Künstlerische logarithmische Skalenkonzeption des beobachtbaren Universums. Galaxien weichen großräumigen Strukturen und dem heißen, dichten Plasma des Urknalls am Stadtrand. Bildnachweis: Pablo Carlos Budassi (Unmismoobjetivo) unter der Lizenz c.c.a.-s.a.-3.0.

Kann sich das Universum schneller ausdehnen als die Lichtgeschwindigkeit?

Es kommt darauf an, wohin Sie schauen. Die Antwort ist relativ genial!

"Wenn alles unter Kontrolle zu sein scheint, geht es nicht schnell genug."
-Mario Andretti

Eines der bekanntesten Grundgesetze von Einstein ist, dass sich nichts im Universum schneller bewegen kann als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Wenn Sie ein masseloses Teilchen sind, müssen Sie sich mit dieser Geschwindigkeit fortbewegen. Wenn Sie eine Masse ungleich Null haben, ist es für Sie unmöglich, diese Geschwindigkeit zu erreichen, unabhängig davon, wie viel Energie Sie hineinpumpen. Noch überraschender und weniger intuitiv ist: Wenn ein Teilchen, das sich in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, ein anderes Teilchen abfeuert, das sich in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, bewegt es sich nicht mit fast der doppelten Lichtgeschwindigkeit. Tatsächlich kann es immer noch nicht einmal die Lichtgeschwindigkeit selbst erreichen! Diese Regeln gelten jedoch ausschließlich für Partikel, die sich in der Raumzeit an derselben Stelle befinden. Im expandierenden Universum - allgemein in gekrümmter Raumzeit - sind die Regeln sehr unterschiedlich. Je nachdem, wie Sie es sehen, ist die Expansion des Universums selbst überhaupt nicht an die Lichtgeschwindigkeit gebunden.

Wie ist das möglich? Beginnen wir mit der Lichtgeschwindigkeit und was das bedeutet.

Public domain timelapse Foto von flickr User comedynose (Pete), das schnelle, relativistische Bewegungen illustriert. Bild abgerufen über https://www.flickr.com/photos/comedynose/23696582553.

Egal wo Sie sind oder was Sie sind, es gibt eine absolute Grenze dafür, wie schnell Sie sich durch den Weltraum bewegen können. Sie könnten denken, dass Sie sich durch den Einsatz von mehr Energie schneller bewegen können. Dies gilt zwar, aber nur bis zu einem gewissen Punkt. Wenn Sie sich mit nur wenigen Metern pro Stunde oder einigen Kilometern pro Sekunde oder sogar einigen Kilometern pro Sekunde bewegen, wie die Erde die Sonne umkreist, werden Sie die wahrscheinlich nicht einmal bemerken Hindernisse, die es gibt, sich mit unendlicher Geschwindigkeit zu bewegen. Sie existieren aber trotzdem, wenn auch subtil. Sie sehen, je schneller Sie sich bewegen - je größer Ihre Bewegung durch den Raum ist - desto langsamer wird Ihre Bewegung durch die Zeit. Stellen Sie sich vor, Sie wären vollständig auf der Erdoberfläche in Ruhe und hätten einen Freund, der mit Ihnen begonnen hat, auch in Ruhe, aber dann mit einem Jet losgeflogen ist, um die Welt zu rasen. Bevor Sie und Ihr Freund abreisen, synchronisieren Sie beide die Uhren auf die Mikrosekunde.

Wenn Sie eine Uhr hatten, die empfindlich genug war, stellten Sie fest, dass Ihre Uhren - als Ihr Freund die Reise beendet und zu Ihnen zurückgekehrt war - nur geringfügig voneinander abweichen. Ihre Uhr würde eine etwas spätere Zeit als die Ihres Freundes anzeigen, wahrscheinlich nur einige zehn Mikrosekunden, aber so unterschiedlich, dass eine genaue Messung sie auseinanderhalten könnte.

Und je schneller Sie gehen, desto deutlicher wird der Unterschied.

Bildnachweis: NASA, von der ISS, von einem Gewitter und Lichter der Stadt in der Nacht.

Astronauten auf der Internationalen Raumstation, die in nur 90 Minuten um die Erde sausen, sehen, wie ihre Uhren um Sekunden langsamer laufen. Bei der Rückkehr zur Erde ist der Unterschied in der verstrichenen Zeit selbst bei herkömmlichen Uhren spürbar. Das Seltsame ist, dass nicht nur die Uhren aufgrund der hohen Geschwindigkeiten unterschiedlich laufen, sondern auch die Zeit selbst mit einer anderen Geschwindigkeit vergeht.

Die Tatsache, dass Uhren mit hoher Geschwindigkeit langsamer laufen, ist nur ein Artefakt des umfassenderen Phänomens, dass Zeit und Raum verbunden sind und dass eine schnellere Bewegung durch den Raum eine langsamere Bewegung durch die Zeit bedeutet. Die Verbindung zwischen Raum und Zeit ist durch die Lichtgeschwindigkeit gegeben. Je näher Sie der Lichtgeschwindigkeit kommen, desto mehr nähert sich Ihr Zeitablauf asymptotisch Null an.

Aus diesem Grund kann ein Myon, ein instabiles Teilchen mit einer mittleren Lebensdauer von nur zwei Mikrosekunden, am oberen Rand der Atmosphäre mit Geschwindigkeiten erzeugt werden, die sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegen und bis zur Erdoberfläche reichen. Dies ist eine Strecke von rund 100 km, während sie sich bei einer Geschwindigkeit von nur 300.000 km / s (Lichtgeschwindigkeit) für 2,2 Mikrosekunden nach nur 0,6% der erforderlichen Strecke abbauen würde. Der Grund, warum ein Myon es bis zur Erdoberfläche schaffen kann - und wenn Sie Ihre Hand ausstrecken, durchquert es jede Sekunde etwa ein Myon - ist auf diesen Relativitätseffekt zurückzuführen.

Der Koma-Galaxienhaufen, der dichteste und reichste Galaxienhaufen in der Nähe, nur 330 Millionen Lichtjahre entfernt. Bildnachweis: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / Universität von Arizona, unter c.c.-by-s.a.-3.0.

Was ist nun mit dem expandierenden Universum? Sie wissen, dass, wenn Sie auf eine Galaxie schauen, diese sich im Durchschnitt umso schneller von uns zu entfernen scheint, je weiter diese Galaxie von uns entfernt ist. Galaxien im Jungfrau-Cluster, die etwa 50 bis 60 Millionen Lichtjahre entfernt sind, entfernen sich von uns mit durchschnittlich 1200 km / s. Galaxien im etwa 330 Millionen Lichtjahre entfernten Koma-Haufen scheinen mit 7000 km / s vor uns zurückzutreten.

Je weiter wir wegschauen, desto schneller scheinen sich diese Galaxien und Haufen zurückzuziehen. Sicher, es gibt kleine Abweichungen von ein paar hundert oder sogar tausend km / s aufgrund lokaler Bewegungen und der Wirkung von nahegelegenen Gravitationszügen, aber auf den größten Skalen - und in den größten Entfernungen - können wir sehen, dass wir weiter weg schauen Je schneller sich diese Galaxien von uns entfernen. Diese Beobachtung, die Edwin Hubble zum ersten Mal in den 1920er Jahren selbst gemacht hat, ist der Grund für Hubbles Gesetz oder das Gesetz, das die Expansion des Universums regelt. Mit den besten modernen Beobachtungen, die uns zur Verfügung stehen, setzt sich dieses Gesetz Milliarden von Lichtjahren in alle Richtungen fort.

Bildnachweis: Ned Wright, basierend auf den neuesten Daten von Betoule et al. (2014) über http://www.astro.ucla.edu/~wright/sne_cosmology.html.

„Moment“, kann ich dich protestieren hören. "Was ist mit der Lichtgeschwindigkeit?" In der Tat, was ist mit der Lichtgeschwindigkeit? Sicher, diese unsichtbare Barriere, die alle Arten von Materie davon abhält, sich über eine bestimmte Geschwindigkeit hinaus zu bewegen, würde einschreiten und verhindern, dass die Galaxien über einen bestimmten Punkt hinaus zurückweichen, nicht wahr? Die Zeit würde asymptotisch vergehen und aufhören, wenn Sie sich dieser Geschwindigkeit nähern, und es ist für immer verboten, mit einer Geschwindigkeit von weniger als Null zu vergehen, sonst würden sich diese Galaxien in der Zeit zurückbewegen, richtig?

Das könnte man meinen, aber wir haben ein wichtiges Teil des Puzzles ausgelassen. Die Lichtgeschwindigkeit gilt als Grenze nur für Objekte, die sich an derselben Stelle im Raum relativ zueinander bewegen.

Eineiige Zwillinge, NASA Expedition 45/46 Commander, Astronaut Scott Kelly zusammen mit seinem Bruder, dem ehemaligen Astronauten Mark Kelly, im Johnson Space Center. Scott verbrachte ein Jahr an Bord der ISS im All, während Mark am Boden blieb. Bildnachweis: NASA / Robert Markowitz.

Als deine Freundin in ihrem Flugzeug abgereist ist und mit ihrer Uhr etwas hinter deiner zurückgekehrt ist, war es so, dass du dich wieder am selben Ort getroffen hast. Als die Astronauten auf die Erde zurückkehrten und ihre Reise einige Sekunden kürzer war als Ihre, war das so, weil Sie am selben Ort gelandet sind. Sogar das Myon, das sich in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegte, bewegte sich relativ zu Ihrem Bezugsrahmen hier auf der Erde, und deshalb konnten seine Auswirkungen beobachtet werden.

Aber da draußen im fernen Universum bewegen sich diese Galaxien überhaupt nicht. Vielmehr dehnt sich der Raum zwischen ihnen aus, aber die einzelnen Galaxien selbst sind in Bezug auf den Raum selbst etwas stationär.

Sie sind sich vielleicht nicht sicher, ob dies nur eine theoretische Vorhersage ist, aber es gibt einen Test, den Sie durchführen können: Indem Sie diese fernen Galaxien betrachten und ihre Rotverschiebungen und Entfernungen messen, können Sie überprüfen, wie sie sich mit den Vorhersagen, die die Relativitätstheorie macht, in enormen Entfernungen bewegen.

Sie sehen, die Relativitätstheorie gibt es in zwei Formen: spezielle Relativitätstheorie, die im flachen, statischen Raum existiert und nur die Bewegung von Objekten durch Raum- und Zeitmaterie und allgemeine Relativitätstheorie, bei der sich der Raum selbst mit der Zeit entwickelt und / oder zusammenzieht, mit Materie und -Energie zur Bestimmung der Krümmung der Raumzeit und der darauf vorhandenen speziellen Relativitätstheorie. Hier sehen Sie, wie sich die beiden Vorhersagen unterscheiden.

Spezielle Relativitäts- (gepunktet) und allgemeine Relativitätsvorhersage (fest) für Entfernungen im expandierenden Universum. Definitiv stimmen nur die Vorhersagen von GR mit unseren Beobachtungen überein. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Redshiftimprove.

Ziemlich dramatisch, nicht wahr? Wie sich herausstellt, favorisieren unsere Beobachtungen definitiv die allgemeine relativistische Interpretation und schließen diejenige, bei der der Raum statisch ist, vollständig aus. Was bedeutet das, wenn wir alles zusammenfügen? Was bedeutet es für unser expandierendes Universum, selbst wenn wir der Mischung dunkle Energie hinzufügen?

Dies bedeutet, dass das von fernen Galaxien emittierte Licht mit der Zeit ziemlich stark in Richtung des roten Teils des Spektrums verschoben wird, was zu einer kosmologischen Rotverschiebung führt. Das bedeutet, dass es Teile des Universums gibt, die so weit entfernt sind, dass das von ihnen ausgestrahlte Licht uns niemals erreichen kann. Derzeit liegt dieser Punkt, gemessen an unserem Universum, ungefähr 46,1 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Das sind ungefähr 13,8 Milliarden Jahre seit dem Urknall.

Und es bedeutet, dass ein Objekt über 4,5 Gigaparsecs (oder 14 bis 15 Milliarden Lichtjahre) von diesem Punkt an für uns oder alles, was wir tun, niemals erreichbar sein wird. Alle diese Objekte - Objekte, die 97% des beobachtbaren Universums ausmachen - sind derzeit außerhalb unserer Reichweite. Sogar ein Photon, das gerade ausgesendet wird, wird niemals dort ankommen, wenn das unser Ziel ist.

Bildnachweis: NASA, ESA, J. Jee (Universität von Kalifornien, Davis), J. Hughes (Rutgers University), F. Menanteau (Rutgers University und Universität von Illinois, Urbana-Champaign), C. Sifon (Leiden Observatory), R. Mandelbum (Carnegie Mellon University), L. Barrientos (Universidad Catolica de Chile) und K. Ng (Universität von Kalifornien, Davis).

Also ja, mit der Zeit werden alle Objekte, die in der Expansion des Universums gefangen sind, schneller und schneller von uns weg beschleunigen. Lassen Sie genug Zeit vergehen, und alle werden irgendwann schneller als die von uns im Prinzip nicht erreichbare Lichtgeschwindigkeit zurückgehen, unabhängig davon, wie schnell eine Rakete ist oder wie viele Signale wir abfeuern und wie schnell das Licht selbst ist. Das einzige, was wir dagegen tun können?

Machen Sie sich so schnell wie möglich mit intergalaktischen Reisen vertraut, bevor es zu spät ist. Das Universum, das wir heute haben, verschwindet dank der beschleunigten Expansion des Weltraums. Obwohl sich kein Gegenstand jemals schneller als mit Lichtgeschwindigkeit durch das Gewebe des Raums bewegt, gibt es keine Geschwindigkeitsbegrenzung für die Ausdehnung des Gewebes selbst; es tut einfach so, wie es das Universum vorschreibt.

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!