vernachlässigbare Verschiebung der Lichtmuster (unten, durchgezogen) im Vergleich zu dem, was erwartet wurde, wenn die Galileische Relativitätstheorie wahr wäre (unten, gepunktet). Die Lichtgeschwindigkeit war gleich, egal in welche Richtung das Interferometer ausgerichtet war, einschließlich mit, senkrecht zu oder gegen die Bewegung der Erde durch den Raum. Albert A. Michelson (1881); A. A. Michelson und E. Morley (1887)

Dies lehrte uns etwas unglaublich Wichtiges: Die Lichtgeschwindigkeit ist unabhängig von jeder relativen Bewegung durch den Raum. Egal, wer Sie sind, wo Sie sind, wie schnell oder in welche Richtung Sie sich durch das Universum bewegen, Sie werden immer alle Lichtwellen beobachten, die sich mit derselben universellen Geschwindigkeitsgrenze durch den Raum bewegen: der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Wenn Sie und die Quelle sich voneinander entfernen, wird die Wellenlänge des Lichts rotverschoben; wenn Sie sich aufeinander zubewegen, wird die Wellenlänge blauverschoben. Aber die Lichtgeschwindigkeit selbst ändert sich nie durch das Vakuum des Raumes.

Diese Idee war revolutionär, als Einstein sie vorschlug, und viele professionelle Physiker widersetzten sich ihr (zu Unrecht) jahrzehntelang. Der Widerstand machte sie jedoch nicht weniger wahr. Aber der große Preis blieb: die Gravitation in die Gleichung einzubeziehen.

Die Relativitätstheorie wurde unzähligen wissenschaftlichen Tests unterzogen, wobei die Idee einigen der strengsten Einschränkungen unterworfen wurde, die die Menschheit je erhalten hat. Die Anwesenheit von Materie und Energie im Raum sagt der Raumzeit, wie sie sich krümmen soll, und diese gekrümmte Raumzeit sagt Materie und Energie, wie sie sich bewegen sollen. LIGO scientific collaboration / T. Pyle / Caltech / MIT

Vor Einstein war die Gravitation ein Newtonsches Phänomen. Nach Newton waren Raum und Zeit keine relativen, sondern absolute Entitäten. Die Anziehungskraft zwischen zwei beliebigen Massen musste sich unendlich schnell ausbreiten, anstatt durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt zu sein.

Die größere Revolution, die Einstein der Physik brachte, war der Umsturz dieses Bildes der Gravitation. Sicher, man konnte die Newtonsche Gravitation als sehr gute Näherung für fast alle Bedingungen verwenden, aber in Situationen, in denen Materie oder Energie nahe an einer großen Masse vorbeizieht, würde Newton nicht die richtigen Antworten geben.

Die Umlaufbahn des Quecksilbers bewegte sich mehr, als Newton voraussagte. Licht, das während einer Sonnenfinsternis nahe an der Sonne vorbeizieht, wird stärker gekrümmt, als Newton erklären kann.

zeigte schlüssig, dass die Allgemeine Relativitätstheorie die Krümmung des Sternenlichts um massive Objekte beschrieb und damit das Newtonsche Bild umstürzte. Dies war die erste beobachtete Bestätigung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie und scheint mit der Visualisierung des „gekrümmten Raumgewebes“ übereinzustimmen. The Illustrated London News, 1919

Wie die Beweise eindeutig zeigten, hatte Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie – in der Masse und Energie den Raum krümmten und dieser gekrümmte Raum die Bewegung von Masse und Energie bestimmte – die Newtonsche Gravitation abgelöst. Diese neue Konzeption der Gravitation und des Gefüges von Raum und Zeit selbst brachte eine weitere Offenbarung mit sich: die Tatsache, dass das Gefüge des Universums, wenn es überall mit ungefähr gleichen Mengen an Materie und Energie gefüllt war, nicht statisch und unveränderlich sein konnte.

Anstatt dessen gab es, wie Beobachtungen bereits in den 1920er Jahren definitiv zu zeigen begannen, eine systematische Beziehung zwischen der Entfernung eines Objekts von uns und dem Ausmaß der beobachteten Rotverschiebung seines Lichts. Sicher, Galaxien bewegen sich relativ zueinander durch den Raum, aber nur mit Geschwindigkeiten bis zu ein paar tausend km/s. Doch wenn wir die tatsächlichen Rotverschiebungen entfernter Galaxien betrachten, entsprechen sie Rezessionsgeschwindigkeiten, die viel, viel größer sind als diese Werte.

Entfernteste Objekte von allen, von ihren Supernovae des Typs Ia aus gesehen. Die Daten sprechen stark für ein sich beschleunigendes Universum. Beachten Sie, dass die y-Achse Geschwindigkeiten enthält, die die Lichtgeschwindigkeit überschreiten, aber das sagt nicht alles darüber aus, was tatsächlich mit dem expandierenden Universum passiert. Ned Wright, basierend auf den neuesten Daten von Betoule et al.

Der Grund, warum wir diese kosmischen Rotverschiebungen mit der Entfernung skalieren, wie die Wissenschaftler schnell erkannten, ist, dass die Struktur des Universums selbst expandiert. Wie Rosinen in einem Rosinenbrotteig sehen alle Galaxien im Universum, wie sich die anderen Galaxien von ihnen wegbewegen, wobei sich die weiter entfernten Rosinen (oder Galaxien) schneller zu entfernen scheinen.

Aber warum ist das so?

Es liegt nicht daran, dass sich die Rosinen relativ zum Teig bewegen, in dem sie eingebettet sind, und auch nicht daran, dass sich die einzelnen Galaxien durch das Gewebe des Raums bewegen. Vielmehr liegt es daran, dass sich der Teig selbst – genau wie das Raumgefüge – ausdehnt und die Rosinen (oder Galaxien) einfach mitziehen.

Universum, in dem die relativen Entfernungen mit der Ausdehnung des Raums (Teigs) zunehmen. Je weiter zwei Rosinen voneinander entfernt sind, desto größer ist die beobachtete Rotverschiebung zum Zeitpunkt des Lichtempfangs. Die Rotverschiebungs-Entfernungs-Beziehung, die durch das expandierende Universum vorhergesagt wird, wird durch Beobachtungen bestätigt und stimmt mit dem überein, was schon seit den 1920er Jahren bekannt ist. NASA / WMAP Science Team

Da es sich bei diesen Objekten um Galaxien handelt, sind sie mit lichtausstrahlenden Sternen gefüllt. Sie strahlen vom ersten Moment an kontinuierlich Licht aus, aber wir können sie erst ab dem Moment beobachten, in dem das Licht nach seiner Reise durch das Universum zum ersten Mal bei unseren Augen ankommt.

Nicht das Newtonsche Universum, wohlgemerkt: das expandierende, Einsteinsche.

Das bedeutet, dass es da draußen Galaxien gibt, deren Licht erst jetzt zum ersten Mal hier auf der Erde ankommt, nachdem es mehr als 13 Milliarden Jahre durch das Universum gereist ist. Die ersten Sterne und Galaxien bildeten sich nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall, und wir haben Galaxien aus einer Zeit entdeckt, als das Universum gerade einmal 3% seines heutigen Alters hatte. Und doch wurde dieses Licht durch das sich ausdehnende Universum so stark rotverschoben, dass das Licht ultraviolett war, als es emittiert wurde, aber bereits weit in den infraroten Bereich hineinreicht, wenn wir es beobachten können.

Rotverschiebungen und wie sich die Abstände zwischen ungebundenen Objekten im expandierenden Universum mit der Zeit ändern. Man beachte, dass die Objekte zu Beginn näher beieinander liegen als die Zeit, die das Licht braucht, um zwischen ihnen zu reisen, das Licht sich aufgrund der Expansion des Raumes rotverschiebt und die beiden Galaxien am Ende viel weiter voneinander entfernt sind als der Lichtweg, den das zwischen ihnen ausgetauschte Photon zurücklegt. Rob Knop

Wenn wir aus unserer Perspektive fragen würden, was das für die Geschwindigkeit dieser fernen Galaxie bedeutet, die wir erst jetzt beobachten, würden wir zu dem Schluss kommen, dass sich diese Galaxie weit über die Lichtgeschwindigkeit hinaus von uns entfernt. Aber in Wirklichkeit bewegt sich diese Galaxie nicht nur nicht mit einer relativistisch unmöglichen Geschwindigkeit durch das Universum, sondern sie bewegt sich so gut wie gar nicht! Statt mit Geschwindigkeiten von mehr als 299.792 km/s (der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum) bewegen sich diese Galaxien nur mit ~2% der Lichtgeschwindigkeit oder weniger durch den Raum.

Aber der Raum selbst dehnt sich aus, und das erklärt den überwiegenden Teil der Rotverschiebung, die wir sehen. Und der Raum dehnt sich nicht mit einer Geschwindigkeit aus, sondern mit einer Geschwindigkeit pro Entfernungseinheit: eine ganz andere Art von Geschwindigkeit. Wenn Sie Zahlen wie 67 km/s/Mpc oder 73 km/s/Mpc sehen (die beiden gebräuchlichsten Werte, die Kosmologen messen), sind dies Geschwindigkeiten (km/s) pro Entfernungseinheit (Mpc, oder etwa 3,3 Millionen Lichtjahre).

Die Einschränkung, dass sich „nichts schneller als das Licht bewegen kann“ gilt nur für die Bewegung von Objekten durch den Raum. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Raum selbst ausdehnt – diese Geschwindigkeit pro Entfernungseinheit – hat keine physikalischen Grenzen nach oben.

mit dem Betrag, den wir erreichen können (magenta). Die Grenze des sichtbaren Universums liegt bei 46,1 Milliarden Lichtjahren, denn das ist die Grenze, wie weit ein Objekt entfernt ist, das Licht aussendet, das uns heute gerade erreichen würde, nachdem es sich 13,8 Milliarden Jahre von uns entfernt hat. Aber jenseits von etwa 18 Milliarden Lichtjahren können wir eine Galaxie niemals erreichen, selbst wenn wir mit Lichtgeschwindigkeit auf sie zufliegen würden. E. Siegel, basierend auf einer Arbeit der Wikimedia Commons-Benutzer Azcolvin 429 und Frédéric MICHEL

Es mag seltsam erscheinen, wenn man bedenkt, was dies alles impliziert. Weil wir dunkle Energie haben, wird die Expansionsrate niemals auf Null fallen; sie wird auf einem positiven, endlichen Wert bleiben. Es bedeutet, dass wir, obwohl erst 13,8 Milliarden Jahre seit dem Urknall vergangen sind, Licht von Objekten beobachten können, die bereits 46,1 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Und es bedeutet, dass jenseits eines Bruchteils dieser Entfernung – etwa 18 Milliarden Lichtjahre – kein Objekt, das heute von der Erde aus gestartet wird, diese jemals erreichen könnte.

Aber kein Objekt bewegt sich tatsächlich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum. Das Universum dehnt sich aus, aber die Ausdehnung hat keine Geschwindigkeit, sondern eine Geschwindigkeit pro Entfernungseinheit, was einer Frequenz oder einer inversen Zeit entspricht. Eine der überraschendsten Tatsachen über das Universum ist, dass man, wenn man die Umrechnungen vornimmt und den Kehrwert der Expansionsrate nimmt, die „Zeit“ berechnen kann, die man herausbekommt.

Die Antwort? Ungefähr 13,8 Milliarden Jahre: das Alter des Universums. Es gibt keinen fundamentalen Grund für diese Tatsache; es ist einfach ein faszinierender kosmischer Zufall.

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