Brauchte das Universum das Vorhandensein von Materie und Strahlung, um sich auszudehnen?

Die Ausdehnung des Universums ist die relative Bewegung des Materials darin. Es ist sinnlos, von der Ausdehnung eines Vakuums zu sprechen.

Es gibt Vakuum-FLRW-Lösungen: Sie sind der Minkowski-Raum (z$Λ=0$), de Sitter-Raum ($Λ>0$) und Anti-de-Sitter-Raum ($Λ<0$). Alle von ihnen sind maximal symmetrisch – jeder Raumzeitpunkt sieht gleich aus wie jeder andere – und daher gibt es keine allgemein kovariante Methode, um einen zeitvariablen Skalierungsfaktor oder eine andere Größe zu definieren, die mit der Raumzeitposition variiert. Es gibt viele verschiedene FLRW-Parametrisierungen dieser Raumzeiten oder Teile davon, die jedem Punkt unterschiedliche kosmologische Zeiten und Skalierungsfaktoren zuweisen. Sie sind nur Koordinatensysteme, keines ist korrekter als die anderen, wie Trägheitsreferenzrahmen in der speziellen Relativitätstheorie.

Während der Inflation ist die Raumzeit nicht wirklich de Sitter. Das Inflationsfeld hat eine zeitvariable Energiedichte (die langsame Rolle), die Sie verwenden können, um eine Zeitkoordinate und einen Skalierungsfaktor zu definieren. Wenn Sie das nicht als Materie zählen, dann braucht das Universum keine Materie, um sich auszudehnen. Was es braucht, ungeachtet der Nomenklatur, ist etwas, das einem Hubble-Fluss ähnelt, dh etwas, das die definierende Symmetrie von FLRW-Geometrien und keine größere Symmetrie hat. Eine zufällige Raumzeit ist nicht symmetrisch genug, und ein FLRW-Vakuum ist zu symmetrisch, um sich eindeutig auszudehnen.

Schauen wir uns die Daten an, die das Modell der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) beschreibt. GR ist eine Theorie, soweit es die Mathematik betrifft. Um für die Physik relevant zu sein, muss es (in diesem Fall) die Daten des Universums modellieren.

Die Daten des Universums bestehen aus Zahlen und Beobachtungen von Strahlung und Materie, wenn diese nicht da sind, gibt es kein Universum, nur Mathematik und Science-Fiction.

Sehen wir uns die grundlegende mathematische Beziehung der GR-Relativität an

Auf der linken Seite haben wir die Raumvariablen, die einen Tensor definieren, auf der rechten Seite ist der Energie-Impuls-Tensor. Für ein spezifisches Problem mit Energie und Strahlung auf der rechten Seite ist es eine komplizierte Gleichung, die für das spezifische Problem von Materie und Strahlung berechnet werden muss. Aufgrund der mathematischen Gleichheit zwischen Raum und Energie/Impuls erzeugen die mathematischen Lösungen eine sogenannte Raumkrümmung.

Wenn die rechte Seite Null ist, kann es keine Lösungen geben, die eine Krümmung der Raumkoordinaten zeigen. Hier wird dies erwähnt

In der Allgemeinen Relativitätstheorie fungiert der symmetrische Spannungs-Energie-Tensor als Quelle der Raumzeitkrümmung, ..

Ich habe diese ausführliche Antwort in Quora gefunden , die Sie interessieren könnte.

Meiner Meinung nach können mathematische Gleichungen eine beliebige Anzahl von Lösungen haben, die Aufgabe der physikalischen Analyse besteht darin, festzustellen, wo diese Lösungen die Daten und Beobachtungen beschreiben und, was wichtig ist, Vorhersagen sind. Wenn es keine Materie und Energie gibt, sollte man zur Beschreibung der physikalischen Situation die Lösungen wählen, die damit kompatibel sind, die keine Krümmung haben.

Es könnte sein, dass die anfänglichen virtuellen Materiefelder auf unseren 3D-Raum beschränkt waren, während unser Raum in einen stark negativ gekrümmten 4D-Raum eingebettet war (etwas wie in pyrotechnischen Ansätzen beschrieben). Der virtuelle Charakter könnte diese negative Krümmung hervorrufen. Es zog (oder drückte) das virtuelle Zeug mit einem Knall in die reale Existenz. Dadurch wird eine positive Krümmung verliehen und die Beschleunigung gestoppt. Wir sehen, wie sich das Universum im 3D-Raum ausdehnt, auf den die Materie beschränkt ist, aber dieser 3D-Raum dehnt sich in einem 4D-Raum aus. Also brauchte es nur virtuelle Materie.

Wenn sich die Materie in unserem Universum, alle Abstände zwischen geladenen Teilchen gleich schnell ausdehnen würden, wäre die Entfernung voneinander nicht wahrnehmbar. Alle Photonen würden ihre Wellenlänge beibehalten, wenn sie in Abständen zwischen wechselwirkenden Teilchen gemessen würden. Aber Teilchen interagieren . Dank dieser Interaktion bemerken wir also eine Expansion. Aber für den anfänglichen Geschwindigkeitsschub, das Aufblasen, war nur virtuelle Materie nötig.

Ihre Frage spricht tiefe Probleme über den Beginn des Universums an, wie sie von der „Konkordanzkosmologie“ beschrieben werden, und Sie haben Recht, dass es Widersprüche gibt.

Die Antwort ist, dass die Konkordanzkosmologie falsch ist.

Allgemeine Relativitätstheorie und Urknall sind richtig, aber die zusätzlichen Zusätze, die seit etwa 1990 hinzugefügt wurden, Inflation und Dunkle Energie, sind falsch.

Es würde die Antwort zu lang und subjektiv machen, auf weitere Einzelheiten darüber einzugehen, wie die gegenwärtige Kosmologie verbessert werden könnte.