urknall theorie

[RTW112]

Würde mal gebehaupten das meine Frage hier gut aufgehoben ist mit.

Wenn es den Urknall so gab wie wir uns das noch so denken, dann müsste ja eine Gewisse Summe Energie geben. Also Masse. Energie ist ja gleich Masse nicht.

Also gibt es kein Punkt in Universum wo man Energie neu Erzeugen kann?

Den diese Wandelt sich ja nur immer um in eine andre.

[Aglarion]

Richtig.

[Dannyboy]

Würde mal gebehaupten das meine Frage hier gut aufgehoben ist mit.

Wenn es den Urknall so gab wie wir uns das noch so denken, dann müsste ja eine Gewisse Summe Energie geben. Also Masse. Energie ist ja gleich Masse nicht.

Also gibt es kein Punkt in Universum wo man Energie neu Erzeugen kann?

Den diese Wandelt sich ja nur immer um in eine andre.

Die Energieerhaltung hat aber direkt nichts mit dem Urknall zutun.
Sie stellt ein physikalisches Paradigma dar.

[Halman]

Der Rand eines Randes ist Null

Also gibt es kein Punkt in Universum wo man Energie neu Erzeugen kann?

Den diese Wandelt sich ja nur immer um in eine andre.

Ja, das ist richtig. In einem beliebigen Punkt der Raumzeit kann weder Energie erzeug, noch vernichtet werden. Energie kann nur transportiert werden.

Man könnte sich dies wie bei einem Konto vorstellen. Wenn man alle Ein- und Auszahlungen verrechnet, so kann kein Geld erzeugt oder vernichtet, sondern nur "transportiert" werden (nun habe ich der Einfachheithalber mal die Zinsen unterschlagen ).
Das Prinzip der Energieerhaltung ist fundamental und gilt für Schwarze Löcher ebenso, wie für das Vakuum. Wenn man alle Energie, die lokal in einem raumzeitlichen Gebiet transportiert wird, verrechnet, so ergibt sich stehts eine Energieerzeugung von Null.

Das Pinzip der Energieerhaltung lässt sich IMHO geometrisch aus der ART herleiten. Der Mathematiker Elie Joseph Cartan drückte es so aus: Der Rand eines Randes ist Null.
Wheeler erklärte dieses Prinzip in seinem Buch "Gravitation und Raumzeit" anhand eines vierdimensionalen raumzeitlichen "Würfels" bzw. Gebietes.
So, wie ein Würfel von sechs Quadraten berandet werden, dessen Rand die zwölf Kanten sind, so wird ein vierdimensionales raumzeitliches Gebiet von 8 Würfeln berandet, dessen Ränder die 48 Flächen sind. Es erweist sich nun, dass sich die Krümmungen der Flächen gegenseitig zu Null addieren. So garantiert die Raumzeit durch ein einfaches Prinzip die Energie- und Impulserhaltung auf ruhige und elegante Weise.

Mehr dazu kannst Du im Astrophysik-Link unter der Überschrift "Geometrische Interpretation der Energieerhaltung in der Physik!" etwas in der Mitte des Textes finden.

Allerdings vermag das Universum global Energie in der Tat zu erzeugen oder zu vernichten. Dies hängt aber nicht mit einem bestimmten Ort zusammen, sondern mit der Expansion des gesamten Raumes. Dadurch verändert sich nämlich die Frequenz der kosmischen Hintergrundstrahlung. Aufgrund der Expansion nimmt also gemäß der Formel E=hν für die Energie von Photonen der Wert ν ab und somit sinkt die Energie pro Photon der kosmischen Hintergrundstrahlung global ab.
Diesbezüglich verlinke ich mal eine lehrreiche PDF-Datei von Agent Scullie Energieerhaltung.

[Area51 1/2]

Da Materie und Energie eins und das selbe sind könnte ich mir vorstellen dass das Universum vor dem Urknall nur aus reine Energie bestand.

Diese hat sich irgendwie (String- Quantentheorie?) zu Materie (Plasma oder Gase ?) umgewandelt, irgendwo in einen "speziellen Punkt des Universums.
Nach dem sich Materie gebildet hat fing diese an sich im Vakuum zu verteilen (expandieren so wie alle Gase im Vakuum)
Am ende kam dann die Materie und Energie so wie wir sie heute kennen zum Vorschein.

Gibt es eine solche Theorie?
Link oder Buch dazu bitte.

[Agent Scullie]

Da Materie und Energie eins und das selbe sind könnte ich mir vorstellen dass das Universum vor dem Urknall nur aus reine Energie bestand.

folgt man der klassischen Urknalltheorie, so gibt es kein "vor dem Urknall", da der Urknall den Anbeginn von Raum und Zeit selbst darstellt. Man muss dazu wissen, dass die Urknalltheorie auf die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) gegründet ist. Kernaspekt der ART ist, dass Raum und Zeit keine statischen, unveränderlichen Größen sind, wie in der nichtrelativistischen Physik und auch noch in der Speziellen Relativitätstheorie (SRT), sondern aktive Teilnehmer am physikalischen Geschehen. Genauer gesagt geht die ART davon aus, dass die Raumzeit gekrümmt sein kann, und diese Krümmung variabel ist und von der Materieverteilung beeinflusst wird. Dadurch wird zum einen das alltägliche Phänomen der Gravitation beschreiben, andererseits ergeben sich daraus aber auch Konsequenzen für die Globalstruktur der Raumzeit, d.h. für die Entwicklung des Universums als Ganzem. Wendet man nun die ART auf die Globalstruktur des Universums an, so kommt die sog. Robertson-Walker-Metrik dabei heraus. Ein wichtiger Parameter in dieser ist der sog. Skalenfaktor, eine Art Maß für die Größe des Universums. Wenn der Skalenfaktor mit der Zeit zunimmt, so sagt man, das Universum expandiert. Ein abnehmender Skalenfaktor stünde hingegen für ein Universum, das sich zusammenzieht. Die Urknalltheorie besagt nun gerade, dass dieser Skalenfaktor zu einem Zeitpunkt in der endlichen Vergangenheit den Wert null hatte, d.h. das Universums war zu diesem Zeitpunkt unendlich klein. Die Materiedichte war dabei unendlich groß, und damit auch die Krümmung der Raumzeit. Diese unendlich starke Krümmung hat zur Folge, dass diesern Zeitpunkt nicht als regulärer Punkt in der Raumzeit betrachtet werden kann, sondern eine Art Rand der Raumzeit darstellt. Will sagen: es gibt keine Fortsetzung der Raumzeit über diesen Zustand unendlicher Krümmung hinaus zu einer früheren Raumzeit-Region. Deswegen stellt dieser Zustand den Anbeginn der Raumzeit selbst dar. Man bezeichnet diesen Zustand als Anfangssingularität, oder salopp als Urknall.

Es gibt allerdings auch kosmologische Modelle ohne solche Anfangssingularität. Ein Beispiel dafür ist der Big Bounce: demnach schrumpfte das Universum in endlicher Vergangenheit (der Skalenfaktor nahm ab), bis es eine Minimalgröße erreichte (der Skalenfaktor war klein, aber größer als null), wonach es wieder zu expandieren begann. Wir würden dann heute in dieser Expansionsphase leben. In der Literatur wird dieser Big Bounce (= Großer Abprall) häufig auch als "Urknall" bezeichnet, mit der Bemerkung, man habe jetzt doch die Erkenntnis gemacht, dass das Universum schon vor dem Urknall existiert hätte. Tatsächlich aber hat man einfach nur ein Modell ohne Anfangssingularität aufgestellt.

Diese hat sich irgendwie (String- Quantentheorie?) zu Materie (Plasma oder Gase ?) umgewandelt, irgendwo in einen "speziellen Punkt des Universums.
Nach dem sich Materie gebildet hat fing diese an sich im Vakuum zu verteilen (expandieren so wie alle Gase im Vakuum)

folgt man dem Big Bounce-Modell, so kann man davon ausgehen, dass vor dem Big Bounce die gesamte Energie in einem Inflatonfeld steckte, d.h. einem Feld, das auf die Expansion des Universums beschleunigend wirkt bzw. bremsend auf den damaligen Kollaps. Unmittelbar nach dem Big Bounce hätte es dann einen Übergang gegeben, wodurch die Energie des Inflatonfeldes in gewöhnliche Materie und Strahlung überging. Diese brauchte sich allerdings nicht mehr im Vakuum verteilen, da die Energie des Inflatonfeldes ja schon über den gesamten Raum gleichmäßig verteilt war.

Eventuell hast du die laienhafte Vorstellung, das Universum sei eine Art Materiewolke in einem umgebenden leeren Raum. Diese Vorstellung muss nach der ART als falsch angesehen werden. Nach der Robertson-Walker-Metrik dehnt sich nicht die Materie in einen leeren Raum hinein aus, sondern der Raum selbst expandiert, mit gleichmäßig verteilter Materie - wobei es lokale Inhomogenität in dieser Verteilung geben kann, wie Sterne, Galaxien oder Galaxienhaufen - darin.

[Dannyboy]

Da Materie und Energie eins und das selbe sind könnte ich mir vorstellen dass das Universum vor dem Urknall nur aus reine Energie bestand.

Abgesehen davon das es kein "vor dem Urknall" gibt, gibt es auch keine "reine Energie".
Energie ist ein abstrakter Begriff, der zum Ausdruck bringt, das verschiedene physikalische Phänomene unabhängig vom Zeitpunkt gleich ablaufen.
"Energie an sich" gibt es nicht.
Es ist eine weit verbreitete Fehlvorstellung, Energie als etwas quasi-stoffliches zu denken.
Begriffe wie "reine Energie" passen zum pseudo-wissenschaftlichen Verständnis der Esoteriker und Alchimisten.

Insofern ist Energie tatsächlich mit Vermögen vergleichbar. Geld ist eine abstrakte Idee, die an verschiedene soziale und ökonomische Transaktionen gekoppelt ist, sei es den Austausch von Waren und Dienstleistungen, sei es den von Informationen zwischen Computern.

[Halman]

Am Anfang war Urenergie

@Dannyboy
Du hast natürlich grundsätzlich recht, aber könnte man im Bezug auf den Anfang des Universum nicht von einer "Urenergie" sprechen? Ich beziehe mich hier auf die Zeit, als die Dichte > Planck-Dichte war.
Die WWen entkoppelten doch erst bei geringeren Dichten, wodurch es zu Symmetriebrüchen kam (oder habe ich das falsch verstanden?). Aber vor dem ersten Symmetriebruch gab es doch AFAIK nur eine WW, eine Urkraft oder eben Urenergie.

Was meinst Du dazu?

[Dannyboy]

Vielleicht kann man das, aber es ändert nichts an meinen Einwand. Energie kann als Zustandsgröße (z.B. Innere Energie) oder Prozessgröße (Wärme) auftreten. Sie bleibt eine abstrakte Rechengröße, die einfach zum Ausdruck bringt, dass Zustände und Prozesse in der Natur in bestimmten Verhältnissen zueinander stehen.
Energie ist kein Objekt an sich.

[Hades]

Ich habe ja eh vor den meisten "Wissenschaftssendungen" auf einschlägigen Sendern wie N24 und NTV nur Bedingten Respekt (Wer schund wie dieses Nazi-Ufo-Projekt 3 mal in einer Woche durchkaut ... ), von daher bin ich heute am Grübeln:

So weit ich weiß gilt es doch als erwiesen dass das Universum expandiert, aber ich habe von Beobachtungen gehört dass die Geschwindigkeit auch steigen würde. Als Erklärung dafür lieferte man heute in besagter Sendung die wild diskutierte Dunkle Energie. Aber müsstge die nicht wie alle andere Energieform auch der Energieerhaltung unterworfen sein? ALso wie kann bei einem größer werden Universum die Expansion noch beschleunigen, eine solche Energiezufuhr müsste doch "von außerhalb des Universums" stammen oder wo ist mein Denkfehler?

[Halman]

So weit ich weiß gilt es doch als erwiesen dass das Universum expandiert, aber ich habe von Beobachtungen gehört dass die Geschwindigkeit auch steigen würde.

Je weiter die Galaxien entfernt sind, je stärker erscheinen sie im Sprektum rot verschoben (da alle Elemente Sprektallinien haben, kann man daran erkennen, ob dieses Muster im Sprektum verschoben ist).
Gem. der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) erscheinen Lichtquellen rot verschoben, wenn sie sich von uns fort bewegen. Da alle Galaxienhaufen voneinander fortstreben, kann man daraus schließen, dass der Raum des Universums expandiert.

Bemerkenswerterweise nimmt die Expansion in der jüngeren Geschichte des Universums wieder zu. Mehr dazu findest Du hier.

Als Erklärung dafür lieferte man heute in besagter Sendung die wild diskutierte Dunkle Energie. Aber müsstge die nicht wie alle andere Energieform auch der Energieerhaltung unterworfen sein? ALso wie kann bei einem größer werden Universum die Expansion noch beschleunigen, eine solche Energiezufuhr müsste doch "von außerhalb des Universums" stammen oder wo ist mein Denkfehler?

Die Dunkle Energie ist in der Tat rätselhaft. Allerdings scheint die Energieerhaltung nicht global für das Unversum zu gelten. So nimmt aufgrund der Expansion des Raumes die Frequenz und damit die Energie der kosmischen Hintergrundstrahlung ab. Wo ist die Energie hin?
Jemand meinte mir gegenüber mal, diese sei in "Raumenergie" verwandelt wurden. Diese Erklärung vermochte mich aber nicht zu überzeugen.

Wenn nun die globale Energie der kosmischen Hintergrundstrahlung sinken kann, wieso sollte dann nicht die Dunkle Energie global zunehmen können?

Es gibt sogar eine Theorie, gem. der sie pro Volumeneinheit zunimmt. Dann spricht man von Phantomenergie, welche irgendwann so stark wird, dass es zu einem sog. Big Ripp kommt.
Ich tendiere allerdings dazu, von einer kosmologischen Konstante für die Dunkle Energie auszugehen, d.h. dass sie pro Volumeneinheit identisch bleibt, aber insgesamt global zunimmt, weil der Raum infolge der Expansion größer wird.

[Spocky]

Je weiter die Galaxien entfernt sind, je stärker erscheinen sie im Sprektum rot verschoben (da alle Elemente Sprektallinien haben, kann man daran erkennen, ob dieses Muster im Sprektum verschoben ist).
Gem. der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) erscheinen Lichtquellen rot verschoben, wenn sie sich von uns fort bewegen. Da alle Galaxienhaufen voneinander fortstreben, kann man daraus schließen, dass der Raum des Universums expandiert.

Das hat mit der ART nichts zu tun, das liegt am Dopplereffekt. Wenn ein Objekt, das Wellen (Licht, Schall...) sich von uns wegbewegt, dann wird die Wellenlänge gestreckt, umgekehrt gestaucht. Beim Lichts wirds dadurch rot und beim Schall eben tiefer bzw. umgekehrt.

[Dannyboy]

Das kann nur näherungsweise mit dem Doppler-Effekt verglichen werden. Denn dann müsste die Rotverschiebung ja bereits bei der Emission der Strahlung existieren. Dem ist aber nicht so.
Die Rotverschiebung durch die Expansion des Raumes ist vom Doppler-Effekt zu unterscheiden.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Dannyboy schrieb nach 7 Minuten und 37 Sekunden:

Ich habe ja eh vor den meisten "Wissenschaftssendungen" auf einschlägigen Sendern wie N24 und NTV nur Bedingten Respekt (Wer schund wie dieses Nazi-Ufo-Projekt 3 mal in einer Woche durchkaut ... ), von daher bin ich heute am Grübeln:

So weit ich weiß gilt es doch als erwiesen dass das Universum expandiert, aber ich habe von Beobachtungen gehört dass die Geschwindigkeit auch steigen würde. Als Erklärung dafür lieferte man heute in besagter Sendung die wild diskutierte Dunkle Energie. Aber müsstge die nicht wie alle andere Energieform auch der Energieerhaltung unterworfen sein? ALso wie kann bei einem größer werden Universum die Expansion noch beschleunigen, eine solche Energiezufuhr müsste doch "von außerhalb des Universums" stammen oder wo ist mein Denkfehler?

Der Energieerhaltungssatz kann auf das Universum als ganzes nicht angewandt werden, wenn das Universum expandiert.

Energie ist eine Erhaltungsgröße, wenn das System für Bewegungsgleichungen eine zeitliche Translationsinvarianz aufweißt.

Ein expandierendes Universum ist aber in seiner Metrik zeitabhängig. Der Raum existiert nicht unabhängig von der Zeit.

Die Energie ist damit nirgends hin, sie existiert nicht mehr.

[Mondkalb]

... Aber müsstge die nicht wie alle andere Energieform auch der Energieerhaltung unterworfen sein? ALso wie kann bei einem größer werden Universum die Expansion noch beschleunigen, eine solche Energiezufuhr müsste doch "von außerhalb des Universums" stammen oder wo ist mein Denkfehler?

Die anscheinend fehlende Energie steckt im Gravitationsfeld, da man Energie aufwenden muss, um zwei Materiebrocken oder Planeten oder Teilchen voneinander zu entfernen.
Laut Hawking ist die Gesamtenergie des Universums deswegen Null.

[Agent Scullie]

Die anscheinend fehlende Energie steckt im Gravitationsfeld, da man Energie aufwenden muss, um zwei Materiebrocken oder Planeten oder Teilchen voneinander zu entfernen.
Laut Hawking ist die Gesamtenergie des Universums deswegen Null.

man kann für das expandierende Universum zwei unterschiedliche Energiebegriffe definieren. Zum einen kann man aus der Friedmann-Gleichung eine Gleichung ableiten, in der zwei Terme auftreten, einer, in den das Quadrat der Zeitableitung des Skalenfaktors (der Expansionsgeschwindigkeit, wenn man so will) eingeht, und einer, der eine Funktion des Skalenfaktors ist, wobei die Summe beider Terme konstant ist. Wenn man jetzt den ersten Term als "kinetische Energie" deutet und den zweiten als "potentielle Energie", dann erhält man in der Tat, dass die Gesamtenergie des Universums konstant ist. Bei einem verlangsamt expandierenden Universum nimmt der zweite Term (nennen wir ihn fortan potentielle Energie (I)) mit steigendem Skalenfaktor zu, entsprechend muss der erste Terme (nennen wir ihn kinetische Energie (I)) abnehmen -> die Expansion wird verlangsamt. Bei beschleunigter Expansion nimmt der zweite Term mit wachsendem Skalenfaktor ab, daher muss der erste Terme größer werden -> die Expansion wird schneller. Ein Universum wie unseres, wo die Expansion erst verlangsamt ist und dann später beschleunigt, kann durch eine potentielle Energie (I) beschrieben werden, die erst zunimmt, bei einem bestimmten Skalenfaktor ein Maximum hat, und dann wieder abnimmt. Soweit so gut.

Alternativ kann man aber auch die Energiedichte des kosmischen Mediums (staubartige Materie, Strahlung, Dunkle Energie), die durch die 00-Komponente des Energie-Impuls-Tensors ausgedrückt wird, über den gesamten Raum integrieren und erhält dadurch ebenfalls eine Energie, nennen wir sie Energie (II). Es zeigt sich jedoch, dass diese Energie (II) in keinerlei Zusammenhang zu den beiden Termen in der oben genannten Gleichung, kinetische Energie (I) und potentielle Energie (I), steht. Nehmen wir ein von staubartiger Materie dominiertes Universum. Da in einem solchen die Expansion verlangsamt ist, nimmt die kinetische Energie (I) ab und die potentielle Energie (I) zu, wenn der Skalenfaktor größer wird. Die aus der Energiedichte berechnete Energie (I) hingegen bleibt konstant: die Energiedichte nimmt in genau dem Maße ab, in dem sich das Volumen des Universums vergrößert. Man kann Energie (II) also weder mit der kinetischen Energie (I) noch mit der potentiellen Energie (I) identifizieren. Aber vielleicht ja mit der Summe beider Energien, die ist ja auch konstant. Besonders plausibel mutet das aber nicht an: die Energie (II) ist ja die Energie der Materie, nicht des Gravitationsfeldes, die potentielle Energie (I) sollte jedoch zum Gravitationsfeld gehören.

Aber betrachten wir noch andere kosmische Medien. Nehmen wir ein von Strahlung dominiertes Universum. Da auch hier die Expansion verlangsamt ist, nimmt die potentielle Energie (I) zu und die kinetische Energie (I) ab. Was passiert mit der Energie (II) der Strahlung? Die nimmt ebenfalls ab. Rein qualitativ stimmt das mit dem Verhalten der kinetischen Energie (I) überein, aber quantitativ passt es nicht. Die Energiedichte der Strahlung fällt mit der 4. Potenz des Skalenfaktors, und das Volumen mit der 3. Potenz des Skalenfaktors zunimmt, nimmt die Energie (II) umgekehrt proportional zum Skalenfaktor ab. Nicht so die kinetische Energie (I). Für ein strahlungsdominiertes Universum nimmt Skalenfaktor mit t^(1/2) zu, seine Zeitableitung geht entsprechend mit t^(-1/2), und ist folglich umgekehrt proportional zum Skalenfaktor. Die kinetische Energie (I) ist damit aber umgekehrt proportional zum Quadrat des Skalenfaktors, statt zum Skalenfaktor selbst. Folglich kann die Energie (II) nicht mit der kinetischen Energie (I) identifiziert werden.

Betrachten wir noch die Dunkle Energie. Wenn diese das Universum dominiert, ist die Expansion exponentiell. Da die Energiedichte konstant ist, nimmt die Energie (II) mit der dritten Potenz des Skalenfaktors zu. Und die kinetische Energie (I)? Bei exponentieller Expansion ist die Zeitableitung des Skalenfaktors stets proportional zum Skalenfaktor, die kinetische Energie (I) entsprechend proportional zur zweite Potenz. Auch hier passen die Energie (II) und die kinetische Energie (I) nicht zusammen.

Man sieht also, es lassen sich hier zwei unterschiedliche Energiebegriffe definieren, zwischen denen sich kein so rechter Zusammenhang herstellen lässt. Beim einen Energiebegriff bleibt die Energie global erhalten, beim anderen nicht. Daran zeigt sich, dass das Konzept der Energie in der ART eine gewisse Beliebigkeit erhält. So ist z.B. auch die Energie eines Gravitationsfeldes oder die Energie eines Teilchens im Gravitationsfeld nicht eindeutig definierbar.