Космическое расширение и общая теория относительности Эйнштейна

Изображение эволюции Вселенной за 13,77 миллиарда лет. В крайнем левом углу изображен самый ранний момент, который мы можем сейчас исследовать, когда период «инфляции» вызвал всплеск экспоненциального роста Вселенной. (Размер изображен вертикальной протяженностью сетки на этом графике.) В течение следующих нескольких миллиардов лет расширение Вселенной постепенно замедлялось, поскольку материя во Вселенной притягивала себя к себе под действием силы тяжести. В последнее время расширение снова начало ускоряться, поскольку отталкивающие эффекты темной энергии стали доминировать над расширением Вселенной. Предоставлено: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.

Исследователи изучают космическое расширение, используя методы физики многих тел.

В космологических расчетах почти всегда предполагается, что во Вселенной существует равномерное распределение материи. Это потому, что расчеты были бы слишком сложными, если бы включить положение каждой отдельной звезды. На самом деле Вселенная неоднородна: в одних местах есть звезды и планеты, в других – просто пустота.

Физики Михаэль те Вругт и профессор Рафаэль Виттковски из Института теоретической физики и Центра мягкой нанонауки (SoN) в

Мюнстерский университет
Основанный в 1780 году Мюнстерский университет (нем. Westfälische Wilhelms-Universität Münster, WWU) – это государственный университет, расположенный в городе Мюнстер, Северный Рейн-Вестфалия в Германии. Он предлагает широкий спектр предметов в области естественных, социальных и гуманитарных наук с более чем 120 областями обучения на 15 факультетах.

“> Мюнстерский университет вместе с физиком доктором Сабиной Хоссенфельдер из Франкфуртского института перспективных исследований (FIAS) разработали новую модель для этой проблемы. Их отправной точкой был формализм Мори-Цванцига, метод описания систем, состоящих из большого числа частиц с небольшим числом измеряемых величин. Результаты исследования опубликованы в журнале. Письма с физическими проверками.

История вопроса: Общая теория относительности, разработанная Альбертом Эйнштейном, является одной из самых успешных теорий современной физики. Две из пяти последних Нобелевских премий по физике связаны с ней: в 2017 г. за измерение

гравитационные волны
Гравитационные волны – это искажения или рябь в ткани пространства и времени. Впервые они были обнаружены в 2015 году детекторами Advanced LIGO и возникают в результате катастрофических событий, таких как столкновение черных дыр, сверхновых или слияние нейтронных звезд.

“> гравитационные волны, а в 2020 году за открытие

черная дыра
Черная дыра – это место в космосе, где сила гравитации настолько сильна, что даже свет не может покинуть ее. Астрономы классифицируют черные дыры по размеру на три категории: миниатюрные, звездные и сверхмассивные черные дыры. Миниатюрные черные дыры могут иметь массу меньше нашего Солнца, а сверхмассивные черные дыры могут иметь массу, эквивалентную миллиардам нашего Солнца.

“> черная дыра в центре

Млечный Путь
Млечный Путь – это галактика, которая содержит Землю и названа в честь своего появления с Земли. Это спиральная галактика с перемычкой, которая содержит примерно 100-400 миллиардов звезд и имеет диаметр от 150 000 до 200 000 световых лет.

“> Млечный Путь. Одним из наиболее важных приложений теории является описание космического расширения Вселенной, поскольку

Большой взрыв
Большой взрыв – это ведущая космологическая модель, объясняющая, как Вселенная в том виде, в котором мы ее знаем, возникла примерно 13,8 миллиарда лет назад.

“> Большой взрыв. Скорость этого расширения определяется количеством энергии во Вселенной. Помимо видимой материи, здесь играют роль прежде всего темная материя и темная энергия – по крайней мере, согласно модели Lambda-CDM, которая в настоящее время используется в космологии.

«Строго говоря, математически неправильно включать среднее значение плотности энергии Вселенной в уравнения общей теории относительности», – говорит Сабина Хоссенфельдер. Вопрос в том, насколько «плохая» эта ошибка. Некоторые эксперты считают его несущественным, другие видят в нем решение загадки темной энергии, физическая природа которой до сих пор неизвестна. Неравномерное распределение массы во Вселенной может повлиять на скорость космического расширения.

«Формализм Мори-Цванцига уже успешно используется во многих областях исследований, от биофизики до физики элементарных частиц, – говорит Рафаэль Витковски, – поэтому он также предложил многообещающий подход к этой астрофизической проблеме». Команда обобщила этот формализм, чтобы его можно было применить к общей теории относительности, и при этом вывели модель космического расширения, принимая во внимание неравномерное распределение материи во Вселенной.

Модель делает конкретный прогноз влияния этих так называемых неоднородностей на скорость расширения Вселенной. Этот прогноз немного отличается от прогноза, который дает модель Lambda-CDM, и, таким образом, дает возможность проверить новую модель экспериментально. «В настоящее время астрономические данные недостаточно точны, чтобы измерить это отклонение, – говорит Михаэль те Вругт, – но большой прогресс, достигнутый, например, в измерении гравитационных волн, дает нам основания надеяться, что это изменится. Кроме того, новый вариант формализма Мори-Цванцига может быть применен и к другим астрофизическим задачам, поэтому работа актуальна не только для космологии ».

Ссылка: «Формализм Мори-Цванцига для общей теории относительности: новый подход к проблеме усреднения» Майкла те Вругта, Сабины Хоссенфельдер и Рафаэля Виттковски, 1 декабря 2021 г., Письма с физическими проверками.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.231101

Финансирование: Михаэль те Вругт получает финансирование в виде докторской стипендии Studienstiftung des deutschen Volkes (Немецкий фонд академических стипендий). Сабина Хоссенфельдер получает финансовую поддержку от Немецкого исследовательского фонда (DFG, HO 2601 / 8-1). Рабочая группа Виттковского также финансируется Немецким исследовательским фондом (DFG, WI 4170 / 3-1).

Leave a Comment

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.