Urknalltheorie vs Thermodynamik

Wissenschaft Physik
#1

Es hat gerade einen Nobelpreis für Physik für die Bestätigung der Urknalltheorie gegeben, nämlich dass sich das Universum nach dem Urknall mit zunehmender Geschwindigkeit ausbreitet. Gibt es Gesetze der Physik, die erklären, woher die Energie für diesen Vorgang stammt?

Laut den Hauptsätzen der Thermodynamik kann Energie weder erzeugt noch vollständig erhalten werden, d.h., nach dem 1. Hauptsatz darf das Weltall nicht durch einen großen Knall entstanden sein und nach dem 2. Hauptsatz darf sich die Masse des Weltalls auch nicht mit zunehmender Geschwindigkeit ausbereiten.

Was ist nun falsch? Die Physik, die Urknalltheorie oder die Thermodynamik?

Habt vielen Dank im Voraus für euer Feedback.

Naturschützer

#2

Hmm.
Wenn ich das bei Lawrence Krauss (A Universe from Nothing or: we are all fucked up) richtig verstanden habe, ist die Gesamtenergie des Weltalls = 0.

Wenn ich das bei Brian Greene (the fabric of the cosmos) richtig in Erinnerung habe, dann ist das Universum möglicherweise nur eine gigantisch überblähte Quantenfluktuation.

Gruß

Stefan

#3

Eine Quantenfluktuation setzt die Existenz elektromagnetischer Felder mit entsprechen der Feldenergien größer Null vorraus. Passt das zu einer Gesamtenergie des Weltalls = 0?

Oder doch Urknalltheorie vs Thermodynamik?

Gruß

Naturschützer

#4

Hallo!

Gibt es Gesetze der Physik, die erklären, woher die Energie
für diesen Vorgang stammt?

Nein, deswegen heißt sie ja auch „dunkle“ Energie.

Laut den Hauptsätzen der Thermodynamik kann Energie weder
erzeugt noch vollständig erhalten werden, …

Nach den Hauptsätzen der Thermodynamik wird Energie vollständig erhalten (und zwar immer). Oder habe ich da etwas falsch verstanden?

… d.h., nach dem 1.
Hauptsatz darf das Weltall nicht durch einen großen Knall
entstanden sein …

  1. Was meinst Du mit einem „großen Knall“?
  2. Kannst Du das aus dem 1. HS ableiten?

… und nach dem 2. Hauptsatz darf sich die Masse
des Weltalls auch nicht mit zunehmender Geschwindigkeit
ausbereiten.

Auch hier ist mir schleierhaft, wie Du das aus dem zweiten HS ableiten willst.

Was ist nun falsch? Die Physik, die Urknalltheorie oder die
Thermodynamik?

Dass etwas unvollständig ist, dessen sind sich alle im Klaren, denn offensichtlich können die aktuellsten Beobachtungen nicht mit einem sehr konservativen Urknallmodell in Einklang gebracht werden.

Die einfachste Erklärung scheint derzeit zu sein, dass es eine bisher unbekannte Energieform gibt, die das Universum auseinander treibt. Man fügt sie in das bestehende Weltbild als Platzhalter „Dunkle Energie“ ein, in der Hoffnung, dass wir eines Tages, wenn wir mehr wissen, diesen Platzhalter mit Inhalt füllen können.

Erst kürzlich las ich, dass die bisher stillschweigend angenommene Voraussetzung, dass das Universum ein abgeschlossenes System sei, nicht notwendigerweise stimmen müsse. Sowohl der 1. als auch der 2. HS der TD lauten aber fundamental anders, wenn es einen Austausch über die Grenzflächen nachdenkt. (Beim ersten HS wird z. B. aus ΔU = 0 die Formel ΔU = W + Q).

Dass die Thermodynamik (oder gar die ganze Physik) über den Haufen geworfen werden müsste, dafür besteht im Moment noch kein Anlass. Deshalb geht man - bis auf weiteres - davon aus, dass die TD auch auf das Universum als Ganzes angewendet werden kann und muss, auch wenn sich die Randbedingungen noch durch genauere Beobachtungsdaten erheblich ändern können.

Zum Urknallmodell: Das steht zwar nicht ganz auf so sicheren Füßen wie die TD. Es gibt aber zur Zeit kein konkurrierendes Modell. Von daher hält man an ihm fest und akzeptiert lieber, dass der überwiegende Teil der Welt aus etwas besteht, was wir noch gar nicht kennen (Dunkle Energie, ca. 70% des Energieinhalts des Universums), als dass man das einzige halbwegs funktionierende Modell in die Tonne kickt.

Michael

Habt vielen Dank im Voraus für euer Feedback.

Naturschützer

#5

Laut den Hauptsätzen der Thermodynamik kann Energie weder
erzeugt noch vollständig erhalten werden, d.h., nach dem 1.
Hauptsatz darf das Weltall nicht durch einen großen Knall
entstanden sein und nach dem 2. Hauptsatz darf sich die Masse
des Weltalls auch nicht mit zunehmender Geschwindigkeit
ausbereiten.
Habt vielen Dank im Voraus für euer Feedback.

Naturschützer

Hallo, das mit dem Knall sollte man nicht wörtlich nehmen. Einen plötzlichen Anfang scheint es aber doch gegeben zu haben.

Bei der anfänglichen (inflationären) und der heutigen beschleununigten Ausdehnung waren und sind keine Kräfte beteiligt. Die im Raum verteilten Massen ändern ihre Position im Raum nicht. Der Raum dehnt sich aus und nimmt die Massen mit, ohne daß dadurch kinetische Energie auf Masse übertragen wird. Leerer Raum dehnt sich exponentiell aus (einfach so). Siehe "Einstein-De Sitter-Modell).

Es gibt viele offene Fragen, aber das Standardmodell leitet sich aus der Thermodynamik und der Teilchenphysik ab. Gruß, eck.

#6

Wenn ich das bei Lawrence Krauss (A Universe from Nothing or:
we are all fucked up) richtig verstanden habe, ist die
Gesamtenergie des Weltalls = 0.

In einem flachen Newton-Universum wäre das der Fall. Das entspricht in der ART dem Einstein-de Sitter-Modell. Bei beschleunigter Expansion sollte die Energiedichte aber negativ sein.

Wenn ich das bei Brian Greene (the fabric of the cosmos)
richtig in Erinnerung habe, dann ist das Universum
möglicherweise nur eine gigantisch überblähte
Quantenfluktuation.

Noch besser gefällt mir die Idee von einer Quantenfluktuation in einem inflationär expandierenden Mutteruniversum.

#7

Erst kürzlich las ich, dass die bisher stillschweigend
angenommene Voraussetzung, dass das Universum ein
abgeschlossenes System sei, nicht notwendigerweise stimmen
müsse.

Ist das tatsächlich stillschweigend vorausgesetzt worden? Dass das Universum flach und unendlich ist, war ja schon immer eine naheliegende Möglichkeit und ein unendlich großes System kann nicht abgeschlossen sein. Das ließe sich schließlich nur an den Systemgrenzen festmachen und ein unendlicher Raum hat keine Grenzen.

Sowohl der 1. als auch der 2. HS der TD lauten aber
fundamental anders, wenn es einen Austausch über die
Grenzflächen nachdenkt. (Beim ersten HS wird z. B. aus
ΔU = 0 die Formel ΔU = W + Q).

In zeitabhängigen Metriken gilt sowieso keine Energieerhaltung und wo der 1. HS nicht gilt, da ist es mit dem 2. wohl auch nicht weit her.

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#8

Hallo!

Ist das tatsächlich stillschweigend vorausgesetzt worden? Dass
das Universum flach und unendlich ist, war ja schon immer eine
naheliegende Möglichkeit und ein unendlich großes System kann
nicht abgeschlossen sein. Das ließe sich schließlich nur an
den Systemgrenzen festmachen und ein unendlicher Raum hat
keine Grenzen.

Hey! Mal endlich wieder eine interessante Frage!

Du sagst: „Ein unendliches System kann nicht abgeschlossen sein, weil es keine Grenzen hat.“

Ich sage (advocatus diaboli): „Ein unendliches System ist abgeschlossen, weil es keine Grenzen hat.“

Gewinn oder Verlust wird, kann man - wie Du richtig sagst - nur an den Systemgrenzen festmachen. Wenn es keine Systemgrenzen gibt, gibt es auch keinen Gewinn bzw. Verlust. Folglich muss ein unendliches System abgeschlossen sein.

Wer hat nun recht?

(Meine Vermutung: Keiner. Ein System hat die Eigenschaft, entweder offen oder abgeschlossen zu sein, nur dann, wenn es endlich ist.)

Michael

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#9

Hallo,

Es hat gerade einen Nobelpreis für Physik für die Bestätigung
der Urknalltheorie gegeben, nämlich dass sich das Universum
nach dem Urknall mit zunehmender Geschwindigkeit ausbreitet.

Das ist erst mal eine Beobachtung, die sich in den letzten
Jahren herausgestellt hat.

Gibt es Gesetze der Physik, die erklären, woher die Energie
für diesen Vorgang stammt?

Es gibt Hypothesen, aber vieles ist offen, wie die
Diskussion schon gezeigt hat.

Leider hat man beim Universum allg. mehrere Probleme:

  1. Man kann nicht sagen was vor dem Urknall war
  2. Man kann nicht sagen, was außerhalb des Universums ist
  3. Man kann nicht sagen, was den Urknall verursacht hat
  4. Man kann keinen Rand/grenzen beaobachten.

Laut den Hauptsätzen der Thermodynamik kann Energie weder
erzeugt noch vollständig erhalten werden, d.h., nach dem 1.
Hauptsatz darf das Weltall nicht durch einen großen Knall
entstanden sein und nach dem 2. Hauptsatz darf sich die Masse
des Weltalls auch nicht mit zunehmender Geschwindigkeit
ausbereiten.

Ein grundsätzliches Problem ist die Gültigkeit der
Naturgesetze. Die uns bekannten Gesetze gelten nach
offizieller Lesart überall im Universum, aber eben nicht
außerhalb und nicht vor dem Urknall (und wohl auch nicht
in schwarzen Löchern).

Was ist nun falsch? Die Physik, die Urknalltheorie oder die
Thermodynamik?

Die Fragestellung, weil sie Bezüge herstellt, die es
nicht gibt (bzw. nicht geben muß).
Gruß Uwi

#10

Universum / abgeschlossens System
Hallo,

Erst kürzlich las ich, dass die bisher stillschweigend
angenommene Voraussetzung, dass das Universum ein
abgeschlossenes System sei, nicht notwendigerweise stimmen
müsse.

Ich kenne den Artikel nicht.

  • Die Abgeschlossenheit im Sinn der HSe der TD betrifft ja „nur“ die Raumdimensionen (also nicht die Zeit).
  • Abgeschlossenheit heisst letztlich nix anderes, als dass sonst nichts ist ausser dem betrachteten System, mit dem dieses System Energie austauschen könnte.
    -> Das müsste logischerweise über eine Grenze/Grenzfläche mit einem anderen System stattfinden.

Jetzt frage ich mich, wie unser Universum in diesem Sinn nicht abgeschlossen sein kann, sprich, was da (wo?) wäre, mit dem das Universum in Kontakt sei und Energie autauscht?

Ich kenne mich an der Grenzfläche unseres Universums nur schlecht aus (bin Radfahrer, mein Horizont hört nach 100 kms auf :wink:. Wenn auf der „anderen Seite“ ein Universum-etwas wäre, dann wäre es eigtl. keine andere Seite und keine Grenzfläche, also eigtl. auch „unser“ Universum…
Und mir fehlt die Vorstellungskraft, was es an „anderem“ geben soll, was kein Universum ist (sonst wäre es ja kein „anderes“). Aber auch das kann an mangelnder Vorstellungskraft liegen.

Hast Du eine Quelle für den Artikel, der täte mich interessieren?

Stefan

#11

Hallo!

Eine Antwort auf Deine Fragen könnte sein: Wenn das Universum nur drei Raumdimensionen eines mehrdimensionalen Multiversums darstellt, könnte der Energieaustausch in der „fünften Dimension“ stattfinden und für uns unsichtbar sein.

Erst kürzlich las ich, dass die bisher stillschweigend
angenommene Voraussetzung, dass das Universum ein
abgeschlossenes System sei, nicht notwendigerweise stimmen
müsse.

Hast Du eine Quelle für den Artikel, der täte mich
interessieren?

Nein, sorry. Ich weiß nicht mehr, wo ich das gelesen habe. Es könnte sogar nur ein Zeitungsbericht zum Physik-Nobelpreis 2011 gewesen sein.

Michael

#12

Hallo,

Danke für die Info wg. dem Artikel…

Eine Antwort auf Deine Fragen könnte sein: Wenn das Universum
nur drei Raumdimensionen eines mehrdimensionalen Multiversums
darstellt, könnte der Energieaustausch in der „fünften
Dimension“ stattfinden und für uns unsichtbar sein.

Abgeschlossen ist abgeschlossen, ob in 3 oder 500 Dimensionen.
Nach Deinem Argument beträfen die HSe ja „nur“ unsere 4 Dim Raum-Zeit Umgebung. Mir ist aber keine Ableitung der HSe bekannt, wo die Anzahl der Raumdimensionen eine Rolle spielt.
Vermutlich kann man sogar zeigen, dass wenn die HSe für unsere „Raumzeitarchitektur“ gelten, dass sie dann auch für beliebig(?) andere gelten, bzw. nach meinem Verständnis sind die HSe sowieso ignorant gegenüber der Anzahl der Raumdimensionen.

Interessanter fände ich da was die HSe und die TD generell bei Objekten mit mehr als einer Zeitachse (s. StringTheorie usw.) aussagen.
Nach meiner Vorstellung wird durch die HSe „einer“ Zeitachse erst eine Vorzugsrichtung gegeben. Bei besagtem Objekt könnte es aber sein, dass die Entropie bezgl. einer der beiden Achsen abnimmt so lange sie insgesamt (die Ordnungsveränderung auf beiden Achsen berücksichtigend) zunimmt…

Zu weiterem halte ich die Klappe weil ich hier schon knapp über meinem Wissenshorizont navigiere :wink:

Stefan

So long,

Stefan

#13

Hmm???
Zunächst eine Korrektur: Es ist richtig, dass laut Thermodynamik Energie immer und zwar vollständig erhalten bleibt. Da habe ich mich falsch ausgedrückt. Besser ist es, die beiden Hauptsätze mithilfe des Wirkungsgrades diskutieren. Vielen Dank für den Hinweis.

Da der Energierhaltugssatz gilt, lässt der erste Hauptsatz einen Wirkungsgrad

eta = 1

zu. Bei genauerer Betrachtungsweise stellt man jedoch fest, dass eine Energieform niemals vollständig in eine andere Energieform umgewandelt werden kann. Deshalb lässt der zweite Hauptsatz einen Wirkungsgrad eta = 1 nicht zu und es gilt

eta

#14

Nachtrag: Gemeint sind elektromagnetische Felder mit entsprechend positiven Energieinhalten.

Gruß

Naturschützer

#15

Hallo Naturschützer,

Wenn ich also behaupte, dass es den Urknall nach dem 1.
Hauptsatz der Thermodynamik nicht geben dürfte, dann meine ich
mit „großem Knall“ eine brisante Explosion im Sinne eines
großen Knalles aus dem Nichts.

Wenn nun weiterhin behaupte, dass die Masse des Weltalls nach
dem 2. Hauptsatz nicht in beschleunigter Bewegung
auseinanderfliegen darf, dann meine ich damit, dass die
Beschleunigung nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik
abnehmen müsste.

Stimmt das so?

Du gehst dabei davon aus, dass die TD ab t=0 funktioniert.

Die heutige Physik kann aber nur den Zeitraum ab etwa t=10-30s beschreiben.

Genau genommen ist t=0 ein extrapolierter Zeitpunkt, es ist gar nicht bekannt zu welchem Zeitpunkt die uns bekannte Zeit entstanden ist.

MfG Peter(TOO)

#16

Gibt es Gesetze der Physik, die erklären, woher die Energie
für diesen Vorgang stammt?

Warum ist dafür Energie nötig?

INNERHALB des Universums musst Du für eine Expansion gegen die Gravitation Energie aufwenden, aber Du kannst nicht sagen dass sich das Universum innerhalb des Universums befände.

Laut den Hauptsätzen der Thermodynamik kann Energie weder
erzeugt noch vollständig erhalten werden, d.h., nach dem 1.
Hauptsatz darf das Weltall nicht durch einen großen Knall
entstanden sein

Das würde nur gelten, wenn das Weltall als Teil des Weltalls erzeugt worden wäre.

und nach dem 2. Hauptsatz darf sich die Masse
des Weltalls auch nicht mit zunehmender Geschwindigkeit
ausbereiten.

Doch, solche Phänomene gibt es auch innerhalb unseres Universums, z.B. eine Wolke von negativ geladenen Teilchen, die freigelassen wird.

Was ist nun falsch? Die Physik, die Urknalltheorie oder die
Thermodynamik?

Deine Annahme, dass man das, was wir innerhalb des Universums beobachten einfach auf „das Universum“ übertragen könnten, als wäre das ein bebachtbares Ding als Ganzes.

Schon so etwas wie die Gesamtenergie des Universums oder den Gesamtdrehimpuls zu definieren ist ziemlich schwierig - geschweige denn, den Wert zu bestimmen

Gruß
Thomas

#17

Es hat gerade einen Nobelpreis für Physik für die Bestätigung
der Urknalltheorie gegeben, nämlich dass sich das Universum
nach dem Urknall mit zunehmender Geschwindigkeit ausbreitet.
Gibt es Gesetze der Physik, die erklären, woher die Energie
für diesen Vorgang stammt?

Nein. Aber mit deinem Anliegen bist du hier auch falsch. Für Transzendenzien ist der Papst der Chef.

Gruß

#18

Doch das geht. Wenden wir die Gleichung für die Freie Energie

G = H - TS

an, enthalten wir als Funktion der Zeit

G(t) = H(t) - T*S(t)

und für den Zeitpunkt t = 0 den Funktionswert

G(0) = H(0) - T*S(0).

Gruß

Naturschützer

#19

Verdienter Sieg für Urknalltheorie
Die Antwort auf meine Frage liefert also die von Josiah Willard Gibbs (1839 -1903), am. Mathematiker und Physiker, aufgestellte Grundgleichung der Thermodynamik

G = H - TS.

Freie Energie (G), Enthalpie (H) und Entropie (S) als Funktionen der Zeit ergeben die Funktionsgleichung

G(t) = H(t) -T*S(t)

und wie schon angenommen zur Zeit t = 0 den Funktionswert

G(0) = H(0) - T*S(0).

Um diese Gleichung auf unsere hypothetische Urexplosion anzuwenden setzen wir jetzt G(0) = 0 Joule. Dann ist

H(0) = T*S(0)

und es wird keine Energie frei. Das lässt sich nur so interpretieren, dass es einer Initialzündung

G(0) > 0 Joule

bedarf um den Urknall im Zeitpunkt t = 0 zu starten. Damit sich unsere hypothetische Urexplosion wie gefordert beschleunigt ausbreiten kann, muss für jeden Zeitpunkt t > 0

G(t) > G(0)

und

H(t) > T*S(t) > T*S(0)

gelten. Hieraus folgt, dass die Gibbssche Energiegleichung auch die geforderte Zunahme der Entropie richtig beschreibt, da eine konstante Umgebungstemperatur T > 0 K nachgewiesen ist, welche der elektromagnetischen Hintergrundstrahlung entspricht.

Die Gibbsche Energiegleichung liefert also wichtige Informationen über das Urknallgeschehen und führt zu weiteren interessanten Fragestellungen.

Die Zunahme von Freier Energie G, Enthalpie H und Entropie S steht allerdings im fundamentalen Widerspruch zu den ersten beiden Hauptsätzen der Thermodynamik, welche also das Naturgeschehen nicht richtig beschreiben.

Die Ursache für diesen Fehler sind aber nicht die Grundgleichungen der Thermodynamik. Jedoch ist deren Interpretation in Form von unbegründeten Hauptsätzen schlechtweg falsch.

Die Frage Urknalltheorie vs Thermodynamik geht deshalb eindeutig zugunsten der Urknalltheorie aus.

Gruß

Naturschützer