Wenn die Energie pro Raumvolumen konstant ist, entsteht dann durch die Expansion des Raumes neue Energie?
7 Antworten
So scheint es zu sein: auf Grund der Heisenberg‘schen Unschärferelation besitzt das Vakuum ja eine Nullpunktsenergie. Wenn nun das Universum expandiert und mehr Vakuum entsteht, entsteht auch mehr Nullpunktsenergie. Das Universum als Ganzes scheint also den Energieerhaltungssatz zu verletzen…
Der Energieerhaltungssatz macht keine Aussagen darüber, ob die betrachtete Energie „nutzbar“ oder „nicht nutzbar“ ist. Ich sehe die Sache einfach so: das Ganze ist bisher nicht verstanden.
Natürlich kann man den heiligen Gral der Energieerhaltung durch verschiedene Erklärungsversuche zu retten versuchen: z.B. dadurch, dass man das Universum als nicht abgeschlossenes System in einem Multiversum betrachtet oder man es als Unendlich annimmt. Rechnen mit Unendlichkeiten kann dann ein gewünschtes Ergebnis liefern: Unendlich + Irgendwas liefert wieder Unendlich…
Das ganze war eine Analogie um das zu erklären.
Es handelt sich um ein Artefakt unterschiedlicher Betrachtungsweisen. Die Nullpunktenergie ist nun mal 0 und konsistent Null innerhalb der Theorie die sie postuliert. Das ist etwa so wie wenn man ein Problem damit verortet, dass die Newtonsche Physik sich nicht immer mit Einstein deckt.
Das Problem bei dem ganze Thema ist dass in diese Nullpunktenergie generell zu viel reingedacht wird und da ist die Populärwissenschaft nicht ganz unschuldig daran.
So wird zB die Vakuumfluktuation so erklärt, dass diese nur durch die Nullpunktenergie möglich wäre was so nicht stimmt. Die Vakuumfluktuation ist ein rein mathematisches Objekt wo virtuelle Teilchen betrachtet werden. Die nennt man virtuell weil sie keine physikalische Relevanz haben. Reelle Teilchen können erst entstehen wenn Energie in dem System ist. Das ist dann wieder vollkommen konsistent zur klassischen Beschreibung.
Wenn also die Nullpunktsenergie, wie von Dir behauptet, wirklich 0 und alles nur ein mathematische Konstrukt ist - wie erklärst Du dann den Casimir-Effekt?
Die Erklärung des Casimir Effekts über die Nullpunktenergie ist am Ende eine von vielen und war lange auch das Paradebeispiel für die physikalische Relevanz von virtuellen Teilchen, allerdings lässt sich dieser auch anders erklären.
Ein alternativer Ansatz ist der relativistische Elektrodynamische über Van der Waals Kräfte. Tatsächlich führt dieser Ansatz am Ende zum selben Ergebnis ohne dafür Vakuumfluktuation oder Nullpunktsenergie zu verwenden. Robert Jaffe hat dazu eine entsprechende Arbeit veröffentlicht.
Auch Casimir selbst hat diese herangehensweise für die Herleitung der Casimir Polder Kraft verwendet.
Und wie steht‘s mit der Hawking-Strahlung von Schwarzen Löchern? Dürfte Deiner Meinung nach ja nicht existieren. Ich denke, Lenny Susskind ist da anderer Meinung…
Ein Schwarzes Loch ist wohl kaum ein Quantenmechanisches System im Nullzustand.
Sobald dem System Energie zugeführt wird können aus virtuellen Teilchen reelle Teilchen werden und genau das tritt hier auf und genau so wird die Hawkingstrahlung auch hergeleitet.
Sie entzieht dem Schwarzen Loch genau aus diesem Grund auch Energie.
Sollte sie ja gerade nicht. Du sagst, dass die Strahlung durch Teilchenbildung nur dann entsteht, wenn dem Schwarzen Loch von aussen Energie zugeführt wird. Dann ist der Energiehaushalt aber ausgeglichen: Energie wird zugeführt, zusätzlich erfolgt Teilchenbildung am Ereignishorizont, ein Teilchen stürzt rein, das andere wird abgestrahlt. Schwarze Löcher sollten somit nie kleiner werden können, sondern ewig existieren, wenn alle Energie des umgebenden Universums aufgesogen wurde…
Du sagst, dass die Strahlung durch Teilchenbildung nur dann entsteht, wenn dem Schwarzen Loch von aussen Energie zugeführt wird.
Da hast du wohl etwas falsch verstanden. Ich habe gesagt, dass einem System im Nullzustand Energie zugeführt werden muss. Ein SL ist aber sicherlich kein System im Nullzustand denn da steckt schon ordentlich Energie drinnen.
Schwarze Löcher sollten somit nie kleiner werden können, sondern ewig existieren, wenn alle Energie des umgebenden Universums aufgesogen wurde…
Nein. Es muss dazu keine Energie von außen zugeführt werden. Die Energie welche dafür verwendet wird stammt aus dem SL und nicht aus dem Vakuum oder von anderen Objekten.
Nehmen wir mal ein virtuelles Teilchenpaar am Ereignishorizont an. Das eine Teilchen wird ins SL gezogen und das andere abgestrahlt (könnte man wenn man will über die Impulserhaltung erklären). Nachdem also die Teilchen beschleunigt werden wird an diesem 2 Teilchen System Arbeit verrichtet wodurch es sich nun nicht mehr im Grundzustand befindet, daher kann in diesem Fall aus dem virtuellen Teilchen ein reelles Teilchen werden.
Im übrigen bildet die Verwendung von virtuellen Teilchen in dieser Beschreibung noch keines Falls einen Verstoß gegen die Energieerhaltung. Dieser Verstoß tritt erst dann auf wenn diese virtuellen Teilchen in irgendeiner Art und Weise als solche in Wechselwirkung mit anderen Systemen treten.
Mir ist allerdings kein Fall bekannt in welchem rein durch virtuelle Teilchen eine Wechselwirkung vermittelt wird, daher kann man die virtuellen Teilchen als rein mathematisches Konstrukt ohne physikalische Relevanz auffassen. In etwa so wie die exotische Materie im Alcubierre Warp Antrieb.
Solange das der Fall ist kann die Nullpunktsenergie tatsächlich als 0 aufgefasst werden.
Da die Expansion, dunkle Energie sowie dunkle Materie noch ungeklärt sind, solltest du als Theoretischer Physiker weiter daran forschen und mithelfen das Geheimnis zu lüften, denn bis es soweit ist, wird wohl niemand sagen können, was nun konkret der Fall ist.
Die Energie pro Raumvolumen ist nicht konstant und durch die Expansion entsteht keine neue Energie. Die bestehende Energie wird weiter verteilt.
Die bestehende Energie wird weiter verteilt.
diese sichtweise kann man maximal für die energiedichte der materie aufrechterhalten. schon für die strahlung geht sich das nicht mehr aus (rotverschiebung)
energie in einer dynamischen raumzeit wie unserem expandierenden universum ist keine eindeutig global definierbare größe und daher gibt es hier auch keinen globalen energieerhaltungssatz (sondern nur lokal). also ja, das was wir gewöhnlich energie nennen muss nicht konstant sein.
beachte aber dass die energie pro raumvolumen (also die energiedichte) im allgemeinen nicht konstant ist. nur für die energiedichte der dunklen energie, wenn beschrieben durch die kosmologische konstante, ist konstant. wodurch die gesamte energie in einem expandierenden raumvolumen somit größer wird. jene der materie und der strahlung hingegen nimmt mit der expansion ab. die energiedichte der materie mit der dritten potenz des skalenfaktors, wodurch die energie in einem expandierenden raumvolumen konstant bleibt (weil das volumen mit der dritten potenz des skalenfaktors wächst). die energiedichte der strahlung nimmt mit der vierten potenz des skalenfaktors ab, wodurch die gesamtenergie in einem mitwachsenden raumvolumen ebenfalls kleiner wird.
Moin,
du sprichst von einem Idealen Raum. Nur diese Idealen Räume gibt es kaum/gar nicht in der Realität!
In der Realität muss sich die Energie des Raumes immer an die Zustände des Raumes anpassen.
(Im Übrigen sprichst du ein theoretisches Konstrukt an, was am a) Mathematisch ausdrückt und B) wofür es einige Anhaltpunkte gibt, was aber nicht ganz genau bewiesen ist!)
Bei Nullpunktsenergie muss man etwas aufpassen. Die Nullpunktenergie ist nämlich keine Energie im klassischen Sinne.
Wenn man das ganze klassisch betrachtet wird die Energieerhaltung nicht verletzt. Wenn man das ganze rein Quantenmechanisch betrachtet wird die Energieerhaltung genau so wenig verletzt. Man denke an ein Teilchen im Potentialtopf und der Topf wird größer, da ist danach trotzdem nicht mehr Energie als vorher drinnen.
Erst wenn man die Quantenmechanische Energie klassisch betrachtet ergibt sich diese Diskrepanz.
Das ganze ist also eher als Artefakt unterschiedlicher Betrachtungsweisen zu sehen, als eine tatsächliche Verletzung der Energieerhaltung.
Du kannst es auch so sehen, dass Nullpunktenergie weder nutzbar noch übertragbar ist, damit nimmt die Nutzbare Energie nicht zu.