Замедляет ли гравитация расширение Вселенной?

Ответ заключается в том, что да, гравитация действительно замедляет расширение пространства (на данный момент оставим в стороне темную энергию), но чтобы лучше понять, что происходит, вам нужно изучить это немного глубже.

Если мы сделаем несколько упрощающих предположений о Вселенной, например, что она везде примерно однородна, мы сможем решить уравнение Эйнштейна, чтобы получить метрику FLRW . Это уравнение говорит нам о том, как расширяется пространство-время, и на самом деле оно кажется довольно подходящим для того, что мы видим, поэтому мы можем быть достаточно уверены, что оно, по крайней мере, является хорошим приближением к тому, как ведет себя Вселенная.

Чтобы уменьшить гравитацию, вы просто уменьшаете плотность материи во Вселенной, потому что, в конце концов, именно материя создает гравитацию. При низкой плотности материи метрика FLRW говорит нам, что Вселенная расширяется вечно. По мере увеличения плотности вещества расширение замедляется, и для плотностей выше критической плотности (известной как$\Omega$) расширение останавливается, и Вселенная снова коллапсирует.

Так что да, гравитация замедляет расширение, и метрика FLRW говорит нам, насколько. Если вы хотите продолжить это, попробуйте поискать в Google метрику FLRW. Статья в Википедии очень подробная, но немного техническая для тех, кто не занимается GR, но поиск в Google должен найти более доступные описания.

Этот ответ предназначен для переформулировки вопроса Ником Кидманом:

существует ли мера гравитации в пространстве-времени (может быть, действие правильное)? И как уравнения разложения (Фридмана?) зависят от этого реального параметра.

Космологи отвечают на это с точки зрения плотности энергии Вселенной. Эта энергия может исходить от излучения, материи, космологической постоянной или любой другой формы темной энергии, если она существует.

Остальная часть ответа очень похожа на обсуждение, найденное в таких учебниках, как Ryden . Для простоты мы рассмотрим воображаемый случай, когда плотность энергии Вселенной полностью определяется материей, то есть мы будем игнорировать энергию излучения и темную энергию. Это позволит нам обсудить, как расширение Вселенной зависит от единственного параметра, плотности энергии материи (далее я буду называть ее просто плотностью материи). Включение других энергий усложнит картину, но не изменит фундаментальной природы ответа.

Уравнения Фридмана имеют второй порядок по времени. Мы выберем наши две константы интегрирования, основываясь на размере и скорости расширения, которые мы наблюдаем сейчас в современной Вселенной (хотя в сегодняшнем расширении преобладает темная энергия, это всего лишь выбор чисел, чтобы установить удобную точку отсчета). Затем мы можем варьировать плотность материи и решать уравнения Фридмана, чтобы увидеть, как изменятся ранняя и поздняя фазы расширения Вселенной.

Вот график, показывающий три возможных сценария:

Сначала сосредоточимся на среднем. Здесь скорость расширения$\dot{a}$асимптотически стремится к нулю для$t \rightarrow \infty$. Величина плотности в современной Вселенной, соответствующая этому типу расширения, называется критической плотностью, и мы можем использовать ее для определения безразмерной меры плотности, называемой параметром плотности . $\Omega$. Средняя кривая соответствует$\Omega = 1$.

Нижняя кривая на графике соответствует$\Omega > 1$. Здесь расширение, в конце концов, превращается в большой кризис .

Верхняя кривая соответствует$\Omega < 1$. В этом случае экспансия устойчиво продолжается на поздних временах.

Аналитические решения уравнений Фридмана в замкнутой форме во вселенной, состоящей только из материи, с произвольными$\Omega$, такие как те, которые использовались для создания графика, можно найти во многих учебниках по космологии, включая тот, на который я ссылался выше.

Есть и другие важные вещи, которые меняются вместе с$\Omega$, такие как топология и кривизна Вселенной .

А теперь мелкий шрифт: в нашей вселенной мы на самом деле измеряем$\Omega$близко к 1, а это означает, что топология и кривизна Вселенной кажутся соответствующими тому, что мы ожидаем для$\Omega = 1$. Но мы также думаем, что Вселенная будет продолжать расширяться в ускоренной материи. Это связано с наличием темной энергии, которая изменяет решения уравнений Фридмана.

Уравнения Фридмана для расширения пространства (предполагая для простоты плоское пространство):

$(1)\ (\frac{\dot a}{a})^2 = \frac{8 \pi G \rho + \Lambda}{3}$

$(2)\ \frac{\ddot a}{a}= -\frac{4 \pi G}{3}(\rho + 3P) + \frac{\Lambda}{3}$

где$a$масштабный фактор (примерно, насколько «расширено» пространство),$\dot a$скорость расширения и$\ddot a$есть ускорение расширения.

Если под "без силы тяжести" вы имеете в виду "с$G = 0$", то имеем:

$(3)\ (\frac{\dot a}{a})^2 = \frac{\Lambda}{3} \rightarrow a(t) = a(0)e^{\pm t \sqrt{\frac{\Lambda}{3}}}$

$(4)\ \frac{\ddot a}{a}= \frac{\Lambda}{3}$

Итак, «без гравитации» в этом конкретном смысле, с$G = 0$, пространство либо расширяется, либо сжимается экспоненциально со временем (для частного случая$\Lambda = 0$,$\dot a = \ddot a = 0$)

Теперь, в контексте вашего вопроса о расширяющейся Вселенной , проверив уравнение (2), вы увидите, что введение «гравитации» через предоставление$G$положительное значение (и, конечно, при условии, что существует ненулевая плотность массы), этот член «противостоит» члену космологической постоянной и может даже обратить вспять ускорение расширения пространства, сделав$\ddot a$отрицательный, что замедляет расширение.

На протяжении большей части 20-го века считалось, что расширение замедляет гравитацию. Многие оценивали значение омеги, поскольку считалось, что Вселенная была настолько близка к критическому равновесию, что невозможно было определить, будет ли она расширяться вечно или схлопнется. Эта тайна должна была испариться с открытием того, что Вселенная ускоряется, но научные телешоу до сих пор провозглашают эту тайну тонко настроенной особенностью Вселенной. Тонкая настройка конфликтующих факторов, которая приводит к идеальному балансу, указывает на то, что что-то не так, если только человек не занимается творением в том же духе, что и гончар, работающий с глиной. Несколько лет назад возникла идея, что гравитация и расширение не противоречат друг другу в конфликте, а скорее зависят друг от друга — что они кажутся независимыми, совершенно уравновешенными факторами. Это связано с тем, что ни ньютоновская гравитация, ни ОТО не рассматривают причину фактора ускорения G, который необходимо ввести в оба формализма для предсказания движения одного тела вблизи другого. Приукрашивая идею, впервые выдвинутую Ричардом Фейнманом, предполагающую, что гравитацию можно объяснить как псевдосилу, можно сделать быстрый расчет, используя уравнение Фридмана, чтобы выразить G как 3H ^ 2/4 (пи)p где p — плотность сферы Хаббла, а H — постоянная Хаббла. В ускоряющейся (q = -1) Вселенной значение G затем уменьшается до (c ^ 2) / 4 (pi) R [S], где S представляет сферу Хаббла как плотность площади один кг / м ^ 2 и R — эффективная шкала Хаббла.

Краткий ответ: да, гравитация замедляет расширение Вселенной, в том смысле, что мы бы увидели еще большее расширение, если бы гравитация* была (немного) слабее, а все остальное осталось прежним.

*точнее гравитационная постоянная

Что это за гравитация?

В метафизическом контексте гравитация просто фундаментальна , первична. Гравитацию нельзя объяснить с точки зрения других «более фундаментальных» вещей, потому что это было бы противоречием.

В контексте физики у нас есть математическая модель гравитации, общая теория относительности, которая в двух словах выглядит так:

$\textbf{R} + (\Lambda - \frac{1}{2}R)\textbf{g} = \dfrac{8 \pi G}{c^4}\textbf{T}$

Теперь членами этих уравнений являются геометрические объекты, тензоры (тензор Риччи, метрический тензор и тензор энергии-импульса), и это уравнение связывает эти тензоры. Более того, левая часть уравнения включает геометрию пространства-времени. RHS включает в себя массово-энергетическое содержание пространства-времени.

Итак, я думаю, что в этом контексте гравитация является отношением между этими тензорами, между геометрией пространства-времени и содержанием пространства-времени.

Заметьте, я не утверждаю, что гравитация — это уравнение ; Я утверждаю, что гравитация — это отношение , выраженное этим уравнением, фундаментальное отношение между геометрией пространства-времени и массой-энергией.

Итак, чтобы связать это с интересным вопросом ОП, начинающимся с «Без силы тяжести ...», давайте рассмотрим, что это на самом деле означает .

Предполагая, что гравитация представляет собой отношение между указанными выше геометрическими объектами, тогда «без гравитации» должно означать « без отношения между этими геометрическими объектами ».

Каким был бы такой мир?

(еще не все)

Я думаю, что Гравитация ускоряет расширение пространства. Рассмотрим два объекта, падающих один за другим прямо в гравитационный колодец. Чем ближе человек чувствует более сильное притяжение, поэтому он ускоряется от объекта позади. Затем представьте, что два объекта падают бок о бок прямо в гравитационный колодец. Глубже в колодце путь, по которому идет свет между ними, более искривлен и, следовательно, длиннее. Таким образом, эти расстояния также больше. Любые две галактики в нашем космосе попадают в гравитационный колодец космоса как единого целого. Значит, расстояние между ними должно увеличиваться из-за гравитации.

Многие люди путаются между отклонением объекта в сторону гравитационного колодца и влиянием гравитационного колодца на расстояния между попадающими в него объектами.