Es soll die Vorstellung eines sich aus einem sehr einfachen Anfangszustand heraus entwickelnden und permanenter Veränderung unterworfenen Universums skizziert werden. Dabei werden der 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik, das Gravitationsgesetz, das Gesetz für die Photonenenergie, die Einsteinsche Masse-Energie-Relation und die in den drei Gesetzen enthaltenen Naturkonstanten in Form der drei Planckgrößen für Länge, Zeit und Masse als Ausgangspunkt genommen und die Idee vom inkrementellen Charakter der Planckgrößen aufgegriffen.
In unserem Universum wurden im Laufe seiner Entwicklung Strukturen und damit Informationen generiert. Das ist typisch für ein thermodynamisch offenes System mit Entropieexport. Das Universum ist deshalb wohl im thermodynamischen Sinne kein abgeschlossenes System. Falls es kein „Außen“ gibt, das diese Entropie aufnehmen kann, kommt nur die kosmische Expansion, d.h. die Raumentstehung selbst, als Entropiesenke in Frage.
Wenn das Universum im thermodynamischen Sinne nicht abgeschlossen ist, können auch Masse (oder respektive Energie – beide Begriffe werden im Folgenden wie Synonyme benutzt) im Universum fortlaufend zunehmen. Falls es kein „Außen“ gibt, das diese Energie liefern kann, kommt nur die kosmische Expansion, d.h. die Raumentstehung selbst, als Energiequelle in Frage.
(Die Überlegungen zu einem alternativen kosmischen Modell sind nicht neu. Mit Fred Hoyle und Hans-Jörg Fahr haben z.B. zwei sehr namhafte Astrophysiker Zweifel an einem expandierenden Universum konstanter Energie geübt.)
Der Anfang des Universums ist durch ein Planckvolumen – Durchmesser ca. 10(-35) m - die Planckzeit – ca. 10(-43) s – gekennzeichnet, in dem sich die Energie einer Planckmasse – ca. 10(-5) g – befindet. Die Dichte ist gleich der Planckdichte, d.h. sehr hoch, aber nicht so hoch wie in der Anfangsphase im gängigen Standardmodell.
Die einfachste mögliche Annahme zur weiteren Entwicklung liegt nun darin, dass dieses Volumen in jedem elementaren Zeitintervall (Planckzeit) sich in seiner Längenausdehnung um ein Plancklängenintervall vergrößert. Damit expandiert dieses Universum linear mit Lichtgeschwindigkeit. Es kann zwanglos davon ausgegangen werden, dass sich dieser Prozess seit der allerfrühesten Phase der kosmischen Evolution bis heute fortgesetzt hat, da sowohl die Ausdehnung des heute beobachteten Universums als auch die Fluchtgeschwindigkeit der am weitesten entfernten Objekte zu dieser linearen Expansion passen.
Gleichzeitig nimmt in jedem Zeitintervall die Energie (bzw. äquivalente Masse) des Universums um eine Planckmasse zu, was ebenfalls die einfachste mögliche Annahme darstellt. Auch diese Annahme scheint in der heute erschlossenen Gesamtmasse des Universums (einschließlich dunkler Materie und dunkler Energie) ihre Bestätigung zu finden, denn das Produkt der Anzahl der Planckzeit-Intervalle und der Planckmasse führt gerade auf die kosmische Gesamtmasse.
Die lineare Vergrößerung der Ausdehnung des Raumes bedeutet eine kubische Vergrößerung seines Volumens. Wenn die Energie aber ebenfalls linear wächst, nimmt die Energie-Dichte im Universum quadratisch ab. Quasistatische Verhältnisse können dann nur in reduziert-dimensionalen Objekten des Universums und nur über bestimmte Phasen hinweg erwartet werden. Das könnte z.B. für relativ lange Zeiträume zutreffen, in denen die großen Voids immer größer werden, aber die Branen mit den enthaltenen Galaxienhaufen unter annähernd stationärer Dichte vorliegen. Langfristig gesehen muss aber eine Reduzierung der Raumdimensionen stattfinden: Aus dreidimensional dicht liegenden Galaxiengruppen werden vermutlich zunächst die flächigen Gebilde (Branen) und später faserartige Strukturen.
Die einfachste Annahme für den Ausgangspunkt ist die eine faktische Identität der beteiligten Größen: Die Planckmasse ist demnach in Form eines Photons mit der Planckenergie im Anfangsvolumen enthalten. Die Wellenlänge eines Photons dieser Energie entspricht gerade einer Plancklänge. Auch die Gravitationsenergie zwischen zwei Planckmassen ist in diesem Abstand gerade gleich dieser Photonenenergie. Das elektromagnetische Feld impliziert einen elektrischen „Urdipol“. Die elektrostatische Energie, die man nach dem Coulombschen Gesetz für diesen Dipol erwarten würde, weicht jedoch um den Faktor der Sommerfeldschen Feinstrukturkonstante von der Photonenenergie ab. Schließt man jedoch die Größe der Elementarladung in die als fundamental konstant angenommenen Größen ein und setzt die Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante für dieses erste Zeitintervall gleich eins, so wird auch die elektrostatische Energie mit der Photonenergie, der Masse und der Gravitationsenergie identisch. Das diese Energie verkörpernde Teilchen ist gleichzeitig Quant des elektrischen, des magnetischen, des elektromagnetischen und des Gravitationsfeldes. Es ist gewissermaßen die Verkörperung der idealen Symmetrie.
Diese Symmetrie geht nun mit der Expansion des Anfangsvolumens verloren. Die Folge ist eine Divergenz in den beteiligten physikalischen Größen. Die Art der Änderungen kann wieder relativ zwanglos aus den gegenwärtig beobachteten Größen abgeleitet werden: Die Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante reduziert sich logarithmisch mit der linearen Ausdehnung. Die Folge ist die Divergenz zwischen Photonenenergie und elektrostatischer Energie, die gegenwärtig den Faktor 137.036 beträgt. Die dimensionslose Feinstrukturkonstante wird nach dieser Vorstellung als Maß für das Alter des Universums bestätigt. Sie bedingt zugleich auch eine Drift in der magnetischen und in der elektrischen Feldkonstante des Vakuums (Dielektrizitätskonstante).
Während das Raumvolumen kubisch wächst, nimmt die Masse linear zu. Mit der Ausdehnung zerfällt die Gesamtenergie in Photonen und ruhemassebehaftete Teilchen. Es wird angenommen, dass die stabilen Elementarteilchen sich in einer Art Resonanzzustand mit dem Raum als Ganzem befinden. Dieser sollte über Feld-Teilchen (Photonen) vermittelt werden, deren Eigenfrequenz so niedrig ist, dass die durch die Wellenlänge charakterisierte Ausdehnung der Quanten gerade gleich dem Durchmesser des expandierenden Universums ist, so dass diese über das ganze Universum delokalisiert sind. Mit jedem Schritt der Expansion ändert sich diese Resonanzbedingung. Die massebehafteten Teilchen geben einen Teil ihrer Energie an das globale Feld ab. Die einfachste Annahme dabei ist, dass sie gerade in jedem Zeitintervall (Planckzeit) die Energie abgeben, die der Energie von Photonen entspricht, die gerade die Wellenlänge der entsprechenden Ausdehnung des Universums haben. Die Teilchen verlieren also allmählich an Masse und zwar immer langsamer, je weiter sich das Universum ausdehnt. Dieser Prozess des Masseverlustes vollzieht sich bis heute annähernd mit der Kubikwurzel der Zeit, wobei zwischen den Elektronen und den Protonen eine gewisse Asymmetrie vorliegt, die ebenfalls durch die zeitlich veränderliche Feinstrukturkonstante beschrieben werden kann. In deren Ergebnis haben diese stabilen Elementarteilchen heute gerade etwa 1/10(20) der Planckmasse, was der Wurzel der magischen großen Zahl Diracs von etwa 10(40) und ungefähr der Kubikwurzel der Zeitintervalle bis heute (ca. 10(61)) entspricht. Die sich im Laufe der kosmischen Evolution entwickelnde Divergenz zwischen elektromagnetischer und Gravitations-Wechselwirkung ist dann nicht als Folge einer Verminderung der Gravitationskonstante, sondern als Folge der Verminderung der Teilchenmassen gegenüber der Planckmasse aufzufassen.
Es ist anzunehmen, dass der linear fortschreitende Energieeintrag ins Universum mit zunehmender Ausdehnung des Universums mit einer Umwandlung von langwelligen Photonen, die in – im Vergleich zu ihrer Wellenlänge – sehr hoher Dichte vorhanden sind, in wenige höherenergetische Photonen einhergeht. Während die primär gebildeten langwelligsten Photonen über das ganze Universum verschmiert sind, sind die kürzerwelligen Photonen mit zunehmender Energie immer stärker lokalisiert. Aus besonders energiereichen Photonen, die vergleichsweise selten auftreten, entstehen ruhemassebehaftete Elementarteilchen. Dabei mag die symmetrische Bildung von Protonen und Antiprotonen sowie Elektronen und Positronen im Universum als Ganzem durchaus gegenüber symmetrieverletzenden Prozessen der Bildung von Protonen und Elektronen überwiegen. Die Dominanz von Protonen und Elektronen gegenüber der Antimaterie könnte sich jedoch einfach daraus erklären, dass anstelle des traditionell angenommenen sehr frühen Symmetriebruchs auf Grund einer Zeitpfeil-bedingten globalen Asymmetrie im Universum mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit (Größenordnung 10-10) fortwährend ein kleiner Überschuss an normaler Materie erzeugt wird, während die geringfügig weniger entstehenden Teilchen der Antimaterie durch Annihilation untergehen.
Zugegebenermaßen lässt das skizzierte Modell eine Reihe von Fragen offen. Aber es soll Experten anregen zu untersuchen, ob nicht ungeklärte Probleme der heutigen Kosmologie durch einen solchen alternativen Ansatz befriedigender erklärt werden können als bisher. Möglicherweise können vor diesem Hintergrund weitere Probleme neu beleuchtet werden: Ist die kosmische Hintergrundstrahlung oder ein Teil davon eventuell Ausdruck von zu Photonen höherer Energie kondensierender sehr langwelliger Photonen und damit eine mögliche Folge der Einkopplung elektromagnetischer Energie auf Grund der oben diskutierten Energiekompensation der Ausdehnung des Raumes? Ist eine große Menge extrem langwelliger Photonen vielleicht Ausdruck der dunklen Energie? Ist eine gravitative Wirkung bestehender Galaxien auf Teilchen, die in dem „Energie- und Massen-Kondensationsprozeß“ eine Rolle spielen, Ursache der dunklen Materie? Ist die beschleunigte Expansion des Universums vielleicht ein Indiz für sich gemeinsam verändernde „Konstanten“?
Ich würde mich freuen mit diesen Fragen einen Anstoß für weitere Diskussionen zu geben.
In unserem Universum wurden im Laufe seiner Entwicklung Strukturen und damit Informationen generiert. Das ist typisch für ein thermodynamisch offenes System mit Entropieexport. Das Universum ist deshalb wohl im thermodynamischen Sinne kein abgeschlossenes System. Falls es kein „Außen“ gibt, das diese Entropie aufnehmen kann, kommt nur die kosmische Expansion, d.h. die Raumentstehung selbst, als Entropiesenke in Frage.
Wenn das Universum im thermodynamischen Sinne nicht abgeschlossen ist, können auch Masse (oder respektive Energie – beide Begriffe werden im Folgenden wie Synonyme benutzt) im Universum fortlaufend zunehmen. Falls es kein „Außen“ gibt, das diese Energie liefern kann, kommt nur die kosmische Expansion, d.h. die Raumentstehung selbst, als Energiequelle in Frage.
(Die Überlegungen zu einem alternativen kosmischen Modell sind nicht neu. Mit Fred Hoyle und Hans-Jörg Fahr haben z.B. zwei sehr namhafte Astrophysiker Zweifel an einem expandierenden Universum konstanter Energie geübt.)
Der Anfang des Universums ist durch ein Planckvolumen – Durchmesser ca. 10(-35) m - die Planckzeit – ca. 10(-43) s – gekennzeichnet, in dem sich die Energie einer Planckmasse – ca. 10(-5) g – befindet. Die Dichte ist gleich der Planckdichte, d.h. sehr hoch, aber nicht so hoch wie in der Anfangsphase im gängigen Standardmodell.
Die einfachste mögliche Annahme zur weiteren Entwicklung liegt nun darin, dass dieses Volumen in jedem elementaren Zeitintervall (Planckzeit) sich in seiner Längenausdehnung um ein Plancklängenintervall vergrößert. Damit expandiert dieses Universum linear mit Lichtgeschwindigkeit. Es kann zwanglos davon ausgegangen werden, dass sich dieser Prozess seit der allerfrühesten Phase der kosmischen Evolution bis heute fortgesetzt hat, da sowohl die Ausdehnung des heute beobachteten Universums als auch die Fluchtgeschwindigkeit der am weitesten entfernten Objekte zu dieser linearen Expansion passen.
Gleichzeitig nimmt in jedem Zeitintervall die Energie (bzw. äquivalente Masse) des Universums um eine Planckmasse zu, was ebenfalls die einfachste mögliche Annahme darstellt. Auch diese Annahme scheint in der heute erschlossenen Gesamtmasse des Universums (einschließlich dunkler Materie und dunkler Energie) ihre Bestätigung zu finden, denn das Produkt der Anzahl der Planckzeit-Intervalle und der Planckmasse führt gerade auf die kosmische Gesamtmasse.
Die lineare Vergrößerung der Ausdehnung des Raumes bedeutet eine kubische Vergrößerung seines Volumens. Wenn die Energie aber ebenfalls linear wächst, nimmt die Energie-Dichte im Universum quadratisch ab. Quasistatische Verhältnisse können dann nur in reduziert-dimensionalen Objekten des Universums und nur über bestimmte Phasen hinweg erwartet werden. Das könnte z.B. für relativ lange Zeiträume zutreffen, in denen die großen Voids immer größer werden, aber die Branen mit den enthaltenen Galaxienhaufen unter annähernd stationärer Dichte vorliegen. Langfristig gesehen muss aber eine Reduzierung der Raumdimensionen stattfinden: Aus dreidimensional dicht liegenden Galaxiengruppen werden vermutlich zunächst die flächigen Gebilde (Branen) und später faserartige Strukturen.
Die einfachste Annahme für den Ausgangspunkt ist die eine faktische Identität der beteiligten Größen: Die Planckmasse ist demnach in Form eines Photons mit der Planckenergie im Anfangsvolumen enthalten. Die Wellenlänge eines Photons dieser Energie entspricht gerade einer Plancklänge. Auch die Gravitationsenergie zwischen zwei Planckmassen ist in diesem Abstand gerade gleich dieser Photonenenergie. Das elektromagnetische Feld impliziert einen elektrischen „Urdipol“. Die elektrostatische Energie, die man nach dem Coulombschen Gesetz für diesen Dipol erwarten würde, weicht jedoch um den Faktor der Sommerfeldschen Feinstrukturkonstante von der Photonenenergie ab. Schließt man jedoch die Größe der Elementarladung in die als fundamental konstant angenommenen Größen ein und setzt die Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante für dieses erste Zeitintervall gleich eins, so wird auch die elektrostatische Energie mit der Photonenergie, der Masse und der Gravitationsenergie identisch. Das diese Energie verkörpernde Teilchen ist gleichzeitig Quant des elektrischen, des magnetischen, des elektromagnetischen und des Gravitationsfeldes. Es ist gewissermaßen die Verkörperung der idealen Symmetrie.
Diese Symmetrie geht nun mit der Expansion des Anfangsvolumens verloren. Die Folge ist eine Divergenz in den beteiligten physikalischen Größen. Die Art der Änderungen kann wieder relativ zwanglos aus den gegenwärtig beobachteten Größen abgeleitet werden: Die Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante reduziert sich logarithmisch mit der linearen Ausdehnung. Die Folge ist die Divergenz zwischen Photonenenergie und elektrostatischer Energie, die gegenwärtig den Faktor 137.036 beträgt. Die dimensionslose Feinstrukturkonstante wird nach dieser Vorstellung als Maß für das Alter des Universums bestätigt. Sie bedingt zugleich auch eine Drift in der magnetischen und in der elektrischen Feldkonstante des Vakuums (Dielektrizitätskonstante).
Während das Raumvolumen kubisch wächst, nimmt die Masse linear zu. Mit der Ausdehnung zerfällt die Gesamtenergie in Photonen und ruhemassebehaftete Teilchen. Es wird angenommen, dass die stabilen Elementarteilchen sich in einer Art Resonanzzustand mit dem Raum als Ganzem befinden. Dieser sollte über Feld-Teilchen (Photonen) vermittelt werden, deren Eigenfrequenz so niedrig ist, dass die durch die Wellenlänge charakterisierte Ausdehnung der Quanten gerade gleich dem Durchmesser des expandierenden Universums ist, so dass diese über das ganze Universum delokalisiert sind. Mit jedem Schritt der Expansion ändert sich diese Resonanzbedingung. Die massebehafteten Teilchen geben einen Teil ihrer Energie an das globale Feld ab. Die einfachste Annahme dabei ist, dass sie gerade in jedem Zeitintervall (Planckzeit) die Energie abgeben, die der Energie von Photonen entspricht, die gerade die Wellenlänge der entsprechenden Ausdehnung des Universums haben. Die Teilchen verlieren also allmählich an Masse und zwar immer langsamer, je weiter sich das Universum ausdehnt. Dieser Prozess des Masseverlustes vollzieht sich bis heute annähernd mit der Kubikwurzel der Zeit, wobei zwischen den Elektronen und den Protonen eine gewisse Asymmetrie vorliegt, die ebenfalls durch die zeitlich veränderliche Feinstrukturkonstante beschrieben werden kann. In deren Ergebnis haben diese stabilen Elementarteilchen heute gerade etwa 1/10(20) der Planckmasse, was der Wurzel der magischen großen Zahl Diracs von etwa 10(40) und ungefähr der Kubikwurzel der Zeitintervalle bis heute (ca. 10(61)) entspricht. Die sich im Laufe der kosmischen Evolution entwickelnde Divergenz zwischen elektromagnetischer und Gravitations-Wechselwirkung ist dann nicht als Folge einer Verminderung der Gravitationskonstante, sondern als Folge der Verminderung der Teilchenmassen gegenüber der Planckmasse aufzufassen.
Es ist anzunehmen, dass der linear fortschreitende Energieeintrag ins Universum mit zunehmender Ausdehnung des Universums mit einer Umwandlung von langwelligen Photonen, die in – im Vergleich zu ihrer Wellenlänge – sehr hoher Dichte vorhanden sind, in wenige höherenergetische Photonen einhergeht. Während die primär gebildeten langwelligsten Photonen über das ganze Universum verschmiert sind, sind die kürzerwelligen Photonen mit zunehmender Energie immer stärker lokalisiert. Aus besonders energiereichen Photonen, die vergleichsweise selten auftreten, entstehen ruhemassebehaftete Elementarteilchen. Dabei mag die symmetrische Bildung von Protonen und Antiprotonen sowie Elektronen und Positronen im Universum als Ganzem durchaus gegenüber symmetrieverletzenden Prozessen der Bildung von Protonen und Elektronen überwiegen. Die Dominanz von Protonen und Elektronen gegenüber der Antimaterie könnte sich jedoch einfach daraus erklären, dass anstelle des traditionell angenommenen sehr frühen Symmetriebruchs auf Grund einer Zeitpfeil-bedingten globalen Asymmetrie im Universum mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit (Größenordnung 10-10) fortwährend ein kleiner Überschuss an normaler Materie erzeugt wird, während die geringfügig weniger entstehenden Teilchen der Antimaterie durch Annihilation untergehen.
Zugegebenermaßen lässt das skizzierte Modell eine Reihe von Fragen offen. Aber es soll Experten anregen zu untersuchen, ob nicht ungeklärte Probleme der heutigen Kosmologie durch einen solchen alternativen Ansatz befriedigender erklärt werden können als bisher. Möglicherweise können vor diesem Hintergrund weitere Probleme neu beleuchtet werden: Ist die kosmische Hintergrundstrahlung oder ein Teil davon eventuell Ausdruck von zu Photonen höherer Energie kondensierender sehr langwelliger Photonen und damit eine mögliche Folge der Einkopplung elektromagnetischer Energie auf Grund der oben diskutierten Energiekompensation der Ausdehnung des Raumes? Ist eine große Menge extrem langwelliger Photonen vielleicht Ausdruck der dunklen Energie? Ist eine gravitative Wirkung bestehender Galaxien auf Teilchen, die in dem „Energie- und Massen-Kondensationsprozeß“ eine Rolle spielen, Ursache der dunklen Materie? Ist die beschleunigte Expansion des Universums vielleicht ein Indiz für sich gemeinsam verändernde „Konstanten“?
Ich würde mich freuen mit diesen Fragen einen Anstoß für weitere Diskussionen zu geben.
