Нужно ли было Вселенной присутствие материи и радиации, чтобы начать расширяться?

Расширение Вселенной — это относительное движение вещества в ней. Говорить о расширении вакуума бессмысленно.

Существуют вакуумные решения ЖРО: это пространство Минковского (для$Λ=0$), пространство де Ситтера ($Λ>0$) и пространство анти де Ситтера ($Λ<0$). Все они максимально симметричны — каждая точка пространства-времени выглядит так же, как и любая другая, — поэтому не существует общековариантного способа определить масштабный коэффициент, изменяющийся во времени, или любую другую величину, меняющуюся в зависимости от положения в пространстве-времени. Существует множество различных параметризаций FLRW этих пространств-временей или их частей, которые присваивают каждой точке разные космологические времена и масштабные коэффициенты. Это просто системы координат, ни одна из которых не является более правильной, чем любая другая, как инерциальные системы отсчета в специальной теории относительности.

Во время инфляции пространство-время на самом деле не является де Ситтером. Поле инфлатона имеет изменяющуюся во времени плотность энергии (медленное вращение), которую можно использовать для определения временной координаты и коэффициента масштабирования. Если не считать это материей, то вселенной не нужна материя для расширения. Что ему нужно, независимо от номенклатуры, так это что-то, что напоминает поток Хаббла, т. е. что-то, что имеет определяющую симметрию геометрии FLRW и не имеет большей симметрии. Случайное пространство-время недостаточно симметрично, а вакуум FLRW слишком симметричен, чтобы однозначно расширяться.

Давайте посмотрим на данные, которые описывает модель общей теории относительности (ОТО). ОТО — это теория в том, что касается математики. Чтобы иметь отношение к физике, он должен моделировать данные Вселенной (в данном случае).

Данные Вселенной состоят из чисел и наблюдений за излучением и материей, если их нет, то нет Вселенной, только математика и научная фантастика.

Давайте посмотрим на основное математическое соотношение ОТО

В левой части у нас есть пространственные переменные, определяющие тензор, в правой части находится тензор энергии-импульса. Для конкретной задачи с энергией и излучением в правой части это сложное уравнение, которое необходимо вычислить для конкретной задачи о материи и излучении. Из-за математического равенства между пространством и энергией/импульсом математические решения создают то, что называется искривлением пространства.

Если правая часть равна нулю, не может быть решений, показывающих кривизну пространственных координат. Здесь об этом упоминается

В общей теории относительности симметричный тензор энергии-импульса действует как источник искривления пространства-времени.

Я нашел этот подробный ответ в Quora , который может вас заинтересовать.

По моему мнению, математические уравнения могут иметь любое количество решений, задача физического анализа состоит в том, чтобы установить, где эти решения описывают данные и наблюдения и, что важно, являются предсказательными. Когда нет материи и энергии, для описания физической ситуации следует выбирать те решения, которые совместимы с теми, которые не имеют кривизны.

Возможно, первоначальные поля виртуальной материи были ограничены нашим трехмерным пространством, в то время как наше пространство было встроено в сильно отрицательно искривленное четырехмерное пространство (что-то вроде описанного в пиротехнических подходах). Виртуальный характер мог вызвать эту отрицательную кривизну. Он вытащил (или подтолкнул) виртуальные вещи к реальному существованию одним рывком. Тем самым придавая положительную кривизну и останавливая ускорение. Мы видим, как Вселенная расширяется в трехмерном пространстве, в котором заключена материя, но это трехмерное пространство расширяется в четырехмерном пространстве. Так что понадобилась только виртуальная материя.

Если бы в материи нашей Вселенной все расстояния между заряженными частицами расширялись с одинаковой скоростью, то их удаление друг от друга не было бы заметно. Все фотоны сохранят свою длину волны при измерении расстояний между взаимодействующими частицами. Но частицы взаимодействуют . Итак, благодаря этому взаимодействию мы замечаем расширение. Но для начального рывка скорости, раздувания, нужна была только виртуальная материя.

Ваш вопрос затрагивает глубокие вопросы о начале Вселенной, как описано в «Космологии согласования», и вы правы в том, что существуют противоречия.

Ответ заключается в том, что космология согласования неверна.

Общая теория относительности и Большой взрыв верны, но дополнительные дополнения, добавленные примерно с 1990 года, инфляция и темная энергия неверны.

Было бы слишком длинным и субъективным ответ, чтобы вдаваться в подробности о том, как можно улучшить текущую космологию.