Warum ist das beobachtbare Universum größer als es das Alter vermuten lässt?

Das Alter des Universums wird auf 13,8 Milliarden Jahre geschätzt, und die derzeitige Theorie besagt, dass nichts die Lichtgeschwindigkeit überschreiten kann, was zu der falschen Schlussfolgerung führen kann, dass das Universum keinen Radius von mehr als 13,8 Milliarden Lichtjahren haben kann.

Wikipedia geht mit diesem Missverständnis folgendermaßen um:

Diese Überlegung wäre nur sinnvoll, wenn die flache, statische Minkowski-Raumzeit- Konzeption unter besonderer Relativitätstheorie korrekt wäre. Im realen Universum ist die Raumzeit in einer Weise gekrümmt, die der Ausdehnung des Raums entspricht , wie das Hubble-Gesetz belegt . Entfernungen, die als Lichtgeschwindigkeit multipliziert mit einem kosmologischen Zeitintervall erhalten werden, haben keine direkte physikalische Bedeutung. → Ned Wright, "Warum die Lichtlaufzeitdistanz nicht in Pressemitteilungen verwendet werden sollte"

Das klärt die Angelegenheit für mich nicht auf, und da ich nach der High School keinen naturwissenschaftlichen oder mathematischen Hintergrund habe, hilft es auch nicht viel, weiter in Hubbles Gesetz zu lesen.

Die Erklärung eines Laien, die ich gesehen habe, bietet eine Erklärung dafür, dass das Universum selbst nicht an dieselben Gesetze gebunden ist wie die Dinge in ihm. Das wäre - soweit dies möglich ist - sinnvoll, aber das obige Zitat ( "Entfernungen, die als Lichtgeschwindigkeit multipliziert mit einem kosmologischen Zeitintervall erhalten werden, haben keine direkte physikalische Bedeutung" ) erscheint allgemeiner.

Kann jemand eine Erklärung für einen guten Laien anbieten (oder mich darauf hinweisen)?

Die einfachste Erklärung dafür, warum die maximale Entfernung, die man sehen kann, nicht einfach das Produkt der Lichtgeschwindigkeit mit dem Alter des Universums ist, ist, dass das Universum nicht statisch ist.

Verschiedene Dinge (Materie vs. Dunkle Energie) haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Koordinaten des Universums und ihr Einfluss kann sich mit der Zeit ändern.

Ein guter Ausgangspunkt für all dies ist die Analyse des Hubble-Parameters, der uns die Hubble-Konstante zu jedem Zeitpunkt in der Vergangenheit oder in der Zukunft gibt, vorausgesetzt, wir können messen, woraus das Universum derzeit besteht:

$$H(a) = H_{0} \sqrt{\frac{\Omega_{m,0}}{a^{3}} + \frac{\Omega_{\gamma,0}}{a^{4}} + \frac{\Omega_{k,0}}{a^{2}} + \Omega_{\Lambda,0}}$$ wobei sich die Indizes , , und on auf die Dichteparameter beziehen Materie (dunkel und baryonisch), Strahlung (Photonen und andere relativistische Teilchen), Krümmung (dies kommt nur ins Spiel, wenn das Universum global von der räumlichen Ebene abweicht; Beweise zeigen, dass es mit der Ebene übereinstimmt) und zuletzt dunkle Energie (was, wie Sie sehen werden, eine Konstante bleibt, unabhängig davon, wie sich die Dynamik des Universums entwickelt). Ich sollte auch darauf hinweisen, dass die$m$$\gamma$$k$$\Lambda$$\Omega$$0$Indexnotation bedeutet, wie heute gemessen .

Das im obigen Hubble-Parameter wird als Skalierungsfaktor bezeichnet, der heute 1 und am Anfang des Universums Null entspricht. Warum skalieren die verschiedenen Komponenten bei ? Nun, es hängt alles davon ab, was passiert, wenn man eine Schachtel mit dem Inhalt vergrößert. Wenn Sie ein Kilogramm Materie in einem Würfel auf einer Seite von 1 Meter haben und jede Seite auf 2 Meter erhöhen, was passiert dann mit der Materiedichte in diesem neuen Würfel? Es verringert sich um den Faktor 8 (oder ). Für Strahlung erhalten Sie eine ähnliche Abnahme der Teilchendichte von und einen zusätzlichen Faktor von aufgrund der Streckung der Wellenlänge mit der Größe der Schachtel, was uns ergibt$a$$a$$2^{3}$$a^{3}$$a$$a^{4}$ . Die Dichte der dunklen Energie bleibt bei dieser Art von Gedankenexperiment konstant.

Da sich verschiedene Komponenten unterschiedlich verhalten, wenn sich die Koordinaten des Universums ändern, gibt es in der Geschichte des Universums entsprechende Epochen, in denen jede Komponente die gesamte Dynamik dominiert. Es ist auch ganz einfach herauszufinden. Bei kleinem Skalenfaktor (sehr früh) war die wichtigste Komponente die Strahlung. Der Hubble-Parameter kann von Anfang an durch den folgenden Ausdruck sehr genau angenähert werden:

$$H(a) = H_{0} \frac{\sqrt{\Omega_{\gamma,0}}}{a^{2}}$$

Um ungefähr:

$$\frac{\Omega_{m,0}}{a^{3}} = \frac{\Omega_{\gamma,0}}{a^{4}}$$ $$a = \frac{\Omega_{\gamma,0}}{\Omega_{m,0}}$$ Wir haben Materie-Strahlungsgleichheit und von diesem Punkt an haben wir jetzt Materie, die die Dynamik des Universums beherrscht. Dies kann noch einmal für Materie-Dunkle Energie getan werden, in der man feststellen würde, dass wir jetzt in der von Dunkler Energie dominierten Phase des Universums leben. Eine Vorhersage, in einer solchen Phase zu leben, ist eine Beschleunigung der Koordinaten des Universums - was bestätigt wurde (siehe: Nobelpreis für Physik 2011 ).

Sie sehen, es wäre etwas komplizierter, die Entfernung zum kosmologischen Horizont zu finden, als nur die Lichtgeschwindigkeit mit dem Alter des Universums zu multiplizieren. Wenn Sie diese Entfernung (früher als die kommende Entfernung zum kosmischen Horizont bezeichnet) ermitteln möchten, müssten Sie das folgende Integral ausführen:

$$D_{h} = \frac{c}{H_{0}} \int_{0}^{z_{e}} \frac{\mathrm{d}z}{\sqrt{\Omega_{m,0}(1+z)^{3} + \Omega_{\Lambda}}}$$

wobei die Emissionsrotverschiebung normalerweise als , die Oberfläche der letzten Streuung. Es stellt sich heraus, dass dies der wahre Horizont ist, den wir als Beobachter haben. Die Krümmung wird normalerweise auf Null gesetzt, da unser erfolgreichstes Modell ein flaches (oder nahezu flaches) Universum anzeigt, und Strahlung ist hier unwichtig, da sie bei einer höheren Rotverschiebung dominiert. Ich möchte auch darauf hinweisen, dass diese Beziehung von der Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Metrik abgeleitet ist , die Krümmung und Expansion umfasst. Dies ist etwas, was der Minkowski-Metrik fehlt. ∼ $z_{e}$$\sim 1100$

Kurz gesagt: Die Dinge können sich nicht von selbst schneller als das Licht bewegen, aber sie können sich aufgrund der universellen Ausdehnung schneller als das Licht bewegen. Je weiter weg, desto schneller verschwinden sie.

Ich habe nur darüber nachgedacht und hier ist die Erklärung meines Laien. Stellen Sie sich vor, Sie zeichnen zwei Punkte auf einem zerknitterten Stück Papier, die Punkte bewegen sich, aber während sie sich bewegen, wird das Papier "nicht zerknittert", und der tatsächliche Abstand zwischen den Punkten ist größer als die Summe der Abstände, die sie haben reiste.

Die völlig unwissenschaftliche Erklärung ...

Stellen Sie sich das Universum als Ballon vor. Zwei Körper beginnen nahe beieinander, aber auf gegenüberliegenden Oberflächen. Die Ausdehnung des Ballons nimmt sie mit gleicher Geschwindigkeit und einer solchen Geschwindigkeit voneinander weg, dass das Licht von einem an seinem Startpunkt fast die gesamte Geschichte des Universums braucht, um zum anderen zu gelangen. Der Abstand zwischen den beiden JETZT ist nicht doppelt so groß wie das Alter des Universums - weil man nicht durch den Ballon "reisen" kann - sondern muss stattdessen die Oberfläche des Ballons umrunden ... 13,8 * PI Milliarden Lichtjahre = 43 Milliarden Lichtjahre.

Nicht ganz korrekt, aber vermeidet zumindest zu große Sorgen um Astrophysik und Kosmologie!