Pioneer-10 und -11 Der erste Flug ins äußere Sonnensystem

[Hornblower]

DragoMuseveni: Allerdings, und das muss man zugestehen, ist die Menge der Beobachtungen, die wir machen/gemacht haben, verschwindent klein

Prinzipiell besteht Ungewissheit. Da stimme ich Dir zu. Aus Spaß möchte ich mal den folgenden Gedanken hinzufügen: Das in meinem obigen Beitrag genannte Prinzip der Induktion ist nicht logisch begründbar. Könnte man es vielleicht anders begründen? Vielleicht empirisch? Schließlich hat sich Induktion bisher bewährt. Dieses Argument wäre leider induktiver Natur; wir dürfen aber nicht annehmen, was wir zeigen wollen. Wie könnte man es sonst einsehen? Noch fundamentaler als das Prinzip der Induktion und ganz wesentlich ist die Annahme, dass die Welt einen hohen Grad an Ordnung aufweist, d.h. Muster und Wiederholungen; deswegen können gründlich überlegte und recht einfache Verallgemeinerungen mit erstaunlich hoher Wahrscheinlichkeit zutreffen. Das Induktionsprinzip lässt sich nun aus dem anthropischen Prinzip ableiten, denn jedes denkbare Universum, in dem es intelligente Lebewesen gibt, muss notwendigerweise einen hohen Grad an Ordnung aufweisen. D.h. jedes intelligente Lebewesen muss feststellen, dass das Prinzip der Induktion mit recht hohem Erfolg anwendbar ist.
Solche Überlegungen sind natürlich hochspekulativ, Ungewissheit besteht weiterhin. Wenigstens gibt es unterschiedliche Grade an Ungewissheit.

Um auf den ursprünglichen Gedanken zurückzukommen: Man könnte andererseits auch sagen, dass es ein höchstverblüffender Zufall wäre, wenn die Tausenden von Daten, die wir von sehr fernen Orten und Zeiten empfangen haben, nur zufällig so genau zu unseren Naturgesetzen passen würde.

Tom1991: Wenn man wirklich davon ausgeht, dass das Universum annähernd unendlcihe größe hat, sind die bedeutung beobachtungen die wir machen auch annähernd unendlich klein.

Es gibt überzeugende Hinweise dafür, dass das Universum ca. 13,7 Milliarden Jahre alt ist. Wir können mit unseren Teleskopen Objekte sehen, die mehr als 10 Milliarden Lichtjahre weit weg sind. Folglich ist der Beobachtungsbereich schon ziemlich groß, auch wenn er nur unvollständig erfasst wird.
Also ganz so selektiv sind unsere Daten nicht.

Tom1991: Aber es wird mit sicherheit Orte geben, die wir uns nopch nicht einmal vorstellen können

Die moderne Physik hat in der Tat gezeigt, dass Menschen sich vieles nicht vorstellen können, obwohl die Mathematik es äußerst zutreffend beschreibt; in der Quantenwelt und Astronomie gibt es viele solcher Beispiele.
Aus dem Scheitern unseres Vorstellungsvermögens, das schließlich an das Leben auf der Erde und an bestimmte Größenverhältnisse angepasst ist, folgt also nicht, dass außerhalb unserer Wahrnehmung und Vorstellung Beliebiges passiert.

Tom1991: an denen die Erd-Physik völlig auf den Kopf gestellt wird.

Das hängt jetzt davon ab, was Du unter Erd-Physik verstehst. Wenn man darunter z.B. verstünde, dass die Gravitation eine konstante Beschleunigung verursachte von knapp 10 m/s^2 und das dies bereits das universelle Gesetz der Gravitation wäre, dann hättest Du in der Tat recht.
Unter Naturgesetz verstehe ich etwas, das im ganzen Universum gilt, und die astronomischen Aufnahmen, die sich fast bis an den Rand des Universums erstrecken, weisen auf die Universalität der Naturgesetze hin. Die Fly-by- und die Pioneer-Anomalie wurden übrigens - astronomisch gesehen - in unserer Nähe festgestellt und nicht in großer Entfernung. Diese Anomalien beruhen also allem Anschein nach nicht darauf, dass die Naturgesetze an fernen Orten anders sind, sondern darauf, dass wir die universalen Gesetze noch nicht vollständig kennen.
Die Daten sprechen also dafür, dass die Hypothese der Universalität der Naturgesetze eher anzunehmen als abzulehnen ist. Wenn ich mich in einer Situation der Ungewissheit für eine Alternative entscheiden sollte, so würde ich diejenige Alternative wählen, die durch Hinweise gedeckt wird.

Um dies noch etwas deutlicher zu machen: Die Menge des widerspruchsfrei Denkbaren ist gewaltig groß; die Wahl einer denkbaren, aber unfundierten Annahme führt daher leicht zu Unsinn. Ein humorvolles, aber treffendes Beispiel sei genannt:
„Wenn ich behaupten würde, dass es zwischen Erde und Mars eine Teekanne aus Porzellan gäbe, welche auf einer elliptischen Bahn um die Sonne kreise, so könnte niemand meine Behauptung widerlegen, vorausgesetzt, ich würde vorsichtshalber hinzufügen, dass diese Kanne zu klein sei, um selbst von unseren leistungsfähigsten Teleskopen entdeckt werden zu können. Aber wenn ich nun daherginge und sagte, da meine Behauptung nicht zu widerlegen ist, sei es eine unerträgliche Anmaßung menschlicher Vernunft, sie anzuzweifeln, dann könnte man zu Recht denken, ich würde Unsinn erzählen. Wenn jedoch in antiken Büchern die Existenz einer solchen Teekanne bekräftigt würde, dies jeden Sonntag als heilige Wahrheit gelehrt und in die Köpfe der Kinder in der Schule eingeimpft würde, dann würde das Anzweifeln ihrer Existenz zu einem Zeichen von Exzentrizität werden. Es würde dem Zweifler, in einem aufgeklärten Zeitalter, die Aufmerksamkeit eines Psychiaters oder, in einem früheren Zeitalter, die Aufmerksamkeit eines Inquisitors einbringen.“ (Bertrand Russell)
Ein anderes Beispiel: Niemand kann beweisen, dass es nirgendwo im Universum Jedi-Kräfte gibt, aber die Annahme von Jedi-Kräften ist nicht ernstzunehmen, weil man damit ganz willkürlich etwas aus der sehr großen Menge des Denkbaren herausgenommen hätte. Man hätte genausogut das Gegenteil annehmen können. Eine ernstzunehmende Annahme muss fundiert sein.

[Physicus91]

Wenn man wirklich davon ausgeht, dass das Universum annähernd unendlcihe größe hat, sind die bedeutung beobachtungen die wir machen auch annähernd unendlich klein.

Ich bestreite nicht, das es Naturgesetze gibt, die eigentlich so gut wie überall gelten müssten.

Aber es wird mit sicherheit Orte geben, die wir uns nopch nicht einmal vorstellen können und an denen die Erd-Physik völlig auf den Kopf gestellt wird.

[DragoMuseveni]

Es gibt noch viel mehr Möglichkeiten. Täglich werden enorm viele astronomische Messungen gemacht. Und alle untermauern die These, dass die Naturgesetze überall und zu jeder Zeit gelten.

Allerdings, und das muss man zugestehen, ist die Menge der Beobachtungen, die wir machen/gemacht haben, verschwindent klein in der Menge der möglichen Beobachtungen(Also alle in Universum machbaren Beobachtungen).

Wir können nicht abschätzen, ob unsere Beobachtungen wirklich representativ für die Menge aller möglichen Beobachtungen(Sprich, das ganze Universum) wäre. Schliesslich bekommen wir ja diese nicht zufällig, sondern geordnet, immer ein Moment nach den anderen...

Das muss man also nicht einfach unfundiert glauben, sondern man hat ähnlichen Grund, die Gleichmäßigkeit der Naturgesetze anzunehmen, wie man Grund zur Annahme hat, dass es Schwerkraft gibt. Beides beruht auf dem Prinzip der Induktion.
Vielleicht müssten tatsächlich physikalische Theorien angepasst werden, um die Pioneer-Anomalie zu erklären; es ist sowieso zu erwarten, dass eine Verbesserung irgendwann wieder passieren wird. Aber es spricht nichts dafür, dass deswegen die Naturgesetze nicht überall und immer gelten würden.

...Aber ich stimme dir zu, dass dieser Gedanke eine schlecht erklärung der Pioneer-Annomalie darstellt.

[Hornblower]

Tom1991: ch halte e einfach für egoistisch zu glauben es würden überall die selben gesetze gelten wie auf der Erde (bzw. in Erdnähe)

Ich vermute einfach, dass Du leidenschaftlich Deinen Text verfasst hast und "egoistisch" geschrieben hast, obwohl Du "logisch" meintest. Denn ein Naturwissenschaftler hat ja keinen Vorteil auf Kosten anderer durch so eine Behauptung.

Grundsätzlich kann man in der Naturwissenschaft *keine* Theorie logisch beweisen. Man kann nur - wie man sagt - induktiv Hinweise finden, d.h. man versucht, seine These zu überprüfen, indem man sehr, sehr häufig nachguckt. Sicher kann man aber nie sein. Dazu ein Beispiel: Angenommen, Du hättest noch nie von Lotto gehört, außer dass mehrere Zehntausende Leute aus Deinem weiten Bekanntenkreis keine Millionen Euro gewonnen hätten. Dann würdest Du daraus vielleicht induktiv schliessen, dass es unmöglich ist, im Lotto ein Millionen Euro zu gewinnen. Ein anderes Beispiel: Jeden Morgen geht bisher die Sonne auf. Daraus könnte man schließen, das würde immer so sein; tatsächlich wird sie in grob 5 Milliarden Jahren den Geist aufgeben.
Andererseits benutzt Du auch das Prinzip der Induktion, um zu erkennen, dass es Schwerkraft gibt, dass Dinge immer wieder runterfallen.
Jede naturwissenschaftliche Erkenntnis beruht also auf diesem natürlichen, aber prinzipiell unsicheren Verfahren der Induktion. Trotzdem führte bisher die gründliche Anwendung des induktiven Verfahrens zusammen mit der Stützung durch andere Erkenntnisse zu guten Ergebnissen. Beispielsweise wissen wir durchaus, dass die Sonne in ca. 5 Milliarden Jahren sterben wird; und diese Erkenntnis beruht auf Theorien, die auch auf Induktion beruhen, aber sehr gründlich getestet wurden.

Wie steht es nun mit der in der Tat starken Behauptung, dass überall und immer im Universum dieselben Naturgesetze gelten. Ist das eine Art Religion? Das könnte man ja meinen, weil die Aussage so stark ist und vor allem: Wie will man das denn wissen? Tatsächlich ist diese Aussage wohlfundiert, denn man hat sehr viele Messungen durchgeführt, die mithilfe des induktiven Verfahren nahelegen, dass die Naturgesetze überall und immer gelten.
Ich möchte nur mal zwei Beispiele nennen:

• Schwarzkörperstrahlung: Um 1900 hat der Kieler Physiker Planck (zunächst mit mathematischer Intuition und etwas später mit der Quantenhypothese) ermittelt, wie genau verschiedene Frequenzanteile in der Wärmestrahlung verteilt sind. Die von ihm erkannte Verteilung besteht sozusagen aus Tausenden von verschiedenen Messwerten; es ist nicht anzunehmen, dass die alle zufällig sehr genau stimmen. Nun hat man bei sehr fernen Sternen genau diese Messwerte feststellen können - abgesehen von der Verschiebung durch die Sternbewegung. D.h. an sehr fernen Orten stimmt die Verteilung. Außerdem ist ca. 400 000 Jahre nach dem Urknall die Hintergrundstrahlung frei geworden, die auch so verteilt ist, was messbar ist. D.h. an sehr fernen Zeiten stimmt die Verteilung. Wären einige Naturkonstanten und Naturgesetze nur leicht anders, würde sich diese Verteilung stark ändern; deswegen hat man dadurch bereits einen sehr starken Hinweis auf die Universalität der Naturgesetze.
• Absorptionslinien: Jeder Stoff hat einen quantenmechanischen Fingerabdruck, d.h. Wasserstoff enthält ganz bestimmte Frequenzen in seiner Strahlung; daran können wir Wasserstoff erkennen. Diese Frequenzen hängen ebenfalls sehr sensibel von den Naturkonstanten und Naturgesetzen ab. Bis auf eine Verschiebung durch Bewegung können wir diese Frequenzen auch bei astronomischen Objekten feststellen, die ungeheuer weit weg sind.

Es gibt noch viel mehr Möglichkeiten. Täglich werden enorm viele astronomische Messungen gemacht. Und alle untermauern die These, dass die Naturgesetze überall und zu jeder Zeit gelten.
Das muss man also nicht einfach unfundiert glauben, sondern man hat ähnlichen Grund, die Gleichmäßigkeit der Naturgesetze anzunehmen, wie man Grund zur Annahme hat, dass es Schwerkraft gibt. Beides beruht auf dem Prinzip der Induktion.
Vielleicht müssten tatsächlich physikalische Theorien angepasst werden, um die Pioneer-Anomalie zu erklären; es ist sowieso zu erwarten, dass eine Verbesserung irgendwann wieder passieren wird. Aber es spricht nichts dafür, dass deswegen die Naturgesetze nicht überall und immer gelten würden.

[HiroP]

wundert mich erlich gesagt nicht das solche sonden den Kurs verlieren.

ch halte e einfach für egoistisch zu glauben es würden überall die selben gesetze gelten wie auf der Erde (bzw. in Erdnähe)

Da könntest du dich, glaube ich, mit Kirk zusammen tun.

Wenn man Wissenschaft betreiben will, muss man ein paar Annahmen treffen, auf denen man die Forschung aufbaut. In allen Wissenschaften, die Mathematik als Sprache verwenden, sind dies die von Floore angesprochenen Axiome.

Die Annahme, dass im Universum überall die gleichen physikalischen Gesetze gelten, ist so ein Axiom. Es ist eine grundlegende Annahme der Kosmologie und der Astrophysik. Das Universum ist nach heutiger Kenntnis homogen und isotrop. Darauf basieren grundlegende Gesetze wie Energieerhaltungssatz und Impulserhaltungssatz. Diese sind tausendfach experimentell bestätigt.

Vom wissenschaftlichen Ansatz abgesehen:
Du sagst, es sei egoistisch zu glauben, dass überall die selben physikalischen Gesetze wie im Sonnensystem. Ich glaube, es ist genau umgekehrt. Ich halte es für arrogant zu glauben, die Erde oder das Sonnensystem seien Ausnahmen im Universum.

Hier noch eine aktuelle Meldung zum Thema:

Astronomie.de -- Erdrotation beeinflusst Bahnen von Raumsonden - aber wie?

[Bynaus]

Das Problem ist ja auch, die Planeten verhalten sich ganz so, wie wenn für sie die "gleichen" Gesetze gelten würden wie auf der Erde. Die Abweichungen treten ja in Bereichen und Grössenordnungen auf, die wir auf der Erde gar nicht sinnvoll überprüfen können.

[Floore]

wundert mich erlich gesagt nicht das solche sonden den Kurs verlieren.

ch halte e einfach für egoistisch zu glauben es würden überall die selben gesetze gelten wie auf der Erde (bzw. in Erdnähe)

Naja, mag sein, aber es wäre schon dumm, wenn es nicht so wäre. Ich glaube es ist sogar ein Axiom, dass man annimmt die physikalischen Gesetze sind überall im Universum gleich, zu jeder Zeit. Wir können ja nicht einfach mal hinfliegen und das nachprüfen.

Es gibt diese Ansätze wie MOND, wo eine Änderung mit der Skala angenommen wird, aber eine wirklich andere Physik ist das auch nicht.

[Physicus91]

wundert mich erlich gesagt nicht das solche sonden den Kurs verlieren.

ch halte e einfach für egoistisch zu glauben es würden überall die selben gesetze gelten wie auf der Erde (bzw. in Erdnähe)

[Mondkalb]

Noch mal ein aktueller Artikel zur Fly-By-Anomalie:
wissenschaft.de - Rätselhafter Geschwindigkeitsschub

[Floore]

Ich habe mir den Vortrag gestern noch mal angehört und muss das oben doch etwas berichtigen. Den Zusammenhang mit der Heliopause habe ich hergestellt, das war so nicht ganz richtig.

Das expandierende Universum wird in der ART mit der Robertson-Walker Metrik beschrieben, die Minkowski-Metrik war also auch falsch, bezog sich auf die spezielle RT. Man beschreibt also das sich ausdehnende Universum mit dieser Metrik, jetzt macht das Sonnensystem oder andere Massenansammlungen diese Expansion aber nicht mit, müssen also mit einer anderen Metrik beschrieben werden, wie z.B. die Schwarzschildmetrik. Dieser Raum nennt sich Einstein-Strauß-Vakuole, und für ein ungestörtes System hätte sie eine Ausdehnung von 13 MPc. Ausgehend von diesen Überlegungen hat der Sprecher von Gestern neue Überlegungen angestellt.

Leider habe ich diese Überlegungen nicht mehr wirklich verstanden. Er ist von der Dichteverteilung nach der Rekombination ausgegangen und hat das Verhalten verschiedener Vakuolen simuliert und kam darauf, dass sie je nach Anfangsparametern zuerst die Expansion mitmachen, dann ein Maximum erreichen um anschließend wieder zu implodieren. Seiner Meinung nach befindet sich die Vakuole unserer Metrik wieder in der kollabierenden Phase und daher hat sie nicht mehr die Ausmaße von diesen 13 MPc sondern deutlich weniger.

Bei dem Übergang der Signale von Schwarzschildmetrik zu Robertson-Walker Metrik und wieder zurück würden die Signale einen Phasenshift erleiden, der einem nur vorgaugelt, die Sonden würden abgebremst, in Warheit sind sie genau da, wo sie sein sollten. Bei seinen Berechnungen kam interessanter Weise tatsächlich genau dieser Wert von Ho*c heraus.

Dies ließe sich überprüfen, wenn man die genaue Position der Sonden kennen würde, bzw. die Laufzeit des Signales messen könnte. Aber leider sind die Sonden dafür nicht ausgelegt. Er hofft auf weitere Experimente in dieser Hinsicht.

Ich weiß nicht so ganz, was ich davon halten soll. Es ist auf alle Fälle ein interessanter Gedanke, der sich zu denken lohnt, aber in wieweit da was dran ist, bin ich überfragt.

[Bynaus]

Er bezieht sich ebenfalls auf die Heliopause, wobei er diese nicht nur als Grenzschicht beschreibt, wo das Plasma des Sonnenwindes aufs interstellare Medium trifft, sondern auch als Diskontinuität zwischen zwei Metriken. Ich bekomme es nicht mehr zusammen, aber das innere des Sonnensystems kann mit der Kerr-Metrik beschrieben werden, der interstellare Raum mit der Minkowski-Metrik.

Hat er auch gesagt, warum das seiner Ansicht nach so sein soll? (die verschiedenen Metriken)

Hat er den Zusammenhang zur Heliopause hergestellt oder du? (die Pioneer-Anomalie tritt schon kurz nach der Saturnbahn auf, nicht erst bei der Heliopause...)

[HeldderStunde]

sollte man als frage an prof. lesch schicken. wäre sicherlich interessant, was er dazu zu sagen hätte.

[Floore]

Die Hypothese vom Fahr ist schon ziemlich abgefahren. Er bezieht sich ebenfalls auf die Heliopause, wobei er diese nicht nur als Grenzschicht beschreibt, wo das Plasma des Sonnenwindes aufs interstellare Medium trifft, sondern auch als Diskontinuität zwischen zwei Metriken. Ich bekomme es nicht mehr zusammen, aber das innere des Sonnensystems kann mit der Kerr-Metrik beschrieben werden, der interstellare Raum mit der Minkowski-Metrik. Vielleicht war es auch die Schwarzschildmetrik anstelle der Kerr - wie gesagt, das bekomme ich nicht mehr zusammen. Die Pioneer-Anomalie ist quasi der Effekt, wenn die Signale der Sonden, also die Elektro-Magnetischen Impulse, diese geometrische Diskontinuität durchqueren und dabei einen Shift erleiden. Mit einigem mathematischem Getrickse und der Annahme von warmer dunkler Materie kommt dann sogar irgendwie auf das richtige Vorzeichen...

Ist schon eine sehr spezielle Theorie, macht aber Spaß, auch wenn ich sie nicht wirklich verstehe...

[Bynaus]

Die Anomalie ist sehr klein - wenn sie real ist, entspricht sie einer zusätzlichen Beschleunigung von etwa 8.74*10^-10 m/s^2 zur Sonne hin... Für die Bahndaten der Planeten im Sonnensystem ändert sich praktisch nichts. Je nach dem, was ihre Ursache ist, könnte sie aber natürlich schon "kosmische" Auswirkungen haben, etwa das sonderbare Rotationsverhalten von Galaxien (mit)verursachen. Aber das ist zur Zeit alles Spekulation...

[bozano]

Welche Bedeutung hat den diese Anomalie für die Astronomie? Gelten die bisher gemachten Aussagen, für die Himmelskörper, immer noch oder müssen diese revidiert werden?