Rand des Universums

[Alexander]

Hallo!

So gut wie immer, wenn ich mit jemandem über Kosmologie rede, werde ich gefragt, wie der Rand des Universums aussieht. Ich sage dann immer, dass dieses Problem, wie man sich diesen Rand nun vorzustellen hat, nur dann auftritt, wenn man es bildlich fasst. Wenn man es mathematisch betrachtet (das hat mir glaube ich sogar hier jemand im Forum mal gesagt), dann gibt es soetwas wie einen Rand nicht.

Aber bevor das gar nicht so stimmt, wollte ich zur Sicherheit hier nochmal nachfragen.

Einen Rand des Universums gibt es doch als solchen nicht, oder?


MfG
Alex!

[gravi]

Da hast Du völlig Recht! Das Universum hat keinen Rand.
Unternimm doch mal eine virtuelle Reise um die Erde. Mit Google-Earth geht das ja bestens. Starte ruhig von Deinem Heimatort und reise wohin Du willst, rund um den Globus in alle möglichen Richtungen.

Sage mir dann bitte Bescheid, wenn Du an eine Grenze gestoßen bist, an der es nicht mehr weiter geht. In diesem Fall hättest Du nämlich den Rand der Erde erreicht. Ich befürchte allerdings, dass ich da etwas länger warten muss...

Das ist nun eine eher bildhafte Vorstellung, aber es ist klar, dass die zweidimensionale Oberfläche einer Kugel keinen Rand hat.
Wenn Du dieses Bild nun auf die vierdimensionale Raumzeit überträgst, hast Du eine Vorstellung von den kosmischen Verhältnissen. Es gibt also keinen Rand, keine Grenze.

Man kann sagen, dass der Kosmos zwar eine begrenzte Ausdehnung hat, aber gleichzeitig grenzenlos ist.

Klaro?

Gruß
gravi

[Alexander]

Also das mit dem unendlich groß begründe ich immer so:

Das Universum ist zwar nur begrenzt ausgedehnt, aber auf lange Sicht (es expandiert ja weiter) ist es unendlich, da die Expansion unendlich in die Zukunft fortlaufen wird (einen Big Crunch werden wir ja nicht erleben).

[seeker]

Nochmal zu dieser Frage:

Einen Rand des Universums gibt es doch als solchen nicht, oder?

Nein, ein Rand ist zu keinem Zeitpunkt vorstellbar. Man müsste ja sofort fragen: "Was ist hinter dem Rand?"

Daher gibt es nur die folgenden Möglichkeiten:

1. Das Universum ist aktual ("jetzt") unendlich ausgedehnt und hat daher keinen Rand.

Das Universum ist zwar nur begrenzt ausgedehnt, aber auf lange Sicht (es expandiert ja weiter) ist es unendlich, da die Expansion unendlich in die Zukunft fortlaufen wird (einen Big Crunch werden wir ja nicht erleben).

...damit hätte das aber nichts zu tun. Das Universum wäre in diesem Fall heute schon unendlich ausgedehnt.

2. Das Universum ist nicht unendlich ausgedehnt, hat aber trotzdem keinen Rand, da es in sich geschlossen ist, wie z.B. die Oberfläche einer Kugel, eines Donuts oder jedes anderen beliebigen Körpers (die Oberfläche jedes beliebigen realen 3D-Körpers ist geschlossen). Um sich das vorstellen zu können, muss man sich bei dieser bildlichen Vorstellung eine Raumdimension "wegdenken".

Die bildliche Vorstellung ist mit Vorsicht zu verwenden, da sie die tatsächlichen (4-dimensionalen) Verhältnisse nur unvollkommen
(= z.T. falsch) wiedergibt.

3. Das Universum ist aktual unendlich ausgedehnt und auf endlichen Skalen z.T. in sich geschlossen, wie z.B. ein unendlich ausgedehnter Schwamm bzw. Schaum aus endlich großen Blasen.

Welche der Möglichkeiten zutrifft ist (noch) unbekannt.

Grüße
seeker

[Laura87]

Hi Leute,

ich versuch auch grad ein bisschen Durchblick bei dem Thema zu bekommen und hab daher eine Frage (oder zwei )

1. Wenn der Raum unendlich ausgedehnt ist, kann es dann überhaupt einen Big Bang gegeben haben? Das UNiversum müsste dazu doch in einem Punkt gestartet haben und war damit nicht unendlich groß, oder?

2. Bei der Robertson-Walker-Metrik hat man ja den Krümmungsfaktor, der je nachdem ob positiv/negativ/null die Form der Raumzeit bestimmt. Wenn man sich das nun zweidimensional vorstellt entspricht das dann ja einer Kugel (k=1), einem Sattel (k=-1) oder einer Ebene (k=0). DIe Kugel kann ich mir noch vorstellen (wir laufen immer in eine Richtung und kommen beim start wieder raus), aber wie ist das bei den beiden anderen Bildern. Wenn ich auf einer Seite aus der Ebene hinauslaufen würde, würde ich dann auf der anderen Seite einfach wieder reinlaufen? Oder sind Ebene und die hyperbolische Form automatisch unendlich Groß und man würde eben nich wieder am Start rauskommen sondern sich immer weiter davon entfernen?

Danke schon mal

Liebe Grüße
Laura

[Laura87]

danke schon mal

Aber heißt das dann nicht, dass wenn der Raum unendlich groß ist wir einen Mittelpunkt finden könnten? Weil wenn wir nicht wieder am Start raus kommen muss es ja Galaxien geben, die am weitesten von uns entfernt sind...

[Maclane]

Dann hätte das Universum aber unendlich viel Materie bzw. unendlich viel Energie.
Das würde ja den Energieerhaltungssatz völlig über den Haufen werfen, weil egal ob Energie im System hinzukommt oder aus dem System verschwindet... unendlich bleibt unendlich.

Gruß
Mac

[Laura87]

ah ok. Mir war bis grade noch nicht klar gewesen, dass unendlich großer Raum, auch unendlich viele Galaxien bedeutet. Danke, dann hat sich mein Problem geklärt

edit: dachte ich bis ich grade noch Maclanes Post gelesen hab...^^ was ist denn nun der Fall, gibt es unendlich viel Materie in diesem Fall oder nicht?

[Pippen]

Es kann durchaus sein, dass unser Universum einen "Rand" hat. Die derzeitige Physik arbeitet so modellhaft und mathematisch, dass deren Aussagen praktisch nichts über die Realität aussagen, wie wir sie wahrnehmen würden, könnten wir mit einem gedachten Superüberlichtraumschiff von der Erde aus losdüsen. Mag sein, dass die Physik 4 Dimensionen definiert, räumlich!! würden wir aber immer nur 3 Dimensionen wahrnehmen und erkennen, d.h. der Kilometerzähler der Raumschiffes würde sich schlicht andauernd erhöhen und wir uns immer weiter von der Erde entfernen. WENN das Universum 3 Raumdimensionen hat, dann würden - unabhängig von der Zeit, die für unser Superüberlichtraumschiff keine Hürde mehr wäre - wir, wenn das Urknallmodell richtig wäre!!, irgendwann zu einem letzten Stern, Planeten und schließlich Teilchen vorstoßen hinter dem sich schlicht keine für uns erkennbare Materie befindet, also das Nichts. In dieses Nichts (quasi eine Art Metaraum) könnten wir dann evtl. unendlich lange hineinfliegen, vielleicht würden wir auch irgendwann auf neue "Universen" treffen und feststellen, dass unser Universum quasi nur eine besonders große Galaxie wäre.

Wenn wir irgendwann Überlichtraumschiffe bauen könnten, dann wäre o.g. Szenario mE sogar die Konsequenz aus dem Urknallszenario, oder?

[gravi]

Ich denke, hier irrst Du Dich.

Nehmen wir einmal folgende Vorstellung:
Du bist jetzt nur noch ein zweidimensionales Wesen und lebst auf der (zweidimensionalen) Oberfläche einer Kugel.
Was meinst Du, wie könntest Du feststellen, ob es noch eine weitere Dimension gibt? Da hättest Du wohl gar keine Chance!

Und noch geringer wäre die Chance, auf dieser Kugel einen "Rand" zu finden. Du könntest endlos und ewig darauf herum kriechen - einen Rand hat eine Kugeloberfläche nun mal nicht.

Somit ergibt sich der Schluss, dass Du weder Dein Universum (die Kugel) verlassen kannst noch jemals irgendwo anstößt.
Das transformiere nun auf die 4-dimensionale Raumzeit. Da gilt dann die gleiche Aussage.

Übrigens würdest Du mit dem "Überraumschiff" vermutlich irgendwann wieder am Startpunkt ankommen, Dich also in einer ewigen Schleife bewegen.

Gruß
gravi

[Pippen]

Aha, danke für die Antworten. Ich dachte immer, dass man von den nur 3 räumlichen Dimensionen ausgeht. So etwas wie eine Kugel für ein 2D-Wesen gäbe es ja erst, wenn man 4 räumliche Dimensionen hätte, oder?

Setzt denn der Urknall die RW-Metrik so zwingend voraus?

Könnte ich das Urknallmodell nicht auch vertreten in der naiven Annahme von drei Dimensionen ohne Hinzuziehung der Zeit vertreten?

[seeker]

So etwas wie eine Kugel für ein 2D-Wesen gäbe es ja erst, wenn man 4 räumliche Dimensionen hätte, oder?

Nein, es wären 3 räumliche Dimensionen im Luftballonbild.
In einer 2(Raum-Dim)+1(Zeit-Dim)-ART bräuchte man die zusätzliche 3. Raumdimension gar nicht, in die die 2D-Ballonoberfläche gekrümmt ist.
Eine 2+1 Raumzeit kann in sich selbst gekrümmt sein, ohne dass ein Außenraum existieren muss.
Bei unserer 3+1 Raumzeit ist es genauso: Es könnte eine 4. (Außen-)Raumdimension, in die die Raumzeit hinein-gekrümmt ist, existieren - muss aber nicht.

Könnte ich das Urknallmodell nicht auch vertreten in der naiven Annahme von drei Dimensionen ohne Hinzuziehung der Zeit vertreten?

Nein - das wäre der Versuch die newtonsche Physik auf die Kosmologie anzuwenden. Das funktioniert nicht.
Das Urknallmodell ist von der ART nicht zu trennen. In der ART bilden Raum und Zeit ein untrennbares Ganzes, das über die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und die Gravitation verknüpft ist: die Raumzeit. Z.B. kann Raum für den Beobachter, je nach Perspektive, zu Zeit werden und umgekehrt.
Raum und Zeit haben also gar keine eigene unabhängige Existenz, sondern sind nur Aspekte der Raumzeit.
Die Existenz der Raumzeit ist vielfach nachgewiesen und bestätigt: sowohl im Universum, wie auch im Allerkleinsten.

Grüße
seeker

[Boomerang]

Der Rand des Universums - ist ja alles nur Theorien/Vermutungen

Ich würde mal nach dem Rand des sichtbaren Universums als Punkt festlegen.
Jetzt habe ich mal eine Frage:

Wir sehen ja den Rand des sichtbaren Universums - sind ja knappe 14 Milliarden Lichtjahre.
Wie wir alle wissen, expandiert ja das Universum.
Jetzt gibt es ja auch die Theorie des Big Chrunch.
OK..jetzt kommts.... Wir wissen ja gar nicht was JETZT in den 14 Milliarden Lichtjahren entfernten Randgebieten
vor sich geht. Dann könnte es doch sein, daß sich das Universum schon wieder zusammenzieht und keiner hat`s gemerkt.
Natürlich kann es auch sein das dass Universum doppelt so groß (oder noch größer) ist wie wir es jetzt.

[Boomerang]

Muß denn die Kontraktion im ganzen Universum gleichzeitig stattfinden?
Und selbst der Virgo-Galaxiehaufen ist ja 64 Mio. Jahre Vergangenheit.

Kann es denn nicht sein das es... wie will ich sagen... implodiert, also von außen nach innen?
Und man kommt es erst mit, wenn einen die Schwärze wegfegt!

[Skeltek]

Was damals explodiert ist war ja nicht das Material im Universum(auch wenns sehr energiereich war) sondern der Raum zwischen der Materie is explodiert ^^
Daß das Material darin eine viel höhere Energie pro Volumen(nicht pro Masse?) hatte ist zwangsläufig die gedachte Konsequenz.

Durch die Expansion des Raumes hat die Materie unter Abstrahlen von Energie in diesen neu entstehenden Raum
dann ausflocken und zusammenklumpen können.
Bevor genug Raum da war um die Energiedichte des Vakuums zu verkleinern, hat die darin enthaltene extrem hohe Strahlung die Teilchen gleich wieder vernichtet.


Ist vielleicht einfacher vorzustellen, daß der Raum explodiert ist und nicht die darin enthaltene Materie. Ob die abnehmen wollende Energiedichte für die Expansion verantwortlich ist(also neuen Raum generiert) oder die Energiedichteabnahme einfach nur eine Konsequenz der Generierung von Raum ist, ist Gegenstand der Spekulation wenn ich das jetzt richtig verstanden habe.

[gravi]

Hi Boomerang,

zunächst mal ein herzliches Wilkommen hier im Forum!
Mir scheint, hier stehen sich mehrere Meinungen gegenüber. Die einen sagen, das Universum sei unendlich (groß), die anderen sehen einen "Rand", weil wir nur bis zu einer gewissen Entfernung sehen können.
Ich meine, man sollte es so definieren: Das Universum ist grenzenlos, hat aber eine begrenzte Ausdehnung.

Das Wort Rand sollten wir in diesem Zusammenhang endgültig begraben, denn es gibt keinen. Es gibt lediglich einen Sichtbarkeitshorizont - weiter können wir einfach nicht sehen. Ein wenig verrückt mag dabei klingen, dass wir uns ruhig in ein Superraumschiff setzen könnten, um diesen Horizont einzuholen um noch weiter zu sehen. Aber das ist wie auf dem Meer: Du kannst segeln wohin Du willst, immer ist nur der Horizont in einer bestimmten Entferung zu sehen. Du kommst ihm nicht näher.

Du hast aber Recht, wir sehen lediglich die Vergangeheit des Universums, sobald wir den Blick zu den Sternen erheben. Betrachten wir eine Galaxie in 13 Mrd- Lichtjahren Distanz, so sehen wir sie eben, wie sie vor 13 Mrd. Jahren war. Wir messen ihre Rotverschiebung und stellen eine extrem hohe Fluchtgeschwindigkeit fest, was sicherlich mit der Hubble- Konstanten im Einklang steht.

Was aber mit dieser Galaxie heute ist, kann natürlich niemand sagen. Da müssten wir eben 13 Mrd. Jahre warten. Sie könnte z.B. völlig aus unserem Horizont verschwunden sein, sich mit Überlichtgeschwindigkeit von uns entfernen - oder ihre Geschwindigkeit verlangsamen, weil die Expansion in dieser Richtung aus irgendeinem unbekannten Grund abgebremst wird.

Übrigens vertrete ich die Ansicht, dass die Expansion nicht in alle Richtungen absolut gleichmäßig verlaufen muss. Es gibt Himmelregionen mit großer Massendichte und solche mit geringer. Große Massenkonzentrationen aber werden die Expansion zumindest ein wenig verringern.

Gruß
gravi

[Skeltek]

Übrigens vertrete ich die Ansicht, dass die Expansion nicht in alle Richtungen absolut gleichmäßig verlaufen muss. Es gibt Himmelregionen mit großer Massendichte und solche mit geringer. Große Massenkonzentrationen aber werden die Expansion zumindest ein wenig verringern.

dabei kommt es darauf an, wie großräumige solche Inhomogenitäten sind. Nach den bisherigen Erkenntnissen wird das Universum auf Skalen oberhalb der Superhaufen (> 100 Mio. Lichtjahre) ziemlich homogen. In seinem Buch "Die Physik der Unsterblichkeit" beschreibt Frank Tipler an einer Stelle sogenannte "Taub"-Universen, das hat allerdings nichts mit Gehörlosigkeit zu tun, sondern mit einer globalen Anisotropie der Expansion, demnach expandiert das Universum in einer Richtung tatsächlich schneller als in den beiden anderen.

Denke mal das ist genau das was er meinte. Auf kleinen Skalen ist es recht inhomogen. Auf Skalen überhalb 10-14 Milliaren Lichtjahren könnten ähnliche Inhomogenitäten auftreten.
Wenn du eine Größenordnung wählst, die ca immer einen Superhaufen und den durchschnittlichen zugehörigen Leerraum enthält, ist es immer homogen.

Zu dem was du oben geschrieben hast würde ich gerne wissen, wie du Explosion definierst. Eine extrem hohe schlagartig eintretende Expansion verursacht durch einen Energieausbruch/Energiezufuhr?

[seeker]

Daneben gibt es noch den flachen und offenen Fall, mit jeweils unendlich großem Universum.

Was meinst du damit genau?
Meinst du ein aktual unendliches Universum oder ein potentiell unendliches Universum?

Es ist nämlich ein Unterschied, ob man sagt "Das Universum wird sich bis in alle Ewigkeit ausdehnen!" oder ob man sagt "Das Universum ist jetzt unendlich ausgedehnt!".
Wir müssen aufpassen, dass wir Vorgänge von Sachen unterscheiden.

Grüße
seeker

[Skeltek]

Zu dem was du oben geschrieben hast würde ich gerne wissen, wie du Explosion definierst. Eine extrem hohe schlagartig eintretende Expansion verursacht durch einen Energieausbruch/Energiezufuhr?

ja, so in etwa könnte man das ausdrücken.

Was ich vorher meinte war, dass das Vakuum explodiert ist ^^
Triffts doch recht gut? Damit meine ich nicht, dass dadurch schlagartig Materie entstand, sondern dass sich das Vakuum selbst schlagartig ausgedehnt hat.

[Boomerang]

Habe hier mal ein gutes Bild wie das Universum aussehen könnte

Wird einen ganz schwindelig

[Boomerang]

Persönlich bin ich eher ein Anhänger der Multiversum Theorie.
Habe auch hier ein paar schöne Bilder gefunden.

Dann würde es auch zur Aussage von gravi passen: Das Universum ist grenzenlos, hat aber eine begrenzte Ausdehnung.

[Boomerang]

[/quote]
Dabei ist wesentlich, dass es keine Umgebung gibt, die all diese Einzeluniversen enthält, und in der sich die Universen gegenseitig Platz wegnehmen könnten. In bildlichen Darstellungen des Multiversums sieht man zwar immer eine solche Umgebung, in die die Einzeluniversen eingebettet sind, das liegt jedoch nur in den Unzulänglichkeiten solcher bildlicher Darstellungen begründet. Das hängt eng damit zusammen, dass in der ART - oder allgemeiner: der Riemannschen Geometrie - Krümmung des Raumes oder der Raumzeit stets innere Krümmungen sind, die nicht mit einer Verbiegung in einer höherdimensionalen einbettenden Umgebung verknüpft sind, auch wenn sich in bildlichen Veranschaulichungen stets eine solche findet. Da sich also die Einzeluniversen gegenseitig keinen Platz wegnehmen, gibt es keine Notwendigkeit, jedem Universum nur eine endliche Größe zuzuschreiben. Es könnten durchaus einige oder sogar alle Universen aktual unendlich groß sein, ohne dass die sich dadurch in die Quere kämen.[/quote]

Die Universen befinden sind doch trotzdem in irgendeiner Umgebung.
Der Mikrokosmos die Welt des winzig Kleinen, im Gegensatz zum Makrokosmos, der Welt des riesig Großen. Dazwischen liegt der vom Menschen direkt wahrnehmbare Bereich, der Mesokosmos. Die Welt des noch Kleineren, unter 100 Nanometer, wird Nanokosmos genannt. Denoch befinden sich alle in einem Raum. Es sind Welten,in Welten, in Welten.
Und dieser Raum (mit den Universen) liegt wieder in einem anderen Raum, also wieder eine Ebene höher.
Und wer weiss, evtl. gibt es unendlich Ebenen...

Und schon sind wir wieder bei der Unendlichkeit ... nur ein wenig anders..

[Boomerang]

Auch wenn das für den in solchen Dingen ungeschulten Laien schwer vorstellbar sein mag.

Stimmt, ist wirklich nicht einfach das alles zu begreifen. Aber ich versuchs zumindest.

Geht man nach der Branentheorie gibt es übrigens noch eine dritte Kategorie. Anders als in der ART ist unsere Raumzeit in der Branentheorie höherdimensional eingebettet. In dem höherdimensionalen einbettendenden Raum könnten ganz viele 3-Branen (Raumzeiten mit 3 Raumdimensionen und einer Zeitdimension) herumschwirren. Jede Brane könnte für sich wiederum unendlich sein, die Zusatzdimensionen bieten dann trotzdem für alle Branen Platz, etwa so wie man im dreidimensionalen Raum ganz viele unendlich lange eindimensionale Geraden unterbringen kann.

[wilfried]

Tag zusammen

die Frage nach einem Rand ist stets verbunden mit der Frage nach der zugehörigen Topologie. Das haben auch meine Vorredner ausgedrückt. Wir können eine Topologie mit ihren Eigenschaften beschreiben, müssen dann aber in dieser Topologie bleiben.
Verlassen wir diese Topologie beispielsweise dadurch, dass wir sie kräftig genug beschleunigen, um relativistische Effekte zu erhalten, so verzerren wir das gesamte System und können eine neue Toplogie feststellen.

Du siehst immer einen Horizont, der wie ein Rand erscheint. Näherst Du Dich dem Horizont, entfernt er sich gleichermassen. Somit ist ein Universum, so wie es gravi ja auch sagte, vergleichbar mit einem Rundgang um die Erde. Die alten Seefahrer -und heute denkt es Häger, der Schreckliche, immer noch- meinten tatsächlich, dass man den Rand erreichen und runterfallen kann. Hägar stellt einen Kubus hin, zeigt auf eine Ecke und sagt:
"Da willst Du herum segelne?"

Gruß

Wilfried

[Boomerang]

Du siehst immer einen Horizont, der wie ein Rand erscheint. Näherst Du Dich dem Horizont, entfernt er sich gleichermassen.
Wilfried

Nach meinen (laienhaften) Wissen, wird aber der Horizont immer weiter.
Sei es nun durch die Technik (immer bessere Teleskope usw.)
oder durch die Zeit.
Wenn ich jetzt aber auf dem Ozean bin, und 1000 Jahre warte, ist der Horizont immer noch
da, wo ervor 1000 Jahren war. Wenn ich jetzt aber nach 1000 Jahre durch das Teleskop ins Universum schaue, dann sehe ich ein Stück weiter. Oder können wir um die Ecke/Krümmung gucken?