Ein Beispiel für stark gekrümmte Raumzeit. Bildnachweis: Public-Domain-Foto von Pixabay-Benutzer JohnsonMartin.

Fragen Sie Ethan: Gibt es verschiedene Arten von Raum und Zeit?

Wenn nach Einsteins Worten alles relativ ist, wie messen Kosmologen dann diese Größen so, dass jeder zustimmen kann?

„Ein Mensch ist Teil eines Ganzen, von uns das Universum genannt, ein zeitlich und räumlich begrenzter Teil. Er erlebt sich selbst, seine Gedanken und Gefühle als etwas vom Rest Getrenntes, eine Art optische Täuschung seines Bewusstseins. Diese Täuschung ist für uns eine Art Gefängnis, das uns auf unsere persönlichen Wünsche und auf die Zuneigung einiger Personen in unserer Nähe beschränkt. Unsere Aufgabe muss es sein, uns aus diesem Gefängnis zu befreien, indem wir unseren Kreis des Mitgefühls erweitern, um alle Lebewesen und die gesamte Natur in ihrer Schönheit zu erfassen. “- Albert Einstein

Eine der widersprüchlichsten Lehren aus Einsteins Relativitätstheorie ist, dass es keinen absoluten Raum oder keine absolute Zeit gibt. Wenn ich dich frage, wann und wo du bist, kannst du es mir sagen. Aber wenn Sie und ich an weit entfernte Orte gehen und Sie fragen, wann und wo Sie mich wahrnehmen, stimmen Ihre und meine Antworten nicht unbedingt überein. Es hat sich herausgestellt, dass es keinen allgemein guten Weg gibt, Zeit und Raum (oder Entfernungen) für einen anderen Ort als Ihren eigenen in der allgemeinen Relativitätstheorie zu definieren. Infolgedessen haben wir verschiedene Möglichkeiten, diese Dinge zu definieren, und dies möchte Patreon-Unterstützer Thomas Sola wissen:

Ich würde gerne sehen, wie Sie die konforme Zeit und die kommende Entfernung erklären. Was sind sie und wann und wie werden sie im Vergleich zur umgangssprachlichen Zeit und Entfernung verwendet?

Wenn wir in unserer Alltagssprache Begriffe wie „Zeit“ und „Distanz“ verwenden, gibt es eine Vielzahl von Annahmen, über die wir selten nachdenken.

Galaxy-Cluster SDSS J1004 + 4112. Die Definition eines Abstands zu diesem Objekt ist nicht so einfach. Bildnachweis: ESA, NASA, K. Sharon (Universität Tel Aviv) und E. Ofek (Caltech).

Wenn Sie glauben, dass Sie mir sagen können, dass es 10:05 Uhr ist, wo ich bin, und dass ich 400 Meter von Ihnen entfernt bin, werden Sie vielleicht nicht verstehen, warum Sie glauben, dass Sie mir das sagen können. Sie gehen davon aus, dass Ihre Uhr und meine Uhr mit derselben Geschwindigkeit laufen, dass sie an einem gemeinsamen Punkt entstanden sind, an dem wir vereinbart haben, was Zeit bedeutet, und dass sie sich wieder einig sind, wenn wir diese beiden Uhren wieder zusammenführen. Einfach genug, oder?

Nur wenn zwei wichtige Dinge zutreffen:

  1. Nichts bewegt sich relativ zu irgendetwas anderem. Erhalten zwei Dinge eine relative Geschwindigkeit zueinander, so erfahren sie den Lauf der Zeit (und ihre Wahrnehmung der Distanz) unterschiedlich voneinander. Instabile Teilchen, die sich in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, scheinen aufgrund der zeitlichen Ausdehnung länger zu leben, und Astronauten an Bord der ISS altern in schneller Bewegung um die Erde mit einer geringfügig (aber wahrnehmbaren) anderen Geschwindigkeit als stationäre Menschen auf der Erde. Und…
  2. Der Raum ist völlig flach, was er niemals ist. In unserem Universum regiert uns die allgemeine Relativitätstheorie, die uns sagt, dass die Existenz von Materie und Energie bedeutet, dass der Raum gekrümmt ist und dass Uhren mit unterschiedlicher Geschwindigkeit laufen, je nachdem, wie tief sie sich in einem Gravitationsfeld befinden Im oberen Bereich des Empire State Buildings wird jedes Jahr ein paar Mikrosekunden langsamer als im unteren Bereich.
Die Krümmung des Raums bedeutet, dass Uhren, die sich tiefer in einem Gravitationsschacht befinden - und daher in einem stärker gekrümmten Raum - mit einer anderen Geschwindigkeit laufen als Uhren in einem flacheren, weniger gekrümmten Teil des Raums. Bildnachweis: NASA.

Für Entfernungen gelten dieselben Einschränkungen: Sowohl Bewegung als auch Raumkrümmung machen es Beobachtern an verschiedenen Orten inhärent unmöglich, sich notwendigerweise auf einen universellen Entfernungsstandard zu einigen. Aber wenn wir große Entfernungen betrachten, kommt noch etwas Besonderes ins Spiel: Die Tatsache, dass sich das Gewebe des Universums selbst - der Raum - im kosmischen Maßstab ausdehnt. Wir können nicht länger über die Entfernung zwischen Galaxien als Dinge sprechen, die wir mit einem vereinbarten Lineal messen können, da sich der Raum zwischen diesen Galaxien mit der Zeit erweitert. Dies bringt uns in Schwierigkeiten, wenn wir beispielsweise über die Messung der entferntesten Galaxie im Universum sprechen.

Hubble bestätigt spektroskopisch die mit einer Rotverschiebung von 11,1 bisher am weitesten entfernte Galaxie. Bildnachweis: NASA, ESA und A. Feild (STScI).

Der derzeitige kosmische Rekordhalter befindet sich bei einer Rotverschiebung von 11,1, was bedeutet, dass uns in unseren 13,8 Milliarden Jahren seit dem Urknall sein Licht erst jetzt erreicht, nachdem wir 13,4 Milliarden dieser Jahre gereist sind. Aber wie weit ist diese Galaxie entfernt? Man könnte denken, basierend auf der Lichtreisezeit, dass es 13,4 Milliarden Lichtjahre entfernt ist, aber das ist kaum fair. Zu der Zeit, als das Licht, das uns gerade erreichte, ausgesandt wurde, war diese Galaxie weniger als zwei Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Dank der Ausdehnung des Universums unter Verwendung unserer konventionellen Messstandards ist diese Galaxie etwa 32 Milliarden Lichtjahre entfernt. In einem expandierenden Universum, in dem sich Entfernungen mit der Zeit ändern, ist es schwierig, einen universellen Entfernungsstandard zu definieren.

Standardkerzen und Standardlineale sind zwei sich ergänzende, aber grundlegend verschiedene Möglichkeiten, Entfernungen im Universum zu messen. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech.

Zur Beantwortung der Frage von Thomas stellen wir daher unter anderem das Konzept der verschiedenen Arten von Entfernungen vor. Die Frage, nach der er sich insbesondere erkundigt - nach der Entfernung -, ist eine meiner Lieblingsfragen: Sie erkennt einfach, dass sich die Entfernungen im Universum aufgrund der Hubble-Erweiterung ändern, und skaliert die Erweiterung daher heraus. Dies ist unglaublich nützlich, wenn wir Simulationen durchführen, wie sich Strukturen wie Sterne, Galaxien und Cluster und Filamente im Universum bilden. Sicher, die Gravitation ist am Werk, aber das Universum dehnt sich auch die ganze Zeit aus. Indem wir wissen, wie man die Abstände zur Expansion skaliert (d. H. Indem wir kommende Abstände verwenden), können wir sehen, wie sich die großräumige Struktur des Universums entwickelt. Dies gibt uns eine viel interessantere Möglichkeit, Dinge zu betrachten, als zu beobachten, wie sich das Universum ausdehnt, und zu versuchen, die Strukturbildung in einem sich ausdehnenden Universum herauszufinden.

Und da Raum und Zeit untrennbar miteinander verbunden sind - Raumzeit - ist es zwangsläufig richtig, dass wir ein neues Zeitkonzept benötigen, um jedem einzelnen Konzept der Distanz zu entsprechen, das wir entwickeln. Das zeitliche Gegenstück zur zurückgelegten Distanz ist in der Tat die konforme Zeit. Wenn Sie die Ausdehnung des Universums magisch (und es wäre ein magischer Akt) „einfrieren“ würden, entspricht die Anpassungszeit überall und augenblicklich der Zeit, die ein Lichtstrahl benötigt, um von einem Ort direkt zu Ihnen zu gelangen.

Für die am weitesten entfernte Galaxie im Universum entspricht dies einer konformen Zeit von 32 Milliarden Jahren. Für den wahrgenommenen Ort des heißen Urknalls entspricht dies einer konformen Zeit von 46 Milliarden Jahren. Dies ist wahr, obwohl nur 400 Millionen Jahre zwischen dem Urknall und der Emission von Licht aus dieser fernen Galaxie vergangen sind; Die Ausdehnung des Raums war von Anfang an so schnell - und diese Unterschiede breiten sich bis heute aus -, dass ein Unterschied von 14 Milliarden Jahren in der konformen Zeit einem Unterschied in der "richtigen Zeit" (dem wir normalerweise die Bedeutung von "Zeit" zuordnen) entspricht von nur 400 Millionen Jahren.

Die Geschichte des expandierenden Universums, einschließlich dessen, woraus es derzeit besteht. Bildnachweis: ESA und die Planck-Kollaboration (main), mit Modifikationen von E. Siegel; NASA / Wikimedia Commons-Benutzer 老陳 (Einschub).

Wenn Sie hier auf der Erde über Dinge sprechen und sich nichts in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegt oder sich in seinem Gravitationsfeld stark ändert, sind alle möglichen Arten von "Entfernung" und "Zeit" ziemlich gleich. Wenn Sie jedoch über das expandierende Universum in einem großen, kosmischen Maßstab sprechen, sind die richtige Entfernung und die richtige Zeit möglicherweise nicht so nützlich (oder interessant) wie die Entfernung und die konforme Zeit. Wenn Sie das nächste Mal eine Simulation des Universums sehen und feststellen, dass es scheinbar nicht größer wird, müssen Sie sich dessen bewusst sein, dass für die Simulation eine Komoving-Distanz verwendet wird, obwohl möglicherweise auch die richtige Zeit verwendet wird.

Und wenn Sie von einem superfernen Objekt sprechen hören, für das eine Entfernung von weniger als 14 Milliarden Lichtjahren festgelegt wurde, bedenken Sie, dass dies wahrscheinlich auch eine Verwendung der Nahentfernung ist. Laut unseren konventionellen, richtigen Herrschern ist es wahrscheinlich viel weiter als das!

Senden Sie Ihre Ask Ethan-Fragen an startswithabang at gmail dot com!

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!