Kann Licht weit entfernte Galaxien in einem expandierenden Universum erreichen?

Hier ist ein Beispiel in Laiensprache. Es ist nicht 100% genau , aber es sollte Ihnen eine gute Vorstellung davon geben, wie es sein könnte.

Stellen Sie sich einen Luftballon vor, der nur leicht aufgeblasen wurde. Zeichnen Sie nun zwei Punkte auf den Ballon. Eine Ameise an einem Punkt beginnt mit konstanter Geschwindigkeit auf den anderen zuzugehen. Gleichzeitig fangen wir jedoch an, den Ballon aufzublasen. Angenommen, unser Ballon kann sich ewig ausdehnen und platzt nie, selbst wenn sich die Ameise auf den zweiten Punkt zubewegt, entfernt sich dieser Punkt aufgrund der Ausdehnung des Ballons weiter. Wenn wir es schnell genug aufblasen, wird die Ameise nie den Punkt erreichen ...

Beachten Sie, dass sich die Punkte in diesem Beispiel nicht einmal auf dem Ballon bewegen, aber die Ausdehnung könnte die Ameise daran hindern, jemals den zweiten Punkt zu erreichen.

"...die zunehmende Expansion wird dazu führen, dass sich diese weit entfernte Galaxie schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von uns entfernt, und das Licht wird sie niemals erreichen."

Dieser Satz ist völlig richtig. "weit entfernte Galaxien" bewegen sich in Bezug auf uns schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Dies verstößt nicht gegen die Relativitätstheorie! Die Allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass sich nichts LOKAL schneller als Licht fortbewegen kann. Lokal bedeutet in einem sehr kleinen Raumbereich, der praktisch flach ist.

"Licht "erfährt" keine Zeit". dieser Satz ist nicht richtig. Der Begriff "aus der "Perspektive" des Lichts" ist bedeutungslos, da sich Ihr Koordinatensystem niemals mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann. Mit anderen Worten, es gibt kein Koordinatensystem, in dem Licht ruht.

Aus der Sicht eines Teilchens, das sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt, dehnt sich das Universum immer noch aus und einige Galaxien sind immer noch unerreichbar.

Das kann nicht so passieren, wie Sie es in unserem Standard beschreiben$\Lambda$CDM-Kosmologie . Das heißt, die Antwort auf

Ist die Antwort einfach, dass der erste Teil meiner Frage falsch ist; dass das Licht tatsächlich die andere Galaxie erreichen wird, wenn sich diese Galaxie nicht gerade schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von uns entfernt?

ist ja". Das bedeutet nicht, dass Aslums Analogie ungenau ist; es könnte im Prinzip in einem anderen Universum mit höherer kosmologischer Krümmung oder exotischer Materie mit zunehmender Energiedichte passieren, nur nicht in unserem, wie wir es derzeit verstehen.

Es gibt sicherlich eine Obergrenze dafür, wie weit ein Signal, das wir jetzt senden, jemals von uns aus erreichen wird (gemessen nach dem aktuellen Begriff der Entfernung) - es ist ungefähr$17$Milliarden Lichtjahre – aber alles außerhalb dieses Bereichs entfernt sich bereits schneller als$c$. Darüber hinaus gibt es sogar Punkte innerhalb dieses Bereichs, dh an denen wir eventuell ein Signal erhalten können, die derzeit schneller zurückgehen als$c$.

Der Grund, warum dies nicht passieren kann, ist, dass der Hubble-Parameter strikt abnimmt (wobei die kosmologische Krümmung ignoriert wird), obwohl er sich einpendelt. Der Abstand zwischen zwei (mitbewegten) Fixpunkten in der FLRW-Raumzeit ist gegeben durch

Wo$D_0$ist die aktuelle (oder sich mitbewegende ) Distanz und$a(t)$ist der Skalierungsfaktor . Die Rezessionsgeschwindigkeit zwischen diesen Punkten ist dann

Wo$H := \frac{\dot{a}}{a}$ist der Hubble-Parameter.

Wenn wir nun ein Lichtsignal in Richtung eines Zielpunktes aussenden$P$in aktueller Entfernung$D_0$wie oben mit Rezessionsgeschwindigkeit$v_r$aktuell weniger als$c$, dann wird nach einer unendlich kleinen Zeit das Licht näher sein$P$als$D_0$Weil$v_r < c$. Ebenso solange$P$entfernt sich mit einer Geschwindigkeit von der Position des Lichts$v_r < c$(Es kann durchaus sein, dass es viel schneller von uns zurückgeht als$c$) wird das Licht näher kommen$P$.

Wenn wir definieren$R(t)$die verbleibende Entfernung zu sein$P$das Licht muss reisen, dann sagt das das$R(t)$ist streng abnehmend, solange$H(t)R(t) < c$. Jetzt kommt mein früherer Punkt:$H(t)$nimmt ebenfalls ab, direkt aus den Friedmann-Gleichungen ! Also wenn$H(t)R(t)$ist immer weniger als$c$(wie wir zunächst angenommen haben), dann beides$H$Und$R$nehmen ab, also$H(t)R(t)$bleibt kleiner als$c$. Somit$R$nimmt immer ab und wird zwangsläufig Null erreichen.

Nachtrag In Bezug auf die "Perspektive" des Lichts: Dies ist eine Heuristik, die in der Einführung in die spezielle Relativitätstheorie herumgeworfen wird, wenn die Zeitdilatation diskutiert wird, aber sie hat nicht viel Bedeutung. Es sollte sicherlich nicht so verstanden werden, dass Licht tatsächlich etwas augenblicklich tut – es bedeutet nur, dass es keine sinnvolle Vorstellung von verstrichener Zeit gibt, die dem Weg des Lichts inhärent ist . Dies unterscheidet sich von dem Fall der zeitartigen Pfade, die Beobachter nehmen können, die ihnen ihre Eigenzeit zugeordnet haben.

Es bedeutet auch nicht, dass man sich keine vernünftige (wenn auch stark koordinatenabhängige) Vorstellung von verstrichener Zeit zwischen zwei Punkten in einer Raumzeit ausdenken kann (die zufällig durch einen Lichtstrahl verbunden sein können oder nicht). Die für die Kosmologie zentrale FLRW-Raumzeit hat eine ausreichende Symmetrie, dass es eine sehr physikalisch und geometrisch natürliche Wahl globaler Koordinaten gibt, die eine Vorstellung von der "Zeit" hervorrufen, zu der jeder Punkt in der Raumzeit auftritt. Dies ist der Zeitbegriff, der im Kontext der Kosmologie praktisch überall diskutiert wird, insbesondere in Quellen, die sich an Laien richten. Diese Zeit zwischen zwei Punkten ist unabhängig von einem Weg, der sie verbindet, selbst wenn es sich um einen Weg handelt, dem Licht folgt.

In dieser Situation würde ich lieber sagen, dass Licht nicht von der Zeit beeinflusst wird, als dass Licht keine Zeit erfährt. Ja, Licht kann sich also in einem Vakuum bei c fortbewegen und niemals eine sehr entfernte Galaxie erreichen, in der sich der Raum zwischen ihnen ausdehnt. > c.