Verlangsamt die Schwerkraft die Expansion des Universums?

Die Antwort lautet: Ja, die Gravitation verlangsamt die Ausdehnung des Weltraums (wobei wir die dunkle Energie für den Moment beiseite lassen), aber um besser zu verstehen, was vor sich geht, müssen Sie sich etwas eingehender damit befassen.

Wenn wir ein paar vereinfachende Annahmen über das Universum treffen, z. B. dass es überall ungefähr gleichförmig ist, können wir die Einstein-Gleichung lösen, um die FLRW-Metrik zu erhalten . Dies ist eine Gleichung, die uns sagt, wie sich die Raumzeit ausdehnt, und tatsächlich scheint sie ziemlich gut zu dem zu passen, was wir sehen, sodass wir einigermaßen sicher sein können, dass sie zumindest eine gute Annäherung an das Verhalten des Universums ist.

Um die Schwerkraft zu verringern, verringert man einfach die Materiedichte im Universum, denn schließlich ist es die Materie, die die Schwerkraft erzeugt. Bei geringer Materiedichte sagt uns die FLRW-Metrik, dass sich das Universum ewig ausdehnt. Wenn Sie die Materiedichte erhöhen, verlangsamt sich die Expansion, und für Dichten über einer kritischen Dichte (bekannt als$\Omega$) kommt die Expansion zum Stillstand und das Universum bricht wieder zusammen.

Also ja, die Schwerkraft verlangsamt die Expansion und die FLRW-Metrik sagt uns, um wie viel. Wenn Sie dies weiter verfolgen möchten, versuchen Sie, nach der FLRW-Metrik zu googeln. Der Wikipedia-Artikel ist sehr gründlich, aber für Nicht-GR-Freaks etwas technisch, aber beim Googeln sollten Sie zugänglichere Beschreibungen finden.

Diese Antwort soll Nick Kidmans Neuformulierung der Frage ansprechen:

Gibt es ein Maß für die Schwerkraft in der Raumzeit (vielleicht ist die Aktion gültig)? Und wie hängen die Entwicklungsgleichungen (Friedmann?) von diesem reellen Parameter ab.

Die Art und Weise, wie Kosmologen darauf antworten, bezieht sich auf die Energiedichte des Universums. Diese Energie kann von Strahlung, Materie, einer kosmologischen Konstante oder jeder anderen Form von dunkler Energie stammen, sofern vorhanden.

Der Rest der Antwort ist der Diskussion in Lehrbüchern wie Ryden sehr ähnlich . Der Einfachheit halber betrachten wir den imaginären Fall, in dem die Energiedichte des Universums vollständig von Materie dominiert wird – das heißt, wir ignorieren Strahlungsenergie und dunkle Energie. Dies ermöglicht es uns zu diskutieren, wie die Expansion des Universums von einem einzigen Parameter abhängt, der Energiedichte der Materie (ich nenne sie ab jetzt nur noch „Materiedichte“). Das Einbeziehen der anderen Energien wird das Bild verkomplizieren, aber nicht die grundlegende Natur der Antwort ändern.

Die Friedmann-Gleichungen sind zeitlich zweiter Ordnung. Wir wählen unsere beiden Integrationskonstanten basierend auf der Größe und Geschwindigkeit der Expansion, die wir jetzt im heutigen Universum beobachten (obwohl die heutige Expansion von dunkler Energie dominiert wird, ist dies nur eine Auswahl von Zahlen, um einen bequemen Bezugspunkt festzulegen). Dann können wir die Materiedichte variieren und die Friedmann-Gleichungen lösen, um zu sehen, wie sich die frühen und späten Phasen der Expansion des Universums ändern würden.

Hier ist eine Grafik, die drei mögliche Szenarien zeigt:

Konzentrieren wir uns zuerst auf die mittlere. Hier die Expansionsrate$\dot{a}$nähert sich asymptotisch Null für$t \rightarrow \infty$. Die Größe der Dichte im heutigen Universum, die dieser Art von Expansion entspricht, wird als kritische Dichte bezeichnet, und wir können sie verwenden, um ein dimensionsloses Maß für die Dichte zu definieren, das als Dichteparameter bezeichnet wird $\Omega$. Die mittlere Kurve entspricht$\Omega = 1$.

Die untere Kurve im Diagramm entspricht$\Omega > 1$. Hier schlägt die Expansion schließlich in einen großen Knirschen um .

Die obere Kurve entspricht$\Omega < 1$. In diesem Fall setzt sich die Expansion zu späten Zeiten stetig fort.

Geschlossene analytische Lösungen für die Friedmann-Gleichungen in einem reinen Materieuniversum mit willkürlichen$\Omega$, wie sie zum Erstellen des Diagramms verwendet werden, sind in vielen Lehrbüchern der Kosmologie zu finden, einschließlich des oben verlinkten.

Es gibt andere wichtige Dinge, die sich mit ändern$\Omega$, wie die Topologie und Krümmung des Universums .

Nun zum Kleingedruckten: In unserem Universum messen wir tatsächlich$\Omega$nahe bei 1 zu sein, was bedeutet, dass die Topologie und Krümmung des Universums unseren Erwartungen zu entsprechen scheinen$\Omega = 1$. Aber wir denken auch, dass sich das Universum in beschleunigter Materie weiter ausdehnen wird. Dies liegt an der Anwesenheit von dunkler Energie, die die Lösungen der Friedmann-Gleichungen modifiziert.

Die Friedmann-Gleichungen für die Ausdehnung des Raums lauten (der Einfachheit halber unter der Annahme eines flachen Raums):

$(1)\ (\frac{\dot a}{a})^2 = \frac{8 \pi G \rho + \Lambda}{3}$

$(2)\ \frac{\ddot a}{a}= -\frac{4 \pi G}{3}(\rho + 3P) + \frac{\Lambda}{3}$

Wo$a$ist der Skalierungsfaktor (ungefähr, wie "erweiterter" Raum ist),$\dot a$ist die Expansionsrate und$\ddot a$ist die Beschleunigung der Expansion.

Wenn Sie „ohne Schwerkraft“ meinen „mit$G = 0$", dann haben wir:

$(3)\ (\frac{\dot a}{a})^2 = \frac{\Lambda}{3} \rightarrow a(t) = a(0)e^{\pm t \sqrt{\frac{\Lambda}{3}}}$

$(4)\ \frac{\ddot a}{a}= \frac{\Lambda}{3}$

Also "ohne Schwerkraft" in diesem speziellen Sinne, mit$G = 0$, der Raum dehnt sich entweder exponentiell mit der Zeit aus oder zieht sich zusammen (für den Spezialfall von$\Lambda = 0$,$\dot a = \ddot a = 0$)

Sehen Sie sich nun im Zusammenhang mit Ihrer Frage zu einem expandierenden Universum durch Betrachtung von Gleichung (2) an, dass „Schwerkraft“ durch Geben eingeführt wird$G$einen positiven Wert (und natürlich unter der Annahme, dass es eine Massendichte ungleich Null gibt), "widersetzt" sich dieser Term dem kosmologischen konstanten Term und kann sogar die Beschleunigung der Raumausdehnung umkehren, indem er macht$\ddot a$negativ, wodurch die Expansion verlangsamt wird.

Während des größten Teils des 20. Jahrhunderts wurde angenommen, dass die Expansion die Schwerkraft verlangsamt. Viele bezweifelten den Wert von Omega, da sie dachten, dass das Universum so nahe an einem kritischen Gleichgewicht sei, dass nicht festgestellt werden könne, ob es sich für immer ausdehnen oder zusammenbrechen würde. Dieses Mysterium hätte sich mit der Entdeckung, dass das Universum beschleunigt, verflüchtigen sollen – doch wissenschaftliche Fernsehsendungen verbreiten das Mysterium immer noch als ein fein abgestimmtes Merkmal des Universums. Die Feinabstimmung widersprüchlicher Faktoren, die zu einem perfekten Gleichgewicht führen, zeigt an, dass etwas nicht stimmt, es sei denn, man ist ein Schöpfungsgegenstand wie ein Töpfer, der mit Ton arbeitet. Vor einigen Jahren entstand die Idee, dass Gravitation und Expansion keine widersprüchlichen Gegensätze sind, sondern voneinander abhängen - dass sie als unabhängige, perfekt ausbalancierte Faktoren erscheinen, liegt an der Tatsache, dass weder die Newtonsche Gravitation noch GR die Ursache des Beschleunigungsfaktors G ansprechen, der in beide Formalismen eingefügt werden muss, um die Bewegung eines Körpers in der Nähe eines anderen vorherzusagen. In Anlehnung an eine Idee von Richard Feynman, der vorschlägt, dass die Schwerkraft als Pseudokraft erklärt werden könnte, kann man mit der Friedmann-Gleichung eine schnelle Berechnung durchführen, um G als 3H ^ 2/4 (pi) auszudrücken.p wobei p die Dichte der Hubble-Kugel und H die Hubble-Konstante ist. In einem beschleunigten (q=-1) Universum reduziert sich der Wert von G dann auf (c^2)/4(pi)R[S], wobei S die Hubble-Kugel als Flächendichte von einem kg/m^2 darstellt und R ist die effektive Hubble-Skala.

Kurze Antwort: Ja, die Schwerkraft verlangsamt die Expansion des Universums in dem Sinne, dass wir eine noch größere Expansion sehen würden, wenn die Schwerkraft* (etwas) schwächer wäre und alles andere gleich bleiben würde.

*genauer gesagt die Gravitationskonstante

Was ist dieses Gravitationsding?

In einem metaphysischen Kontext ist die Schwerkraft einfach , sie ist grundlegend, ein Primäres. Die Schwerkraft kann nicht mit anderen "fundamentaleren" Dingen erklärt werden, weil das ein Widerspruch wäre.

In einem physikalischen Kontext haben wir ein mathematisches Modell für die Schwerkraft, die Allgemeine Relativitätstheorie, die kurz gesagt lautet:

$\textbf{R} + (\Lambda - \frac{1}{2}R)\textbf{g} = \dfrac{8 \pi G}{c^4}\textbf{T}$

Nun, die Terme in diesen Gleichungen sind geometrische Objekte, Tensoren (der Ricci-Tensor, der metrische Tensor und der Spannungs-Energie-Tensor) und diese Gleichung bezieht sich auf diese Tensoren. Darüber hinaus beinhaltet die linke Seite der Gleichung die Geometrie der Raumzeit. Die RHS beinhaltet den Masse-Energie-Inhalt der Raumzeit.

Ich denke also, dass Gravitation in diesem Zusammenhang die Beziehung zwischen diesen Tensoren ist, zwischen der Geometrie der Raumzeit und den Inhalten der Raumzeit.

Beachten Sie, dass ich nicht behaupte, dass die Schwerkraft diese Gleichung ist ; Ich behaupte, dass Gravitation eine Beziehung ist, die durch diese Gleichung ausgedrückt wird, eine fundamentale Beziehung zwischen Raumzeit-Geometrie und Masse-Energie.

Um dies also mit der interessanten Frage des OP zu verknüpfen, die mit "Ohne die Schwerkraft ..." beginnt, wollen wir uns überlegen, was das eigentlich bedeutet .

Legt man fest, dass Schwerkraft eine Beziehung zwischen den oben genannten geometrischen Objekten ist , dann muss „ohne Schwerkraft“ „ ohne Beziehung zwischen diesen geometrischen Objekten “ bedeuten.

Wie würde eine solche Welt aussehen?

(da kommt noch mehr)

Ich denke, dass die Schwerkraft die Ausdehnung des Raums beschleunigt: Stellen Sie sich zwei Objekte vor, die nacheinander direkt in einen Gravitationsschacht fallen. Je näher man einen stärkeren Zug spürt, desto schneller wird es vom Objekt dahinter wegbewegt. Stellen Sie sich dann zwei Objekte vor, die Seite an Seite direkt in eine Gravitationsquelle fallen. Tiefer im Brunnen ist der Lichtweg zwischen ihnen stärker gekrümmt und damit länger. Diese Entfernungen sind also auch größer. Zwei beliebige Galaxien in unserem Kosmos fallen in den Gravitationsschacht des Kosmos als Ganzes. Der Abstand zwischen ihnen muss also aufgrund der Schwerkraft zunehmen.

Viele Menschen sind verwirrt zwischen der Ablenkung eines Objekts in Richtung eines Gravitationsbrunnens und der Auswirkung des Gravitationsbrunnens auf die Entfernungen zwischen Objekten, die hineinfallen.