Kosmologie: Neuer Blick auf die großräumigen Strukturen im lokalen Universum

[ralfkannenberg]

Sterne und Weltraum

Hallo Bernhard,

das Abo habe ich schon lange nicht mehr und vor einigen Jahren habe ich auch aufgehört, das zu kaufen. Mehr aus Langeweile und weil ich keine Arbeit in den Zug mitgenommen hatte ("Train-Office", zusätzlich zum Homeoffice und Büro-Office) habe ich mir wieder ein Exemplar gekauft. Fairerweise muss ich sagen, dass ich den nahen Vorbeiflug von Juice an Io, die neuesten irregulären Uranus- und Neptunmonde sowie den Kometen C/2023 A3 (Tsuchinshan-ATLAS) dem SuW entnommen habe.

"Rainer"

Warum in doppelten Anführungszeichen ? - Meines Wissens heisst er wirklich so.

hier teilweise mit unrealistischen Erwartungen tätig ist.

Ich denke, das ist eine ganz interessante Fragestellung, die ich schon öfters in diesem Forum bemerkt habe. Ich habe deswegen einen eigenen Thread eröffnet:

Realistische und unrealistische Erwartungen an die aktuelle Forschung


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[Bernhard]

das Abo habe ich schon lange nicht mehr

Hallo Ralf, gemeint war eigentlich "Rainers Hompage" von Urknall, Weltall und das Leben. Sorry

Warum in doppelten Anführungszeichen ?

Weil ich auf ein freundschaftliches per Du gerne verzichten kann, wenn es die bekannten respektlosen Bemerkungen bewirkt.

 

[ralfkannenberg]

gemeint war eigentlich "Rainers Hompage" von Urknall, Weltall und das Leben.

Hallo Bernhard,

soviel ich weiß sind die Hauptprotagonisten dieser Homepage Josef M. Gaßner, Andreas Müller und Harald Lesch.

Man kann von ihnen halten was man will, aber no-names sind das ganz sicher nicht. Rainer ist natürlich auch Teil des Teams.


Freundliche Grüße, Ralf

P.S. Wenn ich schon ein "ß" habe kan ich dieses auch nutzen

 

[Bernhard]

Man kann von ihnen halten was man will, aber no-names sind das ganz sicher nicht.

Hallo Ralf, ja, das sehe ich genauso.

 

[antaris]

Ja, denn ADM = ART + globale Kausalität

Der ADM-Formalismus ist lediglich eine Umformulierung der allgemeinen Relativitätstheorie als Cauchy- bzw. Anfangswertproblem *. Man geht aus von einem 3-Raum und betrachtet dessen Zeit-Entwicklung. In "diesem 3-Raum" werden sozusagen zu "einem Zeitpunkt" – die Definition ist mathematisch etwas kompliziert – alle notwendigen Anfangsbedingungen festgelegt, insbs. Metrik bzw. Krümmung und die Materieverteilung.

Was bedeutet global in diesem Sinne?
Die Metrik bzw. Krümmung wird mittels FRW modelliert und die Materieverteilung als homogen und isotrop vorausgesetzt, sowie beides zu dem "komliziert definierbaren Zeitpunkt" als Anfangsbedingung gesetzt? Die Metrik/Krümmung und die Materieverteilung sind bei ADM aber eigentlich prinzipiell frei wählbar? Zwischen dem 3-Raum und der 4D-Raumzeit kann umgerechnet werden?

 

[TomS]

Was bedeutet global in diesem Sinne?

Globale Kausalität bedeutet, dass die aufeinanderfolgenden infinitesimalen Schritte dt zur Zeitentwicklung auch für beliebig große Zeiten t keine geschlossenen zeitartigen Kurven produzieren kann.

Die Metrik bzw. Krümmung wird mittels FRW modelliert und die Materieverteilung als homogen und isotrop vorausgesetzt …

Das ist das einfachste denkbare Modell, aber die Anfangsbedingungen können auch komplizierter und damit realistisch sein.

Die Metrik/Krümmung [des 3-Raumes] und die Materieverteilung sind bei ADM aber eigentlich prinzipiell frei wählbar?

Ja.

Zwischen dem 3-Raum und der 4D-Raumzeit kann umgerechnet werden?

Die 4-dim. Raumzeit entsteht durch die Zeitentwicklung. Und ja, zwischen beiden Formalismen kann eindeutig umgerechnet werden.

 

[antaris]

Globale Kausalität bedeutet, dass die aufeinanderfolgenden infinitesimalen Schritte dt zur Zeitentwicklung auch für beliebig große Zeiten t keine geschlossenen zeitartigen Kurven produzieren kann.

Ok, verstanden...passt.

Das ist das einfachste denkbare Modell, aber die Anfangsbedingungen können auch komplizierter und damit realistisch sein.

Also gehst du mittlerweile davon aus, das Homogenität und Isotropie der Anfangsbedingungen rein eine Vereinfachung der Realität ist? Das würde dann aber zwangsläufig das kosmologische Prinzip insofern über den Haufen werfen, dass dieses nicht bzw. nicht mehr auf alle Regionen des frühen Universums zutrifft (um es nicht ganz verwerfen zu müssen).

Die 4-dim. Raumzeit entsteht durch die Zeitentwicklung. Und ja, zwischen beiden Formalismen kann eindeutig umgerechnet werden.

Also wird aus der Metrik der 4D-Raumzeit (Einstein) die 3-Raum Metrik (ADM) induziert bzw. gar reduziert? Das Universum könnte sich als Mischung verschiedener Metriken vorgestellt werden, die je nach Skala bzw. je verfügbarer Freiheitsgrade in sich verschieden sein kann?

 

[Bernhard]

Also gehst du mittlerweile davon aus, das Homogenität und Isotropie der Anfangsbedingungen rein eine Vereinfachung der Realität ist?

Der allseits bekannte abendliche Blick in den gestirnten Himmel zeigt, dass das Universum in den Details alles andere als homogen ist, und daran ändert auch der Blick durch große Teleskope nichts.

 

[ralfkannenberg]

Der allseits bekannte abendliche Blick in den gestirnten Himmel zeigt, dass das Universum in den Details alles andere als homogen ist, und daran ändert auch der Blick durch große Teleskope nichts.

Hallo Bernhard,

die Idee ist, dass wenn man durch "sehr grosse Fernrohre" schaut, dass dann die Strukturen homogen werden, wobei wir hier von Skalen > 5 Milliarden Lichtjahre sprechen.

Also:

- Sterne sind nicht homogen verteilt
- Galaxien sind nicht homogen verteilt
- Galaxienhaufen sind nicht homogen verteilt
- Supercluster ... ?


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[antaris]

Der allseits bekannte abendliche Blick in den gestirnten Himmel zeigt, dass das Universum in den Details alles andere als homogen ist, und daran ändert auch der Blick durch große Teleskope nichts.

Wenn TomS die Anfangsbedingungen des Universums meint, dann sagt die Verteilung der Sterne darüber nicht viel aus.

Hallo Bernhard,

die Idee ist, dass wenn man durch "sehr grosse Fernrohre" schaut, dass dann die Strukturen homogen werden, wobei wir hier von Skalen > 5 Milliarden Lichtjahre sprechen.

Also:

- Sterne sind nicht homogen verteilt
- Galaxien sind nicht homogen verteilt
- Galaxienhaufen sind nicht homogen verteilt
- Supercluster ... ?


Freundliche Grüsse, Ralf

Die Frage ist doch wie stark die Homogenität verteilt ist und wie sehr die Isotropie darunter leidet? Ein Schachbrettmuster ist homogen aber inwiefern ist es isotrop? Vollständige Homogenität und Isotropie erfordert eine „lückenlose“ Verteilung…so dachte ich zumindest.

 

[TomS]

Also gehst du mittlerweile davon aus, das Homogenität und Isotropie der Anfangsbedingungen rein eine Vereinfachung der Realität ist?

Klar.

Exakte Homogenität und Isotropie liegen sicher nicht vor, und konkrete Simulation betrachten ohnehin oft inhomogene Modelle.

Das würde dann aber zwangsläufig das kosmologische Prinzip insofern über den Haufen werfen, dass dieses nicht bzw. nicht mehr auf alle Regionen des frühen Universums zutrifft.

Vorsicht.

Das kosmologische Prinzip gibt es nicht; es gibt nirgendwo eine wirklich eindeutige Definition. Es mit Homogenität und Isotropie zu identifizieren, oder anderweitig unpräzise darüber zu reden, ist nicht hilfreich.

Keel schreibt:

The cosmological principle is usually stated formally as 'Viewed on a sufficiently large scale, the properties of the universe are the same for all observers.' This amounts to the strongly philosophical statement that the part of the universe which we can see is a fair sample, and that the same physical laws apply throughout. In essence, this in a sense says that the universe is knowable and is playing fair with scientists.

Daran darf man m.E. erst mal festhalten.

Die Frage ist doch nicht, ob das idealisierte Prinzip der Homogenität und Isotropie – das zunächst jeglicher Grundlage entbehrt – exakt gilt; die Frage ist, wie erklärt man auf Basis möglichst weniger Annehmen die beobachteten Strukturen.

Wenn das auf Basis von Homogenität und Isotropie (auf gewissen Skalen) funktioniert, dann ok, sonst eben nicht. Es geht doch nicht darum, dass ein fundamentales Prinzip (wie z.B. die Ladungserhaltung) ungültig wäre, sondern darum, dass eine gewisse Näherung nicht trägt.

Also wird aus der Metrik der 4D-Raumzeit (Einstein) die 3-Raum Metrik (ADM) induziert …

Ausgehend von 4D ist das so. Umgekehrt liefert die Zeitentwicklung der 3D-Metrik wieder die 4D-Metrik.

… könnte sich als Mischung verschiedener Metriken vorgestellt werden, die je nach Skala bzw. je verfügbarer Freiheitsgrade in sich verschieden sein kann?

Keine Ahnung, was du mir damit sagen willst.

 

[TomS]

Ein Schachbrettmuster ist homogen aber inwiefern ist es isotrop?

Nein.

Ein Schachbrettmuster ist im kleinen weder homogen noch isotrop. Auf genügend großen Skalen erscheint es dann jedoch als solches – siehe die Pixel auf einem Monitor.

 

[antaris]

Klar.

Exakte Homogenität und Isotropie liegen sicher nicht vor, und konkrete Simulation betrachten ohnehin oft inhomogene Modelle.

So klar war mir das bisher nicht.

Vorsicht.

Das kosmologische Prinzip gibt es nicht; es gibt nirgendwo eine wirklich eindeutige Definition. Es mit Homogenität und Isotropie zu identifizieren, oder anderweitig unpräzise darüber zu reden, ist nicht hilfreich.

Keel schreibt:
….
Daran darf man m.E. erst mal festhalten.

Stimmt! Damit ist Homogenität und Isotropie ein Argument mit wenig Gewicht.

Die Frage ist doch nicht, ob das idealisierte Prinzip der Homogenität und Isotropie – das zunächst jeglicher Grundlage entbehrt – exakt gilt; die Frage ist, wie erklärt man auf Basis möglichst weniger Annehmen die beobachteten Strukturen.

Wenn das auf Basis von Homogenität und Isotropie (auf gewissen Skalen) funktioniert, dann ok, sonst eben nicht. Es geht doch nicht darum, dass ein fundamentales Prinzip (wie z.B. die Ladungserhaltung) ungültig wäre, sondern darum, dass eine gewisse Näherung nicht trägt.

Ja ist mir jetzt auch klar.

Ausgehend von 4D ist das so. Umgekehrt liefert die Zeitentwicklung der 3D-Metrik wieder die 4D-Metrik.

Ok nimmt man die Zeitdimension weg bzw. setzt Zeit auf einen Konstanten Wert so ergibt sich der 3D-Raum

Keine Ahnung, was du mir damit sagen willst.

Ich glaube das hat sich mit dem missverständnis vezüglich des kosmologischen Prinzip aufgelöst.

Nein.

Ein Schachbrettmuster ist im kleinen weder homogen noch isotrop. Auf genügend großen Skalen erscheint es dann jedoch als solches – siehe die Pixel auf einem Monitor.

Die Pixel sind auf kleinen Skalen nicht homogen verteilt? Dann ist ein Gas im thermischen Gleichgewicht auch nicht homogen verteilt?

 

[TomS]

Homogen bedeutet, dass die Eigenschaften an jedem Ort identisch sind.

Die Farbe eines Schachbretts ist aber in einem Feld dunkelbraun, im angrenzenden hellbraun usw. Aus großer Entfernung erscheint ein (unendliches) Schachbrett dann homogen mittelbraun.

 

[antaris]

Homogen bedeutet, dass die Eigenschaften an jedem Ort identisch sind.

Die Farbe eines Schachbretts ist aber in einem Feld dunkelbraun, im angrenzenden hellbraun usw. Aus großer Entfernung erscheint ein (unendliches) Schachbrett dann homogen mittelbraun.

Ich denke ich verstehe. Ein unendliches Schachbrett erscheint aus der Distanz aber dann nur homogen, es ist aber überhaupt nicht homogen. Mit einem Teleskop könnte auch aus der Entfernung das Schachbrettmuster und die Farben sichtbar werden. Im Universum ist es genau andersherum. Die größten (makroskopischen) Inhomogenitäten sind auf kurzen Distanzen sichtbar und in fernen Distanzen erscheinen die Strukturen immer homogener.

Dann hat folgendes tatsächlich eigentlich gar keine Bedeutung, da alle Beobachter nur die Eigenschaften scheinbar homogener und isotroper Strukturen beobachten. Genügend aufgelöst können alle Strukturen als Inhomogen entlarvt werden? Wenn dem so ist, dann reicht ja doch nur ein Blick in den Sternenhimmel.

The cosmological principle is usually stated formally as 'Viewed on a sufficiently large scale, the properties of the universe are the same for all observers.

Dann lassen wir Homogenität und Isotropie links liegen und konzentrieren uns darauf die Eigenschaften des Universums an jedem Ort und im Sinne von Keel zu modellieren?

In essence, this in a sense says that the universe is knowable and is playing fair with scientists.

 

[TomS]

Nein, es ist nicht genau umgekehrt.

Man muss evtl. einfach noch viel, viel weiter heraus-zoomen.

 

[antaris]

Nein, es ist nicht genau umgekehrt.

Man muss evtl. einfach noch viel, viel weiter heraus-zoomen.

Aber wie, wenn das technisch nicht geht? Unser Blick endet am CMB. Ich habe hier ja gelernt, dass dann noch nicht Schluss ist und die primordialen Neutrinos da weiterhelfen könnten aber dennoch wird die Datenlage immer schwammiger und unüberprüfbarer. Egal wie man es angeht. Mit Mitteln der Empirie wird man spätestens dann immer ausgebremst, da eben keine bzw. kaum überprüfbare Vorhersagen in den betreffenden Umgebungen möglich sind.
Die von dir angesprochenen Effekte an der Schnittstelle ART und QM sind hoch interessant aber leider ebenso nicht in allen Umgebungen testbar.

 

[antaris]

Aber wie...

Oder meinst du mit noch weiter herauszoomen, eine (mehrere) Dimension(en), z.B. in Art von Kaluza-Klein oder doch der Stringtheorie zusätzliche einzuführen?

 

[ralfkannenberg]

Aber wie, wenn das technisch nicht geht? Unser Blick endet am CMB. Ich habe hier ja gelernt, dass dann noch nicht Schluss ist und die primordialen Neutrinos da weiterhelfen könnten aber dennoch wird die Datenlage immer schwammiger und unüberprüfbarer.

Hallo Antaris,

ich denke, das ist zunächst nicht der Punkt - obgleich eine experimentelle Überprüfung der Situation natürlich von allergrösster Bedeutung ist bzw. wäre.

Hier ist es aber anders: man geht von "plausiblen Annahmen" aus und leitet dann daraus Schlussfolgerungen her. Und tatsächlich gibt es eigentlich wenig Grund für die Annahme, dass in unserer Milchstrasse beispielsweise andere physikalische Gesetze gelten sollen als im Andromedanebel.

Aber natürlich könnte das auch alles falsch sein. Nur: wenn man das annimmt, ist der Willkür Tür und Tor geöffnet und man kann gar keine Aussage gewinnen. Und bislang ist die Wissenschaft ja an sich gut mit solchen idealisierenden Annahmen gefahren.


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[antaris]

Hallo Ralf,

ich denke, das ist zunächst nicht der Punkt - obgleich eine experimentelle Überprüfung der Situation natürlich von allergrösster Bedeutung ist bzw. wäre.

Hier ist es aber anders: man geht von "plausiblen Annahmen" aus und leitet dann daraus Schlussfolgerungen her. Und tatsächlich gibt es eigentlich wenig Grund für die Annahme, dass in unserer Milchstrasse beispielsweise andere physikalische Gesetze gelten sollen als im Andromedanebel.

Ja natürlich, die Wahrscheinlichkeit, dass es anders wäre ist äußerst gering aber

...natürlich könnte das auch alles falsch sein. Nur: wenn man das annimmt, ist der Willkür Tür und Tor geöffnet und man kann gar keine Aussage gewinnen. Und bislang ist die Wissenschaft ja an sich gut mit solchen idealisierenden Annahmen gefahren.

Natürlich aber scheinbar kommt die Wissenschaft an einen Punkt, wo sie mehr erklären will aber keine Möglichkeit hat diese Erklärungen zu prüfen oder gar zu verfeinern. Wie soll der Weg zum eigentlichen Tellerrand gefunden werden?
Es geht ja nicht um Annahmen, dass die physikalischen Gesetze im Andromedanebel die gleichen wie in der Milchsstrasse sind oder nicht, sondern wie die physikalischen Gesetze außerhalb der überprüfbaren Gültigkeitsbereiche gestaltet sind. Außerhalb der prüfbaren Gültigkeitsbereich meine ich ja gerade die hoffnungslosen Fälle, z.B. bei hochenergetischen Prozessen.

Bei kleineren Erfolgen ist die Frage, ob diese so schwer liegen um eine Mehrzahl Experten zu überzeugen, wo doch fast jeder (bzw. viele) voreingenommen von seiner (ihren) eigenen Überzeugung ist (sind).