26.08.2020
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Energieerhaltung im expandierenden Universum | Matthias Bartelmann

Gilt in unserem expandierenden Universum der Energieerhaltungssatz auch auf kosmischen Skalen - auch für das Universum als Ganzes? Matthias Bartelmann beantwortet diese häufig gestellte Frage in einem eigenen detaillierten Beitrag.

Urknall, Weltall und das Leben (www.urknall-weltall-leben.de)

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Weitere Informationen

  • Schwierigkeitsgrad: - Leicht
  • Dauer (min.): 36
  • Format/Stil: Gastbeitrag
  • Naturphilosophie: Naturgesetze
  • Serien: Live im Hörsaal
  • Weiterführende Links:
    1. ► Matthias Bartelmann

Personen in dieser Konversation

  • Hallo liebes Team von UWL.

    Zunächst mal vielen Dank für euren großartigen Kanal und die Videos, mit denen Ihr aktuelle Themen der Physik in einer griffigen und unterhaltsamen Art erläutert. Ich liebe eure Videos und habe mich in den vergangenen drei Monaten durch einen Großteil eurer Videothek durchgearbeitet. Macht bitte weiter so !!!

    In dem Beitrag von Matthias Bartelmann wird mit der Energieerhaltung im Universum ein Thema aufgegriffen, welches mich schon seit euren Beiträgen zur kosmologischen Rotverschiebung brennend interessiert. Nachdem ich das Video zweimal angeschaut habe, möchte ich nun doch meine Bemerkungen und Fragen hier einstellen:

    1. Noethersche Theoreme: Sind die kontinuierlichen Symmetrien gemäß den Noetherschen Theoremen zwingende Voraussetzungen für eine Energie-Impuls Erhaltung oder ist eine Energie-Impuls-Erhaltung auch möglich, wenn eine solche Symmetrie nicht vorliegt? Oder in anderen Worten: Sind die kontinuierlichen Symmetrien zwingende oder nur hinreichende Voraussetzungen?

    2. Standardmodell der Kosmologie: Matthias Bartelmann erwähnt, dass das Standardmodell der Kosmologie schon so aufgebaut ist, dass es Energie-Impulserhaltung annimmt bzw. diese aus der hohen Symmetrie des Modells direkt folgt. Das ist natürlich eine unbefriedigend Situation, da es ja bedeutet, dass das kosmologische Standardmodell der ART gar nicht in der Lage ist eine unabhängige Untersuchung der Energie-Impulserhaltung zu ermöglichen. Offenbar gibt es aber in der aktuellen Forschung auch Stimmen, die davon ausgehen, dass kosmologisch die Gesamtenergie nicht erhalten ist. Es wäre daher interessant in einem Beitrag die Argumente der verschiedenen Ansichten pro und contra Energieerhaltung gegenüber zu stellen. (Ich hoffe die Energieerhaltung gewinnt ;-) )

    3. Energieinhalt der Geometrie der Raumzeit: Angenommen die Gesamtenergie im Universum ist erhalten, dann müsste laut Matthias Bartelmann die Energie aus der kosmischen Hintergrundstrahlung in die Geometrie der Raumzeit übergegangen sein. Das heißt doch, dass der Geometrie des Raums selbst eine Energie zugeordnet sein muss, die auch berechenbar sein sollte. Schließlich kennen ja den Energieinhalt der Hintergrundstrahlung zum Zeitpunkt z=1000 und heute z=0 exakt. Genau diese Energie muss also in die Geometrie der Raumzeit geflossen sein Es wäre interessant, dies in einem Beitrag etwas konkreter zu erläutern. Welcher Parameter der Raumzeit ist für deren Energieinhalt verantwortlich? Ist es die Krümmung der Raumzeit? Aber wie haben ja andererseits Belege dafür, dass die Raumzeit exakt flach ist.. und das offenbar seit der Inflationsphase. Hat sich dann der Energiedichte der Raumzeit (Energieinhalt pro Volumen) gar nicht verändert? Oder spielt hier die Dunkle Energie etwa eine Rolle? Wurde die Energie der Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung durch die Rotverschiebung in Dunkle Energie umgewandelt?

    4. Wenn die Energie der Photonen bei der kosmischen Expansion in einen Energieinhalt der Raumzeit verwandelt wurde, sollte das nicht zu messbaren Effekten in der Geometrie der Raumzeit führen? Könnte sich daraus eine experimentell überprüfbare Vorhersage zur kosmischen Energieerhaltung ableiten?

    5. Thermodynamik: Den von Matthias Bartelmann angebrachte Vergleich mit dem Fahrradreifen finde ich etwas problematisch. Das Universum ist ein isoliertes, geschlossenes System aus der Sicht der Thermodynamik. Der Fahrradreifen, bei dem das Ventil geöffnet und die Luft abgelassen wird ist dagegen ein thermodynamisch offenes System. Der Vergleich hinkt also meiner Meinung nach.

    Andererseits ist in der Thermodynamik für isolierte, geschlossene Systeme die Energie per Definition eine Erhaltungsgröße. Eine Verletzung der Energieerhaltung der Gesamtenergie des Universums müsste daher also auf Physik jenseits des Standardmodell der Kosmologie (ΛCDM-Modell) und auch jenseits der Thermodynamik hindeuten.

    Abschließend noch eine Frage, die vielleicht etwas außerhalb des Themas liegt, aber doch mit der kosmischen Expansion zusammenhängt.
    1. Ist die kosmische Expansion homogen oder expandiert der Raum in der Nähe von Massen anders als "in der Leere" zwischen den Galaxien?
    Im Sinne der von Matthias Bartelmann erwähnten "lokalen" Energie-Impuls-Erhaltung der ART müsste doch die Expansion homogen sein, da auch die kosmische Rotverschiebung homogen ist.
    2. Die kosmische Expansion ist ja auf kurzen Maßstäben (z.B. intra-galaktisch) nicht beobachtbar, da hier die Gravitation die Massen zusammenhält. Auf kosmischen Skalen dagegen entfernen sich die Galaxien voneinander. Das verstehe ich aber nicht, da die Gravitation unendliche Reichweite besitzt. Wie "klein" muss denn die Gravitation werden, damit die Expansion des Universums gegen die Graviationsanziehung zwischen den Galaxien überwiegt? Geht das überhaupt oder braucht es dazu eine Art von "Reibung" zwischen Raum und Massen, damit die Massen von der Expansion gegen eine noch so kleine Gravitation "mitgeschleift" werden?

    Soweit meine Anmerkungen und Fragen zu dem Beitrag. Ich würde mich freuen, wenn die eine oder andere Anmerkung vielleicht in einem der kommenden Videos aufgegriffen wird.

    Viele Grüße
    Lego