Темная материя вызывает искривление пространства-времени. Мы видим это через гравитационное линзирование. Но что позволяет нам предполагать, что пространство-время плоское, когда нет нормальной материи? Почему мы не можем сказать, что темная материя — это просто естественная кривизна пространства-времени? Flat кажется частным случаем по сравнению с остальными возможными геометриями.
Мы предполагаем, что большая часть пространства плоская, по той же причине, по которой мы предполагаем плоское пространство стекла, когда изображения, которые мы видим через него, неискажены. В случае астрономии изображения, видимые через «стекло» пространства, состоят в основном из далеких галактик и скоплений галактик.
В резком контрасте темная материя искажает изображения лишь в крошечной части пространства. Он действует подобно увеличительному стеклу, создавая увеличенные и странным образом искаженные изображения еще более далеких галактик. Эффект называется линзой Эйнштейна, и да, его даже можно использовать (с компьютерной обработкой изображений) как своего рода телескоп размером со вселенную.
Вполне возможно, что естественная кривизна пространства-времени проявляется как темная материя. Таким образом можно описать темную энергию. Помещение темной энергии в правую часть уравнения Эйнштейна интерпретирует ее как материю/энергию, а помещение ее в левую часть интерпретирует как геометрическое свойство пространства-времени.
Проблема с темной материей в том, что она неравномерна. Например, наблюдения за скоплением пули позволяют предположить, что существуют концентрации темной материи, которые (до столкновения) соответствовали плотности видимой материи.
Описывая расширение Вселенной в целом, мы могли бы смоделировать темную материю как геометрическое свойство, как и темную энергию. Однако это не помогло бы нам объяснить наблюдаемую неравномерность в распределении темной материи. Это можно объяснить, только поместив темную материю в правую часть уравнения Эйнштейна, то есть как некую форму слабо взаимодействующей материи, рассеянной по Вселенной.
И последнее замечание: плоская геометрия кажется большинству физиков наиболее естественной. Это потому, что если Вселенная искривлена, кривизна меняется (увеличивается) со временем. Если Вселенная была хотя бы немного искривлена сразу после Большого взрыва, то она была бы сильно искривлена сейчас — 13,8 миллиарда лет спустя. Однако, если Вселенная изначально была плоской, она останется плоской. Поскольку сейчас Вселенная явно не сильно искривлена, самое простое объяснение состоит в том, что изначально она была плоской и, следовательно, осталась плоской.
Это не предположение, это фундаментальный аспект общей теории относительности (ОТО) , которая, как было показано, является очень точным описанием многих наблюдаемых явлений . Краеугольным камнем ОТО являются уравнения поля Эйнштейна , которые мы можем записать так:
Левая часть уравнения более точно выражается конкретными (комплексными) мерами кривизны (например, метриками, тензорами кривизны и т. д.), тогда как правая часть обычно задается тензором энергии-импульса, который включает все типы материи . --- и даже не только "материя" в классическом смысле, но и излучение и т. д. Итак, по сути, общая теория относительности говорит, что кривизна и энергия (любой формы) неразрывны --- и в этом суть того, как мы рассматривать пространство-время и космологию.
Редактировать:
на самом деле есть еще один способ подумать о вашем вопросе — исторически, с точки зрения того, как развивалась теория темной материи. По сути, мы наблюдали гравитационные силы (кривизну пространства-времени), которые нельзя было связать с известными формами материи , и поэтому темная материя (ТМ) постулировалась как источник этой дополнительной кривизны. Таким образом, косвенным образом, темная материя — это просто искривление пространства-времени, которое мы наблюдаем... это каузально «просто естественное» свойство пространства-времени.
Пожалуйста, прокомментируйте, если я неправильно истолковываю суть вопроса (например, что вы подразумеваете под «нормальным» вопросом).
Что позволяет нам предполагать, что пространство-время плоское, когда нет нормальной материи?
Ничего. Однако люди делают это предположение, а затем предлагают экзотические частицы темной материи для объяснения гравитационных аномалий, таких как плоские кривые вращения галактики. И это несмотря на то, что Эйнштейн сказал, что «энергия гравитационного поля должна действовать гравитационно так же, как и любой другой вид энергии» . Гравитационное поле — это область пространства, где плотность энергии выше, чем в свободном пространстве. Эта пространственная энергия обладает массовым эквивалентом и гравитационным эффектом, но она не состоит из частиц. Вместо этого это место, где пространство не является «ни однородным, ни изотропным» нелинейным образом. Это то же самое, что искривленное пространство-время, см. Неоднородный вакуум: альтернативная интерпретация искривленного пространства-времени . Также смНеоднородная и взаимодействующая энергия вакуума .
Существуют ли какие-либо другие теории, объясняющие движение галактик, скопление Вселенной и другие наблюдения (которые приводят нас к предположению о существовании темной материи) как экзотические состояния пространства-времени?
Возможно, f(R)-гравитация — это то, что вы ищете, но «экзотические состояния пространства-времени» меня немного смущают. Гравитационное поле — это неоднородное пространство = искривленное пространство-время, но оно не экзотично.
Темная материя вызывает искривление пространства-времени. Мы видим это через гравитационное линзирование.
См. аннотацию к первой статье о неоднородном вакууме: «Обнаружено сильное сходство между распространением света в искривленном пространстве-времени и в среде с переменным показателем преломления. Отмечается, что искривленное пространство-время эквивалентно неоднородному вакууму для света. Выведен соответствующий градуированный показатель преломления вакуума в статическом сферически-симметричном гравитационном поле. Этот результат обеспечивает простой и удобный способ анализа гравитационного линзирования в астрофизике».
Но что позволяет нам предполагать, что пространство-время плоское, когда нет нормальной материи? Почему мы не можем сказать, что темная материя — это просто естественная кривизна пространства-времени? Flat кажется частным случаем по сравнению с остальными возможными геометриями.
Я разделяю ваше настроение. Космос темный, у него есть энергия вакуума, которая имеет массовый эквивалент, и ее много. А для себя я думаю, что сохранение энергии означает, что пространство должно быть неоднородным. Аналогия с изюмом говорит, что пространство расширяется между галактиками, но не внутри. Таким образом, каждая галактика обязательно находится в области пространства с более высокой плотностью энергии, чем межгалактическое пространство, так что она окружена ореолом неоднородного пространства. А согласно Эйнштейну, неоднородное пространство — это и есть гравитационное поле.