In dieser Folge widmen sich Franzi und Karl dem Feedback zu den letzten beiden Geschichten im AstroGeo Podcast. Besonders gefallen hat ihnen die E-Mail einer Hörerin, deren Fantasie so sehr angeregt wurde, dass sie sich nun als Teil „eines unwahrscheinlich kleinen und zufälligen Teil eines riesigen und unfassbaren Zusammenhangs“ sieht. Herzlich willkommen in der Welt von AstroGeo!
Karl spricht über die korrekte Terminologie rund um Meteoroiden, Meteore, Meteoriten und Boliden. Das ist nämlich ein wenig mühsam: Ein Meteoroid ist ein kleinerer Gesteins- oder Eisbrocken auf einer Sonnenumlaufbahn. Tritt er in die Erdatmosphäre ein, wird er zum Meteor – gerne auch Sternschnuppe genannt. Und schaffen es Bruchstücke bis zur Erdoberfläche, heißen sie schließlich Meteoriten. Auch geht es nochmal darum, auf welchen Größenskalen die Ausdehnung des Universums stattfindet – ob nur jenseits von Galaxien oder auch auf dem Maßstab von Sternen, Planeten oder Atomen.
Dann geht es zurück in der Zeit, zu den ersten Sternen im Universum. Sie sind irgendwo da draußen, aber gefunden hat sie noch niemand. Franzi taucht dafür in die Prozesse ab, bei denen Sterne neue Elemente erbrüten: die Kernfusion von masseärmeren zu -reicheren Elementen. Genau jene massereicheren Elemente, von Astronominnen und Astronomen auch unter dem Sammelbegriff „Metalle“ abgehakt, sollte es nämlich in den sogenannten Sternen der Population III überhaupt nicht geben.
Zur Entstehung des Mondes gab es eine lebhafte Diskussion. Es ging erst einmal um den Befund selbst: Wie sicher ist es, dass ein marsgroßer Planet namens Theia mit der Protoerde zusammenstieß? Es geht um mögliche Szenarien für die Zeit danach, zum Beispiel, dass sich erst zwei Monde gebildet haben, die schließlich auch zusammenstießen und den heutigen Erdmond formten.
Karl erklärt auch die Europium-Anomalie, die als wichtiges Argument für den großen Einschlag gilt: Über den Gehalt des Seltenen Erd-Elements in den Mond-Hochländern und den vulkanischen Mare-Ebenen lässt sich belegen, dass der Mond schon vor der Bildung der großen Einschlagbecken über einen globalen Magmaozean verfügt haben muss.
Abschließend gibt es allgemeines Feedback zur Nutzung des Podcasts (nicht nur, aber auch zum Einschlafen), zu Wissen und Unwissen bei astrophysikalischern Modellen voller Dunkler Materie und Dunkler Energie sowie zum Einsatz KI-generierter Transkripte bei AstroGeo.
Weiterhören bei AstroGeo
- Folge 129: AstroGeoPlänkel: Marsluft, kosmisches Ende und Luftzerplatzer
- Folge 130: Als im Universum die Lichter angingen: Wo sind die ersten Sterne?
- Folge 131: Theias großer Einschlag: wie der Mond entstanden ist
Weiterführende Links
- WP: Meteorit
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- WP: Hauptreihe
- WP: Chandrasekhar-Grenze
- WP: Europium-Anomalie
- Kommentar von Klaus Kassner: Szenario für Mondrotation
Episodenbild: ESO/M. Kornmesser / CC-BY-SA 3.0 Rolf Hempel / Wikimedia Commons

Im oben bereitstehenden Transkript (vielen Dank dafür!) ist zu lesen:
Franziska Konitzer:
> […] Also die Theorie würde lauten: Der Mond ist durch einen gigantischen Einschlag [eines Mars-großen Planeten, auf die Erde] entstanden.
Wer eine solche Aussage unbedingt als „Theorie“ bezeichnen möchte
— anstatt z.B. als „Modell“, oder „Szenario“, oder „Vermutung“, oder „Befund“ etc. —
sollte doch bitte auch mitteilen, wie denn ansonsten (also wenn eben unbedingt nicht so wie ich es gewohnt bin, nämlich: als „Theorie“) das System zu bezeichnen wäre, das die Begriffe überhaupt erst definiert, mit denen die obige Aussage formuliert wurde; d.h. die darin auftauchenden Begriffe „Einschlag“, „Planet“, „Mond“, „Entstehung“ (und womöglich im Zusammenhang auch Begriffe wie „Bahnneigung“, „Drehimpuls“, „chemische Zusammensetzung“) ?
Da Franziska Konitzer (und wohl nicht nur sie alleine) Dasjenige mit dem Wort „Theorie“ bezeichnet, wofür es doch (insbesondere schon) das Wort „Modell“ gibt, mit welchem Wort bezeichnet sie Dasjenige, was ich (und wohl nicht nur ich alleine) als „Theorie“ bezeichne ?
Hallo Karl,
ich möchte hier nur eine Kleinigkeit richtigstellen. Du erklärst, dass das die Oxidationsstufen +II und +III des Europiums bedeuten, dass es 2 bzw. 3 Elektronen in seiner Hülle aufnehmen kann. Doch im Gegenteil bedeutet es, dass 2 bzw. 3 Elektronen abgegeben werden. Das positive Vorzeichen der Oxidationszahl steht für eine theoretische positive Ladung des Matallatoms, die übrig bleibt, wenn die negative Ladung der Elektronen fehlt.
Viele liebe Grüße und danke für euren tollen Podcast
Lara
Danke für die Korrektur!
Danke, dass meine Frage besprochen wurde 🙂
Bei den weiterführenden Links fehlt allerdings noch das zweite „o“ bei Meteoroid.. und auch bei Karls Aussprache habe ich das zweite „o“ vermisst… aber hier in der Zusammenfassung der Episode passt es dann ja 🙂
Danke zurück, ist korrigiert.
Ich muss sagen, ob die Ausdehnung des Weltalls generell auch auf kleinen Skalen stattfindet, habt ihr schwach diskutiert. Das ist im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie nämlich keine Meinungsfrage, sondern die kann man klar beantworten und die Antwort ist nein.
Wobei ich nicht ganz verstehe, wieso ihr euch fragt, was sich denn auf großen Skalen ändert, und das als ungeklärt ansprecht. Ihr hättet nur einen weiteren Abschnitt aus meinem Kommentar zu AstroGeo 129 vorlesen müssen, der diese Frage beantwortet. Das ist der Absatz, der so anfängt:
„Der Punkt ist, dass die Friedmann-Lemaître-Gleichungen, die zu Lösungen mit einer Ausdehnung des Kosmos führen, unter der Voraussetzung der Homogenität und Isotropie der Materieverteilung abgeleitet sind. Diese Homogenität und Isotropie gelten aber nur für die über einige hundert Millionen Lichtjahre gemittelte Materieverteilung.“
Ist der Kosmos homogen? Auf „kleinen“ Skalen natürlich nicht. Die lokale Gruppe, zu der die Milchstraße und die Andromedagalaxie gehören, auch die magellanschen Wolken, der Dreiecksnebel und fünfzig bis sechzig Zwerggalaxien, hat einen Durchmesser von 10 – 13 Millionen Lichtjahren und die Materie ist darin sehr ungleichmäßig verteilt.
Tatsächlich geht man davon aus, dass der Kosmos auf Skalen größer als 100 bis 200 Megaparsec, also 300 bis 600 Millionen Lichtjahren, homogen wird. Das heißt, wenn man die Materieverteilung in einer Kugel mit 200 Megaparsec mit der in einer anderen ebenso großen Kugel in einer anderen Richtung oder an einem anderen Ort im Kosmos vergleicht, dann sind die mittleren Dichten gleich groß und die Galaxienverteilungen sehen auch gleich aus. Das ist es, was sich mit der Skala ändert: unterhalb 100 Megaparsec ist der Kosmos inhomogen und anisotrop, oberhalb ist er (im Mittel) homogen und isotrop.
Die Friedmann-Lemaître-Gleichungen, die unser aktuelles ΛCDM-Modell des Kosmos beschreiben, ergeben sich aus der Feldgleichung der Gravitation, das ist die Einstein-Gleichung, unter der Annahme einer homogenen und isotropen Verteilung der Materie- bzw. Energiedichte. Galaxien sind in den Friedmann-Lemaître-Gleichungen übrigens sogenannte Fundamentalpartikel, also punktförmig, und diese Fundamentalpartikel werden als lokal ruhend angesehen. Je nach Anfangsbedingungen liefern die Friedmann-Lemaître-Gleichungen eine Vergrößerung der Abstände der Fundamentalpartikel durch den zeitabhängigen Skalenfaktor. Das wird gern als „Ausdehnung des Raumes“ interpretiert, eine Interpretation, die aber nicht absolut zwingend ist. (Sie hat auch mit der Koordinatenwahl zu tun, die in der Einführung eines mit den Fundamentalpartikeln mitbewegten Koordinatensystems besteht, was auf eine Identifikation fester Raumpunkte mit den Orten der Fundamentalpartikel hinausläuft.)
Allerdings: auf Skalen unter 100 Megaparsec gelten die Friedmann-Lemaître-Gleichungen gar nicht!
Galaxienbildung kann man zum Beispiel nicht mit ihnen simulieren. Dazu muss man die Einstein-Gleichung mit der tatsächlichen inhomogenen Materieverteilung lösen (bzw. einer Materieverteilung, die die tatsächlichen Inhomogenitäten genügend gut annähert). Und diese Lösungen liefern keine generelle Vergrößerung der Abstände zwischen kosmischen Objekten auf der Skala von Galaxien, Galaxienhaufen oder Galaxienclustern. Das heißt, die Sterne ändern ihre Abstände aufgrund ihrer Eigenbewegung, die von Anfangsbedingungen und Gravitationswechselwirkung mit anderen Sternen bzw. ganzen Galaxien herrühren, Galaxien ändern ihre Abstände ebenso und Cluster halten aufgrund ihrer Gravitationswechselwirkung zusammen — man sagt, sie sind gravitativ gebunden. In welcher Weise sollte man hier von einer Ausdehnung des Raumes zwischen ihnen sprechen, wenn sich ihre Abstände nicht vergrößern?
Tatsächlich kann man die Aussage treffen, dass heute gravitativ gebundene Objekte es ohne Störungen von außen immer bleiben werden, d.h. die kosmologische Ausdehnung führt nie dazu, dass sich der Raum zwischen ihnen ausdehnt, denn beides, die gravitative Bindung und die kosmologische Ausdehnung sind Effekte der Gravitation (weil durch die Einstein-Gleichung beschrieben, die die relevante Grundgleichung der Gravitation ist) und wenn die gravitative Bindung stärker ist, also den Ausdehnungseffekt kompensiert, dann ändert sich daran nichts, solange die „treibende Kraft“ für die Ausdehnung nicht größer wird. Und das ist nicht der Fall, wenn sich Naturkonstanten, insbesondere die kosmologische Konstante, nicht ändern. (Beim Big-Rip-Szenario wird von einer zunehmenden Dichte der dunklen Energie ausgegangen und diese auf Bereiche unterhalb der Punktskala der Friedmann-Lemaître-Gleichunen extrapoliert. Beides ist fragwürdig. Einerseits ist es reine Spekulation, dass es Zustandsgleichungen gibt, in denen der Druck mit zunehmener Energiedichte negativer wird, und zwar schneller als die Lorentzinvarianz des Vakuums das erlaubt. Andererseits kann man von einer Homogenität der dunklen Energie, die die Extrapolation auf kleine Skalen zuließe, nur dann begründet ausgehen, wenn es eben keine separate Energieform ist, die ja fluktuieren könnte, sondern, wie z.B. Sabine Hossenfelder es vertritt, einfach eine zweite Naturkonstante in den Einstein-Gleichungen — neben der newtonschen Gravitationskonstante. Die würde dann auch auf kleinen Skalen wirken, aber sie müsste eben einen festen Wert behalten. Was den Big Rip und Ausdehnung des Raumes gegen eine gravitative Bindung ausschließt.)
Wenn wir zu noch kleineren Skalen gehen, also solchen, mit denen wir im Alltag zu tun haben, von der Größe einer Ameise bis zu der eines Kontinents, dann können wir auch klare Aussagen zur Abwesenheit einer Ausdehnung dieser Objekte treffen. Die Größe eines Wasserstoffatoms, etwa in Form des bohrschen Radius, ist gegeben durch Naturkonstanten: das plancksche Wirkungsquantum, die Elektronenladung und -masse und die Dielektrizitätskonstante (heute: Permittivität) des Vakuums. Bei schwereren Atomen kommt noch die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum dazu. Diese Naturkonstanten bestimmen die Größen von Atomen, die Längen von chemischen Bindungen und damit die Größe von Molekülen. Wenn sie sich nicht ändern, dann bleiben diese Größen von Atomen und Molekülen konstant und damit die Größenskalen von Objekten, die sich aus ihnen aufbauen, Ameisen, Menschen, Häuser, Kontinente. Es gibt keinen experimentellen Hinweis darauf, dass diese Naturkonstanten sich im Laufe der Zeit ändern und die einsteinschen Feldgleichungen machen auch keine derartige Vorhersage, allerdings fügen sie eine Naturkonstante hinzu (oder zwei, wenn man die kosmologische Konstante als Naturkonstante interpretiert). Diese, die Gravitationskonstante, bestimmt zusammen mit den beteiligten Massen, die Größenskalen von gravitativ gebundenen Systemen wie unserem Sonnensystem oder unserer Milchstraße. Die kosmologische Konstante beeinflusst diese Skalen auch, ein bisschen, d.h. die Planetenbahnen sehen etwas anders aus, wenn man bei der Berechnung die Einstein-Gleichung mit kosmologischer Konstante zugrunde legt, als wenn man es ohne diese Konstante macht, wie es üblich ist. Aber die Änderung ist eben eine geringfügige Veränderung der Form der Bahn, die gebunden bleibt und nicht im Laufe der Zeit immer größer wird — es ändert sich die Rosettenform und es mag sogar der Aphelabstand der Bahn mit kosmologischer Konstante größer sein als ohne, aber er wächst eben nicht im Laufe der Zeit.
Generell ist ein Argument wie das, dass sich „der Raum selbst ausdehnt“ mit Vorsicht zu genießen. Oft haben die, die es verwenden, eine falsche Vorstellung vom Raum als einer substanzartigen Entität. Nun wissen wir aus der Quantenfeldtheorie, dass der leere Raum tatsächlich einige substanzartige Eigenschaften hat (z.B. eine Vakuumenergiedichte), aber dazu gehört eben nicht, und das hat uns Einstein gelehrt, eine Geschwindigkeit. Das heißt, für ein Stück Materie, das sich im Raum befindet, ist es nicht feststellbar, ob der Raum sich — relativ zu der Materie — bewegt oder nicht, solange die Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt. Eine beschleunigte Relativbewegung hingegen ist feststellbar, der widersetzt sich die Materie mit ihrer Trägheit.
Hier ist ein kleines Gedankenexperiment: Stellen wir uns eine (große) Hohlkugel, z.B. aus Stahl vor. Der leere Raum im Innern hat ein bestimmtes Volumen. Nun hat uns eine technologisch fortgeschrittene Gesellschaft ein Gerät zur Verfügung gestellt, das wir im Zentrum der Hohlkugel platzieren, weit von der Hülle entfernt, und das dort beginnt, den Raum expandieren zu lassen, und zwar mit konstanter Radialgeschwindigkeit. Wird sich die Hülle der Kugel ausdehnen? Nun, wir können davon ausgehen, dass die Hülle anfangs relativ zum umgebenden und inneren Raum in Ruhe war. Das Vakuum des sich ausdehnenden Raums kann natürlich durch sie durchströmen, was nichts als eine schicke Art ist zu sagen, dass die Hülle sich durch Vakuum ohne nennenswerten Widerstand bewegen kann. Im Endzustand muss sich also das Vakuum mit einer gewissen festen Geschwindigkeit durch die Hülle nach außen bewegen. Von der Hülle können wir also sagen, dass ihre Geschwindigkeit gegenüber dem Vakuum von null auf einen gewissen festen Wert angewachsen und nach innen gerichtet ist. Also musste die Hülle gegenüber dem Vakuum beschleunigen; dem widersetzt sich ihre Trägheit und das bedeutet im Bezugssystem der Hülle eine Trägheitskraft nach außen. Die Hülle dehnt sich also tatsächlich erstmal aus, die Ausdehnung des Raums hat Kräfte auf sie ausgeübt. Dann entstehen in ihr aber elastische Rückstellkräfte, Zugspannungen aufgrund der Dehnung. Sobald nun die Geschwindigkeit der Hülle relativ zum sich ausdehnenden Raum konstant ist, kann dieser keine Kräfte mehr auf sie ausüben. Das ist das Relativitätsprinzip. Physikalisch ist der Zustand einer konstanten Geschwindigkeit im Vakuum für ein Volumenelement der Hülle nicht von dem seiner Ruhe zu unterscheiden. Wenn der sich ausdehnende Raum also mit konstanter Geschwindigkeit durch die Hülle strömt und das muss er ja spätestens, wenn ein Gleichgewicht zwischen den elastischen Rückstellkräften und der Beschleunigungskraft nach außen eintritt, übt er keinerlei Kräfte mehr auf sie aus. Dann aber ziehen die elastischen Spannungen die Hülle wieder zusammen, dann treten wieder – kleinere – Kräfte auf, bis ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht würde, wonach aber wegen des Verschwindens der Ausdehnungskräfte wieder die Elastizität obsiegen würde, usw. In Wirklichkeit würde der Prozess wohl nicht periodisch mit Stillstand, Zusammenziehen und Stillstand erfolgen, sondern es würde nach der anfänglichen Ausdehnung das Zusammenziehen beginnen und solange weitergehen, bis der stationäre Endzustand erreicht ist. Wie sieht der aus? Nun, es muss der sich ausdehnende Raum mit konstanter Geschwindigkeit durch die Hülle strömen, was bedeutet, dass er keine Kräfte mehr auf sie ausüben kann. Außerdem dürfen aber keine elastischen Kräfte mehr wirken, da sich sonst die Hülle weiter zusammenziehen müsste. Der Endzustand ist also offensichtlich eine Hohlkugel mit genau dem gleichen Innenvolumen wie zuvor. Dieses Ergebnis wäre nur dann anders, wenn die Ausdehnung des Raums so gewaltsam erfolgt, dass sie gleich am Anfang die Hohlkugel sprengt oder zumindest plastisch verformt. Im ersten Fall würden dann die Bruchstüke der Hohlkugel fortfliegen, im zweiten wäre ihr Endvolumen tatsächlich etwas größer als ihr Anfangsvolumen.
Gehen wir aber mal vom rein elastischen Fall aus, also nicht big-rip-artiger Ausdehnung des Raums. Welchen Sinn hat es in diesem Fall zu sagen, dass der Raum im Innern der Hohlkugel sich ausgedehnt hat, wenn ihr Volumen dasselbe geblieben ist? Der sich ausdehnende Raum im Innern hat ja keine Dichte oder andere Eigenschaften, an denen man die Ausdehnung festmachen könnte. Und selbst wenn man berücksichtigt, dass das Vakuum eine von null verschiedene Energiedichte haben kann — diese bleibt ja unter der Ausdehnung erhalten, wie wir (unter anderem) aus der Kosmologie wissen. Es gibt überhaupt keine Möglichkeit, eine Ausdehnung des Raumes experimentell nachzuweisen, wenn nicht irgendwelche (Test-)Körper da sind, die der Ausdehnung folgen.
Tatsächlich ist es so, dass die Punkte des Raums — Orte — gar keine individuelle physikalische Identität haben. (Dahinter steckt die Diffeomorphismeninvarianz der Raumzeit-Mannigfaltigkeit, etwas was Einstein noch als allgemeine Kovarianz bezeichnet hat.) Man kann also einem Raumpunkt physikalisch keine eindeutige Geschwindigkeit zuordnen. Geschwindigkeiten bekommen Raumpunkte durch Koordinatensysteme. Man kann zum Beispiel sich den Raum mit Testteilchen geringer Masse, die nicht miteinander wechselwirken, ausgefüllt denken und dann die Geodäten, entlang derer sich die die Teilchen im freien Fall bewegen würden, als Koordinatenlinien fester Raumpunkte in der Raumzeit wählen. Jede dieser Weltlinien definiert einen Raumpunkt und dessen zeitliche Veränderung. Nun gehen aber durch einen Punkt der Raumzeit beliebig viele Geodäten, die alle unterschiedlichen Anfangsgeschwindigkeiten entsprechen. Das heißt, man kann zwei unterschiedliche Koordinatensysteme auf der Raumzeit definieren, so dass sich Geodätenpaare beider zu einer Zeit in den Punkten eines Raumschnitts schneiden, und kann allen Raumpunkten der beiden Koordinatensysteme zu dieser Zeit dieselben Koordinaten geben. Nach dieser Zeit (und vorher) schneiden sich Geodätenpaare, die zu einem Raumpunkt gehörten, nicht mehr. Das aber heißt, was derselbe Raumpunkt ist, ist in den beiden Koordinatensystemen verschieden! (Ein Raumpunkt ist ja — mit seiner gesamten Geschichte — durch eine volle Geodäte definiert und Übereinstimmung besteht zwischen den beiden Koordinatensystemen nur zu einem Zeitpunkt.) In dem einen Koordinatensystem können nun die Geodäten eines Volumenelements auseinanderlaufen, so dass man dieses Volumenelement als sich ausdehnenden Raum ansehen würde, während sie im anderen zusammenlaufen, so dass man das zur Anfangszeit selbe Volumenelement als sich zusammenziehenden Raum ansehen könnte. Diese Raumausdehnung bzw. -schrumpfung ist ein Koordinateneffekt, der mit der Identitätszuweisung des Volumenelements durch die Koordinaten zusammenhängt, lässt sich also schwerlich als Ausdehnung oder Schrumpfung eines physikalischen Raums interpretieren.
Nun wird in der Kosmologie ja die Raumausdehnung an echten Fundamentalteilchen, nämlich Galaxien, festgemacht, die sich voneinander entfernen (nicht hypothetischen Koordinatenlinien), es ist also ein physikalischer Effekt (auf Materie) mit ihr verbunden. In besseren Varianten der Luftballonanalogie für den sich ausdehnenden Kosmos wird allerdings betont, dass das Bild falsch ist, bei dem die Galaxien auf den Luftballon aufgemalt sind, der aufgeblasen wird, weil sie sich dann nämlich mit der Oberfläche des Ballons mit vergrößern würden. Ein richtiges Bild hingegen sei, dass die Galaxien aus Papier gebastelte Kleinteile sind, die auf den Ballon aufgeklebt sind. Das heißt, die Galaxien bleiben in ihrer Größe unverändert, während der Ballon (= Kosmos) größer wird.
Dass die Ausdehnung des Raums nur eine Interpretation der Friedmann-Lemaître-Gleichungen (zusammen mit der Robertson-Walker-Metrik) ist (die im Kontext der allgemeinen Relativitätstheorie sicher die natürlichste ist), kann man daran sehen, dass sich diese Gleichungen für einige Parameterwerte auch aus der newtonschen Gravitationstheorie ableiten lassen. Das gilt für Staubuniversen ohne kosmologische Konstante. Staubuniversen haben den Druck null, was gegenwärtig in guter Näherung für unseren Kosmos gegeben ist. Strahlungskosmen haben einen Druck von einem Drittel ihrer Energiedichte und benötigen eine relativistische Beschreibung. Die kosmologische Konstante ist ungleich null, wenn der Befund, dass unser Universum sich beschleunigt ausdehnt, Bestand haben sollte.
Was aber interessant ist — unter den aus dem newtonschen Gravitationgesetz ableitbaren kosmologischen Modellen befinden sich auch solche mit Krümmungsindex 1 oder -1. In der allgemeinen Relativitätstheorie wird Krümmungsindex 1 als Vorliegen einer positiven Raumkrümmung gedeutet, -1 als das Vorhandensein negativer Krümmung. In der newtonschen Herleitung ist der Raum ungekrümmt und der „Krümmungsindex“ ist eine Aussage darüber, ob die Gesamtenergie des Kosmos groß genug ist, dass die Ausdehnung ewig weitergeht (mit nicht gegen null gehender Geschwindigkeit), das entspricht einem Energieparameter E>0 (und k=-1), ewig weitergeht mit gegen null gehender Geschwindigkeit, das entspricht E=0 (und k=0) oder ob es irgendwann zu einer Schrumpfung kommt, also der Kosmos als Ganzes ein gravitativ gebundenes System ist E<0 (und k=1).
Auch die Interpretation der Ausdehnung des Kosmos ist für diese Friedmann-Lemaître-Gleichungen (die identisch mit den aus der allgemeinen Relativitätstheorie hergeleiteten sind) unterschiedlich im Rahmen der beiden Theorien: im Rahmen der ART sieht man gern den Raum selbst als sich ausdehnend an, erkennbar an der Zeitabhängigkeit des räumlichen Teils der Metrik, im Rahmen der newtonschen Mechanik bewegen sich die Galaxien in einem absoluten unveränderlichen Raum auseinander. Damit einher geht, dass der newtonsche Friedmann-Kosmos zu E<0 (k=1) unendlich ist, während er in der einsteinschen Theorie geschlossen und endlich ist.
Wie können sich in einem unveränderten Raum die Galaxien voneinander entfernen und ihre Anzahldichte (oder die homogenisierte Massendichte) abnehmen? Das ist in einem unendlichen Kosmos ohne Weiteres möglich — es funktioniert wie beim Hotel Infinity. Dort sind alle Zimmer besetzt, die Besetzungsdichte ist ein Gast pro Zimmer. Es kommt ein Schwung neuer Gäste an, der Hotelier lässt alle Gäste in das Zimmer mit der doppelten Zimmernummer umziehen, die Gästedichte sinkt damit auf 1/2 und die neuen kommen alle unter. In einem unendlichen Universum können alle Galaxien auseinanderfliegen und ihre Anzahldichte kann abnehmen, ohne dass sich am Volumen des Universums etwas ändert. (Ohne die Idee der Raumausdehnung zwischen den Galaxien sprengt das Ganze doch etwas die Vorstellungskraft: in einem homogen mit Masse erfüllten newtonschen Universum würde man wohl erwarten, dass wenn an jedem Punkt die Galaxien auseinanderstreben, in jede große Kugel um eine Galaxie gleichviele Galaxien von außen einströmen wie von innen nach außen gehen. Das heißt, die Dichte sollte sich nicht ändern. Aber man kann die Friedmann-Gleichung mit ihrer Dichteänderung in der newtonschen Dynamik ableiten und hat keine zugehörige Metrik, also keine Aussage über Raumausdehnung.)
Um es nochmal knapp zusammenzufassen: die Friedmann-Lemaître-Gleichungen, die unseren kosmologischen Modellen zugrunde liegen, machen Aussagen über eine Ausdehnung des Raumes nur auf Längenskalen, auf denen sie gelten, d.h. wo die Materieverteilung im Kosmos als homogen und isotrop angesehen werden kann. Auf Skalen darunter gelten die einsteinschen Feldgleichungen ohne Symmetrieannahmen und die liefern gravitativ gebundene Strukturen, innerhalb derer der Raum sich nicht ausdehnt. Objekte, die durch nichtgravitative Kräfte (z.B. elektromagnetischer Natur) zusammenhalten, dehnen sich ebenfalls nicht aus.
Hallo Klaus,
bedeutet dass, das die Gravitation stärker als die „dunkle Energie“ oder was auch immer ist, die für die Expansion des Weltalls verantwortlich ist, sodass dieses „etwas“ nur in den voids zwischen den Strukturen mit starker Gravitation wirken kann? Mit anderen Worten: Was sich eigentlich ausdehnt, sind die Voids? Es wird ja immer gern der Hefeteig mit den Rosinen als Schaubild genommen. Galaxienhaufen sind also die Rosinen, die gleich „groß“ bleiben, egal wie stark der Teig aufgeht? Super spannend!
Klaus Kassner schrieb (10. Februar 2026):
> […] Generell ist ein Argument wie das, dass sich „der Raum selbst ausdehnt“ mit Vorsicht zu genießen.
Unbestreitbar.
> […] in den Friedmann-Lemaître-Gleichungen übrigens sogenannte Fundamentalpartikel, also punktförmig, und diese Fundamentalpartikel werden als lokal ruhend angesehen.
Entsprechende modernere und nicht zuletzt international offenbar gebräuchlichere Begriffe sind
– (jede einzelne Zeit-artige Geodäte der) „fundamental congruence der Friedmann-Lemaître-Gleichungen (mit jeweils bestimmten Parametern); somit auch
– jede („\vec x = const., \forall t“) – Koordinaten-Linie der entsprechenden (passend adaptierten) Koordinatensysteme; bzw. („idealisiert als“)
– (jeweils ein) „comoving particle im Hubble-Fluss eines Universums von bestimmter Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Kosmologie“; bzw.
– dessen (Zeit-artige, geodätische) Weltlinie.
> […] Vergrößerung der Abstände der Fundamentalpartikel
> […] Galaxien ändern ihre Abstände [voneinander …]
Weil/Sofern es sowieso nicht um (bloße, oder womöglich skalierte) Koordinaten-Differenz(en) zwischen bestimmten Paaren von Koordinaten-Linien geht,
und auch nicht um den (jeweils als konstant zu verstehenden) Abstand zwischen (je zwei) ausdrücklich „(still-und-starr) gegenübereinander Stehen(-bleiben)-den„, ist der Begriff „Entfernung“ geeignet und die Formulierungen
„Zunahme der Entfernungen (zwischen bestimmten Weltlinien)“ und
„Veränderung der Entfernung (zwischen zwei bestimmten Galaxien)“ sind jedenfalls schlüssig und ggf. zutreffend.
> […] hat auch mit der Koordinatenwahl zu tun, die in der Einführung eines mit den Fundamentalpartikeln mitbewegten Koordinatensystems besteht
Durch die Relativitätstheorie(n) verfügen wir aber über Koordinaten-unabhängige Maße (sogenannte „Invarianten“) zur Charakterisierung von geometrischen Beziehungen von bzw. zwischen (ggf. geeignet idealisierten) sogenannten „materiellen Punkten“; insbesondere Verhältnisse der Bogenlängen (alias Dauern) bestimmter Segmente von Zeit-artigen Weltlinien.
Die geometrische, räumliche Entfernung zwischen je zwei bestimmten Beteiligten (und ob und wie sich diese ggf. verändert) ist als deren sogenannte „Radar-Entfernung“ aus Verhältnissen der gegenseitigen Ping-Dauern Versuch für Versuch vergleichbar, und auch zwischen verschiedenen Paaren vergleichbar.
(Entsprechende konkrete Messungen wären natürlich zunehmend unpraktisch, falls ein Beteiligter etwa Stunden-lang auf Ping-Echos der anderen warten müsste; geschweige denn Jahre-lang, oder gar Milliarden-Jahre-lang.
Dennoch gibt das Mess-Prinzip an sich, als Definition der Messgröße, eine unverzichtbare Grundlage zum Eingrenzen der systematischen Unsicherheiten von „Entfernungs-Abschätzungen mit schnelleren und ökonomischeren Methoden“, die wohl in der Astronomie gebräuchlicher sind.)
Die Fragestellung nach Entfernungs-Verhältnissen (und deren eventuelle Veränderungen) zwischen identifizierbaren, einander wahrnehmenden Beteiligten ist somit auch ohne FLRW-Modell-Annahmen berechtigt und i.A. beantwortbar.
Auf dieser Grundlage sind wiederum Charakterisierungen der („mittleren“, „wahrscheinlichsten“) Geometrien ganzer (endlicher) Raumzeit-Regionen definierbar;
mit „Synge’s 5-point curvature detector“ als vermutlich bekanntestem Beispiel. …