Откуда мы знаем, что пространство расширялось со скоростью, превышающей скорость света, во время инфляции Большого взрыва?

Откуда мы знаем, что при инфляции пространство расширялось быстрее скорости света?

Начнем с самого начала, по той причине, что теория Большого Взрыва была предложена в качестве модели Вселенной. Причиной стали наблюдения, что все скопления галактик удаляются друг от друга. Вот что происходит при взрыве в центре, в трех измерениях. В рамках общей теории относительности было предложено, что Вселенная началась с одной сингулярности, и было предложено частное решение и смоделированы данные до точки, называемой Большим взрывом.

Инфляция появилась, чтобы попытаться объяснить другие наблюдения, фактически измерения космического микроволнового фона (CMB) . Они показывают очень однородную Вселенную, потому что, хотя карты показывают более горячие и более холодные регионы, разница между ними меньше 0,0002 Кельвина . В старой модели Большого взрыва гомогенность нельзя было объяснить тем, что Вселенная достигла термодинамического равновесия во время образования ядер, потому что к тому времени Вселенная была слишком велика, чтобы вся она могла термодинамически взаимодействовать со скоростью световых взаимодействий и гомогенизировать температуры.

Таким образом, инфляция была навязана в самом начале после предполагаемой сингулярности, времени, когда квантово-динамические взаимодействия гомогенизировали вселенную, чтобы создать уровни гомогенности, наблюдаемые в реликтовом излучении.

Текущая модель ББ

Ведь если волн нет и материи нет, то как узнать, что пространство есть? Как можно сказать, есть пространство или нет, если там нет ни материи, ни волн, с которыми можно было бы взаимодействовать, как можно отличить пространство от того, что оно есть, и что его нет?

В этом вы правы, поэтому говорят об «наблюдаемой вселенной». Модели соответствуют наблюдаемой вселенной.

Но тогда, если нам необходимо присутствие волн или материи, чтобы мы знали, что именно здесь находится край, как тогда Вселенная может расширяться быстрее скорости света?

Модели могут быть экстраполированы на ненаблюдаемые в настоящее время части. Мы наблюдаем их отпечаток в реликтовом излучении, (370000 лет после ББ) и, возможно, если результаты BICEP2 верны, в отпечатке гравитационных волн на реликтовом излучении (10^-32 секунды после ББ), и используя уравнения В текущей модели ББ мы знаем, что сейчас часть тогдашней Вселенной для нас недоступна, потому что уравнения говорят нам, что она удалялась/удалялась/удалялась со скоростями, превышающими скорость света. Смотрите ответ CuriousOne по этому поводу.

Инфляция не нарушает никакой локальной физики скорости света, и в общей теории относительности нет глобального запрета на точки пространства-времени, удаляющиеся друг от друга быстрее скорости света. Такие точки пространства-времени просто не связаны между собой причинно-следственной связью, т.е. между ними нет физического способа связи (поскольку световые сигналы из одной точки не могут достичь другой точки). Это означает, что мы не можем заглянуть «за» горизонт событий локальной вселенной. Мы не знаем, что находится «вне» этого горизонта событий. Если инфляция верна, Вселенная может быть намного больше той части, которую мы можем видеть.

Или, может быть, инфляционная гипотеза неверна, и произошло что-то еще, имеющее такие же последствия для однородности, как и инфляция. Что это может быть?

Например, Вселенная могла существовать до T_cosmological=0, и она могла быть в хорошо перемешанном состоянии (т.е. однородном) задолго до начала T_cosmological. Это происходит в моделях с «большим отскоком».

Или скорость света могла бы быть намного выше при сверхвысоких энергиях, что позволило бы исходной Вселенной гомогенизироваться намного быстрее, чем мы рассчитываем, используя общую теорию относительности и квантовую механику.

Или общая теория относительности нуждается в модификации, например, добавлении кручения, что приводит к тому, что называется теорией Эйнштейна-Картана. Если я правильно понимаю, в этой модели Вселенная никогда не была сколь угодно маленькой, Большой взрыв начинается с конечного размера, что также, кажется, помогает сделать ее более однородной.

Я уверен, что у теоретиков здесь будут какие-то аргументы, почему все мои любимые модели уже исключены (в этом случае я извиняюсь за ерунду!).

Важным выводом для всех (как физиков, так и нефизиков) является то, что важно непредвзято относиться к нескольким возможностям.