Größe des Universums

Von der Genetik bis zur Quantenphysik, von der Atomkraft bis zur Künstlichen Intelligenz. Das weite Feld der modernen Naturwissenschaften und ihrer faszinierenden Entdeckungen und Anwendungen.
Ipsissimus
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Sa 26. Jan 2013, 14:15 - Beitrag #1

Abgetrennt aus "Grenzen des Sonnensystems", da die Skala sprengend. ;) - Traitor

eine hübsche Grafik

http://www.bbc.com/future/story/20120321-how-big-is-space

ein bisschen irritiert es mich, dass die am Ende davon sprechen, dass die am weitesten entfernten Bereiche des beobachtbaren Universums etwa 46 Mrd. Lichtjahre entfernt sind. Ich dachte bisher, die Grenze läge bei 13,x Mrd. LJ? Fehler der Grafik? Oder neueste Erkenntnisse, die mir bisher entgangen sind? Letzteres würde mich natürlich entzücken^^

Traitor
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Sa 26. Jan 2013, 15:06 - Beitrag #2

Da bin ich doch gerade sehr froh über die "free-spin"-Funktion meines neuen Mausrads. ;)

Ich vermute, das soll eine Umrechnung auf "instantane" Entfernung zum heutigen Zeitpunkt sein: Unser beobachtbares Universum reicht bis zu Lichtquellen, deren von uns im Moment beobachtetes Licht 13,x Mrd. Lichtjahre zu uns unterwegs war. Währenddessen hat sich aber der Raum zwischen uns und diesen Quellen ausgedehnt, weshalb sie, wenn man in Gedanken Zeit und Expansion einfrieren und die Strecke mit einem langen Lineal messen würde, deutlich weiter entfernt wären. Natürlich kann man das in einem relativistischen Universum nicht, daher ist die Lichtlaufzeitentfernung von der früheren Position des Objektes die sinnvollere Angabe und die, mit der man üblicherweise arbeitet.

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Sa 26. Jan 2013, 22:10 - Beitrag #3

hm, andererseits haben sich die Quellen auch ohne Raumausdehnung weiter von uns entfernt, einfach durch ihre Geschwindigkeit, oder nicht? Also mich würde schon interessieren, wie die heute aussehen^^ und ich fände die Angabe der tatsächlichen Größe, die das Universum heute hat, durchaus für sinnvoller als die Angabe, welche sie von Milliarden Jahren hatte

Traitor
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Sa 26. Jan 2013, 22:25 - Beitrag #4

Ohne Raumausdehnung hätten andere Galaxien nur mehr oder weniger zufällige Eigengeschwindigkeiten, nur manche würden sich entfernen, andere würden uns näher kommen.
Die Lichtlaufzeitsentfernung ist auch keine instantane Entfernung "vor Milliarden Jahren", sondern eine entlang der Laufstrecke. Und für "das Universum" an sich können wir gar keine Größenangabe machen, das ist unendlich oder zumindest unerfassbar groß. Sinnvoll ist nur eine Angebe für das beobachtbare Universum, und das ist per Definition an die Lichtlaufzeit geknüpft. Die 46 oder wieviel auch immer Glyr sind nur eine abstrakte Koordinatenentfernung zu in diesem Maßsystem willkürlichen Objekten, die ihre Randständigkeit und damit Besonderheit eben nur durch die Lichtlaufzeit bekommen.

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So 27. Jan 2013, 13:12 - Beitrag #5

hm, das verwirrt mich^^ irgendwo in den Tiefen eines Threads haben wir uns schon mal über die Frage der Größe der Existenz unterhalten, und ich weiß noch, dass ich fürchterlich vermöbelt wurde, weil ich mir nicht vorstellen kann, dass das Universum auf 13,x GLJ begrenzt sei, und in einem anderen Thread wurde diese Größe per Argumentation mit dem kosmischen Mikrowellenhintergund noch mal als unbezweifelbar dargestellt. Und jetzt lese ich hier von dir
für "das Universum" an sich können wir gar keine Größenangabe machen, das ist unendlich oder zumindest unerfassbar groß.
Irgendwie scheinen wir in dem anderen Thread doch völlig aneinander vorbei gesprochen zu haben, wobei ich nicht bestreiten will, dass dies daran gelegen haben könnte, dass ich Begriffe falsch oder zumindest nicht in der Begriffsschärfe, die ein Physiker anlegt, verwendet haben könnte^^ aber schön, diese neue Aussage zu lesen^^

Traitor
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So 27. Jan 2013, 14:07 - Beitrag #6

Ich spalte das mal ab, da es mit dem Sonnensystem nichts mehr zu tun hat.

Nein, leider keine neue Aussage. ;) Ganz entscheidend ist immer, ob vom beobachtbaren Universum geredet wird, oder nicht. Das beobachtbare Universum entspricht unserem rückwärtigen Lichtkegel und hat zu jedem beliebigen Zeitpunkt eine klar begrenzte Größe, die sich nur in verschiedenen Koordinatentransformationen verschieden angeben lässt (Weltalter mal Lichtgeschwindigkeit = 13,x Glyr in Lichtlaufzeitentfernung, ? Glyr in Winkeldurchmesserentfernung, ? Glyr in Leuchtkraftentfernung, ? Glyr in Koordinatenentfernung, zu faul zum Rechnen, die BBC meint vermutlich entweder Koordinatenentfernung oder Leuchtkraftentfernung).
Das Gesamtuniversum dagegen könnte unendlich groß sein, ist auf jeden Fall aber größer als das beobachtbare (sonst sähen die Ränder des beobachtbaren lustig aus).
Vermutlich kriege ich es auf die Schnelle nicht besser formuliert als damals in dem von dir verlinkten Thread:
Zitat von Traitor:Dadurch, dass die Lichtgeschwindigkeit aber die Obergrenze ist, kann tatsächlich jede Beobachtung nur innerhalb oder entlang des sogenannten "Lichtkegels" stattfinden, also aller Ort-Zeit-Punkte, die von der Gegenwart rückwärts mit Lichtgeschwindigkeit erreicht werden könnten. Und das ergibt unser "beobachtbares Universum". Außerhalb liegen dann jene Objekte, die zu weit von uns entfernt sind, um sie überhaupt beobachten zu können. Aber außerhalb liegt beispielsweise auch eine 3 Lichtjahre entfernte Galaxie zu einem Zeitpunkt vor 2 Jahren.


Nachtrag: Wenn ich mit diesem Rechner vergleiche, meint die BBC entweder die Leuchtkraftentfernung oder die mitbewegte Entfernung. Bei Eingabe von z=1000 (Rotverschiebung des Mikrowellenhintergrunds) kommt D_L = 45632.507 Gly und D_comoving = 45.587 Gly raus, also etwa deren 46.

Nachtrag 2: in den dort verlinkten Erklärungen der verschiedenen Entfernungsmaße argumentieren sie mir entgegengesetzt, die Lichtlaufentfernung sei wenig hilfreich und die mitbewegte besser. Vor allem, weil die Lichtlauentfernung noch schwerer messbar ist. Gut, meinetwegen. Aber in der Mess-Praxis benutzt man eh Leuchtkraftentfernung und Winkeldurchmesserentfernung, die jedoch beide ihre Abartigkeiten haben und daher weniger anschaulich sind. Am anschaulichsten finde ich weiterhin die Lichtlaufzeit, aber ein bisschen Geschmackssache ist dabei, gebe ich zu.

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So 27. Jan 2013, 18:26 - Beitrag #7

das verstehe ich^^ und ich verstehe auch, dass meine Vermutung, das Gesamtsystem der Existenz sei deutlich größer als besagte 13,x GLJ, offenbar doch berechtigt war, auch wenn ich es in dem anderen Thread ein bisschen merkwürdig ausgedrückt haben mag^^ könnte man sich zu der Vermutung versteigen, das mit Masse befüllte Volumen des Universums könnte um ein beliebig großes Vielfaches größer sein als der von uns beobachtbare Bereich des Universums, so dass wir zu validen kosmologischen Aussagen erst kommen werden, wenn wir uns mit Überlichtgeschwindigkeit einen Überblick verschaffen können, wie groß das Universum - als Vereinigungsmenge beobachtbarer und ohne Überlichtgeschwindigkeit unbeobachtbarer Bereiche - wirklich ist? Und wenn das stimmt, wie verhält es sich dann mit einigen Konstanten, z.B. der Baryonenzahl? Muss in dem Fall nicht alles mögliche massiv korrigiert werden?

Traitor
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Mo 28. Jan 2013, 11:15 - Beitrag #8

Unsere gesamte Kosmologie beruht auf dem kosmologischen Prinzip - auf hinreichend großen Skalen sieht das Universum überall gleich aus. (Wie groß diese Skalen tatsächlich sein müssen, wird noch debattiert.) Ohne es könnten wir überhaupt nicht sinnvoll das 10 Mrd Jahre alte Licht von entfernten Galaxien als Vergleichswert für unsere eigene Vergangenheit nutzen. Gleichzeitig passt es aber (auf hinreichend großen Skalen) so gut zu den Beobachtungsdaten (mal wieder insbesondere dem CMB), dass es als sehr vernünftige Annahme erscheint.
Und wenn es gilt, dann würde uns eine außerzeitliche Beobachtung des Universums außerhalb des Beobachtungshorizonts gar nichts neues sagen (außer besserer Statistik). Korrigiert werden muss also nichts, unser Modell ist konsistent für ein beliebig großes homogenes Universum.
Ganz, ganz hypothetisch könnte es außerhalb unseres beobachtbaren Universums natürlich auch ziemlich wild aussehen. Dann bräuchte es aber auch einen ganz wilden Urknallmechanismus, der insbesondere uns eine Sonderrolle zuweist.
Denkbar wären aber durchaus z.B. "Domänen" verschieden ausgeprägter Naturkonstanten, die sehr viel größer sind als unser beobachtbares Universum, sodass wir nichts von einem Rand mitbekommen. Manche kombinierte Stringtheorie-Inflations-Modelle sagen soetwas voraus. Aber da das beobachtbare Universum gleichzeitig das mit uns kausal verbundene Universum ist, ist das reine Spekulation, und wir können (wenn überhaupt) nur nach innerbeobachtungsuniversalen Kriterien entscheiden, ob diese Modelle zutreffen.

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Mo 28. Jan 2013, 11:50 - Beitrag #9

Konsistenz des Modells ist eine feine Sache, die reale Größe des realen Universums ist möglicherweise eine andere Sache^^ was ist denn nun, wenn wir uns eines Tages mit milliardenfacher Überlichtgeschwindigkeit durch´s Universum bewegen können und Zugang zu den Bereichen erhalten, die außerhalb des Lichtkegels liegen - was finden wir da? Immer weiter neue, nie gesehene Sterne und Galaxien, riesige Leervolumen und dahinter wieder neue Sterne und Galaxien? Und wie alt mögen die sein?

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So 3. Feb 2013, 15:13 - Beitrag #10

Das hängt sehr davon ab, nach welchem Mechanismus genau du die Überlichtgeschwindigkeit erlauben willst. Beispielsweise könnte die ja auch mit zeitlicher Rückwärtsbewegung einhergehen, sodass du im heißen Urknall landest und nichts mehr beobachten kannst. ;)
Wenn wir der Einfachheit halber aber davon reden, einfach quasi-instantan an einen Punkt außerhalb unseres derzeitigen irdischen Lichtkegels teleportiert zu werden, dann würden wir bei Gültigkeit des Standardmodells einfach genau solche Sterne und Galaxien sehen wie in unserem bisherigen beobachtbaren Universum, mit dem gleichen Alter.
Für eine Aufteilung in ungefähr derzeitiges-beobachtbares-Universum-großen Inseln mit riesigen Leerräumen dazwischen fiele mir keine sinnvolle Begründung ein, dann schon eher die Domänen verschiedener Naturgesetze/-konstanten aus den genannten exotischeren Modellen.

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Do 14. Feb 2013, 17:30 - Beitrag #11

dann würden wir bei Gültigkeit des Standardmodells einfach genau solche Sterne und Galaxien sehen wie in unserem bisherigen beobachtbaren Universum, mit dem gleichen Alter
und wären das denn die gleichen Sterne und Galaxien, die wir auch derzeit von der Erde aus sehen können, nur aufgrund des anderen Blickwinkels anders optisch angeordnet? Wohl kaum^^

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Do 14. Feb 2013, 17:50 - Beitrag #12

Gleiche (und auch das nur statistisch), nicht selbe. Es sei denn, das neue Beobachtungsvolumen überschneidet sich mit dem alten, dann im Schnittbereich die selben in anderer Perspektive. (Perspektive raumzeitlich gesehen, außer bei denen genau in der Mitte zwischen beiden Beobachtern also nicht nur aus anderem Winkel, sondern auch in anderem Alter.)

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Do 14. Feb 2013, 19:15 - Beitrag #13

Gleiche ... nicht selbe
hmm, wie habe ich das zu veerstehen? Würden wir die 27 LJ entfernte Wega also bei instantaner Teleportation plötzlich in 100 GLY Entfernung wieder finden?

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Sa 16. Feb 2013, 17:45 - Beitrag #14

Wenn du dich (in Lichtlaufzeitentfernung) 100 GLY weit teleportierst, dann müsstest du dort, selbst wenn gleichzeitig die Expansion aufhörte, ca. (100 Gigajahre - 23 Jahre - Alter der Wega) lang warten, bis du Wega erstmals siehst. ;) Bei fortgesetzter Expansion sähest du sie vermutlich nie.

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Di 26. Feb 2013, 13:08 - Beitrag #15

okay, das habe ich erwartet^^ ich interpretiere deine Aussage also in der Weise, dass auch heute schon - heute: hier auf der Erde, jetzt - dort jede Menge Sterne und Gezeugs herum schwirrt, welches heute schon, in diesem Augenblick, außerhalb aller unserer derzeitigen und zukünftigen Lichtkegel real existiert, oder anders gesagt: das massebefüllte Volumen des Universum ist beliebig viel größer als das beobachtbare Universum.

Damit stellt sich natürlich die Frage, was das mit dem Urknall soll? Ein derartiges System lässt sich mit einem einzigen Urknall m.E. gar nicht erklären, jedenfalls nicht, wenn die Raumausdehnung nicht mit dramatisch überschrittener Überlichtgeschwindigkeit vonstatten geht UND GLEICHZEITIG die existierende Masse dramatisch über alle bisher angenommenen Werte hinaus geht. Viele parallele, einigermaßen simultane Urknalle? Der Ruf nach einem realexistierenden Hyperraum als Materiequelle wird lauter^^

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Sa 2. Mär 2013, 12:57 - Beitrag #16

"Real existiert" im Sinne meines "es gibt kein ernstzunehmendes Modell, das anderes behauptet" ja. "Real existiert" in sehr skeptisch-epistomologischem Sinne - ach, vergessen wir's. ;) Also, anders gesagt "ja". ;)

Wie das mit dem Urknall gehen soll - überlichtschnelle Expansion ist überhaupt kein Problem, schon konventionell nicht (man betrachte die per naiver Dopplerinterpretation berechneten "Fluchtgeschwindigkeiten" hochrotverschobener Galaxien) und in der Inflationsära schon gar nicht.

Multiple Urknälle braucht es dafür auch nicht, die Expansion geht ja nicht radial von einem Punkt aus vonstatten, sondern in alle Richtungen.

It's all in the standard model. ;)

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Mo 4. Mär 2013, 12:30 - Beitrag #17

vielleicht könnte ein zukünftiger Warp-Antrieb dann ja so aussehen, dass er hinter dem Raumschiff eine Mikroraumzeit überlichtschnell expandieren lässt, die dann das Raumschiff quasi vor sich hertreibt und nach Erfüllung des Zwecks wieder in sich zusammenfällt^^

könnte man sich, vor allem in Zusammenhang mit der "flachen" Raumzeit, das Universum als eine Art riesige Spiralgalaxis vorstellen, in der Galaxien oder Galaxienhaufen die Rolle einnehmen, die Sterne in einer üblichen Galaxis haben? Wenn alles rotiert, warum dann nicht auch das große Ganze?

Das kosmologische Prinzip in allen Ehren, aber wenn wir schon mit überlichtschneller Expansion rechnen, ohne die exakte Geschwindigkeit dieser Expansion zu kennen, sind dann nicht alle Aussagen über die Größe des Universums ziemlich gewagt? Die andere Lesart dieser Frage führt natürlich zur weisen Selbstbeschränkung der Wissenschaft auf den beobachtbaren Bereich^^ nur wissen wir ja im Prinzip damit, dass selbst dann, wenn das Universum außerhalb unseres Vergangenheitslichtkegels großflächig genauso aussieht wie innerhalb des Kegels, dieser Kegel nur einen Teil des Ganzen zum Inhalt hat. Wir wissen bei Gültigkeit des kosmologischen Prinzips - was ja nur ein Axiom, kein bewiesenes Gesetz ist - vielleicht, wie es dort großflächig aussieht, aber was, wenn uns nicht die großflächige Sicht, sondern die Details interessieren?^^

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Mo 4. Mär 2013, 13:29 - Beitrag #18

Das wäre aber ein sehr ulkiger Antrieb, der einem nur erlaubt, schnell von der Erde (oder einem beliebigen anderen Startpunkt) wegzukommen, aber nicht, irgendwo hinzukommen. Denn nur weil hinter uns die Raumzeit expandiert, kontrahiert die vor uns ja nicht - die Raumzeit ist kein festes Medium, das bei Ausdehnung eines Teils angrenzende Teile zusammendrücken kann. Naja, perfekt für Flüchtlinge zumindest. ;)
Ah, Moment, das "in sich zusammenfällt" hatte ich überlesen - dann wäre der Endeffekt doch Null.

Die Struktur des Universums ist im Detail eine ganz andere als die einer Spiralgalaxie, insbesondere zu den Filamenten gibt es keine galaktischen Analogien.

Rotation, Torsion oder andere Richtungseffekten wird mit denselben Studien gesucht, die das kosmologische Prinzip, Naturkonstantenvariationen oder elementare Lorentz-Symmetrie-Verletzungen untersuchen. Bisher gab es da keine oder zumindest keine glaubwürdigen Positivresultate. Also: mögliche Erweiterungen des Standardmodells, für die es aber keine Anhaltspunkte gibt.

Die Geschwindigkeit der Expansion kennen wir ja ziemlich gut: aktuell die Hubble-Konstante H0 bzw. rückblickend den Hubble-Parameter H(t).

Das Prinzip ist nichtmal ein Axiom, sonst hieße es wohl auch so, sondern nur eine pragmatische Annahme, deren Geltungsbereich derzeit wohl auch merklich nach oben korrigiert werden muss.

Jede Ausweitung kosmologischer Aussagen über das beobachtbare Universum hinaus fußt bestenfalls auf indirekten Konsistenzüberlegungen - unser Modell für das beobachtbare Universum müsste sehr unplausibel verändert werden, um stark abweichende Physik oder auch nur Konfigurationen außerhalb zuzulassen.

Wenn dich Details außerhalb des beobachtbaren Universums interessieren, bleibt dir wirklich nur, in einen Warpantrieb zu investieren. ;)

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Mo 4. Mär 2013, 14:54 - Beitrag #19

mit der Hubble-Konstante komme ich immer noch nicht so richtig klar. Sind die derzeit angegebenen ~74,2 km/(s·Mpc) überlichtschnell? Diese Angabe suggeriert für mein Empfinden sehr viel stärker 74,2 km/s statt Überlichtgeschwindigkeit^^

aber selbst wenn ich das so interpretiere, dass mit jedem Mpc Entfernung sich die Geschwindigkeit um 74,2 km/s erhöht - was, nebenbei gesagt, bedeuten würde, dass diese sogenannte Konstante ein Beschleunigungs-Gradient ist^^ - käme ich für die Expansionsgeschwindigkeit in einer Entfernung von 20 Milliarden LJ ~ 6132 Mpc auf eine Geschwindigkeit von ~ 455000 km/s, was zwar in der Tat überlichtschnell wäre, mir aber trotzdem ziemlich langsam vorkommt^^ so langsam, um es deutlicher zu sagen, dass die Annahme einer überlichtschnellen Expansion, die zwar überlichtschnell sein muss, dann die Lichtgeschwindigkeit aber nur um so weniges überschreitet, mir eher als Fehler der Theorie und/oder als Fehler der Dateninterpretation denn als gesichertes Ergebnis vorkommt. Und verwende ich statt der großzügigen 20 GLj die derzeit kolportierten 13,7 GLj, komme ich auf ~312000 km/s, was als Überlichtgeschwindigkeit nun wirklich nicht mehr spannend ist^^ irgendwas scheint mir da übersehen zu werden


den Zusammenbruch der gewarpten Mikroraumzeit hatte ich mir schon so vorgestellt, dass der von ihr überstrichene Bereich mit normaler Raumzeit ausgefüllt wird, für die dann der ursprünglich zwischen Raumschiff und Ziel liegende Bereich genommen wird^^ wobei ich alles unter Warp 10000 für weitgehend uninteressant halte^^

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Fr 8. Mär 2013, 22:06 - Beitrag #20

km und Mpc sind beides Längeneinheiten, die man also gegeneinander wegkürzen kann, übrig bleibt 1/s, also inverse Zeit - es ist eben keine Geschwindigkeit, sondern ein Umrechnungsfaktor zwischen Entfernung und Geschwindigkeit. Die beiden Formelzusammenhänge, in denen sie wichtig ist, sind
H(t)=a'(t)/a(t)
Definitionsgleichung, der Hubbleparameter gibt das Verhältnis der zeitlichen Änderung des Skalenparameters zum Skalenparameter an, wobei jener dimensionslos das Verhältnis der Größe des Universums zu einem bestimmten Zeitpunkt zu seiner heutigen (a(0)=1) angibt. Also das, was man teils ungenau "Expansionsgeschwindigkeit" nennt, was aber eben keine Geschwindigkeit im Definitionssinne "Strecke pro Zeit" ist, sondern eine Rate. (Im Englischen auch meist korrekt "expansion rate").
z*c = H0 * d oder umgeformt d = (c/H0) * z
(Lokales) Hubblegesetz - die Rotverschiebung z eines Objektes lässt sich bei Kenntnis von Lichtgeschwindigkeit und Hubblekonstante (H0=H(t=0), aktuell gemessener Wert des Parameters) in eine Entfernung umrechnen, bzw. bei bekannter(/n) Entfernung(en) erhält man die Hubblekonstante als (statistische) Messgröße.
Dieses z*c ist dann eine echte Geschwindigkeit - die, mit der sich die Entfernung zwischen uns und dem Objekt vergrößert. Ich sage nicht "mit der sich das Objekt von uns wegbewegt", da diese Interpretation nicht konsistent ist (könnte eben nicht größer als c werden).

Aber letzteres ist eben nur ein "lokales" Netz, eine lineare Annäherung an das eigentliche Verhalten, das bei großen Entfernungen / starken Rotverschiebungen deutlich davon abweicht. Noch wichtiger aber ist, dass z*c problemlos größer als c werden darf (zuletzt wurden schon Galaxien mit z=10 gemessen), man diese Größe von der Dimension einer Geschwindigkeit mit Wert größer c aber eben nicht als mechanische überlichtschnelle Geschwindigkeit ("Bewegungsgeschwindigkeit") interpretieren darf, sondern es Raumausdehnung ist, also "nur" "Entfernungsänderung".

.Ach ja, "Beschleunigungsgradient" wäre (m/s²)/m=1/s^2, also wieder etwas anderes. "Geschwindigkeitsgradient" könnte man sagen, aber mit der obengenannten Einschränkung, also am ehesten noch "Entfernungsänderungsgradient".

Was die Zahlenbeispiele angeht, hatte ich hier ja schonmal irgendwo einen Online-Rechner verlinkt, der das besser hinkriegen sollte.

Zum Antrieb: Es soll also quasi Raumzeit durch das Schiff durch (oder um es herum) von vorne nach hinten verschoben werden? Sehr fragwürdig...

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