Expansion des Universums: Wird neuer Raum(zeit?) geschaffen oder wird er nur gedehnt?

Da der zweite Teil Ihrer Frage ein Duplikat ist, werde ich nur den ersten Teil ansprechen. Ich vermute jedoch, dass Sie enttäuscht sein werden, da meine Antwort lautet, dass Ihre Frage keine Antwort hat.

Das Problem ist, dass die Raumzeit kein Objekt ist und nicht gestreckt wird. Wir sind alle daran gewöhnt, die Raumzeit als Gummiplatte modelliert zu sehen , aber obwohl dies eine nützliche Analogie für Anfänger sein kann, ist es irreführend, wenn Sie es zu weit dehnen. In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Raumzeit eine mathematische Struktur, kein physikalisches Objekt. Es ist eine Kombination aus einer Mannigfaltigkeit und einer Metrik . Auf die Gefahr hin, zu stark zu vereinfachen, bestimmt die Mannigfaltigkeit die Dimensionalität und die Topologie, und die Metrik ermöglicht es uns, Entfernungen zu berechnen.

Normalerweise nähern wir unser Universum mit der FLRW-Metrik an, und eines der Merkmale dieser Metrik ist, dass sie zeitabhängig ist. Insbesondere wenn wir die Metrik verwenden, um die Entfernung zwischen zwei sich bewegenden Punkten zu berechnen, stellen wir fest, dass die von uns berechnete Entfernung mit der Zeit zunimmt. Deshalb sagen wir, dass sich das Universum ausdehnt. Es wird jedoch nichts in der üblichen Bedeutung dieser Worte gedehnt oder geschaffen .

Kurze Antwort : Im Gegensatz zu dehnbaren Materialien fehlt der Raumzeit ein Maß an Dehnung.

Lange Antwort : Mal sehen, wo die Gummiblatt-Analogie gilt und wo sie versagt. Wenn Sie eine Gummiplatte dehnen, ändern zwei Punkte darauf den Abstand. Sie können auch eine differenzielle Version dieser Eigenschaft formulieren, indem Sie sie über infinitesimal nahe Punkte sagen. Ähnliches geschieht für die Raumzeit. Tatsächlich ist die Beschreibung, wie unendlich nahe Punkte ihre (unendlich kleine) Entfernung ändern, eine vollständige geometrische Beschreibung einer Raumzeit in der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR). Mehr noch, es ist eine vollständige Beschreibung einer Raumzeit in GR (bis hin zu Details über den darin enthaltenen Materieinhalt).

Dies wird durch eine Größe beschrieben, die als metrischer Tensor bezeichnet wird $g_{\mu\nu}$, oder kurz einfach metrisch . Es ist$n$von$n$Matrix, wo$n$ist die Anzahl der Raumzeitdimensionen (also normalerweise 4, es sei denn, Sie haben es mit Theorien mit unterschiedlicher Anzahl von Dimensionen zu tun). Das Quadrat der infinitesimalen Entfernung ist gegeben durch:

In der Einstein-Summierungskonvention wird die Summierung über wiederholte Indizes angenommen, daher wird dies normalerweise einfach als geschrieben$ds^2=g_{\mu\nu}dx^\mu dx^\nu$.

Für flache Raumzeit$g_{\mu\nu}$ist eine Diagonalmatrix mit -1 gefolgt von 1s oder 1 gefolgt von -1s, je nach Konvention (es ergibt am Ende die gleiche Physik). Für einen flachen euklidischen Raum ist der metrische Tensor einfach eine Einheitsmatrix, für den dreidimensionalen Raum ergibt sich also:

Wo versagt die Analogie?

Nun, wie ich bereits sagte, ist Metrik eine vollständige Beschreibung der Raumzeit in GR. Das bedeutet, dass die Raumzeit keine zusätzliche Eigenschaft hat. Gummi hingegen hat ein Maß dafür, wie stark es gedehnt wurde. Dies steht in engem Zusammenhang mit Gummi mit einer bestimmten Gummimenge pro Raumeinheit. Aber es gibt keine "Raummenge pro Raumeinheit", also wird die Raumzeit nicht mehr zurückgehen, sobald Sie sie gedehnt haben. Oder Sie könnten sagen, dass Dehnen und Raumzeiterschaffen dasselbe ist, weil Sie am Ende „kostenlos“ mehr Volumen haben (was bedeutet, dass es sich im Gegensatz zu Gummi nicht „erinnern“ kann, dass es früher weniger Volumen hatte).

Ausdehnung des Raums bedeutet einfach, dass die Abstände zwischen den Punkten größer werden, ohne dass eine Bewegung impliziert wird. Es ist einfacher als bei dehnbaren Materialien, aber weniger intuitiv, weil unsere Intuition uns dazu zwingt, zusätzliche Eigenschaften zu implizieren, die nicht vorhanden sind.

Wenn die Dehnungsanalogie mehr als das wäre und etwas tatsächlich mit der Ausdehnung der Raumzeit passieren würde, würde dies zu einem Anstieg entweder der elastischen potentiellen Energie oder der elastischen Spannung führen. Diese zunehmende Spannung würde zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit von Gravitationswellen und einer Verringerung der effektiven Masse von Objekten führen, von denen keines beobachtet wurde

Die Expansion des Universums ist nur die relative Bewegung von Objekten darin. Es gibt keinen definierbaren Unterschied in der allgemeinen Relativitätstheorie zwischen der gewöhnlichen relativen Bewegung zweier Objekte und diesen Objekten, die "stationär sind, während sich der Raum zwischen ihnen ausdehnt". Bestenfalls sind sie Beschreibungen desselben Phänomens in unterschiedlichen Koordinaten.

Einige Quellen, die über die Erweiterung des Weltraums sprechen, verwenden dies nur als alternative Beschreibung derselben Physik. Das ist nicht unbedingt falsch, aber ich denke, es ist unnötig verwirrend. Es führt zu Fragen wie der Ihren, die sich wahrscheinlich nie stellen würden, wenn die Menschen verstehen würden, dass die Bewegung galaktischer Superhaufen dieselbe ist wie jede andere Bewegung.

Einige Quellen sagen ausdrücklich, dass sich die Ausdehnung des Universums von anderen Arten der Bewegung unterscheidet, weil sie auf die Ausdehnung des Raums selbst zurückzuführen ist. Sie liegen einfach falsch, und Sie sollten misstrauisch gegenüber allem anderen sein, was sie über Kosmologie sagen.