Wenn sich das Universum ausdehnt, können wir verstehen, warum entfernte Galaxien von uns zurücktreten, wie sie es tun. Aber warum dehnen sich dann nicht auch Sterne, Planeten und sogar Atome aus? (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ UND L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

Aus diesem Grund expandieren wir nicht, auch wenn das Universum es ist

Das Universum dehnt sich aus, aber wir, unser Planet, unser Sonnensystem und unsere Galaxie, sind es nicht. Hier ist der Grund.

Werfen Sie einen Blick auf fast jede Galaxie im Universum und Sie werden feststellen, dass sie sich von uns entfernt. Je weiter es entfernt ist, desto schneller scheint es zurückzugehen. Wenn sich Licht durch das Universum bewegt, verschiebt es sich zu längeren und roteren Wellenlängen, als würde das Gewebe des Weltraums selbst gedehnt. Auf den größten Entfernungen werden Galaxien von diesem expandierenden Universum so schnell weggeschoben, dass keine Signale, die wir möglicherweise senden können, sie jemals erreichen werden, auch nicht mit Lichtgeschwindigkeit.

Aber obwohl sich das Raumgefüge im gesamten Universum ausdehnt - überall und in alle Richtungen - sind wir es nicht. Unsere Atome bleiben gleich groß. So auch die Planeten, Monde und Sterne sowie die Entfernungen, die sie trennen. Selbst die Galaxien in unserer lokalen Gruppe dehnen sich nicht voneinander aus. Stattdessen ziehen sie sich gegenseitig an. Hier ist der Schlüssel zum Verständnis dessen, was in unserem expandierenden Universum expandiert (und was nicht).

Die ursprüngliche Vorstellung von Raum, dank Newton, als fest, absolut und unveränderlich. Es war eine Bühne, auf der Massen existieren und sich anziehen konnten. (Amber Stuver, aus ihrem Blog, LIVING LIGO)

Das erste, was wir verstehen müssen, ist, wie unsere Gravitationstheorie aussieht und wie sie sich von Ihrer intuitiven Vorstellung unterscheidet. Die meisten von uns denken an den Raum wie Newton: als festen, unveränderlichen Satz von Koordinaten, auf den Sie Ihre Massen setzen können. Als Newton das Universum zum ersten Mal konzipierte, stellte er sich den Raum als Gitter vor. Es war ein absolutes, festes Gebilde voller Massen, die sich durch die Gravitation anzogen.

Aber als Einstein kam, erkannte er, dass dieses imaginäre Gitter nicht festgelegt, nicht absolut und überhaupt nicht so war, wie Newton es sich vorgestellt hatte. Stattdessen war dieses Gitter wie ein Stoff, und der Stoff selbst war gekrümmt, verzerrt und durch die Anwesenheit von Materie und Energie gezwungen, sich im Laufe der Zeit zu entwickeln. Darüber hinaus bestimmten die Materie und Energie darin, wie dieses Raumzeitgewebe gekrümmt war.

Die Verzerrung der Raumzeit im Allgemeinen Relativistischen Bild durch Gravitationsmassen. Anstelle eines konstanten, unveränderlichen Gitters lässt die Allgemeine Relativitätstheorie eine Raumzeitstruktur zu, die sich mit der Zeit ändern kann und deren Eigenschaften für Beobachter mit unterschiedlichen Bewegungen und an unterschiedlichen Orten unterschiedlich erscheinen. (LIGO / T. PYLE)

Aber wenn alles, was du in deiner Raumzeit hattest, ein Haufen von Massen wäre, würden sie unweigerlich zusammenbrechen und ein Schwarzes Loch bilden, das das gesamte Universum implodiert. Einstein mochte diese Idee nicht, deshalb fügte er eine "Korrektur" in Form einer kosmologischen Konstante hinzu. Wenn es einen zusätzlichen Begriff gäbe, der eine zusätzliche Form von Energie darstellt, die den leeren Raum durchdringt, könnte er alle diese Massen abstoßen und das Universum statisch halten. Es würde einen Gravitationskollaps verhindern. Durch Hinzufügen dieser zusätzlichen Funktion könnte Einstein das Universum für alle Ewigkeit in einem nahezu konstanten Zustand halten.

Aber nicht alle waren so mit der Idee verbunden, dass das Universum statisch sein musste. Eine der ersten Lösungen stammte von einem Physiker namens Alexander Friedmann. Er zeigte, dass es, wenn Sie diese zusätzliche kosmologische Konstante nicht addieren und ein Universum haben, das mit allem Energetischen gefüllt ist - Materie, Strahlung, Staub, Flüssigkeit usw. - zwei Klassen von Lösungen gibt: eine für ein kontrahierendes Universum und eine für ein kontrahierendes Universum eine für ein expandierendes Universum.

Das

Die Mathematik gibt Ihnen Auskunft über die möglichen Lösungen, aber Sie müssen sich das physikalische Universum ansehen, um herauszufinden, welches davon uns beschreibt. Das geschah in den 1920er Jahren dank der Arbeit von Edwin Hubble. Hubble entdeckte als erster, dass einzelne Sterne in anderen Galaxien gemessen werden konnten, um deren Entfernung zu bestimmen.

Fast zeitgleich damit war die Arbeit von Vesto Slipher. Atome wirken überall im Universum gleich: Sie absorbieren und emittieren Licht mit bestimmten, spezifischen Frequenzen, die davon abhängen, wie ihre Elektronen angeregt oder abgeregt werden. Als er diese fernen Objekte betrachtete - von denen wir heute wissen, dass sie andere Galaxien sind -, wurden ihre atomaren Signaturen zu längeren Wellenlängen verschoben, als erklärt werden konnte.

Als Wissenschaftler diese beiden Beobachtungen kombinierten, ergab sich ein unglaubliches Ergebnis.

Eine grafische Darstellung der scheinbaren Expansionsrate (y-Achse) gegenüber der Entfernung (x-Achse) stimmt mit einem Universum überein, das sich in der Vergangenheit schneller ausdehnte, sich aber heute noch ausdehnt. Dies ist eine moderne Version von Hubbles Originalwerk, die tausende Male weiter reicht. Die verschiedenen Kurven stellen Universen dar, die aus verschiedenen Bestandteilen bestehen. (NED WRIGHT, BASIERT AUF DEN NEUESTEN DATEN VON BETOULE ET AL. (2014))

Es gab nur zwei Möglichkeiten, dies zu verstehen. Entweder:

  1. Die gesamte Relativitätstheorie war falsch, wir befanden uns im Zentrum des Universums und alles bewegte sich symmetrisch von uns weg oder
  2. Die Relativitätstheorie hatte recht, Friedmann hatte recht, und je weiter eine Galaxie von uns entfernt war, desto schneller schien sie aus unserer Perspektive zurückzugehen.

Mit einem Schlag wurde das expandierende Universum von einer Idee zur Leitidee, die unser Universum beschreibt. Die Funktionsweise der Erweiterung ist ein wenig eingängig. Es ist, als würde sich die Struktur des Raums im Laufe der Zeit dehnen und alle Objekte in diesem Raum werden auseinandergezogen.

Je weiter ein Objekt von einem anderen entfernt ist, desto stärker wird es gedehnt, und desto schneller scheinen sie sich voneinander zu lösen. Wenn alles, was Sie hätten, ein Universum wäre, das gleichmäßig und gleichmäßig mit Materie gefüllt ist, würde diese Materie einfach weniger dicht werden und mit der Zeit sehen, dass sich alles von allem anderen weg ausdehnt.

Die Kälteschwankungen (blau dargestellt) im CMB sind nicht von Natur aus kälter, sondern stellen Regionen dar, in denen aufgrund einer höheren Materiedichte eine größere Anziehungskraft besteht, während die heißen Stellen (rot dargestellt) nur heißer sind, weil die Strahlung in Diese Region lebt in einem flacheren Gravitationsbrunnen. Im Laufe der Zeit wird die Wahrscheinlichkeit, dass die Regionen mit hoher Dichte zu Sternen, Galaxien und Clustern heranwachsen, größer sein, während die Wahrscheinlichkeit, dass die Regionen mit niedriger Dichte dies tun, geringer ist. (E. M. HUFF, DAS SDSS-III-TEAM UND DAS SOUTH POLE TELESCOPE-TEAM; GRAFIK VON ZOSIA ROSTOMIAN)

Aber das Universum ist nicht vollkommen gleichmäßig und einheitlich. Es hat überfüllte Regionen wie Planeten, Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen. Es hat unterdichte Regionen, wie große kosmische Hohlräume, in denen praktisch keine massiven Objekte vorhanden sind.

Der Grund dafür ist, dass neben der Expansion des Universums noch andere physikalische Phänomene im Spiel sind. In kleinen Maßstäben wie bei Lebewesen und darunter dominieren die elektromagnetischen und nuklearen Kräfte. In größeren Maßstäben dominieren wie bei Planeten, Sonnensystemen und Galaxien die Gravitationskräfte. Der große Wettbewerb findet auf der größten Skala von allen statt - auf der Skala des gesamten Universums - zwischen der Expansion des Universums und der Anziehungskraft aller Materie und Energie, die in ihm vorhanden sind.

Auf den größten Skalen dehnt sich das Universum aus und Galaxien entfernen sich voneinander. In kleineren Maßstäben überwindet die Gravitation die Ausdehnung und führt zur Bildung von Sternen, Galaxien und Galaxienhaufen. (NASA, ESA UND A. FEILD (STSCI))

Auf der größten Skala von allen gewinnt die Erweiterung. Die am weitesten entfernten Galaxien dehnen sich so schnell aus, dass keine von uns ausgesandten Signale, auch nicht mit Lichtgeschwindigkeit, jemals zu ihnen gelangen.

Die Superhaufen des Universums - diese langen, mit Galaxien bevölkerten Filamentstrukturen, die sich über eine Milliarde Lichtjahre erstrecken - werden durch die Expansion des Universums gedehnt und auseinandergezogen. In relativ kurzer Zeit, in den nächsten paar Milliarden Jahren, werden sie aufhören zu existieren. Sogar der nächste große Galaxienhaufen der Milchstraße, der Jungfrau-Haufen, der nur 50 Millionen Lichtjahre entfernt ist, wird uns niemals hineinziehen. Trotz einer Gravitationskraft, die mehr als tausendmal so stark ist wie unsere, wird die Expansion des Universums all dies auseinander treiben.

Eine große Sammlung von vielen tausend Galaxien bildet innerhalb von 100.000.000 Lichtjahren unsere Nachbarschaft. Der Virgo-Haufen selbst wird aneinander gebunden bleiben, aber die Milchstraße wird sich im Laufe der Zeit weiter von ihm entfernen. (WIKIMEDIA COMMONS BENUTZER ANDREW Z. COLVIN)

Es gibt aber auch kleinere Maßstäbe, in denen die Expansion zumindest lokal überwunden wurde. Es ist viel einfacher, die Ausdehnung des Universums auf kleineren Entfernungsskalen zu besiegen, da die Gravitationskraft mehr Zeit hat, um Regionen auf kleineren Skalen zu überdecken als auf größeren.

In der Nähe bleibt der Virgo-Cluster selbst gravitativ gebunden. Die Milchstraße und alle lokalen Gruppengalaxien bleiben zusammen und verschmelzen schließlich unter ihrer eigenen Schwerkraft. Die Erde dreht sich in der gleichen Umlaufbahn um die Sonne, die Erde selbst bleibt gleich groß und die Atome, aus denen sich alles zusammensetzt, dehnen sich nicht aus.

Warum? Denn die Expansion des Universums hat nur dort Auswirkungen, wo eine andere Kraft - ob Gravitation, Elektromagnetismus oder Atomkraft - sie noch nicht überwunden hat. Wenn eine Kraft ein Objekt erfolgreich zusammenhalten kann, hat auch das expandierende Universum keinen Einfluss auf eine Änderung.

TRAPPIST-1-System im Vergleich zu Planeten des Sonnensystems und den Monden des Jupiter. Die Umlaufbahnen von allem, was hier gezeigt wird, ändern sich nicht mit der Expansion des Universums, da die Schwerkraft die Auswirkungen dieser Expansion überwindet. (NASA / JPL-CALTECH)

Der Grund dafür ist subtil und hängt mit der Tatsache zusammen, dass die Expansion selbst keine Kraft, sondern eine Geschwindigkeit ist. Der Raum erweitert sich immer noch auf allen Ebenen, aber die Erweiterung wirkt sich nur auf die Dinge insgesamt aus. Es gibt eine bestimmte Geschwindigkeit, mit der sich der Raum zwischen zwei beliebigen Punkten ausdehnt. Sie müssen diese Geschwindigkeit jedoch mit der Fluchtgeschwindigkeit zwischen diesen beiden Objekten vergleichen. Dies ist ein Maß dafür, wie eng oder locker sie miteinander verbunden sind.

Wenn diese Objekte durch eine Kraft miteinander verbunden werden, die größer als die Hintergrundexpansionsgeschwindigkeit ist, wird der Abstand zwischen ihnen nicht vergrößert. Wenn sich die Entfernung nicht vergrößert, gibt es keine effektive Erweiterung. In jedem Moment wird dem mehr als entgegengewirkt und es wird nie der additive Effekt erzielt, der zwischen den ungebundenen Objekten auftritt. Infolgedessen können stabile, gebundene Objekte im expandierenden Universum für eine Ewigkeit unverändert überleben.

Ob durch Schwerkraft, Elektromagnetismus oder irgendeine andere Kraft gebunden, die Größe von stabilen, zusammengehaltenen Objekten wird sich nicht ändern, selbst wenn sich das Universum ausdehnt. Wenn Sie die kosmische Expansion überwinden können, bleiben Sie für immer gebunden. (NASA, von Erde und Mars bis zur Waage)

Solange das Universum die Eigenschaften hat, die wir messen, wird dies für immer der Fall sein. Dunkle Energie kann existieren und dazu führen, dass sich die fernen Galaxien von uns entfernen, aber der Effekt der Ausdehnung über eine feste Distanz wird niemals zunehmen. Nur im Fall eines kosmischen „Big Rip“, von dem die Beweise weg und nicht hin weisen, wird sich diese Schlussfolgerung ändern.

Das Raumgefüge selbst dehnt sich zwar immer noch überall aus, hat jedoch keine messbare Auswirkung auf jedes Objekt. Wenn dich eine Kraft stark genug zusammenhält, hat das expandierende Universum keine Auswirkungen auf dich. Nur in den größten Maßstäben überhaupt, in denen alle Bindungskräfte zwischen Objekten zu schwach sind, um die schnelle Hubble-Rate zu überwinden, kommt es zu einer Expansion. Der Physiker Richard Price sagte einmal: "Ihre Taille spreizt sich zwar, aber Sie können die Expansion des Universums nicht dafür verantwortlich machen."

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.