Wissenschaft erklärt: Wie kann der Durchmesser des Universums sein Alter übersteigen?

Die Größe des Universums

Die Lichtgeschwindigkeit ist eine der wichtigsten und grundlegenden Eigenschaften unseres Universums. Sie wird verwendet, um Entfernungen zu messen, für interplanetare Kommunikation und in verschiedenen mathematischen Berechnungen. Und das ist nur der Anfang.

Die Geschwindigkeit, mit der sich Licht durch ein Vakuum bewegt – 299.792 Kilometer (186.282 Meilen) pro Sekunde – ist statisch und unveränderlich. Wenn man diese Konstante weglässt, bricht das Fundament der modernen Physik aus einer Reihe von Gründen zusammen, und die allgemeine Regel lässt sich wie folgt zusammenfassen: Nichts im Universum kann sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.

Wie Sie sich vorstellen können, entsteht eine gewisse Verwirrung, wenn man bedenkt, dass das Universum nicht 13,8 Milliarden Lichtjahre groß ist – eine Zahl, die dem Alter des Universums entspricht. Nach aktuellen Schätzungen ist es sogar noch ein ganzes Stück größer, mit einem geschätzten Durchmesser von etwa 93 Milliarden Lichtjahren. Und das ist nur das, was wir sehen können. Was wir nicht sehen können, kann ewig weitergehen.

Wie kann das Universum also 93 Milliarden Lichtjahre groß sein, wenn es nur 13,8 Milliarden Jahre alt ist und sich nichts schneller als das Licht bewegen kann?

Verständnis der Rotverschiebung

Bevor man verstehen kann, warum das Universum so viel größer ist als sein Alter, muss man verstehen, wie Licht funktioniert.

Sir Isaac Newton war zweifellos einer der größten Geister, die je gelebt haben. Er „erfand“ nicht nur die Infinitesimalrechnung, sondern war auch der erste Wissenschaftler, der das Wesen des Lichts wirklich verstand und wusste, was passiert, wenn man es in seine Bestandteile zerlegt.

Zunächst einmal zeigte seine Forschung, dass Schwarz die Abwesenheit von Farbe ist, während weißes Licht – wie das von der Sonne und anderen Sternen – eine Kombination aus allen Farben ist. Wenn man das Licht eines Objekts durch ein Prisma betrachtet, kann man die entsprechenden Elemente erkennen, die das Licht repräsentiert, und damit die Zusammensetzung des Objekts, seine Temperatur und sogar seinen Entwicklungsstand bestimmen.

In mehrfacher Hinsicht revolutionierte Newtons Arbeit die Physik und ebnete den Weg für all die Großen, darunter Niels Bohr, Max Planck und natürlich Albert Einstein. Für die Zwecke dieser Diskussion ist jedoch der wichtigste Wissenschaftler, der auf Newtons Arbeit aufbaute, Christian Doppler.

Doppler wurde Hunderte von Jahren nach Newtons Tod bekannt, und falls Sie mit seiner Arbeit nicht vertraut sind, er entdeckte etwas, das heute als Doppler-Effekt bezeichnet wird. Dieser Prozess erklärt, warum ein Teil des Lichts aus kosmischen Quellen in der Nähe des roten Endes des elektromagnetischen Spektrums landet, während ein anderer Teil des Lichts näher am blauen Ende liegt.

Vereinfacht ausgedrückt, beschreibt der Doppler-Effekt, wie sich die Wellenlänge des Lichts in Abhängigkeit von der Richtung, in die sich die Quelle bewegt, verschiebt, z. B. ob etwas auf uns zukommt oder sich entfernt. Insbesondere werden die Lichtwellen gestreckt, wenn sich die Quelle vom Beobachter wegbewegt, wodurch sie rot erscheinen (längere Wellenlänge). Umgekehrt werden die Lichtwellen gestaucht, wenn sich das Objekt auf den Beobachter zubewegt, so dass es blau erscheint (die kürzere Wellenlänge).

Auf dem Weg dorthin gab es eine entscheidende Neuerung. Schließlich schienen sich fast alle Galaxien zu einer längeren Wellenlänge hin zu verschieben, was bedeutete, dass sie rot aussahen, als würden sie sich von uns entfernen. Noch erstaunlicher war, dass sich nicht nur fast alles von uns wegbewegte, sondern dass diese Rotverschiebung zunahm, was bedeutete, dass sich die Objekte immer schneller von uns entfernten.

Das führte zu der Entdeckung, dass das Universum nicht stationär ist, wie einige glaubten – es dehnt sich tatsächlich aus!

Die Ausdehnung des Universums

Hier werden die Dinge heikel. Unsere Beobachtungen der Rotverschiebung haben ergeben, dass sich Objekte, die dreimal so weit entfernt sind, dreimal so schnell bewegen wie nahe Galaxien. Je weiter wir in den Weltraum blicken, desto schneller bewegen sich die Galaxien – in der Tat bewegen sie sich in diesen großen Entfernungen so schnell, dass sie die Lichtgeschwindigkeit leicht überschreiten. Doch wie bereits erwähnt, ist die Lichtgeschwindigkeit die universelle Geschwindigkeitsgrenze. Wie kann das sein?

Zunächst ist zu beachten, dass es zwar eine Grenze für das gibt, was wir sehen können, dass aber das eigentliche Universum viel weiter reicht, als wir begreifen können. Alles, was innerhalb dieser Grenze liegt, wird als „beobachtbares Universum“ bezeichnet und umfasst:

• 10 Millionen Superhaufen
• 25 Milliarden Galaxiengruppen
• 350 Milliarden große Galaxien
• 7 Billionen Zwerggalaxien
• 30 Milliarden Billionen (3×10²²) Sterne

Wenn all dies in 13.7 Milliarden Lichtjahren Raumzeit, würde das Universum ziemlich vollgestopft erscheinen.

Das erste Problem mit der Annahme, dass die Größe des Universums gleich seinem Alter in Jahren sein sollte, das sich aus der Entfernung ergibt, die das Licht zurücklegt, tritt auf, wenn wir uns die ersten Augenblicke nach dem Urknall ansehen.

Als das Universum vor etwa 13,75 Milliarden Jahren zum ersten Mal „knallte“, begann sich die Raumzeit selbst mit einer Geschwindigkeit auszudehnen, die schneller war als die Lichtgeschwindigkeit. Dieser Zeitraum, die so genannte Inflation, ist nicht nur für die Erklärung der Größe des Universums von Bedeutung. Sie erklärt auch Dinge wie die homogene Beschaffenheit des Raums in großem Maßstab und die Bedingungen, die während der ersten Epoche herrschten.

Grundsätzlich ging das Universum innerhalb weniger Augenblicke von einem unendlich dichten und heißen Zustand in ein riesiges Gebiet über, in dem es von Protonen und Neutronen wimmelte – Teilchen, die schließlich zusammenkamen und die Bausteine aller Materie bildeten. Nachdem die anfängliche Inflation abgeklungen war, verlangsamte sich die Expansion. Jetzt werden die Objekte von einer geheimnisvollen Kraft, der so genannten dunklen Energie, auseinandergezogen.

Schneller als das Licht

Diese Expansion scheint auf noch nicht geklärte Weise schneller als die Lichtgeschwindigkeit zu verlaufen, aber das bedeutet nicht das, was Sie wahrscheinlich denken.

Ich fürchte, die Verwirrung rührt von einer grundlegenden Fehlinterpretation der Relativitätstheorie selbst her. Die Theorie besagt nämlich, dass sich Objekte nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit durch die Raumzeit bewegen können. Sie setzt jedoch keine Grenzen für die Raumzeit selbst.

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass die Größe des Raums nicht im Widerspruch zur grundlegenden Physik steht.

Im Grunde genommen brechen die Galaxien selbst (und alle anderen Objekte im Raum) keine Gesetze, weil sie sich nicht schneller als das Licht durch den Raum bewegen (zumindest nicht im herkömmlichen Sinne). Vielmehr dehnt sich jeder Teil des Raums aus und dehnt sich. Es ist nicht einmal so, dass die Ränder nach außen fliegen, sondern dass die Raumzeit selbst – der Bereich zwischen Galaxien, Sternen, Planeten, dir und mir – sich dehnt.

Kurz gesagt, die Raumzeit dehnt sich aus und drückt die Materie auseinander. Die Materie bewegt sich nicht wirklich durch die Raumzeit.

Als interessante Randbemerkung: Leider hat die Expansion einige düstere Auswirkungen auf die Zukunft des Universums. Unter der Annahme, dass die Expansion unendlich weitergeht (und sich nicht verlangsamt), wird der Horizont des sichtbaren Universums allmählich schrumpfen, bis die Objekte einfach zu weit voneinander entfernt sind, als dass das Licht einer Galaxie jemals eine andere erreichen könnte.

Vieles von dem, was wir jetzt sehen, war ursprünglich viel näher. Dank der Ausdehnung wurden diese Objekte mitgerissen, und einige Galaxien und andere Objekte wurden aus dem Blickfeld verschwunden (oder jedenfalls aus unserem Blickfeld). Die am weitesten entfernten Galaxien gehören zu den ältesten Objekten im Universum, die entstanden sind, als das Universum gerade einmal Millionen von Jahren alt war, und es ist wahrscheinlich, dass die meisten von ihnen heute nicht mehr existieren oder sich in einem völlig anderen Teil des Kosmos befinden.

Zusätzliche Berichte von Jaime Trosper.

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