Was ist, wenn sich das Universum als Ganzes dreht?

Wenn Sie von ganzem Herzen an Machs Prinzip glauben, gibt es keine Möglichkeit, die Rotation des Universums als Ganzes empirisch zu testen, da es nichts anderes gibt, zu dem es sich relativ drehen könnte. Die allgemeine Relativitätstheorie ist jedoch nicht sehr machianisch und bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten, wie ein Beobachter in einem versiegelten Labor feststellen kann, ob sich das Labor dreht. Sie kann beispielsweise die Bewegung eines Kreisels beobachten oder messen, ob der Sagnac-Effekt gleich Null ist. Es gibt alternative Gravitationstheorien wie die Brans-Dicke-Schwerkraft, die eher Machianisch als GR sind, [Brans 1961], und in diesen Theorien gibt es wahrscheinlich keinen sinnvollen Sinn, in dem sich das Universum drehen könnte. Allerdings schließen Sonnensystemtests [Bertotti 2003] jegliche signifikanten Abweichungen von GR des Typs aus, der von der Brans-Dicke-Schwerkraft vorhergesagt wurde,

Es ist daher nach der Allgemeinen Relativitätstheorie möglich, Kosmologien zu haben, in denen sich das Universum dreht. Historisch gesehen war eine der frühesten zu entdeckenden kosmologischen Lösungen für die Einstein-Feldgleichungen die Gödel-Metrik, die rotiert und geschlossene zeitähnliche Kurven hat. Wenn wir in einem rotierenden Universum wie Gödels Beispiel lebten, müsste die Rotationsgeschwindigkeit in Winkelgeschwindigkeit und nicht in Drehimpuls ausgedrückt werden. Die Winkelgeschwindigkeit wird mit einem Gyroskop oder dem Sagnac-Effekt gemessen, und GR hat nicht einmal eine Definition des Drehimpulses, die für kosmologische Raumzeiten gilt.

Ein rotierendes Universum muss kein Rotationszentrum haben und kann homogen sein. Mit anderen Worten, wir könnten eine Richtung am Himmel bestimmen und sagen, dass sich das Universum mit einer bestimmten Geschwindigkeit gegen den Uhrzeigersinn um die Linie dreht, die uns mit diesem Punkt auf der Himmelskugel verbindet. Außerirdische, die irgendwo anders im Universum leben, könnten jedoch dasselbe tun. Ihre Linie wäre parallel zu unserer, aber es gäbe keine Möglichkeit zu sagen, ob eine solche Linie das wahre Rotationszentrum ist.

Um herauszufinden, ob sich das Universum dreht, besteht der im Prinzip einfachste Test darin, die Bewegung eines Kreisels relativ zu den fernen Galaxien zu beobachten. Wenn es sich relativ zu ihnen mit einer Winkelgeschwindigkeit -ω dreht, dreht sich das Universum mit der Winkelgeschwindigkeit ω. In der Praxis haben wir keine mechanischen Gyroskope mit ausreichend kleinen zufälligen und systematischen Fehlern, um eine sehr niedrige Grenze für ω festzulegen. Wir können jedoch das gesamte Sonnensystem als eine Art Kreisel verwenden. Beobachtungen des Sonnensystems legen eine modellunabhängige Obergrenze von 10^-7 Radiant/Jahr für die Drehung fest [Clemence 1957], was eine Größenordnung zu lax ist, um die Gödel-Metrik auszuschließen.

Ein rotierendes Universum muss eine bestimmte Rotationsachse haben, also muss es eine bestimmte Art von Anisotropie haben, die eine bestimmte Vorzugsrichtung auswählt. Wir können daher den kosmischen Mikrowellenhintergrund betrachten und sehen, ob seine Anisotropie eine Vorzugsachse enthält. [Collins 1973] Solche Beobachtungen legen eine Grenze fest, die enger ist als die Messungen des Sonnensystems (vielleicht 10^-9 rad/Jahr [Su 2009 ] oder 10^-15 rad/yr [Barrow 1985]), aber solche Grenzen sind modellabhängig.

Da alle gegenwärtigen Beobachtungen mit einer Rotationsgeschwindigkeit von Null übereinstimmen, ist es nicht möglich, der Rotation irgendeine herausragende kosmologische Rolle zuzuschreiben. Zentrifugalkräfte können nicht wesentlich zur kosmologischen Expansion beitragen oder dazu, wie sich Ihr Kopf anfühlt, wenn Sie verkatert sind.

Brans und Dicke, "Machs Prinzip und eine relativistische Gravitationstheorie", Phys. Rev. 124 (1961) 925, http://loyno.edu/~brans/ST-history/

Bertotti, Iess und Tortora, "Ein Test der allgemeinen Relativitätstheorie unter Verwendung von Funkverbindungen mit dem Cassini-Raumschiff", Nature 425 (2003) 374

Clemence, „Astronomische Zeit“, Rev. Mod. Phys. Vol. 29 (1957) 2

Collins und Hawking, „Die Rotation und Verzerrung des Universums“, Mon. Nicht. R. Astr. Soc. 162 (1973) 307

Hawking, „Über die Rotation des Universums“, Mon. Nicht. R. Astr. Soc. 142 (1969) 529

Barrow, Juszkiewicz und Sonoda, „Universelle Rotation: Wie groß kann sie sein?“, Mon. Nicht. R. Astr. Soc. 213 (1985) 917, http://adsabs.harvard.edu/full/1985MNRAS.213..917B

Su und Chu, „Rotiert das Universum?“, 2009, http://arxiv.org/abs/0902.4575

[Dies ist ein FAQ-Eintrag im Physikforum, den ich mit Beiträgen der Benutzer George Jones, Jim Mcnamara, Marcus, PAllen, Tiny-Tim und Vela geschrieben habe.]

Ich denke, in diesem Fall wird das Universum homogen, aber nicht isotrop sein. Solche Geometrien wurden von Bianchi klassifiziert und haben Parameter, die durch Experimente eingeschränkt sind (nicht mein Fachgebiet, daher bin ich mir nicht sicher, inwieweit). Soweit ich weiß, gibt es keinen Hinweis darauf, dass der Drehimpuls benötigt wird, um eine kosmologische Beobachtung zu erklären.

Übrigens glaube ich nicht, dass die allgemeine Relativitätstheorie (oder irgendeine andere aktuelle Theorie) dem Prinzip von Mach gehorcht, da es, wie es normalerweise formuliert wird, in hohem Maße nicht-lokale Effekte erfordert. Frame Dragging mag im Sinne von Machs Prinzip sein, aber es ergibt sich aus perfekt lokalen Wechselwirkungen, wie sie in GR codiert sind.

Ich bin mir in diesem Fall nicht sicher über den Lense-Thirring-Effekt, aber es ist definitiv wahr, dass eine globale Rotation durch eines der von Moshe erwähnten homogenen, aber anisotropen (nicht isotropen) Bianchi-Modelle beschrieben würde. Für schöne Bilder, wie der anisotrope Himmel des kosmischen Mikrowellenhintergrunds in diesen Modellen aussehen würde, siehe zum Beispiel den Artikel von Andrew Pontzen ( Pontzen 2009 ).

Unter Verwendung der aktuellen CMB-Daten, insbesondere aus dem WMAP-Experiment, kann man diesen Bianchi-Modellen Obergrenzen auferlegen (und vielleicht eines Tages Detektionen davon). Diese Arbeit geht mindestens so weit zurück wie die Veröffentlichung von Ted Bunn und Mitarbeitern ( Bunn, Fereira & Silk 1996 ) .

Machs Prinzip besagt, dass Trägheit aus der Masse von allem anderen im Universum entsteht, und wenn sich das Universum also drehen würde, würde es uns im Kreis herumziehen, und deshalb würden wir es nicht bemerken. Dieses Frame-Ziehen findet tatsächlich statt und wird als Lense-Thirring-Effekt bezeichnet . Wenn Sie sich in einer massiven rotierenden Kugel befinden, würde sich Ihr Bezugsrahmen in Bezug auf den Rest des Universums außerhalb der massiven rotierenden Kugel drehen. Ich bin mir jedoch nicht sicher, ob der Lense-Thirring-Effekt tatsächlich das Machsche Prinzip impliziert. Vielleicht kann jemand helfen, der mehr weiß.

Wenn Sie sagen, dass sich das Universum "als Ganzes" dreht, müssen Sie eine Rotationsachse definieren. Eine Rotationsachse würde einige Probleme verursachen, wie die Verletzung eines homogenen und isotropen Universums, wie es das kosmische Inflationsmodell vorschlägt.

Übrigens kann man nicht sagen, dass sich das Universum bezüglich der Rotationsachse überall mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit dreht. Dies würde schnellere als leichte lineare Geschwindigkeiten verursachen, obwohl ich einfach die klassische Mechanik zum Berechnen verwendet habe, ist vielleicht ein relativistisches Modell möglich.

Die Existenz eines solchen Drehimpulses könnte jedoch einige Auswirkungen haben. Zum Beispiel könnte man sagen, wenn die Theorie "Big Bounce" (http://en.wikipedia.org/wiki/Big_bounce) richtig ist, könnte man sagen, dass der Ursprung des gesamten Universums ein Schwarzes Loch mit einem Drehimpuls ist, das heißt, ein rotierendes Schwarzes Loch mit möglicherweise keiner elektrischen Ladung.

Hoyle und Narlikar haben auch gezeigt, dass die Rotation für ein expandierendes Universum tatsächlich zerfällt – was möglicherweise erklären könnte, warum eine Rotation, wenn sie existiert, sehr, sehr langsam zu sein scheint (siehe Hawkings eigene Bemerkungen dazu). Es erklärt auch, warum es keine erkennbare Rotationsachse geben würde. Dark Flow könnte eine verbleibende ursprüngliche Drehung des Universums sein (etwas, das ich vor einiger Zeit spekuliert habe). Die Rotation erfordert auch Energie - es könnte einen Energieaustausch zwischen Masse und Rotation gegeben haben, der das Vakuumenergieproblem erklären könnte (etwas weitreichend, aber ich fand es schwierig, es nicht zu erwähnen). Offensichtlich würde ein frühes rotierendes Universum aufgrund einer internen Zentrifugalkraft eine bedeutende Rolle bei der Expansion eines Universums spielen. Das Universum scheint groß genug geworden zu sein, um nicht durch die Gravitationsbindungskräfte in seinem Inneren behindert zu werden. Der folgende Linkhttps://gyroverse.quora.com/ ist meine eigene Arbeit, gibt aber einen vernünftigen Witz für ein expandierendes Universum.