(Waarom) kan ruimte sneller bewegen dan het licht?

Eric, 72 jaar
4 november 2014

Dijt het heelal sneller uit dan het licht? Ruimte is homogeen gevuld met donkere energie. Energie is massa(E=mc²) dus kan massa sneller bewegen dan licht?

Antwoord

 

Ruimte kan niet sneller bewegen dan het licht, ruimte beweegt helemaal niet: ze vormt het 'kader' waartegenover bewegingen gebeuren.  Beweging is beweging in de ruimte.  De expansie van het heelal is niet de uitbreiding van een fluidum dat we 'ruimte' noemen binnen een soort van constante superruimte, die eigenlijk de echte 'ruimte' zou zijn.  Neen, de 'echte' ruimte is degene waarvan we vaststellen dat ze uitbreidt.  Ten opzichte van die expanderende ruimte staan andere sterrenstelsels evenzeer stil als wij.  Door de uitbreiding van de ruimte zien we hun afstand groter worden, en we zeggen we dat ze 'zich verwijderen', maar eigenlijk is dat geen beweging van die sterrenstelsels.

Ten opzichte van de ruimte kan niets zich sneller bewegen dat het licht.  Maar als we de expansie van het heelal uitdrukken in termen van snelheden, dan stelt de wet van Hubble dat de verwijderingssnelheid toeneemt met de afstand, en impliceert het groter worden van de ruimte dat vanaf een bepaalde 'afstand' de verwijderingssnelheid groter is dan de lichtsnelheid.  Daar zien we niets van, want de verste afstand - of de verst verwijderde epoche - die we theoretisch zouden kunnen waarnemen, komt overeen met de oerknal zelf.  Daar is de verwijderingssnelheid gelijk aan de lichtsnelheid.  Om de spraakverwarring te vermijden, werken we met roodverschuiving eerder dan met verwijderingssnelheid; de oerknal komt dan overeen met roodverschuiving oneindig.

Het juiste referentiesysteem om de expansie van het heelal te beschrijven, is er dus een dat 'mee beweegt' (opnieuw een uitdrukking die verwarrend kan overkomen, want er 'beweegt' niets), het zogenaamde 'comoving frame'.  Het is ten opzichte van dit frame dat 'donkere energie' wordt gedefinieerd.  Dus ook die donkere energie beweegt niet, er komt er wel telkens bij naarmate het heelal groter wordt.  Dat kan weeral raar overkomen, want hoe rijmen we dat met energiebehoud?  Hier volgt daarom een korte beschrijving van hoe energiebehoud wordt behandeld in een groter wordend heelal.

De eerste hoofdwet van de thermodynamica drukt lokaal energiebehoud uit.  De verandering van de totale energie E is de som van de verandering van de inwendige energie U en de arbeid die het systeem levert.  Wiskundig uitgedrukt: dE = dU + P dV = 0.  Met P de druk en V het volume. De aanwezigheid van positieve energie in het heelal zorgt voor een vertraging van de expansie, want een positieve energie in een aantrekkende gravitatie, trekt aan.

- materie (baryonisch of donker).  Daarvan is de energie-inhoud U gewoon de rustmassa.  Alles staat in essentie stil ten opzichte van expansie, de materie oefent geen druk uit.  De totale energie is de inwendige energie, en die is gelijk aan de energiedichtheid maal het volume.  De energiedichtheid (massa per eenheid van volume V) van de materie neemt gewoon af met 1/V, of dus met 1/R^3.  De totale hoeveelheid massa in een groter wordend volume blijft dus dezelfde.

- straling (kosmische achtergrond).  Nu is er wel druk, want straling beweegt.  Als u de uitdrukkingen voor de energiedichtheid (a T^4) en druk (a T^4 / 3) van een zwarte straler invult in de eerste hoofdwet, vindt u netjes dat T evenredig is met 1/R.  In een universum met alleen straling daalt de energiedichtheid dus sneller dan in een universum met alleen materie: de energiedichtheid gaat hier met 1/R^4.  Een andere manier om dit te beschrijven, is dat enerzijds het aantal fotonen per eenheid van volume daalt met 1/V, maar dat elk foton bovendien energie verliest volgens 1/R, want de golflengte verschuift naar het rood.  De arbeid die de straling uitvoert op de expansie, draagt bij tot de verandering van de energie die de expansie vertraagt. 

- donkere energie (kosmologische constante).  Wat in eerste instantie de 'kosmologische constante' werd genoemd, is een geometrische term die optreedt in de meest algemene vorm van Einstein's theorie, en die geometrisch overeenkomt met een versnelling van de expansie.  Als men die term fysisch interpreteert (naar het rechterlid brengt in de vergelijking van Einstein) dan komt het neer op een van nul verschillende constante positieve energiedichtheid van de lege ruimte.  De eerste term van de eerste hoofdwet is dus dU = d(rho V) waarbij de energiedichtheid rho constant is.  Of: dU = rho dV.  Met dU + P dV = 0 betekent dit meteen dat (rho + P) dV = 0, of rho = -P.  Een positieve donkere energie komt dus overeen met een negatieve druk.  Hier is het dus niet de energie die arbeid uitoefent op de expansie, maar de expansie die arbeid uitoefent op de donkere energie.   Met als gevolg dat de expansie versnelt!  Heel intuitief is dat allemaal niet; persoonlijk vind ik de benaming 'donkere energie' eerder verwarrend dan verhelderend, maar het schijnt sexy te zijn.

Reacties op dit antwoord

  • 17/11/2014 - Eric (vraagsteller)

    Duizend maal bedankt voor uw antwoord.Als ik eerlijk ben gaat het hier en daar boven mijn petje.Maar ik zie toch dat ge het zo eenvoudig mogelijk hebt gehouden.

Enkel de vraagsteller en de wetenschapper kunnen reageren op een antwoord.

Beantwoord door

Prof. Christoffel Waelkens

Sterrenkunde

Katholieke Universiteit Leuven
Oude Markt 13 3000 Leuven
https://www.kuleuven.be/

Zoek andere vragen

© 2008-2022
Ik heb een vraag wordt gecoördineerd door het
Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen