Om Universets udvidelse

Spørgsmålet

Tak for din artikel på videnskab.dk.

Her skriver du

“Ét sekund gammelt er universet vokset til 10 lysår i radius, og alle antiprotonerne annihilerer med protonerne (tilintetgør hinanden), antineutronerne med neutronerne, osv.”
D.v.s. Udvidelsen er sket med en hastighed på 300.000.000 hurtigere end end lysets hastighed.

Måske har du glemt at tiden var anderledes dengang. Eller er der noget der går hurtigere end lyset?

Med venlig hilsen
Poul Erik Elling


Det korte svar

Ja, Universets udvider hurtigere end lyset.

Gå til brevkassen

Hej Poul Erik,

Mange tak for interessen!

Dit spørgsmål bygger på en misforståelse, men det er en misforståelse der ud ekstremt udbredt, ikke blot blandt lægfolk, men også blandt professionelle astronomer og fysikere.

Speciel vs. generel relativitetsteori

Som mange ved, så kan intet bevæge sig gennem rummet hurtigere end lysets hastighed. Dette er en forudsigelse af Einsteins specielle relativitetsteori (SR) fra 1905. Men dét som han viste 10 år senere med sin generelle relativitetsteori (GR) var, at selve rummet er "dynamisk", dvs. det kan ændre form og størrelse. For eksempel ændrer rummets geometri sig i nærheden af tunge legemer. Og f.eks. kan rummet udvide sig og trække sig sammen.

Denne udvidelse kan ske vilkårligt hurtigt, og det gjorde den ved Big Bang, og det gør den stadig i dag. Udvidelsen er, og var, homolog, dvs. rummet udvider sig på en sådan måde, at afstanden mellem to punkter øges med en hastighed som er proportional med afstanden.

Det betyder, at to punkter som er tæt på hinanden, fjerner sig langsomt fra hinanden, mens to punkter som er langt fra hinanden, fjerner sig hurtigt fra hinanden. Og hvis de er langt nok fra hinanden, vil hastigheden overstige lysets hastighed.

En ofte brugt analogi er nogle myrer på overfladen af en ballon. Myrerne kan højst kravle, lad os sige, 10 cm/s. Men selv hvis de ikke kravler, kan de bevæge sig væk fra hinanden meget hurtigere, hvis bare du puster hård nok i ballonen.

Hvis f.eks. ballonens omkreds på et tidspunkt er 10 m, og du puster, så omkredsen øges med 1 m/s, vil to myrer der er 10 cm fra hinanden (1% af omkredsen) fjerne sig med 1 cm/s. To myrer der er 1 m fra hinanden (10% af omkredsen) fjerner sig med 10 cm/s, hvilket man kunne tro var maxhastigheden, da det er så hurtigt en myre kan kravle. Men to myrer der er 2 m fra hinanden, fjerner sig med 20 cm/s, og to myrer på hver sin side af ballonen fjerner sig med 50 cm/s, altså 5×myrehastigheden (alle afstand måles langs med ballonens overflade).

image hover
2D-analogi af Universets udvidelse: Til ethvert tidspunkt fjerner den røde myre sig dobbelt så hurtigt fra den brune myre, som de sorte myre gør, fordi den er dobbelt så langt væk. Og på intet tidspunkt er denne hastighed begrænset af, hvor hurtigt en myre kan kravle.

Hubbles lov

Dette er essensen af Hubbles Lov, som siger at hastigheden \(v\) mellem to galakser er proportional med afstanden \(d\) mellem dem: $$ v = H_0 \, \times \, d $$ Proportionalitetsfaktoren \(H_0\) kaldes Hubblekonstanten, og har i vore dage værdien \(H_0\) = 70 km/s/Mpc. Her betyder "Mpc" megaparsec, altså en million parsec, eller ca. 3.3 millioner lysår.

Dét betyder, at to galakser som er 1 Mpc fra hinanden, fjerner sig fra hinanden med hastigheden 70 km/s. Galakser der ligger 2 Mpc fra hinanden, fjerner sig med 140 km/s. Galakser der ligger 1 Gpc (gigaparsec), fjerner sig med 70.000 km/s, eller 23% af lysets hastighed. Og galakser der ligger længere væk fra hinanden end ca. 4300 Mpc, eller 14 milliarder lysår, fjerner sig fra hinanden hurtigere end lysets hastighed.

Tidligere i Universets historie havde \(H_0\) en anden værdi, og ved inflationen var den afsindig høj, i omegnen af 1051 km/s/Mpc, altså et 1-tal med 51 nuller efter.

Det essentielle ved denne historie er, at på intet tidspunkt bevæger galakserne sig gennem rummet hurtigere end lyset — dét kan man ikke. Men selve rummet kan udvide sig så hurtigt det skal være, og dermed kan to punkter som er langt nok fra hinanden, fjerne sig fra hinanden vilkårligt hurtigt.

Her er lige en ekstra fun fact: Hvad der måske er endnu mere underligt er, at selvom en galakse ligger så langt væk, at den fjerner sig fra os hurtigere end lyset, kan vi stadig se den, og det gør vi ofte. Men at forstå dette kræver en del matematik, så den gemmer vi til en anden gang :)

Bedste hilsener,
Peter