Könnte es unbekannte Faktoren enthalten...

ja

...die unsere aktuellen Modelle und Theorien in Frage stellen oder erweitern?

nein, per definition nicht.

Wie gehen Wissenschaftler (...) mit diesen Unsicherheiten um

gar nicht. weil alles in diesen bereich per definition niemals auch nur den geringsten einfluss auf jede nur erdenkliche observable hat.

und welche Methoden könnten helfen, mehr über das Unbekannte zu erfahren?

per definition keine.

Es gibt einen Punkt, den kosmologischen Horizont, jenseits dessen die Expansionsgeschwindigkeit größer ist als die Lichtgeschwindigkeit

das ist nicht korrekt. der Hubble radius (derzeitige zunahme der distanz größer als lichtgeschwindigkeit) liegt bei ca. 14 Mrd lichtjahren, der kosmische ereignishorizont (jenseits dessen uns niemals information erreichen wird) liegt bei ca. 16 Mrd lichtjahren. das sind verschiedene dinge (wobei ersteres keine physikalische relevanz hat)

erstmal hut ab dass du bei deinen recherchen darauf gekommen bist und diese frage stellst. die meisten leuten die von der beschleunigten expansion des universums hören wissen nicht dass der Hubble-parameter trotzdem mit der zeit abnimmt

um das zu verstehen musst du wissen was der sog. skalenfaktor a(t) ist. der ist es der dir angibt um welchen faktor die abstände im universum anwachsen. wenn der skalenfaktor zu einem zeitpunkt t1 gleich a(t1)=1 ist und zu einem zeitpunkt t2 gleich a(t2)=2 ist, dann haben sich zB die abstände zwischen zwei galaxien verdoppelt. zwei galaxien die zum zeitpunkt t1 2 Mrd. lichtjahre entfernt waren sind zum zeitpunkt t2 4 Mrd. lichtjahre entfernt, zwei galaxien die bei t1 3 Mrd. lichtjahre entfernt waren, sind bei t2 6 Mrd. lichtjahre entfernt, usw...

die entfernung ist also s(t) = a(t)*s0, wenn s0 der abstand zu dem zeitpunkt war an der skalenfaktor 1 betrug.

wenn der skalenfaktor einfach eine konstante ist, dann gibt es keine expansion, dann ist das universum statisch und die abstände andern sich nicht. wenn a(t) immer größer wird, dh dass die erste ableitung nach der zeit a’(t)>0, dann werden die abstände immer größer und das universum expandiert. wäre die erste ableitung a’(t)<0, so entspräche das eine kontrahierenden universum.

und was ist jetzt eine konstante bzw. beschleunigte bzw. verlangsamte expansion? das sagt dir ob die erste ableitung a’(t) selbst konstant bleibt, oder größer wird oder kleiner wird. also nichts anderes als die zweite ableitung. a’’(t)=0 heißt konstante expansion, a’’(t)>0 heißt beschleunigte expansion, a’’(t)<0 heißt verlangsamte expansion. (und natürlich immer a’(t)>0, wir sprechen ja von expansion).

und wie kommt jetzt der Hubble-parameter ins spiel? dazu musst du dir erst mal klar machen dass der absolute wert des skalenfaktors gar keine bedeutung hat. ich könnte zB den skalenfaktor um einen faktor 2 kleiner definieren, aber gleichzeitig alle abstände s0 um einen faktor 2 größer definieren, und ich würde für s(t) immer exakt das gleiche erhalten wie vorher (ich hätte also eigentlich einfach einen anderen zeitpunkt gewählt an dem ich den skalenfaktor gleich 1 definiere und hätte die abstände s0 eben an diesem zeitpunkt bestimmt.)

aber betrachte jetzt zB mal den fall einer konstanten expansion. sagen wir zum zeitpunkt t1 hat der skalenfaktor a(t)=1 und der abstand zwischen zwei galaxien beträgt 1 Mrd. lichtjahre, und eine Mrd. jahre später beträgt der skalenfaktor a(t2)=2, und der abstand der beiden galaxien beträgt 2 Mrd. lichtjahre (denn der skalenfaktor hat sich ja verdoppelt). oder wir definieren den skalenfaktor so dass der skalenfaktor bei t1 gleich a(t1)=2 (und dee abstand zwischen den galaxien beträgt natürlich wieder 1 Mrd. lichtjahre), und dann bei t2 haben wir a(t2)=4 (und der abstand natürlich wieder 2 Mrd. lichtjahre, denn der skalenfaktor hat sich ja verdoppelt). alle physikalischen resultate (hier die abstände bei t1 und t2) sind also exakt gleich, aber einmal ist die erste ableitung a’=1/Mrd.jahre (von 1 auf 2 in 1 Mrd. jahre) und im anderen fall ist sie a’=2/Mrd jahre (von 2 auf 4 in 1 Mrd. jahre). diese ableitung alleine gibt uns also kein quantitatives maß für die expansion, da sie eigentlich willkürlich ist.

was aber in der tat eindeutig ist, ist das verhältnis der ersten ableitung des skalenfaktors zum skalenfaktor selbst, also H(t)=a’(t)/a(t), wobei das H eben der Hubble-parameter ist. denn wenn ich den skalenfaktor doppelt so groß definiere, wird auch die ableitung doppelt so groß und der faktor kürzt sich raus. sieht man auch am obigen beispiel. zum zeitpunkt t1 haben wir H(t1)=1 (un beiden fällen) und zum zeitpunkt t2 dann H(t2)=1/2 (in beiden fällen). das ist eine eindeutige größe. das ist der Hubble-parameter.

die frage fragt nun nach der änderung des Hubble-parameters mit der zeit, also nach der ersten ableitung. nun, die ergibt sich zu H’=(a’’/a)-(a’/a)² (einfach nur H=a’/a ableiten), und sieht man sofort dass die bloße tatsache dass a’’>0 (beschleunigte expansion) noch lange nicht heißt dass H’>0. hier kommt es auf das exakte verhältnis von a’ und a’’, und das hängt dan vom ganz konkreten fall ab. in unserem universum ist H’<0.

man kann ja ganz einfach mal ausprobieren was denn zB H’=0, also zumindest ein konstanter Hubble-parameter, bedeuten würde. das gibt eine ganz einfache differenzialgleichung a’(t)=H*a(t), mit der lösung a(t) ~ exp(H*t), also eine exponentiell beschleunigte expansion. das ist nicht was wir beobachten.

oder wieder das beispiel einer konstanten expansion a’’=0, also a’=konst. dann haben wir a(t)~t und somit H(t)~1/t, also ganz eindeutig H’(t) <0.

ich könnte mir vorstellen dass es vielleicht daran liegt dass du von einer kreisbahn ausgehst. es steht aber nirgends dass man sich auf eine kreisbahn beschränken soll (dann wäre das beispiel für eine physik-olympiade nämlich eigentlich doch recht einfach). probiere es mal mit einer ellipse.

. Stehen sich zwei Sterne gegenüber, gibt es Anziehungskraft, aber gleichzeitig auch Abstoßung wegen der reflektierten Photonen.

ja.

es geht aber nicht um zwei sterne. es geht um universum das auf großen skalen extrem homogen ist. hinter jedem stern steht also noch ein stern der ihn wieder in die andere richtung drückt, und hinter dem wieder einer, und hinter diesem wieder einer ...

Die Photonen ermüden nicht, egal wie weit sie sich bewegen müssen.

"ermüden" tun sie nicht, aber sie werden durch die expansion rotverschoben.

und zur frage: selbstverständlich kann man den effekt der strahlung im universum auf die expansion ausrechnen. und das ergebnis ist dass sie die expansion verlangsamt. bei gleicher energiedichte sogar noch stärker als die materie. allerdings nimmt die energiedichte der strahlung durch die expansion noch stärker ab als jene der materie, daher spielt sie im heutigen universum nur mehr eine vernachlässigbare rolle. im frühen universum war das universum aber eine zeit lang von strahlung dominiert.

photonen haben zwar keine masse aber einen impuls, und können somit auch impuls übertragen. und eine änderung des impuls ist nichts anderes als eine kraft.

du kannst für photonen - relativistische objekte - nicht mit den formeln der Newtonschen mechanik die man in der schule lernt rechnen. die sind hier alle falsch.

Das Higgs Boson soll ja für die Masse aller Teilchen verantwortlich sein

der Higgs-mechanismus. und nur die massen der fundamentalen elementarteilchen. das zugehörige boson ist nur was quasi übrig bleibt weil es genau der freiheitsgrad des higgs-feldes ist der keine massen erzeugt. die masse von hadronen wie protonen oder neutronen hat fast gar nichts damit zu tun. die wären auch mit masselosen quarks fast gleich.

Und das Higgs Feld ist ja quasi dem Elektromagnetischen Feld übergeordnet.

ich weiß nicht was du damit ausdrücken willst.

Das Higgs Boson müsste ja dem Photon eine Ruhemasse zuweisen

das photon wechselwirkt nicht mit dem Higgs-feld.

Was bringt das HiggsBoson denn dem Photon!?

nichts. aber elementarteilchen "bringen" generell nichts. sie sind halt wie sie sind.

Ich verstehe das bei den Quarks, Protonen und Elektronen ja ganz gut

protonen haben damit wie gesagt nichts zu tun.

Und können Photonen im Gegensatz zum Rest nicht sogar schon vor dem Higgsfeld existiert haben?

ich weiß wieder nicht genau was du damit meinst.

aber auf jeden fall gibt es "photonen", also das elektromagnetische feld, in dieser form erst nach der elektroschwachen symmetriebrechnung. bei höheren energien gibt es andere freiheitsgrade, die erst durch die symmetriebrechnung zu dem "gemischt" werden die wir photon und Z-boson nennen.

weil "sehen" das wahrnehmen elektromagnetischer strahlung in einem gewissen frequenzbereich (=licht) ist.

E=mc²

gilt nur für objekte in ruhe.

die allgemeine formel lautet

E=Wurzel( (mc²)² + (pc)² )

wobei p der impuls ist.

Hat Energie eine Verbindung zur Gravitation,

ja, und sogar viel direkter als die masse.

in den Einsteinschen feldgleichungen ist der quellterm für die gravitation ein mathematisches objekt welches die energiedichte, impulsdichte, druck und scherspannung enthält. wie du siehst steckt da anders als die energie die masse gar nicht direkt drin. sie tut es aber natürlich indirekt dadurch dass - gemäß obiger formel - jede masse natürlich einen beitrag zur energiedichte liefert.

indem man die Vorzeichen der Gleichungen von Schwarzen Löchern „einfach“ umdreht.

weiße löcher sind die zeitinversen lösungen zu schwarzen löchern.

Die haben eine unendliche Gravitation

nein, für alles im außenraum (und nur der ist für uns interessant) nicht. auch hinter dem ereignishorizont passiert erstmal nichts besonderes. ist zum zeitpunkt der "singularität" gehen alle möglichen parameter gegen unendlich, aber das sind wir weit außerhalb des gültigkeitsbereichs der ART (aus der das alles hergeleitet ist), das ist also ohnehin nicht mehr physikalisch.

Doch wenn jetzt weiße Löcher existieren

was SEHR fraglich ist. wie gesagt sind das zeitinverse lösungen die du erstmal in der klassischen ART (ohne quanteneffekte) ganz eindeutig hast. hier hast du allerdings keine Hawking-strahlung und schwarze löcher würden ewig existieren. das zeitinverse von etwas das nach seiner entstehung ewig existiert wäre etwas das bereits seit ewig langer zeit existiert. das kann es so aber nicht geben.

das war jetzt aber natürlich aber nur eine mathematische idealisierung. wenn man jetzt quanteneffekte hinzu nimmt dann erhält man Hawking-strahlung und schwarze löcher existieren nicht ewig. aber das zeitinverse eines schwarzen lochs das thermische strahlung abgibt und dann in einem "lichtblitz" zerstrahlt (diese prozesse sind nicht wirklich verstanden) wäre dass genau diese strahlung die im letzten moment des schwarzen lochs entstanden ist auf einem exakten punkt zusammenkommen muss und so das weiße loch formt. ist nicht wirklich möglich. die zeitinvarianz der naturgesetze auf mikroskopischer ebene verbietet auch nicht dass sich ein zerbrochenes ei von selbst wieder zusammen setzt. wird aber nicht passieren (und diese tatsache drückt der zweite hauptsatz der thermodynamik aus, trotz der zeitinvarianz der naturgesetze auf mikroskopischer ebene).

keine/„negative“ Gravitation,

weiße löcher sind in der hinsicht nicht anders als schwarze löcher. sind zB genauso anziehend. weil sie ja nur die zeitinverse lösung sind.

aus der zunehmenden rotverschiebung folgt erst mal die expansion an sich.

für die zeitentwicklung der expansion (beschleunigt, konstant, verlangsamt) muss man sich die rotverschiebung als funktion der entfernung im detail ansehen.

in der tat ist es so dass aufgrund der beschleunigung der expansion weit entfernte galaxien WENIGER rotverschoben sind als man es für eine konstante oder verlangsamte expansion erwarten würde (aber natürlich immer noch mehr als nähere galaxien).

wenn ich heute abend zeit habe suche ich dir noch einen plot mit originaldaten dazu raus.

Bewegt sich der Körper, neigt sich die Linie seiner Koordinaten nach rechts, und zwar umso geneigter, je schneller die Bewegung wäre.

ja. und das hat an diesem punkt überhaupt noch nichts mit der relativitätstheorie zu tun.

Damit vergeht die Zeit für diesen bewegten Körper langsamer, je schneller er sich bewegt (die Linie ist weiter nach rechts geneigt, und erreicht die nächsten X Koordinaten später, also altert der bewegte Körper langsamer).

nein, das siehst du hier so nicht. und es ist auch zu vereinfacht zu sagen dass "für ihn die zeit langsamer geht", als wäre das eine absolute aussage. es ist vielmehr so dass zB dass ereignis dass eine im ursprünglichen koordinatensystem ruhende uhr 1 sekunde anzeigt und dass eine uhr entlang der von dir betrachteten weltlinie <1 sekunde anzeigt, in diesem koordinatensystem gleichzeitig sind. andersherum sind in einem koordinatensystem in dem dieser körper ruht die ereignisse dass die uhr entlang der (nun senkrechten) weltlinie dieses körpers 1 sekunde anzeigt und die andere uhr <1 sekunde anzeigt gleichzeitig.

aber um das zu sehen musst du die linien der gleichzeitigkeit ansehen. nur anhand der weltlinie selbst siehst du erstmal gar nichts (die sieht wie gesagt in der klassischen Newtonschen physik nicht anders aus)

Für mich sieht es aber nun so aus, dass erst dann die LG erreicht ist, wenn die Koordinatenlinie des bewegten Körpers waagerecht verläuft, also mit geringst möglichen Abständen zwischen den Y Koordinaten, was somit Höchstgeschwindigkeit bedeutet, also LG wäre.

du denkst viel zu kompliziert. vergiss relativitätstheorie, lichtgeschwindigkeit und alles. geschwindigkeit ist strecke pro zeit. also lege an deiner weltlinie ein steigungsdreieck an, dh schau welche strecke auf der x-achse in einer gegebenen zeit auf der y-achse zurück gelegt wird, und du hast deine geschwindigkeit. eine waagrechte linie entspricht dann natürlich einer unendlich großen geschwindigkeit. licht ist aber nicht unendlich schnell.

Aber warum gerade die 45 Grad?

müssen eh nicht 45 grad sein. das hängt ganz allein von der wahl deiner einheiten und der achsenskalierung ab. aber die wählt man aus bequemlichkeit eben meist genau so.

Aber die Gravitation muss ja zugenommen haben

außerhalb des alten radius der sonne nicht.

alles was aus deiner sicht bewegt ist ist für dich verkürzt.

das hat einfach damit zu tun dass bei bewegten objekten (und für dich bist ja du in ruhe und alles andere bewegt) bei einer längenmessung relevant ist dass man die position des vorderen endes und die position des hinteren endes GLEICHZEITIG bestimmt, und die differenz ist dann die länge. das ist wichtig, denn wenn ich die position des vorderen endes jetzt bestimme, die des hinteren endes aber 1 sekunde später und das objekt sich in der zwischenzeit aber bewegt hat, dann bekomme ich ein anderes resultat.

da beobachter die relativ zueinander bewegt sind aber eine andere auffassung davon haben was gleichzeitigkeit an verschiedenen orten bedeutet, ermitteln sie auch verschiedene längen für die selben strecken. das ist die grundlage der längenkontraktion.

dass mit dem zusätzlichen 1/r der Vektor normiert werden soll

ja

Muss ich da tiefer in die Theorien von Einstein einsteigen

ja.

gravitation wirkt auch auf masselose objekte. gravitation wird beschrieben als ein effekt der krümmung der raumzeit, daher wird alles davon beeinflusst was sich in dieser raumzeit bewegt.

umgekehrt verursachen auch masselose objekte eine (sehr kleine) gravitative wirkung, da auch sie die raumzeit krümmen.

die Newtonsche theorie von der anziehung zweier massen, die man in der schule lernt, ist nur eine näherung davon.

ja, wenn du weißt wie groß die bindungsenergie von Lithium ist (allerdings wird man realistischerweise die bindungsenergie eben umgekehrt über den massendefekt messen. theoretische berechnungen werden (vermute ich sehr stark) viel viel ungenauer sein)

am CERN werden anti-protonen mit einem beam aus dem proton-synchrotron erzeugt. das hat einen umfang von ca. 600 metern. kann aber sein dass es ein bisschen kleiner auch ginge, der beschleuniger ist ja nicht nur darauf ausgelegt sondern wird auch für andere aufgaben genutzt.

anti-elektronen bekommst du natürlich wesentlich einfacher. hab jetzt nur schnell gefunden dass der linearbeschleuniger bei DAFNE in Frascati ca 60 meter lang ist. aber wiederum gilt: kann sein dass es auch kleiner geht.

weil das relevante am ende die wirkung als zeitliches integral über die Lagrange funktion ist. ein totales zeitliches differenzial gibt unter dem integral nur einen konstanten oberflächenterm. du musst die wirkung aber variieren um ein minimum zu finden ,und hier trägt ein konstanter term nichts bei

Welche Studiengänge stehen im engen Zusammenhang mit theoretischer Physik

welcher studiengang könnte das wohl sein?

das kommt ganz darauf an wie die daten die du bekommst aufbereitet sind. die volle analyse quasi aus den rohdaten ist ein gewaltiges projekt and dem ihunderte menschen gearbeitet haben.

wenn du - was ich eher vermute - bereits aufbereitete daten mit zB allen tracks pro kollision bekommst, wahrscheinlich sogar schon als identifizierte teilchen, dann kann das zumindest in einer simplen version schon eher bewältigbar sein.

aber nimm doch bitte gleich C++, die programmiersprache die in der wissenschaft für diese dinge verwendet wird.