Astronomie

Warum ist das beobachtbare Universum größer als sein Alter vermuten lässt?

Warum ist das beobachtbare Universum größer als sein Alter vermuten lässt?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Das Alter des Universums wird auf 13,8 Milliarden Jahre geschätzt, und die aktuelle Theorie besagt, dass nichts die Lichtgeschwindigkeit überschreiten kann, was zu der falschen Schlussfolgerung führen kann, dass das Universum keinen Radius von mehr als 13,8 Milliarden Lichtjahren haben kann.

Wikipedia geht mit diesem Missverständnis wie folgt um:

Diese Argumentation wäre nur dann sinnvoll, wenn die flache, statische Minkowski-Raumzeitvorstellung unter der speziellen Relativitätstheorie richtig wäre. Im realen Universum ist die Raumzeit auf eine Weise gekrümmt, die der Ausdehnung des Raums entspricht, wie durch das Hubble-Gesetz belegt. Entfernungen, die als Lichtgeschwindigkeit multipliziert mit einem kosmologischen Zeitintervall erhalten werden, haben keine direkte physikalische Bedeutung. → Ned Wright, "Warum die Light Travel Time Distance in Pressemitteilungen nicht verwendet werden sollte"

Das klärt die Sache für mich nicht, und da ich über die High School hinaus keinen naturwissenschaftlichen oder mathematischen Hintergrund habe, hilft es auch nicht viel, sich weiter mit Hubbles Gesetz zu beschäftigen.

Die Erklärung eines Laien, die ich gesehen habe, bietet eine Erklärung dafür, dass das Universum selbst nicht an dieselben Gesetze wie die Dinge gebunden ist innerhalb es. Das wäre sinnvoll - soweit diese Dinge können - aber das obige Zitat ("Distanzen, die sich aus der Lichtgeschwindigkeit multipliziert mit einem kosmologischen Zeitintervall ergeben, haben keine direkte physikalische Bedeutung") scheint allgemeiner zu sein.

Kann jemand eine gute Erklärung für Laien anbieten (oder mich anweisen)?


Die einfachste Erklärung dafür, warum die maximale Entfernung, die man sehen kann, nicht einfach das Produkt der Lichtgeschwindigkeit mit dem Alter des Universums ist, liegt darin, dass das Universum nicht statisch ist.

Verschiedene Dinge (d. h. Materie vs. dunkle Energie) haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Koordinaten des Universums, und ihr Einfluss kann sich mit der Zeit ändern.

Ein guter Ausgangspunkt für all dies ist die Analyse des Hubble-Parameters, der uns die Hubble-Konstante zu jedem Zeitpunkt in der Vergangenheit oder in der Zukunft liefert, vorausgesetzt, wir können messen, was das Universum ist zur Zeit gemacht aus:

$$ H(a) = H_{0} sqrt{frac{Omega_{m,0}}{a^{3}} + frac{Omega_{gamma,0}}{a^{4 }} + frac{Omega_{k,0}}{a^{2}} + Omega_{Lambda,0}} $$ wobei die Indizes $m$, $gamma$, $k$ und $Lambda$ auf $Omega$ beziehen sich auf die Dichteparameter von Materie (dunkel und baryonisch), Strahlung (Photonen und andere relativistische Teilchen), Krümmung (dies kommt nur zum Tragen, wenn das Universum global von der räumlichen Ebene abweicht; Beweise zeigt an, dass es mit Flachheit vereinbar ist) und schließlich dunkle Energie (die, wie Sie feststellen werden, ein . bleibt Konstante unabhängig davon, wie sich die Dynamik des Universums abspielt). Ich sollte auch darauf hinweisen, dass die tiefgestellte Notation $0$ bedeutet, wie gemessen heute.

Der $a$ im obigen Hubble-Parameter wird als Skalierungsfaktor bezeichnet, der heute gleich 1 und zu Beginn des Universums gleich Null ist. Warum skalieren die verschiedenen Komponenten bei $a$ unterschiedlich? Nun, es hängt alles davon ab, was passiert, wenn Sie die Größe einer Schachtel mit dem darin enthaltenen Zeug vergrößern. Wenn Sie ein Kilogramm Materie in einem Würfel von 1 Meter Seitenlänge haben und jede Seite auf 2 Meter vergrößern, was passiert dann mit der Dichte der Materie in diesem neuen Würfel? Es verringert sich um den Faktor 8 (oder $2^{3}$). Für Strahlung erhält man eine ähnliche Abnahme von $a^{3}$ in der Zahldichte der darin enthaltenen Teilchen und auch einen zusätzlichen Faktor von $a$ aufgrund der Dehnung seiner Wellenlänge mit der Größe der Box, was uns $ ein^{4}$. Die Dichte der dunklen Energie bleibt bei dieser Art von Gedankenexperiment konstant.

Da sich verschiedene Komponenten unterschiedlich verhalten, wenn sich die Koordinaten des Universums ändern, gibt es entsprechende Epochen in der Geschichte des Universums, in denen jede Komponente die Gesamtdynamik dominiert. Es ist auch ganz einfach herauszufinden. Beim kleinen Skalenfaktor (sehr früh) war die wichtigste Komponente die Strahlung. Der Hubble-Parameter konnte schon früh durch den folgenden Ausdruck sehr gut angenähert werden:

$$H(a) = H_{0} frac{sqrt{Omega_{gamma,0}}}{a^{2}}$$

Um ungefähr:

$$ frac{Omega_{m,0}}{a^{3}} = frac{Omega_{gamma,0}}{a^{4}} $$ $$ a = frac{ Omega_{gamma,0}}{Omega_{m,0}} $$ haben wir Materie-Strahlungs-Gleichheit, und von diesem Punkt an dominiert die Materie die Dynamik des Universums. Dies kann noch einmal für Materie-Dunkel-Energie getan werden, in der man feststellen würde, dass wir jetzt in der von Dunkler Energie dominierten Phase des Universums leben. Eine Vorhersage, in einer Phase wie dieser zu leben, ist eine Beschleunigung der Koordinaten des Universums - etwas, das bestätigt wurde (siehe: Nobelpreis für Physik 2011).

Sie sehen also, es wäre etwas komplizierter, die Entfernung zum kosmologischen Horizont zu bestimmen, als nur die Lichtgeschwindigkeit mit dem Alter des Universums zu multiplizieren. Wenn Sie diese Entfernung (formal als Mitbewegungsentfernung zum kosmischen Horizont bezeichnet) ermitteln möchten, müssen Sie das folgende Integral ausführen:

$$ D_{h} = frac{c}{H_{0}} int_{0}^{z_{e}} frac{mathrm{d}z}{sqrt{Omega_{m,0 }(1+z)^{3} + Omega_{Lambda}}} $$

wobei die Emissions-Rotverschiebung $z_{e}$ normalerweise mit $sim 1100$ angenommen wird, der Fläche der letzten Streuung. Es stellt sich heraus, dass dies der wahre Horizont ist, den wir als Beobachter haben. Die Krümmung wird normalerweise auf Null gesetzt, da unser erfolgreichstes Modell ein flaches (oder fast flaches) Universum anzeigt, und die Strahlung ist hier unwichtig, da sie bei einer höheren Rotverschiebung dominiert. Ich möchte auch darauf hinweisen, dass diese Beziehung von der Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Metrik abgeleitet ist, einer Metrik, die Krümmung und Ausdehnung umfasst. Dies ist etwas, das der Minkowski-Metrik fehlt.


Kurzum: Die Dinge können sich selbst nicht schneller als das Licht bewegen, aber sie können sich aufgrund der universellen Ausdehnung schneller als das Licht bewegen. Je weiter weg, desto schneller verschwinden sie.


Ich habe gerade darüber nachgedacht und hier ist die Erklärung meines Laien. Stellen Sie sich vor, Sie zeichnen zwei Punkte auf einem zerknitterten Blatt Papier nach, die Punkte bewegen sich, aber während sie sich bewegen, wird das Papier "aufgeknittert", der tatsächliche Abstand zwischen den Punkten ist mehr als die Summe der Abstände, die sie haben gereist.


Die völlig unwissenschaftliche Erklärung…

Stellen Sie sich das Universum als Ballon vor. Zwei Körper beginnen nahe beieinander, aber auf gegenüberliegenden Oberflächen. Die Expansion des Ballons entfernt sie mit gleicher Geschwindigkeit und einer solchen Geschwindigkeit, dass das Licht von einem an seinem Ausgangspunkt fast die gesamte Geschichte des Universums benötigt, um den anderen zu erreichen. Der Abstand zwischen den beiden ist JETZT nicht doppelt so alt wie das Universum - weil man nicht "durch" den Ballon reisen kann - sondern muss stattdessen die Oberfläche des Ballons umrunden… 13,8 * PI Milliarde Lichtjahre = 43 Milliarden Lichtjahre.

Nicht ganz richtig, aber zumindest vermeidet man sich zu viele Sorgen um Astrophysik und Kosmologie!


Ich liebe Ned Wrights Kosmologie-Tutorial und kann es nur wärmstens empfehlen, aber diese Aussage von ihm ist zumindest sehr irreführend. Superluminale Rezessionsgeschwindigkeiten können eindeutig nicht mit der Krümmung der Raumzeit in Verbindung gebracht werden, da sie nicht an der Grenze der Krümmung von Null (Nullenergiedichte oder Null) verschwinden $G$).

Der wahre Grund dafür, dass Entfernungen größer sein können als $c$ mal die aktuelle kosmologische Zeit ist, dass die Uhren, die wir zur Messung der kosmologischen Zeit verwenden, nicht in relativer Ruhe sind, wie die Uhren in Inertialkoordinatensystemen, sondern sich radial voneinander weg bewegen, wodurch kosmologische Koordinaten eher wie Polarkoordinaten werden. Wenn wir eine Familie von gleichmäßig verteilten Uhren haben und definieren $t$ die Anzeige auf der nächsten Uhr zu sein und $x$ sein (die Anzahl der Uhren zwischen dieser und dem Ursprung) × (der Abstand zwischen benachbarten Uhren, wenn beide dieselbe Zeit lesen), dann $Δx/Δtle c$ ist eine wahre Aussage, wenn sich diese Uhren in relativer Ruhe befinden, aber nicht, wenn sie sich von einem gemeinsamen Ursprungspunkt nach außen bewegen. Im letzteren Fall stellt sich heraus, dass es keine Obergrenze für gibt $Δx/Δt$, sogar in der speziellen Relativitätstheorie.

Im spezialrelativistischen Fall kann man sich das als Zeitdilatation vorstellen. Wenn Sie zwei Uhren in Bezug auf die Trägheitsschwerpunktkoordinaten betrachten, bewegen sie sich mit einer gewissen Geschwindigkeit in entgegengesetzte Richtungen $v$. Nach einer Trägheitskoordinatenzeit $t$, sie sind ein Trägheitskoordinatenabstand $2vt$ auseinander, aber die verstrichene Zeit, die sie aufgenommen haben, ist kleiner als $t$ um den Faktor $γ=1/sqrt{1-v^2/c^2}$. Schon seit $γ{ o}infty$ wie $v{ o}c$, das Verhältnis des Koordinatenabstands zu den verstrichenen Zeiten auf den Uhren geht auch ins Unendliche, da $v{ o}c$.

In der speziellen Relativitätstheorie gibt es eine Tendenz, Trägheitskoordinatenzeiten als "echte" Zeiten und Messwerte auf Uhren als irgendwie durch Zeitdilatation verzerrt zu betrachten, aber das ist wirklich nur ein menschliches Vorurteil. Das Universum kümmert sich nicht um Koordinatensysteme, und es "kümmert" sich nur um Referenzrahmen, wenn sie tatsächlich von physischen Objekten instanziiert werden. In der realen Welt gibt es keine natürlich vorkommenden Trägheitsreferenzsysteme auf großen Skalen, aber es gibt ein natürlich vorkommendes radiales Referenzsystem, das durch die gemittelte Bewegung der Materie auf großen Skalen oder durch die Kreuzungspunkte von Wellenfronten aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund gegeben ist. Das natürlichste Koordinatensystem des Universums – und das tatsächlich von Kosmologen verwendete – basiert auf diesem natürlich vorkommenden Rahmen, und, wie Ned Wright sagte, wenn man Distanzen und Zeiten auf diese Weise definiert, das Distanz-Zeit-Verhältnis $c$ hat keine besondere Bedeutung.

(Eigentlich sind alle drei Sätze von Ned Wright richtig. Das Problem ist, dass sie zusammengenommen zu implizieren scheinen, dass die Superluminalexpansion mit der Krümmung der Raumzeit zusammenhängt, und das ist nicht richtig.)


Schau das Video: The Beginning of Everything -- The Big Bang (Februar 2023).