„Ist das Universum schneller als das Licht?“ Eine einfache Erklärung, warum die Relativitätstheorie nicht zusammenbricht.

Warum die "schnellere als Licht Expansion des Universums" Einstein nicht verrät

"Das Universum expandiert schneller als das Licht"

Wenn man so einen Satz auf der Timeline sieht, denken viele Leute wahrscheinlich:

"Was, ist die Relativitätstheorie vorbei?"

Aber um es vorwegzunehmen: Einstein wird überhaupt nicht verraten.
In der modernen Kosmologie wird verstanden, dass die "Expansionsgeschwindigkeit des gesamten Universums" die Lichtgeschwindigkeit überschreiten kann und dies eher als selbstverständlich angesehen wird.Phys.org

Wie funktioniert das also? Wir werden die Überraschungen und Missverständnisse in den sozialen Medien aufgreifen und den Erklärungsartikel "Yes, the universe can expand faster than light" von Phys.org als Grundlage nehmen, um es zu klären.Phys.org

Die Geschwindigkeitsbegrenzung der Lichtgeschwindigkeit ist eine "lokale Regel"

Die Relativitätstheorie verbietet, dass "ein Objekt, das am selben Ort beobachtet wird, sich schneller als das Licht bewegt".
Egal ob Rakete oder Raumschiff, die Geschwindigkeit, mit der sie vorbeifliegen, muss immer unterhalb der Lichtgeschwindigkeit liegen.

Wichtig ist hier,

• die Geschwindigkeit, mit der sich "ein Objekt im Raum bewegt" (lokal)

• die Geschwindigkeit, mit der sich "der Raum selbst ausdehnt oder zusammenzieht" (global)

sind verschiedene Dinge.

In der allgemeinen Relativitätstheorie ist es egal, wie schnell sich der Raum selbst ausdehnt.
Es ist das Bild, dass die Rakete wegen Geschwindigkeitsübertretung erwischt wird, aber "die Straße selbst", die sich von alleine ausdehnt, bleibt ungestraft.

Die Expansion des Universums ist genau dieses Phänomen der "Straße (Raum), die sich ausdehnt".
Galaxien "sitzen" im Grunde nur an ihrem Platz und entfernen sich als Ergebnis, während sich der Weltraum ausdehnt.

Das Universum ist 13,77 Milliarden Jahre alt, aber das beobachtbare Universum hat einen "Radius von 45 Milliarden Lichtjahren"

Lassen Sie uns hier die Zahlen betrachten und noch mehr Verwirrung stiften.

• Alter des Universums: ungefähr 13,77 Milliarden Jahre

• Die am weitesten entfernte Entfernung, die wir derzeit "sehen" können: ungefähr 45 Milliarden LichtjahrePhys.org

"Wie können wir etwas in 45 Milliarden Lichtjahren Entfernung sehen, wenn erst 13,8 Milliarden Jahre vergangen sind?"
Diese Diskrepanz ist der Beweis dafür, dass "die Expansion des Universums die Lichtgeschwindigkeit übersteigt".

Der Punkt ist, dassdas Universum sich weiter ausdehnt, während das Licht reist.

1. Eine Galaxie, die kurz nach dem Urknall geboren wurde, emittiert Licht

2. Dieses Licht reist über Milliarden von Jahren zur Erde

3. In der Zwischenzeit dehnt sich der Raum weiter aus

4. Wenn das Licht uns endlich erreicht, ist die Galaxie jetzt viel weiter entfernt als damals

Infolgedessen istdie "aktuelle Position der am weitesten entfernten Galaxie, die wir jetzt sehen", viel weiter entferntals die Entfernung, die das Licht zurückgelegt hat.
In der Kosmologie wird diese Entfernung als "Teilchenhorizont" bezeichnet, und der aktuelle Wert beträgt etwa 45 Milliarden Lichtjahre.Phys.org

Jenseits der Hubble-Distanz entfernen sich Galaxien "scheinbar" schneller als das Licht

Die Expansionsgeschwindigkeit des Universums nimmt proportional zur Entfernung zu.

Dies ist als Hubble-Gesetz bekannt,

und es drückt die einfache Beziehung aus, dass

je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto größer ist ihre Rückzugsgeschwindigkeit (die Geschwindigkeit, mit der sie sich von uns entfernt).

Wenn man diese Gleichung erweitert, erscheint ein Punkt, an dem "Rückzugsgeschwindigkeit = Lichtgeschwindigkeit" erreicht wird.
Dies wird als Hubble-Distanz bezeichnet, und im Standardmodell der modernen Kosmologie, dem ΛCDM, beträgt sie etwa 13,77 Milliarden Lichtjahre.Phys.org

• Galaxien innerhalb der Hubble-Distanz
  → Rückzugsgeschwindigkeit ist unterhalb der Lichtgeschwindigkeit

• Galaxien jenseits der Hubble-Distanz
  → Rückzugsgeschwindigkeit übersteigt die Lichtgeschwindigkeit (scheinbar)

"Was, dann bewegen sie sich doch schneller als das Licht!" könnte man denken, aber hier ist zu beachten

dass es nicht die Galaxien selbst sind, die sich bewegen, sondern "der Raum zwischen uns und den Galaxien"

.

Deshalb steht dies nicht im Widerspruch zur Relativitätstheorie, die lokale Geschwindigkeitsbegrenzungen auferlegt.

"Das Licht, das jetzt ausgesendet wird", erreicht nie die Grenze, den Ereignishorizont des Universums

Noch komplizierter ist das Konzept des "Ereignishorizonts des Universums".Phys.org

• Teilchenhorizont... die am weitesten entfernte Entfernung, von der "bisher Licht angekommen ist" (ungefähr 45 Milliarden Lichtjahre)

• Ereignishorizont... die Grenze, ab der "das Licht, das in diesem Moment ausgesendet wird, niemals ankommen wird"

Laut dem Artikel von Phys.org liegt der Ereignishorizont derzeit bei etwa 17 Milliarden Lichtjahren.Phys.org

Das Licht, das von Galaxien außerhalb dieser Entfernung "jetzt" ausgesendet wird, wird uns niemals erreichen.
Dies liegt daran, dass der Bereich, der sich schneller als das Licht entfernt, aufgrund der beschleunigten Expansion des Universums immer größer wird.

Obwohl der Name ähnlich wie der Horizont eines Schwarzen Lochs klingt, bezieht sich dies auf den "Horizont des gesamten Universums".
Es ist die Grenze, an der Informationen aufgrund der Expansion des Universums niemals ankommen können.

In 100 Milliarden Jahren wird das Universum nur noch die "Lokale Galaxiengruppe" sichtbar machen

Unter dem ΛCDM-Modell wird angenommen, dass das Universum weiterhin von dunkler Energie dominiert wird und sich beschleunigt ausdehnt.Phys.org

Diese Zukunftsvision ist ziemlich einsam.

• Der Ereignishorizont wird in Zukunft bei etwa 60 Milliarden Lichtjahren stagnieren

• In der Zwischenzeit wird das Licht von fernen Galaxien immer mehr rotverschoben und die Wellenlänge verlängert sich, bis es schließlich nicht mehr beobachtbar istPhys.org

Laut der Erklärung von Phys.org wird in etwa 100 Milliarden Jahren das gesamte Universum außer der lokalen Galaxiengruppe (zu der die Milchstraße und die Andromeda-Galaxie gehören) aus dem Sichtfeld verschwinden..Phys.org

Sollte zu diesem Zeitpunkt noch eine Zivilisation im Universum existieren, könnten sie

fälschlicherweise glauben, dass "es schon immer nur diese Galaxiengruppe in einem stillen Universum gegeben hat"

.
Es wird viel schwieriger sein, zur Urknall-Kosmologie zu gelangen als heute.

Reaktionen auf das "schneller als Licht Universum", das in den sozialen Medien kursierte

Der Artikel mit dem provokanten Titel "Yes, the universe can expand faster than light" hat auch in den sozialen Medien große Resonanz gefunden (hier werden typische Reaktionen rekonstruiert vorgestellt).

1. Verwirrung der Art "Die Relativitätstheorie ist vorbei"

"Das Universum ist schneller als das Licht, hat Einstein verloren?"
"Hat sich die Physik wieder geändert...?"

Solche Kommentare waren die ersten, die auf X (ehemals Twitter) und Threads auftauchten.
Tatsächlich ist, wie oben erwähnt, die "schneller als Licht" Expansion des Universums mit der Relativitätstheorie konsistent.
Vielmehr ist es die allgemeine Relativitätstheorie selbst, die dieses seltsame Phänomen ermöglicht.

2. Der Traum und die Realität von "Können wir dann Warp-Antriebe machen?"

"Wenn sich der Raum bewegt, könnte dann nicht auch der Warp-Antrieb aus der Science-Fiction realisiert werden?"
"Wenn wir das, was das Universum insgesamt tut, lokal nachbild