Gemeinsame Veränderung von „Konstanten“ - ein Weg aus kosmologischem Unbehagen?

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Jomi

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Trotz allergrößtem Respekt vor den Leistungen der modernen Astrophysik und Kosmologie empfinde ich ein Unbehagen. Dieses Unbehagen gegenüber der heute gängigsten Vorstellung vom „Urknall“ mit einer inflationären Phase leitet sich vor allem gegenüber drei zentralen Annahmen ab:

1. Eine grobe Verletzung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik wird auf die früheste Phase der Evolution des Universums verschoben, und dadurch wird die Vorstellung einer im Folgenden ablaufenden weiteren Raumexpansion unter der Annahme eines thermodynamisch abgeschlossenen Systems ermöglicht.

2. Die stabilen Elementarteilchen, die im Wesentlichen die kosmische Materie bilden, entstanden durch einen frühen Symmetriebruch, der zur Dominanz von Protonen und Elektronen gegenüber Antiprotonen und Positronen führte. Seitdem herrschen jedoch strikt symmetrische Bedingungen.

3. Die kosmische Masse bzw. deren äquivalente Energie sind seit dieser frühen Zeit konstant, wofür in der frühen Phase extrem hohe Energie- bzw. Massendichten angenommen werden müssen, auch wenn dabei selbst die Planck-Dichte (Planckmasse/Planckvolumen) massiv überschritten wird.

Diese Annahmen bedingen einen vierten Sachverhalt, der Unbehagen bereitet: Die postulierte frühe Phase ist nicht beobachtbar, da sie weit vor dem angenommenen Übergang des Kosmos‘ aus dem Plasmazustand in den transparenten Zustand liegt. Extrapolationen in die Zeit vor dem „Aufklaren“ sind nur anhand einer kleinen räumlichen Inhomogenität der kosmischen Hintergrundstrahlung möglich.
Das Unbehagen kann nur überwunden werden, indem alternative Ansätze diskutiert werden. Dafür ist es hilfreich, sich einige grundsätzliche Beobachtungen ins Gedächtnis zu rufen, die wesentlich für unsere Anschauung vom Universum sind:

1. Das Universum ist nicht homogen, sondern hochgradig strukturiert. Wir beobachten eine durchgehende Struktur-Hierarchie von den kleinsten bis zu den größten Längenskalen. Auch die näherungsweise Annahme eines homogenen Universums ist fragwürdig.

2. Das Universum ist nicht isotrop, sondern in unterschiedlichen Richtungen beobachten wir deutliche Unterschiede in der Verteilung von Materie und Strahlung. Diese Anisotropie gilt nicht nur auf kleiner Längenskala (Galaxis), sondern wegen der supergalaktischen Strukturen auch für größere Raumbereiche. Die Annahme eines isotropen Universums ist deshalb fragwürdig.

3. Das gegenwärtige Universum spiegelt keinen Gleichgewichtszustand und auch keinen Fließgleichgewichtszustand wider. Es gibt keine Symmetrie bezüglich der Zeitachse. Im Gegenteil: das Universum gehorcht lokal und global einem strengen Zeitpfeil, wie er für Abläufe weitab vom thermodynamischen Gleichgewicht typisch ist.

Das Universum unterliegt einer permanenten Veränderung. Auch die periodischen Prozesse der Himmelsmechanik dürfen nicht darüber hinweg täuschen, dass die wesentlichen Vorgänge – darunter kosmische Expansion, Kollisionen und Fusionen großer Staub-/Gaswolken und Galaxien, Sternentstehung, Nukleosynthese und Sternschicksal jenseits der Hauptreihe – irreversible Prozesse sind. Das entscheidende Merkmal des Universums sind seine unumkehrbaren Abläufe.
Deshalb plädiere ich für eine Weltsicht und damit auch für naturwissenschaftliche Hypothesen, die dem Fakt der beobachteten permanenten Veränderung das Primat gegenüber theoretischen Konstrukten mit der Annahme heute weitgehend konstanter Randbedingungen geben. Sie sollten eine Verschiebung der Symmetriebrüche und Hauptsatzverletzungen in die früheste Phase der kosmischen Evolution weitgehend vermeiden.
Ich schlage vor, die Grundannahmen zunächst auf ein Minimum zu beschränken, z.B. auf die universelle Gültigkeit folgender fünf Gesetze:

1. Den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, d.h. der Zunahme der Entropie – Entropie dabei in ganz allgemeiner Form verstanden - in einem abgeschlossenen System, wenn irreversible Prozesse ablaufen

2. Den ersten Hauptzsatz der Thermodynamik, d.h. der Erhaltung von Masse und Energie in einem abgeschlossenen System

3. Das Newtonsche Gravitationsgesetz mit der Annahme einer allgemein gültigen und konstanten Gravitationskonstante G

4. Den Quantencharakter, d.h. der Korpuskularität der Teilchen des elektromagnetischen Feldes, der Photonen und der Beschreibung ihrer Energie als Produkt von Frequenz und der allgemein gültigen Konstante des Planckschen Wirkungsquantums h

5. Die Einsteinschen Äquivalenzbeziehung von Masse und Energie mit der Annahme einer allgemein gültigen und konstanten Lichtgeschwindigkeit des Vakuums c

Die drei in den Gesetzen 3 bis 5 steckenden universellen Naturkonstanten sind als Gruppe identisch mit den drei Fundamentalgrößen Plancklänge, Planckzeit und Planckmasse respektive Planckenergie. Das heißt anhand der drei Gesetze ergeben sich die drei Planckgrößen direkt aus den drei universellen Konstanten, und umgekehrt können Gravitationskonstante, Plancksches Wirkungsquantum und Lichtgeschwindigkeit direkt aus den drei genannten Planckgrößen abgeleitet werden.
Jenseits dieser Postulate wird zunächst eine Variabilität anderer als im Allgemeinen als konstant angenommener Größen zugelassen. Dabei bin ich mit der Tatsache bewusst, dass in den letzten drei Jahrzehnten erhebliche experimentelle bzw. messtechnische Anstrengungen unternommen worden sind, zeitliche Änderungen der einzelnen Naturkonstanten nachzuweisen oder innerhalb gewisser Grenzen auszuschließen und sich dabei für die einzelnen untersuchten Konstanten im Laufe der Zeit immer kleinere Grenzen einer möglichen zeitlichen Variation ergeben haben. Diese Befunde schließen wahrscheinlich jedoch nicht eine gemeinsame zeitliche Änderung mehrerer als konstant angenommener Größen aus. Die detaillierte Untersuchung der Möglichkeit gemeinsamer Änderungen solcher Größen ist meiner Meinung nach vermutlich eine lohnende Aufgabe.
Ich bin für Hinweise dankbar und würde mich freuen, mit dieser Vermutung einen Anstoß für weitere Diskussionen zu geben.
 

ralfkannenberg

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Hallo Jomi,

auch hier gilt es, vor einer allfälligen Diskussion einige Fragen zu klären:

1. Eine grobe Verletzung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik wird auf die früheste Phase der Evolution des Universums verschoben, und dadurch wird die Vorstellung einer im Folgenden ablaufenden weiteren Raumexpansion unter der Annahme eines thermodynamisch abgeschlossenen Systems ermöglicht.
Das verstehe ich nicht: wo konkret siehst Du den 1.Hauptsatz der Themodynamik verletzt ?


2. Die stabilen Elementarteilchen, die im Wesentlichen die kosmische Materie bilden, entstanden durch einen frühen Symmetriebruch, der zur Dominanz von Protonen und Elektronen gegenüber Antiprotonen und Positronen führte. Seitdem herrschen jedoch strikt symmetrische Bedingungen.
Nein, es gibt nach wie vor zahlreiche unverstandene Symmetriebrüche, wie beispielsweise die CP-Verletzung.

Zudem gibt es weitere stabile Elementarteilchen wie die Neutrinos, die magnetischen Monopole sowie die Bauteilchen der Dunklen Materie.


3. Die kosmische Masse bzw. deren äquivalente Energie sind seit dieser frühen Zeit konstant, wofür in der frühen Phase extrem hohe Energie- bzw. Massendichten angenommen werden müssen, auch wenn dabei selbst die Planck-Dichte (Planckmasse/Planckvolumen) massiv überschritten wird.
Gibt es das: eine "Planck-Dichte", oder hast Du eine solche für die zwecke Deiner Thesen definiert ?

Diese Annahmen bedingen einen vierten Sachverhalt, der Unbehagen bereitet: Die postulierte frühe Phase ist nicht beobachtbar, da sie weit vor dem angenommenen Übergang des Kosmos‘ aus dem Plasmazustand in den transparenten Zustand liegt. Extrapolationen in die Zeit vor dem „Aufklaren“ sind nur anhand einer kleinen räumlichen Inhomogenität der kosmischen Hintergrundstrahlung möglich.
Na ja, bis zu den ersten 3:42 Minuten (-> Weinberg) kann man mit wenigen Annahmen recht einfach kommen; das ist ein weit früherer Zeitpunkt als die ~300000 Jahre, nach denen das Universum durchsichtig wurde.


Das Unbehagen kann nur überwunden werden, indem alternative Ansätze diskutiert werden. Dafür ist es hilfreich, sich einige grundsätzliche Beobachtungen ins Gedächtnis zu rufen, die wesentlich für unsere Anschauung vom Universum sind:

1. Das Universum ist nicht homogen, sondern hochgradig strukturiert. Wir beobachten eine durchgehende Struktur-Hierarchie von den kleinsten bis zu den größten Längenskalen. Auch die näherungsweise Annahme eines homogenen Universums ist fragwürdig.
Betreffend der "grössten Längenskalen" ist das unzutreffend: in kosmologischen Distanzen "sieht" das Universum isotrop "aus".


Freundliche Grüsse, Ralf
 

pane

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Gibt es das: eine "Planck-Dichte", oder hast Du eine solche für die zwecke Deiner Thesen definiert ?

Klar gibt es die, siehe Planck-Einheiten
das heißt aber nicht, dass nichts dichter sein darf. Die Planck-Masse, die es auch gibt, liegt bei 21µg. Für uns sehr klein, aber für ein Atom sehr viel. Es gibt Dinge, die sind leichter und es gibt Dinge, die sind schwerer.

Na ja, bis zu den ersten 3:42 Minuten (-> Weinberg) kann man mit wenigen Annahmen recht einfach kommen; das ist ein weit früherer Zeitpunkt als die ~300000 Jahre, nach denen das Universum durchsichtig wurde.

Ein Unbehagen bleibt trotzdem, da die Annahmen, und seien sie noch so einfach, nicht überprüfbar sind.

Jomi schrieb:
Das Universum ist nicht homogen, sondern hochgradig strukturiert

Die Erdoberfläche ist auch nicht homogen, sondern hochgradig struktuiert. Überall hat es Flüsse, Seen, Berge, Klippen, Täler usw. Vom Weltall aus gesehen, und das fängt schon bei der ISS an, sieht die Erde aus wie eine homogene Kugel. Die Polabflachung ist da viel interessanter als ein paar Berge irgendwo. Alles spricht dafür, dass es bei dem Weltall genauso ist, nur in einem sehr viel größerem Maßstab.

mit freundlichen Grüßen
pane
 
Zuletzt bearbeitet:

ralfkannenberg

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Hallo pane,

oha - besten Dank, das habe ich übersehen.

das heißt aber nicht, dass nichts dichter sein darf. Die Planck-Masse, die es auch gibt, liegt bei 21µg. Für uns sehr klein, aber für ein Atom sehr viel. Es gibt Dinge, die sind leichter und es gibt Dinge, die sind schwerer.
Genau :)

Ein Unbehagen bleibt trotzdem, da die Annahmen, und seien sie noch so einfach, nicht überprüfbar sind.
Die Annahmen sind ohnehin nie überprüfbar, es ist nur die Frage, ob die experimentellen Ergebnisse innerhalb vorgegebener Toleranzen dazu konsistent sind oder nicht, wobei ich jetzt den idealen Fall, dass es keine systematischen Fehler gibt, stillschweigend voraussetze.

Die Erdoberfläche ist auch nicht homogen, sondern hochgradig struktuiert. Überall hat es Flüsse, Seen, Berge, Klippen, Täler usw. Vom Weltall aus gesehen, und das fängt schon bei der ISS an, sieht die Erde aus wie eine homogene Kugel. Die Polabflachung ist da viel interessanter als ein paar Berge irgendwo. Alles spricht dafür, dass es bei dem Weltall genauso ist, nur in einem sehr viel größerem Maßstab.
Die grössten mir bekannten Strukturen sind die Quasar-Cluster ("Large quasar groups"), d.h. bis zu einer Skala von ~2 Milliarden Lichtjahren ist das so. Oberhalb dieser Skala ist aber das Universum meines Wissens isotrop.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

Herr Senf

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Jomi schrieb:
... universelle Gültigkeit folgender fünf Gesetze:
4. Den Quantencharakter, d.h. der Korpuskularität der Teilchen des elektromagnetischen Feldes, der Photonen ...
Was haben Quanten mit Korpuskeln zu tun und was nicht?
Von den Photonen gibt es zwei Sorten, welche ist gemeint?
Ein Feld ist ein Feld und "besteht" nicht aus Teilchen ...
Der "Vorschlag" ist noch ziemlicher Begriffssalat, damit bleibt unverständlich, wozu er gut sein soll.
Grüße Senf
 

Jomi

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Danke für die Hinweise! Tatsächlich meine ich "Korpuskularität" nicht im Sinne einer Ruhemasse, sondern als Begriff einer Einheit, Ganzheit, Individualität, oder Lokalisierbarkeit, d.h. als Unterschied zu einem Kontinuum. Ich bitte die begriffliche Ungenauigkeit zu entschuldigen.

Mein Begriff vom elektromagnetischen Wechselfeld ist der eines Feldes mit - in Abhängigkeit von der Wellenlänge mehr oder weniger stark - lokalisierten Energieportionen. So habe ich den Begriff der Lichtquanten (Photonen) verstanden und meine, dass er so auf Felder aller Wellenlängen, d.h. auch auf extrem niedrige "Photonen"-Energien anwendbar ist.

Ich erlaube mir noch einen Blickwinkel mitzuteilen, der mit der Gravitationswirkung auf Photonen zusammenhängt: Vielleicht sind unsere Ruhemasse-behafteten Teilchen ja auch nur als besondere Energieportionen in einem Feld zu betrachten?
 

Ich

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Klar gibt es die, siehe Planck-Einheiten
das heißt aber nicht, dass nichts dichter sein darf. Die Planck-Masse, die es auch gibt, liegt bei 21µg. Für uns sehr klein, aber für ein Atom sehr viel. Es gibt Dinge, die sind leichter und es gibt Dinge, die sind schwerer.
Naja, aber es gibt nichts bekanntes, was dichter ist als die Planck-Dichte. Außer Goethe natürlich.
Das ist schon ein Synonym für "so dicht wie's geht".
Ein Unbehagen bleibt trotzdem, da die Annahmen, und seien sie noch so einfach, nicht überprüfbar sind.
Das sehe ich nicht so. Die Rückwärtsextrapolation der bekannten Physik innerhalb ihres Gültigkeitsbereichs erlaubt durchaus überprüfbare quantitative Vorhersagen, zum Beispiel zur Baryogenese. Und sogar noch weiter zurück machen die Inflationsmodelle einhellig Vorhersagen zur Struktur des CMB, obwohl sie nicht viel mehr als eine ungefähre Idee sind.
Die Erdoberfläche ist auch nicht homogen, sondern hochgradig struktuiert. Überall hat es Flüsse, Seen, Berge, Klippen, Täler usw. Vom Weltall aus gesehen, und das fängt schon bei der ISS an, sieht die Erde aus wie eine homogene Kugel. Die Polabflachung ist da viel interessanter als ein paar Berge irgendwo. Alles spricht dafür, dass es bei dem Weltall genauso ist, nur in einem sehr viel größerem Maßstab.
Hier ein Bild, das das illustriert.
 

Jomi

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Hallo Ralf,
zu 1.: Problematisch am Standardmodell - soweit ich es verstanden habe - ist für mich vor allem der Wechsel vom massiven Eintrag von Masse bzw. Energie in der allerersten Phase und der anschließende Wechsel zu einem Universum konstanter Energie bzw. Masse. Das verstehe ich als Wechsel zwischen der massiven Verletzung und der Gültigkeit des 1. Hauptsatzes, wenn man ein abgeschlossenes Universum voraussetzt. Wenn das Universum dagegen im thermodynamischen Sinne bis heute nicht abgeschlossen sein sollte, dann würde auch ein fortlaufender Eintrag von Masse bzw. Energie in Frage kommen.

eine Frage zu 2.: Kann man die Tatsache der unverstandenen Symmetriebrüche als unterstützendes Argument dafür verstehen, dass auch gegenwärtig noch fortlaufend ein Überschuss von Protonen und Elektronen gegenüber Antimaterie gebildet werden kann?

zur Homogenität des Universums: Die Ausdehnung des Universums (ca. 14 Ga) liegt nur rund ein bis zwei Größenordnungen über der Ausdehnung der großen kosmischen Strukturen (siehe auch unten, Dein frdl. Hinweis an Pane). Vor diesem Hintergrund ist die Annahme der Homogenität eine relativ grobe Vereinfachung. Der Charakter des Universums als Ganzes wird durch eine innere hierarchische Struktur bestimmt. Das ist ein charakteristisches Merkmal sich entwickelnder, Gleichgewichts-ferner Systeme. Das Größenverhältnis zwischen der Gesamtausdehnung und den größten kosmischen Strukturen bewegt sich innerhalb der typischen Bandbreite von Strukturhierarchien, so dass man meiner Meinung nach im Prinzip von einem "nahtlosen Anschluß" der Abmessung des Gesamtuniversums an die Substrukturen sprechen kann.
 

SRMeister

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(...)
Die Ausdehnung des Universums (ca. 14 Ga) liegt nur rund ein bis zwei Größenordnungen über der Ausdehnung der großen kosmischen Strukturen (siehe auch unten, Dein frdl. Hinweis an Pane).
Das ist falsch. Das beobachtbare Universum ist bereits über 90 Mrd LJ ausgedehnt, und ganz sicher noch wesentlich größer, wenn nicht unendlich groß.
 

ralfkannenberg

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zu 1.: Problematisch am Standardmodell - soweit ich es verstanden habe - ist für mich vor allem der Wechsel vom massiven Eintrag von Masse bzw. Energie in der allerersten Phase und der anschließende Wechsel zu einem Universum konstanter Energie bzw. Masse. Das verstehe ich als Wechsel zwischen der massiven Verletzung und der Gültigkeit des 1. Hauptsatzes, wenn man ein abgeschlossenes Universum voraussetzt.
Hallo Jomi,

das verstehe ich nicht: im Urknall-Modell ist die Energie bzw. Masse doch immer gleich.


eine Frage zu 2.: Kann man die Tatsache der unverstandenen Symmetriebrüche als unterstützendes Argument dafür verstehen, dass auch gegenwärtig noch fortlaufend ein Überschuss von Protonen und Elektronen gegenüber Antimaterie gebildet werden kann?
Wenn Dich diese Fragestellung interessiert, so empfehle ich, dass Du Dich über die Thematik der Symmetrie-Verletzungen näher informierst. Dann bekommst Du auch ein viel besseres Bild davon.

zur Homogenität des Universums: Die Ausdehnung des Universums (ca. 14 Ga) liegt nur rund ein bis zwei Größenordnungen über der Ausdehnung der großen kosmischen Strukturen (siehe auch unten, Dein frdl. Hinweis an Pane). Vor diesem Hintergrund ist die Annahme der Homogenität eine relativ grobe Vereinfachung.
Verstehe ich nicht: am besten schaust Du Dir doch mal die Bilder der Unregelmässigkeiten der kosmologischen Hintergrundstrahlung an; die sind zwar schön bunt, man muss sich aber auch dessen bewusst sein, wie geringfügig die Abweichungen zwischen den verschieden eingefärbten Bereichen ist.


Der Charakter des Universums als Ganzes wird durch eine innere hierarchische Struktur bestimmt. Das ist ein charakteristisches Merkmal sich entwickelnder, Gleichgewichts-ferner Systeme. Das Größenverhältnis zwischen der Gesamtausdehnung und den größten kosmischen Strukturen bewegt sich innerhalb der typischen Bandbreite von Strukturhierarchien, so dass man meiner Meinung nach im Prinzip von einem "nahtlosen Anschluß" der Abmessung des Gesamtuniversums an die Substrukturen sprechen kann.
Deiner Meinung nach; ich persönlich sehe das anders. Zudem habe ich irgendwie wenig Anlass, mir das Universum als "im thermodynamischen Sinne bis heute nicht abgeschlossen seiend" vorzustellen. Mit einer solchen Vorstellung hast Du zwangsläufig auch einen Aussenbereich, "wo" das Universum nicht ist, mit dem es aber dann doch verbunden sein muss, um Masse und Energie - auch Impuls und Drehimpuls, womöglich Ladung und Leptonenzahl ? - austauschen bzw. erhalten zu können.

Was ich sagen will: das erscheint mir doch eine sehr kühne Zusatz-Voraussetzung zu sein.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

Jomi

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Hallo Ralf,
danke für alle Hinweise!
zum Problem der Massen/Energieerhaltung: Da die Anfangs-Singularität mit dem plötzlichen Eintrag der Masse den Alltags- und Laborerfahrungen entgegensteht, sollte man wohl immer die Alternative eines allmählichen Zuwachses im Hinterkopf haben.

zur Homogenität: Offensichtlich gibt es vergleichsweise homogene Verhältnisse (10(-5) in CMB) neben inhomogenen Verhältnissen (sichtbare ruhemassebehaftete Strukturen, wohl inklusive der "dunklen Materie"). Das homogene Auftreten eines Typs von Erscheinungen
schließt offensichtlich die Inhomogenität in einem anderen Typ nicht aus.

Spekulationen über ein "Außen" fördern die Phantasie, sind aber wohl kaum dem Falsifizierbarkeitskriterium zu unterwerfen. Dagegen lohnt es sich vielleicht eher den Gedanken zu verfolgen, ob nicht der in der Expansion entstehende Raum gewissermaßen durch die Generieung von Masse und Energie im Inneren eine Kompensation erfährt.
 

Herr Senf

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Vielleicht liegt die "oberflächliche" Inhomogenität der Materie da dran, daß die gleichmäßig verteilten Monaden nicht alle gefüllt sind ;)
Es reicht heute nicht mehr für alle und volle Füllung, in einen cm³ passen ca 10^99 Stück rein , Weltall hat mindestens 10^85 cm³.
Licht entfernter Quellen verschiedener Energie dürfte nicht gleich schnell sein, es hätte eine Gaußverteilung der LG um den Wert c.
Solche Ergebnisse konnten bislang nicht erhalten werden, wir wissen nicht, was um die oder unterhalb der Planck-Größen passiert.
Grüße Senf
 

Ich

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Da die Anfangs-Singularität mit dem plötzlichen Eintrag der Masse den Alltags- und Laborerfahrungen entgegensteht, sollte man wohl immer die Alternative eines allmählichen Zuwachses im Hinterkopf haben.
...wie wir sie aus unseren Alltags- und Laborerfahrungen kennen. Oder wie?
zur Homogenität: Offensichtlich gibt es vergleichsweise homogene Verhältnisse (10(-5) in CMB) neben inhomogenen Verhältnissen (sichtbare ruhemassebehaftete Strukturen, wohl inklusive der "dunklen Materie"). Das homogene Auftreten eines Typs von Erscheinungen
schließt offensichtlich die Inhomogenität in einem anderen Typ nicht aus.
Der Unterschied ist die Größe - und das Alter. Früher war alles wenige inhomogen, es ist ein leicht verständliches Berechnungsergebnis, dass sich Inhomogenitäten mit der Zeit verstärken. Größere Strukturen sind auch weniger inhomogen, das rechtfertigt ja die Anwendung der homogenen Friedmann-Modelle.
 
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