Wenn sich das Universum ausdehnt, schafft es neuen Raum, Materie oder etwas anderes?

Ich frage mich, was genau gemeint ist, wenn gesagt wird, dass sich das Universum ausdehnt. Schafft es einfach neuen Raum, in den Materie gefüllt werden kann, schafft es auch neue Materie / dunkle Materie, um diesen Raum zu füllen, oder bin ich weit weg? Vielen Dank für jede Hilfe!

Ja, es wird ständig Raum geschaffen. Der neue Raum enthält keine Materie (wie Atome) oder dunkle Materie. Dies bedeutet , dass die Dichte der normalen und der dunklen Materie de Falten mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Volumen in Falten. Mit dem neuen Raum wird jedoch dunkle Energie erzeugt , die etwas völlig anderes ist und als eine Eigenschaft des Vakuums selbst angesehen wird, sodass die Dichte der dunklen Energie konstant bleibt.

Dies bedeutet wiederum, dass das frühe Universum (dh es war 70.000 Jahre alt und bis es fast 10 Milliarden Jahre alt war) von Materie dominiert wurde, während das Universum jetzt von dunkler Energie dominiert wird.

Und es wird nur noch schlimmer werden.

Die Erweiterung der Raumzeit beinhaltet nicht die Schaffung von irgendetwas. Was im Expansionsprozess geschieht, ist die Vergrößerung der Metrik selbst der Raumzeit.

Stellen Sie sich dies als ein beliebiges Koordinatensystem mit geometrischen Punkten vor, die einen konstanten Abstand voneinander haben. Mit zunehmender Raumzeit vergrößert sich der Abstand zwischen diesen geometrischen Punkten für jeden Punkt um denselben Abstand. Grundsätzlich dehnt sich jede Region der Raumzeit mit der gleichen Geschwindigkeit und Entfernung von jeder anderen Region aus, unabhängig davon, wo Sie sich gerade befinden.

Aus diesem Grund ist der Gedanke, dass neue Materie als Expansionsmethode "erschaffen" wird, nicht nur falsch, sondern überhaupt nicht hilfreich. Sie führt die Idee ein, dass die Raumzeit einen konkreten Rand hat, an dem immer neue Dinge entstehen, die denkbar sind von als eine gewisse Entfernung von uns. Es ist nicht so. Die Raumzeiterweiterung findet überall statt, wenn sich die Abstände zwischen jedem Punkt unseres Koordinatensystems vergrößern.

Auf unserer Skala (und in der Tat auf jeder Skala, die kleiner als Galaxienhaufen ist) sehen wir diese isotrope Expansion nicht als Gravitationskräfte zwischen Objekten, die nach dieser Koordinatenexpansion überwunden werden. Denken Sie daran, dass Andromeda derzeit zur Erinnerung auf uns zukommt. Galaxienhaufen folgen der Expansion und distanzieren sich derzeit voneinander. Hier ist jedoch Vorsicht geboten. Es sind nicht die Abstände zwischen den Galaxien im Cluster, die sich ausdehnen, sondern die Cluster selbst, die sich voneinander distanzieren.

Während des "Urknalls" war der Abstand zwischen den Koordinaten Null. Hier kommt die Idee der anfänglichen Singularität her, da die Dichte der Raumzeit augenblicklich unendlich wird, mit der Behauptung, dass überhaupt kein geometrischer Raum existiert (siehe die Definition der Singularität zur weiteren Klärung). Die meisten werden Ihnen derzeit sagen, dass der Begriff der existierenden Singularität zweifelhaft ist und dass die Beschreibungen der Raumzeit durch die Allgemeine Relativitätstheorie nicht dem entsprechen, was auf der Quantenebene geschieht, aber das liegt außerhalb des Rahmens dieser Frage.

Diese Frage trat auch in Vorlesung 4 von Leonard Susskinds moderner Physik in Bezug auf ein Modell auf, das er zur Erklärung der Expansion zeigte.

"Kleine Teile des Raums, kleine Teile des neu gebildeten Raums, das ist eine Möglichkeit , darüber nachzudenken. Die andere Art, darüber nachzudenken, ist nur durch die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie ..."

Ich glaube, es wäre falsch, daran zu denken, dass Raum "geschaffen" wird. Zumindest wäre das eher ein metaphysisches Konzept. Es stellt sich die Frage , was ist Raum und was istSchaffung? Ich denke nicht, dass es viel Platz in der allgemeinen Relativitätstheorie hat (zumindest nicht ohne tiefere Modelle zu berücksichtigen, die versuchen, die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenfeldtheorie zu vereinen). Wird Raum geschaffen oder ist er nur gedehnt (vergleiche mit einem Gummiband, erstellen wir ein Gummiband, wenn wir ein Gummiband dehnen)? Diese Konzepte mögen Denkweisen sein, aber sie beschreiben nicht genau, was sie "sind", oder sie gehen zumindest über die physikalische und mathematische Beschreibung hinaus. Die aktuellen Gleichungen (zumindest zu den Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie) sagen weder aus, ob der Raum gedehnt ist, noch ob Raum geschaffen wird. Diese Konzepte sind irrelevant.

Es gibt keinen physischen Mechanismus, durch den wir sagen können, dass dies oder das Raum schafft. Eine interessante kontrastierende Sichtweise, die die Expansion und "Schaffung" des Raums in ein anderes Licht rückt, ist der Standpunkt, dass das expandierende Universum und die relativistischen Gleichungen bereits nur mit der Newtonschen Dynamik abgeleitet werden können ( erstmals Mitte der 30er Jahre von McCrea und Milne beschrieben ). Dieser Rahmen, obwohl er zu denselben Gleichungen führt, ist ein Newtonscher Begriff und hat eine andere Interpretation. Gut zu erwähnen ist, dass in der Newtonschen Mechanik der Raum absolut ist (wenn sich also ein Volumen ausdehnt, könnte man sagen, dass es so etwas wie Raumschöpfung geben muss), aber im Allgemeinen ist dies nicht der Fall. Was für Sie groß aussieht, kann für einen anderen Beobachter klein aussehen.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie kann die Expansion des Universums wie jede andere Bewegung durch die Einstein-Feld-Gleichungen beschrieben werden. Sie könnten es mit dem Newtonschen kosmologischen Modell vergleichen und die Expansion des Universums sehen, wie sie durch Bewegungsgleichungen beschrieben wird (dh es gibt keine magische Einheit, die eine Expansion verursacht, indem sie Raum "schafft", es ist nur eine gewöhnliche Bewegung, wie sie vom Einstein beschrieben wird Feldgleichungen).

Diese Gleichungen können sehr kurz wie folgt angegeben werden:

• ^{Hinweis: Die folgenden Gleichungen können auf viele verschiedene Arten geschrieben werden. Ich habe die Notation von Jerzy Plebanski Andrzej Krasinski in Eine Einführung in die Allgemeine Relativitätstheorie und Kosmologie verwendet}

  Das expandierende Universum kann durch die Einstein-Feldgleichungen beschrieben werden.

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

  Dabei ist Einsteins Konstante und die (unbekannte) kosmologische Konstante.$\kappa = \frac{8\pi G}{c^4}$$\Lambda$

  Eine von vielen spezifischen Lösungen sind die Friedman-Gleichungen (für ein homogenes isotropes Universum), die die Robertson-Walker-Geometrie verwenden

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

  mit einen zeitabhängigen Skalierungsfaktor und den Krümmungsindex.$R(z)$$k$

  Dies führt zu einer Lösung für den Skalierungsfaktor$R$

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

  Dabei ist der Druck und die Energiedichte.$p$$\epsilon$

Die Erweiterung kann als kinematischer Effekt angesehen werden (wie bei der Erweiterung in der Newtonschen Kosmologie) und wird durch die Bewegungsgleichungen im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben, die einer zeitlichen Änderung der 'Metrik' entspricht . Diese Änderung der Metrik ist die Art und Weise, wie wir Bewegung, Gravitation und Elektromagnetismus relativistisch beschreiben können.

Wenn Sie möchten, können Sie diesen Effekt so etwas wie "Schaffung von Raum" nennen, aber dann müssten Sie imo konsistent sein und jede andere relativistische Längenkontraktion / -dehnung als "Raum wird erzeugt / beseitigt" bezeichnen (z. B. wird Raum entfernt) Das Interferometer von Michelson und Morley, wenn es sich bewegt oder wenn Gravitationswellen vorbeiziehen, erleben wir eine wiederholte Entfernung und Hinzufügung von Raum.

Wenn Sie also das nächste Mal einen Apfel von einem Baum fallen sehen, sollten Sie sich vorstellen, dass aus der Sicht dieses Apfels der Raum zusammengezogen und somit der Raum entfernt wird.