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Wirkung dunkler Energie

Das Universum dehnt sich nach neuesten Erkenntnissen exponentiell aus. Exponentielle Expansion bedeutet, beschleunigte Ausdehnung. Das Universum wird also nicht nur gleichmässig immer grösser und grösser, sondern die Geschwindigkeit, mit der das Universum grösser wird, nimmt exponentiell zu. Diese Expansion scheint im Widerspruch zu jeder Gravitationstheorie zu stehen.

Wie könnte man diese Expansion erklären?

Man könnte sich eine abstossende Kraft vorstellen. Diese Kraft müsste allerding sehr, sehr klein sein, denn sonst würden Planeten nicht um ihre Sonnen kreisen und Galaxien würden auseinander brechen. Erst in Abständen, die der Grösse des Universums gleich sind, dürfte sich die abstossende Kraft bemerkbar machen.

Eine solche Kraft bringt man mit der sog. kosmologischen Konstanten (Lambda) in Verbindung, welche Einstein früher in seine Feldgleichungen einführte, um ein damals vermeintlich angenommenes statisches Universum zu erklären. Der Ursprung einer solchen Kraft ist die Dunkle Energie.

Diese abstossende Kraft dürfte zudem nicht wie die Gravitation proportional zu sein, denn sonst wäre sie auf grosse Entfernungen immer kleiner und hätte gar keine Wirkung mehr, wenn sie schon in einem Sonnensystem keinen Einfluss haben soll. Vielmehr müsste diese Kraft mit dem Abstand zunehmen.

Modell: Zwei Teilchen mit Feder

Wie würde sich eine solche Kraft, die mit dem Abstand zunimmt, auf die Gravitation auswirken? Dies kann man am Modell zweier Teilchen untersuchen, die mit einer Feder verbunden sind.

Die Federkraft nimmt linear mit dem Abstand zwischen den Teilchen zu:

(1)
wobei'
' =' 'Federkraft
' =' 'Federkonstante
' =' 'Abstand der Teilchen

Das Minuszeichen bedeutet, dass es sich im eine anziehende Kraft handelt, die Kraft wirkt entgegen der Dehnung der Feder. Wie würde sich eine kosmologische Konstante auf dieses Modell auswirken?

Die kosmologische Konstante würde eine Kraft auf das Modell ausüben, die genau von der in (1) gezeigten Art ist, also proportional zum Abstand der Teilchen, jedoch abstossend, nicht anziehend:

(2)

Der Wert für wäre sehr klein. Die Wirkung wäre also gleich, wie wenn eine etwas schwächere Feder mit der Federkonstante verwendet würde. Die Anziehungskraft der Feder wird also um verkleinert.

Nun, dieses Modell ist nicht ganz zu vergleichen mit Planeten, die von der Sonne angezogen werden, da die Anziehungskraft mit dem Abstand im Quadrat abnimmt und nicht mit dem Abstand proportional zunimmt.

Wie würde sich eine solche kosmologische Konstante denn auf Planten und Sternensysteme auswirken?

Sie würde die Anziehungskraft ein klein wenig verkleinern, der Gleichgewichts-Abstand der Teilchen wäre ganz wenig grösser und Planeten würden etwas langsamer um ihre Sonnen kreisen und Galaxien wären ein klein wenig grösser usw. Aber die Kraft der kosmologischen Konstante wäre so klein, dass sie die Anziehungskraft in galaktischen Abständen nicht überschreiten würde, sodass Galaxien nicht auseinander brechen.

Big Rip Theorie

Die meisten Physiker betrachten die kosmologische Konstante als konstant. Es gibt jedoch auch eine Theorie, in der eine Funktion der Zeit ist. In der Big Rip Theorie nimmt mit der Zeit zu. Dadurch fällt das Universum irgendwann auseinander. Zuerst entfernen sich die Galaxien von einander, dann brechen die Galaxien auseinander, dann die Sonnensysteme, schliesslich sogar die Sonnen und Planeten und die Atome.

 Big Rip; Wikipedia

FAQ

Hängt die kosmologische Konstante von der Materie im Universum ab? Würde sie auch existieren, wenn keine Materie im Universum wäre?

Susskind: Die kosmologische Konstante ist unabhängig von Materie. Ohne Materie hätte sie jedoch nichts, auf das sie wirken könnte. Die meisten Physiker nehmen heute an, dass die kosmologische Konstante das ist, was ihr Name aussagt: konstant.

Könnte keine Konstante sein?

Susskind: Es würde keine sehr grossen physikalischen Prinzipien verletzen, wenn mit der Zeit kleiner würde. Es würde jedoch grosse Prinzipien verletzen, wenn mit der Zeit immer grösser werden würde.

Wie kann es sein, dass eine so schwache Kraft ein ganzes Universum expandieren lässt?

Susskind: Die dunkle Energie in diesem Raum ist extrem klein. Ein Kubikmeter enthält dunkle Energie in der Grössenordnung von 1'000 Protonen. Die Anziehungskraft von 1'000 Protonen ist wirklich vernachlässigbar. Aber wenn man diese Dichte über das ganze Universum verteilt, kann die Auswirkung dramatisch werden. Die Gravitation von Protonen ist anziehend. Die Kraft der dunklen Energie jedoch abstossend. Dunkle Energie hat also einen Effekt auf das globale Universum, nicht jedoch auf Solarsysteme, noch nicht einmal auf Galaxien. Der Wert von ist so klein, dass er erst einen Einfluss bekommt bei Distanzen wie dem Radius des Universums.

Wenn Leute die dunkle Energie anzapfen wollen um damit die Energiekrise zu lösen, müssen sie mit der Tatsache leben, dass sie, um die Energie eines Benzintanks zu erhalten, ein Volumen anzapfen müssten, das etwa der Umlaufbahn des Mondes entspricht. Da gibt es also nur sehr wenig Energie und nebenbei keinen Weg, diese anzuzapfen.

Besteht dunkle Energie aus Teilchen?

Nein. Dunkle Energie sollte nicht mit Dunkler Materie verwechselt werden, welche aus Teilchen besteht.

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Erzeugt Donnerstag, 10. September 2009
von wabis
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Geändert Montag, 18. Juli 2016
von wabis