Diese Frage bezieht sich implizit auf das sichtbare Universum, aber wir sollten dies explizit angeben, da die Frage sonst keinen Sinn ergibt.

Es scheint, als sollten wir es nicht tun Es ist nicht möglich, mehr als 13,7 Milliarden Lichtjahre (13,7 Giga-Lichtjahre oder Glyren) entfernt zu sehen, aber diese Argumentation lässt die Erweiterung der Raumzeit gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie aus. Ein Photon, das irgendwo in der Nähe des Beginns des Universums emittiert wurde, hätte fast 13,7 Glyrs zurückgelegt, wenn Sie jedes Lichtjahr genau so gemessen hätten, wie das Photon es durchquert hat, aber seit den Lichtjahren, die Sie gemessen haben, haben sich diese seit dem Durchgang des Photons ausgedehnt Die Entfernung summiert sich jetzt auf ungefähr 80 Glyrs.

Der Radius des beobachtbaren Universums beträgt ungefähr 46 Milliarden Lichtjahre, was erheblich größer ist als sein Alter von ungefähr 14 Milliarden Jahren. Da der Radius des beobachtbaren Universums durch die größte Entfernung definiert ist, aus der das Licht seit dem Urknall Zeit gehabt hätte, uns zu erreichen, könnte man meinen, dass es in einer Entfernung von nur 14 Milliarden Lichtjahren liegt, da $ x = ct $ für Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit $ c $. Eine Beziehung wie $ x = ct $ ist jedoch nur in der speziellen Relativitätstheorie gültig. Wenn wir eine solche Beziehung aufschreiben, stellen wir uns ein kartesisches Koordinatensystem $ (t, x, y, z) $ vor, das in der Newtonschen Mechanik mit dem Referenzrahmen eines bestimmten Beobachters assoziiert wäre. In der allgemeinen Relativitätstheorie wäre das Gegenstück dazu ein Minkowski-Koordinatenrahmen, aber solche Rahmen existieren nur lokal. Es ist nicht möglich, einen einzigen Bezugsrahmen zu erstellen, der sowohl unsere Galaxie als auch eine kosmologisch entfernte Galaxie umfasst. Die allgemeine Relativitätstheorie kann die Kosmologie anhand kosmologischer Modelle beschreiben, und diese Beschreibung ist erfolgreich darin, Beobachtungen mit einem hohen Maß an Präzision abzugleichen. Insbesondere werden keine Objekte beobachtet, deren scheinbares Alter nicht mit ihren Entfernungen von uns übereinstimmt.

Eine Möglichkeit, diesen Unterschied zwischen $ x = ct $ der speziellen Relativitätstheorie und der tatsächlichen Distanz-Zeit-Beziehung zu beschreiben, besteht darin, dass wir dies können Stellen Sie sich den Raum zwischen den Galaxien als expandierend vor. In dieser verbalen Beschreibung können wir uns vorstellen, dass auf dem Weg eines Lichtstrahls von Galaxie A zu Galaxie B zwischen A und B zusätzlicher Raum geschaffen wird, sodass die Entfernung zum Zeitpunkt des Eintreffens des Lichts größer als $ ct $ ist .

Nichts davon hat etwas mit Inflation zu tun. Die Inflation macht bestimmte überprüfbare Vorhersagen über kosmologische Beobachtungen (z. B. sagt sie voraus, dass das Universum räumlich flach ist), aber es ist irrelevant zu verstehen, warum der Radius des beobachtbaren Universums die Größe hat, die er im Vergleich zum Alter des Universums hat. Die Inflation ist möglicherweise nicht einmal korrekt. Wenn sich herausstellt, dass die Inflation nie stattgefunden hat, hat dies keine Auswirkungen auf diese spezielle Frage.

Es stellt sich heraus, dass wir mit einem vereinfachten kosmologischen FRW-Modell eine überraschend gute Schätzung der Größe des beobachtbaren Universums erhalten können Bestehend nur aus Staub, dh nichtrelativistischer Materie. Die Annäherung ist gut, weil das Universum den größten Teil seiner Geschichte von Materie dominiert hat, wobei nur eine sehr kurze Zeit von Strahlung dominiert wurde und eine andere relativ junge Ära von der kosmologischen Konstante dominiert wird. In Übereinstimmung mit den aktuellen Beobachtungsdaten machen wir eine zweite Annäherung, nämlich dass das Universum räumlich flach ist. In einem räumlich flachen FRW-Modell hat der $ r-t $ -Teil der Metrik die Form $ ds ^ 2 = dt ^ 2-a ^ 2dr ^ 2 $, wobei die Skalierungsfunktion $ a $ von der Zeit abhängt. Für ein Photon ist $ ds = 0 $, und wir können dann zeigen, dass die richtige Entfernung, die ein Photon seit kurz nach dem Urknall zurücklegt, durch $ L = a \ int dt / a $ gegeben ist. Für eine von Materie dominierte Lösung ist $ a $ proportional zu $ ​​t ^ {2/3} $, und wir finden $ L = 3t $. Dies liegt ziemlich nahe an dem Verhältnis von $ L / t $ von etwa 3,3, das von den realistischsten Modellen angegeben wird. Es ist auch sinnvoll, dass das Ergebnis etwas größer als 3 ist, da das Universum nun in eine Ära eingetreten ist, in der sich seine Expansion beschleunigt. In Zukunft wird $ L / t $ immer größer.

Das Universum wird allgemein als die Gesamtheit von allem definiert, was existiert, einschließlich aller physischen Materie und Energie, der Planeten, Sterne, Galaxien und des Inhalts des intergalaktischen Raums.

Niemand weiß, ob das Universum unendlich groß ist oder ob unser Universum das einzige ist, das es gibt.

Obwohl unsere Sicht auf das Universum begrenzt ist, sind unsere Vorstellungen nicht begrenzt. Astronomen haben indirekte Beweise dafür, dass sich das Universum der Galaxien weit über die Region hinaus erstreckt, die wir sehen können . Aber niemand weiß, ob das gesamte Universum unendlich groß ist - über die Grenzen hinaus groß.

Nach den führenden Theorien sehen andere Teile des Universums möglicherweise ganz anders aus als unsere eigenen - und kann sogar unterschiedliche Naturgesetze haben. Wir werden es vielleicht nie sicher herausfinden können. Aber es ist möglich, dass Hinweise auf die Antwort im Klartext liegen und nur darauf warten, entdeckt zu werden!

Ich sollte auch die "80 Milliarden Lichtjahre im Durchmesser" beachten, die nicht als Widerspruch gelten. Ich weiß nicht, worauf Sie sich beziehen, aber ich glaube, dass dies die Region betrifft, die wir noch von diesem Universum sehen können.

Sie können so nahe an der Lichtgeschwindigkeit fahren, wie Sie möchten, aber (vorausgesetzt, Sie bestehen aus Materie) können Sie nicht mit Lichtgeschwindigkeit oder schneller fahren.

Es gibt also keinen Grund, warum Galaxien bei 99,9999% der Lichtgeschwindigkeit nicht voneinander zurücktreten können. Dies ist jedoch nicht die ganze Geschichte, da die Erweiterung der Raumzeit lustige Dinge bewirken kann. Das Universum dehnt sich nicht so aus, wie man es vom Alltag erwarten würde, wie es eine Explosion tun würde, und es gab keinen "einzigen Punkt", auf den man hinweisen und sagen könnte: "Dort ist der Urknall passiert", es ist dort passiert Sie sitzen und auf der dunklen Seite des Mondes und gleich um die Ecke von Alpha Centauri ... tatsächlich überall.

Stellen Sie sich ein Diagramm vor - der Punkt im Diagramm bewegt sich nicht voneinander weg (dh Punkt A geht von (1,1) nach (2,2) und Punkt B geht von (5,5) bis 7,7)) - stattdessen wird der gesamte Graph, das Blatt Papier und alles gedehnt.

Diese Dehnung darf schneller als die Lichtgeschwindigkeit erfolgen, da sich nichts ändern muss Koordinaten dafür.

In Bezug auf den Titel Ihrer Frage lautet die beste Antwort "im Vergleich zu was?".

Kurz ...

Betrachten Sie ein Photon, das vor 13,8 Gly emittiert wurde (Gly = Milliarden Lichtjahre). Während es sich durch den Weltraum bewegt, entfernt es sich nicht nur weiter von seiner Quelle, weil es sich mit Lichtgeschwindigkeit $ c $ bewegt, sondern die Entfernung der Photonen nimmt auch zu, wenn das Universum wächst.

Technisch ...

Um technisch zu werden, wird die Expansion des Universums durch den Skalierungsfaktor $ a (t) $ erfasst, der durch die Friedmann-Gleichung bestimmt wird:

$$ \ frac {(a '(t) / a (t)) ^ 2} {H_ 0 ^ 2} = \ frac {\ Omega _ {\ text {R0}}} {a (t) ^ 4} + \ frac {\ Omega _ {\ text {M0}}} {a (t) ^ 3} + \ frac {\ Omega _ {\ text {$ \ kappa $ 0}}} {a (t) ^ 2 } + \ Omega _ {\ text {$ \ Lambda $ 0}} $$

wo die Hubble-Konstante $ H_0 = 67,8 \ frac {\ text {km} / \ text {s}} {\ text {Mpc}} = 0,0693 / \ text {Gyr} $, der Barwert der Strahlungsdichte $ \ Omega _ {\ text {R0}} = 0,0000905 $, der Barwert der Materiedichte $ \ Omega _ {\ text {M0}} = 0.308 $ (die hauptsächlich aus dunkler Materie bestehen), der aktuelle Wert der Krümmungsdichte $ \ Omega _ {\ text {$ \ kappa $ 0}} = 1 - (\ Omega _ {\ text {R0}} + \ Omega _ {\ text {M0}} + \ Omega _ {\ text {$ \ Lambda $ 0}}) = 1 $, und der Barwert der kosmologischen Konstante $ \ Omega _ {\ text {$ \ Lambda $ 0}} = 0,692 $. Diese Werte stammen aus der Plank Collaboration 2015. Diese Gleichung kann nur numerisch gelöst werden. Die folgende Abbildung zeigt den Skalierungsfaktor als Funktion der Zeit:

In der Kosmologie wird die Entfernung, die ein Photon in einer bestimmten Zeit zurücklegen kann, als die mit $ \ eta $:

$$ \ eta = \ int_ {0} ^ {t} \ frac {c dt} {a (t)} $$

was wiederum numerisch ausgewertet werden muss. Durch numerische Integration von 13.799 Gyr vor bis heute wird ein Teilchenhorizont von 43.5 Glyr erhalten, der die Radios des beobachtbaren Universums darstellt. Man sollte diesen Wert mit einem Salzkorn nehmen, da er sehr empfindlich auf $ H_0 $ reagiert.

Biologisch ...

Ich möchte mich auf "Warum ist das beobachtbare Universum so groß?" konzentrieren.aus einer anderen Perspektive.Alternativ können wir fragen, warum das beobachtbare Universum 13,8 Gyr alt ist!Dies ist keine so seltsame Frage, wenn wir sie wie folgt formulieren: "Warum schauen wir als Beobachter zufällig nach dem Urknall auf das Universum 13,8 Gyr?"Angesichts der Tatsache, dass das intelligente Leben auf der Erde ~ 3,5 Gyr brauchte, um aufzusteigen, und die Bedingungen des Universums zu hart waren, um die Entwicklung des Lebens während der ersten ~ 10 Gyrs zu ermöglichen, konnte man erwarten, dass die meisten Taschen intelligenter Beobachter das Universum ~ 15 bilden und studieren würdenGyr nach dem Urknall.Es ist jedoch sehr überraschend, dass wir uns am Beginn der Bildung des Lebens befinden, da das Leben noch viele Giga-Jahre lang gedeihen würde.

Ja, das klingt vielleicht nach einem Widerspruch, ist es aber nicht. Dies liegt daran, dass sich das Universum seit dem Urknall schnell in alle Richtungen ausgedehnt hat und unsere Beobachtungen durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt sind.

Zum Beispiel, wenn wir einen entfernten Quasar beobachten, der 10 Milliarden Lichtjahre entfernt zu sein scheint Das Licht des Quasars ist 10 Milliarden Jahre alt (weshalb Quasare als eines der ältesten Phänomene im Universum bekannt sind). In der Zeit, die dieses Licht brauchte, um uns zu erreichen, hat sich das Universum erweitert. Tatsächlich hat sich die Expansion beschleunigt, während die Entfernung zwischen uns und diesem Quasar derzeit erheblich größer als 10 Milliarden Lichtjahre ist.

Wenn wir die Möglichkeit hätten, entfernte Objekte so zu beobachten, wie sie erscheinen In diesem Fall hätten wir nicht nur eine Art Zeitmaschine, sondern könnten auch beobachten, dass das Universum einen Durchmesser von 80 Milliarden Lichtjahren hat, obwohl ich nicht für die Genauigkeit der auf der Wikipedia-Seite angegebenen Zahl von 80 Milliarden Lichtjahren bürgen kann / p>

Astronomen und Physiker kämpfen auch mit der Frage, "in was sich das Universum ausdehnt". Erweitert es sich in den leeren Raum und wenn ja, gibt es irgendetwas, das in großer Entfernung jenseits unseres Universums liegt? Wenn ja, kann das Universum unendlich sein.

Oder faltet sich das Universum auf einer höherdimensionalen Ebene wieder in sich zusammen, dh wenn wir ein hypothetisches Mittel hätten, um schneller zu reisen als die Expansionsrate des Universums und würden wir irgendwann wieder an derselben Stelle landen? In diesem Szenario würde das Universum jederzeit eine theoretische Grenze haben.

Dies ist keine Kontraktion. Spezielle Relativitätstheorie besagt nicht, dass sich nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann. Es heißt vielmehr, dass keine normale Materie schneller als die Lichtgeschwindigkeit wandern kann. Anstatt zu denken, dass sich Galaxien voneinander entfernen, denken Sie daher, dass der Raum zwischen ihnen größer wird. Das würde bedeuten, dass der Raum selbst die Lichtgeschwindigkeit übertreffen kann.

Die Frage fragt nach entgegengesetzten Rändern des beobachtbaren Universums, aber es ist ein Sonderfall einer allgemeineren Frage:

Wie können zwei Objekte, die sich für eine Zeit $ Δt $ span> von einem gemeinsamen Punkt entfernen, mehr als $ 2cΔt $ span> auseinander?

Sie müssen die allgemeine Relativitätstheorie nicht verstehen, um die Antwort auf diese Frage zu verstehen, da dies auch bei der speziellen Relativitätstheorie vorkommen kann. Für den Rest meiner Antwort gehe ich von einer grundlegenden Vertrautheit mit der speziellen Relativitätstheorie aus.

Alice und Bob stellen ihre Stoppuhren an einem gemeinsamen Ort und zu einer gemeinsamen Zeit auf Null und bewegen sich dann 1 Sekunde lang voneinander weg, gemessen mit den Stoppuhren (oder gemessen mit "eine Kartoffel"). Wie weit sind sie am Ende voneinander entfernt? Das heißt, wie groß ist das Raumzeitintervall zwischen den beiden Ereignissen der Stoppuhren, die 1 Sekunde anzeigen?

Es ist leicht zu zeigen, dass das Intervall am Ende $ \ sqrt {2 (γ {-} 1)} $ span> ist, wenn sich beide träge bewegen leichte Sekunden, wobei $ γ $ span> der Gammafaktor ihrer relativen Geschwindigkeit ist. Da $ γ $ span> beliebig groß sein kann, kann auch der Abstand beliebig groß sein. Es überschreitet 2 Lichtsekunden, wenn $ γ>3 $ span> ( $ v \ gtrsim 0.94c) $ span> und überschreitet beliebiger endlicher Wert für eine ausreichend große (Unterlicht-) Relativgeschwindigkeit.

In der Minkowski-Raumzeit gilt die Dreiecksungleichung nur, wenn alle drei Seiten des Dreiecks raumartig sind. In anderen Fällen wird die Länge der dritten Seite überhaupt nicht durch die Länge der beiden anderen begrenzt. Unser Gedankenexperiment ist der Fall, bei dem zwei der Seiten zeitlich und die dritte raumartig sind. Der Fall, in dem alle drei Seiten zeitlich gleich sind, ist das Zwillingsparadoxon: Der Zwilling, der zu Hause bleibt, kann beliebig alt sein, wenn der reisende Zwilling von seinem Zwei-Sekunden-Ausflug zurückkehrt.

Wir können dies ein bisschen mehr wie eine Kosmologie aussehen lassen, indem wir Carol, Ted usw. vorstellen, die sich ebenfalls für eine richtige Sekunde träge von demselben Punkt (den wir den Urknall nennen) entfernen. Sie bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, aber wir werden verlangen, dass die relativen Geschwindigkeiten der nächsten Nachbarn einander ähnlich sind (dies ist die Homogenitätsannahme in der Kosmologie). Anstatt das geradlinige Raumzeitintervall zwischen den entferntesten Bewegern zu messen, messen wir auch die Intervalle zwischen den nächsten Nachbarn und addieren sie.

Wenn Sie die Weltlinien aller Mover zeichnen, liegen die Punkte, an denen ihre Stoppuhren 1 Sekunde anzeigen, auf einer Hyperbel mit der Gleichung $ t ^ 2-x ^ 2 = 1 \ , \ text {s} ^ 2 $ span> in Trägheitskoordinaten. ** Die Entfernungen, die wir messen, sind polygonale Annäherungen an Entfernungen entlang dieser Hyperbel. Sie könnten denken, dass diese Entfernungen länger sind als die geradlinigen Entfernungen; Eigentlich sind sie kürzer, weil in der Raumzeit wie immer alles rückwärts ist. Sie sind jedoch nicht kürzer genug, um die grundsätzliche Schlussfolgerung zu ändern, dass beliebig lange Entfernungen möglich sind. Sie können jederzeit eine größere Entfernung zurücklegen, indem Sie die Relativgeschwindigkeit benachbarter Mover erhöhen oder an den Extremen mehr davon hinzufügen.

Dieses Spielzeugmodell ist mehr als nur eine Analogie. Wenn Sie mit dem ΛCDM-Modell beginnen, das die reale Welt beschreibt (nach dem Aufblasen), und alle Dichten in geeigneter Weise kontinuierlich auf Null bringen, verwandelt es sich kontinuierlich in dieses Spielzeugmodell. In jedem Zwischenmodell sind ausreichend entfernte Objekte weiter voneinander entfernt als das $ 2c $ span> -fache der kosmologischen Zeit seit dem Urknall, und es macht keinen Sinn, die Grenze zu überschreiten was der Grund dafür ändert. Die Raumzeit der realen Welt ist gekrümmt, aber die Krümmung ungleich Null ist nicht der Grund, warum dieses kontraintuitive Verhalten möglich ist. Der wahre Grund ist die gemischte metrische Signatur der Raumzeit.

Abgesehen vom Versagen der Dreiecksungleichung ist ein weiterer Grund, warum dies so verwirrend ist, wahrscheinlich die starke Betonung kartesischer (Trägheits-) Koordinatensysteme beim Unterrichten spezieller Relativitätstheorie. Einstein hatte 1905 einen guten Grund, diese Art von Koordinatensystem zu konstruieren: Er versuchte, eine Verbindung zum traditionellen Newtonschen Bild von Raum und Zeit zum Nutzen seines Publikums herzustellen, das immer noch an dieses Bild glaubte. Heute, 115 Jahre später, glaubt niemand an dieses Bild, aber wir lehren es immer noch. Es werden so viele kartesische Koordinaten und verwandte Formeln (Zeitdilatation, Längenkontraktion usw.) gebohrt, dass die Leute auf die Idee kommen, dass das Universum so wirklich funktioniert. In Wahrheit kümmert sich das Universum nicht um unsere Koordinatensysteme. Das, was einem universellen Netzwerk synchronisierter Uhren in der realen Welt am nächsten kommt, sind die expandierenden Galaxien, die keinem kartesischen Gitter folgen, sondern einer Art polaren Gitter (wenn auch auf einer gekrümmten Mannigfaltigkeit). Wenn Sie "Entfernung" und "Zeit" anhand eines kartesischen Gitters definieren, können Sie nicht mehr als $ Δx = 2cΔt $ span> entfernen. Wenn Sie sie jedoch anhand des Polargitters definieren, das tatsächlich (auf eine Art und Weise) existiert, können Sie dies - auch in der Grenze, in der die Raumzeit flach ist.

* Wähle Einheiten mit 1 Sekunde = 1 Lichtsekunde = 1 und Trägheitskoordinaten mit dem Startpunkt $ x = t = 0 $ span>, Alice nicht Bewegen Sie sich und Bob bewegt sich auf der x-Achse. Dann ist Alices endgültige Position $ (x, t) = (0,1) $ span> und Bobs ist $ (x, t ) = (γβ, γ) $ span> und der Abstand zwischen ihnen ist $ \ sqrt {(γβ-0) ^ 2- (γ-1) ^ 2} $ span> = $ \ sqrt {2γ-2} $ span>.

** Wenn Sie mehr räumliche Dimensionen hinzufügen, handelt es sich um ein Hyperboloid, das im Minkowski-Raum eine Oberfläche mit konstanter negativer Krümmung ist.Dieses Modell ist eine Nulldichtegrenze der FLRW-Kosmologie, und deshalb ist der Raum in dieser Grenze negativ gekrümmt und nicht wie erwartet flach: Die FLRW-Koordinaten sind analog zu Polarkoordinaten und "Raum" ist eine Kugel der KonstantenRadius (kosmologische Zeit).In einem euklidischen Raum hätte es eine konstante positive Krümmung;in der Minkowski-Raumzeit ist alles rückwärts.