FRW-Metrik und ihre Gültigkeit während des gesamten Zeitalters des Universums

Wir glauben nicht, dass die FLRW-Metrik für die gesamte Geschichte des Universums gültig ist.

Wenn wir eine Metrik der Form nehmen:

dann erwarten wir, dass dies für die gesamte Geschichte des Universums gilt, solange das Universum isotrop und homogen ist. Wir müssen jedoch die Gleichung für die Funktion finden$a(t)$, und genau das macht die FLRW-Metrik. Es bezieht sich auf$a(t)$auf den Materie-/Energiegehalt des Universums und erlaubt uns, die Form von zu berechnen$a(t)$. Bei Interesse habe ich nachgerechnet$a(t)$für unser Universum in meiner Antwort auf Wie ändert sich der Hubble-Parameter mit dem Alter des Universums? .

Die Berechnung macht jedoch Annahmen über den Materie-/Energiegehalt. Insbesondere wird davon ausgegangen, dass nur drei Arten von Energie/Materie berücksichtigt werden müssen:

1. relativistische Materie und Strahlung

2. normale Alltagssache

3. die kosmologische Konstante

Die Art und Weise, wie die Dichten dieser drei Komponenten mit der Größe des Universums skalieren, bestimmt die Form von$a(t)$. Relativistische Materie und Strahlung dominieren zu frühen Zeiten, normale Materie dominiert zu mittleren Zeiten und die kosmologische Konstante dominiert zu langen Zeiten. Unser Universum vollzog den Wechsel von Materie-dominierter zu Dunkler-Energie-dominierter Energie etwa 6 - 8 Milliarden Jahre nach dem Urknall.

Aber ...

Wir erwarten, dass es andere Faktoren gibt, die die Gesamtenergiedichte beeinflussen. Zum Beispiel glauben die meisten Kosmologen, dass ungefähr eine Inflationsphase begann$10^{-36}$Sekunden nach dem Urknall. Dies wurde von einer noch nicht identifizierten Quelle namens Inflationsfeld angetrieben . Das Inflationsfeld ist nicht in der FLRW-Metrik enthalten, sodass die FLRW-Metrik die Inflation übersieht.

Eine andere umstrittenere Möglichkeit ist, dass dunkle Energie zeitabhängig ist, in diesem Fall wird sie normalerweise als Quintessenz bezeichnet . In diesem Fall ist die Annahme einer konstanten Dunkelenergiedichte ungültig, und die FLRW-Metrik wird das Universum während der von Dunkelenergie dominierten Phase nicht beschreiben können.

Aber ich bin möglicherweise etwas hart zu den Messern Friedmann, Lemaître, Robertson und Walker, weil die allgemeine Form ihrer Metrik immer noch gültig sein wird. Es ist nur so, dass Sie zusätzliche Komponenten in die Materie-/Energiedichte einbeziehen müssen, die zu ihrer Zeit unbekannt waren. Die Metrik von Friedmann, Lemaître, Robertson, Walker, Rennie$^1$das alle Komponenten beinhaltet, die jemals die Materie-/Energiedichte beeinflussen werden, wird während der gesamten Geschichte des Universums gültig sein.

$^1$in Arbeit

Die F(L)RW-Metrik kommt mit sehr wenigen Annahmen, obwohl diese ziemlich stark sind:

• Die Raumzeit ist homogen.
• Die Raumzeit ist isotrop.

Oder anders gesagt, es wird das kosmologische Prinzip angenommen. Philosophisch ist dies sehr wünschenswert, da die Vorstellung, dass es bevorzugte Orte oder Richtungen im Universum gibt, aus heutiger Sicht etwas abstoßend ist. Darüber hinaus hängt unsere Fähigkeit, die Physik des Universums zu verstehen, ziemlich stark davon ab, dass das kosmologische Prinzip gilt, also wollen wir es sehres zu halten. Glücklicherweise scheinen Beobachtungen auf Homogenität und Isotropie auf "groß genugen" Skalen hinzudeuten. Und es ist nicht so, dass wir Abweichungen von perfekter Homogenität und Isotropie ignorieren; Wir wissen, wie man lineare Störungen (analytisch) und nichtlineare Störungen (numerisch) auf einer Hintergrund-F(L)RW-Metrik entwickelt. Mit dieser Störungsmaschinerie können wir verschiedene Modelle des Universums durcharbeiten.

In jedem F(L)RW-Modell, das wir für realistisch halten, nehmen die Abweichungen von Homogenität und Isotropie tendenziell mit der Zeit zu , also wenn wir behaupten, dass das kosmologische Prinzip jetzt gilt (so gut, dass wir F(L)RW + Störungen verwenden können, um zum Laufen zu kommen Modell), behaupten wir implizit, dass es die Zeit zumindest bis zur Inflation zurückhält. Und wenn wir richtig liegen und in eine von dunkler Energie dominierte Epoche eintreten, wird das kosmologische Prinzip für die (ziemlich lange) absehbare Zukunft weiterhin gelten.