Wie berechnet man, dass die Expansionsgeschwindigkeit des Universums die Lichtgeschwindigkeit übersteigt?

Einsteins spezielle Relativitätstheorie zieht eine rote Linie für die Lichtgeschwindigkeit, was bedeutet, dass die Lichtgeschwindigkeit die höchste im Universum ist und die Obergrenze darstellt. Alle Materialbewegungen dürfen diese Obergrenze nicht durchbrechen. Im Standardmodell des Universums übersteigt die Expansion des Universums jedoch die Lichtgeschwindigkeit. Dies verwirrt viele Internetnutzer. Da die Bewegung der Materie die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten kann, warum ist es dann möglich, dass sich das Universum ausdehnt?

Im Internet gibt es viele solcher Fragen, siehe Screenshot unten:

Alle diese Fragen haben einen ähnlichen Charakter, nämlich die Klärung des Unterschieds zwischen der Expansion des Universums mit Überlichtgeschwindigkeit und der Bewegung von Objekten mit Lichtgeschwindigkeit. Die Antwort scheint bereits in der letztgenannten Frage selbst zu liegen. Einfach ausgedrückt erfordert die Lichtgeschwindigkeitsbarriere, dass Objekte mit Ruhemasse die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten können, und die Ausdehnung des Universums ist die Ausdehnung der Raumzeit. Die Raumzeit selbst hat keine Masse und ist natürlich nicht durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt.

Ich habe diese Art von Fragen in der Vergangenheit schon oft beantwortet. Da viele Freunde im Internet immer noch verwirrt sind, werde ich es noch einmal kurz und systematisch erklären. Wenn Sie es geduldig lesen, werden Sie es meiner Meinung nach vollständig verstehen. Wenn Sie noch Fragen haben, hinterlassen Sie bitte unten im Kommentarbereich einen Kommentar und ich werde mein Bestes tun, um sie zu beantworten.

Eines muss jedoch klargestellt werden: Alle meine Antworten basieren auf dem wissenschaftlichen Menschenverstand, der von der modernen wissenschaftlichen Gemeinschaft anerkannt wird, wie beispielsweise dem Standardmodell der Kosmologie. Das sogenannte Standardmodell der Kosmologie ist ein auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie basierendes Modell, das die Bewegungsgesetze eines einheitlichen und identischen Universums beschreibt.

Wenn sich jemand weigert, den gesunden Menschenverstand der Wissenschaft (also den Konsens der wissenschaftlichen Gemeinschaft) anzuerkennen und darauf besteht, mit Ihnen zu streiten, werde ich mich nicht mit ihm/ihr unterhalten.

Was ist die Expansion des Universums?

Die sogenannte kosmische Expansion bezeichnet die kontinuierliche Ausdehnung des gesamten Universums im großen Maßstab. Es wurde erstmals vom berühmten amerikanischen Astronomen Edwin Hubble entdeckt und nachgewiesen. Um ihn zu ehren, wurde das erste Weltraumteleskop nach ihm benannt. Nach dem Start des Hubble-Weltraumteleskops erweiterte es den Horizont der Menschheit erheblich und ermöglichte ein revolutionäres Verständnis des Universums.

Aufgrund langfristiger Beobachtungen gelangte Hubble 1929 zu dem Schluss, dass sich das Universum ausdehnt. Diese Schlussfolgerung besagt, dass sich das gesamte Universum ständig gleichmäßig ausdehnt und alle Galaxien sich gleichmäßig voneinander entfernen und immer weiter voneinander wegrücken. Von der Erde aus betrachtet ist sie in allen Richtungen gleich, was als Isotropie bezeichnet wird; Je weiter die Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich, und die Entfernungsgeschwindigkeit ist direkt proportional zur Entfernung.

Daraus leitete er das Hubble-Gesetz ab, das vereinfacht wie folgt ausgedrückt werden kann: V=HD. Hier stellt V die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxie dar; H steht für die Hubble-Konstante, die als Fluchtgeschwindigkeit der Galaxie in einer Entfernung von 10 Mpc von uns definiert ist, mit der Einheit s/km (Sekunden/Kilometer); und D stellt die tatsächliche Entfernung zwischen der Galaxie und uns dar. Mpc sind eine Million Parsec und 1pc (Parsec) sind etwa 3,26 Lichtjahre.

Dieses Beobachtungsergebnis steht in völligem Einklang mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie und löst den Widerspruch zwischen Einsteins Feldtheorie und der absoluten Sichtweise von Raum und Zeit auf. Damit liefert es dem Urknall-Universumsmodell entscheidende Beweise, die darauf hinweisen, dass das Universum seit der Explosion der Singularität nie aufgehört hat, sich auszudehnen.

Um eine anschauliche Metapher zu verwenden: Das gegenwärtige Universum ist wie ein sich aufblasender Ballon. Dieser Ballon ist die Ausdehnung der Singularität und die gesamte galaktische Materie besteht aus den sternförmigen Mustern auf der Ballonmembran. Während sich der Ballon weiter ausdehnt, entfernen sich diese sternförmigen Muster voneinander. Wenn man sich von jedem Punkt auf der Ballonoberfläche aus umschaut, sieht alles gleich aus, das Universum hat also keinen Mittelpunkt.

Die Membran dieses Ballons ist das Universum (oder die Raumzeit), das keine Masse hat. Das sternengesprenkelte Muster stellt die im Universum eingebetteten Galaxien dar, die über Masse verfügen. Diese massereichen Galaxien selbst bewegen sich nicht, genau wie Menschen, die in einem Zug sitzen. Der Zug fährt schnell, aber die Leute im Zug fahren nicht schnell.

Man kann es sich auch wie Brotbacken vorstellen. Das Brot selbst ist Raumzeit. Das Brot dehnt sich aus und die darin eingebetteten Rosinen lösen sich voneinander. Aber die Rosinen bewegen sich nicht. Sie entfernen sich nur weiter voneinander, wenn das Brot aufgeht.

Während sich das Universum ausdehnt, entfernen sich Galaxien, die ursprünglich dicht beieinander lagen, immer mehr voneinander und scheinen sich voneinander zu entfernen. Die Ausdehnung des Universums ist lediglich die Ausdehnung der Raumzeit, nicht die Bewegung massiver Objekte, und wird daher nicht durch die Lichtgeschwindigkeit eingeschränkt.

Wie wird die Expansionsrate des Universums berechnet?

Die Berechnung der Expansionsrate des Universums basiert auf dem Hubble-Gesetz. Wie bereits erwähnt, gibt es im Hubble-Gesetz mehrere Algebren. V steht für die Gesamtgeschwindigkeit, H für die Hubble-Konstante und D für die tatsächliche Entfernung. Nach dieser Formel müssen wir zunächst die Hubble-Konstante kennen, bevor wir sie in die Berechnungsdaten einsetzen können.

Um eine genaue Hubble-Konstante zu erhalten, haben viele Astronomen in den letzten Jahrzehnten alle möglichen Mittel ausprobiert und eine große Anzahl von Messungen durchgeführt. Dabei sind mehrere repräsentative Daten entstanden:

Im Jahr 2006 verwendete das Marshall Space Flight Center das Chandra-Röntgenteleskop und ermittelte ein Ergebnis von 77 km/s mit einem Fehler von etwa 15 %. Im Jahr 2009 ermittelte die NASA (National Aeronautics and Space Administration) auf Grundlage von Messungen der Supernova ein Ergebnis von 74,2 ± 3,6 km/s. Im Jahr 2013 ermittelte die Europäische Weltraumorganisation auf Grundlage von Messungen des Planck-Satelliten ein Ergebnis von 67,8 ± 0,77 km/s. Im Jahr 2019 nutzten deutsche Wissenschaftler den Gravitationslinseneffekt und erzielten ein Ergebnis von 82,4 km/s.

Die mit den einzelnen Methoden gemessenen Daten sind nicht völlig konsistent und es gibt sogar große Unterschiede. Das Alter und die Expansionsrate des Universums werden anhand verschiedener Daten berechnet und sind unterschiedlich. Heute machen wir einen Kompromiss aus diesen Daten und ermitteln einen Durchschnittswert: (67,8 + 77 + 74,2 + 82,4) / 4 = 75,35 km.

Das heißt, in einer Entfernung von 3,26 Millionen Lichtjahren von uns beträgt die Geschwindigkeit, mit der sich die Galaxie von uns wegbewegt, etwa 75,35 km/s. Basierend auf dieser Kompromiss-Hubble-Konstante können wir die Expansionsrate des Universums messen. Gemäß dem Prinzip der Isotropie (je weiter, desto schneller) und der Beziehung zwischen Entfernung und Fluchtgeschwindigkeit können wir die Fluchtgeschwindigkeit von Galaxien in jeder Entfernung relativ zu uns berechnen.

An einem 3,26 Millionen Lichtjahre entfernten Ort beträgt die Geschwindigkeit beispielsweise 75,35 km/s; an einem 100 Millionen Lichtjahre entfernten Ort beträgt die Geschwindigkeit 2311,35 km/s.

Der Radius unseres beobachtbaren Universums beträgt 46,5 Milliarden Lichtjahre, was bedeutet, dass sich die am weitesten von uns entfernte Galaxie mit einer Geschwindigkeit von 1074777,75 km/s von uns entfernt bzw. von uns entfernt. Diese Geschwindigkeit beträgt etwa das 3,58-fache der Lichtgeschwindigkeit, weshalb man sagt, dass die Expansionsgeschwindigkeit des Universums größer ist als die Lichtgeschwindigkeit.

Wenn die Ausdehnung des Universums um ein Vielfaches schneller ist als die Lichtgeschwindigkeit, warum können wir sie nicht spüren?

Dies liegt daran, dass die sogenannte Expansion des Universums größer ist als die Lichtgeschwindigkeit, die die Überlagerungsgeschwindigkeit der Expansion des gesamten Universums darstellt. Bildlich gesprochen handelt es sich dabei um die gesamte Expansionsgeschwindigkeit des gesamten kosmischen Ballons. Es handelt sich um die Geschwindigkeit, mit der wir und die am weitesten entfernte Galaxie im beobachtbaren Universum uns voneinander entfernen, und nicht um die Geschwindigkeit, mit der sich Galaxien in geringer Entfernung voneinander trennen. Dies ist ein Gesetz des Universums im großen Maßstab und kann nicht auf nahegelegene Himmelskörper angewendet werden.

Um diesen Effekt zu veranschaulichen, habe ich einmal Bambusstangen eingesetzt. Wenn wir 1.000 Bambusstangen in einem Abstand von jeweils 1 Kilometer einsetzen und gleichzeitig die einzelnen Bambusstangen um 1 Meter auseinander ziehen, ist die Bambusstange, die uns in einer Entfernung von 1 Kilometer am nächsten ist, 1 Meter von uns entfernt, was optisch schwer zu spüren ist. aber die Bambusstange, die 1.000 Kilometer von uns entfernt ist, wird sofort 1.000 Meter von uns weggezogen und der Geschwindigkeitssteigerungseffekt ist sehr offensichtlich.

Wenn sie die Position von 300 Millionen Bambusstangen erreichen, bewegen sich alle Bambusstangen in 1 Sekunde um 1 Meter (gleichmäßige Ausdehnung). An der Position des 300-millionsten Bambusstabs vergrößert sich die Entfernung zum Beobachter (z. B. der Erde) um 300 Millionen Meter pro Sekunde, was die Lichtgeschwindigkeit erreicht.

Dies zeigt, dass es sich bei der Expansion des Universums lediglich um eine großräumige Expansion handelt. Bei sehr geringer Entfernung ist die Ausdehnung sehr langsam und nicht offensichtlich.

Himmelskörper werden im Nahbereich hauptsächlich durch die Schwerkraft aneinander gebunden. Beispielsweise werden das Sonnensystem und sogar die Milchstraße durch die Schwerkraft zusammengehalten und die Auswirkungen der Ausdehnung des Universums sind schwer spürbar. Obwohl sich die Andromedagalaxie, die 2,54 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist, aufgrund der enormen Gravitationskraft zwischen ihr und uns immer noch der Milchstraße annähert, wird vorausgesagt, dass die beiden Galaxien in 3 bis 4 Milliarden Jahren kollidieren und miteinander verschmelzen werden.

Doch insgesamt haben wissenschaftliche Beobachtungen bewiesen, dass sich weit entfernte Galaxien von uns wegbewegen, und der offensichtlichste Beweis dafür ist das Phänomen der Rotverschiebung. Dies ist der Dopplereffekt von Lichtwellen. Alles, was sich in Wellenform bewegt, unterliegt dem Dopplereffekt, beispielsweise Schallwellen. Wenn sich uns mit hoher Geschwindigkeit die Pfeife eines Autos oder Zuges nähert, ist der Ton höher, als wenn das Fahrzeug sich nicht bewegt. und wenn es sich wegbewegt, ist der Ton leiser, als wenn es sich nicht bewegt.

Der Dopplereffekt von Lichtwellen führt dazu, dass sich das Spektrum eines sich mit hoher Geschwindigkeit nähernden Objekts zum blauen Ende hin verschiebt, was als Blauverschiebung bezeichnet wird. Das Spektrum eines sich mit hoher Geschwindigkeit entfernenden Objekts verschiebt sich in Richtung des roten Endes, was als Rotverschiebung bezeichnet wird. Wenn Wissenschaftler weit entfernte Galaxien beobachten, sehen sie Rotverschiebungen. Der Rotverschiebungsgrad ist proportional zur Entfernung. Daher kann die Geschwindigkeit, mit der sich eine Galaxie von uns wegbewegt, durch den Rotverschiebungsgrad bestimmt werden.

Gemäß dem Hubble-Gesetz können wir die Entfernung zwischen einer Galaxie und uns berechnen, wenn wir die Geschwindigkeit kennen, mit der sie sich von uns entfernt. Wissenschaftler haben eine Blauverschiebung im Spektrum der Andromedagalaxie beobachtet, was beweist, dass sie sich uns nähert.

An diesem Punkt sollten wir verstehen, dass die Überlichtgeschwindigkeit des Universums nur die Überlichtgeschwindigkeit des gesamten Raums ist, während jede lokale Expansionsgeschwindigkeit sehr langsam ist und einige sogar durch die Schwerkraft beeinflusst werden und sich einander annähern. Daher ist die Expansion des Universums schneller als die Lichtgeschwindigkeit völlig anders als Einsteins Theorie, dass die Lichtgeschwindigkeit eine Grenze darstellt und nicht überschritten werden kann.

Dies sind die Grundlagen der Expansion des Universums. Willkommen zur Diskussion. Danke fürs Lesen.

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