Wenn sich das Universum ausdehnt, können wir verstehen, warum entfernte Galaxien so 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))

Deshalb 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 zurückzutreten. Wenn sich Licht durch das Universum bewegt, wird es zu längeren und rötlicheren Wellenlängen verschoben, als würde das Raumgefüge 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, selbst 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 voneinander trennen. Sogar 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 sich in unserem expandierenden Universum ausdehnt (und was nicht).

Die ursprüngliche Raumauffassung dank Newton als fest, absolut und unveränderlich. Es war eine Bühne, auf der Massen existieren und anziehen konnten. (AMBER STUVER, AUS IHREM BLOG, LIVING LIGO)

Das erste, was wir verstehen müssen, ist, was unsere Gravitationstheorie ist und wie sie sich davon unterscheidet, wie Sie es intuitiv denken könnten. Die meisten von uns denken an den Raum wie Newton: als festen, unveränderlichen Satz von Koordinaten, auf den Sie Ihre Massen legen können. Als Newton sich das Universum zum ersten Mal vorstellte, stellte er sich den Raum als Gitter vor. Es war eine absolute, feste Einheit voller Massen, die sich gegenseitig durch die Gravitation anzogen.

Aber als Einstein kam, erkannte er, dass dieses imaginäre Gitter nicht fest, 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 sowohl im Laufe der Zeit ändern kann als auch deren Eigenschaften für Beobachter mit unterschiedlichen Bewegungen und an unterschiedlichen Orten unterschiedlich erscheinen. (LIGO / T. PYLE)

Aber wenn alles, was Sie in Ihrer Raumzeit hatten, eine Menge Massen wäre, würden sie unweigerlich zusammenbrechen und ein Schwarzes Loch bilden, das das gesamte Universum implodiert. Einstein gefiel diese Idee nicht, deshalb fügte er einen „Fix“ 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 existieren lassen.

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

Das 'Rosinenbrot'-Modell des expandierenden Universums, bei dem die relativen Abstände mit der Ausdehnung des Raums (Teigs) zunehmen. Je weiter zwei Rosinen voneinander entfernt sind, desto größer ist die beobachtete Rotverschiebung, wenn dieses Licht empfangen wird. (NASA / WMAP SCIENCE TEAM)

Die Mathematik informiert Sie über die möglichen Lösungen, aber Sie müssen auf das physikalische Universum schauen, um herauszufinden, welche davon uns beschreibt. Das kam in den 1920er Jahren dank der Arbeit von Edwin Hubble. Hubble entdeckte als erster, dass einzelne Sterne in anderen Galaxien gemessen werden konnten, um ihre Entfernung zu bestimmen.

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

Als Wissenschaftler diese beiden Beobachtungen kombinierten, kam ein unglaubliches Ergebnis heraus.

Ein Diagramm der scheinbaren Expansionsrate (y-Achse) gegen die Entfernung (x-Achse) stimmt mit einem Universum überein, das sich in der Vergangenheit schneller ausgedehnt hat, sich aber heute noch ausdehnt. Dies ist eine moderne Version von Hubbles Originalwerk, die sich tausendfach weiter erstreckt. Die verschiedenen Kurven stellen Universen dar, die aus verschiedenen Bestandteilen bestehen. (NED WRIGHT, BASIEREND 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 Sicht zurückzutreten.

Mit einem Schlag wurde das expandierende Universum von einer Idee zur führenden Idee, die unser Universum beschreibt. Die Art und Weise, wie die Erweiterung funktioniert, ist ein wenig eingängig. Es ist, als würde sich das Raumgefüge selbst im Laufe der Zeit dehnen und alle Objekte in diesem Raum werden auseinander gezogen.

Je weiter ein Objekt von einem anderen entfernt ist, desto mehr „Dehnung“ tritt auf und desto schneller scheinen sie voneinander zurückzutreten. Wenn alles, was Sie hatten, ein Universum wäre, das gleichmäßig und gleichmäßig mit Materie gefüllt wäre, würde diese Materie einfach weniger dicht werden und sehen, wie sich im Laufe der Zeit alles von allem anderen ausdehnt.

Die Kälteschwankungen (blau dargestellt) im CMB sind nicht von Natur aus kälter, sondern stellen Regionen dar, in denen aufgrund einer größeren Materiedichte eine größere Anziehungskraft besteht, während die heißen Stellen (rot) nur aufgrund der Strahlung heißer sind Diese Region lebt in einem flacheren Gravitationsbrunnen. Mit der Zeit werden die überdichten Regionen viel eher zu Sternen, Galaxien und Clustern wachsen, während die unterdichten Regionen dies mit geringerer Wahrscheinlichkeit tun werden. (EM 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 überdichte 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. Auf kleinen Skalen, wie den Skalen von Lebewesen und darunter, dominieren die elektromagnetischen und nuklearen Kräfte. In größeren Maßstäben wie Planeten, Sonnensystemen und Galaxien dominieren Gravitationskräfte. Der große Wettbewerb findet auf der größten Skala von allen - auf der Skala des gesamten Universums - zwischen der Expansion des Universums und der Anziehungskraft aller darin enthaltenen Materie und Energie statt.

Auf den größten Skalen dehnt sich das Universum aus und Galaxien treten voneinander zurück. In kleineren Maßstäben überwindet die Gravitation jedoch die Expansion 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 entferntesten Galaxien dehnen sich so schnell aus, dass keine Signale, die wir selbst mit Lichtgeschwindigkeit aussenden, sie jemals erreichen werden.

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

Eine große Sammlung von vielen tausend Galaxien bildet innerhalb von 100.000.000 Lichtjahren unsere nahe Nachbarschaft. Der Jungfrau-Cluster selbst wird miteinander verbunden bleiben, aber die Milchstraße wird sich im Laufe der Zeit weiter von ihm weg ausdehnen. (WIKIMEDIA GEMEINSAMER BENUTZER ANDREW Z. COLVIN)

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

In der Nähe bleibt der Virgo-Cluster selbst gravitativ gebunden. Die Milchstraße und alle lokalen Gruppengalaxien bleiben miteinander verbunden und verschmelzen schließlich unter ihrer eigenen Schwerkraft. Die Erde wird sich in derselben Umlaufbahn um die Sonne drehen, die Erde selbst wird gleich groß bleiben und die Atome, aus denen alles besteht, werden sich nicht ausdehnen.

Warum? Denn die Expansion des Universums hat nur dann eine Wirkung, wenn eine andere Kraft - ob gravitativ, elektromagnetisch oder nuklear - sie noch nicht überwunden hat. Wenn eine Kraft ein Objekt erfolgreich zusammenhalten kann, wirkt sich selbst das expandierende Universum nicht auf eine Änderung aus.

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 Bindungskraft der Schwerkraft alle 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 dehnt sich wirklich immer noch auf allen Ebenen aus, aber die Erweiterung wirkt sich nur kumulativ aus. Es gibt eine bestimmte Geschwindigkeit, mit der sich der Raum zwischen zwei beliebigen Punkten ausdehnt, aber Sie müssen diese Geschwindigkeit mit der Fluchtgeschwindigkeit zwischen diesen beiden Objekten vergleichen, was ein Maß dafür ist, wie eng oder locker sie miteinander verbunden sind.

Wenn diese Objekte durch eine Kraft miteinander verbunden werden, die größer als die Geschwindigkeit der Hintergrundexpansion ist, wird der Abstand zwischen ihnen nicht vergrößert. Wenn die Entfernung nicht vergrößert wird, 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 für eine Ewigkeit im expandierenden Universum unverändert überleben.

Ob durch Schwerkraft, Elektromagnetismus oder eine andere Kraft gebunden, die Größe stabiler, zusammengehaltener Objekte ändert sich nicht, selbst wenn sich das Universum ausdehnt. Wenn Sie die kosmische Expansion überwinden können, bleiben Sie für immer gebunden. (NASA, VON ERDE UND MARS ZU SKALIEREN)

Solange das Universum die Eigenschaften hat, an denen wir es messen, wird dies für immer der Fall bleiben. Dunkle Energie kann existieren und dazu führen, dass sich die entfernten Galaxien von uns weg beschleunigen, aber der Effekt der Expansion über eine feste Distanz wird niemals zunehmen. Nur im Fall eines kosmischen „Big Rip“ - von dem die Beweise wegweisen, nicht hin - wird sich diese Schlussfolgerung ändern.

Das Raumgefüge selbst dehnt sich zwar immer noch überall aus, hat jedoch keine messbare Wirkung auf jedes Objekt. Wenn dich eine Kraft stark genug zusammenhält, hat das expandierende Universum keine Auswirkungen auf dich. Nur auf den größten Skalen von allen, wo alle Bindungskräfte zwischen Objekten zu schwach sind, um die schnelle Hubble-Rate zu besiegen, tritt überhaupt eine Expansion auf. Wie der Physiker Richard Price einmal sagte: "Ihre Taille kann sich ausbreiten, aber Sie können es nicht der Expansion des Universums zuschreiben."

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