Wir kommen um den Urknall wohl nicht herum: Wie man den Kosmos modelliert, I

Fortsetzung vom 29.6.

Wie man den Kosmos modelliert, Teil 1

Voraussetzungen

Das Standardmodell der Kosmologie muss drei ganz wesentliche Grundannahmen treffen, um überhaupt funktionieren zu können:

1. Isotropie:

In jeder Richtung sieht der Kosmos gleich aus. Das gilt natürlich nicht für kleine Distanzen: In einer bestimmten Richtung sehen wir heute Abend den Mond, in einer anderen Richtung den Jupiter...

Aber auch das Band der Milchstraße ist nur in einem schmalen Bereich am Himmel sichtbar.

Nur wenn man sehr weit entfernte Galaxienhaufen beobachtet, stellt man diese Isotropie fest...je besser umso weiter diese Objekte stehen. Das weiteste Objekte ist das Leuchten des Urknallgases als 3 K -Strahlung. Bis auf Schwankungen im 0,001 % - Bereich ist dieses Gas in allen Richtungen gleich verteilt.

Und aus diesen Schwankungen haben sich unsere heutigen Galaxien gebildet.

2. Kopernikanisches Prinzip

Wir sind in keiner ausgezeichneten Position im Kosmos. Egal wo wir wären würden wir ein vergleichbares Bild vom großräumigen Kosmos bekommen.

Somit muss der Kosmos um jeden der Punkte im Raum isotrop erscheinen, damit ist er homogen.

Wie gesagt, diese Homogenität und Isotropie kann nur in großen Maßstäben existieren, denn ein ideal homogenes und isotropes Universum würde keinerlei Strukturen hervorbringen, also auch nicht unsere Erde und uns.

Das Bild von Ned Wright zeigt links eine homogene, aber nicht isotrope (es gibt eine Vorzugsrichtung) Struktur und rechts eine am Mittelpunkt isotrope aber nicht homogene (die Linien bekommen größere Abstände) Struktur.

3. Gültigkeit der ART

Zur Beschreibung des Kosmos müssen wir voraussetzen, dass Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie (ART) richtig ist:

Die Verteilung der Materie (normale Materie und Dunkle Materie) sagt der Raum-Zeit wie sie sich zu verändern hat.

Und die Veränderung der Raum-Zeit sagt der Materie wie sie sich zu bewegen hat.

Ein Universum, das durch diese drei Forderungen charakterisiert wird, kann durch die sog. Robertson - Walker -Metrik beschrieben werden:

Eine Metrik beschreibt, wie man Koordinaten in Raum und zeit Abstände zuordnen kann.

Eine Folgerung der sog. euklidischen Metrik, die auf einem Blatt Papier existiert, ist der Satz des Pythagoras: c² = 1* a² + 1* b² + 0*a*b + 0 * b*a

Ich habe ihn bewusst einmal etwas ausführlicher hingeschrieben: Die Vorfaktoren 1,1,0,0 beschreiben genau diese euklidische Metrik.

Unter diesen drei Annahmen kann man Weltmodelle mit maximal möglicher Symmetrie konstruieren. Für diese lassen sich die Einsteinschen Feldgleichungen der ART gut  vereinfachen.

wird fortgesetzt