Energieerhaltung bei kosmischer Hintergrundstrahlung

[Baalzamon]

Mal wieder so einen komische Frage:

In einfachen Worten: Durch die Expansion des Raums, wird die Hintergrundstrahlung immer 'röter', d.h. Wellenlänge immer länger. Damit wird sie aber auch immer Energieärmer. Laut Energieerhaltungssatz geht die Energie aber nicht verloren, sondern kann nur in eine andere Form umgewandelt werden.

Stellt sich mir doch die Frage: Was passiert mit der Energie, die durch die Expansion des Raums frei wird?

:uponder:

[Baalzamon]

Na kommt schon, wo sind die ganzen Physiker hier? Sonst überschlagen sich doch immer alle mit tiefstem Hintergrundwissen in allen physikalischen Angelegenheiten und wir wissen doch eh schon 99,9% alles Wissensbaren etc. pp. ;)

120 Hits und keine Antwort? Noch nichtmal jemand der sich zum spekulieren hinreissen lässt? :(

[Fritte]

sie dient dazu Antimaterie oder dunkle Materie zu erschaffen, ist doch wohl logisch oder? :confused:

Topic: ich kanns dir leider nicht sagen, bei Physik hab ich meist gepennt...

[Monger]

Hm, hab den Thread vorher gar nicht gesehen...

Aber was ist denn konkret das Problem?

Du hast halt vorher ein Quant, das ist vorher kurz und hochfrequent, und danach hast du immer noch das selbe Quant, nur lang und niederfrequent.

GERADE wegen dem Energieerhaltungssatz sinkt nunmal die Frequenz eines Quants, wenn man es räumlich streckt. Das ist ja nunmal der Grund der Rotverschiebung.

[Baalzamon]

Hm, hab den Thread vorher gar nicht gesehen...

Aber was ist denn konkret das Problem?

Du hast halt vorher ein Quant, das ist vorher kurz und hochfrequent, und danach hast du immer noch das selbe Quant, nur lang und niederfrequent.

GERADE wegen dem Energieerhaltungssatz sinkt nunmal die Frequenz eines Quants, wenn man es räumlich streckt. Das ist ja nunmal der Grund der Rotverschiebung.
I don't get it. :confused:

Ich versuche mein Problem nochmal anschaulicher zu beschreiben:
Durch die Ausdehnugn des Raums kommt es zur Rotverschiebung der HIntergrundstrahlung. Man nimmt dies als Indiz für einen Urknall und ein expandierendes Universum. Soweit so gut.

Das heisst also, von dem Frühstadium des Universum bis jetzt, wurde die Hintergrundstrahlung immer mehr gedehnt (sie wird immer 'röter'). Je 'röter' die elektromagnetische Welle, desto energieärmer ist sie aber auch. Bis hierher noch in Ordnung?

Dieser Prozess hat ja nicht einfach aufgehört, er geht immer noch weiter. Wo geht also die Energie hin, wenn die Hintergrundstrahlung immer energieärmer wird?

So wie ich dich verstanden habe, sagst du, dass die Energie für die Ausdehnung des Raums irgendwoher kommen muss und sie kommt aus der Hintergrundstrahlung? :confused: Ist das nicht eine Umkehrung der Kausalität?

[dcAlge]

Im Grunde meint Monger, dass überhaupt keine Energie verloren geht.
Sieh es doch mal so:
Du hast einen 1 Meter langen "Strahl", der bei einer bestimmten Frequenz eine bestimmte Energie hat.
Jetzt "passiert" die Rotverschiebung, also die Frequenz wird kleiner, aber die "Länge" des Strahls wird größer (1,20 Meter oder so). Jetzt hast du einen 1,20 Meter langen Strahl mit einer kleineren Frequenz, was im Endeffekt die selbe Energie ergibt.
Die beiden Effekte gleichen sich also aus und die Energie bleibt erhalten.
Verloren geht bei einer Rotverschiebung nichts, die Energie wird nur auf eine größere "Strecke" des Strahls verteilt.

Hoffe geholfen zu haben und bitte die Physikcracks die unpräzise Prosa zu entschuldigen ;)

dcAlge

[Monger]

Ganz genau so meinte ich das. Die Grundannahme, dass eine Rotverschiebung einen Energieverlust bedeutet, ist bereits falsch.

[Baalzamon]

@dcAlge:

Wenn dem so wäre, dann wäre der Energiegehalt gleich, aber es würde keine Rotverschiebung zustande kommen. Da sich durch die Ausdehnung des Raums auch unser Bezugsystem ausdehnt.

Im Endeffekt soll das bedeuten, wenn der Strahl vorher 1m lang war, ist er 'nach' der Expansion immer noch 1m lang und nicht 1,20m, weil das gesamte Bezugssystem (und wir direkt mit) gewachsen ist.

Die Energie ist trotzdem weg. :(

Ganz genau so meinte ich das. Die Grundannahme, dass eine Rotverschiebung einen Energieverlust bedeutet, ist bereits falsch.
Wieso?

[anddill]

Der mit Energie gefüllte Raum wird größer, daher nimmt die Energiedichte ab.

[Monger]

Im Endeffekt soll das bedeuten, wenn der Strahl vorher 1m lang war, ist er 'nach' der Expansion immer noch 1m lang und nicht 1,20m, weil das gesamte Bezugssystem (und wir direkt mit) gewachsen ist.


Eben nicht:
Kosmologische Rotverschiebung (
http://de.wikipedia.org/wiki/Rotverschiebung#Kosmologische_Rotverschiebung):

Die Expansion des Universums darf nicht so verstanden werden, dass sich Galaxien in der Raumzeit voneinander entfernen (Relativbewegung). Es ist die Raumzeit selbst, die sich ausdehnt, die Galaxien werden mitbewegt. Eine Expansion gravitativ gebundener Objekte wie Galaxien oder Galaxienhaufen findet nicht statt, denn diese sind durch ihre Eigengravitation von der allgemeinen Expansionsbewegung (beschrieben durch die Friedmann-Gleichungen) entkoppelt. Dies gilt insbesondere auch für Objekte, welche sich innerhalb solcher gravitativ gebundener Systeme befinden (Sterne, Planeten), und auch für elektromagnetisch gebundene Systeme wie Atome und Moleküle. Einer elektromagnetischen Welle hingegen, die sich frei durch eine ausdehnende Raumzeit ausbreitet, wird die Expansionsbewegung direkt aufgeprägt: vergrößert sich die Raumzeit während der Laufzeit um einen Faktor n, so geschieht dies auch mit der Wellenlänge des Lichts.

Sprich: dein Metermaß ist und bleibt immer gleich lang, weil die atomaren Bindungen stärker sind als die kosmische Expansion.

[Baalzamon]

Der mit Energie gefüllte Raum wird größer, daher nimmt die Energiedichte ab.
Oh mann, ich merke, hier stosse ich sehr schnel land ie grenzen meiner Vorstellungskraft.

Wenn der Raum expandiert, expandiert dann nicht auch proprtional dazu die gesamte Materie im Raum?

Andersrum: Wenn wir von ausserhalb des Universum in unser Universum schauen könnten, und ein Lineal an ein Photon anlegen, dann messen wir eine bestimmte Grösse (jaja, ist ja nur ein Beispiel ;) ).

Expandiert der Raum, expandiert die Materie imho mit, d.h. für einen äusseren Beobachter würde das Photon wachsen.

Für uns, als Gefangene unseres Bezugssystems, wäre das Photon immer noch gleich gross.

Bleibt also nicht auch die Energiedichte gleich? Die Dichte verändert sich ja auch nicht, da der Raum selbst expandiert.

Das ist wohl der Knackpunkt an der Sache, welche sie sich so schwer vorstellbar macht. Wir reden hier ja nicht von der Ausdehnung von Materie, sondern der des Raums.

:confused:

[Monger]

Wenn der Raum expandiert, expandiert dann nicht auch proprtional dazu die gesamte Materie im Raum?
Ich verweise auf meinen vorigen Post.

[Baalzamon]

@Monger
Irgendwas passt da doch nicht, oder ich bin einfach zu blind. :anonym:

Du wilst doch nicht etwa sagen, das mein Zollstock und ich und all die Materie die irgendwie gebunden ist, nicht mitexpandiert, aber die elektromagnetische Welle schon?

Mal ganz abgesehen davon, das ich mir das irgendwie schwerlich vorstellen kann (aber das heisst ja nix): Haben wir dann nicht dasselbe Problem? Ich habe meine Masseinheit die genau eine 'Schwingung' meines Photons lang ist.

Jetzt 'passiert' ;) die Expansion. Danach ist meine Masseinheit nicht mehr genau eine Schwingung lang, sondern die Schwingung passt nicht mehr ganz rein = weniger Energie. :confused:

OK, jetzt bin ich total neben der Spur und wahrscheinlich auch zu mir selbst inkonsistent. HILFE! :ucrazy4: :ucrazy3:

[Monger]

Jetzt 'passiert' ;) die Expansion. Danach ist meine Masseinheit nicht mehr genau eine Schwingung lang, sondern die Schwingung passt nicht mehr ganz rein = weniger Energie. :confused:


Die Energie eines Quants ist eben mindestens mal durch zwei Parameter bestimmt: Frequenz und Länge. Die Summe daraus (oder wie auch immer der Zusammenhang genau aussieht), bleibt gleich. Dreht man an einem Parameter, muss sich auch der andere ändern.

Nehmen wir mal ein etwas praktischeres Beispiel: stell dir eine Gitarrenseite vor, die du immer mit genau der selben Kraft zupfst. Wenn du die Gitarrenseite doppelt legst, schwingt sie umso heftiger, weil sie eben nicht so viel Wegstrecke hat - der Ton wird höher. Verdoppelst du die Seite, werden die Wellenbewegungen eben viel getragener - der Ton wird tiefer.

Jetzt mal von der Dämpfung abgesehen, steckt in beiden Fällen - kurz gezupft und lang gezupft - aber genau die selbe Materie, und genau die selbe Energie. Nur äußert es sich einmal in einer hohen Frequenz, und einmal in einer tiefen.

[raffa]

@Monger
Irgendwas passt da doch nicht, oder ich bin einfach zu blind. :anonym:

Du wilst doch nicht etwa sagen, das mein Zollstock und ich und all die Materie die irgendwie gebunden ist, nicht mitexpandiert, aber die elektromagnetische Welle schon?

doch, genau so meint er das :)


Mal ganz abgesehen davon, das ich mir das irgendwie schwerlich vorstellen kann (aber das heisst ja nix): Haben wir dann nicht dasselbe Problem? Ich habe meine Masseinheit die genau eine 'Schwingung' meines Photons lang ist.

Jetzt 'passiert' ;) die Expansion. Danach ist meine Masseinheit nicht mehr genau eine Schwingung lang, sondern die Schwingung passt nicht mehr ganz rein = weniger Energie. :confused:


Deine 'Schwingung' nimmt immer noch den gleichen Raum ein, nur ist dieser eben expandiert. Würde deine 'Maßeinheit' mitexpandieren, würdst du es gar nicht bemerken.

[NiCoSt]

Die Energie eines Quants ist eben mindestens mal durch zwei Parameter bestimmt: Frequenz und Länge. Die Summe daraus (oder wie auch immer der Zusammenhang genau aussieht), bleibt gleich. Dreht man an einem Parameter, muss sich auch der andere ändern.

Nehmen wir mal ein etwas praktischeres Beispiel: stell dir eine Gitarrenseite vor, die du immer mit genau der selben Kraft zupfst. Wenn du die Gitarrenseite doppelt legst, schwingt sie umso heftiger, weil sie eben nicht so viel Wegstrecke hat - der Ton wird höher. Verdoppelst du die Seite, werden die Wellenbewegungen eben viel getragener - der Ton wird tiefer.

Jetzt mal von der Dämpfung abgesehen, steckt in beiden Fällen - kurz gezupft und lang gezupft - aber genau die selbe Materie, und genau die selbe Energie. Nur äußert es sich einmal in einer hohen Frequenz, und einmal in einer tiefen.


nein, das gilt eben nicht für quanten.

Durch den Einsteinschen (äußeren) Photoeffekt wurde bewiesen, dass die Energie des Photons nur von dessen Frequenz abhängt. E(Ph)=h*f. f kann natürlich ersetzt werden, wenn man den zusammenhang c=Lambda*f kennt, somit wäre die Energie des Photons in Abhängigkeit der Wellenlänge E(Ph)=h*c/Lambda.

Die kosmische Hintergrudnstrahlung kommt imo daher zustande, dass das Universum selbst thermodynamisch als Schwarzer Strahler aufgefasst wird, der aufgrund dessen, dass er eine Temperatur besitzt, strahlt. Die Hintergrundstrahlung ist, da das universum kühl ist, sehr "rot" wie ihr ja so schön sagt. Mehr Expansion bedeutet geringere Temperatur und damit "rötere" Hintergrundstrahlung. alles andere wäre zu weit gedacht (in den Grenzen dieses Modells)

Und im übrigen gilt der EES nicht für das gesamte Universum...

[Fritzchen]

Mal wieder so einen komische Frage:

In einfachen Worten: Durch die Expansion des Raums, wird die Hintergrundstrahlung immer 'röter', d.h. Wellenlänge immer länger. Damit wird sie aber auch immer Energieärmer. Laut Energieerhaltungssatz geht die Energie aber nicht verloren, sondern kann nur in eine andere Form umgewandelt werden.

Stellt sich mir doch die Frage: Was passiert mit der Energie, die durch die Expansion des Raums frei wird?

:uponder:

Ehrlich gesagt habe die frage nicht ganz verstanden?

Energie ist auch wärme. Durch die Expansion wird ja nicht mehr wärme Produziert. Die enthaltene Wärme verteilt sich nur auf einen grösseren Raum. Die Wärme nimmt weder zu noch ab auf das gesamt System gesehen.

Natürlich wird es im durchschnitt Kälter.

[Baalzamon]

Von wegen, dieselbe Energie vertielt sich auf einen grösseren Raum und geht deshalb nicht verloren.

Darf man das überhaupt so betrachten? Intuitiv würde ich sagen: Nein.

Beispiel:
1. Ich habe einen variablen, dichten Behälter gefüllt mit Wasserdampf. Vergrössere ich den Behälter, verteilt sich der Wasserdampf auf ein grösseres Volumen. Dabei findet eine Vergrösserung des Behälters im Raum statt.

2. Hintergrundstrahlung im Universum. Das Universum dehnt sich aus. Es findet aber keine Vergrösserung im Raum statt (wohin sollte sich das Universum auch ausdehnen), sondern eine Expansion des Raum selbst.

Diese beiden Sachverhalte kann man doch nicht über einen Kamm scheren, bzw. so einfach miteinander vergelichen und sagen, hier gilt das Eine, dann gilt das auch für das Andere. :confused:

[Fritte]

Von wegen, dieselbe Energie vertielt sich auf einen grösseren Raum und geht deshalb nicht verloren.

Darf man das überhaupt so betrachten? Intuitiv würde ich sagen: Nein.

deswegen heisst es ja auch, "in einem abgeschlossenen System"

Wenn du das nun beim Universum bezweifelst, mutmasst du also das unser Universum irgendwo ein Leck hat ;D

[kiX]

zieh einfach folgende Überlegung in Betracht:

Du hast zwei Größen:

Energiedichte j
und
Raumvolumen V


in einem Volumenabschnitt dV ist also die enthaltene Energie dE:

dE=j*dV

für die gesamte Energie Integrierst du also über den gesamten Raum (j als räumlich invariant (hier: konstant) angenommen):

E=integral (dE)=integral (j*dV)=j*V

gehen wir von E=const (Energieerhaltungssatz, da geschlossenes System) aus und davon, dass das Volumen dV sich vergrößert (zu dV'), folgt:

j*dV=E=j'*dV'
da dV' größer ist als dV, folgt: dV/dV' < 1, also folgt j > j'
namentlich: die Energiedichte wird geringer.

Die Energiedichte bei einem gleichmäßig strahlungs"durchflutetem" Raum ist aber:
j=h*f/V0
h=Naturkonst, f=frequenz, V0= als konstant angenommenes Volumen.

Also gilt:
h*f/V0 = j > j' = h*f'/V0
--> f > f'
bedeutet: die Frequenz nimmt ab, die Strahlung wird Energieärmer = die kosmische Hintergrundstrahlung wird "kälter".

et voila, rechnerisch geklärt.

[Spasstiger]

Mit der Vergrößerung des Raums vergrößert sich auch die Anzahl an Photonen/Strahlungsquanten in der Hintergrundstrahlung. Damit die Gesamtenergie gleichbleibt, muss somit die Energie eines einzelnen Photons abnehmen, sprich seine Frequenz muss sinken.

/EDIT: Oder vielleicht sollte man es anders beschreiben: Quanten sind statistischer Natur, es sind keine Teilchen, deren Ort man deterministisch exakt festlegen kann. Man kann nur sagen, dass an einer bestimmten Stelle zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Quant mit dieser und jener Wahrscheinlichkeit auftritt. Die Auftrittswahrscheinlichkeit von Quanten der Hintergrundstrahlung bleibt in nicht gravitativ gebundenen Bereichen mit der Expansion des Universums gleich (Strahlung "kommt und geht"). Bei einer Messung der Frequenz der Hintergrundstrahlung wird über viele zufällig auftretende Quanten gemittelt. Letztendlich treten im einem bestimmten Bereich im Mittel immer gleichviele Quanten auf, egal ob das Universum expandiert. Im gesamten Universum treten somit im statistischen Mittel mit der Expansion immer mehr Quanten auf. Und weil der Energieerhaltungssatz gilt und sich die Energie über einen insgesamt größeren Raum verteilt, muss die Energie eines einzelnen Quants sinken und somit auch die Frequenz der Strahlung.

[joe kongo]

Wie kommt man auf die Annahme das sich die Raumzeit zwischen den Galaxien ausdehnt und nur dort ?
In welcher Grössenordnung ist die Fallbeschleunigung am Rand einer Galaxis im Richtung Zentrum ?

[Spasstiger]

Wie kommt man auf die Annahme das sich die Raumzeit zwischen den Galaxien ausdehnt und nur dort ?
Die Raumzeit dehnt sich überall aus. Gravitativ gebundene Systeme driften aber gleichzeitig wieder in die Gleichgewichtslage zurück, die Naturgesetze ändern sich nicht durch die Expansion des Universums.

/EDIT: Auf gravitativ gebundene Systeme hat die Expansion des Universums offenbar sogar überhaupt keinen Einfluß. Auch Galaxien können untereinander gravitativ gekoppelt sein, d.h. auch hier verändern sich die Abstände/Bahnen nicht.

[joe kongo]

Die Raumzeit dehnt sich überall aus. Gravitativ gebundene Systeme driften aber gleichzeitig wieder in die Gleichgewichtslage zurück, die Naturgesetze ändern sich nicht durch die Expansion des Universums.

/EDIT: Auf gravitativ gebundene Systeme hat die Expansion des Universums offenbar sogar überhaupt keinen Einfluß. Auch Galaxien können untereinander gravitativ gekoppelt sein, d.h. auch hier verändern sich die Abstände/Bahnen nicht.

Quelle: Galaxis A mit RZ Alpha
Zwischenraum: RZ Gamma
Senke: unsere Galaxis B mit RZ Beta
RZ ... Raumzeit

.) Alpha = Beta weil die lokale Gravitation eine Dehnung unterbunden hat

.) Gamma dehnt sich stetig in Gegensatz zu Alpha, Beta

Das Licht stammt von Alpha, wird durch Gamma langsam gedehnt,
und wird in Beta beobachtet ->
Es wird eine Rotverschiebung bekannter Spektren beobachtet, und da Alpha gleich Beta ist kann sie nur durch Gamma entstanden sein, uns zwar umso grösser je LÄNGER (zeitmässig) sie Gamma ausgesetzt war.


Hab ich die kosmologische Rotverschiebung richtig behirnt ?