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. Im Jahre 2006  besuchte die Universität Bonn David Wiltshire von der Canterbury University (New Zealand). Für Ihn ist die beschleunigte Expansion des Universums ein "Scheineffekt", der mit der Allgemeinen Relativitätstheorie erklärt werden könne. Ich dagegen war gleich davon überzeugt, dass dieses Phänomen dynamisch real ist und aus logischen Gründen auch im Bild der Newtonschen Gravitation erklärbar sein muss.  Mit der Ausarbeitung dieser Idee wurde mir klar, dass dieser dynamische Beschleunigungseffekt nichts mit "Vakuumenergie" ("Quanteneffekten") zu tun haben könne, sondern einfach  mit der Verdichtung von Galaxienhaufen zu kompakten Superhaufen und Filamenten zusammen hängt - 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 auch für Kosmologie.

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 Modell (Toy Modell) für ein expandierendes geschlossenes  Universum ist ein eindimensionaler Teilchenring, der sich in einen "fiktiven" leeren Raum ausdehnt (rechtes Bild). Dieses Problem läßt sich mit Newtonscher Dynamik exakt behandeln, da relativistische Effekte sekundärer Natur sind (Newtonsche Kosmologie).  Solange die Teilchen an ihren Polygonplätzen fest verankert sind, haben sie keine Eigenbewegung im Ringkosmos und die Bewegungsgleichung des Ringes gleicht  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 (Gedankenexperiment an einem "toy - model") auch noch Strukturbildung zeigt - wie zum Beispiel eine Paarfusion (Besetzungszahl im Ring muß durch 2 teilbar sein). Zusätzlich zur Gravitation, die den Ring abbremsen will, tritt durch die Paarfusion eine Zentrifugalkraft hinzu, die ihn auseinandertreiben will. Eine notwendige Voraussetzung für eine kurzfristige beschleunigte Expansion besteht darin, dass die Differenz aus kinetischer Energie und der gravitativen  Energiedichte der Strukturbildung (Paarbildung) negativ wird. Dunkle Energie ist hier also die negative Gravitationsenergie der sich bildenden Strukturen.  Expansion und Strukturbildung können nicht mehr getrennt betrachtet werden. Die Gesamtenergie aus dem kinetischen Anteil der Rngexpansion und der Eigenbewegung der Ringteilchen ist dabei identisch der gravitativen Energie, die sich aus dem homogenen und dem inhomogenen Anteil zusammensetzt. Die radiale Beschleunigung wird in diesem "Ringkosmos" bei der singulären "Paarfusion" sogar unendlich, aber nur für eine "unendlich"  kurze Zeitdauer! Beschleunigte Expansion ist somit im Bild der Newtonschen Mechanik verständlich! Man benötigt dazu keine "Quantenfelder".

 

Der expandierende Teilchenring mit Paarfusion 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? Kann die Einführung von negativer Masse Alles oder Nichts erklären?

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 Oktettfusion 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 die Oktettfusion schon weit fortgeschritten. Für das expandierende strukturbildende Gitter kann man eine Layzer - Irvine Gleichung und eine Entropiegleichung formulieren, aus der ein sogenannter w - Parameter (Zustandsgleichung) abgeleitet  werden kann. Die Newton'sche Gravitationstheorie liefert für diesen Zustandsparameter zwei unterschiedliche Werte: den Wert w = -2/3 für ein expandierendes Universum mit heterogener Strukturbildung ("Big Bang"), oder den Wert w = +1 für ein expandierendes Universum mit sich auflösenden Strukturen ("Big Bounce").  Die Beobachtungen aus der beschleunigten Expansion des Universums (Nobelpreis Physik 2011)  deuten heutzutage  auf w <= -1, also eher auf einen "Big Bang". Der w - Parameter war im frühen Universum wahrscheinlich w = -2/3, fiel aber durch die stetig voranschreitende Strukturbildung von  einem Wert von  w = -2/3 auf unter w < -1  ab.  Die Deutung als kosmologische Konstante wäre damit endgültig hinfällig. Auch ein Zusammenhang mit der  sogenannten "Vakuumenergie" wird immer zweifelhafter. Der Casimir-Effekt kann nämlich ohne Bezug zu Quanten-fluktuationen des Vakuums berechnet werden und ist somit kein Beleg für die "Realität" von "Vakuumenergie". (R.L.Jaffe, 2005) Der Effekt beruht  auf relativistisch retardierten van der Waals Kräften zwischen zwei elektrisch leitenden Metallplatten. 

 

Die Deutung der beschleunigten Expansion des Universums mit Hilfe eines "relativistischen Flüssigkeitsbildes" ist somit zum Scheitern verurteilt. Anstatt das ein "hypothetischer Druck" negativ wird, bildet das gravitative dynamische System durch Haufenbildung immer stärkere  negative Energiedichten bei steigendem kinetischen positiven Druck aus. Dies ist der wahre Grund der beschleunigten Raumexpansion des Kosmos ("dark energy").  Negative Energiedichte bedeutet hier nicht "negative Massen", wie A. Einstein 1918 in einer Diskussion mit E. Schrödinger über die kosmologische Konstante spekulierte. Das  Verhalten des w-Parameters während der beschleunigten Expansion hat zur Folge, daß die Dichtekontrastfunktion zunächst (w = -2/3) proportional mit der Zeit t hoch 2/3 anwächst (w = -2/3). Da ein "Big Bounce" Universum nicht beschleunigt expandieren kann, kommt es für unser Universum als Entstehungs-Szenarium nicht in Frage.

 

Eine wichtiger Hinweis auf einen w-Parameter w ~ -2/3 im frühen Universum ist die sogenannte sigma8-tension. Sie besagt, dass das heutige Universum einen etwa um 10% geringeren Dichtekontrast (Verklumpung) aufweist als es nach dem Standardmodell haben sollte.  Ein Modell mit w = -2/3 anstatt w = -1 im frühen Kosmos könnte diese Diskrepanz zwanglos erklären. Allerdings sollte diese Unstimmigkeit nicht mehr als 12% betragen.

 

Eine wichtige Konsequenz eines Universums mit w < -1 ist die Existenz einer zweiten Singularität womöglich schon in naher Zukunft (4 Milliarden Jahre), bei der das Universum einen "heißen Strukturkollaps in Galaxienhaufen" erleidet und seine Raumexpansion abrupt zum Stehen kommt. Der Kosmos hätte somit nicht nur einen Anfang ("Big Bang", "Big Flash"), sondern auch ein singuläres Ende, bei der die Expansion und alle Strukturbildungsprozesse  zum  Stillstand kommen. Auch müsste in diesem Bild das Universum in den letzten Jahrmilliarden immer heißer geworden sein, was durch die gravitative Verklumpung der Galaxienhaufen und ihrer umgebenden Halo-Gase durch Schockwellen bedingt und wohl auch bestätigt  ist (Röntgensatellit eROSITA). In einem gewissen Sinne geht das Universum einem "Klimakollaps" mit Bildung supermassiver schwarzer Löcher entgegen.

 

In der Einsteinschen Theorie wird das Universum heute als flach (euklidisch) angesehen, im Bild der Newtonschen Gravitation entspräche dies einem  Null-Energie Universum. Die Summe aus der positiven kinetischen Energie der Raumexpansion und der Eigenbewegung ihrer Konstituenten, sowie der negativen Gravitationsenergie, bestehend aus einem homogenen und einem immer stärker werdenden heterogenen Anteil, wäre somit null! Ontologisch (vom Sein her) ist die gesamte Welt eine Singularität, ein "Nichts". Anfang und Ende sind gleich.   Es hat einen Anfang und ein Ende.  Eine ewige paradoxe Asymmetrie des Standardmodelles von einem Anfang ohne Ende wäre damit aufgehoben!

 

 

 

Der Skalenfaktor eines beschleunigt expandierenden Universums, bei welchem der w-Parameter zunächst w = -2/3 ist, mit zunehmender Strukturbildung aber immer weiter unter -1 sinkt und schließlich singulär wird. Deutlich ist zu sehen, dass bei einem Massenparameter Omega_m = 1/3 schon bei dem 1.42 fachen des heutigen Skalenfaktors die Expansion in einem heißen Strukturkollaps zum Stehen kommen kann. Die Energiebilanz des Universums sollte dabei exakt null sein. Die immer stärker werdende potentielle Gravitationsenergie bei der Strukturbildung wird durch immer stärker werdenden kinetischen Energieanteile der Raumexpansion und Eigenbewegung der Materieteilchen kompensiert. Der Urknall (Urblitz)  wäre dann eine "Schöpfung" des "gegensätzlichen Nichts" aus dem "absoluten Nichts" (P. Atkins: A universe of nothingness - The mathematical fabric of reality). Diese Sichtweise  vereinfacht Einiges, ohne aber das Problem der "Schöpfung" an sich zu lösen. Und was ein Anfang hat, muss dann auch ein Ende haben. Ein Null-Energie Universum kann aus einem Stillstand heraus nicht wieder kollabieren.

Der Punkt Omega liegt streng genommen - und darin gleicht er dem Ur-Atom Lemaitres -, außerhalb des der Erfahrung zugänglichen Prozesses, dessen Ende und Abschluss er bildet. Denn um dorthin zu gelangen, beziehungsweise eben indem wir dorthin gelangen, verlassen wir Raum und Zeit. Trotz seiner Transzendenz entzieht er sich indes nicht gänzlich der Reichweite der Wissenschaft, die ihm notwendigerweise gewisse Eigenschaften zusprechen muss. 

 

(in: Die Entstehung des Menschen (1949))

Pierre Teilhard de Chardin (1881-1955)

Die Sonne sinkt, es steigt die Nacht,

vergangen ist der Tag,

Die Welt schläft ein, und leis erwacht,

der Nachtigallen Schlag.

 

So ist in jedem Anbeginn

das Ende nicht mehr weit.

Wir kommen her und gehen hin

und mit uns geht die Zeit.

 

"Auld Lang Syne"

Nachdichtung des Textes von R. Burns (1759-1796)

im Jahre 1946 von C.L. Laue (1917-1971)

Jugendbewegung-Pfadfinder

Ein Kosmos mit w = -2/3 expandiert in der frühen Phase etwas schneller als ein Kosmos mit w = -1 (kosmologische Konstante). Der Überschuss H[-3/2]-H[-1] im Hubble-Parameter betrug im frühen Universum schon etwa 6 - 8 km/s/Mpc. Dies könnte die Diskrepanz des Hubbleparameters (Hubble tension), bestimmt aus einer modellabhängigen Hochrechnung aus den   Planckdaten (CMB; w = -1) und den heutigen lokalen astronomischen Distanzmessungen, mehr oder weniger zwanglos erklären. 

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


...If a large proportion of the scientific community in one field are guided by the herd instinct, then they cannot adopt another viewpoint since they cannot imagine that the whole herd will swing around at the same time. It is merely the logistics of the situation. Even if everybody were willing to change course, nobody individually will be sure that he will not be outside the herd when he does so. Perhaps if they could do it as neatly as a flock of starlings, they would. So this inertia-producing effect is a very serious one.

 

It is not just the herd instinct in the individuals that you have to worry about, but you have to worry about how it is augmented by the way in which science is handled. If support from peers, if moral and financial consequences are at stake, then on the whole staying with the herd is the successful policy for the individual who is dependent on these, but it is not the successful policy for the pursuit of science....

 

Thomas Gold (1920 - 2004)

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

Ende 2018 entstand weltweit ein riesiger Medienrummel (Medien-Hype), leider auch unterstützt von der Oxford University, dass das Problem der dunklen Materie und der Dunklen Energie durch die Einführung von zusätzlichen negativen Massen (dark fluid) mit zusätzlicher kontinuierlicher Materie-Erzeugung im Universum sehr einfach gelöst werden könne. Ursache sei einfach ein Vorzeichenfehler, behauptete Jamie Farnes von der Oxford University. (A&A 620, id. A92, 2018) Sofort tauchten aber Gegenstimmen auf, welche die Unmöglichkeit von negativen Massen (träger Masse,schwerer Masse, gravitativer Masse) im Rahmen der Einsteinschen Theorie darlegten. Zudem zeigte sich im Laufe des Jahres 2019 ein schwerer Fehler im Simulations-Programm und die Tatsache, dass sich im Rahmen dieser gewagten These und ihrer korrigierten Simulation die Halos um Galaxien nicht in der beobachten postulierten Form (dunkle Materie) bilden können. Ein öffentlicher Widerruf dieser fehlerhaft  falschen Hypothese hat aber nie stattgefunden! Historisch kann man diese Affäre als den NEGATIVE MASS BUG bezeichnen.

 

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.  Die Hypothese der "Dunklen Materie" ist allerdings im Sinne von Ockhams Rasiermesser die wahrscheinlichste "Minimalhypothese", da sie extrem einfach ist und jede dynamische Anomalie durch Hinzufügen exotischer Materie erklären kann. Ob allerdings so in der Zukunft 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...