Fragen Sie Ethan: Wenn sich das Universum ausdehnt, warum dehnen wir uns dann nicht aus?

Wenn sich das Universum ausdehnt, können wir verstehen, warum sich entfernte Galaxien von uns entfernen. Aber warum dehnen sich Sterne, Planeten und Atome nicht aus?

Eine der größten wissenschaftlichen Überraschungen des 20. Jahrhunderts war die Entdeckung der Expansion des Universums. Entfernte Galaxien zerstreuen sich schneller von uns und voneinander weg als nähere, als würde sich das Gewebe des Weltraums ausdehnen. Im größten Maßstab ist die Dichte von Materie und Energie des Universums seit Milliarden von Jahren gesunken und tut dies auch weiterhin. Und wenn wir weit genug schauen, werden wir Galaxien so schnell fliegen sehen, dass nichts, was wir ihnen heute schicken könnten, sie fangen kann - selbst die Lichtgeschwindigkeit reicht nicht aus. Aber gibt es ein Paradoxon darin? Dies ist, was der Leser fragt:

Wenn sich das Universum schneller ausdehnt als die Lichtgeschwindigkeit, warum beeinflusst dies nicht unser Sonnensystem und die Entfernung von der Sonne zu den Planeten? Und warum nimmt der relative Abstand zwischen den Sternen unserer Galaxie nicht zu ... oder nimmt er zu?

Der Gedanke des Lesers ist wahr, und das Sonnensystem, die Abstände zwischen Planeten und Sternen, nehmen mit der Expansion des Universums nicht zu. Was expandiert also in einem expandierenden Universum? Lass es uns richtig machen.


Das von Newton vorgebrachte ursprüngliche Raumkonzept als fest, absolut und unveränderlich. Es war eine Szene, in der die Massen existieren und angezogen werden konnten

Als Newton zum ersten Mal über das Universum nachdachte, stellte er sich den Raum in Form eines Gitters vor. Es war eine absolute, feste Einheit, gefüllt mit Massen, die sich gravitativ angezogen fühlten. Aber als Einstein auftauchte, erkannte er, dass dieses imaginäre Gitter nicht fest und nicht absolut ist und nicht Newtons Darstellung ähnelt. Dieses Netz ist wie Stoff, und dieser Stoff ist gebogen, verzerrt und ändert sich im Laufe der Zeit aufgrund der Anwesenheit von Materie und Energie. Darüber hinaus bestimmen Materie und Energie ihre Krümmung.


Die Krümmung der Raumzeit durch Gravitationsmassen nach GR

Aber wenn es in Ihrer Raumzeit nur eine Reihe verschiedener Massen gäbe, würden sie unweigerlich zusammenbrechen und ein Schwarzes Loch bilden. Einstein gefiel diese Idee nicht, deshalb fügte er eine „Korrektur“ in Form einer kosmologischen Konstante hinzu. Wenn es diesen zusätzlichen Term der Gleichung gibt - zusätzliche Energie, die in den leeren Raum eindringt - kann er all diese Massen abstoßen und das Universum stationär halten. Es wird einen Gravitationskollaps verhindern. Durch das Hinzufügen ließ Einstein das Universum für immer in einem fast stationären Zustand existieren.

Aber nicht jeder war von der Idee eines statischen Universums angezogen. Eine der ersten Entscheidungen wurde von einem Physiker namens Alexander Fridman getroffen . Er zeigte, dass, wenn Sie diese kosmologische Konstante nicht hinzufügen und das Universum mit Energie füllen - Materie, Strahlung, Staub, Flüssigkeiten usw. - Dann gibt es zwei Klassen von Lösungen: eine für ein schrumpfendes Universum und die andere für ein expandierendes.


Das Expansionsmodell des Universums in Form von „Brot mit Rosinen“, bei dem die relativen Entfernungen mit der Expansion des Weltraums zunehmen (Test)

Die Mathematik gibt Ihnen mögliche Lösungen, aber Sie müssen sich das physikalische Universum ansehen, um herauszufinden, welches es beschreibt. Dies geschah in den 1920er Jahren dank der Arbeit von Edwin Hubble . Hubble entdeckte als erster, dass es möglich ist, die Eigenschaften einzelner Sterne in anderen Galaxien zu messen und die Entfernung zu ihnen zu bestimmen. Durch die Kombination dieser Messungen mit der Arbeit von Vesto Slifer, der zeigte, dass diese Objekte das Atomspektrum verschieben, erzielte er ein erstaunliches Ergebnis.


Der Graph der scheinbaren Expansionsrate (y-Achse) gegenüber der Entfernung (x-Achse) entspricht dem Universum, das sich in der Vergangenheit schnell erweitert hat, sich aber heute noch erweitert. Dies ist eine moderne Version von Hubbles Werk, die sich über das Tausendfache des Originals erstreckt

Entweder ist die gesamte Relativitätstheorie falsch, wir befinden uns im Zentrum des Universums und alles läuft symmetrisch von uns weg, oder die Relativitätstheorie ist richtig, Friedman hat Recht, und je weiter die Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller bewegt sie sich im Durchschnitt von uns weg. In einer Bewegung hat sich die Theorie eines expandierenden Universums von einer einfachen Idee zu einer führenden Beschreibung des Universums entwickelt.

Die Erweiterung funktioniert etwas intuitiv. Alles sieht so aus, als würde sich das Raumgefüge über die Zeit erstrecken, und alle Objekte in diesem Raum werden auseinandergezogen. Je weiter das Objekt vom anderen entfernt ist, desto größer ist die Dehnung zwischen ihnen, desto schneller bewegen sie sich voneinander weg. Wenn wir ein Universum hätten, das einheitlich mit Materie gefüllt ist, würde die Materie einfach weniger dicht werden und jeder Teil davon würde sich schließlich von allen anderen entfernen.


Kalte Schwankungen (blau) der CMB-Strahlung sind in der Tat nicht kälter, sondern stellen lediglich Bereiche dar, in denen aufgrund der höheren Materiedichte eine größere Anziehungskraft besteht. Hot Spots (rot) sind heiß, da die Strahlung in diesen Spots in einem Brunnen mit geringerer Schwerkraft lebt. Mit der Zeit werden dichtere Gebiete mit höherer Wahrscheinlichkeit zu Sternen, Galaxien und Clustern und mit geringerer Wahrscheinlichkeit zu weniger dichten.

Aber das Universum ist nicht vollkommen einheitlich. Es hat Gebiete mit erhöhter Dichte wie Planeten, Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen. Es hat Bereiche mit reduzierter Dichte, wie z. B. riesige Hohlräume , in denen praktisch keine massiven Objekte gefunden werden können. Der Grund dafür ist das Vorhandensein anderer physikalischer Phänomene zusätzlich zur Expansion des Universums. In kleinen Maßstäben überwiegen die Größe von Tieren und kleinere, Elektromagnetismus und Kernkräfte. In großem Maßstab - Planeten, Sonnensysteme und Galaxien - herrscht Gravitationseinfluss vor. Auf den größten Skalen - Größen, die mit dem Universum vergleichbar sind - findet der Hauptkampf zwischen der Expansion des Universums und der Anziehungskraft aller darin verfügbaren Materie und Energie statt.


Im größten Maßstab dehnt sich das Universum aus und Galaxien bewegen sich voneinander weg. In kleinen Maßstäben überwältigt die Schwerkraft die Expansion, was zur Bildung von Sternen, Galaxien und ihren Clustern führt

Im größten Maßstab gewinnt die Expansion. Die am weitesten entfernten Galaxien bewegen sich so schnell weg, dass keine Signale, die wir selbst mit Lichtgeschwindigkeit an sie senden könnten, sie jemals erreichen werden. Supercluster des Universums - lange, filamentäre Strukturen, entlang derer Galaxien Milliarden von Lichtjahren ausrichten - werden aufgrund der Expansion des Universums gestreckt und auseinander bewegt. In relativ kurzer Zeit werden sie verschwinden. Und selbst der Galaxienhaufen, der der Milchstraße am nächsten liegt, der Jungfrauhaufen , der sich nur 50 Millionen Lichtjahre von uns entfernt befindet, wird uns nicht zu sich ziehen. Trotz der Anziehungskraft, die mehr als tausendmal größer ist als unsere eigene, wird uns die Expansion des Universums auseinander ziehen.


Eine große Menge von vielen tausend Galaxien ist unsere engste Umgebung um 100 Millionen Lichtjahre. Der Jungfrau-Cluster wird gravitativ gebunden bleiben, aber die Milchstraße wird sich im Laufe der Zeit weiter von ihm entfernen

Aber es gibt kleinere Maßstäbe, in denen die Expansion besiegt wurde - zumindest lokal. Der Jungfrau-Cluster bleibt gravitativ gebunden. Die Milchstraße und die gesamte lokale Gruppe von Galaxien bleiben miteinander verbunden und verschmelzen schließlich unter dem Einfluss der Schwerkraft. Die Erde wird in gleicher Entfernung um die Sonne kreisen, die Erde wird gleich groß bleiben und die Atome, aus denen alles besteht, werden sich nicht ausdehnen. Warum? Weil die Expansion des Universums nur dort funktioniert, wo andere Wechselwirkungen - gravitativ, elektromagnetisch, nuklear - sie nicht überwunden haben. Wenn eine Kraft das Objekt intakt halten kann, kann selbst die Expansion des Universums es nicht ändern.


Die Umlaufbahnen der Planeten im TRAPPIST-1-System ändern sich mit der Ausdehnung des Universums aufgrund der Bindungskraft der Schwerkraft nicht und überwinden alle Folgen der Ausdehnung

Es gibt einen nicht offensichtlichen Grund dafür, weil Expansion keine Interaktion ist, sondern mehr Geschwindigkeit. Der Raum erweitert sich auf allen Ebenen, aber die Erweiterung wirkt sich nur auf alle Objekte insgesamt aus. Zwischen zwei Punkten vergrößert sich der Raum mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Wenn diese Geschwindigkeit jedoch geringer ist als die außer Kontrolle geratene Geschwindigkeit zwischen zwei Objekten - wenn die Kraft, die sie zwischen ihnen verbindet, wirkt -, vergrößert sich der Abstand zwischen ihnen nicht. Keine Distanzvergrößerung, keine Ausdehnungseffekte. Zu jedem Zeitpunkt wird die Ausdehnung mit einem Spielraum überwunden, daher wird niemals der zwischen nicht verwandten Objekten beobachtete Gesamteffekt erzielt. Infolgedessen können stabile, verbundene Objekte in einem expandierenden Universum für immer unverändert überleben.


Die Größe der zusammengehaltenen stabilen Objekte, unabhängig davon, ob sie durch Schwerkraft, Elektromagnetismus oder andere Kräfte miteinander verbunden sind, ändert sich mit der Ausdehnung des Universums nicht. Wenn Sie es schaffen, die kosmische Expansion zu überwinden, bleiben Sie für immer verbunden.

Solange das Universum die von uns gemessenen Eigenschaften hat, wird alles weitergehen. Dunkle Energie kann existieren und dazu führen, dass sich entfernte Galaxien mit Beschleunigung von uns entfernen, aber der Effekt der Expansion in einer festgelegten Entfernung ändert sich nicht. Nur bei der Option " Big Break " - die nicht belegt ist - kann sich diese Schlussfolgerung ändern.

Das Raumgefüge kann sich überall ausdehnen, hat jedoch keine messbaren Auswirkungen auf Objekte. Wenn eine gewisse Kraft Sie in Verbindung hält, wird das expandierende Universum Sie nicht beeinflussen. Nur auf den größten Skalen, auf denen alle Kräfte, die die Objekte verbinden, zu schwach sind, um Hubbles Geschwindigkeit zu beeinträchtigen, findet diese Erweiterung statt. Wie der Physiker Richard Price einmal sagte: "Wenn sich Ihre Taille ausdehnt, können Sie die Ausdehnung des Universums nicht dafür verantwortlich machen."

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).