Vorwort

Der Kosmos ist ein in zweierlei Hinsicht aufregendes Objekt der Wissenschaft. Zum einen begrenzt er alle mögliche Extrapolation der Strukturen und Bewegungsgesetze, zum anderen ist er in einfachster Näherung ganz elementaren Überlegungen offen, die die Gesetze der lokal beobachteten Natur in prinzipiellen Aussagen zusammenfassen. Merkwürdigerweise gibt es aber weder Konsens über den epistemologischen Status noch über die Eingrenzung des Objekts der Wissenschaft Kosmologie. In diesem Buch wollen wir ganz pragmatisch vorgehen und die globale Extrapolation der Physik wie auch die Gesamtgeschichte des sich entwickelnden Universums darstellen. Diese Geschichte ist das Ergebnis einer All-umfassenden Expansion, die die meisten Teilsysteme in einen Zustand fern vom thermodynamischen Gleichgewicht versetzt, obwohl die Expansion selbst als adiabatisch angesehen werden muß.

Die moderne Kosmologie ist eng mit der Physik der elementaren Teilchen und ihrer Wechselwirkungen verknüpft. Die charakteristischen Energieskalen der Elementarteilchen, Atome und Moleküle haben ihr Abbild in den Zeitskalen der Geschichte des Weltalls. Dessen Expansion muß in Zeiten begonnen haben, wo das Universum so heiß war, daß jede in Betracht zu ziehende Energie als thermische Energie realisiert war. Besonders die Prozesse, die man für die Energien der Großen Unitären Theorien erwarten muß, können nur einmal stattgefunden haben, in der fernen Vergangenheit des Kosmos. Ihre Konsequenzen können bestenfalls als Relikte dieser Zeiten beobachtet werden.

Die moderne Kosmologie ist ebenfalls eng mit der Allgemeinen Relativitätstheorie verbunden, und die fundamentale Frage der Relation zwischen jener und der Quantentheorie spiegelt sich in der Frage nach Form und Bedeutung des Anfangs unseres Weltalls wider. Die kosmologischen Modelle offenbaren die abstrakten singulären Eigenschaften der Allgemeinen Relativitätstheorie und aller ihrer Implikationen. Wohl hat die Allgemeine Relativitätstheorie noch andere Eigenschaften, die der Erklärung harren, aber das Weltall in seiner beobachteten Einfachheit wird konsistent nur im Rahmen der gekrümmten Raum-Zeit beschrieben, der entscheidenden Erfindung der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Dennoch können die meisten Begriffe νnd Modelle der Kosmologie erläutert werden, ohne sich allzu tief in Quantentheorie und Allgemeine Relativitätstheorie zu versenken. Gerade die Einfachheit der kosmologischen Expansionsbewegung erlaubt es, die meisten Argumente auf phänomenologische Thermodynamik zu reduzieren. Darüber hinaus sind die Einsteinschen Gleichungen für die Expansion des νniversums in unseren Modellen den entsprechenden Newtonschen Gleichungen formal äquivalent.

Dieses Buch soll in die Kosmologie nicht nur mit allgemeinen Bemerkungen einführen, sondern auch die wichtigen Formeln erläutern und deren Herleitung verständlich machen. Der Leser soll nicht nur einen allgemeinen Eindruck von der Argumentationsweise in der Kosmologie erhalten, sondern in die Lage versetzt werden, ausführlichere oder speziellere Literatur zu lesen, ohne zu viel Mühe darauf verwenden zu müssen, allen Formeln und Begriffen den richtigen Platz zuzuweisen. Das Netz der grundlegenden Argumente und Fakten wird also auch im formalen Kontext dargestellt. In diesem Sinne soll das Buch nicht nur eine Einführung sein, sondern auch als Repetitorium dienen.

Das erste Kapitel faßt die grundlegenden Argumente der Kosmologie zusammen, um die Wechselbeziehung der Modellvorstellungen und Beobachtungsergebnisse im Gesamtrahmen herzustellen. Alle diese Argumente werden im folgenden ausführlicher besprochen. Das zweite Kapitel geht auf die Grundlagen der Relativitätstheorie ein, aber nur zur Darstellung der Herkunft der Friedmann-Gleichung, die dann fast allein die Relativitätstheorie summiert. Einschließlich des 7.Kapitels wird der Kosmos als streng homogenes Kapitel im Rahmmen der Friedmann-Modelle behandelt. Es schließen sich die Diskussion der darüber hinausgehenden Fragen an.

Der Werdegang des Buches wurde von vielen Kollegen begleitet. Besonderen Dank schulde ich denen, die die Entstehung und Redaktion des Manuskripts aktiv unterstützt haben: Ulrich Bleyer, Klaudia Liebscher, Volker Müller, Wolfgang Priester, Karl-Heinz Schmidt, Erwin Sedlmayr und Hans-Jürgen Treder.

Juni 1994 Dierck-E.Liebscher

Inhalt

  
 1    Zentrale Probleme
  
 2    Relativität
  
 3    Expansion
  
 4    Geometrie und Expansion
  
 5    Bilanzen und Gewichte
  
 6    Reaktionskinetik und Expansion
  
 7    Strukturbildung und Expansion
  
 8    Inflation
  
 9    Höhere Dimensionen
  
10    Topologische Quasiteilchen
  
11    Quantenkosmologie
  
12    Machsches Prinzip
  
13    Anthropische Aspekte
  
Tabellen   
  
Literatur   
  
Sachverzeichnis   
  
Quellenverzeichnis

KOSMOLOGIE

1. Druckfehler

2. Was ich jetzt anders schreiben würde

• Im Kapitel Relativität:

  • Neben Abb. 2.5 sollte die Zeitschale mit ihrer negativen Krümmung stehen: Wegen der pseudoeuklidischen Metrik ist der Radius der Schale kürzer als der des ebenen Schnittes usf. Deshalb gilt hier U2 > 4 π F > 4 π2 ρ2

• Nach dem Kapitel Bilanzen und Gewichte sollte ein weiteres eingefügt werden, das die Beobachtungen von Entwicklung in den einzelnen Objektklassen (Galaxienhaufen, Röntgenquellen, Galaxien, Quasaren) darstellt.

• Im Kapitel Reaktionskinetik und Expansion:

  • Auf dem kosmischen Salta könnte ein wenig mehr herumgeritten werden

  • Der Wettlauf zwischen Abkühlung und Verdünnung könnte weiter ausgereizt werden Die Temperatur T des Wärmebades fällt wie R-1. Der Hubble-Radius RH wächst im Strahlungskosmos wie R2. Die Dichte n der eingebetteten Teilchen fällt wie R-3, die freie Weglänge l wächst wie R3, die Stoßzahl N = RH/l fällt also auch wie R-1. Ist T schneller unter TProzeß oder N schneller unter 1 gefallen? Nur im ersten Fall findet eine Reaktion statt. Es bleibt um so mehr übrig, je schneller N unter 1 fällt.

    
    

• Im Kapitel Strukturbildung:

  • Die Genese des Verlaufs der Entwicklung des Jeans-Radius sollte genauer durchgeführt werden.

  • Die Grundstruktur der Inhomogenitätsspektren sollte genauer durchgeführt werden.

  • Die heute benutzten Strukturindikatoren müssen aufgenommen werden

• Im Kapitel Inflation muss die Bestimmung des Potentials ausführlicher behandelt werden

• Das Kapitel Topologische Quasiteilchen sollte den Titel Strings bekommen und die neueren Bemühungen darstellen
• Das Kapitel Quantenkosmologie sollte um die Darstellung neuerer Bemühungen erweitert werden

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