Wetenschap Uitgelegd: Hoe kan de diameter van het heelal groter zijn dan de leeftijd?

De omvang van het heelal

De snelheid van het licht is een van de belangrijkste en meest fundamentele eigenschappen van ons heelal. Ze wordt gebruikt om afstanden te meten, voor interplanetaire communicatie, en in diverse wiskundige berekeningen. En dat is nog maar het begin.

De snelheid waarmee licht door een vacuüm reist – 299.792 kilometer (186.282 mijl) per seconde – is statisch en onveranderlijk. Als je die constante weghaalt, brokkelt het fundament van de moderne natuurkunde om een aantal redenen af, en de algemene regel kan als volgt worden samengevat: Niets in het heelal kan sneller reizen dan de snelheid van het licht.

Zoals u zich kunt voorstellen, ontstaat er enige verwarring als men bedenkt dat het heelal geen 13,8 miljard lichtjaar in doorsnee is – een getal dat overeenkomt met de leeftijd van het heelal. Volgens de huidige schattingen is het in werkelijkheid een stuk groter met een geschatte diameter van zo’n 93 miljard lichtjaar. En dat is alleen wat we kunnen zien. Wat we niet kunnen zien, kan eeuwig doorgaan.

Dus, hoe kan het heelal 93 miljard lichtjaar breed zijn als het slechts 13,8 miljard jaar oud is en niets sneller dan het licht kan reizen?

Begrijpen van roodverschuiving

Voordat je kunt begrijpen waarom de omvang van het heelal zo veel groter is dan zijn leeftijd, is het belangrijk om te begrijpen hoe licht precies werkt.

Sir Isaac Newton was zonder twijfel een van de grootste geesten die ooit heeft geleefd. Naast het “uitvinden” van de calculus, was hij de eerste wetenschapper die de essentie van licht echt begreep en wat er gebeurt als je het uiteenrafelt in zijn samenstellende delen.

Om te beginnen, onthulde zijn onderzoek dat zwart de afwezigheid van kleur is, terwijl wit licht – zoals dat van de zon en andere sterren – een combinatie is van elke kleur. Door het licht van een object door een prisma te bekijken, kan men de overeenkomstige elementen zien die het licht vertegenwoordigt, wat dan kan worden gebruikt om de samenstelling van het object, de temperatuur en zelfs waar het zich in het evolutieproces bevindt, te helpen bepalen.

In meer dan één opzicht heeft Newtons werk een revolutie in de natuurkunde teweeggebracht en de weg geëffend voor alle groten, waaronder Niels Bohr, Max Planck en natuurlijk Albert Einstein. In het kader van deze discussie is de meest relevante wetenschapper die voortbouwde op het werk van Newton echter Christian Doppler.

Doppler kwam honderden jaren na Newtons dood op de voorgrond, en als u niet bekend bent met zijn werk, hij ontdekte iets dat nu het Doppler-effect wordt genoemd. Dit proces verklaart waarom sommige lichten van kosmische bronnen de neiging hebben om in de buurt van de rode kant van het elektromagnetische spectrum te landen, terwijl sommige lichten dichter bij de blauwe kant liggen.

In eenvoudige termen, het Doppler effect merkt op hoe de golflengte van licht wordt verschoven op basis van de richting waarin de bron beweegt, bijvoorbeeld of iets naar ons toe komt of van ons weg beweegt. Lichtgolven worden uitgerekt als de bron zich van de waarnemer verwijdert, waardoor ze rood lijken (langere golflengte). Omgekeerd worden de lichtgolven samengedrukt als het object naar de waarnemer toe beweegt, waardoor ze blauw lijken (de kortere golflengte).

Gaandeweg diende zich een spelbreker aan. Uiteindelijk bleken bijna alle sterrenstelsels naar een langere golflengte te verschuiven, wat betekende dat ze er rood uitzagen, alsof ze zich van ons af bewogen. Nog verbazingwekkender was dat niet alleen bijna alles zich van ons verwijderde, maar dat deze roodverschuiving toenam, wat betekende dat de objecten zich steeds sneller van ons verwijderden.

Dit leidde tot de ontdekking dat het universum niet stilstaat, zoals sommigen dachten – het dijt in feite uit!

De uitdijing van het heelal

Hier wordt het lastig. Uit onze waarnemingen van roodverschuiving blijkt dat objecten die drie keer zo ver weg staan, drie keer zo snel bewegen ten opzichte van nabije sterrenstelsels. Hoe verder we in de ruimte kijken, hoe sneller de melkwegstelsels bewegen – in feite bewegen ze zo snel op deze enorme afstanden dat ze gemakkelijk de lichtsnelheid overtreffen. Maar, zoals eerder gezegd, de lichtsnelheid is de universele snelheidslimiet. Dus hoe kan dit?

Ten eerste, hoewel er een grens is aan wat wij kunnen zien, strekt het eigenlijke heelal zich veel verder uit dan wij kunnen bevatten. Alles binnen deze grens wordt het “waarneembare heelal” genoemd, en het omvat:

• 10 miljoen superclusters
• 25 miljard groepen sterrenstelsels
• 350 miljard grote sterrenstelsels
• 7 triljoen dwergstelsels
• 30 miljard triljoen (3×10²²) sterren

Als dit alles in 13.7 miljard lichtjaar ruimtetijd, zou het heelal behoorlijk vol lijken.

Het eerste probleem met de aanname dat de omvang van het heelal gelijk zou moeten zijn aan de leeftijd in jaren op basis van de afstand die licht aflegt, ontstaat wanneer we kijken naar de eerste momenten na de oerknal.

Toen het heelal ongeveer 13,75 miljard jaar geleden voor het eerst “knalde”, begon de ruimtetijd zelf uit te dijen met een snelheid die sneller was dan de lichtsnelheid. Deze periode, die inflatie wordt genoemd, is een integraal onderdeel van de verklaring van veel meer dan de omvang van het heelal. Het omvat ook zaken als de homogene aard van de ruimte op grote schaal en de omstandigheden die tijdens het eerste tijdperk bestonden.

Basically, the universe transitioned from an infinitely dense and hot state into a vast area weming with protons and neutrons – particles that eventually came together and forged the building blocks of all matter – within moments. Nadat de aanvankelijke inflatie was afgenomen, vertraagde de expansie. Nu worden objecten uit elkaar getrokken door een mysterieuze kracht die donkere energie wordt genoemd.

Sneller dan het licht

Op een manier die nog niet is vastgesteld, lijkt deze uitdijing sneller te gaan dan de lichtsnelheid, maar dat betekent niet wat u waarschijnlijk denkt.

Ik ben bang dat de verwarring voortkomt uit een fundamentele misinterpretatie van de relativiteit zelf. De theorie stelt namelijk dat objecten niet sneller dan de lichtsnelheid door de ruimtetijd kunnen reizen. Ze stelt echter geen grenzen aan de ruimtetijd zelf.

Dus, om samen te vatten, de grootte van de ruimte is niet in strijd met de basisfysica.

In wezen overtreden de sterrenstelsels zelf (en alle andere objecten in de ruimte) geen wetten, omdat ze niet sneller dan het licht door de ruimte reizen (althans, niet in de traditionele zin). Integendeel, elk deel van de ruimte dijt uit en rekt uit. Het is niet eens zo dat de randen naar buiten vliegen, maar dat de ruimtetijd zelf – het gebied tussen sterrenstelsels, sterren, planeten, u en ik – zich uitrekt.

Kortom, de ruimtetijd dijt uit en duwt materie uit elkaar. Materie reist niet echt door de ruimtetijd.

Als interessante bijkomstigheid heeft de uitdijing helaas een aantal sombere implicaties voor de toekomst van het heelal. Ervan uitgaande dat de uitdijing oneindig doorgaat (en niet vertraagt), zal de horizon van het zichtbare heelal geleidelijk aan krimpen totdat objecten simpelweg te ver van elkaar verwijderd zullen zijn om licht van het ene sterrenstelsel ooit een ander sterrenstelsel te laten bereiken.

Overigens was veel van wat we nu zien oorspronkelijk veel dichterbij. Dankzij de uitdijing zijn deze objecten meegevoerd, en sommige sterrenstelsels en andere objecten zijn roodverschoven, zodat ze niet meer bestaan (of in ieder geval niet meer zichtbaar zijn). De verste sterrenstelsels behoren tot de oudste dingen in het heelal. Ze zijn ontstaan toen het heelal nog maar miljoenen jaren oud was, en waarschijnlijk bestaat het merendeel ervan niet meer of bevindt het zich vandaag in een heel ander deel van de kosmos.

Aanvullende rapportage door Jaime Trosper.

Als lezer van Futurism nodigen we je uit om lid te worden van de Singularity Global Community, het forum van ons moederbedrijf waar je futuristische wetenschap &technologie kunt bespreken met gelijkgestemde mensen van over de hele wereld. Het is gratis om lid te worden, meld je nu aan!