🧕 📃 👩🏼‍💼 Fragen Sie Ethan # 80: Kann sich der Raum schneller ausdehnen als die Lichtgeschwindigkeit? ⚛️ 🌤️ 📁

Und wenn ja, wie geht Einsteins Relativitätstheorie damit um, speziell und allgemein?

Wenn Sie den Eindruck haben, dass alles unter Kontrolle ist, fahren Sie zu langsam.
- Mario Andretti

Das Ende der Woche bedeutet, dass ich die Frage erneut aus den von Ihnen gesendeten auswähle. Diese Woche hatten wir das Glück, eine Frage zu erhalten, die den Geist belastet und Raum und Zeit verzerrt. Der Leser möchte mehr über das größte Geheimnis des expandierenden Universums, die Relativitätstheorie und die dunkle Energie erfahren:

Es ist bekannt, dass sich das Universum mit Beschleunigung ausdehnt. Kann die Expansionsgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit überschreiten? Und wenn ja, widerspricht dies nicht Einsteins Theorien?

Wie hoch ist zunächst die Lichtgeschwindigkeit?

Egal wo Sie sind oder wer Sie sind, Ihre Bewegung im Raum ist stark eingeschränkt. Es könnte entschieden werden, dass je mehr Energie Sie verbrauchen, desto schneller Sie sich bewegen können ... Und obwohl dies so ist, kann es nur bis zu einer bestimmten Grenze weitergehen. Wenn Sie sich mit einer Geschwindigkeit von mehreren Metern pro Sekunde oder mehreren Kilometern pro Stunde oder sogar mehreren Kilometern pro Sekunde bewegen, während sich die Erde in der Umlaufbahn der Sonne bewegt, werden Sie nicht einmal Bewegungseinschränkungen mit unendlicher Geschwindigkeit bemerken.

Aber sie existieren immer noch. Je schneller Sie sich bewegen - je schneller Sie sich durch den Raum bewegen - desto langsamer bewegen Sie sich durch die Zeit. Stellen Sie sich vor, Sie ruhen auf der Erdoberfläche und Ihr Freund ist von Ihrem Standort gestartet und mit einem Düsenflugzeug um die Welt geflogen. Bevor Sie sich getrennt haben, haben Sie die Uhr mit einer Genauigkeit von Mikrosekunden synchronisiert.

Wenn Ihre Uhr empfindlich genug ist, werden Sie feststellen, dass die Uhr etwas nicht synchron ist, wenn Ihr Freund zu Ihnen zurückkehrt. Ihre Uhr zeigt die Zeit etwas später als die Uhr des Freundes - der Unterschied beträgt ungefähr eine Zehntel Mikrosekunde, aber es wird immer noch eine geben.

Und je schneller Sie sich bewegen, desto größer ist der Zeitunterschied.

Uhren von Astronauten auf der ISS, die in 90 Minuten um die Erde fliegen, bleiben nach ihrer Rückkehr einige Sekunden zurück. Dieser Unterschied macht sich auch bei einer herkömmlichen Uhr bemerkbar.

Das Seltsame ist, dass Uhren nicht nur bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten unterschiedlich laufen, sondern sich auch die Zeit bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt.

Die Tatsache, dass die Uhr bei hohen Geschwindigkeiten langsamer wird, ist eine Folge der Tatsache, dass Zeit und Raum miteinander verbunden sind und dass eine schnelle Bewegung durch den Raum eine Verlangsamung der Zeit bedeutet. Die Beziehung zwischen Raum und Zeit wird durch die Lichtgeschwindigkeit bestimmt. Je näher Sie der Lichtgeschwindigkeit sind, desto länger nähert sich der Zeitablauf asymptotisch Null.

Daher kann ein Myon, ein instabiles Teilchen mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von einigen Mikrosekunden, im oberen Teil der Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit erzeugt werden und die Erdoberfläche erreichen. Dies ist ein Weg von 100 km, und wenn er 2,2 Mikrosekunden lang mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km / s auf diesem Weg gefahren wäre, hätte er sich aufgelöst, nachdem er nur 0,6% des gesamten Weges zurückgelegt hatte. Die Tatsache, dass das Myon die Oberfläche erreicht - und wenn Sie Ihre Hand ausstrecken, fliegt ungefähr ein Myon pro Sekunde durch das Myon - ist auf diesen Relativitätseffekt zurückzuführen.

Und was ist mit der Expansion des Universums? Sie wissen, wenn Sie eine Galaxie auswählen, stellt sich im Durchschnitt heraus, dass sie sich umso schneller entfernt, je weiter sie von Ihnen entfernt ist. Galaxien im Virgo-Cluster, die sich in einer Entfernung von 50-60 Millionen Lichtjahren befinden, bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 1200 km / s von uns weg. Die Galaxien im Veronica-Haarcluster in einer Entfernung von 330 Millionen Lichtjahren bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 7000 km / s von uns weg.

Je weiter wir schauen, desto schneller bewegen sich diese Galaxien und Cluster weg. Natürlich gibt es Abweichungen von mehreren hundert oder tausend km / s aufgrund lokaler Bewegungen und Auswirkungen der Anziehungskraft, aber in großen Maßstäben - und in großen Entfernungen - können Sie sehen, dass sie sich umso schneller entfernen, je weiter sie von Ihnen entfernt sind. Diese Beobachtung wurde erstmals in den 1920er Jahren von Edwin Hubble gemacht und führte zum Hubble-Gesetz oder dem Gesetz, das die Expansion des Universums regelt. Mit den besten modernen Beobachtungsmitteln können wir die Gültigkeit dieses Gesetzes für Milliarden von Lichtjahren in alle Richtungen bestätigen.

"Zweitens", ich kann Ihren Einwand fast hören. "Was ist mit der Lichtgeschwindigkeit?"

Was ist mit der Lichtgeschwindigkeit? Natürlich wird diese unsichtbare Barriere, die verhindert, dass sich alle Arten von Materie schneller als eine bestimmte Einschränkung bewegen, in Kraft treten und die Galaxien irgendwann verhindern, oder? Die Zeit tendiert asymptotisch zu Null und hört auf, sich zu bewegen, wenn Sie sich mit einer solchen Geschwindigkeit bewegen, während sie sich nicht zurückbewegen kann, weil sich dann die Galaxien in der Zeit zurückbewegen würden, oder?

Aber wir haben eines der Puzzleteile versteckt. Die Lichtgeschwindigkeit als Einschränkung gilt nur für Objekte, die sich relativ zueinander an derselben Stelle im Raum bewegen.

Als Ihr Freund aus dem Flugzeug geflogen ist und mit einem Rückstand hinter Ihrer Uhr zurückgekommen ist, haben Sie sich am selben Ort getroffen. Wenn die Astronauten zur Erde zurückkehren und ihre Reise einige Sekunden lang weniger als Ihre dauerte, liegt dies daran, dass Sie sich an einem Ort befanden. Sogar das Myon, das sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegte, bewegte sich relativ zu Ihrem Bezugsrahmen auf der Erde, und deshalb haben Sie diese Effekte beobachtet.

Aber in den entlegenen Teilen des Universums bewegen sich diese Galaxien überhaupt nicht. Dieser Raum zwischen ihnen dehnt sich aus und einzelne Galaxien ruhen relativ zum Raum.

Sie können einwenden: "Woher wissen Sie das?"

Sie können einen Test durchführen: Betrachten Sie entfernte Galaxien, messen Sie deren Rotverschiebung und Entfernung zu ihnen. Sie können also überprüfen, ob sie sich gegen alle Vorhersagen der Relativitätstheorie mit unglaublicher Geschwindigkeit bewegen.

Es gibt zwei Arten von TÜVs: spezielle TÜVs, die in einem flachen statischen Raum arbeiten, in dem nur die Bewegung von Objekten durch Raum und Zeit von Bedeutung ist. Und der allgemeine TÜV, bei dem sich der Raum selbst ändert und / oder zusammenzieht und bei dem Materie und Energie die Krümmung der Raumzeit bestimmen und SRT auf diesem System existiert.

Und so unterscheiden sich die beiden Vorhersagen:

Stark, richtig? Es stellt sich heraus, dass unsere Beobachtungen für die allgemeine Relativitätstheorie sprechen und die Option des statischen Raums ausschließen.

Und was bedeutet das am Ende? Was bedeutet das für unser expandierendes Universum, auch wenn wir hier dunkle Energie hinzufügen?

Dies bedeutet, dass sich das von entfernten Galaxien emittierte Licht im Laufe der Zeit sehr stark in das rote Spektrum verschoben hat, was zum Auftreten einer kosmologischen Rotverschiebung führte.

Dies bedeutet, dass es so entfernte Teile des Universums gibt, dass das von dort emittierte Licht uns niemals erreichen wird. Im Moment sind dies alles Teile, die sich in einer Entfernung von 46,1 Milliarden Lichtjahren von uns befinden.

Und dies bedeutet, dass jedes Objekt in einer Entfernung von mehr als 4,5 Gigaparsec (14-15 Milliarden Lichtjahre) für uns und für alles, was wir jetzt und für immer tun, unerreichbar bleibt. Alle diese Objekte, die 97% des Volumens des beobachtbaren Universums ausmachen, sind außerhalb unserer Reichweite. Selbst ein gerade emittiertes Photon wird sie niemals erreichen.

Also, ja, alle Objekte, die in der Expansion des Universums gefangen sind, fliegen mit Beschleunigung von uns, schneller und schneller. Es wird genug Zeit vergehen, und sie werden sich alle schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen und für uns im Prinzip unerreichbar werden, egal wie schnell wir eine Rakete bauen oder wie viele Signale wir mit Lichtgeschwindigkeit senden.

Und was können wir dagegen tun?

Reiß dich zusammen und beginne so schnell wie möglich mit intergalaktischen Reisen, bevor es zu spät ist. Das heutige Universum verschwindet aufgrund der Ausdehnung des Weltraums. Und obwohl sich kein Objekt schneller als mit Lichtgeschwindigkeit durch das Raum-Zeit-Gewebe bewegt, gibt es keine Einschränkungen für die Ausdehnung des Raumgefüges. Der Weltraum macht was er will.

Vielen Dank für die wunderbare Frage, und wenn Ihnen die Antwort rätselhaft erscheint, lassen Sie sich von Folgendem inspirieren: Das Universum wird aus der Sicht der Menschheit verschwinden, es sei denn, wir können etwas dagegen tun, einschließlich Flüge zu fernen Galaxien oder - wenn es einen Weg gibt - sich der Ferne zu nähern Galaxien zu uns. Senden Sie mir Ihre Fragen und Vorschläge zu den folgenden Artikeln.

Fragen Sie Ethan # 80: Kann sich der Raum schneller ausdehnen als die Lichtgeschwindigkeit?

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