Как мы определили, что расширяется некая базовая сетка или само пространство, а не объекты, просто раздвигающиеся на статической сетке пространства-времени?

Общая теория относительности говорит нам, что геометрия пространства-времени динамична, на нее влияет содержание материи и ее движение. Таким образом, фиксированное, статичное фоновое пространство-время по своей природе является в лучшем случае чем-то вроде идеализированного пограничного случая.

Что ж, давайте попробуем. Представьте, что в плоском статическом пространстве-времени Минвкоски со сферическими координатами$(T,R,\theta,\phi)$, существует расширяющееся сферически-симметричное облако галактик, расширяющееся от центра в$T = 0$, каждый с некоторой скоростью$v$, так что галактики оказывают незначительное влияние на геометрию фона или скорость друг друга. Таким образом, радиальная координата каждой галактики равна$R = vT$.

Параметризация по быстроте$\eta$по заданной радиальной координате ($v = \tanh \eta$) и время, измеряемое галактикой$t$как дано специально-релятивистским замедлением времени ($t = T/\gamma = T/\cosh\eta$), в этих координатах метрика Минвкоски становится

$$\begin{eqnarray*} \mathrm{d}s^2 &=& -\mathrm{d}T^2 + \mathrm{d}R^2 + R^2\mathrm{d}\Omega^2\\ &=& -\mathrm{d}t^2 + t^2\left(\mathrm{d}\eta^2 + \sinh^2 \eta\,\mathrm{d}\Omega^2\right)\text{,} \end{eqnarray*}$$ которая представляет собой линейно расширяющуюся пространственно-гиперболическую вселенную, где $\eta$играет роль радиальной координаты (с точностью до некоторого размерного множителя, т.е. $r = r_0\eta$).

Мы точно не ушли далеко! Сферически-симметричный взрыв галактик в фиксированном статическом пространстве-времени Минковского эквивалентен пространственно-гиперболической Вселенной, в которой само пространство расширяется, с масштабным коэффициентом$a\propto t$с точки зрения космологического времени$t$.

Для однородной и изотропной Вселенной временная проекция уравнения поля Эйнштейна является первым уравнением Фридмана,

$$\frac{\dot{a}^2+k}{a^2} = \frac{8\pi G\rho + \Lambda}{3}\text{,}$$ поэтому в случае обращения в нуль космологической постоянной ( $\Lambda = 0$) и незначительной плотностью энергии ( $\rho = 0$), его решение $a(t) = a_0\pm it\sqrt{k}$реально только если $k<0$, подразумевая открытую пространственно гиперболическую вселенную; условно, $k\in\{-1,0,+1\}$, как только признак $k$это важно.

Зачем предлагать расширяющуюся базовую сетку вместо какой-то другой таинственной силы, которая ускоряет объекты тем быстрее, чем дальше они от нас? Как бы мы различили эти два сценария?

Если кто-то вводит дополнительную силу и достаточно хорошо настраивает вещи, вы, вероятно, не сможете. Однако это невероятно глупо: вам нужно постулировать, что (1) гравитация просто не работает в космологическом масштабе и что (2) ее эффекты в точности имитируются дополнительной силой, которой у нас нет абсолютно никакой. доказательства для. Это ничего не дает, даже философское потворство, потому что мы все равно будем знать, что общая теория относительности верна в меньших масштабах, поэтому геометрия пространства-времени все еще будет динамичной в этих масштабах.

Нет никакой разницы между относительным движением и «расширением пространства» между объектами. Существует очень распространенное заблуждение, что разница есть, даже вошедшая в учебники, но на самом деле разницы нет.

Метрики общей теории относительности просто описывают форму/геометрию пространства-времени. Координаты — это средство для достижения цели. Только форма имеет значение с точки зрения физики.

Семейство метрик FLRW определяет семейство геометрий пространства-времени с использованием конкретных координат. Если вы слышите, как кто-то говорит о «сетке», они ошибочно принимают координаты, используемые в метрике FLRW, за аспект физической реальности. Геометрия FLRW не зависит от координат и не имеет сетки.

Любая геометрия пространства-времени будет приблизительно плоской, если вы достаточно увеличите масштаб. Если вы увеличите вселенную FLRW, вы увидите галактики, удаляющиеся друг от друга в специальном релятивистском смысле. Они не раздвигаются относительно координат FLRW даже в таком мелком масштабе, но это потому, что координаты FLRW неинерционны даже в плоских областях. Многие люди этого не понимают и заключают, что галактики на самом деле не движутся.

Цитата из журнала Scientific American ошибочна, чем обычно, поскольку говорит о расширении пространства-времени (вместо расширения пространства) и говорит не только о том, что существует сетка, но и о том, что галактики «привязаны» к ней, как будто пекулярных скоростей нет. Я действительно удивлен, что SA опубликовал это.

Из другого ответа:

Во-первых, расширение пространства позволяет объектам удаляться от нас быстрее света. Эйнштейн сказал, что ничто не может двигаться в пространстве быстрее света; однако само пространство может расширяться между объектами быстрее, чем свет.

Это еще одно распространенное заблуждение.

В специальной теории относительности ничто не может двигаться быстрее, чем$c$относительно инерциальных координат. Координаты FLRW не являются инерционными, равно как и масштабированные координаты.$(t, a(t)x)$которые используются для определения скорости рецессии.

В плоской области пространства-времени, где имеют смысл специальные релятивистские относительные скорости, они отличаются от космологических скоростей разбегания. Если плоская область достаточно велика (что возможно только при очень низкой плотности вещества и отсутствии темной энергии), в плоской области будут пары галактик, скорость удаления которых больше, чем$c$, но их специально-релятивистская относительная скорость, конечно, меньше, чем$c$.

Кроме того, ничто не может двигаться быстрее света в любом случае. Вещи могут двигаться быстрее, чем$c=299{,}792{,}458\text{ m/s}$, но свет тоже (в этих координатах).

Время покажет

...хотя это очень долго.

Если бы сетка Вселенной была статична, объекты, удаляющиеся от нас, должны были бы продолжать удаляться от нас с постоянной скоростью. Судя по наблюдаемым данным, это не так: кажется, что вещи, находящиеся дальше от нас, удаляются быстрее. Это известно как закон Хаббла и является одним из основных понятий современной космологии. Модель расширяющейся метрики соответствует этим данным в том смысле, что чем больше пространственной ткани между нами и дальним объектом, тем больше пространство растягивается, и, следовательно, скорость выше.

То, что вещи удаляются от нас и имеют увеличивающуюся скорость, должно указывать на то, что Вселенная расширяется все быстрее и быстрее. Однако есть и другие силы, ограничивающие этот рост, в первую очередь гравитация. Судьба роста Вселенной определяется этим неизвестным балансом, который также должен учитывать темную материю и энергию .

Величина или даже достоверность этих моделей — это современный рубеж астрономии и космологии в целом. Еще ничего не решено.

Во-первых, расширение пространства позволяет объектам удаляться от нас быстрее света. Эйнштейн сказал, что ничто не может двигаться в пространстве быстрее света; однако само пространство может расширяться между объектами быстрее, чем свет.

Если бы это действительно была сила, отталкивающая эти объекты, они не удалялись бы от нас быстрее скорости света.

Во-вторых, согласно КТП, универсальной (всегда) отталкивающей силы не существует. Могут ли силы быть отталкивающими или нет, зависит от вращения их опосредующего поля.

Скалярная (спин-0) сила универсально притягивает, как и сила со спином-2, в то время как спин-1 притягивает для разных зарядов и отталкивает для одинаковых зарядов. Таким образом, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия могут быть отталкивающими, а гравитация — нет.

Из-за этого паттерна мы можем предположить, что не существует универсальных сил отталкивания, которые в настоящее время могут быть описаны полями в КТП.