Warum expandiert der Weltraum schneller als Lichtgeschwindigkeit?
Ich verstehe nicht, warum der Weltraum schneller als Lichtgeschwindigkeit expandiert Ich habe versucht, es durch Recherche selbst herauszufinden, aber es gibt so viele komplizierte Erklärungen, die ich nicht verstehe, Hat jemand eine einfache Erklärung dafür, warum der Weltraum schneller als Lichtgeschwindigkeit expandiert?
5 Antworten
Weil sich nicht Masse durch den Raum bewegt (hier gilt die Lichtgeschwindigkeit), sondern das ganze Raumzeitgefüge ausdehnt. Die Ausdehnungsgeschwindigkeit ist innerhalb von nahegelegenen Sternensystemen gering und erreicht erst zwischen weit auseinanderliegenden Galaxien mehr als Lichtgeschwindigkeit. Somit kann uns das Licht von extrem weit entfernten Galaxien nicht mehr erreichen, d.h. dieser Teil des Universums ist nicht beobachtbar.
Ergänzung: Warum die Ausdehnung überhaupt schneller ist, als sie sein dürfte, wissen die Astronomen noch nicht. Erklärungsversuche wie dunkle Energie sind reine Hypothesen. https://www.scinexx.de/news/kosmos/kosmische-expansion-bleibt-raetselhaft/
Ein sehr großes Problem dabei ist, dass wir nicht wirklich experimentell entscheiden können, ob sich ein fernes Objekt (etwa eine Galaxie) von uns einfach so (im "Raum") oder infolge der kosmischen Expansion (des "Raumes") entfernt - oder infolge des Zusammenwirkens der beiden Effekte.
dazu versteht man am besten die Expansion selbst, vor allem die...
Hubblekonstante
Unter der Annahme einer linearen Ausdehnung des Universums ist der Skalenfaktor a(t) =D(t)/D0 einer beliebigen Distanz D und der Distanz D0 zum Zeitpunkt t0 im Universum linear abhängig von der Zeit t:
a = da/dt*t (1) mit einer Ausdehnungsgeschwindigkeit
da/dt = H*a (2)
Der Faktor H ist die Hubblekonstante (die besser Hubbleparameter heißen sollte, weil sie nicht konstant ist - in der Tat folgt aus einer linearen Ausdehnung konstante Ausdehnungsgeschwindigkeit da/dt und damit H = 1/t mit 1 in 2 eingesetzt), hat beim Urknall eine Polstelle und nimmt seitdem ab, wird aber nie null.
Kosmologischer Horizont
Man kann nun mit der Lichtgeschwindigkeit c einen Radius rH = c/H definieren, der Hubbleradius genannt wird. Für D = rH ist die Geschwindigkeit v(rH) = c, d.h. theoretisch entfernen sich Objekte in dieser Entfernung mit Lichtgeschwindigkeit von uns (die Spezielle Relativitätstheorie gilt nur lokal und wird dadurch nicht verletzt), und man könnte meinen, dass man dann diese Objekte nie mehr sehen kann, weil ihr Licht nicht gegen die Expansionsgeschwindigkeit ankommt, aber:
1. Licht direkt hinter rH kann es, einmal ausgesandt, mit der Zeit innerhalb von rH schaffen und uns letztlich doch erreichen - die korrekte Rechnung beinhaltet eine Integration der Bewegung mitbewegter Koordinaten und des Lichtsignals von t0 bis unendlich und führt hier zu weit - außerdem...
2. ist die o.g. Annahme der linearen Ausdehnung falsch. Die Ausdehnung unterliegt bremsenden und beschleunigenden Einflüssen (zB die Massendichte einschl. dunkler Materie vs. dunkle Energie), deren Stärke nicht zeitlich konstant war oder sein wird. In Abhängigkeit von diesen Einflüssen kann der Kosmologische Horizont sich bei vorwiegender Bremsung weiter ausdehnen und mehr Objekte sichtbar machen, oder bei vorwiegender Beschleunigung schrumpfen und mehr Objekte verbergen.
Aus diesen beiden Gründen liegt der Kosmologische Horizont nicht beim Hubbleradius, sondern nach aktuellem Stand etwas dahinter (etwa 16 Mrd LJ statt 13,4 Mrd LJ). Mit weiterer Ausdehnung des Universums und sinkender Massendichte könnte die Beschleunigung gewinnen - dann würde der Hubbleparameter auf einen konstanten Wert sinken: die Lösung für die Differentialgleichung da/dt = const*a ist dann eine exponentielle Ausdehnung, die den Kosmologischen Horizont schließlich bis auf gravitativ direkt gebundene Strukturen schrumpfen ließe, und die Reste der Vereinigung aus Milchstraße und NGC224 wären allein in der Dunkelheit.
Partikelhorizont.
Wo aber sind die fernsten Objekte, die wir jetzt schon sehen, wirklich? Als ihr Licht ausgesandt wurde, dh kurz nachdem das Universum transparent wurde, waren sie nur einige Mio LJ entfernt. Während ihr Licht im Raum zu uns unterwegs war, bewegte sich dieser Raum aber mit der Expansionsgeschwindigkeit von uns weg und verlängerte die Reisezeit des Lichtes (und seine Wellenlänge), bis das Licht schließlich hier ankam; inzwischen haben sich die damals aussendenden Objekte bis zum sog. Partikelhorizont entfernt (ca 46 Mrd LJ), also weit hinter dem Kosmologischen Horizont.
Eine einfach erklärung (sehr vereinfacht):
Stell dir 3 personen vor. Beide Stehen in einer linie. Mit etwas abstand.
Nun vergrössert sich der abstand zwischen der 1. und 2. person. Und der 3. und 4. person.
Sagen wir sie entfernen sich mit jeweils 10 km/h voneinander. (Die personen selbst bewegen sich aber nicht. Nur der Raum zwischen die personen Expandiert.)
Aus sicht von person 1 entfernt sich person 2 dann mit 10km/h.
Aus sicht von person 1. entfernt sich person 3 aber mit 20km/h Weil sich ja person 3 von 2 auch mit 10km/h entfernt.
Wenn man nun ganz ganz viele solcher personenen hätte. Dann würde aus sicht von person 1 sich person x (ganz grosse zahl) mit einer geschwindigkeit entfernen die größer als die lichtgeschwindigkeit ist.
Mit der Expansion des universums verhält sich das ähnlich. Nur das die reine entfernung eines objektes dafür ausreicht wie schnell sich objekte voneinander entfernen. (Man müsste sich in meinem beispiel einfach die personen zwischen der ersten und x wegdenken.)
die Geschwindigkeit mit der sich das universum ausdehnt wird angegeben in KM/s je megapasec.
Das bedeutet das ein objekt was sich ein megaparsec entfernt befindet sich mit 73 km/s (das ist der entsprechende wert) von uns entfernt. Ein Objekt was aber 2 megaparsecs weg ist entfernt sich schon mit 146km/s von uns.
Eines was eben weit genug weg ist. Wird sich dann mit mehr als 1c (lichtgeschwindigkeit) von uns entfernen.
Wichtig dabei ist. Diese bewegung von uns weg ist keine bewegung durch den raum. Sondern eben der raum selbst der mehr wird. Und dies ist nicht durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt.
Edit: das ganze kann man noch mit einem kleines experiment veranschaulichen.
Du braucht dazu nur nen luftballon und etwas das darauf malen kann.
Du bläst den Ballon ein wenig auf. Und machst 2 Punkte drauf mit einem abstand.
Punkte können sich ja nicht bewegen.
Aber wenn du den Ballon nun weiter aufbläst dann entfernen sich die punkte voneinander. Ohne das sie sich selbst bewegt haben.
Du kannst sogar sehr warscheinlich den Effekt sichtbar machen das die Punkte sich verschieden schnell voneinander entfernen.
Dazu machste 3 punkte auf den ballon. zwei ganz nahe beineinander. Einen nen gutes stück entfernt. Dur wirst da auch bemerken das die punkte nahe beieinander wesentlich weniger weit auseinander gegenagen sind wie der weiter entfernte punkt.
die größe die angibt wie schnell das universum expandiert (der Hubble-parameter), ist keine geschwindigkeit. der hat die dimension 1/Zeit. das kannst du gar nicht mit einer geschwindigkeit wie der lichtgeschwindigkeit vergleichen. äpfel mit birnen.
man kann natürlich sagen dass der abstand (zumindest eine bestimmte definition von abstand die wir als konvention gewählt haben) pro zeit (zumindest für eine bestimmte definition von zeit, die wir als konvention gewählt haben) für zwei galaxien in einem gegebenen abstand durch die expansion um X km/s größer wird. das ist eine geschwindigkeit. und da diese geschwindigkeit X proportional zum abstand der beiden galaxien ist, kann sie auch beliebig groß werden (man muss nur den abstand der galaxien groß genug wählen).
Du kannst Dir das so vorstellen, dass ständig Raum "nachwächst", gewissermaßen aus sich selbst heraus.
Es ist wie mit einem aufgehenden Hefeteig mit Rosinen drin. Der Teig entspricht dem Raum. Die Rosinen sind dann die Galaxien. Die Rosinen (Galaxien) tun selbst gar nichts, sie bleiben passiv. Sie entfernen sich aber trotzdem voneinander, was aber am aufgehenden Teig liegt. Jede Rosine entfernt sich von ihrer Nachbarrosine mit der gleichen Geschwindigkeit, bei gleicher Entfernung. Von der übernächsten Rosine (bei dann doppelter Entfernung) entfernt sie sich dann mit doppelter Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeiten addieren sich also, bei jeweils gleicher Entfernung.
So ist es auch mit dem Weltraum und den Galaxien. Bei genügend großer Entfernung driften zwei Galaxien also mit Überlichtgeschwindigkeit auseinander. Das widerspricht nicht der Speziellen Relativitätstheorie, da die Galaxien selbst sich nicht aktiv bewegen.
Es ist ein allgemeines Gesetz in der Relativitätstheorie, dass Information nicht mit Überlichtgeschwindigkeit übertragen werden darf (den Grund hierfür zu erläutern, würde den Rahmen hier sprengen). Bei dieser Drift der Galaxien entfernen sich diese aber immer voneinander, also kann von einer zur anderen nichts mit Überlichtgeschwindigkeit übertragen werden, genauer gesagt gar nichts übertragen werden, wenn sie sich mit Überlichtgeschwindigkeit voneinander entfernen.
Das widerspricht nicht der Speziellen Relativitätstheorie,
anders gesagt: das ist sowieso von anfang an außerhalb des gültigkeitsbereichs der speziellen relativitätstheorie (da die sowieso nur für den spezialfall (daher "speziell") einer flachen raumzeit gilt). daher kann es ihr auch gar nicht widersprechen.
genauer gesagt gar nichts übertragen werden, wenn sie sich mit Überlichtgeschwindigkeit voneinander entfernen.
das ist so nicht ganz korrekt: auch von galaxien jenseits des Hubble-radius (also v>c) können uns signale erreichen (solange sie innerhalb des kosmischen ereignishorizonts liegen. aber der liegt weiter außerhalb als der Hubble radius).