Astronomie & Physik
Verliert das Universum Energie?
Früh lernt jeder Physikstudent den Energieerhaltungssatz: Die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems bleibt konstant. Doch das Universum als Ganzes scheint dieses Grundgesetz zu verletzen.
Kehren wir einmal kurz der Erde den Rücken und wenden uns dem Weltall zu. Fast alle Informationen über den fernen Weltraum gewinnen wir in Form von Licht, das auf seinem langen Weg von fernen Galaxien durch das expandierende Universum eine Rotverschiebung erfährt; die elektromagnetischen Wellen werden gemäß Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie gestreckt. Doch wir wissen: Je größer die Wellenlänge, desto kleiner die Energie. Das wirft die Frage auf, wohin die Energie verschwindet, wenn das Licht durch die kosmische Expansion röter wird. Geht sie verloren - und verletzt damit das Erhaltungsprinzip?
Wie die moderne Physik zeigt, geraten viele unserer Grundannahmen ins Wanken, wenn wir uns aus dem vertrauten Alltag in extreme Bereiche von Zeit und Raum hinauswagen


Tamara M. Davis promovierte 2004
an der University of New South
Wales in Sidney (Australien). Sie
forscht an der University of Queensland
in Brisbane (Australien) und
ist außerordentliche Professorin an
der Universität Kopenhagen. Sie
arbeitet mit großen astrophysikalischen
Datenmengen, um Aufschluss
über das Wesen von Dunkler Materie
und Dunkler Energie zu gewinnen.
Sie wurde mit dem Early Career
Researcher Award der Astronomical
Society of Australia und dem Women
in Science Award for Australia der
UNESCO ausgezeichnet.
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1. Dopplereffekt und Rotverschiebung
25.10.2010, Sauerwein, Ernst, MünchenWas mich verwirrt, ist, dass die Autorin die durch die Expansion verursachte Rotverschiebung auf die gewöhnliche Rotverschiebung für den Fall, dass sich Sender und Empfänger voneinender wegbewegen, zurückführt.
In SdW 5/2005, Artikel 'Der Urknall - Mythos und Wahrheit',
http://www.spektrum.de/artikel/837892 (einem Highlight von SdW!) heißt es auf Seite 45 unter 'Warum gibt es eine kosmische Rotverschiebung? aber':
"Die kosmologische Rotverschiebung unterscheidet sich von
derjenigen, die der Doppler-Effekt hervorrufen würde."
Auch in Wikipedia sind verschiedene Beziehungen wiedergegeben. Artikel:
Dopplereffekt, Rotverschiebung und en:Redshift.
Leider ist mir das Problem damit bisher auch noch nicht ganz klar geworden ...
2. Doppler- und kosmologische Rotverschiebung streng verschieden
25.10.2010, Manfred Lichtinger, StraubingEine Variante eines solchen (unendlich großen) Universums ist das heute nur noch wenig bekannte Milne-Universum, in dem es keine Bewegungen mit ÜLG und keine Raumexpansion gibt. Dieses Modell basiert nur auf der SRT und lässt die ART außen vor. In ihm gibt es eine Längenkontraktion (Galaxien rücken mit zunehmender Entfernung immer näher zusammen), so dass die Gesamtzahl der Welteninseln trotz der Tatsache, dass der Raum einen Rand bei 13,7 Mrd. LJ Entfernung besitzt, unendlich wird. Dieses Modell lässt sich auf ein allgemein-relativistisches transformieren, in dem der Raum expandiert, die Galaxien im Mittel konstanten Abstand besitzen und Bewegungen mit ÜLG möglich sind.
3. Warum Dopplereffekt?
28.10.2010, Wolfgang Illig, RuppertsgrünAuch ist nach meiner Ansicht die Aussage nicht korrekt, dass "die Raumzeit des Universums in genügend kleinen Bereichen annähernd flach ist". Richtiger müsste man schreiben, dass man in jedem Raumzeitpunkt ein geeignetes Koordinatensystem wählen kann, indem lokal keine Gravitation herrscht (Flachheit) und somit die SRT gilt. Im Allgemeinen ist das so zu wählende Koordinatensystem von Raumzeitpunkt zu Raumzeitpunkt verschieden, so dass man nicht einfach viele kleine flache Umgebungen auf der Trajektorie aneinanderreihen kann (denn gerade im Unterschied der benachbarten, auf Flachheit transormierten, Koordinatensysteme sind die Krümmungseigenschaften dann versteckt). Mit dieser Argumentation könnte man sonst auch begründen, dass eine global gekrümmte Raumzeit flach ist. Für mich gab und gibt es kein Rätsel um den Energieverlust. Die Energie ist in der ART nicht eindeutig definiert und ein entsprechender globaler Erhaltungssatz existiert nicht. Und dies - wie vieles andere auch - ist im Artikel klar beschrieben. Warum also Dopplereffekt?
Ich hatte gehofft, im Artikel etwas Neues darüber zu erfahren, ob sich wenigstens in unserem sichtbaren Teil des Universums Energie auf Grund der Tatsache eindeutig definieren läßt, dass der kosmische Mikrowellenhintergrund eigentlich ein ausgezeichnetes Bezugssystem (Ruhesystem) definiert.
4. Rotverschiebung: Doppler oder Expansion?
08.11.2010, Peter Wüst, ÜberlingenFür größere Werte von z gilt das nicht mehr. Für welche der beiden Vorgehensweisen man sich entscheiden sollte, siehe auch der Leserbrief von Wolfgang Illig.
Was mich noch gestört hat war die Grafik auf Seite 29 "Galaktische Rotverschiebung als Dopplereffekt". Die Darstellung des Sachverhaltes in einem Raumzeitdiagramm, mit der Trajektorie der Galaxie, die das Licht zu uns zurückgeschickt hat, mit der Trajektorie des Beobachters und der des Photons (Rückblicklichtkegel) ist wirklich die hierfür passende Darstellung.
Man muss sich allerdings entscheiden, aus welcher Perspektive man die Verhältnisse zeigt. Nicht nur aus didaktischen Gründen ist es empfohlen, dazu die Perspektive des Beobachters einzunehmen. Dann aber ist die Zeitachse des Raumzeitdiagramms identisch mit der Trajektorie des Beobachters, steht senkrecht auf der "Raumebene". Und die Geschwindigkeit des Beobachters in der Raumzeit ist dann gleich NULL!
Mit Verlaub, ich werde mich nicht wieder mit Doppler als Erklärungsmodell für die kosmologische Rotverschiebung anfreunden, auch nicht mit der im Artikel darauf sich gründenden Erklärung dafür, dass im expandierenden Universum keine Energie verloren geht.
5. Mal eine Frage
08.11.2010, Olaf Schlüter, BaldhamDeswegen war ich beim Lesen des Artikels sehr verwundert. Ist die Autorin jetzt sehr viel schlauer als ich (wahrscheinlich) oder hat sie sich in der dualen Natur elektromagnetischer Wellen verzettelt?
6. Braucht Expansion Energie?
17.11.2010, Sven Fehrenbach, FurtwangenDies alles im Bewusstsein der Tatsache, dass man immer noch nicht weiß, woraus sich diese dunkle Energie zusammensetzt.
7. Doppler, Expansion, Energie: Artikel mehrfach problematisch
09.12.2010, Peter Huber, NürtingenDas hat alles aber gar nichts mit der Frage nach dem Energiegehalt des Universums zu tun. Hier hilft in der Tat ART nicht unmittelbar weiter. Ob das Universum nun endlich oder unendlich sei - man kann getrost davon ausgehen, dass dessen Gesamtenergie erhalten bleibt (sonst wäre es kein Universum, sondern nur ein Teil davon) und dass der Energieverlust der Photonen anderswo wettgemacht wird. Kandidaten gibt es einige, etwa die hypothetische "Dunkle Energie" (oder unverfänglicher: die beschleunigte Expansion).