil - der Raum hätte - bei Annahme konstanter Masse - früher stark fragmentiert sein müssen, und es hätte auf dem Weg zu unserem heutigen kohärenten Kosmos mit fortschreitender Expansion und abnehmender Dichte eine sukzessive Fusion von Teilräumen geben müssen.

Diese Formulierung ist in meinen Augen missverständlich. Der Raum war nicht fragmentiert. Es gab und gibt eben für jeden Beobachter, egal wo im Raum er sich befindet, seinen eigenen ‚Horizont‘

Herzliche Grüße

MAC

 

[mac]

Hallo Ralf,

mit solchen Ideen wäre ich zum jetzigen Zeitpunkt extrem vorsichtig: auch wenn sich die Gravitation erst echt später als der Urknall "abgespalten" hat so heisst das nicht, dass es vor der Abspaltung keine Gravitation gegeben habe, sondern es heisst nur, dass diese von einer "verallgemeinerten Kraft" ausgegangen wäre.

Das Problem: Es braucht Zeit, damit sich die Energie im gesamten Raum gleichmäßig verteilen kann (Horizontproblem)

In dieser Zeit darf es keine Gravitation geben, oder sie muß durch eine Gegenkraft in Waage gehalten werden. Nach dieser Zeit, muß sich der Raum so schnell ausdehnen, daß die einzelnen Energieträger die ‚Sichtverbindung‘ zueinander verlieren, also sozusagen ausreichend wenige Energieträger gemeinsam oder auch alleine, hinter ihrem eigenen individuellen Horizont ‚verschwinden‘. Erst dann, oder auch dabei, jedenfalls im richtigen Maße, darf die Gegenkraft abnehmen und die Gravitation einsetzen, oder frei werden, oder überwiegen.

Sobald sie überwiegt, müssen aber Raumexpansion und Ausbreitung der Gravitation in einem Gleichgewicht existieren und dürfen von immer weiter weg mehr und mehr energiereiche Umgebung ‚wahrnehmen‘, also von deren Gravitation erreicht werden. Sonst funktioniert das nicht mit Planck, Homogenität, GUT, Inflation und Expansion.

Damit will ich nicht sagen, daß diese Theorien alle richtig sein müssen, aber sie müssen zumindest schlüssig sein und das geht z.B. mit dieser Beschreibung, eben dem Standardmodell. (Eine andere, in sich schlüssige Beschreibung, kenne ich zumindest nicht)

Herzliche Grüße

MAC

 

[ralfkannenberg]

Das Problem: Es braucht Zeit, damit sich die Energie im gesamten Raum gleichmäßig verteilen kann (Horizontproblem)

In dieser Zeit darf es keine Gravitation geben, oder sie muß durch eine Gegenkraft in Waage gehalten werden. Nach dieser Zeit, muß sich der Raum so schnell ausdehnen, daß die einzelnen Energieträger die ‚Sichtverbindung‘ zueinander verlieren, also sozusagen ausreichend wenige Energieträger gemeinsam oder auch alleine, hinter ihrem eigenen individuellen Horizont ‚verschwinden‘. Erst dann, oder auch dabei, jedenfalls im richtigen Maße, darf die Gegenkraft abnehmen und die Gravitation einsetzen, oder frei werden, oder überwiegen.

Sobald sie überwiegt, müssen aber Raumexpansion und Ausbreitung der Gravitation in einem Gleichgewicht existieren und dürfen von immer weiter weg mehr und mehr energiereiche Umgebung ‚wahrnehmen‘, also von deren Gravitation erreicht werden. Sonst funktioniert das nicht mit Planck, Homogenität, GUT, Inflation und Expansion.

Hallo Mac,

ich verstehe wirklich nicht, was Du mir sagen willst und insbesondere wie Du darauf kommst, dass die Gravitation erst später "eingeschaltet" wurde. Diese Gegenkraft ist an sich Thema der GUT-Ära, d.h. noch nicht der Planck-Ära.

Allerdings haben sich die Quarks erst in der "Quark-Ära" gebildet, d.h. nach der GUT-Ära, d.h. es kann sein, dass es während der GUT-Ära schon Gravitation gab, aber keine Teilchen, die ihr auf relevante Weise unterlegen sind.

Für die Planck-Ära selber haben wir keine physikalischen Gesetze, d.h. da weiss man nicht wirklich, ob es schon Gravitationseffekte oder Effekte einer anderen Grundkraft gab; zudem vermutet man, dass während der Planck-Ära noch alle 4 Grundkräfte vereinheitlicht waren. Während der Planck-Ära und während der GUT-Ära mit ihrer Inflation dürften andere physikalische Grössen weitaus relevanter auf das damalige Geschehen gewesen sein als die Gravitation, sei es noch vereinigt mit den anderen Grundkräften oder bereits abgespalten.


Wie gesagt: ich verstehe nicht, warum Du in diesen beiden frühen Ären des Universums die Gravitation als irgendwie relevanten "Gamechanger" ansiehst, die insbesondere nicht da sein darf oder von einer geeigneten Gegenkraft übersteuert werden müsste.


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[Klaus]

Ich wüßte nicht, daß es neben der Masse, welche ja mit Gravitation und zugleich zusätzlichem Raum einhergeht, überhaupt noch eine andere bekannte physikalische Quelle von Raum gibt, oder daß ohne Masse und Energie überhaupt irgendwie physikalischer Raum als solcher existieren kann. Der Raum dürfte sich wohl zugleich mit der Masse im Universum gebildet haben, wobei es auf Grund der homogenen Masseverteilung, eine Art Olber's Paradoxon gibt.

Vielleicht aber können alle, die etwas anderes behaupten, ja zunächst einmal ganz ohne Esoterik erklären, was denn Raum, als eben solcher, physikalisch überhaupt ist und wie selbiger denn anderweitig überhaupt entstehen oder sich (Wie und worin denn? Raum?) ausbreiten können soll. Ohne zu wissen, worüber die Leute in Bezug auf Raum sprechen, fehlt vermutlich die Diskussionsgrundlage.

 

[ralfkannenberg]

Der Raum dürfte sich wohl zugleich mit der Masse im Universum gebildet haben

Hallo Klaus,

ich denke, man sollte "mit der Masse" durch "mit der Masse und Energie" ersetzen bzw. die Energie ergänzen. Natürlich meinst Du das Richtige und natürlich gibt es die Masse-/Energieäquivalenz, d.h. Du meinst nicht nur das Richtige, Du schreibst auch das Richtige.

Dennoch würde ich die Energie um Missverständnisse zu vermeiden ergänzen.


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[Jomi]

Hallo Klaus, hallo Ralf,
Die Aussage "Der Raum dürfte sich wohl zugleich mit der Masse und Energie im Universum gebildet haben" kommt meiner Vorstellung sehr entgegen. Vielleicht sollte man den Satz nur bis in die Gegenwart verlängern. Mir ist der Gedanke sympathisch, dass Masse/Energie mit der Ausbreitung des Raumes entstehen. Dann würde sich die Frage nach früheren Teiluniversen erübrigen, weil ein Raum vorstellbar wäre, der in seiner Expansion und seiner Masse/Energie immer gerade der Gleichung für den Schwarzschildradius entsprechen würde, d.h. seine Masse hätte sich mit der Expansion des Raumes annähern linear vergrößert und tut das immer weiter.
Viele Grüße
Jomi