Eine der unintuitivsten Konsequenzen von Einsteins Relativitätstheorie ist, dass es keinen absoluten Raum oder keine absolute Zeit gibt. Wenn Sie fragen, wo und wann Sie sind, werden Sie antworten. Aber wenn Sie und ich uns über große Entfernungen zerstreuen und Sie fragen, wo und wann ich, wie Sie denken, bin, werden unsere Antworten nicht unbedingt übereinstimmen. Es stellt sich heraus, dass es in der allgemeinen Relativitätstheorie keine universelle Methode zur Bestimmung von Raum und Zeit (und Entfernungen) gibt, außer dem Ort, an dem Sie sich befinden. Infolgedessen haben wir viele Möglichkeiten, solche Dinge zu definieren, und damit ist die Frage des Lesers verbunden:
Ich würde gerne Ihre Erklärung der konformen Zeit und der damit verbundenen Entfernung sehen - was es ist, wann und wie sie im Vergleich zur üblichen Zeit und Entfernung verwendet werden.
Mit Begriffen wie „Zeit“ und „Distanz“ in der normalen Sprache treffen wir viele Annahmen, über die wir selten nachdenken.
Wenn Sie glauben, dass Sie mir sagen können, wo ich bin, die Tageszeit 10:05 Uhr morgens ist und ich 700 Meter von Ihnen entfernt bin, verstehen Sie möglicherweise nicht, auf welcher Grundlage Sie Ihren Schätzungen vertrauen. Sie gehen davon aus, dass unsere Uhren mit der gleichen Geschwindigkeit laufen, dass sie von dem Ort stammen, an dem wir uns auf den Wert der Zeit geeinigt haben, und dass sie auch wieder miteinander übereinstimmen, wenn wir diese Uhren wieder zusammenbringen. Es ist einfach, nicht wahr?
Dies ist jedoch nur möglich, wenn zwei wichtige Bedingungen erfüllt sind:
1. In Bezug auf alles andere bewegt sich nichts. Wenn zwei Objekte relativ zueinander an Geschwindigkeit gewinnen, erfahren sie einen unterschiedlichen Zeitverlauf (und ein Gefühl der Distanz). Instabile Teilchen, die sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, scheinen aufgrund der Zeitverlängerung länger zu leben, und Astronauten an Bord der ISS, die sich schnell um die Erde bewegen, altern etwas anders als Menschen, die auf der Erde bewegungslos sind.
2. Der Raum ist absolut flach, was niemals passiert. Die allgemeine Relativitätstheorie funktioniert im Universum, und demnach bedeutet die Existenz von Materie und Energie, dass der Raum gekrümmt ist und die Uhr je nach Tiefe des Eintauchens in das Gravitationsfeld mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten läuft. Die Uhr oben im Empire State Building bleibt jedes Jahr einige Mikrosekunden von der Uhr am Fuß entfernt.
Die gleichen Einschränkungen gelten für Entfernungen: Die Bewegung und Krümmung des Raums machen es Beobachtern an verschiedenen Orten unmöglich, einen universellen Entfernungsstandard anzuwenden. Aber für wirklich große Entfernungen spielt etwas anderes eine Rolle: die Tatsache, dass sich das Gewebe des Raumes des Universums auf kosmischen Skalen ausdehnt. Wir können nicht länger über die Entfernungen zwischen Galaxien als etwas sprechen, das von einem vereinbarten Lineal gemessen werden kann, da sich der Raum zwischen Galaxien mit der Zeit erweitert. Und dies führt zu Problemen, wenn wir beispielsweise über die entferntesten Galaxien im Universum sprechen.
Der aktuelle Weltraumrekordhalter für Entfernungen befindet sich bei einer Rotverschiebung von 11,1, was bedeutet, dass während der Existenz des Universums, 13,8 Milliarden Jahre vom Urknall entfernt, sein Licht uns erreichte, nachdem es 13,4 Milliarden Jahre gereist war. Aber wie weit ist diese Galaxie von uns entfernt? Sie könnten anhand der auf dem Weg verbrachten Zeit entscheiden, dass er 13,4 Milliarden Lichtjahre entfernt ist - aber das ist kaum der Fall. Als das Licht, das uns erreichte, von dieser Galaxie ausgestrahlt wurde, waren es nicht mehr als zwei Milliarden Lichtjahre von uns. Dank der Expansion des Universums können wir anhand des allgemein anerkannten Messstandards sagen, dass wir jetzt 32 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind. Der universelle Entfernungsstandard ist in einem expandierenden Universum, in dem sich Entfernungen im Laufe der Zeit ändern, schwer zu definieren.
Eines der Konzepte, die wir bei der Beantwortung der Frage eines Lesers einführen, ist das Konzept verschiedener Arten von Entfernungen. Er fragt uns nach einem von ihnen - nach der
Entfernung der
Begleiter . Dies ist eines meiner Lieblingskonzepte: Es impliziert, dass sich die Entfernungen im Universum aufgrund der Hubble-Erweiterung ändern, sodass die Erweiterung von den Berechnungen ausgeschlossen wird. Es ist sehr praktisch, um die Bildung solcher Strukturen des Universums wie Sterne, Galaxien, Cluster und Fäden zu simulieren. Die Schwerkraft trägt natürlich dazu bei, aber das Universum hat sich die ganze Zeit erweitert. Wenn wir wissen, wie die Abstände für die Expansion angepasst werden müssen, können wir sehen, wie sich die großräumigen Strukturen des Universums entwickeln. Dies visuell zu beobachten ist viel interessanter als die Expansion des Universums zu beobachten und in all dem den Prozess der Strukturbildung zu erkennen.
Da Raum und Zeit untrennbar mit dem Konzept der Raum-Zeit-Verbindung verbunden sind, brauchen wir ein neues Zeitkonzept, das jedem der neuen Konzepte von Entfernungen entspricht, die wir erfinden. Die konforme Zeit ist der vorübergehende Partner der begleitenden Distanz. Wenn wir die gesamte Ausdehnung des Universums an allen Orten auf magische Weise sofort einfrieren könnten, dann entspricht die konforme Zeit, wie viel Zeit ein Lichtstrahl benötigt, um von einem bestimmten Ort zu Ihnen zu gelangen.
Für die am weitesten entfernte Galaxie im Universum beträgt die konforme Zeit 32 Milliarden Jahre. Für die wahrgenommene Entfernung vom Urknall werden es 46 Milliarden Jahre sein. Und das trotz der Tatsache, dass 400 Millionen Jahre vom Urknall bis zur Emission von Licht durch die erste Galaxie vergangen sind. In den frühen Stadien war die Expansion des Universums so schnell - und das Ergebnis ist noch heute zu spüren -, dass die Differenz von 14 Milliarden Jahren konformer Zeit der Differenz von 400 Millionen Jahren „richtiger“ Zeit entspricht (die wir einfach „Zeit“ nennen).
Wenn wir über Ereignisse auf der Erde sprechen, bei denen sich nichts mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und sich im Gravitationsfeld nicht zu stark ändert, fallen die verschiedenen Arten von „Entfernungen“ und „Zeiten“ zusammen. Wenn wir jedoch auf kosmischer Ebene über das expandierende Universum sprechen, sind die richtige Entfernung und die richtige Zeit möglicherweise nicht so nützlich und interessant wie die damit verbundene Entfernung und die konforme Zeit. Wenn Sie das nächste Mal eine Simulation des Universums sehen und feststellen, dass sich das Universum nicht ausdehnt, denken Sie daran, dass die Simulation unter Verwendung der zugehörigen Entfernungen stattfindet, obwohl möglicherweise die richtige Zeit verwendet wird.
Und wenn Sie etwas über ein sehr weit entferntes Objekt hören, das sich in einer Entfernung von weniger als 14 Milliarden Lichtjahren von uns befindet, denken Sie daran, dass es sich höchstwahrscheinlich um eine begleitende Entfernung handelt. Nach unseren üblichen, korrekten Linealen ist dieser Abstand wahrscheinlich viel größer!