Einige Klarstellungen in Sachen Physik [Diskussion]

[Satanklaus]

Wieso Ironie?
Das kannst du doch nicht leugnen, dass du unser Steven Hawking bist!

[Dr.IQ]

Original geschrieben von notsch

...
@IQ
Lernt man sowas im zweiten Semester "Relativistische Kosmologie"?
Hät ich wohl doch noch weiter besuchen sollen, ist ja sehr interessant!

Jap, aber es heißt "Relativistische Astrpphysik 2". Wir sind übrigens noch nicht soweit, aber wir sollten, wenn er nicht von seinem Skript abweicht in dieser oder nächste Woche damit anfangen, die Schwarzen Löcher zu rechnen. Aber Du kennst ja Sedlmayr, der Mensch redet gerne und so bringt er viele Bemerkungen auch schon vorher.... :-)

Grüße
IQ

[notschefix]

Skript

Oh Du, das müßt ich mir eigentlich mal kopieren

Gab es da auch eins für das erste Semester?

cu
notsch

[Ich, Q]

Ews ist doch so, dass das Universum endlich ist!
Also ich flieg immer geradeaus und komme irgendwann wieder an selben Punkt an! Natürlich fliege ich nicht wirklich geradeaus, sondern fliege leicht gekrümmt! Aber aus meinem Raumschiff aus sieht es so aus als ob ich gerade aus fliege!
Warum ist das so?
Warum ist das Universum nicht unendlich?
(Wir hatten das mal irgendwqann in der 9ten in Physik angerissen!)
Cu

[Dr.IQ]

Die Form des Universums ist unbekannt.

Original geschrieben von Ich, Q
Ews ist doch so, dass das Universum endlich ist!
Also ich flieg immer geradeaus und komme irgendwann wieder an selben Punkt an! Natürlich fliege ich nicht wirklich geradeaus, sondern fliege leicht gekrümmt! Aber aus meinem Raumschiff aus sieht es so aus als ob ich gerade aus fliege!
Warum ist das so?
Warum ist das Universum nicht unendlich?
(Wir hatten das mal irgendwqann in der 9ten in Physik angerissen!)
Cu

Es ist gar nicht klar, ob das Universum begrenzt und endlich oder unbegrenzt unendlich ist...
Diese Aussage ließe sich erst beantworten, wenn man die Geometrie des Universums kennen würde.

Wäre das Universum z.B. eine Kugel auf deren Oberfläche wir leben, so könnten wir in jede Richtung "gradeaus" weitergehen und würden irgendwann wieder dort ankommen, wo wir gestartet wären. Es wäre auch denkbar, daß sich diese Kugel immer weiter ausdehnen würde, bis sie einen unendlichen Radius hat...

Eine andere Sturktur die unbegrenzt im 4-Dimensionalen Raum ist, ist z.B. die Kleinsche-Flasche:





Oder das Analogon dazu im 3-Dimensionalen Raum: Das Moebius-Band:


Aber auch andere Kontsruktionen sind denkbar.

Dennoch WISSEN WIR NICHT, wie das Universum aussieht, es könnte Hyperbolisch oder gar Euklidisch sein und dann kann man nicht sagen, daß das Universum unbegrenzt ist.

Grüße
IQ

[Bynaus]

Moment: wir wissen zwar nicht, WIE die Geometrie des Raumes aussieht, aber wir wissen doch einige Dinge, die wiederum einige Modelle ausschliessen.

So kann das Universum zB nicht eine riesige dreidimensionale Blase sein, da man sonst problemlos das Zentrum der Blase feststellen könnte, in dem man die Anzahl Galaxien in jede Richtung zählt. Dort wo es am wenigsten Galaxien gibt, dort sind wir dem Rand der Blase am nächsten, in der Richtung, in der die meisten sind, liegt das Zentrum der Blase. Eine solche Ungleichverteilung beobachtet man aber nicht. (einziger Ausweg: wir befinden uns im Zentrum einer seit dem Urknall mit Lichtgeschwindigkeit expandierenden Blase: unwahrscheinlich)

Folglich ist es zwingend, dass das Universum irgend eine höherdimensionale Struktur hat. (im Sinne: wir müssen uns auf der 3-D "Obefläche" irgend einer 4-D-Struktur befinden) Das verdeutlicht die Hinweise auf eine in sich geschlossene Figur.

Wenn man wirklich davon ausgeht, dass die Struktur im Moment des Urknalls entstand, so kann es innerhalb der Struktur keine grösseren Abstände (Geodäten) als 30 Mrd Lichtjahre geben. (die Expansionsgeschwindigkeit des Universums liegt ja unter der Lichtgeschwindigkeit, umso mehr, wenn das Universum beschleunigt expandiert) Falls keine der Geodäten länger als 30 Mrd Lichtjahre sein kann, kann das Universum aber nicht unbeschränkt unendlich sein. Damit hat sich die Auswahl schon sehr eingeengt.

[Dr.IQ]

Original geschrieben von Bynaus
Moment: wir wissen zwar nicht, WIE die Geometrie des Raumes aussieht, aber wir wissen doch einige Dinge, die wiederum einige Modelle ausschliessen.

Ok.

Original geschrieben von Bynaus
So kann das Universum zB nicht eine riesige dreidimensionale Blase sein, da man sonst problemlos das Zentrum der Blase feststellen könnte, in dem man die Anzahl Galaxien in jede Richtung zählt. Dort wo es am wenigsten Galaxien gibt, dort sind wir dem Rand der Blase am nächsten, in der Richtung, in der die meisten sind, liegt das Zentrum der Blase. Eine solche Ungleichverteilung beobachtet man aber nicht. (einziger Ausweg: wir befinden uns im Zentrum einer seit dem Urknall mit Lichtgeschwindigkeit expandierenden Blase: unwahrscheinlich)

Stop!
Warum 3-Dimensional???
Ich denke, wir waren uns einig über eine Hyperfläche (3-Dim) eines 4-Dimensionalen Raumes, indem wir Leben?
Was den Vergleich mit der Sphäre betrifft, ich habe nicht gesagt, daß wir in der Sphäre leben, sondern nur auf Ihrer Oberfläche.
So wie zwei Dimensionale Zeichnungen nur länge und breite besitzen und ihnen die dritte Dimension (höhe) fehlt. (Kennst Du die Geschichte der "Flatlanders"?)
Dann hast Du natürlich auch nicht das Problem ein Zentrum einer Oberfläche zu bestimmen, obwohl natürlich die Sphäre eins hat, da Du nur entlang der Oberfläche zu schauen vermagst, so wie ein Flatlander ein dreidimensionales Objekt nicht wahrnehmen kann.

[QUOTE]Original geschrieben von Bynaus
[B]Folglich ist es zwingend, dass das Universum irgend eine höherdimensionale Struktur hat. (im Sinne: wir müssen uns auf der 3-D "Obefläche" irgend einer 4-D-Struktur befinden) Das verdeutlicht die Hinweise auf eine in sich geschlossene Figur.

Original geschrieben von Bynaus
Folglich ist es zwingend, dass das Universum irgend eine höherdimensionale Struktur hat. (im Sinne: wir müssen uns auf der 3-D "Obefläche" irgend einer 4-D-Struktur befinden) Das verdeutlicht die Hinweise auf eine in sich geschlossene Figur.

Jap.
Aber NEIN: ES GIBT AUCH 4-DIMENSIONALE HYPERFLÄCHEN DIE NICHT GESCHLOSSEN SIND. z.B Hyperquadriken (speziell Pseudohyperboloiden - die, wie der Name schon sagt: Hyperbolisch sind).

Original geschrieben von Bynaus
Wenn man wirklich davon ausgeht, dass die Struktur im Moment des Urknalls entstand, so kann es innerhalb der Struktur keine grösseren Abstände (Geodäten) als 30 Mrd Lichtjahre geben. (die Expansionsgeschwindigkeit des Universums liegt ja unter der Lichtgeschwindigkeit, umso mehr, wenn das Universum beschleunigt expandiert) Falls keine der Geodäten länger als 30 Mrd Lichtjahre sein kann, kann das Universum aber nicht unbeschränkt unendlich sein. Damit hat sich die Auswahl schon sehr eingeengt.

Was? Ich muß Dir sagen, daß ich das leider nicht verstehe...

Also, ganz gewiß wurde die Struktur des Universums nicht durch den Urknall sondern viel eher durch die Infaltion bestimmt (zumindest so, wie wir den Urknall heute verstehen). Diese Inflation (eine Lösung der De-Sitter-Kosmen) beschreibt eine Ausdehnung des Universums um mehrere Größenordnungen innerhalb einer gaaaaaaaaaaanz kurzen Zeit. (Es findet also eine Ausdehnung mit WEIT über Lichtgeschwindigkeit statt.)
Mit dieser Inflationsphase wird das Problem der Magnetischen Monopole wie sie die GUT vorhersagt, das Horizontproblem sowie erklärt, warum wir lokal eine Euklidische Struktur Flachheitproblem zu haben scheinen...

CU
IQ

---
Nachtrag zu Flatlandern:


Einen interessanten Text über Dimensionen kannst Du unter http://www.flash.net/~csmith0/hyper.htm finden.
Außerdem mag ich Dir, falls Dich das interessiert ein Buch von Dr.Michio Kaku (http://www.mkaku.org/) ans Herz legen:

http://www.amazon.de/exec/obidos/ASIN/3499603608/

[Bynaus]

Mir ist sowohl die Idee der Flachländer (davon bin ich ja ausgegangen) als auch die Inflation bekannt.
Das Universum muss, wegen dem Urknall, unbegrenzt aber endlich sein. Wenn es nämlich mal eine nulldimensionale Ausdehnung hatte, so kann es nicht plötzlich in einer Dimension unendlich sein, das würde unendliche Geschwindigkeit in dieser Dimension voraussetzen. Von einem Ding kann man, falls man stets endliche Geschwindigkeiten voraus setzt, nicht annehmen, dass es unendlich ausgedehnt ist, falls es mal keine Ausdehnung hatte. Da kann die Inflation noch so schnell gewesen sein. Natürlich gibt es Hypervolumina (=Hyperquadriken?), die eine unendliche Ausdehnung haben, das bestreitet ja auch niemand. Wenn die Dinger aber GEWACHSEN sind, einen Ursprung haben, können sie nicht in eine Dimension unendlich ausgedehnt sein. Dasselbe gilt für das Universum.

Die Inflationstheorie ist doch nur eine unschöne Konstruktion, um die Widersprüche (Quasare älter als das Universum?) zu beseitigen. Was natürlich nicht heisst, dass sie falsch ist. Letztendlich ist sie nur eine Theorie und die moderne Kosmologie eine noch sehr junge Richtung der Physik.

[Dr.IQ]

Original geschrieben von Bynaus
Mir ist sowohl die Idee der Flachländer (davon bin ich ja ausgegangen) als auch die Inflation bekannt.
Das Universum muss, wegen dem Urknall, unbegrenzt aber endlich sein. Wenn es nämlich mal eine nulldimensionale Ausdehnung hatte, so kann es nicht plötzlich in einer Dimension unendlich sein, das würde unendliche Geschwindigkeit in dieser Dimension voraussetzen. Von einem Ding kann man, falls man stets endliche Geschwindigkeiten voraus setzt, nicht annehmen, dass es unendlich ausgedehnt ist, falls es mal keine Ausdehnung hatte. Da kann die Inflation noch so schnell gewesen sein. Natürlich gibt es Hypervolumina (=Hyperquadriken?), die eine unendliche Ausdehnung haben, das bestreitet ja auch niemand. Wenn die Dinger aber GEWACHSEN sind, einen Ursprung haben, können sie nicht in eine Dimension unendlich ausgedehnt sein. Dasselbe gilt für das Universum.

Nun, der Urknall zum Zeitpunkt t=0 ist KEIN Physikalisches Problem. Dort VERSAGEN ALLE PHYSIKALISCHEN THEORIEN. Die Physik beginnt erst bei t=(10^-44)s der Planckzeit. Und zu diesem Zeitpunkt ist das Universum nicht mehr 0-dimensional.
Ich kann also als Physiker (zumindest heute) noch NICHT sagen, was für Physikalische Bedingungen vor der Planckzeit vorhanden waren!!!

Für mich hat aber das Universum (heute) sehr wohl eine Ausdehnung, aber seine Geometrie kann ich noch immer nicht bestimmen.

Deine Argumente mit den Geschwindigkeiten verstehe ich leider nicht... Vielleicht kannst Du ja ausführen was Du meinst. Wo ist der Zusammenhang zwischen Dimension und Geschwindigkeit? Welche Geschwindigkeit meinst Du?

Anmerkung:
Hyperquadriken sind Hyperflächen von Semi-Riemannschen Mannigfaltigkeiten. Speziell im Minkowski-Raum 4'-ter Ordnung existieren als Hyperquadriken nur der Pseudohyperbolid und die Pseudosphäre. Der Begriff "Pseudo" drückt dabei eine Eigenschaft der Metrik des Raumes aus (indefinite Metrik oder vereinfacht gesagt: Die Metrik hat Eigenwerte die positiv und negativ sind.)

Original geschrieben von Bynaus
Die Inflationstheorie ist doch nur eine unschöne Konstruktion, um die Widersprüche (Quasare älter als das Universum?) zu beseitigen. Was natürlich nicht heisst, dass sie falsch ist. Letztendlich ist sie nur eine Theorie und die moderne Kosmologie eine noch sehr junge Richtung der Physik.

Eine Frage: Was passiert, wenn das Universum "inflationiert" ist?
Während der Inflation wurde es seeeeeeeeeeeeeehr Flach und damit lokal Euklidisch....
Denn angenommen Du hast eine kleine Kugel, die Du so aufpumpst, daß sein Radius gegen unendlich läuft... dann wird die Oberfläche der Kugel immer Ebener.

Und ja, ich bin mit der Infaltion auch nicht zu frieden, aber es ist zumindest ein netter Gedankengang.

CU
IQ

[Tiberius Foxbat]

Original geschrieben von notsch
Zur Antimaterie: Es gibt energiereiche Elementarteilchen, die in unterschiedliche kleinere (energieärmere) Kerne zerfallen. Der Zerfall ist dabei immer derselbe (also 2 Teilchen derselben Sorte zerfallen in die gleichen Endkerne).
Bei der Antimaterie sollte das genauso sein, also 2 energiereiche Antimaterieelementarteilchen sollten in die gleichen Endkerne zerfallen. Es kann auch passieren, das einer der Endkeren bei einem Materiezerfall ein Antimaterieteilchen ist, ebenso umgekehrt, dass be einem antimateriezerfall ein Materieteilchen entsteht.

Zu jedem Materiekern gibt es einen Pendant in der Antimateriewelt (Proton = Antiproton Neutron = Antiproton, Epsilom-Hyperon = Anti-Epsilon Hyperon) und man sollte annehmen, das diese auch gleich zerfallen (also die Endprodukte der Materieumwandlung sollten die gleichen sein wie die Endprodukte der antimaterieumwandlung, nur eben halt alles andersrum).
Dem ist aber nicht so, es gibt asynchrone Zerfälle, wo die antimaterie anders zerfällt als die Materie. Bei diesem anderem Zerfall entsteht ein Materieteilchen, während bei dem Materiezerfall kein Antimaterieteilchen entsteht (was ja sein müßte, damit die beiden sich neutralisieren müßten).
Wenn also ein Materieteilchen und ein Antimaterieteilchen zerfallen hat man nach dem Zerfall 2 Materieendkerne mehr als Antimaterieendkerne, es gibt also mehr Materie als Antimaterie.

Dieser Effekt wurde beim Zerfall des Kaon in den 50er Jahren nachgewiesen (allerdings zerfällt nur einer von 1000000 AntiKaonen anders als der Rest), er alleine würde noch nicht ausreichen um das Übergewicht der Materi zu erklären, aber man sucht noch andere Zerfälle, die denselben Effekt haben.

Verstehe ich nicht ganz. materie und Antimaterie wandeln sich nach der bekannten Physik in Strahlung um, nicht mehr und nicht weniger. Bei Antiatomen ist das auch der Fall. Wie meinst Du das?

[Bynaus]

Ja, wenn Antimaterie und Materie aufeinander treffen, wandeln sie sich in Strahlung (Gamma-Photonen) um. Es geht in dem Text aber um den Zerfall von Materie bzw. Antimaterie, ohne das jeweils Antimaterie bzw. Materie im Spiel ist. So zerfällt zB ein Pi-Meson (nur als Beispiel) in andere Teilchen, aber das Anti-Pi-Meson zerfällt in die entsprechenden Antiteilchen. Darum geht es.

[The Guardian]

Original geschrieben von Bynaus


Antimaterie
Antimaterie ist NICHT negative Materie. Es ist Materie mit umgekehrter Kernladung (Proton, +1 --> Antiproton, -1; Elektron, -1 --> Positron, +1, Neutron, 0 --> Antineutron, 0) und umgekehrtem Spin. (dh, Antineutronen und Neutronen sind unterscheidbar). Die Begegnung von einem Teilchen Materie mit einem Teilchen Antimaterie führt gemäss E=mc^2 zur gegenseitigen Vernichtung von Materie und Antimaterie, die dann in in eine andere Form von Energie (hochenergetische Photonen, Gammaphotonen) umgewandelt werden.
Beispiel: So führt die Begegnung 1kg Materie und 1kg Antimatrie also zu der Energiemenge E=m(=2kg)*(300'000'000 m/s)^2 = 1,8 * 10^17 Joule.

(Das war ein Beitrag von Baynaus aus dem Faktensammelthread)

Ich hätte da mal eine Frage zu:
(vorsicht, ich bin Physikleie)

Du sagtest das E=mc^2 die gegenseitige vernichtung von M und AM ausdrückt.

Man nehme 1kg M und 1kg AM mache daraus ganz einfach eine Summe und setzte diese in Einsteins Vermächtnis ein. Raus kommt der Energiewert 1,8 * 10^17 Joule! Ok!

Gesagt würde per Antimateriedefinition, das durch die entgegengesetzten Ladungen der Nukleonen und der Leichtteilchen sich die beiden Matierien gegeseitig vernichten. (auch gemäß E=mc^2.)

Nehmen wir nun an wir hätten 1,5 kg Materie und 0,5 kg A-Materie genommen. Dann hätten wir logischer Weise wieder den Energiewert 1,8 * 10^17 Joule rausbekommen richtig?
Die Energie ist das Resultat aus der Umwandlung der Materien in hochenergetische Photonen, Gammaphotonen. Schön! Soll das jetzt heißen das eine gaaaaaanz kleine Menge an Antimaterie eine beträchtlich große Menge an Materie (differenz diese 2 kg) vernichten kann und umgekehrt??? (ist das logisch oder hab ich nen Denkfehler?)

Bleibt eigendlich im 1,5M/0,5AM - Beispiel nach der Reaktion nicht etwas normale Materie übrig?? dürfte eigendilch nicht wegen der gleichen resultierenden Energiewertes 1,8 * 10^17 Joule?!?!?!

[Bynaus]

Es IST ein Denkfehler. Es vernichtet sich immer nur so viel M/AM, wie von beidem in gleichen Mengen vorhanden ist. So führen 1,5 kg Materie und 0,5 kg Antimaterie nur zur Vernichtung von jeweils 0.5 kg M/AM, so dass eben die Hälfte der Energie heraus kommt, die man für 1 kg je errechnet hatte.

Du kannst dir das auch mit der Anzahl der "gegensätzlichen" Ladungen vorstellen. Wenn alle aufgebraucht sind, ist fertig mit der Reaktion.

[The Guardian]

Achso, dann hat also E=mc² tatsächlich garnicht mit der Reaktion von M & MA zutun. Ich dachte schon. Wäre unlogisch mit 2 Zustandgrößen (m) in der Formel zurechnen, wenn sie blos die möglichkeit zum Rechnen mit einer größer her giebt.

Sonst hätte Einstein ja schreiben müssen: E=m1+m2*c²
Obowhl es dann noch immer keinen Sinn machen würde.

PS: "Die Begegnung von einem Teilchen Materie mit einem Teilchen Antimaterie führt gemäss E=mc^2 zur gegenseitigen Vernichtung von Materie und Antimaterie, die dann in in eine andere Form von Energie (hochenergetische Photonen, Gammaphotonen) umgewandelt werden." <<< kannst du mir mal einen Beweis für diese Behauptung raussuchen?

[Bynaus]

Einsteins Formel ist nicht einfach auf die M/AM-Umwandlung anwendbar, sondern auf alle Masse, die existiert, genauso wie Newtons Gesetze nicht nur für die Erde und den Apfel gelten, sondern für das ganze Universum. E=mc^2 steht für nichts anderes als dafür, dass Masse eine Form von Energie ist, genau so wie Geschwindigkeit (kinetische) oder Elektrizität (elektrische) Energien sind. Diese Energie bleibt normalerweise in dieser Form "gefangen". Bei Kernreaktionen (Kernspaltung, Kernfusion) wird ein TEIL (ein paar Prozent) der Masse umgewandelt in andere Energieformen, meistens andere Teilchen, meistens Photonen. Die AM/M Reaktion hingegen ist die effektivste "Befreiung" der Energie aus der Materie, da hierbei ALLES (100 Prozent) in andere Energieformen, wiederum meistens Teilchen, wiederum meistens Photonen umgewandelt wird.

Ich kann dir keinen Beweis für E=mc^2 heraus suchen, diese Formel ist aber so etabliert, dass man sie eigentlich nicht mehr anzweifeln müsste. Dass die frei werdende Energie in Photonen umgewandelt wird, kannst du in jedem einschlägigen Physikbuch (aus der Bibliothek oder so) welches Antimaterie behandelt, nachschlagen.
Dass es zumindest von den Einheiten her stimmt, kannst du auch selber nachprüfen: Energie ist dasselbe wie Arbeit. Arbeit ist Kraft mal METER, Kraft ist MASSE mal Beschleunigung. Beschleunigung ist Geschwindigkeit pro SEKUNDE. Geschwindigkeit ist METER pro SEKUNDE.
Also ist Energie gleich METER mal MASSE pro SEKUNDE mal METER pro SEKUNDE. Zusammen genommen ist also Energie gleich MASSE mal (METER)^2 pro (SEKUNDE)^2, und das ist dasselbe wie MASSE mal (METER/SEKUNDE)^2, und das wiederum ist dasselbe wie MASSE mal GESCHWINDIGKEIT^2. Genau das sagt ja auch Einsteins Formel aus, wobei sie einen Spezialfall herauspickt. (Energie, die in der Masse steckt, Lichtgeschwindigkeit)

Vielleicht ist dir jetzt auch klar, warum nur gleiche Teile M/AM vernichtet werden in deinem 1kg/1kg Beispiel.