Friedmann-Gleichung: Unterschied zwischen den Versionen

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-Die '''Friedmann-Gleichung''' beschreibt die Entwicklung des [[Universum]]s. Sie wird manchmal auch als Friedmann-Lemaître-Gleichung bezeichnet, weil sie 1927 unabhängig von Friedmann und auch von [[Georges Lemaître]] entdeckt wurde. Aus dieser Gleichung lassen sich je nach dem [[Dichteparameter|Energiegehalt des Universums]] Voraussagen über die zeitliche Entwicklung, d.&nbsp;h. dessen spezieller Form der [[Expansion des Universums|Expansion]] oder Kontraktion herleiten.
+#WEITERLEITUNG [[Friedmann-Gleichungen]]
-Die Materieverteilung im Universum ist auf geringen Entfernungen sehr unregelmäßig, erscheint allerdings ab mehreren hundert [[Parsec|Megaparsec]] zunehmend [[Isotropie|isotrop]], das heißt in alle Richtungen gleich aussehend. Unter der Annahme, dass ein Beobachter im Universum in keiner Weise privilegiert ist ([[kopernikanisches Prinzip]]), leitet sich daraus unmittelbar ab, dass das Universum von jedem Standpunkt aus isotrop und [[Homogenität|homogen]] aussieht. Dies ist auch als [[Kosmologisches Prinzip]] bekannt. Berücksichtigt man diese Isotropie der Materieverteilung, so folgt, dass der räumliche Anteil des [[Energie-Impuls-Tensor]]s eine relativ einfache Form bekommt und ein Vielfaches des Einheitstensors sein muss. Der Energie-Impuls-Tensor erhält damit die folgende Form:<ref name="flb">[[Torsten Fließbach]]: ''Allgemeine Relativitätstheorie''. 4.&nbsp;Auflage, Elsevier – Spektrum Akademischer Verlag, 2003, ISBN 3-8274-1356-7</ref>
-: <math>
-(T^\mu{}_\nu)=(g^{\mu \kappa}T_{\kappa \nu}) = \operatorname{diag} (-\rho c^2, p, p, p)\,.
-</math>
-<math>\rho=\rho(t)</math> steht dabei für die räumlich homogene [[Massendichte]] und <math>p=p(t)</math> für den [[Druck (Physik)|Druck]]. Beide Funktionen hängen nur von dem [[zeitartig | zeitartigen]] Parameter <math>t</math> ab.
-Das kosmologische Prinzip macht nun die weitere Annahme erforderlich, dass die räumliche Krümmung des Raumes unabhängig von der Position im Raum sein soll. Diese Annahme führt zu einer relativ speziellen Form des [[metrischer Tensor| metrischen Tensors]]. Wird dieser Tensor und die eben gezeigte Form des Energie-Impuls-Tensors in die [[Einsteinsche Feldgleichungen|einsteinschen Feldgleichungen]] der [[Allgemeine Relativitätstheorie|Allgemeinen Relativitätstheorie (ART)]] mit [[kosmologische Konstante | kosmologischer Konstante]] <math>\Lambda</math> eingesetzt, so kann man daraus die [[Robertson-Walker-Metrik]] ableiten, die weiter unten noch näher beschrieben wird. Bei dieser Herleitung erhält man zusätzlich auch die Friedmann-Gleichung in ihrer modernen Fassung mit kosmologischer Konstante:
-: <math>
-  H^2 = \left(\frac{\dot a}{a}\right)^2 = \frac{8 \pi G}{3} \rho - \frac{kc^2}{a^2}\ +  \frac{\Lambda c^2}{3},
-</math>
-sowie die ''Beschleunigungsgleichung''
-: <math>
-{\dot H} + H^2 = \frac{\ddot a}{a} = -\frac{4 \pi G}{3c^2} \left( \rho c^2  + 3 p \right)  +  \frac{\Lambda c^2}{3}\, .
-</math>
-Hierbei bezeichnet <math>a(t)</math> den [[Skalenfaktor]], <math>G</math> die [[Gravitationskonstante]] und <math>k</math> den Krümmungsparameter (0, +1, −1) aus der Robertson-Walker-Metrik. <math>H</math> bezeichnet den [[Hubble-Konstante|Hubble-Parameter]].
-== Grundlegendes ==
-[[Albert Einstein]] ging zunächst von einem [[Statisches Universum|statischen Universum]] aus, das sich weder ausdehnt noch zusammenzieht. Dazu musste er in seinen Gleichungen der [[Allgemeine Relativitätstheorie|allgemeinen Relativitätstheorie]] eine entsprechende Konstante einführen, die er [[kosmologische Konstante]] (Λ) nannte.
-Der russische Mathematiker und Physiker [[Alexander Alexandrowitsch Friedmann|Alexander Friedmann]] verwarf diese Annahme eines statischen Universums und setzte die [[kosmologische Konstante]] gleich Null. Stattdessen stellte er mit den nach ihm benannten ''Friedmann-Gleichungen'' drei Modelle eines expandierenden Universums auf. Diese beeinflussten in der Folge erheblich die physikalischen Auffassungen und Modelle Einsteins.
-Die Gleichungen sagen in Abhängigkeit von der totalen Energiedichte verschiedene Werte für die [[Raumzeit#Raumzeit-Krümmung|Krümmung]] der [[Raumzeit]] voraus (entsprechend den Werten −1, 0 oder +1 für <math>k</math> in obigen Gleichungen):
-# Modell: Die Energiedichte des Universums ist größer als die kritische Energiedichte (siehe unten). Dann ist die Krümmung der Raumzeit positiv <math>(k = 1)</math>, das Universum „sphärisch“ (ein zweidimensionales Analogon wäre die Oberfläche einer Kugel). Ein solches sphärisches Universum ist übrigens auch geschlossen: Obwohl unbegrenzt wäre es nur endlich groß. Wer lange genug in eine Richtung läuft, kommt irgendwann zu seinem Ausgangspunkt zurück.
-# Modell: Die Energiedichte ist genau so groß wie die kritische Energiedichte. Die Raumzeit hat verschwindende Krümmung <math>(k = 0)</math>, das Universum ist „flach“ (entspräche in zwei Dimensionen einer [[Ebene (Mathematik)|Ebene]]).
-# Modell: Die Energiedichte ist kleiner als der kritische Wert. Die Krümmung der Raumzeit ist negativ <math>(k = -1)</math>, das Universum „[[Hyperbel_(Mathematik)|hyperbolisch]]“.
-Je nach [[Zustandsgleichung]] der im Universum enthaltenen Materie ergeben sich auch drei verschiedene Möglichkeiten für die weitere Entwicklung des Universums:
-# Möglichkeit: Die [[Gravitation]] ist in der Lage, die Expansion soweit abzubremsen, dass sie zum Stillstand kommt und sich umkehrt. Das Universum zieht sich auf einen einzigen Punkt zusammen ([[Big Crunch]]). Über die weitere Entwicklung „nach“ diesem Ereignis kann nur spekuliert werden. Einige Szenarien sehen die Möglichkeit eines „pulsierenden“ Universums vor.
-# Möglichkeit: Die Gravitation verlangsamt die Expansion immer weiter, bringt sie jedoch nicht zum Stillstand.
-# Möglichkeit: Die Expansion beschleunigt sich und die gewöhnliche Materie im Universum wird immer weiter ausgedünnt.
-Die verschiedenen Möglichkeiten für die Krümmung und das Expansionsverhalten des Universums sind zunächst unabhängig voneinander. Erst durch verschiedene einschränkende Annahmen über die vorkommenden Materieformen ergeben sich Abhängigkeiten.
-Die durch die Friedmann-Gleichung beschriebene [[Expansion des Universums]] liefert eine Erklärung für den 1929 von [[Edwin Hubble]] entdeckten linearen Zusammenhang von Rotverschiebung und Entfernung. Hubble selbst interpretierte seine Beobachtungen damals zunächst als optischen Dopplereffekt. Modelle statischer Universen, die zuvor populär waren, können die beobachtete Rotverschiebung nicht erklären und verloren somit weiter an Bedeutung.
-Die Expansionsrate wird mit der [[Hubble-Konstante]] H<sub>0</sub> angegeben. Aus H<sub>0</sub> lässt sich das Alter des Universums bestimmen, wobei jedes der drei Modelle einen anderen Wert liefert.
-Aus neuesten Messungen der Expansionsrate über die [[Kosmischer Mikrowellenhintergrund|Hintergrundstrahlung]] des Weltalls ergibt sich derzeit (März 2004) folgendes Bild:
-*Die Hubble-Konstante beträgt 67,11&nbsp;km/(s · Megaparsec), wobei gilt: 1 Parsec = 3,26&nbsp;Lichtjahre. Daraus ergibt sich ein Alter des Universums von 13,82&nbsp;Milliarden Jahren.
-*Das Universum ist im Rahmen der Messgenauigkeit flach.
-*Die Expansion beschleunigt sich.
-Die gesamte Energiedichte des Universums setzt sich nach neuesten Erkenntnissen zusammen aus:
-* 68 % [[Dunkle Energie|Vakuum-Energiedichte]] (Dunkle Energie)
-* 28 % [[Dunkle Materie#Kalte Dunkle Materie (CDM)|kalte dunkle Materie]]
-* 4 % [[baryon]]ische Materie, d.&nbsp;h. die „normalen“ Elemente
-* falls überhaupt, weniger als 1 % [[Dunkle Materie#Heiße Dunkle Materie (HDM)|heiße dunkle Materie]].
-== Herleitung ==
-=== Die Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie ===
-Obwohl die [[Gravitation]] die schwächste der vier bekannten Wechselwirkungen ist, stellt sie auf größeren Maßstäben die dominierende Kraft im Universum dar und bestimmt dessen Entwicklung und Dynamik. Die gegenwärtig beste Beschreibung der Gravitation ist die [[allgemeine Relativitätstheorie]] (ART). Diese verknüpft die Verteilung und Dynamik der Materie mit der Geometrie der Raumzeit gemäß:
-: <math>G_{\mu\nu}=\frac{8\pi G}{c^4} T_{\mu\nu} - g_{\mu\nu}\Lambda \qquad \mu,\nu \in \{0,1,2,3\}</math>
-Hierin beschreibt der [[Einsteinsche Feldgleichungen|Einstein-Tensor]] '''G''' die Geometrie der Raumzeit, während der [[Energie-Impuls-Tensor]] '''T''' alle Materie- und Energiefelder umfasst. Der (0,2)-[[Tensor]] <math>g</math> heißt [[Einsteinmetrik]] und stellt die allgemein-relativistische Verallgemeinerung des [[Metrischer Tensor|metrischen Tensors]]
-: <math>(\eta_{\mu\nu}) = \operatorname{diag}(-1, 1, 1, 1)</math>
-für die statische und flache [[Minkowski-Raum]]zeit auf gekrümmte Raumzeiten dar. <math>\Lambda</math> steht für die [[kosmologische Konstante]]. Letztere wird unter anderem als [[Vakuumenergie]] interpretiert, die mit Hilfe [[Virtuelles Teilchen|virtueller Teilchen]] zwar berechnet werden kann, aber unbefriedigende Werte ergibt. Ihre eigentliche Natur ist also noch nicht ausreichend verstanden.
-Exakte Lösungen für die Feldgleichungen wurden bisher nur für hochsymmetrische Materieverteilungen gefunden. Das Problem besteht darin, für die oben beschriebene, idealisierte Materie- und Energieverteilung '''T''' einen passenden metrischen Tensor '''g''' zu finden, aus der sich der Einsteintensor '''G''' zusammensetzt.
-Der metrische Tensor kann über das sogenannte [[Linienelement]] dargestellt werden,
-: <math>
-{\mathrm d} s^2=g_{\mu\nu}\, {\mathrm d} x^\mu\, {\mathrm d} x^\nu
-</math>
-wobei über identische, hoch- und tiefgestellte Indizes über alle möglichen Werte des Index zu summieren ist. Diese abkürzende Schreibweise wird auch [[einsteinsche Summenkonvention]] genannt.
-=== Metrischer Tensor für ein symmetrisches Universum ===
-[[Howard P. Robertson]] (1935) und [[Arthur Geoffrey Walker]] (1936) fanden, wie oben bereits angedeutet, unabhängig voneinander eine Lösung für die Feldgleichungen für den Fall eines idealisierten Kosmos mit konstanter Krümmung. Das Linienelement dieser Geometrie, welches bereits 1922 von Friedmann benutzt wurde, lautet
-: <math>
-\mathrm{d} s^{2} = -c^2\mathrm{d} t^{2} + a^{2}(t)\left[\mathrm{d} r^2 + f_k^{\,2}(r)\left(\mathrm{d}\theta^2 +
-  \sin^2\theta\, \mathrm{d} \phi^2\right)\right]\,.
-</math>
-Hierbei stellt <math>r</math> die „mitbewegte“ Radialkoordinate dar, <math>t</math> die Eigenzeit eines „mitbewegten Beobachters“, <math>a(t)</math> den Expansionsfaktor des Universums. <math>\theta</math> und <math>\phi</math> kennzeichnen die beiden Winkelkoordinaten, analog zu einem sphärischen Koordinatensystem. Ein mitbewegter Beobachter folgt der Expansion des Universums. Seine mitbewegte Radialkoordinate behält hierbei ihren numerischen Wert.
-Die Funktion <math>f_k(r)</math> unterscheidet zwischen dreidimensionalen raumartigen Hyperflächen konstanter Zeit <math>t</math> mit positiver, verschwindender, oder negativer Krümmung <math>k</math>. Unter einer solchen Hyperfläche versteht man alle Ereignisse, die zur gleichen kosmologischen Zeit stattfinden. Zum Beispiel formen unsere Milchstraße und alle anderen [[Galaxie]]n ''heute'' eine raumartige Hyperfläche. Nur sehen wir diese Galaxien aufgrund der [[Lichtlaufzeit]] nicht in diesem heutigen Zustand, sondern in einem individuellen und bereits vergangenen Zustand. Die raumartige Hyperfläche, welche sie aufspannen, ist daher keiner Beobachtung zugänglich.
-<math>f_k(r)</math> ist gegeben durch
-: <math>
-f_k(r)=
- \begin{cases}
-   \frac{1}{\sqrt{k}} \sin (\sqrt{k}r) & k > 0\\
-   r & k = 0\;.\\
-   \frac{1}{\sqrt{-k}} \sinh (\sqrt{-k}r) & k < 0
- \end{cases}
-</math>
-Durch Umskalieren der Radialkoordinate <math>r</math> und Neudefinition des Skalenfaktors <math>a</math> lässt sich der Krümmungsparameter <math>k</math> auf einen der Werte −1, 0 oder 1 festlegen. Mit der Robertson-Walker-Metrik und der oben gezeigten Form des Energie-Impuls-Tensors können aus den einsteinschen Feldgleichungen die Friedmann-Gleichungen abgeleitet werden. Details dazu finden sich unter anderem in ''Gravitation'' (Misner, Thorne und Wheeler, 1973).
-== Energieerhaltung ==
-Die Friedmann-Gleichung und die Beschleunigungsgleichung lassen sich zu einer weiteren Gleichung kombinieren<ref name="flb" />, die in anschaulicher Weise die [[Energieerhaltungssatz | Massen- und Energieerhaltung]] beschreibt
-: <math>
-\frac{\text{d}}{\text{d}t}\,(\rho\,a^3) = -\frac{p}{c^2}\,\frac{\text{d}}{\text{d}t}\,(a^3)\,.
-</math>
-Die Friedmann-Gleichung genügt daher, um zusammen mit dem Energieerhaltungssatz die globale Entwicklung des Universums zu beschreiben.
-== Spezielle Lösungen ==
-Die Friedmann-Gleichung und die Beschleunigungsgleichung enthalten die drei unbekannten Funktionen <math>a(t)</math>, <math>\rho(t)</math> und <math>p(t)</math>. Um eine eindeutige Lösung zu erhalten, ist daher eine weitere Gleichung, die [[Zustandsgleichung]] der Materie, nötig. Gewöhnliche ([[Baryon|baryonische]]) Materie, Strahlung und die Kosmologische Konstante bilden die Hauptquellen der Gravitation auf der rechten Seite der Feldgleichungen der ART. Die Materie kann hierbei als druckloser „Staub“ angesehen werden, d.&nbsp;h. die Teilchen bewegen sich kollisionsfrei mit nicht-relativistischen Geschwindigkeiten. Für die drei unbekannten Funktionen gelten damit die folgenden drei Zustandsgleichungen:
-: <math>p_{\mathrm{mat}}=0\ </math>
-: <math>p_{\mathrm{str}}=c^2\rho_{\mathrm{str}}/3\ </math>
-: <math>p_\Lambda=-c^2\rho_\Lambda\ </math>.
-Aus der [[Energieerhaltungssatz|Energieerhaltung]] ergibt sich daraus der Zusammenhang zwischen Dichte <math>\rho</math> und Skalenfaktor <math>a</math>
-: <math>\rho_{\mathrm{mat}} \propto a^{-3}\ </math>
-: <math>\rho_{\mathrm{str}} \propto a^{-4}\ </math>
-: <math>\rho_\Lambda = \text{const.}\ </math>
-Als Anfangswert für die Friedmann-Gleichung wird <math>a(t_0)=a_0</math> verwendet, wobei <math>t_0</math> die kosmologische Zeit im Jetzt darstellt. Mit den Konstanten
-: <math>
-\Omega_{\rm M}:=\frac{8\pi G}{3 H_0^2}\,\rho_0,\qquad
-\Omega_\Lambda:=\frac{\Lambda c^2}{3 H_0^2}\;,
-</math>
-welche die Materiedichte und Vakuumenergiedichte parametrisieren, können die Friedmann-Lemaître-Gleichung dann auch als
-: <math>
-H^2(t)=H_0^2\,\left(\Omega_{\rm M}\frac{a_0^3}{a^3}-\frac{kc^2}{a^2 H_0^2}+\Omega_\Lambda\right)\,
-</math>
-geschrieben werden. Die Hubble-Funktion wird dabei, wie oben, gemäß
-: <math>
-H(t):={\dot a}(t)/a(t)\,
-</math>
-definiert. Diese beschreibt die Expansionsrate des Universums, mit <math>H_0=H(t_0)</math> zum heutigen Zeitpunkt. Die Strahlungsdichte wurde vernachlässigt, da sie mit <math>a^{-4}</math> abfällt und daher gegenüber der Materiedichte rasch unbedeutend wird.
-Löst man die Friedmann-Gleichung für den speziellen Zeitpunkt <math>t=t_0</math>, sieht man, dass die Konstanten nicht unabhängig sind, sondern dass gilt
-: <math>
-\frac{kc^2}{a_0^2H_0^2} = \Omega_{\rm M}+\Omega_\Lambda-1\,.
-</math>
-Setzt man dies in die Friedmann-Gleichung ein, erhält man die bekannteste Darstellung:
-: <math>
-H^2(t) = H_0^2\,\left(\Omega_{\rm M}\frac{a_0^3}{a^3} + \left(1-\Omega_{\rm M}-\Omega_\Lambda\right)\frac{a_0^2}{a^2}
-         +\Omega_\Lambda\right)\,.
-</math>
-Für ein flaches Universum mit <math>\Omega_{\rm M} + \Omega_\Lambda = 1</math>, wie dem Unseren, kann man eine explizite Lösung dieser Gleichung für den Skalenfaktor angeben. Mit dem Verfahren der Variablentrennung lässt sich die Differentialgleichung in ein Integral verwandeln. <math>t(a)</math> berechnet sich damit zu
-:<math>
-t(a)-t_0=\frac{2}{3 H_0\sqrt{\Omega_\Lambda}}\,\ln \left(
-     \frac{(a/a_0)^{3/2}\Omega_\Lambda +
-          \sqrt{\Omega_{\rm M}\Omega_\Lambda + (a/a_0)^3 \Omega_\Lambda^2}}
-          {\Omega_\Lambda + \sqrt{\Omega_{\rm M}\Omega_\Lambda + \Omega_\Lambda^2}}
-    \right)\;.
-</math>
-was sich in weiterer Folge auf
-:<math>t(a) = \frac{1}{3 H_0 \sqrt{\Omega_{\Lambda} }} \  2 \ {\rm arcsinh} \sqrt{a_0^3 \ \frac{\Omega_{\Lambda}}{\Omega_m}}</math>
-kürzen lässt. Wählt man <math>a(0)=0</math>, so dass das Universum einen singulären Anfang besitzt, so berechnet sich das Weltalter gemäß:
-:<math>
-t_0 = \frac{1}{3H_0 \sqrt{\Omega_\Lambda}}\, \ln \left( \frac{1+\sqrt{\Omega_\Lambda}}{1-\sqrt{\Omega_\Lambda}}\right )
-</math>
-Damit kann man dann die folgende Formel für die Zeitabhängigkeit des Skalenfaktors herleiten:
-:<math>
-a(t) = a_0\left( \sqrt{\frac{\Omega_{\rm M}}{\Omega_\Lambda}} \sinh (\omega t)
-       \right)^{2/3}, \quad \mbox{mit} \quad
-      \omega := \frac{3\,H_0 \sqrt{\Omega_\Lambda}}{2}\,.
-</math>
-Dieser Ausdruck beschreibt das Expansionsverhalten für ein flaches Universum mit kosmologischer Konstante. Peacock (2001) und Carroll (1992) haben einen identischen Ausdruck in anderer analytischer Form hergeleitet. Die über das [[Planck-Weltraumteleskop]] gemessenen Schwankungen in der [[Kosmischer Mikrowellenhintergrund|Hintergrundstrahlung]] erlauben Rückschlüsse auf die Geometrie unseres Universums. Demnach ist dieses flach, mit einem Materiedichteparameter <math>\Omega_{\rm M} = 0{,}32</math>, einem Vakuumdichteparameter <math>\Omega_\Lambda = 0{,}68</math> und einer Hubblekonstante von <math>H_0=67{,}11 ~ {\text{km s}^{-1}}{\text{/Mpc}}</math>.
-Praktische Lösungen a(t) für <math>\Lambda</math> und <math>k</math> sind in Englisch oder Französisch auf {{cite web|title= Lösung der Einsteinschen Gleichungen mit dem Metrik Lemaitre-Friedmann-Robertson-Walker|url=http://www.regispetit.com/rela.htm}} zu finden.
-== Kosmologische Rotverschiebung und Entfernungsmaße ==
-In dynamischen und gekrümmten Raumzeiten gibt es, im Gegensatz zu [[euklidischer Raum|euklidischen Räumen]], kein eindeutiges Entfernungsmaß mehr. Es existieren vielmehr verschiedene, gleichberechtigte [[Entfernungsmaß | Entfernungsdefinitionen]], die unter anderem mit Hilfe des [[Linienelement]]es eines Photons und der [[Rotverschiebung #Kosmologische Rotverschiebung|kosmologischen Rotverschiebung]] begründet, bzw. abgeleitet werden können.
-==Referenzen==
-<references/>
-== Siehe auch ==
-* [[Kosmologie]]
-* [[Urknall]]
-* [[Expansion des Universums]]
-* [[Supernova Cosmology Project]]
-== Weblinks ==
-* [http://www.raumfahrer.net/astronomie/kosmologie/dunkle_materie_01.shtml Friedmann-Modelle]
-* {{TIBAV |19913 |Linktext=Kosmologie der Friedmann-Gleichungen |Herausgeber=Loviscach |Jahr=2014 |DOI=10.5446/19913}}
-== Literatur ==
-*Caroll, S. M., Press, W. H., Turner, E. L. 1992, ''Ann. Rev. Astr. Astrophys.'', 30, 499
-*Friedmann, A. 1922, ''Zeitschrift für Physik'', 10, 377
-*Misner, C., Thorne, K. S., Wheeler, J. A.: ''Gravitation'', W. H. Freeman, San Francisco, 1973. ISBN 0-7167-0344-0.
-*Peacock, J. A. 2001, ''Cosmological Physics'', Cambridge University Press, ISBN 0-521-42270-1.
-*Robertson, H. P. 1935, ''Astrophysical Journal'', 82, 284
-*Walker, A. G. 1936, ''Proc. Lond. Math. Soc. (2)'', 42, 90
-[[Kategorie:Kosmologie (Physik)]]