Experimenteller Nachweis der Raumausdehnung

Wir wissen, dass sich das Universum mit der Raumausdehnung ausdehnt. Dies folgt aus der FLRW-Lösung, die den beobachteten Hubble-Fluss gut erklärt. (Da jede vorhandene Beschleunigung extrem klein ist, nehmen wir der Einfachheit halber an, dass sie Null ist.)

Eine gleichmäßige Ausdehnung des Raums übt keine Kräfte auf Körper aus, sodass sie sich genauso bewegen wie in einem nicht expandierenden Raum. Wenn zum Beispiel zwei Körper relativ zueinander ruhen, aber der Raum zwischen ihnen sich ausdehnt, dann würden sie relativ zueinander genauso ruhen wie in einem nicht expandierenden Raum. Mit anderen Worten, die Ausdehnung des Weltraums kann nicht durch Beobachtung der Bewegung massiver Körper festgestellt werden (solange sie nicht den kosmischen Horizont überschreiten).

Die Ausdehnung beeinflusst die Lichtgeschwindigkeit, wie aus der Ferne beobachtet wurde. Die Expansion schafft auch einen kosmischen Horizont, jenseits dessen nichts mehr entdeckt werden kann. Wurden diese Effekte beobachtet? Gibt es experimentelle Ergebnisse, die zeigen, dass sich der Weltraum tatsächlich ausdehnt, anstatt dass die Galaxien einfach aufgrund von Trägheit auseinanderfliegen?

Ihr zweiter Absatz erscheint mir nicht überzeugend. Wollen Sie damit sagen, dass das ganze Hubble-Ding nicht existieren kann?
@lalala Nein, habe ich nicht. Alles, was der Hubble-Fluss zeigt, ist, dass die Galaxien auseinander fliegen. Es erklärt nicht warum. Es könnte daran liegen, dass sich der Raum zwischen ihnen ausdehnt oder dass sie anfänglich auseinander gedrückt wurden und immer noch aufgrund der Trägheit weitermachen. (Letztendlich gibt es nicht einmal einen großen Unterschied zwischen diesen beiden Ansichten.)
"Eine gleichmäßige Raumausdehnung übt keine Kräfte auf Körper aus, sie bewegen sich also genauso wie in einem nicht-ausdehnbaren Raum." - das stimmt nicht. Der Abstand zwischen den Körpern wächst. Wenn sie durch ein Seil verbunden sind, würde das Seil Kraft erfahren.
@Anixx In bestimmten Fällen (und je nach Modell) gibt es einige Gezeitenkräfte, aber im Allgemeinen nein. Wenn Sie zwei Objekte mit einem Seil binden und sie relativ zueinander auf die Anfangsgeschwindigkeit von Null bringen, würde das Seil keine erfahren Kraft aufgrund der Raumausdehnung, es sei denn, die Ausdehnung beschleunigt sich. Sie können eine gleichmäßige Ausdehnung nicht davon unterscheiden, ob Sie sich einfach durch Trägheit bewegen. Es gibt keinen experimentellen Beweis dafür, dass sich der Weltraum tatsächlich ausdehnt, im Gegensatz zu den Galaxien, die einfach aufgrund der Trägheit des Anfangsimpulses auseinanderfliegen. Der einzige relevante Beweis ist die Beschleunigung der Expansion.
Nein, du liegst falsch. Das Seil würde sich straffen.
Man kann die kosmologische Konstante sogar als eine Art abstoßende Kraft interpretieren.
@Anixx Die kosmologische Konstante ist nicht für die Raumausdehnung verantwortlich, sondern nur für deren Beschleunigung. Mit Beschleunigung würde sich das Seil straffen, aber nicht ohne. Eine gleichmäßige Ausdehnung erfolgt mit einer bestimmten Geschwindigkeit pro Strecke (das Hubble-Gesetz). Geschwindigkeit erzeugt keine Kräfte, nur Beschleunigung. Ich habe keinen Link zur Hand, aber ich erinnere mich, dass ich eine Lösung gesehen habe, die auf FLRW basiert. Es zeigte sekundäre Gezeitenkräfte, aber keine direkte Kraft aufgrund der Expansion. Gute Diskussion.
Nun, ohne beschleunigte Ausdehnung dehnt sich der Abstand zwischen zwei Körpern immer noch mit der Beschleunigung aus, weil das Abstandswachstum proportional zum aktuellen Abstand ist.
@Anixx Dies wäre wahr, wenn der Hubble-Parameter im Laufe der Zeit konstant wäre, ist es aber nicht. Im Falle einer Expansion ohne Beschleunigung (oder Verzögerung) ist der Hubble-Parameter umgekehrt proportional zum Alter des Universums, sodass alle Geschwindigkeiten konstant bleiben.

Antworten (2)

Sie werden keinen experimentellen Beweis für die Raumausdehnung erhalten, da die Raumausdehnung nur eine Interpretation ist, keine beobachtbare Tatsache. Wenn Sie die kosmologische Expansion eher als Bewegung als als Ausdehnung des Raums beschreiben möchten, können Sie das tun. Es gibt eine grundlegende Mehrdeutigkeit in der informellen verbalen Interpretation dieser kosmologischen Metriken, weil wir die Expansion mithilfe mentaler Bilder des Hubble-Flusses visualisieren wollen, aber diese mentalen Bilder implizit davon ausgehen, dass es eine Möglichkeit gibt, die Geschwindigkeit der Galaxie A relativ zur Entfernung zu definieren Die Galaxie B. GR bietet keine solche Definition. Wenn wir über Entfernungen zwischen Galaxien oder über Rezessionsgeschwindigkeiten sprechen, erkennen Menschen, die GR verstehen, dass dies eine Abkürzung für einen komplizierteren Satz von Definitionen ist, die in gewissem Maße willkürlich sind und nicht generisch in GR eingebaut sind. Z.B,

Mit anderen Worten, die Ausdehnung des Weltraums kann nicht durch Beobachtung der Bewegung massiver Körper festgestellt werden (solange sie nicht den kosmischen Horizont überschreiten).

Das Auffinden eines kosmischen Horizonts hat hier keinen besonderen logischen Status. Es gibt alle möglichen anderen Observablen, wie zum Beispiel Doppler-Verschiebungen, die jeden Versuch ausschließen, kosmologische Beobachtungen im Hinblick auf die Bewegung der Materie vor dem Hintergrund einer flachen Raumzeit zu interpretieren. Sie scheinen zu versuchen, eine Dichotomie zwischen räumlicher Ausdehnung und Newtonscher Schwerkraft herzustellen, aber die durch Beobachtung überprüfbare Dichotomie besteht zwischen GR und Newtonscher Schwerkraft. Räumliche Ausdehnung ist nur eine Art, über GR zu sprechen, und es ist eine optionale Art, darüber zu sprechen, genauso wie die Kopenhagener Interpretation nur eine optionale Art ist, über Quantenmechanik zu sprechen.

Ein Bruch des Teilchenhorizonts wäre ein Beweis für die Ausdehnung, denn Bewegung allein kann die Existenz des Horizonts nicht erklären. Ihre Antwort besagt, dass die Erweiterung nicht nachgewiesen werden kann. Wollen Sie nur zur Verdeutlichung sagen, dass der Horizont nicht erkannt werden kann? Beispielsweise kann die Rotverschiebung einer Galaxie zunehmen, bis die Galaxie vollständig verschwindet. Die Zahl der empfangenen Photonen würde mit zunehmender Rotverschiebung abnehmen. Eine Funktion dieser Zahl nach Zeit (interpoliert) würde im Gegensatz zum Horizont des Schwarzen Lochs in endlicher Zeit Null durchqueren. Gibt es einen logischen Fehler in dieser Argumentation?
Meine Frage bezieht sich auf die Existenz eines experimentellen Beweises für die Raumausdehnung, nicht unbedingt durch die Beobachtung sich bewegender Körper, was unmöglich wäre, wie ich in der Frage feststellte. In Ihrer Antwort sagen Sie zuerst: "Sie werden keinen experimentellen Beweis für die Weltraumexpansion bekommen", aber später stellen Sie fest: "Es gibt alle möglichen anderen Observablen, wie z. B. Dopplerverschiebungen, die jeden Versuch ausschließen, kosmologische Beobachtungen zu interpretieren in Bezug auf die Bewegung der Materie auf einem Hintergrund flacher Raumzeit. Würden diese Observables nicht die Ausdehnung des Weltraums beweisen? Kannst du das bitte klären?
Ein Bruch des Teilchenhorizonts wäre ein Beweis für die Ausdehnung, denn Bewegung allein kann die Existenz des Horizonts nicht erklären. Das ist schlampige Logik. Die Erfassung eines Horizonts wäre nicht mit der Newtonschen Schwerkraft vereinbar. Das bedeutet nicht, dass es eine Raumerweiterung beweist. Aus den in meiner und Timms Antwort beschriebenen Gründen ist die Weltraumexpansion keine empirisch überprüfbare Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie. Würden diese Observables nicht die Ausdehnung des Weltraums beweisen? Kannst du das bitte klären? Ich habe erklärt, warum sie es nicht tun. Sie haben nicht erklärt, warum Sie denken, dass sie es tun.
" Die durch Beobachtung verifizierbare Dichotomie besteht zwischen GR und Newtonscher Gravitation " - Beides hat nichts mit meiner Frage zu tun. Die Newtonsche Gravitation ist irrelevant, da sich Galaxien auch ohne Gravitation durch Trägheit bewegen würden. Und GR braucht keinen Horizont. Zum Beispiel ist das Milne-Modell GR-konform, aber nichts geht über den Horizont. Es ist allgemein anerkannt, dass sich Galaxien jenseits des Horizonts aufgrund der Ausdehnung des Weltraums schneller entfernen als das Licht. Genau darauf zielt meine Frage ab. Anstatt darauf zu antworten, scheinen Sie jedoch gegen die konventionelle Interpretation anzukämpfen.

Die Expansion schafft auch einen kosmischen Horizont, jenseits dessen nichts mehr entdeckt werden kann. Wurden diese Effekte beobachtet?

Wir sehen Photonen, die jenseits der Hubble-Sphäre emittiert wurden. Diese Photonen haben sich im frühen Universum von uns zurückgezogen. Wenn Sie "kosmischer Horizont" sagen, meinen Sie wahrscheinlich den Teilchenhorizont, der heute 46 Glyr von uns entfernt ist. Per Definition können wir Photonen von jenseits dieses Horizonts nicht erkennen, da der Teilchenhorizont das beobachtbare Universum begrenzt.

Gibt es experimentelle Ergebnisse, die zeigen, dass sich der Weltraum tatsächlich ausdehnt, anstatt dass die Galaxien einfach aufgrund von Trägheit auseinanderfliegen?

Nein, gibt es nicht. Die Expansion des Universums bedeutet zunehmende Entfernungen zwischen sich bewegenden Objekten. Ob sich der Weltraum ausdehnt oder sich entfernte Galaxien voneinander entfernen, hängt von den gewählten Koordinaten ab. Daher kann keine dieser Ansichten - da sie nicht unveränderlich ist - als ein messbares physikalisches Phänomen betrachtet werden. Der Weltraum dehnt sich in FRW-Koordinaten aus und Galaxien entfernen sich in Normalkoordinaten.

" Wir sehen Photonen, die jenseits der Hubble-Sphäre emittiert wurden. " - Woher wissen Sie das? Wenn Sie dies tatsächlich wissen könnten (die Existenz des Teilchenhorizonts), wäre dies ein Beweis für die Raumausdehnung, aber nach Ihrer eigenen Antwort und anderen gibt es keinen solchen Beweis.
Sie haben gefragt, ob sich „der Weltraum tatsächlich ausdehnt“ oder ob Galaxien „einfach auseinanderfliegen“. Keine dieser Möglichkeiten kann experimentell verifiziert werden. Stattdessen sagen uns die kosmologischen Rotverschiebungsdaten, dass die Entfernungen zunehmen, was oft einfach, aber fälschlicherweise als expandierender Raum beschrieben wird. Rees & Weinberg sagten (1993): "... wie ist es möglich, dass sich der Raum, der völlig leer ist, ausdehnt? Wie kann sich nichts ausdehnen? Die Antwort lautet: Der Raum dehnt sich nicht aus."
Nettes Zitat. Ich wünschte, ich hätte dieses Buch, um den ganzen Kontext zu sehen. Ein Beispiel für die Ausdehnung des Weltraums, die nicht als bloße Zunahme von Entfernungen aufgrund von Bewegung interpretiert werden kann, ist die Tatsache, dass die Größe eines geschlossenen Universums zunimmt. Diese Größe kann leicht gemessen werden, indem man die optischen Effekte in einem geschlossenen Raum mit ihrer Rotverschiebung vergleicht. Ein weiteres Beispiel für Raumausdehnung ist die Existenz des Teilchenhorizonts, der ebenfalls nachgewiesen werden kann (wie in meinem Kommentar zu Bens Frage). Ihre Aussage, dass der experimentelle Beweis nicht einmal möglich ist, bräuchte also eine bessere Unterstützung. Kannst du das bitte klären?
Ihre Denkweise ist ganz natürlich, aber eines übersehen Sie. Denken Sie an einige Galaxien, die ein bestimmtes Volumen einnehmen. Wenn ihre physikalischen Entfernungen zunehmen (oder abnehmen, falls sich das Universum zusammenzieht), ändert sich dieses Volumen, was einer Änderung der Metrik entspricht. Die Volumenänderung impliziert jedoch nicht, dass sich der Raum wie ein Material ausdehnt, zB wie eine Gummiplatte. Sie finden diese Diskussion etwas detaillierter in Expanding Space: the Root of all Evil? . Ähnlich kann man bezüglich der Entfernung zum Teilchenhorizont argumentieren. ∗
Danke für das Papier. Das einzige neue Konzept für mich sind "kosmologische Gezeitenkräfte", was impliziert, dass mein zweiter Absatz möglicherweise falsch war, wie in den Kommentaren angemerkt. Die Existenz dieser Kräfte wäre auch ein Beweis, nach dem ich frage. Sie und Ben scheinen meine Frage falsch zu interpretieren und streiten sich mit der Terminologie. Es ist mir egal, ob Sie es "Raumerweiterung" oder "metrische Erweiterung" nennen. Sie können es gerne "einen Hummer" nennen, wenn Sie es vorziehen. Meine Frage ist, ob es direkte Beweise dafür gibt, ob die Gezeitenkräfte, der Horizont, irgendetwas, außer den Galaxien, die einfach so in eine statische Raumzeit fliegen.
Metrikerweiterung ist ein gutes Stichwort. Wikipedia: „Um die metrische Ausdehnung des Universums zu verstehen, ist es hilfreich, kurz zu erörtern, was eine Metrik ist und wie die metrische Ausdehnung funktioniert. Eine Metrik definiert das Konzept der Entfernung, indem sie in mathematischen Begriffen angibt, wie die Entfernungen zwischen zwei benachbarten Punkten im Raum sind gemessen werden, bezogen auf das Koordinatensystem." Wir haben Hinweise darauf, dass die Entfernungen zunehmen. Das kann man beliebig interpretieren, als Raumerweiterung oder als Auseinanderfliegen.
Entschuldigung, aber ich verliere die Hoffnung, meine Frage zu erklären. Ich weiß, was Metrik ist. Ich verstehe, dass der Hubble-Fluss die Interpretation der Weltraumexpansion weder beweist noch widerlegt. Meine Frage ist, ob es sonst noch etwas gibt. Beispiele: die kosmologischen Gezeitenkräfte, die Existenz des Horizonts usw. Wie könnte irgendjemand ohne jeglichen Beweis behaupten, dass das Universum größer als das beobachtbare Universum ist? Oder dass das Universum nicht Milne ist? Tut mir leid, das ist das Beste, was ich tun kann, wenn ich meinen Kopf gegen die Wand des Missverständnisses schlage. Danke für deinen Einblick und die Links.
Wie könnte irgendjemand ohne jeglichen Beweis behaupten, dass das Universum größer als das beobachtbare Universum ist?“ Das ist eine andere Frage, aber eine gute. Es gibt keinen Beweis Λ Das CDM-Modell beschreibt die Entwicklung des Universums als Ganzes. Bis heute stimmt dieses Modell mit den Beobachtungsdaten überein. Es wäre also nicht plausibel, dass das Universum jenseits des beobachtbaren Universums anders ist.
Verstanden. Kein direkter Beweis, sondern nur ein theoretisches Ergebnis von FLRW, das aufgrund seines Erfolgs in anderen Bereichen wie der Vorhersage des Anteils leichter Elemente als richtig angesehen wird. Meine Frage bezieht sich speziell auf direkte experimentelle Beweise. Die Existenz des Horizonts ist also experimentell nicht bestätigt. Habe es.
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