Warum ist FTL-Reisen unmöglich, wenn das Universum FTL erweitert?

Die Ausdehnung des Universums wird nicht in Geschwindigkeitseinheiten gemessen, also kann man sie überhaupt nicht wirklich mit c vergleichen. Zu sagen, dass es schneller als die Lichtgeschwindigkeit ist, ist ein „Vergleich von Äpfeln und Birnen“.

Die Expansion des Universums beträgt derzeit etwa 70 (km/s)/Mpc. Es war in der Inflationszeit viel größer, hätte aber immer noch die gleichen Einheiten. Es macht also auch dann keinen Sinn, die Inflationsrate mit der Lichtgeschwindigkeit zu vergleichen. Es gibt immer einen Abstand, bei dem die Ausdehnung zwischen zwei durch diesen Abstand getrennten Punkten kleiner als c ist.

Im Gegensatz dazu ist die Lichtgeschwindigkeit eine tatsächliche Geschwindigkeit. Selbst auf lokaler Ebene breitet sich eine Lichtwelle bei c aus. Dies ist wichtig, da in GR nur lokale Geschwindigkeiten physikalisch sinnvoll sind. Geschwindigkeiten von Dingen, die nicht kolokalisiert sind, sind in einer gekrümmten Raumzeit nicht einmal gut definiert.

Die Geschwindigkeit einer Lichtwelle ist lokal und daher bedeutungsvoll und beträgt c. Die Expansion des Universums ist keine Geschwindigkeit und kann nicht in eine andere lokale Geschwindigkeit als 0 umgerechnet werden, ist also nicht aussagekräftig und kann daher nicht sinnvoll mit c verglichen werden.

Nun, Sie haben speziell nach superluminalen Reisen gefragt. In gekrümmter Raumzeit ist es möglich, dass es mehrere Wege durch die Raumzeit gibt und dass einer kürzer als der andere ist, sodass Materie (die sich lokal immer langsamer bewegt als Licht) auf dem kurzen Weg ankommen kann, bevor Licht auf dem langen Weg ankommt. Diese können in einer Art superluminaler Reise angeordnet werden und werden oft als Wurmlöcher oder Warpantriebe bezeichnet. Wurmlöcher und Warpantriebe sind nach der Allgemeinen Relativitätstheorie zulässig, erfordern aber Materie mit negativer Energiedichte. Eine solche Materie wurde noch nie gefunden, und es gibt keinen Grund anzunehmen, dass sie existiert.

Vergleichen Sie dies mit einer Ameise, die auf einem sehr dehnbaren Gummiband läuft. Die Laufgeschwindigkeit der Ameisen ist begrenzt, sie kann niemals eine bestimmte Geschwindigkeit überschreiten (nennen wir es mal$c$). Wenn wir nun das Gummiband kontinuierlich dehnen, ist es möglich, dass sich zwei Punkte auf dem Gummiband schneller auseinander bewegen als$c$. Aber jede Ameise, die sich auf dem Band bewegt, kann sich immer noch nie schneller bewegen als$c$in Bezug auf das Gummiband.

Das Gummiband ist die Raumzeit. Lassen Sie uns das ins wirkliche Leben übersetzen. Jedem Punkt in der Raumzeit können wir einen Lichtkegel zuordnen, den Kegel, den wir verfolgen würden, wenn wir einen Lichtimpuls in alle Richtungen senden würden. Die Zukunft eines jeden Beobachters muss sich immer innerhalb dieses Lichtkegels befinden. Aber zwei weit voneinander entfernte Punkte in der Raumzeit können sich im Prinzip beliebig schnell relativ zueinander bewegen, weil sich der Raum ausdehnen kann.

Die Geschwindigkeitsbegrenzung, die Lichtgeschwindigkeit, wirkt sich auf Objekte und Informationen innerhalb der Raumzeit aus . Es gilt nicht für Änderungen der Raumzeit selbst, die die eigene Expansion des Universums verursacht.

Wikipedia hat dazu einen anständigen Artikel :

Die Ausdehnung des Universums ist die Zunahme des Abstands zwischen zwei beliebigen gegebenen gravitativ ungebundenen Teilen des beobachtbaren Universums mit der Zeit. Es ist eine intrinsische Erweiterung, bei der sich der Maßstab des Raums selbst ändert. Das Universum dehnt sich in nichts „hinein“ aus und benötigt keinen Raum, um „außerhalb“ von ihm zu existieren. Technisch gesehen bewegen sich weder Raum noch Objekte im Raum. Stattdessen ist es die Metrik (die die Größe und Geometrie der Raumzeit selbst regelt), die sich im Maßstab ändert. Da der räumliche Teil der Raumzeitmetrik des Universums an Größe zunimmt, entfernen sich Objekte mit immer größer werdender Geschwindigkeit voneinander. Für jeden Beobachter im Universum scheint es, dass sich der gesamte Weltraum ausdehnt,

Während sich Objekte im Weltraum nicht schneller als Licht fortbewegen können, gilt diese Einschränkung nicht für die Auswirkungen von Änderungen in der Metrik selbst. Daher entfernen sich Objekte, die in ausreichend großer Entfernung von einem potenziellen Beobachter existieren, mit einer "Geschwindigkeit" (in Bezug auf Entfernung/Zeit, nicht Bewegung), die sogar die Lichtgeschwindigkeit übersteigt, und sie können nicht beobachtet werden (aufgrund der Unmöglichkeit von a Signal jemals in der Lage ist, die immer größer werdende Distanz zwischen ihnen zu überqueren), wodurch die Größe unseres beobachtbaren Universums begrenzt wird.

Als Folge der allgemeinen Relativitätstheorie unterscheidet sich die Expansion des Universums von den Expansionen und Explosionen, die wir im täglichen Leben beobachten. Es ist eine Eigenschaft des Universums als Ganzes und tritt im gesamten Universum auf, anstatt nur in einem Teil des Universums. Daher kann es im Gegensatz zu anderen Expansionen und Explosionen nicht von "außerhalb" davon beobachtet werden; Es wird angenommen, dass es kein "Außen" gibt, von dem aus man es beobachten kann.

Es gibt eine Standarderklärung für alle „Wie kann das FTL sein?“-Fragen. Stellen Sie sich einen Laserstrahl vor, den Sie ein paar Lichtjahre entfernt auf eine Wand richten. Ignorieren Sie Beugung und all das für dieses Gedankenexperiment. Drehen Sie dann die Laserquelle und der Punkt bewegt sich entlang der Wand. Die Geschwindigkeit, mit der sich die beleuchtete Position bewegt, ist leicht viel größer als$c$. Allerdings bewegt sich keine Energie und keine Information tatsächlich mit der Geschwindigkeit des Punktes.
Situationen können sich schneller ändern als$c$aber nicht Information oder Energie (oder Masse, sollte das gesagt werden müssen).

Gemäß der Standardphysik ist es nicht möglich, sich schneller als c durch den Raum zu bewegen . Mit der Expansion des Weltraums bewegt sich der Weltraum nicht durch den Weltraum, er dehnt sich nur aus. In der Relativitätstheorie kann die Geschwindigkeit eines Objekts neben Ihnen nicht größer als c sein, egal welchen lokalen Referenzrahmen Sie verwenden . Aber es ist möglich, dass ein weit entferntes Objekt seine Entfernung von Ihnen mit einer Rate vergrößert, die "schneller als c " ist. Eine Möglichkeit, darüber nachzudenken, besteht darin, sich eine Reihe von Maßstäben zwischen Ihnen und einem anderen Objekt vorzustellen. Es ist nicht möglich, dass die Anzahl der Meterstöcke, die Sie passieren, geteilt durch die Zeit, die Sie passieren, größer als c ist, aber es ist möglich, mehr Meterstäbe zwischen die Objekte zu stopfen, was bedeutet, dass die Anzahl der Meterstäbe zwischen Ihnen und Ihrem Startpunkt dividiert durch die verstrichene Zeit größer als c sein kann (weil mehr Meterstäbe gestopft wurden in den Raum, nachdem Sie ihn passiert haben).