Wie kann sich das Universum ausdehnen, wenn es Gravitation gibt?

Angenommen, Sie werfen einen Ball in die Luft. Sie könnten fragen, wie es dem Ball gelingt, sich nach oben zu bewegen, wenn die Schwerkraft ihn nach unten zieht, und die Antwort ist, dass er mit einer Aufwärtsgeschwindigkeit begann. Die Schwerkraft zieht am Ball und verlangsamt ihn, sodass er schließlich eine maximale Höhe erreicht und zurückfällt, aber der Ball schafft es aufgrund seiner Anfangsgeschwindigkeit, sich gegen die Schwerkraft nach oben zu bewegen.

Im Grunde gilt dasselbe für die Expansion des Universums. Einen Augenblick nach dem Urknall expandierte alles im Universum mit extrem hoher Geschwindigkeit von allem anderen weg. Tatsächlich werden diese Geschwindigkeiten unendlich, wenn wir zurück zur Zeit Null extrapolieren. In den mehreren Milliarden Jahren nach dem Urknall verlangsamte die Schwerkraft die Expansion, im Grunde genauso wie die Schwerkraft den Ball verlangsamt, den Sie nach oben geworfen haben, aber die Schwerkraft hat die Expansion nicht gestoppt – sie hat sie nur verlangsamt.

Die offensichtliche nächste Frage ist, wie es dazu kam, dass sich das Universum mit so hohen Geschwindigkeiten ausdehnt, und die Antwort ist, dass wir es nicht wissen, weil wir keine Theorie haben, die uns sagt, was beim Urknall passiert ist.

Es gibt eine kleine Komplikation, die ich erwähnen werde, falls es jemanden interessiert: Dunkle Energie wirkt als eine Art Antigravitation und macht die Expansion schneller und nicht langsamer. Dies ist erst in den letzten paar Milliarden Jahren zu einem wichtigen Effekt geworden, aber als Ergebnis der Dunklen Energie verlangsamt die Gravitation im Moment die Expansion überhaupt nicht – im Gegenteil, sie macht die Expansion schneller.

Etwas, auf das die anderen Antworten nicht wirklich eingehen, ist Folgendes: Der Raum selbst dehnt sich aus

Denken wir an eine reguläre Newtonsche Raumzeit ohne Ausdehnung, wobei wir uns Jims Beispiel eines Autos auf der Straße ausleihen. Sie sitzen völlig still, genau wie ein Freund, dem Sie auf einem Roadtrip folgen, mit einem Abstand von etwa dreißig Metern zwischen Ihnen. Wenn ich mich mit ein paar Metern pro Sekunde auf sie zubewege, wird meine Entfernung mit der gleichen Geschwindigkeit abnehmen. Ich nähere mich auch einem anderen Auto ein paar hundert Meter vor ihnen mit der gleichen Geschwindigkeit, weil sich wieder keiner von uns bewegt.

Wenn wir uns nun in einer klassischen, flachen, nicht expandierenden Raumzeit befänden, würden wir mehr oder weniger das sehen. Galaxien würden sich durch Gravitation anziehen, und schließlich (das heißt über einen buchstäblich unendlichen Zeitrahmen) würde alles wieder verschmelzen.

Hier werden die Dinge bizarr und liegen weit außerhalb des Rahmens unserer täglichen Erfahrung. Wir sind nicht auf einer Straße, wie wir sie kennen, Die Straße selbst wächst. Der Weltraum selbst dehnt sich aus.

Stellen Sie sich vor, dass irgendwie alle 10 Fuß Straße jede Sekunde um einen zusätzlichen Fuß wachsen. Wenn ich still stehen würde, würde ich sehen, wie sich mein Freund in der ersten Sekunde mit etwa 10 ft/s von mir entfernt. Ein 500 Fuß entferntes Auto würde sich mit 50 Fuß/s wegbewegen, und ein Auto, das eine Meile entfernt wäre, würde mit über 500 Fuß/s davonschießen. Wenn ich mich mit 20 Fuß/s auf meinen Freund zubewegen würde, würde ich nur sehen, wie er näher kommt mit einer Geschwindigkeit von 10 ft/s, und das Auto eine Meile entfernt würde immer noch schneller in die Ferne rasen, als ich es einholen könnte.

Daher stammt die Idee des beobachtbaren Universums. Es gibt Punkte im Weltraum, die wir nie sehen können, weil sie sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von uns weg „ausdehnen“.

Nach dem Urknall expandierte das Universum bereits. Stellen Sie sich vor, Sie sitzen in einem Auto. Du gibst Gas und bringst es auf Höchstgeschwindigkeit. Dann stellst du ihn in den Leerlauf und stellst den Motor ab. Was geschieht? Du bewegst dich weiter vorwärts. Aber wieso? Das Auto kann nicht von alleine abheben. Reibung sollte verhindern, dass es sich bewegt. Diese Antwort ist offensichtlich, das Auto bewegt sich weiter, weil es Trägheit hat; Schwung. In ähnlicher Weise expandierte das Universum anfangs weiter; damals, als Strahlung und Materie das Universum beherrschten. In diesen Epochen führte die Schwerkraft erwartungsgemäß zu einer Verlangsamung der Expansion. Ähnlich wie Reibung und Luftwiderstand Ihr Auto verlangsamen. Dann, als dunkle Energie im Universum dominant wurde, verursachte ihr negativer Druck, dass das Universum eine beschleunigte Expansion begann. Dunkle Energie ist wie negative Reibung. Ich weiß, das macht keinen Sinn,

Ich sehe in John Rennies Antwort, er beschrieb dunkle Energie als eine Art Antigravitation. Hier beschreibe ich es als eine Energieform selbst, die dem Gravitationseinfluss normaler Materie und Strahlung entgegenwirkt. Du denkst vielleicht, dass das zwei verschiedene Dinge sind und dass nur einer von uns Recht haben kann, aber nein! Dunkle Energie kann leicht entweder als Teil der Schwerkraft oder als Energieform beschrieben werden. Es liegt ganz bei Ihnen. Beide sind gültig und stellen jeweils nur dar, wo Sie dunkle Energie in die Gravitations- vs. Materie-Energie-Gleichung einbeziehen möchten.

Aber Jim, du geistesabwesende Artischocke, du hast vergessen zu erwähnen, warum das Universum überhaupt eine so große Anfangsexpansion hatte. Ups, du hast Recht. Wir können Ihnen keinen einzigen guten, akzeptierten Grund für die anfängliche Ausdehnung des Urknalls nennen. Aber wir können Ihnen sagen, dass sehr bald nach der anfänglichen Krümmungssingularität (das ist der Urknall) die Inflation die Expansion vorangetrieben hat, falls es eine gab. Das war der Teil, wo du Gas gegeben hast. Inflationen, die während der Inflation vorhandene Quasi-Partikel-Dinge sind, bewirkten, dass sich das Universum fast exponentiell ausdehnt. Wenn Sie es nicht mit dem Gasgeben vergleichen möchten, dann ist es so, als würde das Auto auf einem großen Hügel starten. Im Park passiert nichts. Aber stellen Sie das Auto in den Leerlauf und es rollt einfach den Hügel hinunter und fährt dann fort, sobald es den ebenen Bereich unten erreicht. Immer noch bei mir?

Lassen Sie mich jetzt klarstellen, dass das Auto in meiner Analogie keine Galaxien oder Materie oder solchen Unsinn repräsentiert (uns Kosmologen interessiert uns wirklich nichts im Universum), es repräsentiert die Ausdehnung des Weltraums selbst. Denn das expandiert; Platz. Die Geschwindigkeit des Autos repräsentiert die Expansionsrate; im Grunde die Entfernung, die pro Sekunde zwischen zwei verschiedenen Punkten hinzugefügt wird, die eine gewisse Anfangsentfernung voneinander entfernt sind. Wenn ich also sage, dass dunkle Energie die Beschleunigung der Expansion vorantreibt, ist das, als würde man aufs Gaspedal treten. Das Auto beschleunigt, was eine Zunahme der Raumausdehnungsrate darstellt.

Jetzt denken einige von euch Lesern vielleicht: "Aber Jim, du nebliger Londoner Morgen, du bist immer noch unklar". Das mag stimmen (der unklare Teil. Ich ärgere mich darüber, morgens angerufen zu werden), und wenn irgendjemand immer noch etwas daran stört, kann ich Sie auf einige hervorragende andere Beiträge auf der Website verweisen, die über die Erweiterung des Weltraums oder andere seltsame Dinge sprechen und wunderbare kosmologische Ideen. Aber im Moment denke ich, dass die Frage ausreichend beantwortet ist, also werde ich hier enden.

Update: Die akzeptierte Antwort wurde jetzt aktualisiert, um meine Antwort überflüssig zu machen.

wir wissen es absolut nicht.

Wir wissen nicht, warum das Universum am Anfang der Zeit begann, sich auszudehnen. wir zucken im Grunde nur mit den Schultern und sagen: "Es scheint, als hätte es diesen Urknall gegeben". Ihre Frage scheint zu implizieren, dass die Schwerkraft die Expansion inzwischen hätte stoppen sollen, was Sinn macht. Ursprünglich dachten wir, dass sich das Universum immer noch ausdehnt, einfach weil es seit dem Urknall noch nicht lange genug her ist, dass die Schwerkraft die Expansion stoppen könnte . Aber jetzt wissen wir, dass sich das Universum im Laufe der Zeit eher schneller als langsam ausdehnt. wir wissen auch nicht warum das passiert. Fragen Sie einen Physiker, warum sich das Universum ausdehnt, und er wird "dunkle Energie" sagen. dann fragen Sie ihn, was dunkle Energie ist, und er wird sagen "das Ding, das das Universum ausdehnt". Diese kreisförmige Definition spiegelt die Tatsache wider, dass wir es nicht tun.wir erwarten, eine Erklärung zu finden, die zu unseren mathematischen Modellen passt. inzwischen nennen wir das etwas "dunkle energie" .

Ich fühle mich nicht qualifiziert, die Mathematik oder Physik Ihrer Frage zu einem "größeren Objekt" anzusprechen, das das Universum auseinanderzieht. Aber aus philosophischer Sicht scheint es ein unproduktives Homunkulus-Argument zu sein . obwohl ich zugeben muss, dass ich die Parallelen mag, die es zwischen der Vakuumpolarisation und dem Urknall zieht.

Randnotiz: Die Antwort von John Rennie ist (wie immer) ebenfalls ausgezeichnet. Ich hatte das Gefühl, dass er der Frage irgendwie ausgewichen ist, indem er illustriert hat, was wir wissen (oder theoretisieren), aber seitdem hat er seine Antwort aktualisiert, um die Punkte aufzunehmen, über die wir unwissend sind (dunkle Energie und der Urknall). Wir haben einfach noch keine gute Erklärung für einige Dinge, und es ist gut, das zuzugeben. um einstein zu zitieren: je größer der lichtkreis, desto größer der umfang der dunkelheit um ihn herum .

Die Anziehungskraft zweier Objekte ist proportional zum Produkt ihrer Massen mal dem Abstand zwischen ihnen im Quadrat. Diese Kraft beschleunigt die Objekte immer aufeinander zu. Aber dieser Begriff "Abstand zwischen ihnen im Quadrat" bedeutet, dass die Kraft schneller abfällt als die Geschwindigkeit. Das bedeutet, dass zwei beliebige Objekte, die sich anfänglich voneinander entfernen, kontinuierlich langsamer werden, und es kann zwei Ergebnisse geben:

1) Sie verlangsamen sich schließlich bis zu dem Punkt, an dem sie beginnen, sich wieder aufeinander zu zu bewegen, was passiert, wenn ihre anfänglichen relativen Geschwindigkeiten unter einer bestimmten Schwelle für ein bestimmtes Paar von Objekten liegen, oder 2) oberhalb dieser Schwelle fällt die Gravitationskraft schneller ab als die Geschwindigkeit, so dass sie zwar kontinuierlich verlangsamen, aber relativ zueinander nie auf Null herunterkommen. Denken Sie daran, dass die Gravitationskraft mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt.

Basierend auf der geschätzten Gesamtmasse des Universums und der beobachteten Geschwindigkeit, mit der sich alles voneinander entfernt, wird angenommen, dass sich das Universum im letzteren Zustand befindet und sich immer ausdehnen wird.

Oder anders ausgedrückt: Im Durchschnitt bewegt sich alles im Universum schneller voneinander weg als ihre gemeinsame Fluchtgeschwindigkeit.

Ok, ich bin kein professioneller Physiker, also können Sie das gerne streichen, wenn Sie möchten, aber wie ich es mir erklärt habe: Die Ausdehnung des Raums ist das Phänomen, dass Entfernungen zunehmen, ohne dass es zu einer Bewegung kommt.

Es ist der Raum zwischen Atomen und Galaxien, der "gedehnt" wird, nicht dass sich Objekte voneinander "bewegen". So wie Sie einen Ballon aufblasen, entfernen sich die Punkte auf dem Ballon weiter, aber es liegt an der Realität selbst, die sich ausdehnt, und nicht an der Bewegung der Materie darin.

Ich möchte damit beginnen, ein paar Missverständnisse zu klären, die Sie haben. 1) Alles wird NICHT von einer " größeren Sache"
angezogen . Alles wird von allem angezogen . 2) Damit die Expansion unseres Universums durch ein "größeres Ding" verursacht wird, müsste das Ding eine "Hülle" sein, die größer ist als unser Universum, und die Hülle selbst müsste sich ebenfalls ausdehnen. Daher bräuchte diese Schale auch eine "größere" Schale usw. ad infinitum (für immer).

Die Gravitation könnte die Expansion stoppen. Dies ist jedoch nur eines von drei möglichen Ergebnissen. Einstein entwickelte eine Formel, die zeigt, dass, wenn die Menge an Energie und Materie (E & M) im Universum größer als eine kritische Menge (CA) ist, das Universum nicht nur anhält, sondern auch die Richtung umkehrt und beginnt, sich zusammenzuziehen (Ergebnis 1). Wenn der Betrag von (E & M) gleich dem von (CA) ist, hört das Universum auf zu expandieren und bleibt auf der erreichten Größe (Ergebnis 2). Wenn die Menge an (E & M) kleiner als (CA) ist, wird sich das Universum weiter ausdehnen (Ergebnis 3).

Zum jetzigen Zeitpunkt scheint Ergebnis 3 dasjenige zu sein, das eintreten wird, da die berechnete Menge an (E & M) etwa 22 % der kritischen Menge beträgt. Wenn jedoch diejenigen, die die Berechnungen durchführen, die (E & M) der Schwarzen Löcher und die Tatsache, dass das Universum größer (mindestens zweimal) als das beobachtbare Universum ist, nicht berücksichtigen würden , könnte diese Zahl leicht bei etwa 90 % liegen! Aufgrund des zusätzlichen Effekts der „Raumausdehnung“ reicht jedoch selbst diese größere Menge nicht aus, um die Ausdehnung zu stoppen.

Wie kann sich das Universum ausdehnen, wenn es Gravitation gibt?

Weil die Schwerkraft die Bewegung von Licht und Materie durch den Raum verändert. Aber es lässt den Raum nicht herunterfallen .

Wir leben in einem expandierenden Universum – so wurde mir gesagt. Aber wie kann das möglich sein?

Denn das expandierende Universum ist so etwas wie ein Stressball. Drücken Sie es in Ihre Faust und lassen Sie es dann los. Es dehnt sich aus.

Alles Vorstellbare wird von etwas Größerem angezogen. Warum also kann die Gravitation die Expansion des Universums nicht aufhalten?

Da ein Gravitationsfeld ein Ort ist, an dem der Raum "weder homogen noch isotrop" ist, wird dies als gekrümmte Raumzeit modelliert. Sehen Sie sich die digitalen Papiere von Einstein an :

Und im allergrößten Maßstab ist der Raum homogen und isotrop, siehe die FLRW-Metrik . Es gibt kein allgemeines Gravitationsfeld im Universum. Und selbst wenn es so wäre, würde es die Expansion des Weltraums nicht aufhalten.

Ich kenne die "Urknall"-Theorie, aber ist es möglich, dass die Expansion des Universums durch die Anziehung eines größeren Objekts verursacht wird?

Nein. Ein massiver Körper wie ein Stern "konditioniert" den umgebenden Raum. Es verändert es, und dieser Effekt nimmt mit zunehmender Entfernung ab. Als Ergebnis gibt es ein Gravitationsfeld. Aber der Raum fällt nicht zum Stern herab. Die Wasserfall-Analogie ist in dieser Hinsicht stark irreführend. In ähnlicher Weise fällt der sich ausdehnende Raum nicht auf ein anderes Objekt zu. NB: Dunkle Energie ist nicht Schwerkraft: Schwerkraft lässt das Universum nicht schneller expandieren.

Alles wird mit Atomen gemessen (nach atomaren Eigenschaften)

oooooo < das sind jetzt Atome im Labor
|_____| Dieser Raum auf der linken Seite ist$\approx 5\ $Einheiten lang.

OOOOOO < dieselben Atome haben in der Vergangenheit bei längeren Wellenlängen gestrahlt (rotverschoben).
|_____| Dieser Raum auf der linken Seite ist$\approx 3.5\ $Einheiten lang.

Ist klar, dass jede Raumausdehnung ein Artefakt des Messvorgangs ist?

Wenn Sie Ihren Augen und Ihrer Intuition nicht glauben, stellen Sie bitte eine grundlegende Gleichung (aus der gesamten Physik) auf, die in der Lage ist, zwischen den Atomen Version 1 und Version 2 zu unterscheiden (neben den abgestrahlten Lichtwellenlängen, wie oben erwähnt).

Für diejenigen, die die Gültigkeit meines Standpunkts überprüfen oder verneinen wollen, kommentieren Sie bitte den Beweis in diesem Dokument „ Ein selbstähnliches Modell des Universums enthüllt die Natur der dunklen Energie “.

In der Physik wird keine absolute oder unveränderliche Größe der Teilchen erwähnt. Diese absolute Vorstellung wurde zuvor nie in Frage gestellt und ist ein verstecktes Postulat des Standardmodells.

Da das "oos/OOs" nicht klar genug ist, hier die Ballon-Analogie:

Zur Erklärung von „mehr Feld“ in Hellblau in der Sprechblase „Gegenwart“:
Der Lichtkegel der mit den Partikeln verbundenen Felder wächst mit der Zeit. Somit ist der Gesamtenergiegehalt von Teilchen + Feld über die Zeit konstant.
Die nächsten Ideen sind nicht Teil des Modells, da es sich um Spekulationen handelt:
Es gibt zyklisch unendliche Ereignisse der Materieerzeugung mit CMB.
Das eine versionierte Universum des Standardmodells mit einem Anfang und einem Ende ist meiner Meinung nach philosophisch abstoßend. Ich bin Rationalist und respektiere das PSR-Prinzip des hinreichenden Grundes voll und ganz, wie es Spinoza, ... Poincaré und Einstein taten.