Kosmologie
Der kosmische Ursprung des Zeitpfeils
Zu den grundlegenden Tatsachen unseres Lebens gehört, dass die Zukunft anders aussieht als die Vergangenheit. Doch unter kosmologischen Gesichtspunkten ist diese Asymmetrie der Zeit vielleicht nur ein lokales Phänomen.
Sean M. Carroll ist als Physiker am
California Institute of Technology
tätig. Er forscht auf den Gebieten
Kosmologie, Teilchenphysik und
allgemeine Relativitätstheorie, mit
dem Schwerpunkt Dunkle Energie.
Für seine Forschungs- und Lehrtätigkeit
wurde er mehrfach ausgezeichnet,
unter anderem mit dem
Graduate Student Council Teaching
Award des Massachusetts Institute
of Technology. Außerdem hat er
sich durch seine Beiträge zum
Weblog »Cosmic Variance« einen
Namen gemacht.Wohlgemerkt, das kosmologische Standardmodell beschreibt unerhört erfolgreich, woraus das Universum besteht und wie es sich entwickelt. Vor ungefähr 14 Milliarden Jahren war der Kosmos heißer und dichter als das Innere eines Sterns. Seither expandiert das All, kühlt sich ab und verliert an Dichte.
Dieses Modell erklärt zwar praktisch jede bisher gemachte Beobachtung, doch eine Reihe ungewöhnlicher Eigenschaften vor allem des frühen Universums lässt uns vermuten, dass wir die Geschichte noch nicht ganz verstehen…
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1. Entropiezeitpfeil und Kausalität
25.07.2008, Daniel KirchmannDie Argumentation lautet folgendermaßen:
Angenommen der Entropiezeitpfeil ist die alleinige Ursache der Ursache-Wirkung-Kausalität, so müssen bei seiner Abwesenheit wegen der zeitlichen Symmetrie der Naturgesetze zeitgerichtete Vorgänge mit gleicher Wahrscheinlichkeit (d.h. genauso oft) in Richtung der Zukunft wie in Richtung der Vergangenheit auftreten.
Konkret gesprochen:
In einem chemischen Gleichgewicht einer Flüssigkeit (in der kein Entropizeitpfeil eine zeitliche Richtung vorgibt, weil die Gesamt-Entropie unverändert konstant bleibt) müssen tri-molekulare Stöße zwischen Teilchen mit gleicher Wahrscheinlichkeit in Richtung der Zukunft wie in Richtung der Vergangenheit stattfinden. Die Reaktion A-B + C --> A + B + C muss unter dieser Voraussetzung also genauso oft auftreten wie die zeitlich umgekehrte Reaktion A + B + C --> A-B + C .
Nun erscheint die letztere Reaktion unter der gewohnten Voraussetzung der Kausalität allerdings viel unwahrscheinlicher, weil man normalerweise Wahrscheinlichkeiten nur in Richtung der Zukunft anwendet. Es erscheint ja unwahrscheinlicher, dass sich 3 Teilchen in einem Punkt zugleich treffen, als dass sich 2 Teilchen zugleich in einem Punkt treffen.
Gerade diese Annahme darf man allerdings nicht treffen unter der Voraussetzung, dass der Entropiezeitpfeil die alleinige Erklärung für die (gerichtete) Kausalität ist, sprich für die exklusive Anwendung der Wahrscheinlichkeitsgesetze in Richtung der Zukunft (nebenbei bemerkt zeigt dies nach meiner Ansicht einen inneren Widerspruch dieser Hypothese auf, denn die statistischen Gesetze der Thermodynamik auf die Vergangenheit angewendet machen die völlig falsche "Nachhersage" eines Wärmetodes auch in der Vergangenheit - worauf bereits Penrose hingewiesen hat. Der Entropiezeitpfeil setzt also eine gerichtete Kausalität bereits voraus, sprich dass diese Gesetze nur in Richtung der Zukunft angewandt werden können).
Wie dem auch sei, so lässt sich die Entropiezeitpfeil-Hypothese (eventuell) experimentell überprüfen. Ist sie nämlich wahr, so finden in einer (geeigneten) Flüssigkeit weit mehr Reaktionen der Form A + B + C --> A-B + C statt (nämlich genau so viele Reaktionen wie die umgekehrte: A-B + C --> A + B + C), als eigentlich zu erwarten wären.
Wenn sich dies messen lässt, so könnte man diese alte Frage auch endlich einmal experimentell entscheiden.
2. Woher weißt du?
26.07.2008, Reiner Vogels, SwisttalWenn ich unsere Welt betrachte, bin ich fasziniert von ihrer klaren und gerade in ihrer mathematischen Einfachheit beeindruckend schönen Ordnung. Ich verweise nur darauf, dass für das mathematische Verständnis des Periodensystems der Elemente die Fähigkeiten ausreichen, die am Ende der 4. Klasse der Grundschule erreicht werden, und dass für das Verständnis des Formelwerks der Relativitätstheorie das mathematische Abiturwissen genügt.
Angesichts dieser Tatsache ist in meinen Augen die Annahme, dass die mit mathematischer Intelligenz aufgebaute Welt auf einen intelligenten Schöpfer zurückgeht (der von Mathematik sogar noch mehr versteht als menschliche Genies wie z.B. Pythagoras und Gauß), sehr viel plausibler als die Spekulationen Carolls über die vermeintliche Vorgeschichte unseres Universums. Beweisbar bzw. falsifizierbar im Sinne Poppers sind weder die Annahme eines Schöpfers noch die Spekulationen Carrolls, die Annahme eines Schöpfers erfordert m. E. aber sehr viel weniger Glaubenskraft, sehr viel weniger "credo, quia absurdum" - "Ich glaube, weil es absurd ist", als der Aufsatz Carrolls.
3. Entropie und Mikrozustände
29.07.2008, Sven Lange,Chemnitz"Übrig bleibt ein praktisch leeres Universum. ... Doch in Wirklichkeit enthält der leere Raum unzählige Zustände: die mikroskopischen Quantengravitationszustände der Raumstruktur."
Evtl. vergleiche ich ja Äpfel mit Eiern statt mit Birnen, aber könnte es sein, dass die Mikrozustände im fast unendlich dichten Zustand, kurz nach dem Urknall und noch vor der "Inflation", durch die "Vorstufe" der Gravitation synchronisiert (verschränkter Quantenzustand?) sind(niedrige Entropie) und diese "Vorgravitation" das abstoßende Inflatonfeld ist? Das Ende der Inflation ist durch selbstbegrenzenden Symmetriebruch bei einem Mindestabstand oder einer Mindest-"expansionsgeschwindigkeit" der Quantenfluktuationen("Entschränkung"?) gegeben. Ähnlich dem Horizont des Mikrowellenhintergrundes, für den Zeitpunkt, an dem das Universum transparent wurde. Eine "Entschränkung" findet aber auch weiterhin statt. Und somit eine Zunahme der Entropie. Das Ende der Inflation ist der Beginn der Gravitation, wie wir sie heute beschreiben.
Unser sichtbares Universum ist in diesem "Inflationshorizont" enthalten. Was derzeit als beschleunigte Expansion dikutiert wird könnte die Auswirkung des "anderen" Endes der übergeordneten Struktur sein, welche sich sozusagen "zusammenzieht" und an unserem sichtbaren Universum zerrt. Die Entropie schwingt von einem "Ende" der Struktur zum anderen, ohne dass sie insgesamt expandiert oder schrumpfen muss. Der "Gesamtinhalt" bleibt gleich. Allerdings verändert sich die eingebettete Raumzeit. Irgendwann wird sich durch die beschleunigte Expansion auch die kürzeste Entfernung mit Lichtgeschwindigkeit vergrößern - die Zeit hört auf zu existieren - sämtliche Information ist ausgelöscht - welche Entropie ist das? - Findet hier ein Phasenübergang der Gravitation statt? - Fällt an diesem Punkt die Struktur ihrem anderen Ende entgegen und bildet eine umschwingende Schleife?
4. Multiuniversen
29.07.2008, Christian LamprechtIch bin zwar selbst kein Erkenntnistheoretiker, aber ich dachte doch, dass gerade in der Beschränkung auf messbare Größen und der Forderung, dass wissenschaftliche Thesen falsifizierbare Konsequenzen haben sollten, eine der Grundlagen der erfolgreichen modernen Naturwissenschaft liegt. Wenn man dies hier anwendet, so bleibt von allen Multiuniversumstheorien nicht mehr übrig als ein netter metaphysischer Überbau für die bekannten Naturgesetze, der aber auch nicht wirklich zufriedenstellt.
Wenn man auf der einen Seite sehr engagiert gegen alle Versuche weltanschaulicher Gruppen kämpft, die Naturwissenschaften zu vereinahmen (Stichwort Intelligent Design), dann sollte man auch kritisch gegenüber Artikeln bleiben, die zu viel spekulativen Überbau als harte Naturwissenschaft verkaufen.
Ich persönlich halte es in solchen Fragen nach den letzten Ursachen des Universums mit dem Philosophen Witgenstein: "Die Lösung des Rätsels des Lebens in Raum und Zeit liegt außerhalb von Raum und Zeit."
5. Wie war das mit dem 2. Hauptsatz?
01.08.2008, Dr. Hans-Joachim Stortnik, Kirchdorf am InnAusgangspunkt für meine Einwendung ist der Beitrag "Das kosmische Vergessen", (Heft 5/2008, S. 24), der auch von S.M. Carroll zitiert wird. Danach wird durch die beschleunigte Expansion des Raums der beobachtbare Teil des Universums immer kleiner. Genauer: der Raum vermehrt sich zwar, aber der materielle Inhalt wird immer weniger und "dünner". Irgendwann sehen wir entfernte Galaxien nicht mehr und noch später verschwindet sogar auch der Andromeda-Nebel hinter dem kosmischen Horizont. Das heißt dann natürlich nicht, dass es diesen Teil des Universums dann nicht mehr gibt. Er ist nur unsichtbar, genau wie ein Schiff, das sich auf dem Ozean über den Horizont hinweg entfernt. Wie groß der "gesamte" Kosmos (bzw. das ganze Meer) ist, das hängt jedenfalls nicht davon ab, wie weit der Horizont reicht. Seine Gesamtgröße kann durch Beobachtungen innerhalb des Horizonts wohl nur sehr unsicher und indirekt ermittelt werden.
Betrachten wir die Zeit rückwärts, so erscheinen am kosmischen Horizont immer neue Strukturen, die zuvor nicht sichtbar waren. Zwar wird der beobachtbare Kosmos (in Kubikmetern gemessen) immer keiner, aber am Horizont erscheinen immer neue Strukturen, die in späterer Zeit hinter dem Horizont liegen und dann unsichtbar sind. Zu diesen Strukturen mag die "Dunkle Energie" gehören, die zu Zeiten, da der beobachtbare Kosmos 1 cm3 groß war, die physikalischen Erscheinungen (insbesondere die Inflation) bestimmt hat und von der heute nicht mehr so viel wie damals zu spüren ist.
Dies alles vorausgesetzt möchte S.M. Carroll Aussagen über den "Zeitpfeil" machen und bedient sich hierzu an zentraler Stelle seines Artikels des Begriffs der Entropie. Dieser Begriff ist für die Thermodynamik geschaffen und in diesem Rahmen wird er sehr erfolgreich verwendet, auch für technische Entwicklungen. Er ist verknüpft mit dem 2. Hauptsatz er Thermodynamik, der da lautet: Im abgeschlossenen System nimmt die Entropie stets zu.
Ich kann mir nun nichts vorstellen unter der Entropie des _beobachtbaren_ Kosmos, der jedenfalls nur ein kleiner Teil des "gesamten" Kosmos sein kann. Denn dieser Teil ist ja nicht konstant. Gehört die Materie, die den Andromeda-Nebel bildet, jetzt noch dazu, so wird er irgendwann nicht mehr dazugehören. Auch jetzt, in diesem Moment, verschwindet jede Sekunde irgendwelche Materie hinter dem kosmischen Horizont. Da kann von einem "abgeschlossenen System" ganz bestimmt nicht die Rede sein.
Mangels weitergehender Kenntnisse über das, was sich hinter dem kosmischen Horizont noch so alles verbirgt, und wie weit es da noch geht, kann man auch den "gesamten" Kosmos kaum als abgeschlossenes System ansehen - vielleicht ist er ja doch unendlich groß? Jedenfalls will mir eine Anwendbarkeit des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik und des Begriffs "Entropie" in der Kosmologie nicht recht einleuchten.
6. Heiße Luft und Entropie
03.08.2008, PD Dr. R. Göhring, HofheimDer Autor macht einige „merkwürdige“ Aussagen – um es vorsichtig auszudrücken – zum Thema frühes Universum und Entropie. Das frühe Universum war nach heute akzeptierter Erkenntnis, zumindest bis zum Zeitpunkt der Rekombination, im Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts und hatte damit einen hohen Wert an Entropie. Die Intensitätskurve der Hintergrundstrahlung ist ein beredtes Zeugnis davon. Wenn in der Folge durch die Gravitation Galaxien und Sterne gebildet werden, dann nimmt die Entropie ab und nicht, wie Carroll behauptet „in Übereinstimmung mit dem zweiten Hauptsatz“ deutlich zu.
Die Idee der Geburt verschiedener Universen als Fluktuation in einem unendlichen leeren Raum mit jeweils unterschiedlichen eigenen Zeitpfeilen ist keineswegs neu. Solch eine Idee brachte schon Ludwig Boltzmann vor (sein Artikel: „Zu Hrn. Zermolo’s Abhandlung: Über die mechanische Erklärung irreversibler Vorgänge“; Annalen der Physik, 60 (1897), 392-398). Boltzmann hatte sich mit dieser Theorie allerdings wissenschaftlich desavouiert. Man hat bei der Lektüre des boltzmannschen Artikels das Gefühl, dass dieser Carroll bekannt war, und dass das Ganze mit aktuellen Schlagworten – Dunkle Energie, Inflation, … - neu „aufgekocht“ wurde.
Carroll war mir bisher als Autor seriöser Veröffentlichungen, z.B. in den „Living Reviews in Relativity“, bekannt; dass er aber so etwas produziert, hat mich sehr erstaunt.
7. Unser Universum ein schwarzes Loch?
04.08.2008, Prof. Dr. Hermann Wätzig, BraunschweigDer Gedanke ist zugegebenermaßen kühn, und vielleicht gerade deshalb ansprechend. Unser Universum ein Schwarzes Loch? Ja, aber nur aus Sicht eines Beobachters im Mutteruniversum. Wie wir wissen, kommt es bei vielen Dingen auf den Standpunkt des Beobachters an. Für uns, deren Universum aus dem Schwarzen Loch hervorgegangen ist, ergibt sich im Inneren des Schwarzen Lochs ein ganz anders Bild: unser Universum.
Wir sind vom Mutteruniversum aus gesehen hinter dem Ereignishorizont, können also nicht beobachtet werden. Eine weitere Entwicklung im Tochteruniversum, also im Schwarzen Loch, lässt aber die Entropie weiter zunehmen, auch im Mutteruniversum.
Von „innen“ gesehen könnte der Urknall die Entsprechung der Entstehung des Schwarzen Loches sein. Wir erleben nun die weitere Zunahme der Entropie in „unserem Universum“. Wenn unser Universum in ferner Zukunft einen Zustand sehr hoher Entropie annimmt, passt es sich als Tochteruniversum wieder in den möglicherweise ebenso gearteten Gleichgewichtszustand des Mutteruniversums ein. Vom Mutteruniversum aus wird dies als Zerstrahlen unseres Schwarzen Loches wahrgenommen.
Vielleicht könnte dann Dunkle Energie Materiezufluss aus dem Mutteruniversum sein? Das wäre dann die einzige Möglichkeit, wie wir etwas vom Mutteruniversum erfahren können. Unterschiedlich ausgeprägte Expansionsphasen könnten Phasen unterschiedlichen Materiezuflusses sein.
Natürlich würde auch diese Spekulation keine Frage endgültig beantworten. Wäre denn dann unser Tochteruniversum dem Mutteruniversum ähnlich? Und wo käme dieses her? Wie vergeht dort die Zeit? Es ist das schöne an der Kosmologie, dass sie immer spannend bleibt.
8. Viele Fragen zur Entropie
06.08.2008, Dr. med. C.D. Kopetzky, Grossrosselnist, womit die Umkehrbarkeit des Zeitpfeils auch für das Ei bewiesen wäre. Daran zu zweifeln ist typisch menschlich: Ist es mein Frühstücksei, das zu Boden ging, tröstet es mich wenig, das zur gleichen Zeit auf einem entfernten Bauernhof neue Eier gelegt worden sind. Also
sind es allein meine Ungeduld und Frustration, die den Zeitpfeil unumkehrbar erscheinen lassen.
Nun darf ich einem beliebigen (makroskopischen) Zustand ein Maß an Entropie zuordnen. Ist dieses Maß jedoch relativ oder absolut definierbar? Ist dies über die Grenzen beliebiger offener oder geschlossener Systeme, Subsysteme und Systemelemente hinweg möglich und statthaft?
Gilt der 2. thermodynamische Hauptsatz auch für das "System" der vermutlich nur einen Zentimeter großen ultradichten und ultraheißen Geburtsmurmel unseres Universums?
Kann diese als geschlossenes System verstanden werden? Erfolgt schließlich deren Inflation auch in einem geschlossenem System? Können wir seine unterstellte Materie- und Energiedichte in (umgekehrter) Relation zu seiner Entropie setzen? Was verstehen wir in diesem
Zusammenhang unter "Ordnung"?
Weiterhin verbindet der Autor "die klumpige Verteilung von Sternen und Galaxien" mit einem Zugewinn an Entropie, also dem Verlust von "Ordnung". Hat demnach das heiße Gasgemisch, aus dem die Sterne und Planeten vermutlich entstanden, eine niedrigere Entropie als die komplex
strukturierten Galaxien? Wo liegen die Grenzen des geschlossenen Systems, in dem sie entstanden? Wie ist bei diesen Betrachtungen im universellen Maßstab die Dunkle Materie bei der Bemessung von niedriger und hoher
Entropie zu berücksichtigen?
Oder anders: besitzen die vollständigen, dicht gepackten, letzten Bestandteile einer Milbe eine niedrigere Entropie als diese? Ist schließlich die Entropie einer lebenden Milbe gleich der einer toten?
Die Zunahme der Entropie in einem geschlossenen System setzt eine statistisch uneingeschränkte Möglichkeit zur Wechselwirkung aller in ihm enthaltenen Elemente in beliebiger Zeit voraus.
Wann wird in einem expandierenden geschlossenen System auf Grund seiner abnehmenden Dichte die Grenze erreicht, ab der eine statistisch mögliche Wechselwirkung jedes Elementes mit allen Elementen - in der unserem Universum zugestandenen Existenzzeit - unwahrscheinlich, wenn nicht
unmöglich wird? Statt eines geschlossenen expandierenden Systems könnten dann unbekannt viele (offene?, geschlossene?) Systeme mit sehr unterschiedlichen Entropien beschrieben werden.