Erweitert sich der Weltraum wirklich?

Laut seiner Einleitung ist Einstein, Relativity and Absolute Simultaneity ein Band von Essays, „der sich größtenteils der Argumentation widmet, dass Gleichzeitigkeit absolut ist“ (wie der Titel andeutet). Das ist keine Mainstream-Physik. Da die Herausgeber des Buches ( William Lane Craig und Quentin Smith ) eher Philosophen als Physiker sind/waren, ist sein Wert als Lehrbuch der Kosmologie zweifelhaft.

Also, ja, nach dem Gewicht der verfügbaren Beweise und dem Konsens der Mainstream-Physik liegt Smith falsch.

Er hat Unrecht.

Was beobachtet wird, ist eine breite Palette von Phänomenen, nicht nur eines, und sie weisen alle in die gleiche Richtung .

Mainstream-Physiker sind nicht naiv. Diese Art von Theorien werden auf hundert Arten und in Experimenten mit den Daten und mit anderen Theorien und dann noch einmal von anderen Teams hart getestet . Sie werden nicht nur gekauft, weil sie hübsch und esoterisch sind. Sowie entfernte Objekte, die sich schneller entfernen:

• Objekte, die sich wegbewegen, scheinen sich in ähnlicher Weise in jede Richtung wegzubewegen. Es gibt kein offensichtliches "Zentrum". Entweder befinden wir uns an einem magischen Ort, oder es sieht von überall so aus ... was stark darauf hindeuten würde, dass sich der Weltraum selbst ausdehnt.
• dasselbe für die Struktur des Universums (Galaxien und Hohlräume), Gammaausbrüche, Supernovae, Quasare .... In allen Richtungen ähnlich, kein offensichtliches "Zentrum"
• Der kosmische Mikrowellenhintergrund hat sich im Laufe der Zeit abgekühlt. Dies sind frei fliegende Photonen vom Anfang des Universums. Photonen "kühlen" als solche einfach nicht. Nicht so und vor allem nicht allmählich. Es gibt keine Beweise dafür, dass sich Photonen über kosmische Zeiten und Entfernungen unterschiedlich verhalten (oder vielmehr, wenn diese Ideen getestet werden, siegen nicht). Aber sie kühlen allmählich ab, wenn sich der Weltraum während ihrer Milliarden Jahre langen Reise ausdehnt. Dies ist ein direkter Beweis, der direkt mit anderen Rotverschiebungsbeweisen übereinstimmt.
• andere Experimente zeigen, dass der Weltraum außerordentlich "flach" ist. Aber so fing es nicht an. Auch dies ist ein guter Beweis dafür, dass sich der Raum erweitert hat. Wie das Aufblasen eines Ballons, auf dem eine Ameise steht, sieht es für die Ameise sehr zerknittert aus, wenn es klein ist, und sehr viel flacher, wenn es ausgedehnt ist. Unser Universum erscheint uns extrem flach.
• Bestimmte Ereignisse im sehr frühen Universum, wie Wiedererwärmung und Unterkühlung, ergeben mathematisch mehr Sinn und passen in einen Expansionskontext als jeder andere bekannte vorgeschlagene Kontext, der untersucht wurde.
• Die Expansion wird ziemlich stark von Einsteins Feldgleichungen vorgeschlagen, bis zu dem Punkt, dass Einstein, der unser aktuelles Wissen über die Beweise nicht hatte, seine Gleichungen "fummeln" musste, um einen Weg zu finden, dass sie nicht darauf hindeuten würden, dass sich der Raum ausdehnt oder Vertragsabschluss. Einsteins Feldgleichungen wurden massiv durch alles getestet, von GPS über Lichtablenkung um Sterne bis hin zu Schwarzen Löchern, Gravitationswellen und ... nun, einer großen Anzahl von Dingen. Sie beschreiben, wie sich der Raum selbst verhält, hauptsächlich, aber nicht nur, in Bezug auf Schwerkraft und Masse. Wir sind uns ihrer bisher sehr sicher. Und wenn Sie sie nicht modifizieren, indem Sie eine vorberechnete " kosmologische Konstante" einwerfen" Entworfen, um dem "ansonsten normalen" Verhalten der Gleichungen bewusst entgegenzuwirken, zeigen sie ebenfalls, dass sich der Raum ausdehnt oder zusammenzieht. Einstein tat das nicht gerne, konnte aber anscheinend keinen anderen Weg sehen, um diese Schlussfolgerung aus seinen Gleichungen zu vermeiden ... Leute an der Zeit an ein statisches Universum geglaubt, und wenn dem so war, dann musste seinen Gleichungen ein „Fudge-Faktor“ hinzugefügt werden, damit sie vorhersagen, was der Mainstream glaubte, und nicht die Expansion vorhersagten (heutzutage ist die „kosmologische Konstante“
  ) etwas besser verstanden und es wird angenommen, dass sie sich auf die sogenannte „ dunkle Energie " bezieht – im Wesentlichen ein oder mehrere skalare Quantenfelder, von denen angenommen wird, dass sie existieren und für diese Expansion verantwortlich sind. Der Begriff „dunkel" bedeutet, dass wir es nicht tun.Es gibt noch keine Instrumente, die das direkt könnenseine Energie oder Partikel wahrnehmen: es ist für bestehende Instrumente „dunkel“, obwohl wir glauben, dass es aufgrund von Beobachtungen der Effekte vorhanden ist, die mit dem übereinstimmen, was ein solches Feld tun würde. Wir denken, dass etwa 69 % der gesamten Masse-Energie des Universums in Form dieser dunklen Energie vorliegt, also ist es kosmologisch gesehen ein ziemlich großer Gegenstand!)
• Diese Theorien haben auch detaillierte und äußerst genaue Vorhersagen gemacht, die auf andere Weise sehr schwer zu erklären sind. Zum Beispiel erklärt das Urknallmodell, warum es einen kosmischen Hintergrund von Photonen geben sollte, und (wenn wir einen Weg finden, ihn zu entdecken) auch einen kosmischen Hintergrund von Neutrinos, und einige ihrer erwarteten Eigenschaften. Es sagt voraus, dass das Universum 75 % Wasserstoff, 25 % Helium und Spuren anderer Elemente enthalten sollte, und genau, warum diese Prozentsätze (Antwort: es bezieht sich auf das Verhältnis von Protonen und Neutronen, die früher erzeugt wurden, und die für die Fusion verfügbare Zeit), warum etwas Deuterium könnte sich durch Fusion bilden, fusionierte dann aber nicht zu Helium (es fusioniert sehr leicht zu Helium) und so weiter. Keine andere bekannte Theorie erklärt alle diese Erkenntnisse. Und das Big Bang-Modell beinhaltet als Kernelement die Erweiterung.

Das sind Beispiele. Es gibt auch andere.

• Relevanter Link für ein bisschen mehr Informationen:
  https://en.wikipedia.org/wiki/Expansion_of_the_universe

Er liegt grundsätzlich falsch. Was genau davon abweicht, hängt vom verwendeten Koordinatensystem ab. In GR sind alle Frames physikalisch äquivalent zueinander.

In sich bewegenden Koordinaten, dh. der Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker-Metrik besteht das Universum aus einem sich gleichmäßig ausdehnenden Galaxiengas. In diesem Fall bewegen sich die Galaxien auf Geodäten, die dieser Metrik zugeordnet sind. In sich bewegenden Koordinaten haben die Galaxien jedoch eine feste Position und ihre Geschwindigkeit ist es$0$. Was ändert sich also: die Metrik. Der räumliche Teil der Metrik hat einen Skalierungsfaktor, der sich mit der Zeit ändert. Dies wird dann mit „der Ausdehnung des Raums“ in Verbindung gebracht.

Wir können dieselbe Physik auch mit lokalen Minkowski-Rahmen beschreiben. Da der Minkowski-Rahmen statisch ist, haben wir keine Erweiterung des räumlichen Teils. Die kosmologische Rotverschiebung kann nun jedoch auf die Akkumulation von Doppler-Verschiebungen von Photonen zurückgeführt werden, die von einer Galaxie gesendet und von einer anderen durch lokale Minkowski-Rahmen empfangen werden. In diesem Rahmen sind die Geschwindigkeiten der Galaxien nicht$0$und sie weichen voneinander ab.

Um es noch einmal zusammenzufassen: Es ist eine Frage der Perspektive zu entscheiden, was „erweitert“ ist. Der erste Beobachtungsnachweis wird Edwin Hubble zugeschrieben.

Zum Thema Urknall wird allgemein angenommen, dass es vor dem Urknall keine Raumzeit gab. Es gibt kein Wo oder Wann, weil es keine Raumzeit gab. Der Urknall geschah und mit ihm kam die Raumzeit.
Natürlich gibt es andere Theorien wie das zyklische Universum.

Drei konkrete Beobachtungsbeweise lassen sich mit dem Transport von Licht/Photonen durch die Weiten des Universums in Verbindung bringen. Dies sind nur Beispiele – nicht die Beweise.

• Wenn Sie den Urknall und die Produktion einer Schwarzkörperstrahlung von 3000 K etwa 300000 Jahre nach dem Urknall akzeptieren, wo sind diese Photonen heute? Wenn die „Explosion in die Raumzeit“ geschehen würde, wäre die Form des Spektrums heute noch dieselbe, die Photonen würden nur verdünnt. Wenn "die Raumzeit explodiert" würde das Spektrum durch Änderung der Wellenlänge (-> Größe) der Photonen deformiert werden. Die aktuelle CMB-Schwarzkörperstrahlung von ~2,7 K ist genau das, was Sie in diesem Fall erwarten.

• Denken Sie nur einmal darüber nach: Was bedeutet es, wenn Astronomen sagen „ein Objekt hat eine Rotverschiebung von X“? Die Rotverschiebung ist im Muster sehr schmaler/präziser Emissions- und Absorptionsbanden normaler Moleküle und Atome zu sehen, die bei sehr, sehr unterschiedlichen Wellenlängen (viel länger) liegen, als sie in einem Labor auf der Erde beobachtet würden, je weiter ein Objekt entfernt ist ist weit entfernt von der Erde. Wenn der „Urknall eine Explosion in die Raumzeit“ wäre, würde ein Photon seine Wellenlänge nie ändern, es würde nur verdünnt oder absorbiert (Intensität). Nur bei einer „Explosion der Raumzeit“ würde auch das Photon (Wellenlänge) selbst gestreckt, während es sich bewegt, und seine Wellenlänge würde länger werden, je länger es durch den Raum reist. Das sehen wir.

• Wenn Sie das Licht extrem entfernter Objekte beobachten: Auf seinem Weg zu uns (als Beobachtern) passiert es gelegentlich Bereiche mit erhöhter Wasserstoff(Materie)-Dichte, die einen typischen und bekannten Abdruck von neutralen Wasserstoff-Absorptionsbanden hinterlassen. Diese Bänder sind entsprechend der Entfernung der (dunklen) Wasserstoffwolke rotverschoben. Da dies bei sehr weit entfernten Objekten viele Male vorkommen wird, beobachten wir eine Reihe von vielen solcher verschobenen Absorptionsbanden. Dies wird als "Lyman-Alpha-Wald" bezeichnet ( https://en.wikipedia.org/wiki/Lyman-alpha_forest ) und ist ein großartiges Werkzeug, um die Struktur des Universums zu untersuchen. Dies kann sehr gut im Zusammenhang mit der Erweiterung des Raums verstanden werden.

In der folgenden Diskussion wurde kommentiert, dass diese Effekte möglicherweise nur Kinematik (Doppler-Effekt) sind. Während die Kinematik niemals irrelevant ist und darüber hinaus unsere lokale Umgebung auf der Erde und auch im lokalen Universum dominiert, wird sie auf kosmologischer Ebene zu einer geringfügigen Korrektur. Rotverschiebungen, die wir beobachten, würden hoch- oder ultra-relativistischen Geschwindigkeiten entsprechen. Und die beobachtete Isotropie des Raums stimmt sehr gut mit der Ausdehnung des Raums überein, während sie in einem Szenario, das nur von Kinematik angetrieben wird, nicht natürlich ist.

Es gibt Beobachtungsbeweise für eine Raumausdehnung, die Rotverschiebung genannt wird : Die meisten Galaxien entfernen sich von uns und wir können dies anhand des Betrags messen, um den sie rotverschoben sind. Hier gibt es mehr Details . Aber wie auch immer, genau das scheint der Autor als Beweis zu leugnen.

Hubble stellte fest, dass entfernte Galaxien höhere Rotverschiebungen aufwiesen, und passte seine Beobachtungsdaten an die berühmte lineare Beziehung an, die heute als Hubbles Gesetz bekannt ist:

wobei z die Rotverschiebung, c die Lichtgeschwindigkeit, r die Entfernung und ist$H_0$ist Hubbles Konstante. Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich von uns.

Die Frage ist, warum entfernen sich Galaxien nach dem Gesetz von Hubble von uns? Wie interpretieren wir diese Gleichung?

Früher gab es die „Müde-Licht-Hypothese“, die versuchte, die Hubble-Relation zu erklären, indem sie annahm, dass sich die Galaxien nicht von uns entfernen, sondern dass Photonen einfach Energie verlieren, wenn sie sich durch den Weltraum bewegen. Diese Idee geriet schnell aus der Mode.

Eine andere Hypothese ist, dass sich das Universum ausdehnt, was wir heute als Tatsache ansehen .

Der entscheidende Punkt ist, dass sich Galaxien nicht nur von uns entfernen, sondern auch voneinander. Das wissen wir aus dem kosmologischen Prinzip , das besagt, dass das Universum homogen und isotrop ist. Wir leben nicht an einem besonderen Ort im Universum, sondern das Universum ist überall ziemlich gleich. Es gibt unzählige Beweise, die das kosmologische Prinzip unterstützen, und der größte Teil der etablierten Kosmologie basiert auf seiner Gültigkeit.

Philosophisch gesehen wissen wir nicht, dass sich das Universum ausdehnt, da wir auch nicht wissen, dass das kosmologische Prinzip gültig ist. Wenn Sie wissenschaftliche Beweise philosophisch analysieren , würde nichts als Beweis gelten. Ja, Galaxien könnten sich aufgrund einer zufälligen Ursache oder vielleicht aufgrund von Gott einfach voneinander entfernen, aber die wissenschaftlichen Beweise sind eindeutig: Das Universum dehnt sich aus und dies wird sowohl durch die Allgemeine Relativitätstheorie (die Friedmann-Gleichungen) als auch durch Beobachtungsdaten gestützt ( Rotverschiebung). Was wir sehen, ist genau das, was man von einem Universum erwarten würde, das eine homogene und isotrope Expansion erfährt. Wenn Sie ablehnen, dass sich das Universum ausdehnt oder dass das kosmologische Prinzip gültig ist, können Sie genauso gut die gesamte Kosmologie ablehnen.

Es gibt keine Beobachtungsbeweise für eine Raumausdehnungshypothese. Was beobachtet wird, sind Supercluster von Galaxienhaufen, die sich mit einer Geschwindigkeit, die proportional zu ihrer Entfernung ist, voneinander entfernen.

Das ist im Wesentlichen richtig. Die Expansion des Universums ist nur die Rezession von Superhaufen von Galaxien. Es gibt eine Menge Leute, die denken, dass es ein zusätzliches Phänomen der „Ausdehnung des Weltraums selbst“ gibt, aber das ist nicht der Fall. In der allgemeinen Relativitätstheorie gibt es kein Konzept der "Expandierung des Raums" (oder "Raum" für diese Angelegenheit), und wenn es den Anschein hat, dass dies der Fall ist, liegt dies daran, dass Sie durch Koordinatensysteme verwirrt werden. Siehe diese Antwort .

Er fährt fort zu sagen, dass der Raum euklidisch und unendlich ist.

Ich nehme an, dass dies im aktuellen kosmologischen Standardmodell technisch korrekt ist. Scheiben konstanter kosmologischer Zeit werden im Modell als euklidisch und unendlich angenommen, und es passt zu den bisherigen Daten. Aber das Universum ist nicht Newtonsch oder speziell relativistisch, weil die Raumzeit im Modell gekrümmt ist, obwohl die räumlichen Scheiben es nicht sind.

Würde dies nicht bedeuten, dass der Urknall eher eine Explosion der Raumzeit war als eine Ausdehnung der Raumzeit, wie oft gesagt wird?

Das bedeutet es nicht, nein. Es ist möglich, den Kosmos, den wir sehen, in eine größere Raumzeit einzubetten, und in gewissem Sinne würde er sich dann in dieser größeren Raumzeit „ausdehnen“. Aber es gibt keine Beweise für ein bestimmtes Modell dieser Art. Es muss nichts außerhalb sein, in das sich das Universum ausdehnen kann, und im kosmologischen Standardmodell gibt es das nicht.

Smith liegt einfach falsch.

Er hat Recht, wenn er sagt, dass es keine direkten Beobachtungsbeweise (in einem naiven Sinne) dafür gibt, dass sich der Weltraum ausdehnt, anstatt dass der Raum fixiert wird, während sich Galaxien durch ihn ausbreiten. Sie sehen beide einfach aus wie Galaxien, die sich weiter voneinander entfernen.

Aber es gibt viele Beobachtungsbeweise dafür, dass die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie korrekt sind. Und wenn diese Theorien stimmen, besteht die einzige Möglichkeit, die Beobachtungen zu verstehen, darin, zu sagen, dass sich der Weltraum selbst ausdehnt.

Es ist so, als würde man auf einer Autobahn stehen und sehen, wie ein Auto immer größer wird, und sagen, dass es keinen Beweis dafür gibt, dass es näher kommt, weil es vielleicht nur an Größe zunimmt. Wir wissen, dass Autos das einfach nicht tun.

Das Problem ist, dass das Modell, das Smith unterstützen möchte, bei kleinen Maßstäben und Geschwindigkeiten wirklich gut funktioniert, im Gegensatz zum Modell des „wachsenden Autos“. Es ist also offensichtlich nicht dumm zu glauben, dass die Galaxien einfach durch den unveränderlichen Weltraum auseinander fliegen. Aber wenn Sie verstehen, wie die Dinge bei nahezu Lichtgeschwindigkeit funktionieren, wird klar, dass es einfach nicht richtig sein kann.

Es gibt viel Prosa über die "Dehnung des Raumes", ähnlich einem elastischen Stoff. Ich würde lieber einfach sagen: Es geht auseinander . In der Fachsprache beziehe ich mich auf den Expansionstensor$\Theta_{\mu\nu}$(ein Teil der "kinematischen Zerlegung") für Weltlinien von Galaxien innerhalb eines Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker-Modells des Universums. An jedem Punkt sagt Ihnen diese Größe die relative Bewegung naher Galaxien. Die Betonung dieser Größe vermeidet ungerechtfertigte poetische Interpretationen, die zweifellos Peacocks „Diatribe“ motivierten.

Ein weiterer Grund, denke ich, sind Referenzrahmen. In der Newtonschen Physik können Sie einen einzigen Referenzrahmen für das gesamte Universum nehmen. Angenommen, es wäre auf die Milchstraße zentriert. Dann würden entfernte Galaxien zurückweichen$2\times$,$3\times$,$4\times$usw. die Lichtgeschwindigkeit, relativ zu diesem Rahmen. In der Relativitätstheorie werden Referenzrahmen jedoch am besten als lokal behandelt. Nichts bewegt sich schneller als das Licht in irgendeinem (lokalen, zeitlichen) Bezugssystem. Daher kommen Davis & Lineweaver (2004) zu dem Schluss, dass „die Geschwindigkeit auf die Expansionsrate des Raums zurückzuführen ist, nicht auf die Bewegung durch den Raum“.

Einige Kommentare deuten darauf hin, dass Physiker besser qualifiziert sind als Philosophen, um sich mit diesem Thema zu befassen. Ich bin nicht einverstanden. Es betrifft die Interpretation der Physik und damit der Philosophen der Physikwäre im Prinzip die maßgebendste. (Obwohl es meines Wissens in der Praxis Physiker sind, die die relevanten Artikel verfasst haben, einschließlich der oben zitierten; auch Luke Barnes und Geraint Lewis und Mitarbeiter; George Ellis usw.) Genauer gesagt handelt es sich hier um eine Schnittmenge verschiedener Bereiche . Welche Rotverschiebungen haben Galaxien? Fragen wir die Astrophysiker, Teleskoptechniker, Statistiker usw. Welche Gleichungen liefert die Allgemeine Relativitätstheorie? Fragen wir die Relativisten. Was ist die Bedeutung und Interpretation? Dies ist eher die Domäne der Philosophie. (Natürlich behaupte ich nicht, dass jeder bei seiner eigenen Domain bleiben muss.)