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

Ja, Raum wird ständig geschaffen. Der neue Raum enthält keine Materie (wie Atome) oder dunkle Materie. Das bedeutet, dass die Dichte von normaler und dunkler Materie im gleichen Maße abnimmt wie das Volumen zunimmt . Allerdings wird dunkle Energie , die etwas völlig anderes ist und als eine Eigenschaft des Vakuums selbst angesehen wird, mit dem neuen Raum erzeugt, sodass die Dichte der dunklen Energie konstant bleibt.

Dies wiederum bedeutet, dass das frühe Universum (dh seit seinem Alter von 70.000 Jahren bis zu seinem Alter von fast 10 Milliarden Jahren) von Materie dominiert wurde, das Universum jetzt jedoch von dunkler Energie dominiert wird.

Und es wird nur noch schlimmer.

Die Ausdehnung der Raumzeit beinhaltet nicht die Erschaffung von irgendetwas. Was im Prozess der Erweiterung passiert, ist die Erweiterung der Metrik selbst der Raumzeit.

Stellen Sie sich dies als ein beliebiges Koordinatensystem mit geometrischen Punkten in konstantem Abstand vor. Wenn sich die Raumzeit ausdehnt, erweitert sich der Abstand zwischen diesen geometrischen Punkten für jeden Punkt um den gleichen Abstand. Grundsätzlich dehnt sich jede Region der Raumzeit von jeder anderen Region mit der gleichen Geschwindigkeit und Entfernung aus, egal wo Sie sich gerade befinden.

Aus diesem Grund ist die Vorstellung, dass neue Materie als Expansionsmethode „erschaffen“ wird, nicht nur falsch, sondern überhaupt nicht hilfreich. Sie führt zu der Idee, dass die Raumzeit einen konkreten Rand hat, an dem immer neue Dinge entstehen, die möglicherweise gedacht werden könnten als eine gewisse Entfernung von uns. Es ist nicht so. Die Raumzeitausdehnung findet überall statt, da sich die Entfernungen zwischen jedem Punkt in unserem Koordinatensystem ausdehnen.

In unserem Maßstab (und tatsächlich in jedem Maßstab kleiner als Galaxienhaufen) sehen wir diese isotrope Ausdehnung nicht als Gravitationskräfte zwischen Objekten, die dieser Koordinatenausdehnung folgen. Denken Sie daran, dass Andromeda derzeit als 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 Haufen, die sich ausdehnen, sondern die Haufen selbst, die sich voneinander entfernen.

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 Allgemeinen Relativitätstheorie der Raumzeit nicht mit dem übereinstimmen, was auf der Quantenebene passiert, aber das liegt außerhalb des Rahmens dieser Frage.

Diese Frage tauchte auch in Vorlesung 4 von Leonard Susskinds Modern Physics in Bezug auf ein Modell auf, das er zur Erklärung der Expansion zeigte.

"Kleine Stücke von Raum, kleine Stücke von neu geformtem Raum, das ist eine Art , darüber nachzudenken. Die andere Art, darüber nachzudenken, führt einfach durch die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie ..."

Ich glaube, es wäre falsch zu denken, dass Raum „erschaffen“ wird. Oder zumindest wäre das eher ein metaphysisches Konzept. Es stellt sich die Frage, was Raum ist und was istSchaffung? Ich denke nicht, dass es viel Platz in der Allgemeinen Relativitätstheorie hat (zumindest nicht ohne Berücksichtigung tiefergehender Modelle, die versuchen, die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenfeldtheorie zu vereinen). Wird Raum geschaffen oder nur gedehnt (vergleichen Sie mit einem Gummiband, erzeugen wir ein Gummiband, wenn wir ein Gummiband dehnen)? Diese Konzepte mögen eine Möglichkeit sein, darüber nachzudenken, aber sie beschreiben nicht genau, was sie "sind", oder zumindest gehen sie über die physikalische und mathematische Beschreibung hinaus. Die gängigen Gleichungen (zumindest die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie) sagen weder aus, ob der Raum gedehnt noch ob Raum geschaffen wird. Diese Konzepte sind irrelevant.

Es gibt keinen physikalischen Mechanismus, durch den wir sagen könnten: „Dies oder das schafft Raum“. Eine interessante gegensätzliche Sichtweise, die die Expansion und „Erschaffung“ des Weltraums in ein anderes Licht rückt, ist die Sichtweise, dass das expandierende Universum und die relativistischen Gleichungen bereits allein mit der Newtonschen Dynamik abgeleitet werden können ( erstmals beschrieben von McCrea und Milne Mitte der 30er Jahre ). Dieser Rahmen, obwohl er zu den gleichen Gleichungen führt, ist ein Newtonscher Begriff und hat eine andere Interpretation. Gut zu erwähnen ist, dass der Raum in der Newtonschen Mechanik absolut ist (wenn sich also ein Volumen ausdehnt, dann könnte man sagen, dass es so etwas wie die Schaffung von Raum geben muss), aber in der allgemeinen Relativitätstheorie ist dies nicht der Fall. Was für Sie groß aussieht, kann für einen anderen Betrachter klein erscheinen.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie kann die Expansion des Universums wie jede andere Bewegung durch die Einstein-Feldgleichungen 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 „erschafft“, es ist nur eine gewöhnliche Bewegung, wie sie von Einstein beschrieben wird Feldgleichungen).

Diese Gleichungen können sehr kurz wie folgt formuliert werden:

• ^{Hinweis: Die folgenden Gleichungen können auf viele verschiedene Arten geschrieben werden. Ich habe die Notation von Jerzy Plebanski Andrzej Krasinski in An Introduction to General Relativity and Cosmology verwendet}

  Das expandierende Universum kann durch die Einsteinschen Feldgleichungen beschrieben werden.

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

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

  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$R(z)$ein zeitabhängiger Skalierungsfaktor und$k$der Krümmungsindex.

  Dies führt zu einer Lösung für den Skalierungsfaktor$R$

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

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

Die Ausdehnung kann als kinematischer Effekt angesehen werden (wie bei der Ausdehnung in der Newtonschen Kosmologie) und ist, wenn sie durch die Bewegungsgleichungen im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben wird, gleichbedeutend mit einer zeitlichen Änderung der „Metrik“ . Diese Änderung der Metrik ist zufällig die Art und Weise, wie wir Bewegung, Gravitation und Elektromagnetismus auf relativistische Weise beschreiben können.

Wenn Sie möchten, könnten Sie diesen Effekt so etwas wie "Erstellung von Raum" nennen, aber dann müssten Sie imo konsequent sein und jede andere relativistische Längenkontraktion / -dehnung als "Raum wird erstellt / eliminiert" bezeichnen (z. B. Raum wird entfernt). Michelsons und Morleys Interferometer, wenn es sich bewegt, oder wenn Gravitationswellen vorbeiziehen, dann 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 kontrahiert, also Raum entfernt wird.