Quando o universo se expande, cria novo espaço, matéria ou algo mais?

Estou imaginando o que exatamente se entende quando se diz que o universo se expande. Ele simplesmente cria um novo espaço para a matéria preencher, também cria uma nova matéria / matéria escura para preencher esse espaço, ou estou longe? Obrigado por qualquer ajuda!

Sim, o espaço está sendo constantemente criado. O novo espaço não contém matéria (como átomos) ou matéria escura. Isto significa que a densidade da matéria normal e escuro de vincos na mesma taxa como o volume em vincos. No entanto, a energia escura , que é algo completamente diferente e considerado uma propriedade do próprio vácuo, está sendo criada com o novo espaço, de modo que a densidade da energia escura permanece constante.

Por sua vez, isso significa que, enquanto o Universo primitivo (ou seja, com 70.000 anos e até quase 10 bilhões de anos) era dominado pela matéria, o Universo agora é dominado pela energia escura.

E isso só vai piorar.

A expansão do espaço-tempo não envolve a criação de nada. O que está acontecendo no processo de expansão é o aumento da própria métrica do espaço-tempo.

Imagine isso como qualquer sistema de coordenadas arbitrário com pontos geométricos a uma distância constante. À medida que o espaço-tempo se expande, a distância entre esses pontos geométricos se expande para a mesma distância para cada ponto. Basicamente, todas as regiões do espaço-tempo estão se expandindo para outras regiões na mesma taxa e distância, não importa onde você esteja.

É por isso que pensar em uma nova matéria sendo "criada" como o método de expansão não é apenas incorreto, mas não ajuda em nada, pois introduz a idéia de que o espaço-tempo tem uma vantagem concreta em que novas coisas sempre estão surgindo e que podem ser pensadas de maneira concebível. de como uma certa distância de nós. Não é assim A expansão do espaço-tempo está acontecendo em todos os lugares à medida que as distâncias entre todos os pontos do nosso sistema de coordenadas se expandem.

Em nossa escala (e de fato em qualquer escala menor que os aglomerados de galáxias), não vemos essa expansão isotrópica, pois as forças gravitacionais entre os objetos são superadas após essa expansão de coordenadas. Lembre-se de que Andrômeda está atualmente se aproximando de nós como um lembrete. Os aglomerados de galáxias estão seguindo a expansão e estão se distanciando atualmente. Cuidado deve ser tomado aqui embora. Não são as distâncias entre as galáxias no aglomerado que estão se expandindo, são os próprios aglomerados se distanciando.

Durante o 'big bang', as distâncias entre coordenadas eram zero. É daí que surge a idéia da singularidade inicial, à medida que a densidade do espaço-tempo instantaneamente se torna infinita com a alegação de que não existe espaço geométrico (consulte a definição de singularidade para obter mais esclarecimentos). A maioria dirá atualmente que a noção de singularidade existente é duvidosa e que as descrições da Relatividade Geral do espaço-tempo não aderem ao que está acontecendo no nível quântico, mas isso está fora do escopo desta questão.

Essa questão também ocorreu na Aula 4 da Física Moderna de Leonard Susskind em relação a um modelo que ele mostrou para explicar a expansão.

"Pequenos pedaços de espaço, pequenos pedaços de espaço recém-formado, é uma maneira de pensar sobre isso. A outra maneira de pensar sobre isso é apenas através das equações da relatividade geral ..."

Acredito que seria errado pensar no espaço sendo "criado". Ou pelo menos, isso seria mais como um conceito metafísico. Isso levanta a questão do que é espaço e do que écriação? Eu não acho que tenha muito lugar na relatividade geral (pelo menos não sem considerar modelos mais profundos que tentam unificar a relatividade geral com a teoria quântica de campos). O espaço é criado ou é apenas esticado (compare com um elástico, criamos elástico quando esticamos um elástico)? Esses conceitos podem ser maneiras de pensar sobre isso, mas não descrevem com precisão o que "são", ou pelo menos vão além da descrição física e matemática. As equações atuais (pelo menos as equações da relatividade geral) nem informam se o espaço é esticado ou se o espaço é criado. Esses conceitos são irrelevantes.

Não existe um mecanismo físico pelo qual possamos dizer 'isso ou aquilo está criando espaço'. Uma interessante visão contrastante que coloca a expansão e a "criação" do espaço sob uma luz diferente é o ponto de vista de que o universo em expansão e as equações relativísticas já podem ser derivadas usando apenas a dinâmica newtoniana ( descrita pela primeira vez por McCrea e Milne em meados dos anos 30 ). Essa estrutura, embora leve às mesmas equações, é uma noção newtoniana e tem uma interpretação diferente. É bom mencionar que, na mecânica newtoniana, o espaço é absoluto (portanto, quando um volume se expande, pode-se dizer que deve haver algo como criação de espaço), mas na relatividade geral esse não é o caso. O que parece grande para você pode parecer pequeno para um observador diferente.

Na Relatividade Geral, a expansão do universo pode ser descrita pelas equações de Einstein Field como qualquer outro movimento. Você pode compará-lo com o modelo cosmológico newtoniano e ver a expansão do universo como descrita por equações de movimento (ou seja, não existe uma entidade mágica que esteja causando expansão ao "criar" espaço, é apenas um movimento comum, conforme descrito por Einstein equações de campo).

Essas equações podem ser muito brevemente declaradas como:

• ^{Nota: as seguintes equações podem ser escritas de várias maneiras diferentes. Eu usei a notação de Jerzy Plebanski Andrzej Krasinski, em Uma Introdução à Relatividade Geral e Cosmologia}

  O universo em expansão pode ser descrito pelas equações do campo de Einstein.

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

  Onde $\kappa = \frac{8\pi G}{c^4}$ é constante e de Einstein $\Lambda$ a constante cosmológica (desconhecida).

  Uma das muitas soluções específicas são as equações de Friedman (para um universo isotrópico homogêneo) que usam a geometria de Robertson-Walker

  $\begin{array}{rcl} d s^2 &=& g_{\mu \nu} dx^{\mu} dx^{\nu} \\ &=& d t^2 - R(t) \left( \frac{d r^2}{1-kr} + r^2(d \theta^2 + \sin^2\theta d \psi^2) \right) \end{array}$

  com $R(z)$ um fator de escala dependente do tempo e $k$ o índice de curvatura.

  Isso levará a uma solução para o fator de escala $R$

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

  Onde $p$ é a pressão e $\epsilon$ é a densidade de energia.

A expansão pode ser vista como um efeito cinemático (como a expansão na cosmologia newtoniana) e é quando descrita pelas equações de movimento na estrutura da relatividade geral equivalente a uma mudança, no tempo, da 'métrica' . Essa mudança de métrica passa a ser a maneira pela qual podemos descrever movimento, gravitação e eletromagnetismo de maneira relativística.

Se você deseja chamar esse efeito de algo como 'criação do espaço', mas precisa ser consistente e chamar qualquer outra contração / alongamento relativístico de comprimento como 'espaço sendo criado / eliminado' (por exemplo, o espaço é removido de O interferômetro de Michelson e Morley, quando está em movimento, ou quando as ondas gravitacionais passam, experimentamos uma remoção e adição repetidas de espaço).

Portanto, da próxima vez que você vir uma maçã cair de uma árvore, imagine que, do ponto de vista dessa maçã, o espaço está sendo contraído e, portanto, o espaço está sendo removido.