Das expandierende Universum: Was bedeutet „Raum erschaffen" wirklich?

Das Paradoxon der Raumschöpfung

Das Hubble-Gesetz und die Messung der Expansion

Im Jahr 1929 lieferte Edwin Hubble den ersten beobachtenden Beweis für die Expansion des Universums, indem er die Beziehung zwischen der Entfernung der Galaxien und ihrer Fluchtgeschwindigkeit herstellte. Diese Beziehung, bekannt als Hubble-Gesetz, wird durch die Formel v = H₀ × d ausgedrückt, wobei v die Fluchtgeschwindigkeit, d die Entfernung und H₀ die Hubble-Konstante ist.

Die kosmische Beschleunigung und die Dunkle Energie

Im Jahr 1998 machten zwei unabhängige Teams, die Supernovae vom Typ Ia untersuchten, eine revolutionäre Entdeckung: Die Expansion des Universums verlangsamt sich nicht wie erwartet, sondern beschleunigt sich. Diese Beobachtung, die 2011 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, impliziert die Existenz einer abstoßenden Energie, die „Dunkle Energie" genannt wird und etwa 68% des Energieinhalts des Universums ausmachen würde.

Die folgende Tabelle fasst die Zusammensetzung des Universums und die Rolle jeder Komponente in der Dynamik der Expansion zusammen.

Erschafft das expandierende Universum „Raum"?

Das Konzept der mitbewegten Punkte

Das Konzept der „Raumschöpfung" im expandierenden Universum ist subtil und wird oft falsch interpretiert. Es handelt sich nicht um das Entstehen von neuem Raum aus dem „Nichts" im philosophischen Sinne, sondern um die Zunahme der Eigenentfernung zwischen mitbewegten Punkten der Raumzeit.

N.B.:
Mitbewegte Punkte bezeichnen feste Koordinaten im expandierenden Universum. Eine weit entfernte Galaxie behält ihre mitbewegte Position, auch wenn die Entfernung, die uns von ihr trennt, mit dem Skalenfaktor zunimmt. Mit anderen Worten: Sie „bewegt" sich nicht lokal, sondern folgt der Expansion der kosmologischen Metrik.

Wenn es nicht Raum ist, was wird dann „erschaffen"?

Die dynamische Geometrie des Universums

Wenn man sagt, das Universum „erschaffe Raum", darf man sich nicht die Herstellung eines Vakuums vorstellen, als ob das Universum eine Art unsichtbare Materie produzieren würde. In Wirklichkeit ist das, was sich entwickelt, die Geometrie des Universums, das heißt die Art und Weise, wie Entfernungen zwischen zwei Punkten gemessen werden.

Die „Expansion" betrifft die Art und Weise, wie wir Entfernungen messen

In der Sprache der Physiker ist die Struktur der Raumzeit selbst dynamisch: Die Koordinaten weit entfernter Galaxien bleiben fest (sie werden als mitbewegt bezeichnet), aber das „Lineal", mit dem Entfernungen gemessen werden, ändert sich im Laufe der Zeit. Es ist also kein materielles „Gewebe", das sich ausdehnt, sondern die Metrik, die sich entwickelt.

Mit anderen Worten: Das Universum fügt kein Volumen hinzu, wie man einen Ballon mit Luft aufbläst, sondern berechnet ständig neu, was es bedeutet, eine Million Lichtjahre voneinander entfernt zu sein. Was „erschaffen" wird, ist weder Vakuum noch eine geheimnisvolle Substanz, sondern eine relative Zunahme der Entfernungen zwischen weit entfernten kosmischen Objekten.

Ein mathematisches Konzept eher als eine physische Erschaffung von Raum

Zu sagen, das Universum „erschaffe Raum", ist eine bildhafte Art, eine mathematische Realität zu übersetzen. In der Kosmologie manipuliert man kein materielles Gewebe, sondern eine Metrik, das heißt eine Formel, die angibt, wie Entfernungen zwischen zwei Punkten des Universums berechnet werden. Wenn die beschleunigte Expansion im Spiel ist, ist es diese Metrik, die sich mit der Zeit ändert.

So ist es nicht der „Raum" als Substanz, der sich vervielfacht, sondern die geometrische Beziehung zwischen den Punkten, die sich verändert. Die Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Metrik (FLRW) liefert den Rahmen: Sie zeigt, dass der Skalenfaktor zunimmt, was gleichbedeutend damit ist, dass zwei mitbewegte Galaxien ihre Entfernung wachsen sehen, obwohl sie sich lokal nicht bewegen.

Dieses Vokabular ist nützlich für die Popularisierung, aber man muss bedenken, dass es eine Abkürzung ist: Was wirklich beschrieben wird, ist eine dynamische Entwicklung der geometrischen Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie: \( G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = \frac{8 \pi G}{c^4} T_{\mu\nu} \)

Galaxien, die sich „entfernen"?

Eine scheinbare Entfernung, keine lokale Bewegung

In vielen Illustrationen sieht man Galaxien, die immer weiter voneinander entfernt gezeichnet werden, als ob sie sich wirklich in einem bereits existierenden Raum bewegten. Aber im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Expansion nicht so zu verstehen. Die weit entfernten Galaxien „reisen" nicht durch den Kosmos, sie behalten ihre Position im mitbewegten Gitter, während es dieses Gitter, die Metrik selbst, ist, das mit der Zeit anders gemessen wird. Mit anderen Worten: Es ist die Metrik selbst, die mit der Zeit ihren Maßstab ändert. Es ist nicht eine Substanz, die sich verformt, sondern die Messregeln (Entfernungen, Intervalle), die sich dehnen.

N.B.:
Sehr weit entfernte Galaxien, die sich mit sogenannten „überlichtschnellen" Geschwindigkeiten entfernen, verletzen nicht die spezielle Relativitätstheorie, denn sie entsprechen keiner lokalen Bewegung, sondern der Evolution der Geometrie selbst.