stringtranslate.com

Метрика Фридмана – Леметра – Робертсона – Уокера

Метрика Фридмана -Леметра-Робертсона-Уокера ( FLRW ; / ˈ f r d m ə n l ə ˈ m ɛ t r ə  ... / ) — метрика , основанная на точном решении уравнений поля Эйнштейна общей теории относительности . . Метрика описывает однородную , изотропную , расширяющуюся (или иным образом сжимающуюся) вселенную , которая связана путями , но не обязательно просто связана . [1] [2] [3] Общий вид метрики следует из геометрических свойств однородности и изотропии; Уравнения поля Эйнштейна нужны только для того, чтобы вывести масштабный коэффициент Вселенной как функцию времени. В зависимости от географических или исторических предпочтений группа из четырех ученых — Александра Фридмана , Жоржа Леметра , Говарда П. Робертсона и Артура Джеффри Уокера — по-разному группируется как Фридман , Фридман-Робертсон-Уокер ( FRW ), Робертсон-Уокер ( RW ). или Фридмана-Леметра ( Флорида ). Эту модель иногда называют Стандартной моделью современной космологии , [4] хотя такое описание также связано с дальнейшей развитой моделью Lambda-CDM . Модель FLRW была разработана названными авторами независимо в 1920-1930-е годы.

Общая метрика

Метрика FLRW начинается с предположения об однородности и изотропии пространства. Также предполагается, что пространственная составляющая метрики может зависеть от времени. Общая метрика, удовлетворяющая этим условиям, равна

где пробегает трехмерное пространство равномерной кривизны, то есть эллиптическое пространство , евклидово пространство или гиперболическое пространство . Обычно он записывается как функция трех пространственных координат, но для этого существует несколько соглашений, подробно описанных ниже. не зависит от t – вся временная зависимость находится в функции a ( t ), известной как « масштабный коэффициент ».

Полярные координаты уменьшенной окружности

В полярных координатах уменьшенной окружности пространственная метрика имеет вид [5] [6]

k — константа, представляющая кривизну пространства. Существует два общих соглашения о единицах измерения:

Недостатком уменьшенных координат окружности является то, что в случае положительной кривизны они охватывают только половину трехмерной сферы - окружности за этой точкой начинают уменьшаться, что приводит к вырождению. (Это не проблема, если пространство эллиптическое , то есть представляет собой трехмерную сферу с идентифицированными противоположными точками.)

Гиперсферические координаты

В гиперсферических координатах или координатах , нормированных по кривизне, координата r пропорциональна радиальному расстоянию; это дает

где как раньше и

Как и раньше, существует два общих соглашения о единицах измерения:

Хотя S обычно определяется кусочно, как указано выше, S является аналитической функцией как от k , так и от  r . Его также можно записать в виде степенного ряда

или как

где sinc — ненормализованная функция sinc , являющаяся одним из мнимых, нулевых или действительных квадратных корней из k . Эти определения справедливы для всех  k .

Декартовы координаты

Когда k = 0, можно написать просто

Это можно расширить до k ≠ 0 , определив

, и

где r — одна из радиальных координат, определенных выше, но это случается редко.

Кривизна

Декартовы координаты

В плоском пространстве FLRW с использованием декартовых координат сохранившимися компонентами тензора Риччи являются [7]

а скаляр Риччи равен

Сферические координаты

В более общем пространстве FLRW, использующем сферические координаты (выше называемые «полярными координатами уменьшенной окружности»), сохранившимися компонентами тензора Риччи являются [8]

а скаляр Риччи равен

Решения

Уравнения поля Эйнштейна не используются при выводе общего вида метрики: он следует из геометрических свойств однородности и изотропии. Однако для определения временной эволюции требуются уравнения поля Эйнштейна вместе со способом расчета плотности, таким как космологическое уравнение состояния .

Эта метрика имеет аналитическое решение уравнений поля Эйнштейна, дающее уравнения Фридмана , когда тензор энергии-импульса аналогичным образом предполагается изотропным и однородным. Полученные уравнения: [9]

Эти уравнения лежат в основе стандартной космологической модели Большого взрыва , включая текущую модель ΛCDM . [10] Поскольку модель FLRW предполагает однородность, некоторые популярные теории ошибочно утверждают, что модель Большого взрыва не может объяснить наблюдаемую комковатость Вселенной. В строго модели FLRW нет скоплений галактик или звезд, поскольку это объекты, гораздо более плотные, чем типичная часть Вселенной. Тем не менее, модель FLRW используется в качестве первого приближения для эволюции реальной комковатой Вселенной, поскольку ее легко вычислить, а модели, рассчитывающие комковатость Вселенной, добавляются к моделям FLRW в качестве расширений. Большинство космологов согласны с тем, что наблюдаемая Вселенная хорошо аппроксимируется моделью, близкой к FLRW , то есть моделью, которая следует метрике FLRW, за исключением первичных флуктуаций плотности . По состоянию на 2003 год теоретические последствия различных расширений модели FLRW кажутся хорошо понятными, и цель состоит в том, чтобы привести их в соответствие с наблюдениями COBE и WMAP .

Интерпретация

Приведенная выше пара уравнений эквивалентна следующей паре уравнений

где , индекс пространственной кривизны, служащий константой интегрирования для первого уравнения.

Первое уравнение может быть получено также из термодинамических соображений и эквивалентно первому закону термодинамики , если предположить, что расширение Вселенной является адиабатическим процессом (который неявно предполагается при выводе метрики Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера).

Второе уравнение утверждает, что и плотность энергии, и давление вызывают уменьшение скорости расширения Вселенной , т. е. оба вызывают замедление расширения Вселенной. Это следствие гравитации , при этом давление играет роль, аналогичную роли плотности энергии (или массы), согласно принципам общей теории относительности . С другой стороны, космологическая постоянная вызывает ускорение расширения Вселенной.

Космологическая постоянная

Космологическую постоянную можно опустить, если сделать следующие замены

Следовательно, космологическую константу можно интерпретировать как возникающую из формы энергии, имеющей отрицательное давление, равное по величине ее (положительной) плотности энергии:

которое представляет собой уравнение состояния вакуума с темной энергией .

Попытка обобщить это на

без дальнейших модификаций не будет иметь общей инвариантности .

Фактически, чтобы получить член, вызывающий ускорение расширения Вселенной, достаточно иметь скалярное поле , удовлетворяющее условиям

Такое поле иногда называют квинтэссенцией .

Ньютоновская интерпретация

Это принадлежит МакКри и Милну [11] , хотя иногда ошибочно приписывается Фридману. Уравнения Фридмана эквивалентны этой паре уравнений:

Первое уравнение говорит, что уменьшение массы, содержащейся в фиксированном кубе (сторона которого на данный момент равна a ), представляет собой количество, которое уходит через стороны из-за расширения Вселенной, плюс массовый эквивалент работы, совершаемой давлением на материал. быть изгнанным. Это сохранение массы-энергии ( первый закон термодинамики ), содержащейся в некоторой части Вселенной.

Второе уравнение говорит, что кинетическая энергия (видимая из начала координат) частицы единичной массы, движущейся с расширением, плюс ее (отрицательная) гравитационная потенциальная энергия (относительно массы, содержащейся в сфере материи ближе к началу координат) равна константе, связанной с кривизной Вселенной. Другими словами, энергия (относительно начала координат) сопутствующей частицы в свободном падении сохраняется. Общая теория относительности просто добавляет связь между пространственной кривизной Вселенной и энергией такой частицы: положительная полная энергия подразумевает отрицательную кривизну, а отрицательная полная энергия подразумевает положительную кривизну.

Предполагается, что член космологической постоянной рассматривается как темная энергия и, таким образом, объединяется с членами плотности и давления.

В эпоху Планка нельзя было пренебрегать квантовыми эффектами. Поэтому они могут вызвать отклонение от уравнений Фридмана.

Имя и история

Советский математик Александр Фридман впервые получил основные результаты модели FLRW в 1922 и 1924 годах. [12] [13] Хотя престижный физический журнал Zeitschrift für Physik опубликовал его работу, она осталась относительно незамеченной его современниками. Фридман находился в прямом контакте с Альбертом Эйнштейном , который от имени Zeitschrift für Physik выступал в качестве научного рецензента работ Фридмана. В конце концов Эйнштейн признал правильность расчетов Фридмана, но не смог оценить физическое значение предсказаний Фридмана.

Фридман умер в 1925 году. В 1927 году Жорж Леметр , бельгийский священник, астроном и периодический профессор физики в Католическом университете Левена , независимо пришел к результатам, аналогичным результатам Фридмана, и опубликовал их в « Анналах научного общества Брюсселя» (Annales de la Société Scientifique de Bruxelles) ( Анналы Брюссельского научного общества). [14] [15] На фоне наблюдательных данных о расширении Вселенной, полученных Эдвином Хабблом в конце 1920-х годов, результаты Леметра были замечены, в частности, Артуром Эддингтоном , а в 1930–31 годах статья Леметра была переведена на английский и опубликовано в « Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества» .

Говард П. Робертсон из США и Артур Джеффри Уокер из Великобритании продолжили изучение этой проблемы в 1930-е годы. [16] [17] [18] [19] В 1935 году Робертсон и Уокер строго доказали, что метрика FLRW является единственной в пространстве-времени, которая является пространственно однородной и изотропной (как отмечалось выше, это геометрический результат и не связан в частности, к уравнениям общей теории относительности, которые всегда предполагались Фридманом и Леметром).

Это решение, часто называемое метрикой Робертсона-Уокера, поскольку они доказали его общие свойства, отличается от динамических моделей «Фридмана-Леметра» , которые являются конкретными решениями для a ( t ), которые предполагают, что единственным вкладом в энергию напряжения является холод. материя («пыль»), излучение и космологическая постоянная.

Радиус Вселенной по Эйнштейну

Радиус Вселенной Эйнштейна — это радиус кривизны пространства Вселенной Эйнштейна , давно заброшенной статической модели , которая должна была представлять нашу Вселенную в идеализированной форме. положить

в уравнении Фридмана радиус кривизны пространства этой Вселенной (радиус Эйнштейна) равен [ нужна ссылка ]

где – скорость света, – гравитационная постоянная Ньютона , – плотность пространства этой вселенной. Числовое значение радиуса Эйнштейна порядка 10 10 световых лет , или 10 миллиардов световых лет.

Текущее состояние

Нерешенная задача по физике :

Является ли Вселенная однородной и изотропной на достаточно больших масштабах, как утверждает космологический принцип и предполагается всеми моделями, использующими метрику Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера, включая текущую версию ΛCDM, или Вселенная неоднородна или анизотропна? [20] [21] [22] Является ли диполь реликтового излучения чисто кинематическим или он сигнализирует о возможном нарушении метрики FLRW? [20] Даже если космологический принцип верен, действительна ли метрика Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера в поздней Вселенной? [20] [23]

Текущая стандартная модель космологии, модель Lambda-CDM , использует метрику FLRW. Объединив данные наблюдений некоторых экспериментов, таких как WMAP и Planck, с теоретическими результатами теоремы Элерса-Герена-Сакса и ее обобщения, [24] астрофизики теперь пришли к выводу, что ранняя Вселенная почти однородна и изотропна (при усреднении по очень большому масштабу). ) и, таким образом, почти пространство-время FLRW. При этом попытки подтвердить чисто кинематическую интерпретацию диполя космического микроволнового фона (CMB) посредством исследований радиогалактик [25] и квазаров [26] показывают разногласия в величине. Если принять эти наблюдения за чистую монету, эти наблюдения противоречат тому, что Вселенная описывается метрикой FLRW. Более того, можно утверждать, что существует максимальное значение постоянной Хаббла в рамках космологии FLRW, допускаемое текущими наблюдениями, км/с/Мпк, и в зависимости от того, как сходятся локальные определения, это может указывать на нарушение метрики FLRW в поздней Вселенной, что требует объяснения, выходящего за рамки метрики FLRW. [27] [20]

Рекомендации

  1. ^ Более раннюю ссылку см. Робертсон (1935); Робертсон предполагает множественную связность в случае положительной кривизны и говорит, что «мы все еще можем восстановить» простую связность.
  2. ^ М. Лачиез-Рей; Ж.-П. Люминет (1995), «Космическая топология», Physics Reports , 254 (3): 135–214, arXiv : gr-qc/9605010 , Bibcode : 1995PhR...254..135L, doi : 10.1016/0370-1573(94 )00085-H, S2CID  119500217
  3. ^ СКФ Эллис; Х. ван Эльст (1999). «Космологические модели (лекции Каржеза, 1998 г.)». В Марке Лакьезе-Ре (ред.). Теоретическая и наблюдательная космология . Научная серия НАТО C. Том. 541. стр. 1–116. arXiv : gr-qc/9812046 . Бибкод : 1999ASIC..541....1E. ISBN 978-0792359463.
  4. ^ Л. Бергстрём, А. Губар (2006), Космология и астрофизика элементарных частиц (2-е изд.), Sprint , стр. 2006. 61, ISBN 978-3-540-32924-4
  5. ^ Уолд, Роберт. Общая теория относительности . п. 116.
  6. ^ Кэрролл, Шон. Пространство-время и геометрия: введение в общую теорию относительности . стр. 329–333.
  7. ^ Уолд, Роберт. Общая теория относительности . п. 97.
  8. ^ «Космология» (PDF) . п. 23.
  9. ^ П. Охеда и Х. Росу (2006), «Суперсимметрия баротропных космологий FRW», Международный журнал теоретической физики , 45 (6): 1191–1196, arXiv : gr-qc/0510004 , Bibcode : 2006IJTP...45.1152 Р, номер документа : 10.1007/s10773-006-9123-2, S2CID  119496918
  10. ^ Их решения можно найти в Rosu, Haret C.; Манкас, Южная Каролина; Чен, Писин (05 мая 2015 г.). «Баротропные космологии FRW с затуханием Кьеллини в ближайшем времени». Буквы по современной физике А. 30 (20): 1550100. arXiv : 1502.07033 . Бибкод : 2015МПЛА...3050100Р. дои : 10.1142/S021773231550100x. ISSN  0217-7323. S2CID  51948117.
  11. ^ МакКри, Вашингтон; Милн, Э.А. (1934). «Ньютоновские вселенные и искривление пространства». Ежеквартальный математический журнал . 5 : 73–80. Бибкод : 1934QJMat...5...73M. doi : 10.1093/qmath/os-5.1.73.
  12. ^ Фридман, Александр (1922), «Über die Krümmung des Raumes», Zeitschrift für Physik A , 10 (1): 377–386, Бибкод : 1922ZPhy...10..377F, doi : 10.1007/BF01332580, S2CID  125190902
  13. ^ Фридман, Александр (1924), «Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negater Krümmung des Raumes», Zeitschrift für Physik A , 21 (1): 326–332, Бибкод : 1924ZPhy...21..326F, doi : 10.1007 /BF01328280, S2CID  120551579английский пер. в «Общей теории относительности и гравитации», 1999 г., том 31, 31–.
  14. ^ Леметр, Жорж (1931), «Расширение Вселенной. Однородная Вселенная постоянной массы и увеличивающегося радиуса с учетом лучевой скорости внегалактических туманностей», Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества , 91 (5): 483– 490, Бибкод : 1931MNRAS..91..483L, doi : 10.1093/mnras/91.5.483 перевод из Лемэтра, Жоржа (1927), «Un univers homogène de Masse Constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiusale des nebuleuses extra-galactiques», Annales de la Société Scientifique de Bruxelles , A47 : 49–56, Bibcode : 1927ASSB ...47...49л
  15. ^ Леметр, Жорж (1933), «L'Univers en Expansion», Annales de la Société Scientifique de Bruxelles , A53 : 51–85, Бибкод : 1933ASSB...53...51L
  16. ^ Робертсон, HP (1935), «Кинематика и мировая структура», Astrophysical Journal , 82 : 284–301, Бибкод : 1935ApJ....82..284R, doi : 10.1086/143681
  17. ^ Робертсон, HP (1936), «Кинематика и структура мира II», Astrophysical Journal , 83 : 187–201, Бибкод : 1936ApJ....83..187R, doi : 10.1086/143716
  18. ^ Робертсон, HP (1936), «Кинематика и структура мира III», Astrophysical Journal , 83 : 257–271, Бибкод : 1936ApJ....83..257R, doi : 10.1086/143726
  19. ^ Уокер, А.Г. (1937), «О теории мировой структуры Милна», Труды Лондонского математического общества , серия 2, 42 (1): 90–127, Бибкод : 1937PLMS...42...90W, doi :10.1112/plms/s2-42.1.90
  20. ^ abcd Эльсио Абдалла; Гильермо Франко Абеллан; и другие. (11 марта 2022 г.), «Переплетенная космология: обзор физики элементарных частиц, астрофизики и космологии, связанной с космологическими напряжениями и аномалиями», Журнал High Energy Astroфизики , 34 : 49, arXiv : 2203.06142v1 , Bibcode : 2022JHEAp.. 34...49А, doi :10.1016/j.jheap.2022.04.002, S2CID  247411131
  21. Ли Биллингс (15 апреля 2020 г.). «Живем ли мы в однобокой Вселенной?». Научный американец . Проверено 24 марта 2022 г.
  22. ^ Мигкас, К.; Шелленбергер, Г.; Райприх, TH; Пако, Ф.; Рамос-Сеха, Мэн; Ловисари, Л. (8 апреля 2020 г.). «Исследование космической изотропии с помощью нового образца рентгеновского скопления галактик с помощью масштабного соотношения LX-T». Астрономия и астрофизика . 636 (апрель 2020 г.): 42. arXiv : 2004.03305 . Бибкод : 2020A&A...636A..15M. дои : 10.1051/0004-6361/201936602. S2CID  215238834 . Проверено 24 марта 2022 г.
  23. ^ Кришнан, Четан; Мохаяи, Ройя; Колгайн, Эоин О; Шейх-Джаббари, ММ; Инь, Лу (16 сентября 2021 г.). «Сигнализирует ли напряжение Хаббла о разрушении космологии FLRW?». Классическая и квантовая гравитация . 38 (18): 184001. arXiv : 2105.09790 . Бибкод : 2021CQGra..38r4001K. дои : 10.1088/1361-6382/ac1a81. ISSN  0264-9381. S2CID  234790314.
  24. ^ См. стр. 351 и далее. в Хокинге, Стивене В.; Эллис, Джордж Ф.Р. (1973), Крупномасштабная структура пространства-времени , Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-09906-6. Оригинальная работа: Элерс Дж., Герен П., Сакс Р.К.: Изотропные решения уравнений Эйнштейна-Лиувилля. Дж. Математика. Физ. 9, 1344 (1968). Обобщение см. в Stoeger, WR; Мартенс, Р; Эллис, Джордж (2007), «Доказательство почти однородности Вселенной: почти теорема Элерса-Герена-Сакса», Astrophys. J. , 39 : 1–5, Бибкод : 1995ApJ...443....1S, doi : 10.1086/175496.
  25. ^ См. Siewert et al. за недавнее резюме результатов Зиверт, Тило М.; Шмидт-Рубарт, Матиас; Шварц, Доминик Дж. (2021). «Космический радиодиполь: оценки и частотная зависимость». Астрономия и астрофизика . 653 : А9. arXiv : 2010.08366 . Бибкод : 2021A&A...653A...9S. дои : 10.1051/0004-6361/202039840. S2CID  223953708.
  26. ^ Секрет, Натан Дж.; Хаузеггер, Себастьян фон; Рамиз, Мохамед; Мохаяи, Ройя; Саркар, Субир; Колен, Жак (25 февраля 2021 г.). «Проверка космологического принципа с квазарами». Астрофизический журнал . 908 (2): L51. arXiv : 2009.14826 . Бибкод : 2021ApJ...908L..51S. дои : 10.3847/2041-8213/abdd40 . S2CID  222066749.
  27. ^ Кришнан, Четан; Мохаяи, Ройя; О Колгейн, Эоин; Шейх-Джаббари, ММ; Инь, Лу (25 мая 2021 г.). «Является ли напряжение Хаббла сигналом о нарушении космологии FLRW?». Классическая и квантовая гравитация . 38 (18): 184001. arXiv : 2105.09790 . Бибкод : 2021CQGra..38r4001K. дои : 10.1088/1361-6382/ac1a81. S2CID  234790314.

дальнейшее чтение