All-Expansion und potentielle Energie

Wissenschaft Physik
1

Hallo.

Die meisten Physiker halten ja die Urknall-Theorie für diejenige, welche die Entstehung des Universums in Übereinstimmung mit den Beobachtungen am besten beschreibt. Dabei soll sich das Universum ja ausdehnen, zunächst inflationär, dann langsamer und evtl - sofern die Masse ausreicht - wieder schrumpfen. Die Ausdehnung verstehe ich als Zunahme der Abstände zwischen Körpern im All. Damit nimmt aber doch auch die potentielle Energie des Systems zu. Oder ? Und wenn dem so ist, wo kommt die denn her (Das Universum ist doch per definitionem ein geschlossenes System). Ich könnte mir denken, dass die kinetische Energie des Urknalls selbst halt umgewandelt wird zu potentieller Energie. Das passt aber nicht zur inflationären Phase. Was soll da gewirkt haben ? Sicher haben Physiker da eine einleutende Erklärung, die mir noch nicht klar ist. Kann mir jemand auf die Sprünge helfen ?

Gruß
Jochen

2

Abkühlung
Hallo,

du hast vergessen, dass sich das Universum beim Ausdehnen
abkühlt. Und daher kommt dann die Energie.
(Stichwort: adiabatische Expansion)

Gruß
Oliver

3

Hi Jochen,

die Energie verschwindet nicht und wird auch nicht mehr, sie wird ‚dünner‘

Analogon:
Wenn Du ein Gas adiabatische expandierst, kühlt es sich ab.
Genauso wird das Universum immer ‚kälter‘

Gandalf

4

hallo,

naja, die energie fuer die ausdehnung kommt schlicht aus der kinetischenn energie der ausdehnung.

die inflationaere phase kann die gesichert, also als mehrheitsmeinung mit beweis, bis dato niemand beweisen. dieser symmetrie-bruch in der physik mit geschwindigkeiten ueber c ist noch nicht voellig geklaert.

weiter ist noch nicht klar, ob das universum offen geschlossen oder flach ist, stichwort dunkle materie. evtl wirkt eine „fuenfte“ kraft der gravitation sowieso entgegen, stichwort vakuumenergie. also auch da, wo nichts ist, ist etwas aufgrund quantenmechanischer nullpunktsschwankungen oder siehe heisenbergsche unschaerfe.

beste gruesse, lego

5

Die Ausdehnung verstehe ich als
Zunahme der Abstände zwischen Körpern im All. Damit nimmt aber
doch auch die potentielle Energie des Systems zu. Oder ?

Richtig.

Und
wenn dem so ist, wo kommt die denn her (Das Universum ist doch
per definitionem ein geschlossenes System).

Weil das niemand weiß, wird diese Energiequelle von den Kosmologen als „Dumkle Energie“ bezeichnet.

Ich könnte mir
denken, dass die kinetische Energie des Urknalls selbst halt
umgewandelt wird zu potentieller Energie.

Davon abgesehen, daß das nicht reicht (mit der Beschleunigung der Expansion steigt nämlich auch die „kinetische Energie“) kann man den Energieerhaltungssatz in solchen Dimensionen und vor allem in einem expandierenden Raum nicht meh anwenden. Die skalare Energie, die wir kennen gibt es nur in der Newtonschen Mechanik, aber in der Kosmologie ist ohne Relativitätstheorie nichts mehr zu wollen und da wird die Energie zu einer vektoriellen Größe für die andere Gesetze gelten. Vereinfacht ausgedrückt verschmelzen in der RT Energie und Impuls, was zu einem neuen Erhaltungssatz führt, nach dem Energie und Impuls nicht notwendigerweise konstant bleiben müssen.

6

hallo,

Davon abgesehen, daß das nicht reicht (mit der Beschleunigung
der Expansion steigt nämlich auch die „kinetische Energie“)
kann man den Energieerhaltungssatz in solchen Dimensionen und
vor allem in einem expandierenden Raum nicht meh anwenden. Die
skalare Energie, die wir kennen gibt es nur in der Newtonschen
Mechanik, aber in der Kosmologie ist ohne Relativitätstheorie
nichts mehr zu wollen und da wird die Energie zu einer
vektoriellen Größe für die andere Gesetze gelten. Vereinfacht
ausgedrückt verschmelzen in der RT Energie und Impuls, was zu
einem neuen Erhaltungssatz führt, nach dem Energie und Impuls
nicht notwendigerweise konstant bleiben müssen.

hmmm das kann ich nicht ganz nachvollziehen, warum soll aus dem skalar energie auf kosmologischen raumzeitskalen aufgrund der allgemeinen relativitaetstheorie ploetzlich ein vektor werden, nebst verschmelzung von energie und impuls und brechung des energieerhaltungssatz? ich kann dem a priori nicht folgen.
ich bitte dich um begruendung.

besten dank, lego

7

warum soll aus
dem skalar energie auf kosmologischen raumzeitskalen aufgrund
der allgemeinen relativitaetstheorie ploetzlich ein vektor
werden, nebst verschmelzung von energie und impuls und
brechung des energieerhaltungssatz?

Das ist nicht nur auf kosmische Raumzeitskalen beschränkt, sondern gilt generell. In unserer Erfahrungswelt merken wir davon allerdings nichts, weil die RT in diesen kleinen Dimensionen in die Newtonsche Mechanik übergeht.

ich bitte dich um begruendung.

Eine didaktisch sehr gelungene Einführung in die RT findest Du hier: http://www.itp.uni-bremen.de/~noack/masse-2.ps

8

Vierervektor
hallo,

warum soll aus
dem skalar energie auf kosmologischen raumzeitskalen aufgrund
der allgemeinen relativitaetstheorie ploetzlich ein vektor
werden, nebst verschmelzung von energie und impuls und
brechung des energieerhaltungssatz?

Das ist nicht nur auf kosmische Raumzeitskalen beschränkt,
sondern gilt generell. In unserer Erfahrungswelt merken wir
davon allerdings nichts, weil die RT in diesen kleinen
Dimensionen in die Newtonsche Mechanik übergeht.

in dem artikel wird nur erlaeutert, dass es sich besser rechnet in relativistischen Bereichen mit dem vierertensor. was im artikel geschrieben steht, musste ich selber im studium und arbeit einige dutzend male durchrechnen. der vierer-tensor fasst richtiger weise energie und impuls zusammen, jedoch kann von keiner verschmelzung hier die rede sein. energie bleibt damit weiterhin ein skalar, impuls und viererimpuls sind hingegen richtig vektoren. von einer brechung des energieerhaltungssatzes ist in dem artikel nicht die rede. hier wird weiter nur die spezielle relatitiviaetstheorie zur anwendung gebracht.

ich finde mich nicht ueberzeugt von meiner meinung, dass energie damit immer noch nur ein skalar bleibt und das der energieerhaltungssatz nur im rahmen von heisenberg gebrochen werden darf, auf pump der zeit entsprechend. vierervektoren hingegen sind eine tolle sache und immer erhalten, nie gebrochen.

beste gruesse, lego

9

Danke für eure Antworten!

Warum man annimmt, daß in relativistischen Maßstäben die Energie/Impuserhaltung nicht gelten braucht, ist mir nicht klar geworden.

Viel schlauer bin ich noch nicht, aber der Tipp mit der adiabatischen Expansion war gut. Nur wirft auch das wieder neue Fragen auf. Ist es die „Hitze“ elektromagnetischer Strahlung, die hier umgewandelt wird ? Wenn ja, wie kann man den Anteil des Doppler-Effektes an der Rotverschiebung bestimmen, denn durch „Abkühlung“ alleine erfolgt ja auch schon eine Rotverschiebung… Und ist dieser Prozess lokal, also kann das Universum dort schneller exandieren, wo mehr Strahlung/Hitze ist ? Immerhin ist die Hintergrundstrahlung ja etwas inhomogen. Und was folgt, wenn unterschiedliche Raumgebiete unterschiedlich schnell expandieren ?

Gruß
Jochen

10

hallo,

Warum man annimmt, daß in relativistischen Maßstäben die
Energie/Impuserhaltung nicht gelten braucht, ist mir nicht
klar geworden.

nein die gilt immer noch, da fuehrt kein weg daran vorbei, hier gab es wohl nur ein missverstaendnis zwischen MrStupid und mir bzgl einer vermischung der begriffe energie, impuls und vierervektor.

Viel schlauer bin ich noch nicht, aber der Tipp mit der
adiabatischen Expansion war gut. Nur wirft auch das wieder
neue Fragen auf. Ist es die „Hitze“ elektromagnetischer
Strahlung, die hier umgewandelt wird ?

hmmm eher noch allein die kinetische energie, den strahlungsdruck kannst du heutzutage voellig vernachlaessigen, gilt fuer fast alle frueheren zeiten wohl auch.

Wenn ja, wie kann man
den Anteil des Doppler-Effektes an der Rotverschiebung
bestimmen, denn durch „Abkühlung“ alleine erfolgt ja auch
schon eine Rotverschiebung… Und ist dieser Prozess lokal,

ah aehm man kann hier kaum trennen zwischen rotverschiebung durch doppler und expansion. zumindest nicht auf weite entfernung. das ist aehnlich (naja weit hergeholt der unterschied) wie schwere und traege materie)

also kann das Universum dort schneller exandieren, wo mehr
Strahlung/Hitze ist ?

siehe oben und unten

Immerhin ist die Hintergrundstrahlung ja
etwas inhomogen.

nun das ist aber minimal, evtl koennte man hiermit tatsaechlich einen „ursprungspunkt“ des big bang ausmachen. aber bitte ganz vorsichtig, da spielt viel mehr eine rolle. ich glaube nicht dass darauf eine gesicherte antwort existiert.

Und was folgt, wenn unterschiedliche
Raumgebiete unterschiedlich schnell expandieren ?

das glaube ich nicht, und wenn dann nur infolge geringer fluktuationen, also wie zum beispiel haufen und superhaufen verteilt sind. was dann folgen wuerde? also der strahlungsdruck kann es nicht sein und die physik ist in diesem universum sicher auch ueberall gleich.

beste gruesse, lego

11

energie bleibt
damit weiterhin ein skalar, impuls und viererimpuls sind
hingegen richtig vektoren.

Das ist zwar richtig, aber beim Wechsel des Bezugssystems müssen Energie und Impulos gemeinsam transformiert werden.

von einer brechung des
energieerhaltungssatzes ist in dem artikel nicht die rede.

Davon war auch nicht die Rede. Innerhalb eines Bezugssystems gelten die Erhaltungssätze weiter, aber in der Kosmologie haben wir es nicht mit einem einzigen Bezugssystem zu tun. Zwei Galaxien, die sich aufgrund der Expansion des Raumes voneinander entfernen, bilden beispielsweise zwei verschiedene Bezugssysteme, was die Anwendung der klassischen Erhaltungssätze verhindert. Man kann in diesem Fall nur noch Erhaltungssätze für Größen formulieren, die gegenüber dem Wechsel des Bezugssystems invariant sind, was für Energie und Impuls nicht zutrifft.

12

hallo Mr.

energie bleibt
damit weiterhin ein skalar, impuls und viererimpuls sind
hingegen richtig vektoren.

Das ist zwar richtig, aber beim Wechsel des Bezugssystems
müssen Energie und Impulos gemeinsam transformiert werden.

ja, hier sind wir uns einig, alles andere war nur begriffsdefintion oder ein missverstaendniss zu energy, impuls, und „energy-impuls“ alias vierervektor genannt.

von einer brechung des
energieerhaltungssatzes ist in dem artikel nicht die rede.

Davon war auch nicht die Rede. Innerhalb eines Bezugssystems

richtig, ich war zu beginn irritiert ueber deine worte, dass energie und impuls nicht konstant bleiben.

gelten die Erhaltungssätze weiter, aber in der Kosmologie
haben wir es nicht mit einem einzigen Bezugssystem zu tun.
Zwei Galaxien, die sich aufgrund der Expansion des Raumes
voneinander entfernen, bilden beispielsweise zwei verschiedene
Bezugssysteme, was die Anwendung der klassischen
Erhaltungssätze verhindert.

ja meine meinung, wobei als naheliegendes beispiel eine galileo-transformation zwischen andromeda und der milchstrasse ausreicht, man muesste hier noch nicht zu der auch im relativistischen falle geltenden lorenztransformation greifen. als beispiel fuer die mitleser.

Man kann in diesem Fall nur noch
Erhaltungssätze für Größen formulieren, die gegenüber dem
Wechsel des Bezugssystems invariant sind, was für Energie und
Impuls nicht zutrifft.

genau, invarianz des vierervektors bei wechsel des bezugssystems.

nachtrag —>

nun ist uns beiden keine neue erkenntnis zuteil geworden :wink:, schade eigentlich, aller dissens aufgeloest, trotzdem nett und war ja nicht nur privat,

beste gruesse dir, lego

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wobei als naheliegendes beispiel eine
galileo-transformation zwischen andromeda und der milchstrasse
ausreicht, man muesste hier noch nicht zu der auch im
relativistischen falle geltenden lorenztransformation greifen.

Das ist zwar richtig, aber für kosmologische Verhältnisse ist Andromeda ein denkbar ungünstiges Beispiel. Die kommt entgegen der allgemeinen Expansion des Universum sogar auf uns zu. Richtig interessant wird es erst bei Galaxien, die ein paar Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind.

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hallo Mr.

Das ist zwar richtig, aber für kosmologische Verhältnisse ist
Andromeda ein denkbar ungünstiges Beispiel. Die kommt entgegen
der allgemeinen Expansion des Universum sogar auf uns zu.
Richtig interessant wird es erst bei Galaxien, die ein paar
Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind.

naja schon klar, interessant wird es bereits im beschleuniger auf der erde :wink:

ok beste gruesse, lego