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THEMA: Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop?

Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop? 13 Okt 2019 16:54 #58903

Soweit ich das verstanden habe umfasst die heutige Theorie, dass sich nach der Inflationsphase die Rekombinationsphase bei 3.000 K nach 380.000 a nach dem Urknall anschliesst.
Seit diesem Zustand und Zeitpunkt sollen sich nach und nach die Photonen (auch losgelöst vom baryoinischen Gleichgewicht) über größere Strecken auf den Weg gemacht haben und mit freien Elektronen eine eleastische Thomson-Streuung eingegangen sein.
Somit würde sich durchaus eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Ausdehnung des heißen Universums erklären lassen.

Weiter berechnet man man, dass die Photonendichte bei 4,1 exp8 ist und postuliert, dass dieses im ganzen Universum gilt. Dies ist m. E. auch nachvollziehbar, da das Universum bei t=380000 a immer noch hinreichend homogen war.
Wenn wir jetzt eine fast vollständige isotrope Energiedichte von 4,17 exp-14 Jm-3 messen, geht das m. E. nur, wenn wir uns jetzt nach 13,5 Mrd. Jahren und vorher im Zentrum des Universums befinden würden.
Begründung: Die Energiedichte einer gemessenen Strahlung (auch in einem offenen System mit angenommene Streuzentren) muss eine Funktion des Weges sein, bis zu dem Punkt an dem der Beitrag der Photonendichte keinen relevanten Beitrag mehr zum Ergebnis leisten kann. ferner nehme ich an, dass sich nach 38000 Jahren, das Universum keinesfalls mehr mit Überlichtgeschwindigkeit ausgedehnt hat. Sonst wäre der integrative Ansatz der Energiedichte über den Universumsradius sicherlich nicht anzuwenden

Nachdem ich die Inflationstheorie als gegeben ansehe, wäre die Ausdehnung des Universums zum Zeitpunkt der Rekombination m. E. nicht irrelavant bei dieser Betrachtung. Und nur diesen Zeitpunkt betrachten wir ja die 2,7 K Hintergrundstrahlung.

Wo ist also der Denkfehler? Sind wir mit unserer Heimatgalaxie also aus der Mitte des 380.000 Jahre alten Universums heraus entstanden und der Raum und die Zeit hat sich um uns herum exakt gleichermaßen ausgedehnt?

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Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop? 13 Okt 2019 19:30 #58911

Holistix schrieb: Wenn wir jetzt eine fast vollständige isotrope Energiedichte von 4,17 exp-14 Jm-3 messen, geht das m. E. nur, wenn wir uns jetzt nach 13,5 Mrd. Jahren und vorher im Zentrum des Universums befinden würden.


Wir befinden uns im Zentrum des von uns beobachtbaren Universums.
Die Hintergrundstrahlung ist quasi eine Grenze in der Zeit hinter die wir nicht blicken können. Nämlich genau die 13,7 Mrd Jahre die das Licht bis zu uns gebaraucht hat. War das Universum damals isotrop, dann muss es natürlich auch sein Abbild sein.

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Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop? 15 Okt 2019 21:13 #58993

Hallo Merilix,
vielen Dank für die Antwort. Ja, ich stimme mit Ihrer Schlussfolgerung überein. Wir sehen den sichtbaren Horizont der Reste des Lichtwerdens im Universum. Das 380.000 Jahre alte Universum war sicherlich einigermaßen isotrop (wie isotrop glauben wir ja gemessen zu haben), In der Mitte wäre dies als energiedichten-isotrop auch messbar gewesen und jetzt ist das Abbild eben auch nur in der Mitte als isotrop messbar. Deshalb komme ich auf den gleichen Schluss, dass wir eigentlich in der MItte sein müssten. Die weit entferntesten Galaxien sind ja seltsamerweise auch um uns herum isotrop gleichweit entfernt aufgereit.
Aber genau das ist mein Problem. Ich kann mir eben nicht vorstellen, dass wir in der Mitte des beobachtbaren Universums zufällig existieren. Aus dem Zeitalter des geozentrischen Weltbildes solten wir raus sein. Das muss (gefühlt) andere Gründe haben.
PS: Ich rede nach wir vor ebenfalls nur von dem beobachtbaren Universum. (Aber nur das scheint es ja mit Omega=ca.1 real zu geben. Aber selbst, wenn es nach dem Horizont weiter ging, hat das auf das Phänomen der istropen Energidichte der Hintergrundstrahlung m. E. keinen Einfluss.
Viele Grüße aus Ingolstadt

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Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop? 15 Okt 2019 23:24 #58997

Holistix,

wenn ich dich recht verstanden habe, dann verstehst du das Bild nicht, das uns der Satellit Kepler mit so hoher Messgenauigkeit geliefert hat.

Nach der Rekombination, also nach etwa 380.000 Jahre nach dem Big Bang, gelangten die Photonen in die Freiheit.

Trotzdem war ihnen ein Energieinhalt aufgeprägt, der schon vorher stattgefunden hatte. Und zwar sehr viel vorher.

Nach der Theorie waren es Quantenfluktuationen, die die Variabiltät der Hintergrundstrahlung erzeugt haben.

Diese Variabilität ist Teil der Isotropie des Universums.

Wäre die Variabilität gleich Null gewesen, hätte es auch keine Strukturbildung gegeben. Alle Energie wäre homogen verteilt und Schluss.

Scheint aber nicht so gewesen zu sein.

Thomas

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Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop? 15 Okt 2019 23:49 #59001

Holistix schrieb: Ich kann mir eben nicht vorstellen, dass wir in der Mitte des beobachtbaren Universums zufällig existieren.

Des von uns beobachtbaren Universums !
Genau da liegt der Knackpunkt. Wo sollten wir uns denn sonst befinden wenn nicht genau in der Mitte des von uns Beobachtbaren?

Stell dir vor du stehst irgendwo in einer endlosen Steppe (oder Wüste oder auch Ozean) und du könntest in jede Richtung genau 10km bis zum Horizont blicken. (Die wirklichen Zahlen mögen anders sein aber darauf kommts nicht an)
Selbstverständlich bist du in der Mitte der von dir beobachtbaren Umgebung und um dich herum sieht alles isotrop also gleich aus. Das heist aber nicht das du in der Mitte der Steppe, Wüste oder des Ozeans bist. Hast du ein Fahrzeug schleppst du diese "Mitte" natürlich immer mit dir herum.

Genause würde ein anderer Beobachter in einer weit entfernten Galaxie sich selbst und nicht uns als Mittelpunkt seines beobachtbaren Universums ansehen. Sein Universum mag sich mit unserem überlappen aber sie sind nicht genau gleich. Trotzdem würde auch er eine gleichartig isotrope Hintergrundstrahlung messen wie wir.

Stell dir vor du stehst in einer Halle voller Nebel, völlig homogen verteilt.
Ganz plötzlich löst sich der Nebel überall gleichzeitig auf. Was würdest du 10 Nanosekunden später sehen?
Ganz einfach: du würdest eine isotrope Nebelwand in 3 Meter Entfernung sehen, genau die Entfernung die das Licht in 10 Nanosekunden zurücklegt.

Was sehen wir in der Hintergrundstrahlung? Einen Plasmanebel aus einer Entfernung von ursprünglich mal 42Mio Lichtjahren dessen Licht uns wegen der zuerst noch sehr schnellen Expansion jedoch erst heute nach ca. 13,7 Mrd. Jahre erreicht hat. Heute ist die Region schon über 42 Mrd Lichtjahre von uns entfernt und würde natürlich ganz anders aussehen. Das werden wir aber niemals erfahren denn das Licht von dort erreicht uns nicht mehr.

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Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop? 24 Okt 2019 21:41 #59296

Merilix schrieb:

Holistix schrieb: Ich kann mir eben nicht vorstellen, dass wir in der Mitte des beobachtbaren Universums zufällig existieren.

Des von uns beobachtbaren Universums !
Genau da liegt der Knackpunkt. Wo sollten wir uns denn sonst befinden wenn nicht genau in der Mitte des von uns Beobachtbaren?

Um es deutlich zu sagen:

An jedem Punkt im Universum befindet man sich im Mittelpunkt, es gibt keinen objektiven Mittelpunkt des Universums. So ist zumindest die allgemeine Vermutung. Dies ergibt sich daraus, dass alles, was wir sehen, ziemlich gleich aussieht. Warum sollte es dann ein Zentrum und Randgebiete des Universums geben, und was sollte dann hinter dem Rand sein? Wenn das Universum nicht unendlich groß ist, dann könnte es zumindest wie die Erdoberfläche endlos (randlos) sein.

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Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop? 27 Okt 2019 02:38 #59419

Holistix schrieb: Soweit ich das verstanden habe umfasst die heutige Theorie, dass sich nach der Inflationsphase die Rekombinationsphase bei 3.000 K nach 380.000 a nach dem Urknall anschliesst.
Seit diesem Zustand und Zeitpunkt sollen sich nach und nach die Photonen (auch losgelöst vom baryoinischen Gleichgewicht) über größere Strecken auf den Weg gemacht haben und mit freien Elektronen eine eleastische Thomson-Streuung eingegangen sein.
Somit würde sich durchaus eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Ausdehnung des heißen Universums erklären lassen.

Weiter berechnet man man, dass die Photonendichte bei 4,1 exp8 ist und postuliert, dass dieses im ganzen Universum gilt. Dies ist m. E. auch nachvollziehbar, da das Universum bei t=380000 a immer noch hinreichend homogen war.
Wenn wir jetzt eine fast vollständige isotrope Energiedichte von 4,17 exp-14 Jm-3 messen, geht das m. E. nur, wenn wir uns jetzt nach 13,5 Mrd. Jahren und vorher im Zentrum des Universums befinden würden.
Begründung: Die Energiedichte einer gemessenen Strahlung (auch in einem offenen System mit angenommene Streuzentren) muss eine Funktion des Weges sein, bis zu dem Punkt an dem der Beitrag der Photonendichte keinen relevanten Beitrag mehr zum Ergebnis leisten kann. ferner nehme ich an, dass sich nach 38000 Jahren, das Universum keinesfalls mehr mit Überlichtgeschwindigkeit ausgedehnt hat. Sonst wäre der integrative Ansatz der Energiedichte über den Universumsradius sicherlich nicht anzuwenden

Nachdem ich die Inflationstheorie als gegeben ansehe, wäre die Ausdehnung des Universums zum Zeitpunkt der Rekombination m. E. nicht irrelavant bei dieser Betrachtung. Und nur diesen Zeitpunkt betrachten wir ja die 2,7 K Hintergrundstrahlung.

Wo ist also der Denkfehler? Sind wir mit unserer Heimatgalaxie also aus der Mitte des 380.000 Jahre alten Universums heraus entstanden und der Raum und die Zeit hat sich um uns herum exakt gleichermaßen ausgedehnt?


Nein, zunächst mal wird in der Aufstellung der Friedmann Gleichungen davon ausgegangen das das Universum isotrop und homogen ist, das liegt aber im Allgemeinen nicht einfach so vor. Da gibt es durchaus andere Modelle wie die verschiedenen Bianchi Universen.
Man kann auch nicht einfach davon ausgehen das Isotropie und Homogenität die im Beobachtungsradius, sowie im Hubble Radius und dem Ereignishorizontradius zwischen 13,8 Mrd. LJ und 16.2 Mrd. LJ erfüllt werden ;ausserhalb des Ereignishorizonts deckungsgleich sind.
Da gibt es nicht mal einen kausalen Zusammenhang.

Die Geschichte lehrt die Menschheit dass die Geschichte die Menschheit Nichts lehrt.

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Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop? 27 Okt 2019 09:48 #59428

RayLight schrieb: Man kann auch nicht einfach davon ausgehen das Isotropie und Homogenität die im Beobachtungsradius, sowie im Hubble Radius und dem Ereignishorizontradius zwischen 13,8 Mrd. LJ und 16.2 Mrd. LJ erfüllt werden ;ausserhalb des Ereignishorizonts deckungsgleich sind.
Da gibt es nicht mal einen kausalen Zusammenhang.

Da hast Du zwar Recht, doch spricht alles dafür, dass es isotrop und homogen ist.

Ein Beamter würde sagen: "Das war schon immer so", ich lasse Ockham sprechen.

Ich bin mir zwar nicht sicher, wie man die Komplexität des Schlusses auf Isotropie und Homogenität bewerten kann, aber jede Abweichung hätte ja ein Vorzeichen (größer oder kleiner), was in meinen Augen unmittelbar komplexer aussieht. Das einzige was ich gelten lassen würde, wäre ein statistisches Argument, doch da spricht eben das Gesetz der großen Zahl dafür, dass das was wir sehen auch für den Rest gelten könnte. Die relativ stark ausgeprägte Homogenität ist dabei ja ein kleines statistisches Problem, das eben durch die Inflationstheorie gelöst wurde. Die überwältigend stark ausgeprägte Homogenität und Isotropie des sichtbaren Universums ist für mich überzeugend genug aber natürlich kein Beweis, einen Gegenbeweis oder überhaupt Gegenargumente sind in meinen Augen ausgeschlossen. Ausgehend von einem Urknall, auf den eben ganz andere Beobachtung rückschließen lassen, erscheint die Homogenität und Isotropie auch logisch begründet, aber natürlich wie alles in der Physik nicht bewiesen.

Könnten wir uns darauf einigen: Für mich sind Schafe weiß, auch wenn mir gut bekannt ist, dass es schwarze Schafe gibt, die Ausnahme bestätigt die Regel. Natürlich könnte auch diese Regel eine Ausnahme haben, wenn zB in Schwarzafrika die Schafe in der Regel schwarz wären....

Letztlich denke ich, dass in diesem speziellen Problem das sichtbare Universum für "unser" Universum steht, was hinter dem Hubblehorizont ist, ist bedeutungslos. Es mag in ferner Zukunft noch Bedeutung gewinnen, aber der Ereignishorizont ist ohnehin fast erreicht.

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Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop? 29 Okt 2019 02:10 #59606

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Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop? 29 Okt 2019 02:14 #59607

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Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop? 29 Okt 2019 09:28 #59613

Du kannst Deine Beiträge auch nachträglich noch ändern und notfalls alles durch einen Punkt etc ersetzen ~ löschen. Es gibt auch die Vorschaufunktion.
Zähl die quote-Tags ab, die müssen immer paarweise auftreten, und schreibe Deinen Text hinter das letzte.
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Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop? 09 Nov 2019 00:48 #60616

ra-raisch schrieb:

RayLight schrieb: Man kann auch nicht einfach davon ausgehen das Isotropie und Homogenität die im Beobachtungsradius, sowie im Hubble Radius und dem Ereignishorizontradius zwischen 13,8 Mrd. LJ und 16.2 Mrd. LJ erfüllt werden ;ausserhalb des Ereignishorizonts deckungsgleich sind.
Da gibt es nicht mal einen kausalen Zusammenhang.

Da hast Du zwar Recht, doch spricht alles dafür, dass es isotrop und homogen ist.

Ein Beamter würde sagen: "Das war schon immer so", ich lasse Ockham sprechen.

Ich bin mir zwar nicht sicher, wie man die Komplexität des Schlusses auf Isotropie und Homogenität bewerten kann, aber jede Abweichung hätte ja ein Vorzeichen (größer oder kleiner), was in meinen Augen unmittelbar komplexer aussieht. Das einzige was ich gelten lassen würde, wäre ein statistisches Argument, doch da spricht eben das Gesetz der großen Zahl dafür, dass das was wir sehen auch für den Rest gelten könnte. Die relativ stark ausgeprägte Homogenität ist dabei ja ein kleines statistisches Problem, das eben durch die Inflationstheorie gelöst wurde. Die überwältigend stark ausgeprägte Homogenität und Isotropie des sichtbaren Universums ist für mich überzeugend genug aber natürlich kein Beweis, einen Gegenbeweis oder überhaupt Gegenargumente sind in meinen Augen ausgeschlossen. Ausgehend von einem Urknall, auf den eben ganz andere Beobachtung rückschließen lassen, erscheint die Homogenität und Isotropie auch logisch begründet, aber natürlich wie alles in der Physik nicht bewiesen.

Könnten wir uns darauf einigen: Für mich sind Schafe weiß, auch wenn mir gut bekannt ist, dass es schwarze Schafe gibt, die Ausnahme bestätigt die Regel. Natürlich könnte auch diese Regel eine Ausnahme haben, wenn zB in Schwarzafrika die Schafe in der Regel schwarz wären....

Letztlich denke ich, dass in diesem speziellen Problem das sichtbare Universum für "unser" Universum steht, was hinter dem Hubblehorizont ist, ist bedeutungslos. Es mag in ferner Zukunft noch Bedeutung gewinnen, aber der Ereignishorizont ist ohnehin fast erreicht.


Sehr komplex. Du hast ja durchaus Anisotropie, ich nenne die t_{fingerprint}. In dem Sinne das Photonen aus dichteren und damit heißeren Gebieten zu einem Schnitt durch die Hyperfläche zu entsprechender Zeit mehr Energie tragen, als aus weniger...ist vereinfacht der Sachs-Wolfe Effekt. Das lässt sich aber auflösen wenn du jede Ansammlung von Materie als lokal gedämpften harmonischen gravitativ getriebenen Oszillator auffasst. Homogenität ist m. Mng. nach durch silk damping gewährleistet (was den CMB betrifft). Sollten tatsächlich Inhomogenitäten zu t>t_{fingerprint} gefunden werden ist sogar das kp aufzugeben was ja auch zur Urknalltheorie passt, ansonsten mutiert man zum Kosmologen des olberschen Paradoxons.

Wenn es für mich aus Kausalitätsgründen nicht möglich ist jemals schwarze Schafe sehen zu können...ja

Hoffe du verstehst den entflechteten Beitrag jetzt :)

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Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop? 09 Nov 2019 06:31 #60618

Ich bedanke mich recht herzlich für die Kommentare, die auf meine Frage nach dem Grund der Isotropie der Hintergrundstrahlung eingestellt wurden. Anfänglich dachte ich, dass ich als kosmologischer Newbie eine ziemlich naive Frage gestellt habe. Die Realität sieht aber offenbar komplexer aus. Dies hat mich ermutigt, meine naive Fragestellung weiter naiv zu konkretisieren. Aus diesem Grund habe ich die gleiche Frage nochmals illustriert konkretisiert. Lassen sich damit einfachere Antworten finden?

Link für pdf

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Letzte Änderung: von Holistix. Begründung: Anhang war nicht sichtbar. Jetzt als Link abrufbar (Notfallmeldung) an den Administrator

Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop? 09 Nov 2019 08:56 #60620

Die Anhangfunktion ist seit kurzer Zeit defekt, ist aber in Arbeit, siehe Bugtracker.

RayLight schrieb: Sehr komplex. Du hast ja durchaus Anisotropie, ich nenne die t_{fingerprint}.

Das "Problem" dabei ist ja, dass diese statistisch eigentlich viel zu gering ist. Also ein umsogrößeres Argument für die Isotropie.

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Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop? Heute 02:29 #60930

ra-raisch schrieb: Die Anhangfunktion ist seit kurzer Zeit defekt, ist aber in Arbeit, siehe Bugtracker.

RayLight schrieb: Sehr komplex. Du hast ja durchaus Anisotropie, ich nenne die t_{fingerprint}.

Das "Problem" dabei ist ja, dass diese statistisch eigentlich viel zu gering ist. Also ein umsogrößeres Argument für die Isotropie.


Nun, ich bezog mich in Hinsicht Ansitropie auf Lie Ableitungen mit denen mathematisch gezeigt werden kann das bei deren Erfüllung sogar das kp aufzugeben ist. In der Diskussion mit dir sehe ich das Problem dass du dich für eine Karrikatur der Wirklichkeit des FLRW Universums entschieden hast. Bedenke bitte dabei das sowohl Isotropie als auch Homogenität als Kunstgriff in die Friedmann Gleichungen eingeführt wurden, denn diese Voraussetzungen liegen im Allgemeinen nicht vor. Statistische Argumente die diesen Umstand stützen empfinde ich als wenig plausibel.

Ich habe im übrigen nichts gegen Karrikaturen der Wirklichkeit, also Modelle...das sind aber keine Dogmen.

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Warum ist die Energiedichte der Hintergrundstrahlung isotrop? Heute 11:07 #60936

RayLight schrieb: Ich habe im übrigen nichts gegen Karrikaturen der Wirklichkeit, also Modelle...das sind aber keine Dogmen.

Das ist richtig, und die "Probleme" sind natürlich Holpersteine, die die Theorie auf die Probe stellen. Die gefundenen Erklärungen halte ich aber für vollkommen plausibel.

Jedes Modell geht von Grundannahmen aus, und da sind Homogenität und Isotropie alt bewährte Prinzipien, und gewisser Maßen durch das Noethertheorem belegt. Die Beobachtung des Sternenhimmels belegt dies ebenfalls. Lokale Ballungen wie die Galaxien sind kein Gegenargument, regionale Unterschiede sind statistisch sogar eher gering, sagen die Fachleute jedenfalls. Es gibt ja Computersimulationen dazu.

Was stößt Dir dann dabei noch auf? Kannst Du die Lie Ableitungen erläutern? Welche Felder werden abgeleitet? Das sagt mir so nichts. Wie man mathematisch gegen das kP argumentieren wollte, wäre mir nicht ersichtlich.

RayLight schrieb: Statistische Argumente die diesen Umstand stützen empfinde ich als wenig plausibel.

Was genau willst Du damit sagen? Nur weil es überall so ist, glaubst Du nicht, dass es auch im Eck oben links so ist, wo man nicht hinsehen kann?

Aber darum geht es doch gar nicht sondern darum, dass man sowieso sieht, wie die Massen verteilt sind, dazu braucht man gar keine Statistik mehr. Und für die Berechnung der Gravitation braucht man die exakte Verteilung gar nicht, es genügt die Gesamtmasse bzw die Dichte. Und allein die (zeitlich) beschleunigte Expansion belegt eine treibende Kraft, wäre nur Gravitation wirksam, müßte die Expansion ja abnehmen.

Aber zurück zur Ausgangsfrage, die CMBR ist ja isotrop, die Frage war ja weshalb und nicht ob.

RayLight schrieb: Man kann auch nicht einfach davon ausgehen das Isotropie und Homogenität die im Beobachtungsradius, sowie im Hubble Radius und dem Ereignishorizontradius zwischen 13,8 Mrd. LJ und 16.2 Mrd. LJ erfüllt werden ;ausserhalb des Ereignishorizonts deckungsgleich sind.

Dies ist vollkommenr richtig, wenngleich uns Ockham sagt, dass wir davon ausgehen sollten. Aber dies spielt weder für die CMBR noch für uns irgend eine Rolle. Was außerhalb des rH ist, ist "offroads", Niemandsland, wie das Innere eines SL oder der Hyperraum außerhalb unseres Universums oder die Zeit vor dem Urknall. Darüber zu spekulieren mag zwar erleuchtend sein, ist aber brotlose Kunst. Für "unser" Universum ist es vollkommen belanglos. Unser Universum ist so, wie wir es sehen. Das ergibt sich unabänderlich aus der Lichtgeschwindigkeit. Was außerhalb rH ist, kann daher gar kein Grund für irgendetwas sein, was wir sehen. Dazu brauche ich keine Statistik und keine Lie Ableitung.

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