Wie haben wir festgestellt, dass es sich um ein zugrunde liegendes Gitter oder den Raum selbst handelt, der sich ausdehnt, anstatt dass sich die Objekte einfach auf einem statischen Gitter der Raumzeit auseinanderbewegen?

Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt uns, dass die Geometrie der Raumzeit dynamisch ist und vom Materieinhalt und seiner Bewegung beeinflusst wird. Eine feste, statische Hintergrund-Raumzeit ist also von Natur aus bestenfalls eine Art idealisierter Grenzfall.

Nun, versuchen wir es. Stellen Sie sich das in einer flachen, statischen Minwkoski-Raumzeit mit Kugelkoordinaten vor$(T,R,\theta,\phi)$, befindet sich eine sich ausdehnende kugelsymmetrische Wolke von Galaxien, die sich von einem Zentrum bei aus ausdehnt$T = 0$, jeweils mit einer gewissen Geschwindigkeit$v$, so dass die Galaxien einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Hintergrundgeometrie oder die Geschwindigkeit der anderen haben. Somit ist die radiale Koordinate jeder Galaxie$R = vT$.

Parametrierung durch die Schnelligkeit$\eta$an der gegebenen radialen Koordinate ($v = \tanh \eta$) und die von der Galaxie gemessene Zeit$t$wie durch speziell-relativistische Zeitdilatation gegeben ($t = T/\gamma = T/\cosh\eta$) wird in diesen Koordinaten die Minwkoski-Metrik

$$\begin{eqnarray*} \mathrm{d}s^2 &=& -\mathrm{d}T^2 + \mathrm{d}R^2 + R^2\mathrm{d}\Omega^2\\ &=& -\mathrm{d}t^2 + t^2\left(\mathrm{d}\eta^2 + \sinh^2 \eta\,\mathrm{d}\Omega^2\right)\text{,} \end{eqnarray*}$$ das ist ein linear expandierendes räumlich hyperbolisches Universum, in dem $\eta$spielt die Rolle der radialen Koordinate (bis zu einem gewissen Dimensionsfaktor, dh $r = r_0\eta$).

Wir sind sicher nicht weit gekommen! Eine kugelsymmetrische Explosion von Galaxien in einer festen, statischen Minkowski-Raumzeit entspricht einem räumlich hyperbolischen Universum, in dem sich der Raum selbst mit einem Skalierungsfaktor ausdehnt$a\propto t$in Bezug auf die kosmologische Zeit$t$.

Für ein homogenes und isotropes Universum ist die Zeitprojektion der Einstein-Feldgleichung die erste Friedmann-Gleichung,

$$\frac{\dot{a}^2+k}{a^2} = \frac{8\pi G\rho + \Lambda}{3}\text{,}$$ so im Fall einer verschwindenden kosmologischen Konstante ( $\Lambda = 0$) und vernachlässigbarer Energiedichte ( $\rho = 0$), seine Lösung $a(t) = a_0\pm it\sqrt{k}$ist nur real, wenn $k<0$, was ein offenes, räumlich hyperbolisches Universum impliziert; konventionell, $k\in\{-1,0,+1\}$, als nur das Zeichen von $k$ist wichtig.

Warum ein expandierendes zugrunde liegendes Gitter vorschlagen anstelle einer anderen mysteriösen Kraft, die Objekte schneller wegbeschleunigt, je weiter sie von uns entfernt sind? Wie würden wir zwischen diesen beiden Szenarien unterscheiden?

Wenn man eine zusätzliche Kraft einführt und die Dinge gut genug abstimmt, können Sie es wahrscheinlich nicht. Dies ist jedoch eine unglaublich dumme Sache: Sie müssten postulieren, dass (1) die Schwerkraft auf kosmologischer Ebene einfach nicht funktioniert und dass (2) ihre Auswirkungen durch eine zusätzliche Kraft genau nachgeahmt werden, die wir absolut nicht haben Anzeichen für. Das bringt nichts, nicht einmal philosophische Anbiederung, denn wir würden immer noch wissen, dass die allgemeine Relativitätstheorie auf kleineren Skalen korrekt ist, also wäre die Raumzeitgeometrie auf diesen Skalen immer noch dynamisch.

Es gibt keinen Unterschied zwischen relativer Bewegung und "Raumerweiterung" zwischen Objekten. Es gibt ein weit verbreitetes Missverständnis, dass es einen Unterschied gibt, der es sogar in Lehrbücher geschafft hat, aber es gibt keinen wirklichen Unterschied.

Metriken in der Allgemeinen Relativitätstheorie beschreiben lediglich die Form/Geometrie der Raumzeit. Die Koordinaten sind Mittel zum Zweck. Physikalisch ist nur die Form von Bedeutung.

Die FLRW-Metrikfamilie definiert eine Familie von Raumzeitgeometrien unter Verwendung bestimmter Koordinaten. Wenn Sie jemanden von einem „Gitter“ sprechen hören, verwechseln Sie die Koordinaten, die in der FLRW-Metrik verwendet werden, mit einem Aspekt der physikalischen Realität. Die FLRW- Geometrie ist koordinatenunabhängig und hat kein Gitter.

Jede Raumzeitgeometrie ist ungefähr flach, wenn Sie weit genug hineinzoomen. Wenn Sie in ein FLRW-Universum hineinzoomen, sehen Sie, wie sich Galaxien in einem speziell-relativistischen Sinne voneinander entfernen. Sie bewegen sich nicht einmal in diesem kleinen Maßstab in Bezug auf FLRW-Koordinaten auseinander, aber das liegt daran, dass die FLRW-Koordinaten selbst in flachen Regionen nicht inertial sind. Viele Menschen verstehen das nicht und schließen daraus, dass sich die Galaxien wirklich nicht bewegen.

Das Zitat von Scientific American ist falscher als üblich, da es von einer Ausdehnung der Raumzeit spricht (anstatt von einer Ausdehnung des Raums) und es sagt nicht nur, dass es ein Gitter gibt, sondern dass Galaxien daran „angehängt“ sind, als ob es keine besonderen Geschwindigkeiten gäbe. Ich bin eigentlich überrascht, dass SA das veröffentlicht hat.

Aus einer anderen Antwort:

Zum einen ermöglicht die Ausdehnung des Raums, dass sich Objekte schneller als das Licht von uns entfernen. Einstein sagte, dass sich nichts schneller als Licht durch den Raum bewegen kann; Der Raum selbst kann sich jedoch schneller als Licht zwischen Objekten ausdehnen.

Das ist ein weiterer weit verbreiteter Irrtum.

In der speziellen Relativitätstheorie kann sich nichts schneller bewegen als$c$in Bezug auf Trägheitskoordinaten. FLRW-Koordinaten sind nicht inertial, und die neu skalierten Koordinaten sind es auch nicht$(t, a(t)x)$die verwendet werden, um die Rezessionsgeschwindigkeit zu definieren.

In einer flachen Region der Raumzeit, in der speziell-relativistische Relativgeschwindigkeiten sinnvoll sind, unterscheiden sie sich von kosmologischen Rezessionsgeschwindigkeiten. Wenn die flache Region groß genug ist (nur möglich, wenn die Materiedichte sehr gering ist und keine dunkle Energie vorhanden ist), gibt es in der flachen Region Galaxienpaare, deren Rückzugsgeschwindigkeit größer ist als$c$, aber ihre speziell-relativistische Relativgeschwindigkeit ist natürlich kleiner als$c$.

Außerdem kann sich sowieso nichts schneller bewegen als das Licht . Die Dinge können sich schneller bewegen als$c=299{,}792{,}458\text{ m/s}$, aber auch Licht (in diesen Koordinaten).

Die Zeit wird es zeigen

...obwohl das eine sehr lange Zeit ist.

Wenn das Gitter des Universums statisch wäre, sollten sich Objekte, die sich von uns entfernen, weiterhin mit einer kontinuierlichen Geschwindigkeit von uns entfernen. Aus Beobachtungsdaten ist dies nicht der Fall: Dinge, die weiter von uns entfernt sind, scheinen sich schneller zu entfernen. Dies ist als Hubbles Gesetz bekannt und ist eines der Grundkonzepte der modernen Kosmologie. Das Modell einer expandierenden Metrik passt zu diesen Daten, da mehr Raum zwischen uns und dem entfernten Objekt vorhanden ist, der sich ausdehnt, und daher die Geschwindigkeit höher ist.

Dass sich die Dinge von uns wegbewegen und eine zunehmende Geschwindigkeit haben, sollte auf ein Universum hindeuten, das sich immer schneller ausdehnt. Es gibt jedoch andere Kräfte, die dieses Wachstum begrenzen, insbesondere die Schwerkraft. Das Schicksal des Wachstums des Universums wird von diesem unbekannten Gleichgewicht bestimmt, das auch dunkle Materie und Energie berücksichtigen muss .

Die Größe oder sogar die Gültigkeit dieser Modelle ist die aktuelle Grenze der Astronomie und der Kosmologie im Allgemeinen. Es ist noch nichts entschieden.

Zum einen ermöglicht die Ausdehnung des Raums, dass sich Objekte schneller als das Licht von uns entfernen. Einstein sagte, dass sich nichts schneller als Licht durch den Raum bewegen kann; Der Raum selbst kann sich jedoch schneller als Licht zwischen Objekten ausdehnen.

Wenn es tatsächlich eine Kraft wäre, die diese Objekte wegdrückt, würden sie sich nicht schneller als das Licht von uns entfernen.

Zweitens scheint es laut QFT keine universell (immer) abstoßende Kraft zu geben. Ob Kräfte abstoßend sein können oder nicht, hängt vom Spin ihres vermittelnden Feldes ab.

Eine skalare (Spin-0)-Kraft ist universell anziehend, ebenso wie eine Spin-2-Kraft, während ein Spin-1 für unterschiedliche Ladungen anziehend und für gleiche Ladungen abstoßend ist. Die elektromagnetische, die schwache und die starke Kraft können also abstoßend sein, die Schwerkraft dagegen nicht.

Aufgrund dieses Musters können wir davon ausgehen, dass es keine universellen Abstoßungskräfte gibt, die derzeit durch Felder in der QFT beschrieben werden können.