Was ist eine Laienerklärung dafür, warum die Wellenlänge des Lichts zunimmt, wenn sich der Raum selbst ausdehnt?

Ich verstehe, dass sich das Universum aufgrund von Beobachtungen allgemein ausdehnt. Was ich gelesen habe, ist, dass sich der Raum selbst ausdehnt. Meine Frage ist, warum wirkt sich diese Ausdehnung des Raums auf die Lichtspektren selbst aus?

Seit Hubble wurde unzählige Male beobachtet, dass Licht von fernen Galaxien mit zu längeren Wellenlängen verschobenen (rotverschobenen) Spektren bei uns ankommt. Wenn eine Lichtwellenlänge mit einer Metrik der räumlichen Entfernung definiert wird, welche Bedeutung nimmt dann die räumliche Entfernung selbst zu? Wäre die Ausdehnung des Weltraums nicht auch von Bedeutung für unsere Instrumente zur Beobachtung von Licht?

Um zu meiner Verwirrung über Rotverschiebungen beizutragen, hier ist die Planck-Einstein-Beziehung:

λ = H C E P H Ö T Ö N

Die Wellenlänge ist eine Funktion von C , aber würde diese Konstante (Distanz-über-Zeit-Metrik) beeinflusst werden, wenn sich der Raum ausdehnt? Die gleiche Begründung gilt für die Zeit, aber ich habe gehört, dass die Zeit an einem festen Ort nicht durch die Ausdehnung des Raums beeinflusst wird, aber ich bin mir nicht sicher, wie die Zeit für sich bewegende Objekte beeinflusst wird.

Ich denke, das hat viel mit den "substantivalistischen" versus "relationistischen" Ansichten der Raumzeit zu tun, die von Sklar in seinem Buch mit dem Titel "Raum. Zeit und Raumzeit" ausführlich diskutiert werden. Es verfolgt die Frage, ob der Raum als einer Substanz ähnelnd aufgefasst werden kann, bis hin zu verbalen Auseinandersetzungen zwischen Newton und Liebnitz. Es geht der Inflationstheorie voraus, ist aber ziemlich relativistisch und wurde mehrere Jahrzehnte nach Hubbles Entdeckung von 1929 geschrieben. Die Mathematik darin ist weniger herausfordernd als vieles, was man auf PSE sieht.
Der dritte Absatz scheint keine logische Verbindung zu den ersten beiden zu haben.
In der Tat. Bearbeitet.

Antworten (4)

Hier ist eine einfache Erklärung:

  • Angenommen, eine Lichtquelle und ein Beobachter befinden sich in einem expandierenden Raum.
  • Denken Sie nun an zwei aufeinanderfolgende Wellenkämme, die von der Lichtquelle ausgestrahlt werden.
  • Der zweite Scheitel wird etwas später als der erste ausgegeben, daher hat sich der Raum zwischenzeitlich etwas erweitert.
  • Folglich muss der zweite Kamm weiter reisen, um den Beobachter zu erreichen, was mehr Zeit in Anspruch nimmt.*
  • Daher ist die Zeit zwischen dem Eintreffen der Kämme beim Beobachter länger als die Zeit zwischen ihrer Emission an der Quelle.
  • Dies ist dasselbe wie zu sagen, dass die Frequenz der Welle niedriger ist oder (da die Lichtgeschwindigkeit gleich ist), dass die Wellenlänge länger ist.

*(Und da es länger dauert, dehnt sich der Raum mehr aus, während seine Reise seine Reisezeit etwas mehr verlängert.)

Nur um sicherzugehen, dass ich es verstehe, beziehen wir uns bei diesem expandierenden Raum auf die metrische Expansion des Raums?
@imagineerDass sich Beobachter und Lichtquelle nicht im expandierenden Raum befinden. Lokal ist ihr Raum/Metrik statisch. Es ist die Metrik für den Raum zwischen ihnen, der sich ausdehnt.

hier mal eine laienerklärung:

Es gibt ein Spielzeug namens Slinky , bei dem es sich um eine lose gewickelte Schraubenfeder handelt, die entweder aus Kunststoff oder Flachdraht besteht. Wenn Sie noch keine gesehen haben, suchen Sie danach, um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie sie aussieht.

Wir stellen uns vor, dass der Slinky horizontal auf einem glatten Boden ruht, wobei seine Enden in einem geeigneten Abstand auseinandergezogen sind, sodass benachbarte Windungen der Feder ausgebreitet sind und sich nicht berühren. Legt man sich daneben auf den Boden und betrachtet es von der Seite, würden die Drahtspulen eine Sinuskurve zeichnen.

Jetzt ziehen wir die Enden des Slinky weiter auseinander, als würde sich der Raum, in den er eingebettet ist, „ausdehnen“. Wir bemerken, dass der Abstand zwischen benachbarten Windungen des Drahtes zugenommen hat, und in unserer seitlichen Ansicht der Windungen hat sich die Sinusform der Feder "verschoben", um einer niedrigeren Frequenz zu entsprechen.

Dies ist analog zu der Situation in einem expandierenden Raum, in den hochfrequente Sinuswellen eingebettet sind: Wenn sich der Raum ausdehnt, dehnen sich auch die Sinuswellen aus und ihre Frequenz verschiebt sich nach unten.

Tolle Analogie. Aber unterscheidet sich das von der normalen Doppler-Rotverschiebung? Expandieren die Dinge überhaupt, wenn die Metrik selbst expandiert? Erweitert sich im Fall der metrischen Erweiterung nicht auch mein Maßstab?
der Maßstab dehnt sich zwar aus, aber die Auswirkungen der Expansion des Universums zeigen sich nur auf Entfernungsskalen der Größenordnung ~Entfernung zwischen Galaxienhaufen.
Nein, der Maßstab dehnt sich nicht aus, weil er mit anderen (meist elektromagnetischen) Kräften verbunden ist. Es sind die Eigenschaften dieser Kräfte (dh die Materialeigenschaften des Zollstocks), die die Größe des Zollstocks bestimmen.
Meterstöcke scheinen sich ebenfalls auszudehnen, wie im Leiterparadoxon , obwohl das eine andere Geschichte ist.
Nein, ein lokaler stationärer Maßstab wird sich in einem expandierenden Universum nicht ausdehnen. (Eine beschleunigte Expansion übt eine leichte Spannung auf den Maßstab aus, daher ist ein Maßstab in einem sich beschleunigenden Universum etwas größer als ohne Beschleunigung, aber er wächst nicht (es sei denn, die Beschleunigung wächst)).

Die Laienerklärung des expandierenden Universums ist ein Ballon.

Aber jetzt müssen Sie sich vorstellen, dass sich Beobachter wie Punkte auf dem Ballon verhalten, die nicht so wachsen wie die Wellen auf dem Ballon.

Wissenschaftler mit Teleskop in einem expandierenden Ballonuniversum

Technisch gesehen sollte beachtet werden, dass nicht nur der Experimentator, der die Rotverschiebung misst, nicht von der Expansion des Universums betroffen bleibt, sondern dass auch die Metrik gleich bleibt (dh die Metrik/der Raum dehnt sich nicht aus).

Die Robertson-Walker-Metrik D S 2 = D T 2 − A ( T ) 2 [ D R 2 1 − k R 2 + R 2 D Ω 2 ] ist eine Lösung für ein idealisiertes homogenes isotropes Universum, aber das Universum ist stattdessen grob, und diese (expandierende) Metrik sollte eher als Durchschnitt der Metrik interpretiert werden. Diese Mittelung erfolgt zum Beispiel auf sehr großen Zeitskalen: Selbst bei Galaxienhaufen beobachten wir nicht, dass sie sich zeitlich ausgedehnt haben.

Der Grund für die Rotverschiebung ist also nicht die Erweiterung der Metrik (weil sie sich nicht ausdehnt), sondern vielmehr die relative Geschwindigkeit des Beobachters, wie Lurscher in seiner Antwort angibt. Und eine intuitive Vorstellung des Rotverschiebungs-/Dopplereffekts ist, wie Mmeent in seiner Antwort erklärt: die zunehmende Zeitverzögerung zwischen zwei getrennten Momenten oder Spitzen einer Welle.

Entschuldigung, ich bin etwas verwirrt, @mmeent geht in ihrer Antwort eindeutig von der Erweiterung des Raums aus, oder?
@imagineerDass, wenn ich sage "die Metrik dehnt sich nicht aus", dann beziehe ich mich auf eine unterschiedliche Ausdehnung des Raums (an manchen Stellen dehnt sie sich aus, an anderen nicht). Die Materie füllt das Universum wie Filamente mit großen Hohlräumen dazwischen. Die Erweiterung ist wie ein Laib Brot oder ein Schweizer Käse. Es sind die Hohlräume zwischen den Bereichen hoher Materiedichte, die sich ausdehnen.
Danke. Nur mehr für mich zu schauen :)
@imagineerThat Einige hilfreiche Ausgangspunkte können sein 1. Albert Einstein und Ernst G. Straus 1945 Der Einfluss der Expansion des Weltraums auf die Gravitationsfelder, die die einzelnen Sterne umgeben Die Idee ist, die statische Schwarzschild-Metrik auf eine nichtstatische (expandierende ) Robertson-Walker-Metrik, und die Schlussfolgerung ist, dass innerhalb einer bestimmten Region um inhomogene Materie die Expansion keine Wirkung hat. 2 gründlichere Beschreibungen dieser Arten von Universum und Raumzeit werden als Inhomogene Kosmologie bezeichnet

Die Rotverschiebung kommt nicht von einem direkten Eingriff durch die metrische Expansion selbst, sondern von einer regulären Doppler-Verschiebung, allerdings aufgrund der Trenngeschwindigkeit zwischen Quelle und Detektor, die selbst durch das Hubble-Gesetz von der Entfernung zwischen Quelle und Detektor abhängt

Nur der Vollständigkeit halber möchte ich erwähnen, dass die ursprüngliche Hypothese, dass die Rotverschiebung von der metrischen Erweiterung selbst herrührt, historisch als müde Lichthypothese bezeichnet wurde , aber sie wird heutzutage durch Beobachtungen als weitgehend widerlegt angesehen

Ok, wir leben nicht im de Sitter-Raum. Welche Geschwindigkeit bestimmt Ihre Dopplerverschiebung? Müdes Licht ist eine von der metrischen Erweiterung getrennte Erklärung
Es gibt jedoch auch eine Rotverschiebung der metrischen Erweiterung, oder? Darauf bin ich besonders gespannt.
Müdes Licht war etwas anderes, nicht (die Hypothese, die erklärt, wie sich Licht in einem statischen Universum rot verschieben, Energie verlieren würde )? In einem expandierenden Universum ist die Rotverschiebung nicht nur auf die Geschwindigkeit von Objekten zurückzuführen, sondern auch auf die Ausdehnung des Raums.
@OON natürlich die Rezessionsgeschwindigkeit . Was nach Hubbles Gesetz ist H D , mit D der richtige Abstand zwischen Quelle und Detektor
@imagineerDiese kosmologische Rotverschiebung kann vollständig als reguläre Dopplerverschiebung von der Rezessionsgeschwindigkeit erklärt werden. Vielleicht könnte sich dort auch eine Komponente "metrische Erweiterung" verstecken, aber ich habe noch keine überzeugende Beobachtung dazu gesehen. Da das Hubble-Gesetz zwischen Entfernung und Geschwindigkeit linear ist, ist es schwierig, Expansion von Geschwindigkeit zu trennen, da die kosmologische "Beschleunigung" winzig ist
@lurscher Das ist falsch, es sei denn, Sie sprechen von einer sehr kleinen Rotverschiebung. Die kosmologische Rotverschiebung wird durch das Verhältnis zwischen den Skalen des Universums zum Zeitpunkt der Emission und zum Zeitpunkt des Empfangs bestimmt. Dies hängt von der gesamten kosmologischen Geschichte ab, nicht nur von der jeweiligen Rezessionsgeschwindigkeit. Deine Antwort ist einfach falsch.
Was ist eine Laienerklärung dafür, warum die Wellenlänge des Lichts zunimmt, wenn sich der Raum selbst ausdehnt?
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