Warum expandiert das Universum beschleunigt ?

Welche Rolle spielt die Strukturbildung?

Was ist Dunkle Energie?

Es liegt im Wesen des Erkenntnisstrebens,

daß man die Einfachheit und Sparsamkeit

der Grundhypothesen anstrebt. 

                                                        

                                                     Albert Einstein (1879-1955)

Seit 1998 zeigte sich durch Messungen an Supernovae in sehr fernen Galaxien, dass sich das Universum seit etwa 5 Milliarden Jahren räumlich immer schneller ausdehnt. Wie ist das zu verstehen, wo doch Gravitation eine anziehende "Kraft" ist?

 

Schon um 1990 verfolgte der damalige Direktor des Instituts für Astrophysik der Universität Bonn, Wolfgang Priester (1924 - 2005), die Idee, dass eine seltsame Vakuumenergie die Expansion des Universums immer schneller machen könnte. Die Hypothese war eine Erweiterung der alten Idee von Albert Einstein, der eine sogenannte "Lambda - Konstante" eingeführt hatte, um unter dem Einfluß der anziehenden Gravitation ein statisches Universum zu  gewährleisten. Der Abbe Georges Lemaitre (1894 - 1966) hatte diese Konstante auch für expandierende Universen in Betracht gezogen, was Einstein zunächst ablehnte. Die Idee eines statischen Universums war aber spätestens 1929  überholt, nachdem die Expansion des Universums durch empirische Messungen offenbar wurde.

 

Für mich persönlich war damals die Wiedereinführung dieser "abstoßenden Gravitation" nicht sehr überzeugend, da die physikalische Natur dieser "Vakuumenergie" mysteriös blieb ("Dunkle Energie"; "Dunkle Kraft"). Doch Wolfgang Priester verfolgte diese Hypothese weiter und versuchte, sie durch empirische Daten (Lyman - Alpha - Wald) mit seinen Mitarbeitern zu bestätigen. Mit Wehmut erinnere mich noch daran, wie er eines Morgens, es war wohl um 2000, an meinem Büro vorbeikam und mir eine alte Arbeit vorlegte mit der Bemerkung, dass mit den neuen Messungen der Supernovae - Gruppen in USA und Australien von 1998 seine älteren Spekulationen und Auswertungen wieder hoch aktuell seien.

 

Erst nach seinem plötzlichen Tod 2005 erlebte ich eine Art geistiger Morgendämmerung für die beschleunigte Expansion des Universums. Mit einem Schlag wurde mir klar, dass dieser dynamische Beschleunigungseffekt vielleicht  gar nichts mit "Vakuumenergie" zu tun hat, sondern einfach  mit der Strukturbildung von Galaxienhaufen und kompakten Superhaufen zusammenhängt - eine alte Idee, die - noch etwas sehr undeutlich - der Harvardprofessor David Layzer um 1963 vertrat (Layzer - Irvine Gleichung). Und genau hier begann nun meine Leidenschaft für Kosmologie. Leider zu spät, denn mit Wolfgang Priester konnte ich mich nun nicht mehr unterhalten....

Geistiger Modellbau ist das Geheimnis des wissenschaftlichen Fortschritts

 

Max Planck (1858-1947)

Expandierender Ring ohne Strukturbildung für vier Zeitpunkte. Farben sollen abnehmende Temperaturen andeuten.

Ein idealisiertes eindimensionales Modell für ein expandierendes Universum ist ein Teilchenring, der sich in einen leeren Raum ausdehnt (rechtes Bild). Dieses Problem läßt sich mit Newtonscher Dynamik behandeln, da relativistische Effekte sekundärer Natur sind (Newtonsche Kosmologie).  Solange die Teilchen an ihren Polygonplätzen fest verankert sind, gleicht die Bewegungsgleichung des Ringes derjenigen von Friedmann - Lemaitre für ein homogenes Universum ohne Lambda - Term. Die Expansion des Teilchenringes wird mit der Zeit immer langsamer. Strukturbildung findet nicht statt. 

Expandierender Ring mit Paarbildung für vier Zeitpunkte. Farben deuten wieder abnehmende Temperatur an.

Ganz anders ist die dynamische Situation, wenn der expandierende selbstgravitierende Ring auch noch Strukturbildung zeigt - hier eine Paarbildung (Besetzungszahl im Ring muß durch 2 teilbar sein). Zusätzlich zur Gravitation, die den Ring abbremsen will, tritt jetzt eine Zentrifugalkraft hinzu, die ihn auseinandertreiben will. Gravitationsfelder und Zentrifugalfelder werden ununterscheidbar - genau so, wie es die Relativitätstheorie von Einstein fordert. Expansion und Strukturbildung können nicht mehr getrennt betrachtet werden. Die radiale Beschleunigung wird in diesem "Ringkosmos" bei der singulären "Paarkollision" sogar unendlich, aber nur für eine "unendlich"  kurze Zeitdauer!

 

Der expandierende Teilchenring mit Paarbildung ist somit für eine kurze Zeit in der Lage, sich am eigenen Schopf aus dem Sumpf zu ziehen! (Münchhauseneffekt; im Amerikanischen: pull oneself over a fence by one's bottstraps).

 

Dunkle Materie - ein Hirngespinst ?

Sind die Probleme "Dunkle Materie" und "Dunkle Energie" ursächlich miteinander verknüpft?

Wenige sind imstande, von den Vorurteilen
der Umgebung abweichende
Meinungen gelassen auszusprechen;
die Meisten sind sogar unfähig,

überhaupt zu solchen Meinungen zu gelangen. 

 

Albert Einstein (1879-1955)


Expandierendes kubisches Gitter zu Beginn der Oktettbildung

Eine realistische Erweiterung des Ringkosmos ist das Modell eines expandierenden 3D - Kosmos mit einem primitiv - kubischen Gitter (siehe linkes Bild). Zu Beginn besetzen alle Teilchen ihre regulären Gitterplätze. In jeder zweiten Elementarzelle soll nun ein Oktettkollaps von "Galaxien" stattfinden. Die gravitative Energiedichte wird jetzt in der Zeitentwicklung auf die Raumexpansion und die Strukturbildung (Ordnungsparameter)  unterschiedlich verteilt. 

Expandierendes kubisches Gitter mit fortgeschrittener Oktettbildung

Im linken Bild ist der Oktettkollaps schon weit fortgeschritten. Für das expandierende strukturbildende Gitter kann man eine Layzer - Irvine Gleichung und eine Energiegleichung formulieren, aus der ein sogenannter w - Parameter (Zustandsgleichung) abgeleitet  werden kann. Die Newton'sche Gravitationstheorie liefert für diesen Zustandsparameter den Wert w = -2/3, die Beobachtungen aus der beschleunigten Expansion des Universums (Nobelpreis Physik 2011)  deuten aber eher auf w = -1. Dieser Widerspruch kann nicht durch Hinzufügen "Dunkler Materie" behoben werden, da auch zusätzliche nur gravitativ wirkende "dunkle" Materie den Newton'schen Wert des  w - Parameters von w = -2/3 nicht ändern kann. Es sieht vielmehr so aus, als ob die Poissongleichung der Dichtefluktuationen im Universum nicht - Newtonisch renormiert werden muß - ein klassisches  Renormierungsproblem der nichtlinearen hyperbolischen Einsteinschen Feldgleichungen!

 

Die metrische Renormierung hat zur Folge, daß die Dichtekontrastfunktion linear proportional mit der kosmischen Zeit t anwächst, also nicht mit der Zeit t hoch 2/3, wie in der Standardkosmologie mit Newtonscher Gravitation berechnet. In einem durch Strukturbildung beschleunigt expandierenden Universum wachsen also Galaxienhaufen wesentlich schneller als im Standardmodell an.

 

"Dunkle exotische Materie" im Sinne des Standardmodelles sollte es somit im Universum nicht geben!  Und die sogenannte "Dunkle Energie" ist nichts anderes als die durch Strukturbildung transformierte Gravitationsenergie. Die Theorie des w - Parameters mit Hilfe der Layzer - Irvine Gleichung kann - im Sinne Karl Poppers - als Falsifikation des kosmologischen Standardmodelles angesehen werden.

 

Ob auch die anomalen Rotationskurven von Galaxien durch eine metrische Renormierung auf intergalaktischen  Skalen erklärt werden können, muß die Zukunft zeigen. Es liegt hier zumindest der Verdacht nahe, dass auf mittleren und großen kosmischen Längenskalen  physikalische Phänomene wie die konstanten Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien durch die Wirkung der Massen im gesamten Universum hervorgerufen werden (Machsches Prinzip; Entstehung der Trägheit; Sciama: "On the origin of inertia" 1953).

 

Die Newtonsche Gravitation, die sich in unserem Sonnensystem  so hervorragend bewährt hat, kann als lokale "weak field" Näherung der Einstein'schen Theorie  in der Umgebung von Galaxien und innerhalb von Galaxienhaufen  nicht mehr die richtige Antwort sein. Hier liegt ein dunkles Paradoxon verborgen....

 

Astronomie bleibt so auch nach Jahrtausenden unveränderlich: Es gibt die "Ptolemäer" oder - frei nach Friedrich  Schiller  - die  "Brotgelehrten", die an Epizyklen ("Dunkle Materie", "Dunkle Energie") glauben und immer neue unsichtbare Mysterien (Götter; Multiversen) erfinden; es gibt aber auch eine kleine Minderheit von "Denkern" oder "philosophischen Geistern", die in der Natur nach  tieferen ursächlichen Beziehungen der Dinge suchen. Die heutigen  "Brotgelehrten" sind meistens interessiert an Universitätsgeldern, internen Seilschaften, Sonderforschungsbereichen und dem Management von Großprojekten mit großen Geldmengen ("Big Science"), aber sehr selten  sind sie interessiert an der Frage - um jetzt frei mit J.W. Goethe zu reden -, was die Welt im Innersten antreibt und zusammenhält. Denn in der Wissenschaft, Kunst und Philosophie gilt die Erkenntnis, dass der Teamgeist Feind des Geistes ist.

 

Der Astrophysiker Simon White konstatierte 2007 in einem erstaunlich offenem Interview (für einen MPI - Direktor): Die "Dunkle Energie" gefährdet die Kultur der astronomischen Forschung Und etwas später fällt dann der noch wichtigere Satz: Wenn Großprojekte die Astronomie dominieren, werden kreative Forscher das Fach verlassen... Diesen Worten ist wenig hinzuzufügen..


Wenn es nach mir ginge, würde ich lieber erfahren, dass Newtons Gesetze geändert werden müssen, um die Schwerkraftwirkung bei großen Distanzen korrekt zu beschreiben. Das ist ansprechender als ein Universum, erfüllt mit einer neuen Art subatomarer Teilchen.

 

Vera Rubin (1928-2016)

(Trägerin der Bruce - Medaille und der Goldmedaille der RAS)

The Cosmos is all that is or ever was or ever will be.

                                                                                      

       C.E. Sagan (1934 - 1996)

Warum expandiert das Universum beschleunigt ?
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Wenn Du ein Problem erkannt hast und nichts zur Lösung beiträgst, wirst Du selbst ein Teil des Problems!

 

 Alte Indianerweisheit


Albert Einstein (1879 - 1955) in Auszügen aus seiner berühmten Rede am 5. Mai 1920 an der Universität Leiden:



 

...Anderseits läßt sich aber zugunsten der Ätherhypothese ein wichtiges Argument anführen. Den Äther leugnen bedeutet letzten Endes annehmen, daß dem leeren Raume keinerlei physikalische Eigenschaften zukommen. Mit dieser Auffassung stehen die fundamentalen Tatsachen der Mechanik nicht im Einklang. Das mechanische Verhalten eines im leeren Raume frei schwebenden körperlichen Systems hängt nämlich außer von den relativen Lagen (Abständen) und relativen Geschwindigkeiten noch von seinem Drehungszustande ab, der physikalisch nicht als ein dem System an sich zukommendes Merkmal aufgefaßt werden kann. Um die Drehung des Systems wenigstens formal als etwas Reales ansehen zu können, objektiviert Newton den Raum. Dadurch, daß er seinen absoluten Raum zu den realen Dingen rechnet, ist für ihn auch die Drehung relativ zu einem absoluten Raum etwas Reales. Newton hätte seinen absoluten Raum ebensogut Äther nennen können; wesentlich ist ja nur, daß neben den beobachtbaren Objekten noch ein anderes, nicht wahrnehmbares Ding als real angesehen werden muß, um die Beschleunigung bzw. die Rotation als etwas Reales ansehen zu können.

 

...Zusammenfassend können wir sagen: Nach der allgemeinen Relativitätstheorie ist der Raum mit physikalischen Qualitäten ausgestattet; es existiert also in diesem Sinne ein Äther. Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie ist ein Raum ohne Äther undenkbar; denn in einem solchen gäbe es nicht nur keine Lichtfortpflanzung, sondern auch keine Existenzmöglichkeit von Maßstäben und Uhren, also auch keine räumlich-zeitlichen Entfernungen im Sinne der Physik. Dieser Äther darf aber nicht mit der für ponderable Medien charakteristischen Eigenschaft ausgestattet gedacht werden, aus durch die Zeit verfolgbaren Teilen zu bestehen; der Bewegungsbegriff darf auf ihn nicht angewendet werden.

 

Ein Sagnac-Interferometer ist ein Interferometer, das es ermöglicht, Rotationen absolut zu messen (Ring-Laser). Es ist das optische Gegenstück zum Foucault'schen Pendel. Doch relativ zu welchem System mißt man hier die Rotation? Zum kosmischen Kompaß der Trägheit? - zum kosmischen Äther? Aussagen zur Existenz eines Äthers bleiben widersprüchlich - weil bei Translation (Michelson-Morley-Versuch) volle Mitführung des Äthers durch die Erde stattfinden müßte, bei Rotation (Michelson-Gale-Versuch) hingegen der Äther relativ zum kosmischen Hintergrund ruhen müßte.

A scientist commonly professes to base his beliefs on observations, not theories...I have never come across anyone who carries this profession into practice...Observation is not sufficient...theory has an important share in determining belief.

 

Sir A. Eddington (1882-1944)



Aktuelles

kritisch betrachtet

Was der Autor A. Unzicker bei Telepolis in seinem Artikel "Die Dunkle Energie ist tot - es lebe Einstein" vom 25. Oktober 2016 schreibt, kann man nur als peinlich bezeichnen. Der von Unzicker zitierte Text negiert keineswegs die beschleunigte Expansion. Schon ein expandierender  Newtonscher  N-Teilchenring erfährt kurzfristig eine beschleunigte Expansion, wenn eine symmetrische Paarbildung einsetzt. "Dunkle Energie" ist hier nichts anderes als Gravitationsenergie. Von der Shapiro - Laufzeitverzögerung von Lichtsignalen hat der Autor wohl noch nichts gehört.  Seine Bezugnahme auf einen Artikel  Einstein's von 1911 zeugt von Halbwissen und Halbwahrheiten. Der "krawallartige" Artikel von A. Unzicker dient nicht der kritischen  Aufklärung an einigen Aspekten der heutigen Kosmologie, sondern  verwirrt den Laien vollständig und macht den Autor selber immer unglaubwürdiger.   

Hinweise auf eine angebliche Phase der "Inflation" im frühen Universum zerfallen zu Staub: Im März 2014 veranstaltete ein Team um den Harvard Astronomen J. Kovac (BICEP2) für eine völlig übereilte propagandistische Pressekonferenz (schon einen Tag vorher als  Sensation angekündigt!): Man hat in der Hintergrundstrahlung des Universums Signaturen einer Polarisation entdeckt, die angeblich eindeutig auf Gravitations-wellen in einer Inflationsphase des frühen Universums schließen lassen. Der eigentliche Skandal ist, daß man die Daten fast ausschließlich durch MIE-Streuung von Mikrowellen an inter-stellaren Staubteilchen erklären kann und muss -  und genau daran hatte das "Team" bei der Auswertung nur sehr unzulänglich gedacht! Ein aggessiver Versuch, die Öffentlichkeit durch Sensation zu täuschen und eine nicht überprüfbare (nicht falsi-fisierbare) Theorie (Inflations - Hypothese) salonfähig zu machen. Der Citation-Index dieser Veröffentlichung ist inzwischen wesentlich höher als ihr Widerruf. Die Raffgier nach Forschungs-geldern und Nobelpreisen treibt auch in der Wissenschafts - Industrie  immer bizarrere Blüten...

Nachweis angeblich überall im Universum vorhandener DUNKLER MATERIE gescheitert! Das bis jetzt empfind-lichste Experiment LUX in Sanford/South Dakota USA konnte in einer ersten Phase Ende Oktober 2013 keine WIMPs - Teilchen feststellen, die angeblich einen großen Teil der angeblich existierenden Dunklen Materie ausmachen sollen. Alle früheren angeblichen Nachweise sind somit fehlerhaft gewesen. Ein sehr wichtiges, schönes und befriedigendes Resultat "Die Sekte der Gläubigen an die "Dunkle Materie", die sich selber als alternativlos ansieht,  bleibt so weiter in der Krise.  Hauptsache ist, der Rubel rollt und irgendwelche unkritischen Journalisten predigen fest die Dogmen den Gläubigen. Ob  so weiterhin der von Teilchenphysikern  geschürte "Big Science" Teilchen-Lobbyismus  mit der platten Devise - Wir verstehen nichts, können aber alles erklären - das vorherrschende Dogma bleiben wird, wissen nur die Sterne...