Метрика FRW и ее достоверность на протяжении всей эпохи Вселенной

Мы не думаем, что метрика FLRW действительна на протяжении всей истории Вселенной.

Если взять метрику вида:

тогда мы ожидаем, что это будет справедливо на протяжении всей истории Вселенной, пока Вселенная изотропна и однородна. Однако нам нужно найти уравнение для функции$a(t)$, и это то, что делает метрика FLRW. Это относится$a(t)$материи/энергии Вселенной и позволяет нам рассчитать форму$a(t)$. Если интересно, я вычислил$a(t)$для нашей Вселенной в моем ответе на Как меняется параметр Хаббла с возрастом Вселенной? .

Однако расчет делает предположения о содержании вещества/энергии. В частности, предполагается, что необходимо учитывать только три типа энергии/материи:

1. релятивистская материя и излучение

2. обычное повседневное дело

3. космологическая постоянная

То, как плотности этих трех компонентов масштабируются вместе с размером Вселенной, определяет форму$a(t)$. Релятивистская материя и излучение преобладают в ранние времена, нормальная материя доминирует в промежуточные времена и космологическая постоянная доминирует в длительные времена. Наша Вселенная совершила переход от преобладания материи к преобладанию темной энергии примерно через 6-8 миллиардов лет после Большого взрыва.

Но ...

Мы ожидаем, что будут и другие факторы, влияющие на общую плотность энергии. Например, большинство космологов считают, что инфляционный период начался около$10^{-36}$секунды после Большого Взрыва. Это было вызвано еще не идентифицированным источником, называемым инфлатонным полем . Поле инфляции не включено в метрику FLRW, поэтому метрика FLRW пропускает инфляцию.

Другая, более спорная возможность заключается в том, что темная энергия зависит от времени, и в этом случае ее обычно называют квинтэссенцией . В этом случае предположение о постоянной плотности темной энергии неверно, и метрика FLRW не сможет описать Вселенную в фазе с преобладанием темной энергии.

Но я, возможно, немного суров к мессерам Фридману, Леметру, Робертсону и Уокеру, потому что общая форма их метрики все еще будет действительна. Просто нужно включать в плотность материи/энергии лишние компоненты, неизвестные в свое время. Метрика Фридмана, Леметра, Робертсона, Уокера, Ренни$^1$что включает в себя все компоненты, которые когда-либо будут влиять на плотность материи/энергии, будет действовать на протяжении всей истории Вселенной.

$^1$работа в процессе

Метрика F(L)RW содержит очень мало предположений, хотя они довольно сильны:

• Пространство-время однородно.
• Пространство-время изотропно.

Или, другими словами, предполагается космологический принцип . С философской точки зрения это очень желательно, поскольку представление о том, что во Вселенной есть предпочтительные места или направления, с современной точки зрения несколько отталкивает. Кроме того, наша способность понять физику Вселенной довольно сильно зависит от соблюдения космологического принципа, поэтому мы очень хотимего держать. К счастью, наблюдения указывают на однородность и изотропию в «достаточно больших» масштабах. И мы не игнорируем любые отклонения от идеальной однородности и изотропии; мы знаем, как эволюционировать линейные возмущения (аналитически) и нелинейные возмущения (численно) поверх фоновой метрики F(L)RW. Используя этот пертурбативный механизм, мы можем работать с различными моделями Вселенной.

В любой модели F(L)RW, которую мы считаем реалистичной, отклонения от однородности и изотропии имеют тенденцию расти со временем, поэтому, если мы утверждаем, что космологический принцип выполняется сейчас (достаточно хорошо, чтобы мы могли использовать F(L)RW + возмущения, чтобы получить рабочий модели), мы неявно утверждаем, что она сдерживается во времени, по крайней мере, до уровня инфляции. И если мы правы и мы вступаем в эпоху доминирования темной энергии, космологический принцип будет продолжать действовать в (довольно долгом) обозримом будущем.