Khi vũ trụ giãn nở, nó có tạo ra không gian mới, vật chất hay thứ gì khác không?

Tôi tự hỏi chính xác những gì có nghĩa là khi nói vũ trụ mở rộng. Có phải nó chỉ đơn giản là tạo ra không gian mới cho vật chất để lấp đầy, nó cũng tạo ra vật chất / vật chất tối mới để lấp đầy không gian đó, hay tôi sẽ thoát ra? Cảm ơn bạn đã giúp đỡ!

Vâng, không gian liên tục được tạo ra. Không gian mới không chứa bất kỳ vật chất nào (như nguyên tử) hoặc vật chất tối. Điều này có nghĩa rằng mật độ của vật chất bình thường và tối de nếp nhăn ở mức tương tự như khối lượng trong nếp gấp. Tuy nhiên, năng lượng tối , một thứ hoàn toàn khác biệt và được cho là thuộc tính của chính chân không, đang được tạo ra với không gian mới, do đó mật độ của năng lượng tối không đổi.

Đến lượt điều này có nghĩa là trong khi Vũ trụ sơ khai (tức là từ 70.000 năm tuổi và cho đến khi nó gần 10 tỷ năm) bị chi phối bởi vật chất, thì Vũ trụ hiện bị chi phối bởi năng lượng tối.

Và nó sẽ chỉ trở nên tồi tệ hơn.

Việc mở rộng không thời gian không liên quan đến việc tạo ra bất cứ thứ gì. Điều đang xảy ra trong quá trình mở rộng là sự mở rộng của chính số liệu của không thời gian.

Hãy tưởng tượng điều này như bất kỳ hệ tọa độ tùy ý nào với các điểm hình học cách nhau một khoảng không đổi. Khi không thời gian mở rộng, khoảng cách giữa các điểm hình học này sẽ mở rộng cho cùng một khoảng cách cho mọi điểm. Về cơ bản, mọi khu vực trong không thời gian đang mở rộng ra khỏi mọi khu vực khác với cùng tốc độ và khoảng cách bất kể bạn đang ở đâu.

Đây là lý do tại sao nghĩ về vấn đề mới được "tạo ra" vì phương pháp mở rộng không chỉ không chính xác, mà còn không hữu ích chút nào trong đó đưa ra ý tưởng rằng không thời gian có một khía cạnh cụ thể, nơi những thứ mới luôn tồn tại có thể hình dung được như một khoảng cách nhất định từ chúng tôi. Không phải vậy. Việc mở rộng không thời gian đang diễn ra ở mọi nơi khi khoảng cách giữa mọi điểm trên hệ tọa độ của chúng tôi mở rộng.

Ở quy mô của chúng tôi (và thực tế ở bất kỳ quy mô nào nhỏ hơn các cụm thiên hà), chúng tôi không thấy sự giãn nở đẳng hướng này khi lực hấp dẫn giữa các vật thể vượt qua sau sự mở rộng tọa độ này. Hãy nhớ rằng Andromeda hiện đang hướng về phía chúng tôi như một lời nhắc nhở. Các cụm thiên hà đang theo sau sự mở rộng và hiện đang cách xa nhau. Chăm sóc nên được thực hiện ở đây mặc dù. Đó không phải là khoảng cách giữa các thiên hà trong cụm đang mở rộng, đó là các cụm tự cách xa nhau.

Trong 'vụ nổ lớn', khoảng cách giữa các tọa độ bằng không. Đây là nơi mà ý tưởng về điểm kỳ dị ban đầu xuất phát, vì mật độ không thời gian ngay lập tức trở nên vô hạn với tuyên bố không có không gian hình học nào tồn tại (tìm định nghĩa về điểm kỳ dị để làm rõ thêm). Hầu hết hiện tại sẽ nói với bạn rằng khái niệm về điểm kỳ dị hiện có là đáng nghi ngờ và rằng các mô tả về thuyết không thời gian của Thuyết tương đối không tuân thủ những gì đang xảy ra ở cấp độ lượng tử, nhưng điều đó nằm ngoài phạm vi của câu hỏi này.

Câu hỏi này cũng xảy ra trong Bài giảng 4 của Vật lý hiện đại của Leonard Susskind liên quan đến một mô hình mà ông đã trình bày để giải thích sự mở rộng.

"Một chút không gian, một chút không gian mới được hình thành, đó là một cách để nghĩ về nó. Cách khác để suy nghĩ về nó chỉ là máng các phương trình của thuyết tương đối rộng ..."

Tôi tin rằng sẽ là sai lầm khi nghĩ về không gian được 'tạo ra'. Hoặc ít nhất, đó sẽ giống như một khái niệm siêu hình. Nó đặt ra câu hỏi gì là không gian và những gì làsự sáng tạo? Tôi không nghĩ rằng nó có nhiều chỗ trong thuyết tương đối rộng (ít nhất là không phải không xem xét các mô hình sâu hơn cố gắng thống nhất thuyết tương đối rộng với lý thuyết trường lượng tử). Là không gian được tạo ra hay chỉ là kéo dài (so với một dải cao su, chúng ta có tạo ra dây cao su khi chúng ta kéo căng một dải cao su) không? Những khái niệm đó có thể là cách để nghĩ về nó nhưng chúng không mô tả chính xác những gì chúng "là", hoặc ít nhất là chúng vượt ra ngoài mô tả vật lý và toán học. Các phương trình hiện tại (ít nhất là các phương trình của thuyết tương đối rộng) không cho biết liệu không gian có được kéo dài hay không gian được tạo ra. Những khái niệm này không liên quan.

Không có cơ chế vật lý nào mà chúng ta có thể nói 'cái này hoặc cái đó đang tạo không gian'. Một quan điểm tương phản thú vị đặt sự giãn nở và "tạo ra" không gian ở một khía cạnh khác là quan điểm cho rằng vũ trụ giãn nở và các phương trình tương đối tính chỉ có thể được tạo ra bằng cách sử dụng động lực học Newton ( lần đầu tiên được mô tả bởi McCrea và Milne giữa 30s ). Khung đó, mặc dù dẫn đến các phương trình tương tự, là một khái niệm Newton và có một cách giải thích khác. Điều tốt để đề cập là trong cơ học Newton không gian là tuyệt đối (vì vậy khi một khối lượng mở rộng thì người ta có thể nói phải có một cái gì đó giống như tạo ra không gian), nhưng trong thuyết tương đối rộng thì đây không phải là trường hợp. Những gì trông lớn đối với bạn có thể trông nhỏ đối với một người quan sát khác.

Trong Thuyết tương đối rộng, sự giãn nở của vũ trụ có thể được mô tả bằng các phương trình Trường Einstein giống như bất kỳ chuyển động nào khác. Bạn có thể so sánh nó với mô hình vũ trụ học của Newton và thấy sự giãn nở của vũ trụ như được mô tả bởi các phương trình chuyển động (nghĩa là không có thực thể ma thuật nào gây ra sự giãn nở bằng cách "tạo ra" không gian, nó chỉ là chuyển động thông thường như được mô tả bởi Einstein phương trình trường).

Các phương trình này có thể được trình bày rất ngắn gọn như sau:

• ^{Lưu ý: các phương trình sau có thể được viết theo nhiều cách khác nhau. Tôi đã sử dụng ký hiệu từ Jerzy Plebanski Andrzej Krasninski, trong phần Giới thiệu về Thuyết tương đối rộng và Vũ trụ học}

  Vũ trụ giãn nở có thể được mô tả bởi các phương trình trường Einstein.

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

  Ở đâu $\kappa = \frac{8\pi G}{c^4}$ là hằng số của Einstein và $\Lambda$ hằng số vũ trụ (chưa biết).

  Một trong nhiều giải pháp cụ thể là phương trình Friedman (đối với vũ trụ đẳng hướng đồng nhất) sử dụng hình học Robertson-Walker

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

  với $R(z)$ một yếu tố quy mô phụ thuộc thời gian và $k$ chỉ số độ cong.

  Điều này sẽ dẫn đến một giải pháp cho các yếu tố quy mô $R$

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

  Ở đâu $p$ là áp lực và $\epsilon$ là mật độ năng lượng.

Sự giãn nở có thể được coi là một hiệu ứng động học (giống như sự mở rộng trong Vũ trụ học Newton) và khi được mô tả bởi các phương trình chuyển động trong khuôn khổ của thuyết tương đối rộng tương đương với sự thay đổi, theo thời gian của 'số liệu' . Sự thay đổi số liệu này xảy ra là cách chúng ta có thể mô tả chuyển động, trọng lực và điện từ theo cách tương đối tính.

Nếu bạn muốn bạn có thể gọi hiệu ứng đó là "tạo không gian", nhưng sau đó, bạn sẽ cần phải nhất quán và gọi bất kỳ sự co / kéo dài tương đối tính nào khác là "không gian được tạo / loại bỏ" (ví dụ: không gian được xóa khỏi Giao thoa kế của Michelson và Morley khi nó đang chuyển động, hoặc khi sóng hấp dẫn đi qua thì chúng ta trải qua quá trình loại bỏ và thêm không gian lặp đi lặp lại).

Vì vậy, lần tới khi bạn nhìn thấy một quả táo rơi từ trên cây, bạn nên tưởng tượng rằng, từ quan điểm của quả táo đó, không gian đang bị co lại, do đó không gian bị xóa bỏ.