Warum dehnt sich ein offenes Universum auch ohne dunkle Energie unendlich aus?

Angenommen, Sie sehen einen Ball in der Luft. Bälle schweben nicht einfach in der Luft. Wenn Sie also einen Ball in der Luft sehen, wissen Sie, dass ihn jemand geworfen haben muss. Sie könnten beispielsweise die Geschwindigkeit des Balls messen, und dies würde Ihnen sagen, ob sich der geworfene Ball auf dem Weg nach oben oder auf dem Weg nach unten befindet. Oder wenn die Geschwindigkeit des Balls nach oben und sehr hoch war, konnte man erkennen, ob der Ball der Schwerkraft der Erde entkommen und niemals zurückkehren würde.

In dieser Situation befinden wir uns, wenn wir das Universum beobachten. Wir sehen eine große Anzahl von Sternen, Galaxien usw., aber sie können nicht einfach dort hängen, weil das keine stabile Konfiguration ist – sie müssen sich bewegen. Und wenn wir die Geschwindigkeiten von Galaxien messen, stellen wir fest, dass sie sich alle von uns entfernen, also ist das Universum wie ein Ball auf seinem Weg nach oben.

Wenn wir die aktuellen Positionen und Geschwindigkeiten aller Galaxien kennen, können wir in der Zeit rückwärts extrapolieren, und wenn wir dies tun, stellen wir fest, dass die Geschwindigkeiten immer höher werden, wenn wir in der Zeit rückwärts arbeiten, bis sie vor 13,7 Milliarden Jahren unendlich werden. Das ist natürlich der Moment des Urknalls.

Die Analogie mit dem geworfenen Ball ist eigentlich ziemlich nah. Im Moment des Urknalls starteten alle Galaxien mit sehr hohen Geschwindigkeiten, genau wie der geworfene Ball mit hoher Geschwindigkeit begann, und für die ersten paar Milliarden Jahre bremste die gegenseitige Schwerkraft all dieser Galaxien sie genauso ab Der Ball wird langsamer, wenn er sich nach oben bewegt. Wenn es keine dunkle Energie gäbe, würden die Geschwindigkeiten der Galaxien weiter abnehmen. Wir denken, dass das Universum flach ist, was analog dazu ist, dass die Kugel eine exakte Fluchtgeschwindigkeit hat, sodass die Galaxiengeschwindigkeiten bei unendlicher Zeit asymptotisch gegen Null tendieren würden.

Aber ...

Das Problem ist, dass wir wissen, warum der Ball mit hoher Geschwindigkeit gestartet ist, weil ihn jemand geworfen hat. Aber wir wissen nicht, warum die Galaxien alle mit hohen Geschwindigkeiten begannen, weil unsere Theorien nicht weit genug in der Zeit zurückgehen, um den Urknall zu beschreiben. Wir hoffen, dass eine zukünftige Theorie der Quantengravitation erklären wird, warum das Universum so begann, wie es vor 13,7 Milliarden Jahren war.

Ein ähnliches Phänomen existiert bereits, wenn wir nur die Erde und eine Rakete betrachten, beide allein im Universum: Wir starten die Rakete von der Erdoberfläche, indem wir ihren Motor wie gewöhnlich nur kurz anfeuern, um ihr eine gewisse Anfangsgeschwindigkeit zu verleihen , und dann überlassen wir es ganz der Erdanziehungskraft. Es gibt eine Geschwindigkeitsschwelle, so dass, wenn diese Anfangsgeschwindigkeit höher ist, die Rakete niemals auf die Erde zurückfallen wird: Sie wird sich immer weiter und weiter bewegen. Sie wird sich wegen der Anziehungskraft der Erde langsamer und langsamer bewegen, sicher, aber das wird nicht ausreichen, um die Rakete zu stoppen und sie zurückfallen zu lassen. Diese Schwellengeschwindigkeit wird aus einem offensichtlichen Grund, wie ich hoffe, Fluchtgeschwindigkeit genannt.

Für das Universum ohne dunkle Energie ist die Situation qualitativ ähnlich: Der Urknall hat der Raumzeit selbst genügend anfängliche "Geschwindigkeit" verliehen, dass die Schwerkraft die Expansion nicht stoppen kann. Die Expansion wird immer langsamer gehen, als die Rakete, aber sie wird niemals aufhören. Für das Universum wird die Schwelle nicht in Form einer Anfangsgeschwindigkeit angegeben, wie ich es für die Rakete getan habe. Sie wird stattdessen als Schwellenwert für die Masse des Universums angegeben. Sie können das mit meiner Rakete verstehen, indem Sie sich vorstellen, dass wir die Masse der Erde verändern, was wiederum die Anziehungskraft auf die Rakete verändern würde. Es gibt eine Erdmassenschwelle, so dass die Anziehungskraft darüber stark genug ist, um die Rakete in einer endlichen Zeit anzuhalten und sie auf die Erde zurückfallen zu lassen. Ähnliche Idee für das gesamte Universum, natürlich nur qualitativ,