theoriebuchDieser Artikel ist Teil einer fortlaufenden Besprechung des Buchs “Die perfekte Theorie: Das Jahrhundert der Genies und der Kampf um die Relativitätstheorie”* (im Original “The Perfect Theory: A Century of Geniuses and the Battle over General Relativity”* von Pedro Ferreira. Jeder Artikel dieser Serie beschäftigt sich mit einem anderen Kapitel des Buchs. Eine Übersicht über alle bisher erschienenen Artikel findet man hier
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Im ersten Kapitel des Buchs haben wir erfahren, was eigentlich das allgemeine an der Allgemeinen Relativitätstheorie ist und wie Albert Einstein überhaupt auf die Idee kam, sie zu entwickeln. Im zweiten Kapitel hat Einstein dann mühsamer Rechnerei endlich herausgefunden, wie er diese Theorie formulieren kann. Das dritte Kapitel hat gezeigt, dass wir aus der allgemeinen Relativitätstheorie überraschend viel über die Entstehung des Universums lernen können. Kapitel 4 hat erklärt, dass man aus ihr auch faszinierende Erkenntnisse über sterbende Sterne erhalten kann. In Kapitel 5 ging es um Einsteins Gegner und die zweifelten in Kapitel 6 sogar den Urknall an; den größten Erfolg der Relativitätstheorie. In Kapitel 7 erzählt Ferreira wie die Relativitätstheorie langsam wieder an Fahrt aufnahm und sich nun auch die Astrophysiker mit ihr beschäftigten mussten und Kapitel 8 zeigte, dass das eine gute Idee war, denn die komischen Phänomene die Einsteins Theorie vorhersagte, schienen im Kosmos tatsächlich zu existieren. In Kapitel 9 haben sich die Forscher wieder dem Versuch gewidmet, die “Theorie von allem” zu finden, die schon Einstein selbst finden wollte. Und in Kapitel 10 hat man mit den Gravitationswellen endlich ein Anwendungsgebiet der Allgemeinen Relativitätstheorie gefunden, mit dem sich ordentlich experimentieren lässt.

In Kapitel 11 wird es aber wieder theoretisch und mysteriös. Es geht um da, was man im Universum nicht sehen kann und die Rückkehr der ungeliebten kosmologischen Konstante. Die Kosmologie war anfangs eigentlich generell ziemlich unbeliebt, da sie von vielen nicht als ernsthafte Wissenschaft betrachtet wurde. Man kann keine Experimente mit dem Universum machen und all die Theorien über Urknall, Expansion des Alls und die ganzen Seltsamkeiten die aus Einsteins Feldgleichungen erwuchsen, ließen sich schwer bis unmöglich ernsthaft durch Beobachtungen überprüfen. Die Kosmologie erschien vielen als zu esoterisch; bestenfalls als theoretische und mathematische Spielerei. Das änderte sich im Wesentlichen erst durch die Arbeit des Amerikaners Jim Peebles, der 1971 das Buch “Physical Cosmology” veröffentlichte und die Kosmologie auf eine solide wissenschaftliche Basis stellte.

Das Buch von damals gibt es - unter neuem Titel - heute immer noch zu kaufen.

Das Buch von damals gibt es – unter neuem Titel – heute immer noch zu kaufen.

Ein großes Ziel der damaligen Zeit war es, die großräumige Struktur des Universums zu verstehen und zu erklären. Wie entstanden Galaxien? Warum sind sie so verteilt, wie sie verteilt sind? Und wie sind sie eigentlich im Universum verteilt? Wie wirkt sich die Expansion des Alls auf die Entstehung von Galaxien aus? Welche Bedingungen mussten im frühen Universum geherrscht haben, damit sich aus der Suppe von Energie und Elementarteilchen Sterne und Galaxien bilden konnten? Und so weiter – jede Menge Fragen ohne konkrete Antworten. Peebles probierte, die Entstehung von Galaxien und die Entwicklung des Universums ausgehend von Einsteins Feldgleichungen zu berechnen und zwar so, dass die Ergebnisse am Ende mit dem übereinstimmt was man auch beobachten kann.

Und Beobachtungen kamen immer öfter! Man entdeckte (nachdem ihre Existenz zuvor vorausgesetzt wurde) die kosmologische Hintergrundstrahlung und die kleinen Variationen in dieser Strahlung die vorhanden sein mussten, damit überhaupt irgendwas entstehen konnte. Die Hintergrundstrahlung ist der heutige noch sichtbare Überrest des Urknalls (siehe hier für eine genauere Erklärung; die erste Strahlung, die sich im frühen Universum (400.000 Jahre nach dem Anfang) ausbreiten konnte. Die genauen Eigenschaften dieser Strahlung hängen – das erkannten Peebles und seine Kollegen damals – von der Verteilung der Materie zur damaligen Zeit aus. Wäre alles komplett gleich verteilt gewesen, dann wäre auch die Hintergrundstrahlung komplett identisch – aber es könnte auch keine Strukturen im Universum geben. Denn damit etwas entstehen kann, braucht es kleine Unregelmäßigkeiten; kleine Dichteunterschiede in der frühen Materieverteilung, die zu einem gravitativen Kollaps führen können und dazu, dass sich aus den ersten Teilchen Sterne und aus den Sternen Galaxien bilden.

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Kommentare (6)

  1. #1 Silava
    8. Mai 2014

    John Archibald Wheeler hat berechnet dass die Energiedichte
    des Vakuums ca. 10108 J/cm3 betragen sollte.
    Bei der Vermessung des Kosmos kommt man auf Abschätzungen von
    ca. 10-9 bis 10-11 J/m^3.

    Wie genau hat man eigentlich die kosmische Inflation verstanden?
    Vielleicht hat die Vakuumenergie die kosmische Inflation
    “verschlafen” oder einfach nicht mitbekommen. Wenn sich das
    Volumen des Kosmos während der Inflationsphase um den Faktor
    10120 ausgedehnt hat, dann hätte sich die Vakuumenergie
    entsprechend verdünnt und würde zu den aktuellen
    Beobachtungsdaten passen.

  2. #2 Kallewirsch
    8. Mai 2014

    Schon seit den 1930er Jahren ….
    Alles verhielt sich so, als wäre da noch viel Materie als die …

    Da fehlt offenbar ein “mehr”. … als wäre da noch viel mehr Materie als ….

  3. #3 Florian Freistetter
    8. Mai 2014

    Danke!

  4. #4 Alderamin
    8. Mai 2014

    @Silava

    Wenn sich das
    Volumen des Kosmos während der Inflationsphase um den Faktor
    10120 ausgedehnt hat, dann hätte sich die Vakuumenergie
    entsprechend verdünnt und würde zu den aktuellen
    Beobachtungsdaten passen.

    Nein, die Vakuumenergie ist ja keine Energie im Vakuum, die sich irgendwie verteilen könnte, sondern eine Energie des Vakuums, eine intrinsische Eigenschaft des neu entstehenden Raums. Während der Inflation war sie nur viel höher, man spricht auch von einem “falschen Vakuum”. Das Vakuum tat dann einen Phasenübergang zu einem niedrigeren Energieniveau und spuckt die überschüssige Energie in den Raum aus. Und das sind jetzt wir, die Planeten, Sterne, Gas, Staub, Dunkle Materie und vor allem viel Hintergrundstrahlung.

  5. #5 Silava
    8. Mai 2014

    Sorry für meinen letzten Post, habe jetzt erst die Anleitung
    gefunden wie man LaTex-Kommandos in WordPress einbindet:
    http://en.support.wordpress.com/latex/

    Theoretischer Wert für die Vakuumdichte: 10^{108} J/cm^3
    Abschätzung anhand von Messungen: 10^{-9}  bis 10^{-11} J/m^3

    Laut Wikipedia hat sich das Universum während der
    kosmischen Inflation mindestens um den Faktor 10^{26}
    ausgedehnt, sie verraten aber nicht ob sie damit den
    Durchmesser oder das Volumen meinen. Wie auch immer, könnte
    die Vakuumdichte ein fester Energiebetrag sein, der dem
    Universum beim Urknall mitgegeben und während der kosmischen
    Inflation entsprechend “verdünnt” wurde?

  6. #6 hugo
    10. Mai 2014

    @Silava:
    Damit die Dunkle Energie die Expansion des Universums beschleunigen kann statt sie wie normale Materie abzubremsen, braucht sie einen negativen Druck. Und das geht nur, wenn sie sich nicht verdünnt (oder sich weniger stark verdünnt als das normale Materie macht; alle bisherigen Messungen deuten darauf hin, dass sie sich gar nicht verdünnt).
    Dein Vorschlag würde dann funktionieren, wenn die Dunkle Energie anders auf die “aktuelle” Expansion des Universums (also das was die letzten 13 Milliarden Jahre passiert ist) reagiert, als sie auf die Inflation reagiert hat. Also dass sie durch die Inflation verdünnt wurde, sich aber bei der normalen Expansion nicht verdünnt.