Hubble und Spektrum

Überlegungen zur Rotverschiebung des Lichts

Zusammenfassung:

Die Grundlage für die Beobachtungen mit dem Hubble-Teleskop, bzw. Hubbles Theorie beruht auf der Annahme, dass die Rotverschiebung des Lichtes ferner Objekte des Universums durch schnelle Distanzvergrösserung zum  Beobachter verursacht wird. Die Geschwindigkeit des Lichtes im Raum ist aber keineswegs konstant, denn auch der Raum ist nicht komplett (nur fast) leer. Folglich kann die Rotverschiebung auch durch Energieverlust auf der weiten Strecke verursacht worden sein. 

Die Rotverschiebung des Lichts sehr ferner leuchtender Objekte wird als DOPPLER-Effekt und somit als Flucht dieser Objekte gedeutet. Der Zusammenhang zwischen Fluchtgeschwindigkeit (Radialgeschwindigkeit) und Entfernung, nämlich H0 = vFl/D, wurde von HUBBLE festgestellt. Dabei wurde zunächst dieser Wert mit

H0 = 55 [km/s * 1/Mpc] angenommen, später korrigiert, und es wird vermutet, dass er sich auch in Zukunft, bei noch besseren Beobachtungsmethoden verändern wird. Heute glaubt man, dass er zwischen den Werten 55  <  H0  <  100 liegt

Da die Lichtgeschwindigkeit c ≈ 3*108 [m/s] die allgemein anerkannte Grenzgeschwindigkeit ist, ergibt sich aus der Entfernung D [Mpc] der gerade noch sichtbaren Objekte die HUBBLE-Konstante (bedenke: eine sich ständig ändernde Konstante ist keine Konstante). Das impliziert allerdings auch, dass sich bis zu dieser Entfernung das Weltall ausgedehnt hat und sich nicht weiter ausdehnt, bzw. darüber hinaus nichts mehr existiert, wobei natürlich die Aktualität dort nichts mit unserer Aktualität  (ca. 17,8 Milliarden Jahre Unterschied!) zu tun hat.

Nun stellen sich folgende Fragen:

• Wenn sich das Weltall weiterhin ausdehnen sollte, dann kann H keine Konstante sein. Die Annahme eines gekrümmten Raumes(1) ist eine Krücke, um die Relativitätstheorie und deren Weiterungen glaubhaft zu machen.

• Andernfalls: Warum sollte eine Expansion des Raumes aufhören, nur weil HUBBLE feststellte, dass H0 = vFl/D, und weil v ≤ c, also die Naturkonstante c wegen der Relativitätstheorie nicht überschritten werden darf? Das wäre eine Einschränkung, die von Erdbewohnern gemacht worden ist, was kaum gerechtfertigt erscheint, wenn man das All mit „Erdenwürmern“ vergleicht. Es ist ganz und gar unvorstellbar, dass ein Objekt, eben sich noch mit Lichtgeschwindigkeit entfernend, plötzlich jedoch abgebremst ist auf v = 0, oder ganz verschwindet.

• Die theoretische Erwartung, dass die Expansion des Weltalls mit der Zeit abnimmt, da die zwischen Galaxien wirkende Massenanziehung zu einer ständigen Verzögerung der Expansion führt(2) , sollte man nicht ernst nehmen. So weit man es beobachten kann, gibt es keine Ausnahme vom Prinzip "Rotation", d. h. Fliehkräfte kompensieren Gravitationskräfte. Dieses Gleichgewicht wird im Grossen und Ganzen auch in Bereichen herrschen, die vom irdischen Standort nicht mehr gut, oder gar nicht beobachtet werden können.

• Ebensogut könnte man vermuten, dass das Licht auf dem enorm weiten Weg vom Objekt zum Beobachter Energie verliert.

PLANCK erkannte (3), dass ein strahlendes System mit einem Strahlungsfeld nicht beliebige  Energieportionen austauschen, sondern nur ganzzahlige Vielfache des Energiequantums h*f, wo f die Frequenz der Strahlung und h eine neue Naturkonstante ist.

Es ist:

W = h * f = h * c / λ [J]

Außer h (PLANCKsches Wirkungsquantum) wird auch c (Lichtgeschwindigkeit) als Naturkonstante postuliert. Dabei ist zu beachten, dass die Lichtgeschwindigkeit c nur im absoluten Vakuum gilt. Ansonsten ist vL = f(ρdM) < c, also abhängig von der Dichte des (licht)durchlässigen Mediums.

Jeder einzelne Quantensprung, bzw. Stoss hat die Energie h = 6,626*10-34 [Js] Diese Abhängigkeit wurde in Abbildung 1 skizziert.

Hubble:Abb.1


Abb. 1

Die Lichtfrequenz f  ist durch die Abfolge der Quantensprünge verursacht. Es ist eigentlich nicht logisch, dass die Energie des Lichts nur von der Häufigkeit der Quantensprünge abhängen soll und nicht auch vom Impuls des Quantensprunges. Ein Elektron kann aus allen möglichen Richtungen auf das nächst niedrigere Bahnniveau zurückspringen, dabei kann der Impuls durchaus auch in Richtung des Beobachters zeigen; aber andere Möglichkeiten sind sehr viel wahrscheinlicher.

Hubble:Abb.2


Abb. 2

In Abbildung 2 ist der spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V (λ) (4) für das Tages-Sehen in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes aufgetragen. In Abbildung 3 dagegen sind mögliche Impulsrichtungen angedeutet. Der in Richtung des Beobachters weisende, eine kurze Wellenlänge verursachende Impuls ist relativ selten, während Impulse mit in Beobachterrichtung weisendem Anteil wesentlich häufiger sind und damit auch mehr Energie auf die Netzhaut senden.

Hubble:Abb.3


Abb. 3

Diese Sichtweise kann das breite Spektrum des Lichts erklären und die jeweilige Energie des Lichts in seiner Wellenlänge, bzw. seiner Frequenz. Dabei geht man aber stets davon aus, dass c = f*λ, Frequenz und Wellenlänge immer im gleichen Verhältnis zu einander stehen. Es wird auch immer nur ein Faktor gemessen, entweder Frequenz oder Wellenlänge (5), wobei der korrespondierende Faktor dann aus dem sich ergebenden Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit errechnet wird. Dabei wird gar nicht erst in Erwägung gezogen, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht konstant sein könnte (dazu die Bemerkung weiter oben auf Seite 2).

Man kann sich davon überzeugen lassen (6), dass Licht in dichteren Medien eine geringere Geschwindigkeit als c hat und dass es auf seinem Weg durch dieses Medium Energie verliert, also dunkler erscheint. Sollte der Weltraum kein absolutes Vakuum besitzen, was wegen der zahllosen emittierten Partikel von strahlenden Objekten anzunehmen ist, dann hat Licht selbst bei hohem Vakuum nicht nur eine geringere Geschwindigkeit als im absoluten Vakuum, sondern verliert auch Energie auf dem Weg durch dieses Medium.

Diese Überlegung soll hier im Anschluss berechnet werden:

Mit einem konstanten Wirkungsquantum h ist die vom strahlenden Objekt emittierte Energie 

  W0 = h * f0  [J]. 

Nach Durchlauf des Lichtes durch eine bestimmte Strecke r wurde Energie verbraucht. Daraus ergibt sich 

  W1 = h * f1 = ξ * W0  [J].

Der Impuls ist dann 

  p0 = h / λ

und

p1 = h / λ1.

mit W0 = mPh * c2

und

W1 = mPh * v2 = ξ * W0

und

  W0 = h / λ0 * c W1 = h / λ1 * v

ergibt sich dann v2 = ξ  * c2

oder v / c = ξ 0,5 = λ0 / λ1

Wenn die Messungen seit HUBBLE korrekt sind, dann ist die größte gemessene Entfernung gerade noch sichtbarer emittierender Objekte 

rmax ≈ 17,78*109  [ly] ≡ 5,45*103  [Mpc]. 

Das würde bei einem HUBBLE-Wert von 

H0 = vFl / rmax ≈ 55 

und einem 

zmax = (λ1 - λ0)/ λ0 ≈ 4,897 

einer Fluchtgeschwindigkeit von

vFl = ((zmax+1)2 - 1)/ ((zmax+1)2 + 1) * c 

      ≈ 2,83*105  [km/s]

(vFl ≈ 0,944*c) (7) entsprechen. Allerdings verschiebt sich das Spektrum dabei von λ0 = 380 [nm] zu λ1 = 2241 [nm]; also wird es extrem langwellig.

Bei der alternativen Betrachtungsweise versteht man unter v nicht die Fluchtgeschwindigkeit des strahlenden Objekts, sondern die Geschwindigkeit des beim Beobachter eintreffenden Lichts.

Mit den gleichen Werten für z und λ0 wird 

ξ = (λ0/λ1)2 = 0,0288.

f1 = f0*x = c 0*ξ  = 2,27*1013  [Hz]

W0 = 5,227*10-19  [J]     

W1 = W0 * ξ = 1,503*10-20  [J]

ΔW/rmax = (W0 - W1) / rmax = 9,315*10-23  [J/Mpc] 

             ≡ 4,516*10-34  [J/AE]

v = c * ξ 0,5 = 5,084*107  [m/s]

Δv/rmax = (c - v) / rmax = 4,567*101  [km s-1 Mpc-1

            ≡ 2,214*10-7  [m s-1 AE-1]

Das Licht der Sonne (r = 1 AE) ist praktisch unverändert, bzw. der Wert (Δv/rmax) liegt unterhalb der Messgenauigkeit.

Würde sich dieser theoretische Ansatz bestätigen, dann muss die Theorie bezüglich einer Ausdehnung des Weltalls zu den Akten gelegt werden. Da auch die Relativitätstheorie schon im Ansatz fraglich ist (und damit auch die daraus geschlossenen Folgerungen), liegt es sehr nahe, das Weltall als statisch anzunehmen. Oberhalb einer Grenzentfernung rmax ist für den Beobachter nichts mehr zu sehen, denn nicht nur die Strahlungsfeldstärke 

EST = σ'*TST4*RST2/rmax2  [N/m] 

geht bei derart großen Distanzen gegen Null, sondern die Energie der Strahlung W1 [J] wird geringer und damit die Wellenlänge größer, so dass Sensoren letztlich nur noch Strahlung ohne sonderliche Energie im infraroten Bereich empfangen könnten.

Im Bereich und im näheren Umfeld (mehreren 10er Potenzen von Astronomischen Einheiten [AE]) unseres Sonnensystems wirkt sich das kaum aus. Insofern ist die Annahme einer konstanten Lichtgeschwindigkeit in diesen Bereichen durchaus berechtigt.


(1) H. Stöcker, Taschenbuch der Physik, H. Deutsch, 2. Aufl. 1994, S. 99

(2) H. Zimmermann/A. Weigert, Lexikon der Astronomie, Spektrum Akad. Verl., 8. Aufl. 1999, S. 127

(3) H. Vogel, Gerthsen Physik, Springer, 20. Aufl. 1999, S. 572

(4) H. Stöcker, Taschenbuch der Physik, H. Deutsch, 2. Aufl. 1994, S. 277

(5) Tel.-gespr.: PTB Braunschweig, 14.11.2005

(6) Untersuchungen von FIZEAU

(7) H. Zimmermann/A. Weigert, Lex. d. Astronomie, Spektrum Akad. Verl., 8. Aufl. 1999, S. 126/127


(Nov-  2005)


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Aktualisiert:7.12.2015, Copyright: G. Dinglinger, 41564 Kaarst  Mail: gdinglinger@gmx.de