Когда Вселенная расширяется, создает ли она новое пространство, материю или что-то еще?

Да, пространство постоянно создается. Новое пространство не содержит никакой материи (например, атомов) или темной материи. Это означает, что плотность нормальной и темной материи уменьшается с той же скоростью, что и объем . Однако темная энергия , которая является чем-то совершенно другим и считается свойством самого вакуума, создается вместе с новым пространством, поэтому плотность темной энергии остается постоянной.

Это, в свою очередь, означает, что в то время как в ранней Вселенной (т.е. от того, что ей было 70 000 лет и до того, как ей было почти 10 миллиардов лет) доминировала материя, сейчас во Вселенной доминирует темная энергия.

И будет только хуже.

Расширение пространства-времени не предполагает создания чего-либо. То, что происходит в процессе расширения, — это расширение самой метрики пространства-времени.

Представьте себе это как любую произвольную систему координат с геометрическими точками, отстоящими друг от друга на постоянное расстояние. По мере расширения пространства-времени расстояние между этими геометрическими точками увеличивается на одно и то же расстояние для каждой точки. По сути, каждая область пространства-времени расширяется от любой другой области с одинаковой скоростью и на одинаковое расстояние, независимо от того, где вы находитесь.

Вот почему представление о «создании» новой материи как о методе расширения не только неверно, но и совершенно бесполезно, поскольку оно вводит идею о том, что пространство-время имеет конкретный край, где всегда возникает новое вещество, о котором можно было бы подумать. на некотором расстоянии от нас. Это не так. Расширение пространства-времени происходит повсюду, поскольку расстояния между каждой точкой в ​​нашей системе координат увеличиваются.

В нашем масштабе (да и вообще в любом масштабе меньшем, чем скопления галактик) мы не видим этого изотропного расширения, поскольку гравитационные силы между объектами преодолевают после этого расширения координат. Помните, что Андромеда в настоящее время направляется к нам в качестве напоминания. Скопления галактик следуют за расширением и в настоящее время удаляются друг от друга. Однако здесь следует соблюдать осторожность. Расширяются не расстояния между галактиками в скоплении, а сами скопления удаляются друг от друга.

Во время «большого взрыва» расстояния между координатами были равны нулю. Вот откуда берется идея изначальной сингулярности, поскольку плотность пространства-времени мгновенно становится бесконечной с утверждением, что геометрического пространства вообще не существует (обратитесь к определению сингулярности для дальнейшего разъяснения). Сейчас большинство скажет вам, что представление о существовании сингулярности сомнительно и что описания пространства-времени в общей теории относительности не соответствуют тому, что происходит на квантовом уровне, но это выходит за рамки данного вопроса.

Этот вопрос также возник в четвертой лекции Леонарда Сасскинда «Современная физика» в связи с моделью, которую он показал для объяснения расширения.

«Маленькие кусочки пространства, маленькие кусочки вновь сформированного пространства — это один из способов думать об этом. Другой способ думать об этом — просто использовать уравнения общей теории относительности…»

Я считаю, что было бы неправильно думать, что пространство «создается». Или, по крайней мере, это было бы больше похоже на метафизическую концепцию. Возникает вопрос, что такое пространство и что такоетворчество? Я не думаю, что она занимает много места в общей теории относительности (по крайней мере, без учета более глубоких моделей, пытающихся объединить общую теорию относительности с квантовой теорией поля). Создается ли пространство или оно просто растягивается (сравните с резинкой, мы создаем резинку, когда растягиваем резинку)? Эти концепции могут быть способами думать об этом, но они не описывают точно, чем они «являются», или, по крайней мере, они выходят за рамки физического и математического описания. Текущие уравнения (по крайней мере, уравнения общей теории относительности) не говорят ни о том, растягивается ли пространство, либо создается ли пространство. Эти понятия не имеют значения.

Не существует какого-то физического механизма, с помощью которого мы могли бы сказать: «то или это создает пространство». Интересной контрастной точкой зрения, которая представляет расширение и «создание» пространства в ином свете, является точка зрения, согласно которой расширяющуюся Вселенную и релятивистские уравнения уже можно вывести, используя только ньютоновскую динамику ( впервые описанную МакКри и Милном в середине 30-х годов ). Эта структура, хотя и приводит к тем же уравнениям, является ньютоновским понятием и имеет другую интерпретацию. Стоит отметить, что в ньютоновской механике пространство абсолютно (поэтому, когда объем расширяется, можно сказать, что должно происходить что-то вроде создания пространства), но в общей теории относительности это не так. То, что кажется большим для вас, может показаться маленьким для другого наблюдателя.

В общей теории относительности расширение Вселенной можно описать уравнениями поля Эйнштейна, как и любое другое движение. Вы можете сравнить ее с ньютоновской космологической моделью и увидеть расширение Вселенной, описываемое уравнениями движения (т. е. нет никакой магической сущности, вызывающей расширение путем «создания» пространства, это просто обычное движение, описываемое Эйнштейном). уравнения поля).

Эти уравнения можно очень кратко сформулировать так:

• ^{Примечание: следующие уравнения можно записать разными способами. Я использовал обозначения Ежи Плебанского Анджея Красинского в книге «Введение в общую теорию относительности и космологию ».}

  Расширяющаяся Вселенная может быть описана уравнениями поля Эйнштейна.

  $R^{\mu\nu} - \frac{1}{2}g^{\mu\nu}R+\Lambda g^{\mu \nu} = G^{\mu \nu} + \Lambda g^{\mu\nu} = \kappa T^{\mu \nu} \\$

  куда$\kappa = \frac{8\pi G}{c^4}$постоянная Эйнштейна и$\Lambda$(неизвестная) космологическая постоянная.

  Одним из многих конкретных решений являются уравнения Фридмана (для однородной изотропной Вселенной), в которых используется геометрия Робертсона-Уокера.

  $\begin{array}{rcl} d s^2 &=& g_{\mu \nu} dx^{\mu} dx^{\nu} \\ &=& d t^2 - R(t) \left( \frac{d r^2}{1-kr} + r^2(d \theta^2 + \sin^2\theta d \psi^2) \right) \end{array}$

  с$R(z)$масштабный коэффициент, зависящий от времени, и$k$показатель кривизны.

  Это приведет к решению для масштабного коэффициента$R$

  $\begin{array}{rcrcl} G_{00} &=& \frac{3k}{R^2} + 3 \frac{\dot R^2}{R^2} &=& \kappa \epsilon - \Lambda \\ -G_{11} = -G_{22} = -G_{33} &=& \frac{k}{R^2} + \frac{\dot R^2}{R^2} + 2 \frac{\ddot R}{R} &=& -\kappa p + \Lambda \end{array}$

  куда$p$это давление и$\epsilon$это плотность энергии.

Расширение можно рассматривать как кинематический эффект (как и расширение в ньютоновской космологии), и когда оно описывается уравнениями движения в рамках общей теории относительности, оно эквивалентно изменению во времени «метрики» . Это изменение метрики оказывается способом, которым мы можем описать движение, гравитацию и электромагнетизм релятивистским способом.

Если вы хотите, вы можете назвать этот эффект чем-то вроде «создания пространства», но тогда вам, имхо, нужно быть последовательным и называть любое другое релятивистское сокращение/растяжение длины «созданием/устранением пространства» (например, пространство удаляется из интерферометр Майкельсона и Морли, когда он движется или когда мимо него проходят гравитационные волны, мы испытываем многократное удаление и добавление пространства).

Так что в следующий раз, когда вы увидите, как яблоко падает с дерева, вы должны представить, что с точки зрения этого яблока пространство сжимается, таким образом, пространство удаляется.