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Physik: Urknall vs. Big Bang
Freigegeben von matroid am So. 12. August 2018 00:53:54
Verfasst von Hans-Juergen - (288 x gelesen)
Physik 
Im Thread über die gestohlene Fields-Medaille erwähnt Bernhard den "Dichterwettbewerb im Sommerloch" früherer Jahre. Im Folgenden erlaube ich mir  – unpoetisch – diesen Betrag für das besagte "Loch":

Urknall vs. Big Bang

In den zwanziger Jahren des vorigen Jahrhunderts wurde festgestellt, dass astronomische Objekte, die mit den damaligen Fernrohren nur nebelhaft zu erkennen waren, sich immer weiter vom irdischen Beobachter entfernen, was als die "Flucht der Spiralnebel" bezeichnet wurde. Man schloss daraus, dass nicht nur sie, sondern alle Himmelskörper früher enger beisammen waren. Das sollte so weit gegangen sein, dass sie anfangs einen einzigen kleinen, sehr dichten und heißen Körper bildeten, der scherzhaft "kosmisches Ei" genannt wurde. Seine Größe wird bis heute manchmal mit der einer Pampelmuse verglichen. Meistens aber nehmen die Kosmologen einen Punkt mit unendlicher Dichte und Temperatur an, obwohl diese der Physik an sich fremd sind. Irgendwann, so wurde weiter vermutet, explodierte das kosmische Ei, und aus seinen Trümmern entstanden alle Sterne und Galaxien, aus denen das jetzige Universum besteht.

Diese "Explosion" wurde im Englischen "Big Bang" genannt, d. h. einfach nur "Großer Knall", während es damit im Deutschen anders aussieht. Hier hat sich der Ausdruck "Urknall" eingebürgert, wodurch eine bestimmte Denkrichtung entstand: Da die Vorsilbe "Ur" wie bei Urwald, Urmensch, Urvogel u. ä. etwas beschreibt, das als erstes da war und keinen Vorgänger hat, bezeichnet der Begriff "Urknall" nicht nur besagte angenommene Explosion, sondern gleichzeitig auch den Anfang des Universums, was beim Wort "Big Bang" nicht automatisch vorausgesetzt wird.

Man glaubte sogar, und viele glauben immer noch daran, angenähert den Zeitpunkt des vermeintlichen "Urknalls" angeben zu können, und damit auch, wann das Universum entstand. Das soll vor ca. 13,7 Milliarden Jahren gewesen sein. (Nach anderen Angaben könnten es auch 14,5 Mrd. Jahre sein, vgl. hier, Fußnote.)

In einem YouTube-Video, das dieser Thematik gewidmet ist, vermeidet Herr Professor Harald Lesch den Ausdruck "Urknall" und verwendet statt dessen den weniger verfänglichen englischen Begriff; doch behauptet auch er, wie es die Urknall-Theoretiker tun, dass das Universum ungefähr fünfzehn Milliarden Jahre alt ist.

Professor Lesch kann nicht verstehen, dass es Menschen gibt (angeblich "vierzig Prozent der Bundesbürger" nach einer Emnid-Umfrage), die fragen, was vor dem Big Bang war. Er meint, dass mit diesem einfach Alles entstand: nicht nur die Sterne, Galaxien usw., sondern auch die Naturgesetze, der Raum und die Zeit. Deshalb ließe sich die Frage, was davor war, gar nicht erst stellen.

Trotzdem geht er in dem Video auf sie ein und argumentiert temperamentvoll "mit Händen und Füßen", wie er selber sagt. Dabei schwingt Unsicherheit mit. "Verzweifelt" fragt der Professor: "Wie soll ich Ihnen das jetzt erklären?". Minutenlang redet er bildhaft von "Erbsensuppe", später auch, dem andächtig lauschenden Publikum einzelne Brocken aus dem Vokabular der Quantentheorie hinwerfend, von "Badeschaum", wobei er sich die Bemerkung "Vielleicht hat der liebe Gott gebadet" nicht verkneifen kann. Am Ende seines Vortrags kommt er zu der wenig überraschenden Feststellung, dass sich manches, wie zum Beispiel die Liebe, naturwissenschaftlich nicht erklären lässt.

Nicht erwähnt wird in dem Video ein anderes Gedankenmodell, bei dem es durchaus sinnvoll ist zu fragen, was vor einem Big Bang war: das pulsierende oder oszillierende Universum. Dieses dehnt sich abwechselnd aus und zieht sich wieder zu einem Punkt zusammen, wobei es jedesmal "knallt". Träfe diese Vorstellung zu, dann wäre der Big Bang, von dem die meisten annehmen, er sei der einzige gewesen, in Wirklichkeit der vorläufig letzte in einer vielleicht unendlich langen Reihe; das Universum hätte keinen Anfang und kein Ende.

Selber denke ich dazu: wenn in dem Video gesagt wird, dass die Naturgesetze die Folge des Big Bang waren, ist das eine willkürliche Setzung. Das Umgekehrte ist ebenso denkbar: der Big Bang war eine Folge der Naturgesetze. Sie waren vor ihm da; er fand in ihrem Rahmen statt; sie bewirkten ihn. Bei dieser Betrachtungsweise ist das Unverständnis Professor Leschs gegenüber den oben erwähnten "vierzig Prozent" nicht angebracht.

Denkbar ist vieles, Wahres und Falsches. Deshalb bin ich keineswegs der Ansicht, dass es ein oszillierendes Universum wirklich gibt. Weder für dieses noch für das Ein-Urknall-Modell, wie ich das von Herrn Professor Lesch bevorzugte einmal nennen möchte, gibt es den direkten experimentellen Beweis, nur indirekte Indizien und mehr oder weniger zahlreiche Ad-hoc-Annahmen, siehe dazu z. B. hier, S. 660ff.

Hans-Jürgen

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Physik: Die Bernoulli-Gleichung in rotierenden Systemen
Freigegeben von matroid am Di. 24. Juli 2018 17:13:07
Verfasst von Liverpool - (457 x gelesen)
Physik 


Stellen wir uns doch mal einem simplen Problem aus der Strömungsmechanik:
Gegeben sei ein Rasensprenger mit abgewinkelten Armen.
Durch eine Pumpe wird ein Volumenstrom durch die Leitungen gezwängt, aufgrund der Drallerhaltung beginnt der Rasensprengerkopf zu drehen, sobald der Wasserstrahl in den abgewinkelten Rohrteil eintritt und zwangsweise um die Kurve gelenkt wird.

Nun möchten wir irgendwelche Systemeigenschaften herausfinden, z.B. welche Enddrehgeschwindigkeit vom Sprenger eingenommen wird bei bekanntem Reibmoment.
Der Lösungsweg ist ein simpler: Wir benutzen die Bernoulli-Gleichung unter Zuhilfenahme von Randbedingungen, sowie die Kontinuitätsgleichung.
Mit dem erhaltenen Druck- und Geschwindigkeitsfeld ist nun alles ermittelbar: Alle Kräfte, Momente und somit auch die Endwinkelgeschwindigkeit.

Jedoch liegt der Teufel im Detail, der Rechenweg ist richtig, jedoch ist in diesem Fall die klassisch definierte Bernoulligleichung unbrauchbar.
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Physik: Im Zentrum der Milchstraße
Freigegeben von matroid am Mi. 07. März 2018 20:49:18
Verfasst von Ueli - (458 x gelesen)
Physik 

Im Zentrum der Milchstraße


Im April 2017 wurden Radioteleskope von der Antarktis bis nach Frankreich auf das Zentrum unserer Galaxis ausgerichtet. Das Ziel ist, den Schatten des schwarzen Loches Sagittarius A* abzubilden. Es wäre die vorläufig letzte einer Reihe von Messungen, die unser Verständnis der allgemeinen Relativitätstheorie erweitern oder einfach die erwarteten Effekte bestätigen. Bereits die ersten klassischen Messungen zur Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie waren zur jeweiligen Zeit enorm herausfordernd. So zweifelte Einstein immer wieder, dass bestimmte Messungen zur allgemeine Relativitätstheorie überhaupt möglich seien. Seine Skepsis hatte sich nicht bewahrheitet. Daher soll jetzt nach der Messung der Gravitationswellen, die den Raum nur ganz gering verzerren, die stärkste Wirkung der Gravitation überprüft werden. Trotz der verschiedenen starken Wirkungen sind die Messungen doch ähnlich anspruchsvoll. Während bei der Gravitationswellen-Messung Abstände von einigen $10^{-19} m$ gemessen werden, liegt das Problem beim schwarzen Loch in der Winkelauflösung von 20 Mikro-Bogensekunden begründet.
Was könnte nun aber das Besondere an dieser Messung sein? Nach einer Reihe von Experimenten haben sich die grundlegenden physikalischen Theorien immer wieder bestätigt. Sei es das Standardmodell der Teilchenphysik oder die allgemeine Relativitätstheorie, die Abweichungen zwischen Messung und Theorie blieben aus. Dabei haben insbesondere am CERN viele Physiker auf ein unerwartetes Ergebnis gehofft, das den Weg zu einer umfassenden Theorie aufzeigt.
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Stern Physik: Über das Biegen von Papier und Textilien
Freigegeben von matroid am Mo. 05. Februar 2018 17:00:07
Verfasst von MontyPythagoras - (728 x gelesen)
Physik 

Über das Biegen von Papier und Textilien


KnotenSorry, ein besserer Titel ist mir nicht eingefallen für mein neues Machwerk aus der Reihe "Physikalisches Wissen, das keiner braucht". Es geht eigentlich um die Biegung von allen möglichen Dingen, die sich elastisch biegen lassen, ohne zu brechen oder eine dauerhafte Verformung anzunehmen. Das können natürlich genauso gut auch Dinge aus Gummi oder Stahldraht oder der klassische Biegebalken sein. Allerdings nimmt es letzterer meistens übel, wenn er sehr stark gebogen wird, weshalb man im Maschinenbau und in der Statik meistens versucht, diesen Zustand zu vermeiden und sich nur mit sehr kleinen Auslenkungen befasst. Das wiederum hat außerdem den Vorteil, dass die Differentialgleichung der Biegung linearisiert und dadurch schön einfach wird.
Aber "einfach" ist langweilig. Wenn man die Differentialgleichung "richtig" löst, kann man auch berechnen, wie sich zum Beispiel ein Blatt Papier biegt, wenn man die beiden Enden zusammenbringt, oder welcher Kurve ein zusammengeschobener Vorhang folgt. Daher auch der Titel...
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Physik: Wie viel Kompressionsenergie steckt in der Erde?
Freigegeben von matroid am So. 28. Januar 2018 20:45:40
Verfasst von MontyPythagoras - (584 x gelesen)
Physik 

Wie viel Kompressionsenergie steckt in der Erde?


Komprimierte ErdeIn meiner Artikelreihe "Physikalisches Wissen, das keiner braucht" möchte ich diesmal berechnen, wie viel Kompressionsenergie in der Erde steckt, und wie viel Masse diese Energie gemäß der bekannten Masse-Energie-Äquivalenz entspricht. Bekanntermaßen bewirkt jede Form von innerer Energie immer auch eine Massenzunahme, zum Beispiel chemische Bindungsenergie, thermische Energie und eben auch die Kompressionsenergie. Na, schon einen Schätzwert im Kopf? Eine Tonne, 1000 Tonnen?
Auf dem Weg zur Berechnung der Kompressionsenergie sehen wir nebenbei auch, wie man den Druck im Erdkern berechnet.
Die folgenden Berechnungen zeige ich schrittweise ausgehend von einer Differentialgleichung, die aus dem infinitesimalen Kräftegleichgewicht resultiert, und einem einzigen Diagramm, nämlich...
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Physik: Nicht relativistische Herleitung des Äquivalenzprinzips Energie-Masse
Freigegeben von matroid am Mi. 27. Dezember 2017 00:09:40
Verfasst von Frances - (428 x gelesen)
Physik 
In diesem Artikel werden nicht-relativistische Herleitungen des Äquivalenzprinzips Energie-Masse und der dynamischen Massenformel gezeigt.
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Physik: Maxwell-Gleichungen herleiten aus Lorenz-Eichung und Satz von Schwarz
Freigegeben von matroid am Sa. 25. November 2017 10:30:38
Verfasst von StefanVogel - (687 x gelesen)
Physik 
Maxwell-Gleichungen herleiten aus Lorenz-Eichung und Satz von Schwarz

Über die Maxwell-Gleichungen ist an verschiedenen Stellen zu lesen, dass davon nur einige Gleichungen physikalische, experimentell bestätigte Annahmen sein müssen und die übrigen sind geometrische und mathematische Schlussfolgerungen. Auch bei der Auswahl der physikalischen Annahmen kann man anscheinend variieren, entweder man leitet aus den einen die anderen her oder umgekehrt. In diesem Artikel möchte ich so eine Herleitung versuchen, und zwar ausgehend

von der Lorenz-Eichung \( \vec \nabla \cdot \vec A + \dfrac{1}{c^2} \dfrac {\partial {\phi}}{\partial t} = 0 \)

und dem Satz von Schwarz \( {\dfrac {\partial }{\partial x}}\left({\dfrac {\partial }{\partial y}}f(x,y)\right)={\dfrac {\partial }{\partial y}}\left({\dfrac {\partial }{\partial x}}f(x,y)\right) \).

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Physik: Verschwindendes Feld im Inneren einer Hohlkugel: Elementarer Beweis
Freigegeben von matroid am Sa. 11. Februar 2017 17:29:53
Verfasst von Yakob - (622 x gelesen)
Physik 
Der Satz ist möglicherweise vielen bekannt, insbesondere allen, die auch einmal Physik studiert haben:

Das elektrische Feld einer Sphäre, deren Oberfläche eine homogen verteilte Ladung trägt, ist in jedem inneren Punkt der Kugel gleich Null. Ebenso verschwindet auch die Gravitation, die von einer homogen mit Masse belegten Hohlkugel auf eine kleine, irgendwo im Inneren  dieser Kugelschale befindliche Probemasse ausgeübt wird.



Bewiesen wird diese interessante Eigenschaft normalerweise mittels (nicht ganz einfacher) Doppelintegrale oder mittels der Integralsätze (insbesondere Satz von Gauß).

Man kann zu dem gleichen Ergebnis aber auch durch eine relativ einfache, fast schon elementargeometrische Überlegung kommen. Eine Grundidee aus der Analysis, nämlich Betrachtungen an Differentialen, spielt aber trotzdem herein.
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