Skalenfaktor in der Friedmann-Gleichung

lambda

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Es gibt verschiedene Schreibweisen der FG:

3455b85207b332dc6b9e985e01c693ec.png


http://latexrender.netscience.de/pictures/bc8ed9c08558319da5416a120af739bd.png

Und a=R(t)/R_0 der Skalenfaktor. Wenn man aber dies für a einsetzt stimmt das nicht mehr mit der Friedmann-Gleichung überein?

Vielmehr müsste es doch heißen:

http://latexrender.netscience.de/pictures/fa05fdc46f4911381c5482221161772e.png


Allerdings ist die 2. Schreibweise ziemlich verbreitet? Setzt man einfach R_0=1?
 

Bernhard

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Setzt man einfach R_0=1?
Hallo lambda,

ein Blick in den zugehörigen Wikipedia-Artikel hilft weiter:
Durch Umskalieren der Radialkoordinate w und Neudefinition des Skalenfaktors a lässt sich der Krümmungsparameter K auf einen der Werte -1, 0 oder 1 festlegen.
Es wird also die Konstante K umdefiniert, um die Einheiten wieder zu retten. Für eigene Rechnungen greift man jedoch besser auf Literatur wie T. Fließbach, "Allgemeine Relativitätstheorie" zurück.
MfG
 

Bernhard

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Ich dachte K wäre dimensionslos?
Hallo lambda,

bei den ersten zwei Links vom ersten Beitrag wird k offensichtlich mit unterschiedlichen Einheiten verwendet. Solche Freiheiten nehmen sich Autoren immer wieder heraus, um ihre Formeln möglichst übersichtlich zu halten. Der exakte Leser kommt dann allerdings nicht umhin, die Einheiten genau zu verfolgen.

Ich habe den Fließbach vor mir liegen. Kannst du mir eine Seite empfehlen?
Kapitel 52, "Weltmodelle" (4. Auflage) behandelt genau die Friedmann-Gleichungen.
Gruß

Bernhard
 

lambda

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Wie genau sieht das aus, dass die Einheiten geändert wurden, sodass man R_o einfach weglassen kann?


Inwiefern hilft mir der Fließbach denn? Es werden die Friedmann-Gleichungen hergeleitet. Mehr aber auch nicht.
 

Bernhard

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Hallo lambda,

scheinbar enthält die erste Formel des ersten Beitrages einen kleinen Fehler. Vergleicht man mit (52.15) aus dem Fließbach, sieht man, dass diese Gleichung erst die richtigen Einheiten liefert, wenn H(t)² durch H(t)²/(c^2) ersetzt wird. Der Autor der ersten Gleichung hat eventuell übersehen, dass z.B. im Fließbach, Kapitel 52 der Punkt nicht, wie oftmals üblich, für die Zeitableitung steht, sondern für die Ableitung nach der nullten Koordinate!! Die nullte Koordinate ist im Fließbach aber gleich c*t und hat damit die Einheit Meter und R-Punkt wird damit dimensionslos.

Wie genau sieht das aus, dass die Einheiten geändert wurden, sodass man R_o einfach weglassen kann?

Setze in der ersten Formel statt k einmal k_1 und ersetze in der zweiten Formel k durch k_2. Daraus folgt dann k_1 = k_2 / R_0^2, bzw. k_2 = k_1 * R_0^2. Damit sieht man, dass das zweite k eigentlich ein R_0 enthält, was nur nicht angeschrieben wird.

Inwiefern hilft mir der Fließbach denn? Es werden die Friedmann-Gleichungen hergeleitet. Mehr aber auch nicht.

es gibt in Kapitel 52 immerhin noch sechs Bilder mit Auswertungen der Friedmann-Gleichung. Entweder Du liest den Fließbach nur sehr oberflächlich oder Du flunkerst.
MfG
 

lambda

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Danke, du hast mir sehr geholfen! Ich habe es schon geahnt, dass es um das c geht wegen \dot{R}=\frac{dR}{d(ct)}.

Wenn ich in der Gl. 1 H(t)² durch H(t)²/(c^2) ersetze, habe ich aber dann:

H^2=8piG/3 \rho - kc^2/R^2 +1/3\Lambda c^2

?

Ich habe bis jetzt aber glaube ich noch nicht gesehen, dass der Lambda-Term hinten ein c^2 hat?

Es hat mich auch gewundert, dass der Fließbach später die Hubble-Konstante durch H/c=\dot{R}/R definiert. Also ist eigentlich ja, so wie es auch standard ist: H=\dot{R}/R mit der normalen Zeitableitung?
 

lambda

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Ich bin jetzt noch mehr verwirrt. Was ist jetzt richtig? Dass alle Terme dimensionslos sind oder nicht? Woher soll man wissen, was der Autor meint?!


Die erste Gleicung ist doch immer noch nicht dimensionslos, wenn man mit c^2 multipliziert.

Bei Fließbach ist k dimensionslos, aber woher soll ich wissen, wie die bei anderen Versionen der Gleichung ist?
:confused:
 

Bernhard

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Was ist jetzt richtig? Dass alle Terme dimensionslos sind oder nicht?
Hallo lambda,

noch mal zur ersten Gleichung: R hat die Einheit m, wie Meter. H(t) hat die Einheit 1/s. k ist dimensionslos und hat per Definition (Skalierung) die Werte 0,1, und -1. Damit erhält k/R^2 die Einheit 1/m^2. Wenn jetzt links neben dem Gleichheitszeichen anstelle von H(t)^2 ein H(t)^2/c^2 gesetzt wird, hat man auf der linken Seite von Gleichung 1 ebenfalls die Einheit 1/m^2. Die korrekte Einheit von Gleichung 1 ist also 1/m^2.
Woher soll man wissen, was der Autor meint?!
das ist weitgehend eine Sache der Erfahrung und des Vorwissens (leichter ist das einfach nicht zu haben)
Die erste Gleicung ist doch immer noch nicht dimensionslos, wenn man mit c^2 multipliziert.
man muss, wie gesagt, nur H(t)^2 durch c^2 dividieren.
Bei Fließbach ist k dimensionslos, aber woher soll ich wissen, wie die bei anderen Versionen der Gleichung ist?
das erschließt man am besten aus dem Zusammenhang. Du hast Dir insgesamt eben definitiv kein triviales Thema ausgesucht.
MfG
 

lambda

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Wenn ich H durch H/c^2 ersetze und DANN mit c^2 multipliziere, dann habe ich ja bei Lambda ein c^2. So war das gemeint.


Ich verstehe. man muss zur Sicherrheit immer die Einheiten überprüfen.:)

Bleiben wir mal bei der normalen Zeitableitung und nicht die Ableitung nach der nullten Komponenten.
Der Hubble-Parameter ist doch immer definiert als H=dR/(dtR) definiert. Richtig?

Damit würde die Friedmann-Gleichung also lauten:

H^2=(\dot{R}/R)^2=8piG/3 \rho - kc^2/R^2 +1/3\Lambda c^2

Nun soweit kein Problem. Die Probleme traten ja beim Skalenfaktor a auf. Wenn ich die nun für a umschreiben will, gilt doch zunächst die Relation:

\dot{a}/a=\dot{R}/R

Damit kann ich schreiben:

H^2=(\dot{a}/a)^2=8piG/3 \rho - kc^2/R^2 +1/3\Lambda c^2

Wenn ich nun auch das R umschreiben will, so folgt:

H^2=(\dot{a}/a)^2=8piG/3 \rho - kc^2/(a^2R_0^2) +1/3\Lambda c^2

Diese Gleichung stimmt dann auch mit dem hier überein: http://www.ita.uni-heidelberg.de/research/bartelmann/Lectures/astroAp2/astroAp201.pdf


Ich denke, dass ist die wenn auch nicht für die älteren Theoretiker "natürlcihere" Form der Friedmann-Gleichung, oder? So stimmts auch wieder mit den Einheiten, da a dimensionslos ist.

Damit wäre auch die 2. Gleichung wohl falsch, da dort nur k/a^2 steht...und k ist ja eine dimensionslose Konstante.

Nun zur Ableitung nach der nullten Komponenten.

Dabei hat dann \dot{a}/a=\dot{R}/R
die Einheit 1/m.

Definieren dann Kosmologen dann den Hubble-parameter auch als: H=\dot{a}/a=\dot{R}/R ? Damit wäre die 1. Gleichung doch auch richtig?

Falls nicht, multipliziert man mit c^2 und alles wäre wie bei der normalen Zeitableitung.

Damit hätte man :

H^2=(\dot{a}/a)^2=(\dot{R}/R)^2=8piG/3c^2 \rho - k/(a^2R_0^2) +1/3\Lambda

Also ohne c^2 in den letzten beiden Termen.

ODER:

H^2/c^2=8piG/3c^2 \rho - k/(a^2R_0^2) +1/3\Lambda

oder mal c^2...

Also ich hab das Gefühl, dass das richtig ist, weil es gerade alles logisch ist. Wäre nett, wenn du dir die Zeit nimmst und auf jede Frage eingehen würdest.:)
 

Bernhard

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Wenn ich H durch H/c^2 ersetze und DANN mit c^2 multipliziere, dann habe ich ja bei Lambda ein c^2. So war das gemeint.
Den zugehörigen Beitrag von oben habe ich eben erst gesehen. Sorry. Klar, man kann die Friedmann-Gleichung mit c^2 multiplizieren, um links ein H(t)² zu bekommen.
Ich verstehe. man muss zur Sicherrheit immer die Einheiten überprüfen.:)
Völlig richtig. Damit vermeidet schon mal die schlimmsten Fehler auch bei eigenen Rechnungen.
Der Hubble-Parameter ist doch immer definiert als H=dR/(dtR) definiert. Richtig?
Beim Fließbach gilt genau genommen nur: H_0 = \frac{c\dot{R}(t_0)}{R(t_0)}. Diese Gleichung kann man dann zu H(t) = \frac{c\dot{R}(t)}{R(t)} verallgemeinern, also die Gültigkeit für alle Zeitpunkte einfach so festlegen. Man kommt dadurch von dem aktuellen Meßwert H_0 zu einer Art Zustandsgröße H(t).

Das pdf der Uni-Heidelberg macht einen halbwegs guten Eindruck. Trotzdem wird dort wieder ein anderes Vorzeichen bei k verwendet :eek: . Man kennt den Autor auch nicht. Das ist vielleicht nur ein Student, dem man (Tipp)fehler noch nachsehen muss. Der Fließbach ist in sich selbst schlüssig und sehr verlässlich, vielleicht aber ohne fremde Hilfe auch nur schwer verständlich.

Ich persönlich sehe, dass bei Gleichung (52.15) die Einheiten stimmen. Zusätzlich gibt es in Kapitel 52 die besagten Grafiken als Auswertung. Alle anderen Quellen sind für mich deswegen erst mal fragwürdig und im Zweifelsfall dann auch falsch. Dass im Wikipedia-Artikel (Friedmann-Gleichung) mit c=1 gearbeitet wird, finde ich schade. Es gab da z.B. im Artikel Compton-Streuung mal ein grausiges Hick-Hack, ob die Herleitung mit oder ohne c gemacht werden soll :) . Momentan sieht man die Herleitung mit c und in SI-Einheiten. Das ist allgemeinverständlich (auch für Ingenieure) und damit für einen öffentlichen Artikel gut geeignet. Gerade zum Erlernen eines Themas sind gewohnte Einheiten ebenfalls eine Hilfe. Da das im Fließbach genauso gehandhabt wird, nochmal die Empfehlung für diese Notation.

Langer Rede kurzer Sinn: Nimm für weitere Rechnungen, bzw. Umformungen mit a(t) einfach die erste Gleichung, aber ersetze H(t)² durch H(t)²/c² = (\frac{\dot{R}}{R})² (mit dem Hinweis, dass der Punkt die Ableitung nach x^0 bedeutet) = (dR/dt)² / (cR(t))².

Damit lautet die Friedmann-Gleichung:

H(t)² = ((dR/dt)/R)² = 8piG/3 \rho - kc²/R² + 1/3\Lambda c²

und die Einheit ist dann überall 1/s² :) .
MfG
 
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lambda

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Danke!

Oder man kann sie auch so schreiben, komplett mit a:

http://web1.ws11.phpwsserver.net/latexrender/pictures/e43c01a3ad599d992840c7e2e3d96f0c.png

Das müsste doch auch stimmen.

Von wiki kam auch erste meine "Unsicherheit". Aber nicht wegen c=1,d as wusste ich, sondern, dass eben bei dem a unten kein R_0 mehr ist?!

http://de.wikipedia.org/wiki/Friedmann-Gleichungen

Es gilt doch a=\frac{R(t)}{R_0} also R(t)=a(t)R_0 wie bei meiner ersten Gl. in diesem Post.


PS Ach, dann ist dort aber wieder nicht k dimensionslos, sondern K=k/R_0^2?
 

lambda

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Leider will die Verwirrung nicht aufhören...:(

Nach dem ich in das Buch von Liddle (kennst du bestimmt) geschaut habe, habe ich die Gleichugn wieder entdeckt, die auch bei wiki so steht! (er "dropped" auch c):

H²=8\pi G/3 \rho -k/a²+\Lambda/3

Also der Term k/a² kann doch nicht sein, auch mit kc^2/a² nicht? a ist dimensionslosDiese G. habe ich schon oft gelesen! In dem Buch, bei wiki und in diversen Skripts. Aber wie ja gesehen muss ja eig noch ein R_0^2 hin.

Wie kann das sein?
 

Bernhard

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Wie kann das sein?
Hallo lambda,

den Liddle kenne ich (leider) nicht (macht aber vom Cover her einen interessanten Eindruck). Kann es sein, dass dort das R(t) aus dem Fließbach einfach a(t) genannt wird? Mit c=1 würde das wieder die Gleichung aus dem Fließbach ergeben.
MfG
 

lambda

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Hallo lambda,

Kann es sein, dass dort das R(t) aus dem Fließbach einfach a(t) genannt wird?
MfG

Das würde ja nach a=R(t)/R(t_0) nur gehen, wenn man R(t_0)=1 wählt?? (das hatte ich mich auch vorher schon gefragt).


\\EDIT: Dort wird auch gesagt, dass \Lambda die Einheit 1/s² hat und er sagt dann, dass andere Autoren noch das c² dazumachen, damit man die Einheit 1/m² hat?! Also das widerspricht ja allem, was hier steht.;)
 
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lambda

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Ich habe bei diesen Darstellungen gelesen, dass k hier die EInheit 1/m^2 hat...DAmit könnte es von den EInheiten her wieder klappen. So auch im Liddle. D.h. also das k nicht skaliert auf -1,0,1 ist?
 

Orbit

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lambda
Zum Link in deinem Beitrag 3 auf der ersten Seite:
Bei "Druck und Gravitation" macht Matthias Bartelmann einen Überlegungsfehler, wenn er die Energiedichte noch mit c^2 multipliziert. Folglich ist es auch falsch, wenn er dann in der nächsten Gleichung
rhoP und 3P/c^2 gleichsetzt. 3P/c^2 entspricht der Massendichte und nicht der Energiedichte. Ich gehe davon aus, dass auch alles weitere bei M.B. falsch ist.

Orbit
 

FrankSpecht

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Moin, Orbit,
Ich gehe davon aus, dass auch alles weitere bei M.B. falsch ist.
Davon gehe ich nicht aus, da Matthias Bartelmann einer renommiertesten RT-Dozenten Deutschlands ist.
Ich gehe eher davon aus, dass ein Verständnisproblem deinerseits vorliegt, da Materie- und Energiedichte allgemein als Dichteparamter rho (ρ) in die Rechnungen einfließen.
 

Orbit

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Hallo Frank
Ja, das Palmeres von Matthias Bartelmann ist beeindruckend. :)
http://de.wikipedia.org/wiki/Matthias_Bartelmann
Dann ist es halt ein Druckfehler. Rho (p), die Energiedichte also, hat die Dimension kg/ms^2, der Druck P auch. Deshalb bleibe ich dabei: die Gleichung rho(p)*c^2 = 3P ist falsch.

Orbit
 
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