Vom Allergrößten zum Allerkleinsten

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Am Anfang glaubten die Menschen, die Erde sei flach, eine Insel in einem sie umgebenden großen Wasser. Ewig lebende Geister, Götter oder später Gott, der Einzige, hätten das Wasser, die Erde, ihre Luft, die Pflanzen, die Tiere und den Menschen geschaffen und würden über alles mit mystischer Gewalt im darüber gewölbten Himmel mit der Sonne am Tage und dem Mond und den Sternen in der Nacht über die Erde herrschen. Dann fand man schon im Altertum heraus, das die Schiffsegel auf dem Meer am Horizont zuerst erscheinen. Das Meer und die Erde müssen gewölbt sein und bald berechnete man aus den Winkeln von Schatten den Kugelradius der Erde. Aber das wurde durch die Schöpfungsgeschichten der religiösen Vorstellungen verdrängt. Das geozentrische Weltbild des Ptolemäus galt bis ins Mittelalter als die wahre Erkenntnis. Die Philosophie, die der Religion widersprach, wurde etwa 1500 Jahre lang bekämpft. Erst nach dem Mittelalter konnten erste Forscher es öffentlich wagen, die Erde als runden Planeten und die Sonne in den Mittelpunkt des Planetensystems zu stellen. Den Verdacht dazu hatte schon Aristarch(os) von Samos (310-230), aber Nikolaus Kopernikus (1473-1543) setze erst diese Erkenntnis durch. Die aufblühende theoretische und experimentelle Physik durch Galilei und Newton lieferte Beweise und Erklärungen für die Zusammenhänge von Kräften und Energien. Bis etwa 1900 glaubte man in der klassischen Physik schon alles, bis auf die Lichtstrahlung über die Natur erkannt zu haben. Mit der Entdeckung der Licht-Quanten von Planck in den Strahlungsgesetzen entstand aber ein ganz neues, technisch sehr fruchtbares Gebiet der Naturwissenschaft, die Quantentheorie. Die Physik machte große Fortschritte, die vor allem von jungen Wissenschaftlern getragen wurden. Kurz dazu entstanden neue Erkenntnisse in der Kosmologie durch die Allgemeine Relativitätstheorie (ART, eigentlich eine neue Gravitationstheorie) und durch zahlreiche Teleskope auf der Erde und im Weltraum (Hubble, JWST). Aus der nachgewiesenen kosmischen Expansion wurde auf einen physikalischen Schöpfungsakt "Urknall" als Beginn des Universums geschlossen. Die Urknalltheorie wird seit etwa 100 Jahren gelehrt. Aber kann man aus einer gemessenen Geschwindigkeit auf den Beginn einer Bewegung schließen? Die bisherigen Standardmodelle der Kosmologie z.B. ?CDM und der Teilchenphysik im Kosmos bedürfen in ihrer angestrebten Vereinheitlichung einer gründlichen Erneuerung. Das vorliegende Buch eines älteren technischen Physikers (Jahrgang 1931), der im Ruhestand begonnen hat, sich mit dem Kosmos, dem größten erforschbaren Objekt der Welt, zu beschäftigen, soll dazu einen Beitrag leisten. Dieses Buch ist aus einzelnen Manuskripten entstanden, die leider in der kosmologischen Fachwelt kaum bzw. keine Anerkennung fanden (95% Schweigen, 5% Ablehnung mit der Begründung:

"Ohne ART sind die Probleme der Kosmologie nicht zu lösen".

Die mathematisch Tensor-orientierte ART Einsteins durch den Mathematiker Grossmann entwickelt hat für lokale Phänomene im Kosmos hervorragende Ergebnisse geliefert. Für die theoretischen Modelle der Gesamt-Kosmologie liefert sie zahlreiche Möglichkeiten der inneren kosmischen Entwicklung, aber kaum brauchbare konkrete Auswahlmöglichkeiten für den Kosmos als Ganzes. Im nachfolgenden Text wird als Lösung ein Kugelmodell des Kosmos auf der Basis von einfachen Differentialgleichungen vorgestellt, das brauchbare Ergebnisse für ein verständliches aktuelles Weltbild liefert und hoffentlich bei den jüngeren Fachleuten Anerkennung finden wird. Es hat Potential für die Weiterentwicklung der Kosmologie.

Diese vier Herren begründeten das aktuelle Weltbild

Albert Einstein

Friedmann

Lemaitre`

Hubble

Die Sonne ist sehr viel größer als alle Planeten und schwerer als das ganze Planetensystem.

Unser großer, kleiner runder Erdball ist ein Steinplanet mit lebender Natur und Menschen darauf, die die Natur erforschen.

Das Sternbild des Orion am nächtlichen Himmel mit dem Drei-Sterne-Gürtel ist ein markantes Sternenbild, wie viele andere phantasievoll erdachte Sternbilder auch.

Die Andromeda-Galaxie ist eine in 2,5*106 Lichtjahre von uns entfernte Galaxie, unsere Nachbargalaxie.

Durch verschiedene Messungen der NASA fand man heraus, dass unsere Milchstraße eine Balken-Spiralen-Galaxie ist.

Ein Schwarzes Loch konnte mit großen astronomischen Aufwand durch seine erhitzte Umgebung sichtbar gemacht werden.

Mit den JWST Teleskop konnte man am angenommenen kosmischen Horizont rotleuchtende alte Galaxien feststellen. Sie sind die unerwartete Überraschung und untergraben die gegenwärtigen Erkenntnisse der Kosmologie.

Gravitationswellen sind eine neue Informationsquelle, die es noch weiter zu erschließen gilt. Sie konnten gleichzeitig an mehreren Stellen beobachtet worden.

Kurze Geschichte der kosmischen Erkenntnisse

- Isaac Newton (1643-1727) leitete aus dem dritten Keplerschen Gesetz der Planeten (r3 = KT2) und der Zentripetalkraft einer Kreisbahn Fz = mv2/r mit der Geschwindigkeit v = 2pr/T und der Umlaufzeit T das Gravitationsgesetz FG = GmM/r2 ab, das die Masse im Raum grundsätzlich zusammen hält. Die Gravitationskonstante G gilt als universelle Naturkonstante. Sie ist experimentell vielfach bestätigt. Galilei und Newton schufen die Grundlagen der Klassischen Physik. Isaac Newton verweigerte Hooke jegliche Anerkennung für die Ideen, die ihn zur mathematischen Formulierung seines Gravitationsgesetzes geführt hatten. Das Gravitationsgesetz hat bis heute trotz Einsteins ART bestand.

- James Clerk Maxwell (1831-1879) beschreibt mit 20 linearen partiellen Differentialgleichungen erster Ordnung die Phänomene des Elektromagnetismus. Heute sind es mit dem Nabla-Operator nur noch vier.

-Ludwig Eduard Boltzmann (1844-1906) schuf die Grundlagen der Thermodynamik und der statistischen Mechanik. Er verteidigte vom allem die Atomistik gegen die Angriffe von Ernst Mach und Wilhelm Ostwald mit denen er persönlich auch als seine wissenschaftliche Gegner befreundet war. Er gilt als der Vollender der klassischen Physik des 19. Jahrhundert.

Bis 1900 galt die Physik als ein fertiges abgeschlossenes Wissensgebiet. Alle damals erkannten Gesetze hatten stetigen Charakter. Die Physik galt als abgeschlossen. Nur wenige Widersprüche waren noch offen geblieben.

- Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) postulierte die Äthertheorie als Träger der Lichtwellen, die Einstein wieder abschaffte und das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit also die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von ihrer Quelle als Postulat einsetzte. Lorentz entwickelte die Theorie der Lorentz-Kraft und die Lorentz-Transformation für Längen- und Zeitkoordinaten (Lorentz-Kontraktion und - Zeitdilatation). Dafür erhielt er 1902 den Nobelpreis. Damit schuf er die Grundlage für die Spezielle Relativitätstheorie von Albert Einstein.

Als Außenseiter stellte Albert Einstein 1905 die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) mit der bekannten Gleichung E = Mc2 auf und zeigte damit die Abhängigkeit von bedeutenden Größen wie Masse, Raum und Zeit von der Bewegung der Bezugssysteme des Beobachters auf. Um 1915 entstand seine Allgemeine Relativitätstheorie (ART), eine bewehrte Gravitationstheorie. Sie liefert genauere Aussagen über zahleiche lokale Ereignisse in der Raum-Zeit und vermag genauere Angaben zu machen als es die Newtonsche Gravitationstheorie vermag. Damit werden die Gleichheit von Gravitation und Beschleunigung sowie die der schweren und trägen Masse vorausgesetzt. Letzteres hatte auch schon Newton nichtunterschieden. Für den Kosmos und das Universum ergeben sich daraus zahlreiche Aussagen mit Auswahlwahlmöglichkeiten und viele Phantasie-Modelle (statische, dynamische, Multiverse) und weitere ungelöste Fragen, z.B. wie sich der Weltraum wirklich ausdehnt. Obwohl die SRT und die ART für lokale Erscheinungen Hervorragendes leistet und Einstein dafür 60 Mal für den Nobelpreis vorgeschlagen wurde hat er ihn dafür nie bekommen. Einstein sagte anfangs: "Seit die Mathematiker über die Relativitätstheorie hergefallen sind, verstehe ich sie selbst nicht mehr". Später nutzte er die Tensor-Rechnung für seine weiteren Forschungen auch. Er benutzte die bereits gut entwickelte Differentialgeometrie, wie er sie von Marcel Grossmann (1878-1936) gelernt hatte. Für seine Relativitätstheorie erhielt er viel Anerkennung, aber auch viele Drohungen (Juden-Physik). Nur wenige Physiker verstanden sie. Erst Jahre später wurde sie Allgemeingut.

Alexander Alexandrowitsch Friedmann (1888-1925) löste 1922 die Einsteinschen Gleichungen der ART und erhielt neben der statischen Lösung auch eine dynamische Raumbewegung, also drei prinzipielle Arten von Weltmodellen. Was diese Lösungen physikalisch bedeuteten, war damals weder Friedmann noch Einstein klar. Seine Friedmann-Gleichung für den Hubble-Wert H = v/r ist eine Wurzel (±).

a) Die damals allgemein akzeptierte statische instabile Ebene mit flachem Euklidischem Raum bei...