Lichtstrahl (1 Photon) im begrenzten Universum?

Wenn unser Universum nicht unendlich ist, was passiert dann mit dem Lichtstrahl (oder Photon), wenn er durch das gesamte Universum wandert? Zum Beispiel hat das beobachtbare Universum laut Wikipedia einen Durchmesser von 93 Milliarden Lichtjahren. Was passiert mit Photon nach 93 Milliarden Jahren, wenn ich es jetzt erzeuge? Wird es zu mir zurückkehren? Oder wird es nie den "Rand" des Universums erreichen, weil sich das Universum schneller ausdehnt?

AKTUALISIERUNG 1

Natürlich gehe ich davon aus, dass Photon nicht absorbiert wird :), weil es nur eine theoretische Überlegung ist. Und zurückkehren, ich meine, nicht genau zum selben Punkt, aber ungefähr innerhalb eines gewissen Bereichs (sagen wir 5% der Universumsgröße).

Verstehe ich das richtig, dass es für den Fall, dass das Universum endlich ist (bedeutet „geschlossene Geometrie“), ein paar Möglichkeiten gibt:

  1. Photon wird niemals zurückkehren, weil das Universum davor zusammenbrechen wird (falls es keine dunkle Energie gibt).

  2. Photon wird niemals zurückkehren, weil sich das Universum schneller als Lichtgeschwindigkeit ausdehnt.

  3. Photon wird zurückkommen, weil sich das Universum langsamer ausdehnt als das Licht. Und welche dieser 3 Optionen ist aus heutiger Sicht der Wissenschaftler am wahrscheinlichsten?

Antworten (2)

Ein endliches Universum soll eine "geschlossene Geometrie" haben oder "positiv gekrümmt" sein, was bedeutet, dass Sie im Prinzip in einer geraden Linie reisen und schließlich zu Ihrem Ausgangspunkt zurückkehren können. In der 2D-Analogie ist die Erdoberfläche positiv gekrümmt, und wenn Sie 40.000 km geradeaus reisen, sind Sie wieder dort, wo Sie begonnen haben.

Ein endliches Universum, das keinerlei dunkle Energie enthält, muss jedoch kollabieren, und Sie können mathematisch zeigen, dass selbst ein Photon nicht zu seinem Ausgangspunkt zurückkehrt, bevor das Universum kollabiert ist. Nur wenn man bedenkt, dass ein Photon genau dann emittiert wird, wenn das Universum entsteht (Big Bang), wird es genau dann zurückkommen, wenn das Universum endet (Big Crunch).

Wenn das Universum eine ausreichende Menge dunkler Energie enthält, kann dies einen Kollaps verhindern. Dies kann dazu führen, dass es sich zu schnell ausdehnt, als dass das Photon "zurückkommen" könnte, aber Sie könnten seine Komponenten so fein abstimmen, dass die Ausdehnung / der Zusammenbruch langsam genug ist, damit das Photon zurückkommt.

Ein solches Modell ist das "loitering universe", das in den 1960er Jahren als Erklärung für einen Überschuss an Quasaren um die Rotverschiebung herum ein gewisses Interesse erregte z ≃ 2 (z . B. Petrosian et al. 1967 ). Wenn die Verlangsamung der Materie fast genau durch die Beschleunigung einer kosmologischen Konstante ausgeglichen wird, können Sie einen (beliebig langen) Zeitraum haben, in dem das Universum statisch ist.

Beobachtungen deuten jedoch darauf hin, dass unser Universum kein solches Universum ist ( Planck Collaboration et al. 2018 ).

Beachten Sie auch, dass ein Photon, da das Universum nicht leer ist, auf seinem Weg absorbiert werden kann und nicht zurückkehrt, selbst wenn die Expansion dies zulässt. In unserem Universum reisen jedoch Photonen, die kurz nach dem Urknall emittiert wurden (die sogenannten CMB-Photonen), seitdem größtenteils frei durch den Weltraum, wobei nur 5 % auf ihrem Weg mit Materie wechselwirken.

Vielen Dank. Natürlich gehe ich davon aus, dass Photon nicht absorbiert wird :), weil es nur eine theoretische Überlegung ist. Und zurückkehren, ich meine, nicht genau zum selben Punkt, aber ungefähr innerhalb eines gewissen Bereichs (sagen wir 5% der Universumsgröße).
Verstehe ich das richtig, dass es für den Fall, dass das Universum endlich ist (bedeutet "geschlossene Geometrie"), ein paar Möglichkeiten gibt: 1. Photon wird niemals zurückkehren, weil das Universum davor zusammenbrechen wird (falls es keine dunkle Energie gibt) . 2. Photon wird niemals zurückkehren, weil sich das Universum schneller als Lichtgeschwindigkeit ausdehnt. 3. Photon wird zurückkommen, weil sich das Universum langsamer ausdehnt als das Licht. Und welche dieser 3 Optionen ist aus heutiger Sicht der Wissenschaftler am wahrscheinlichsten?
@Zlelik #1 ist eine mögliche Option, aber #2 und #3 sind nicht genau. Erstens macht der Begriff „schneller als Licht expandierend“ als solcher keinen wirklichen Sinn. Punkte (oder Galaxien) in einem expandierenden Universum ziehen sich mit einer Rate zurück, die proportional zu ihrer Entfernung ist ("Hubbles Gesetz"), so dass es Galaxien gibt, die sich langsamer zurückziehen, und Galaxien, die sich schneller als das Licht zurückziehen (z. B. in unserem Universum Galaxien, die durch mehr als ~ 14 getrennt sind Glyr tritt bei v>c zurück).
Zweitens bedeutet das Zurückweichen bei v>c nicht unbedingt, dass ein Photon eine Galaxie nicht erreichen kann. Tatsächlich können uns ohne dunkle Energie Photonen aus beliebig großer Entfernung erreichen, und sogar mit DE können Photonen aus dem Bereich zurückweichend st v> c (z. B. in unserem Universum Photonen aus Bereichen bei d ≲ 17 Glyr kann uns erreichen). Sehen Sie die Ameise an einem Gummiseil "Paradoxon".
Und schließlich, wenn Sie mit "Standpunkt aktueller Wissenschaftler" meinen, was unserer Meinung nach in unserem Universum passieren wird, dann sind wir uns ziemlich sicher, dass ein Photon niemals zurückkehren wird. Das Universum scheint unendlich zu sein und dehnt sich unter allen Umständen zu schnell aus. Wenn Sie meinen "welche Art von Universum wird am wahrscheinlichsten existieren", dann lautet die Antwort (glaube ich) "Wir haben keine Ahnung".
Vielen Dank für die Klarstellung. Aber ich dachte, als Sie antworteten "das endliche Universum soll eine "geschlossene Geometrie" haben", bedeutet das, dass aktuelle Wissenschaftler so denken (dass unser Universum endlich ist und eine geschlossene Geometrie hat) oder nicht? Außerdem habe ich nicht verstanden, wie es möglich ist, dass Photonen aus einer Galaxie eine andere Galaxie erreichen können, wenn sie sich schneller als Licht zurückziehen? Oder liegt es daran, dass der Raum gekrümmt ist?
@Zlelik Nein, wenn ich "ein endliches Universum" sage, meine ich jedes Universum, das nach unserem physikalischen Verständnis denkbar ist. Aber wie ich später schreibe, ist unser Universum – das „Universum“ (mit großem U) – kein solches Universum. Das Universum ist nicht das einzig physikalisch mögliche Universum, aber es ist das einzige, das wir beobachten können, und möglicherweise das einzige, das existiert. Beobachtungen zeigen, dass das Universum "flach" ist (im Gegensatz zu "geschlossen" oder "offen") und daher unendlich ist, aber da wir nur eine endliche Region (das "beobachtbare Universum") beobachten können, aus der Licht die Zeit hatte, es zu erreichen uns), können wir nicht sicher sein.
Sie mögen sagen, dass es keinen Sinn macht, über Universen zu diskutieren, die nicht existieren, aber tatsächlich gibt es sie in vielen Fällen. Zum Beispiel wurde das frühe Universum von Strahlung dominiert, daher ist es in vielen Berechnungen sinnvoll, es als ein Universum zu betrachten, das nur Strahlung und keine Materie oder dunkle Energie enthält. Da wir außerdem die Geometrie auf Skalen größer als das beobachtbare Universum nicht kennen, halten wir uns sozusagen alle Möglichkeiten offen.
Was Ihre letzte Frage betrifft , die Tatsache, dass Licht uns von einer Galaxie erreichen kann, die sich schneller als das Licht zurückzieht, hat nichts mit der Krümmung zu tun. Auch nicht mit dunkler Energie, die den Weltraum beschleunigt. Die Antworten sind nicht trivial, aber lesen Sie den Wiki-Artikel, den ich im vorherigen Kommentar über die Ameise auf dem Gummiseil verlinkt habe (Sie können die ganze Mathematik überspringen). Am Ende gibt es eine Anspielung auf das expandierende Universum. Wenn es immer noch keinen Sinn ergibt, solltest du wahrscheinlich eine neue Frage stellen, da es für einen Kommentar etwas zu lang wird :)

Niemand kann das mit Sicherheit sagen, denn obwohl wir Theorien haben, die ziemlich gut zu unseren Beobachtungen passen, verlangen diese Theorien, dass das Universum erheblich größer ist als der Teil, den wir sehen können – Licht hatte einfach noch nicht genug Zeit, um zu uns zu gelangen. Aber da wir keine Beobachtungen dieses erweiterten Universums haben, laufen wir ein erhebliches Risiko, dass wir uns in irgendeiner wichtigen Weise irren. Außerdem wissen wir, dass unsere aktuellen Theorien unvollständig sind: Eines der Dinge, die uns unsere Theorien nicht sagen, ist, ob das Universum endlich oder unendlich ist. (Anmerkung: Einige Theorien machen eine Vorhersage, aber sie werden nicht durch bessere Beweise gestützt als Theorien, die andere Vorhersagen treffen. Die Jury – bestehend aus Experimentatoren – steht noch aus.)

Aber wir können Ihre Frage beantworten! Wenn das Universum unendlich wäre, wird das Photon niemals zurückkehren. Das ist offensichtlich. Aber selbst wenn es endlich ist, zeigen unsere Theorien, dass sich weit genug voneinander entfernte Punkte im Universum aufgrund der Ausdehnung des Weltraums schneller als mit Lichtgeschwindigkeit trennen, sodass auch in diesem Fall das Photon niemals zurückkehren wird. Es gibt starke (aber nicht eiserne) Beweise dafür, dass dieses Bild wahr ist.

Aber selbst wenn der Weltraum keine FTL expandieren würde, würde das Photon nie wieder nach Hause kommen, weil der Weltraum nicht perfekt flach ist. Masse krümmt den Raum und große Massen (wie Riesengalaxien und Galaxienhaufen) krümmen den Raum so weit, dass wir ihn messen können. Der Weltraum verhält sich also wie eine sehr leicht gewellte Glasscheibe, und selbst wenn er endlich und nicht expandierend wäre, würden Photonen nicht nach Hause zurückkehren – aber sie würden schließlich bis auf vielleicht zehn Millionen Lichtjahre an ihr Zuhause zurückkehren, wenn sie vorbeiziehen auf ihrem Weg um das Universum ein zweites Mal!

Dies gilt natürlich nur, wenn Ihr Photon nicht absorbiert wird. Es gibt eine Menge Dinge im Universum, die Photonen absorbieren, und wenn ein Photon lange genug gereist wäre, würde es schließlich absorbiert werden.

Also verabschieden Sie sich jetzt, denn dies ist das letzte Mal, dass Sie Ihr Photon jemals sehen werden.

95 % aller CMB-Photonen sind seit ihrer Emission noch immer nicht mit Materie in Wechselwirkung getreten, und da sich das Universum ausdehnt, werden die meisten Photonen dies wahrscheinlich nie tun. Beachten Sie auch, dass selbst wenn sich zwei Punkte schneller als Licht voneinander entfernen, ein Photon in endlicher Zeit immer noch von einem Punkt zum anderen gelangen kann.
Lichtstrahl (1 Photon) im begrenzten Universum?
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