Raumausdehnung vs. relative Bewegung

Denken Sie zunächst daran, was es bedeutet, dass sich der Raum ausdehnt – es bedeutet nicht, dass der Raum ein gummiartiges Gewebe ist, an dem gezogen wird, es bedeutet, dass sich die Metrik des Raums ausdehnt. Das heißt, der Skalierungsfaktor (der im Wesentlichen die relative Entfernung von Objekten darstellt) wächst mit der Zeit. Wenn also alle Galaxien durch einen gewissen Abstand voneinander getrennt wären, wäre dieser Abstand zu einem späteren Zeitpunkt größer.

Wie können wir also sagen, dass die Expansion wirklich eine metrische Expansion ist und keine relative Geschwindigkeit? Nun, der erste Grund ist Hubbles Gesetz. Da das Universum eine metrische Expansion erfährt, scheinen Galaxien eine scheinbare Geschwindigkeit zu haben, gegeben durch$V=H_{0}D$. Wir sehen also, dass sich weiter entfernte Galaxien mit einer höheren Geschwindigkeit entfernen. Dies ist sinnvoll – Photonen, die von weiter entfernten Galaxien reisen, müssen einen expandierenden Raum durchqueren und haben daher eine stärkere Wellenlängenerweiterung, so dass sie stärker rotverschoben sind. Dies wäre nicht der Fall, wenn sich die Galaxien einfach von uns entfernen würden, da wir eine Vielzahl von Rotverschiebungen sehen würden, kein Muster.

Der zweite Grund ist die allgemeine Relativitätstheorie. GR sagt voraus, dass bestimmte Metriken, die homogene Materieverteilungen enthalten (dh die Galaxien, aus denen das Universum besteht), eine metrische Expansion bewirken werden. Da GR durch Beweise gestützt wird, gilt dies auch für die metrische Erweiterung.

Drittens ist der kosmische Mikrowellenhintergrund. Wir beobachten eine gleichmäßige Mikrowellenstrahlung, die das Universum erfüllt und eine Temperatur von 2,73 Grad Kelvin hat. Satelliten, die ihn untersucht haben ( COBE , WMAP ), haben festgestellt, dass er eine Schwarzkörperkurve und eine Rotverschiebung aufweist, die ihn auf eine Zeit sehr kurz nach dem Urknall datiert. Heute wissen wir, dass dies die erste jemals emittierte Strahlung darstellt, 380.000 Jahre nach dem Urknall bei der Rekombination, als sich Wasserstoffatome bildeten.

Ein weiterer Grund ist, dass, wenn das Spektrum eines Quasars Absorptionslinien aufgrund neutraler Wasserstoffwolken zeigt, die Rotverschiebungen der Wasserstofflinien immer geringer sind als die Rotverschiebung des Quasars. Darüber hinaus wurden Beispiele gefunden, bei denen das Absorptionsspektrum ein Merkmal namens Gunn-Peterson-Trog zeigt, das früher als Folge der Reionisierung von Wasserstoff im frühen Universum vorhergesagt worden war.

Ihr Beispiel berücksichtigt jedoch nur zwei Galaxien. In diesem Fall können sie nichts tun, um festzustellen, ob sie sich nur aufgrund von Geschwindigkeit oder Expansion auseinander bewegen. Glücklicherweise leben wir nicht in einem solchen Universum.

Für die Beweise für die metrische Erweiterung (und den Urknall) siehe hier:

http://www.talkorigins.org/faqs/astronomy/bigbang.html

Wenn man über diese Frage nachdenkt, denkt man schließlich an die ersten Versuche, das Mach-Prinzip zu formulieren ; In dieser Hypothese, die vor der Schaffung der Allgemeinen Relativitätstheorie, aber nach der Einführung der Speziellen Relativitätstheorie entstand, vermutete Ernst Mach, dass es auch keine absoluten Beschleunigungen geben sollte, wenn es keinen speziellen Bezugsrahmen gab, von dem aus absolute Geschwindigkeiten gemessen werden könnten. Objekte haben nur dann eine Trägheitsreaktion, wenn versucht wird, sie relativ zum "entfernten Hintergrund von Sternen" zu beschleunigen. In gewissem Sinne erfasst die Allgemeine Relativitätstheorie diese Art von Verhalten im Frame-Drag-Effekt, der von Gravity Probe B bestätigt wurde (obwohl die Daten dieser Sonde immer noch unklar sind, ob wir in einem Universum mit einer Torsion ungleich Null leben oder nicht).

Aber ich denke, es ist erwähnenswert, dass das Dilemma Ihrer Frage einen etwas ähnlichen Geschmack wie das Dilemma von Mach hat, und die Antwort von Mark ist ein Beweis dafür; Da sich alle Objekte konsistent bewegen, klassifizieren wir es tatsächlich als Raumerweiterung. Auch wenn die Bewegungen nicht vollkommen gleichförmig sind, würden wir sagen, dass die Raumausdehnung das langskalige Verhalten der Raumzeit beschreibt, während einzelne galaktische Bewegungen die körnige Skala beschreiben.

Wer weiß? vielleicht gibt es eine versteckte Symmetrie, die sich uns immer noch entzieht, die für Trägheit und Kosmologie relevant ist.

Wenn die Relativbewegung auf der metrischen Ausdehnung des Raums beruht, ist die Relativbewegung eine Funktion des Abstands zwischen den Objekten, dh die Relativbewegung ändert sich, wenn sich der Abstand zwischen den Objekten ändert.

Wenn Sie wiederholte Messungen mit langen Zeitabständen durchführen dürfen, könnten Sie zwischen einer Galaxie, die sich aufgrund des Hubble-Flusses zurückzieht, und einem Objekt unterscheiden, das sich mit konstanter Geschwindigkeit entfernt.

Bei der Galaxie würden Sie feststellen, dass sich ihre Geschwindigkeit zwischen Ihren Messungen ändert, während Sie bei einem Objekt, das sich mit konstanter Geschwindigkeit fortbewegt (in einem ansonsten statischen Universum), dieselbe Geschwindigkeit zu unterschiedlichen Zeiten messen würden.

Es ist interessant festzustellen, dass das Hubble-Gesetz für die Galaxie eine ausgezeichnete Annäherung ist, die das besagt

Geschwindigkeit = Hubbles konstanter x Abstand

Wenn Sie jedoch zwei Messungen im zeitlichen Abstand durchführen und die gemessene Entfernung beim zweiten Mal 2x beträgt, wäre die gemessene Geschwindigkeit nicht unbedingt 2x, da die Hubble-Konstante tatsächlich zeitabhängig (nicht wirklich konstant) ist. Sein Wert hängt davon ab, wie viel Expansion stattgefunden hat und wie schnell sich das Universum zu einem bestimmten kosmologischen Zeitpunkt ausdehnt.

http://en.wikipedia.org/wiki/Hubble%27s_law

Wenn sich 2 Objekte mit einer gewissen Geschwindigkeit v relativ zueinander bewegen, ist es möglich zu bestimmen, ob sie sich bewegen oder ob sich der Raum zwischen ihnen ausdehnt?

Nein, der Unterschied zwischen den beiden Interpretationen ist grundsätzlich nicht überprüfbar. Es ist eine verbale Unterscheidung, die nirgendwo im eigentlichen mathematischen Formalismus von GR auftaucht. GR hat keine globalen Referenzrahmen und daher keine sinnvolle Möglichkeit, die Geschwindigkeit von Objekt A relativ zu dem kosmologisch entfernten Objekt B zu beschreiben. Das bedeutet, dass die Wahl der einen oder anderen Beschreibung nur der Bequemlichkeit dient Pädagogik. Bunn 2009 und Francis 2007 vertreten zwei gegensätzliche Ansichten.

Das bedeutet nicht, dass kosmologische Beobachtungen einfach dadurch erklärt werden können, dass sich Galaxien in der flachen Raumzeit träge bewegen. Sie können nicht. Aber was messbar ist, ist die Krümmung der Raumzeit, nicht die Relativgeschwindigkeiten.

EF Bunn und DW Hogg, "Der kinematische Ursprung der kosmologischen Rotverschiebung", American Journal of Physics, Vol. 77, Nr. 8, S. 694, August 2009, http://arxiv.org/abs/0808.1081v2

Francis et al., „Expanding Space: the Root of all Evil?“, 2007, http://arxiv.org/abs/0707.0380v1