Физики изучили, что влияет на расширение Вселенной

Физики-теоретики изучили расширение Вселенной с учетом неоднородностей в ней, применяя формализм Мори — Цванцига к Общей теории относительности. Их анализ показал, что эффект предсказывается стандартной космологией Фридмана.

Эволюция Вселенной обычно изучается в рамках Общей теории относительности. Эта теория связывает динамику геометрии пространства-времени с плотностью различных веществ и полей, но при изучении Вселенной в целом вместо плотностей энергии физики берут их средние значения, игнорируя однородности.

Были сделаны предположении, что позволяет избавиться от необходимости учитывать космологическую постоянную в уравнениях Эйнштейна для правильного расширения Вселенной.

Чтобы изучить влияние неоднородностей на эволюцию, группа физиков-теоретиков из Германии во главе с Рафаэлем Виттковски из Вестфальского университета Вильгельма применила формализм проекционного оператора Мори — Цванцига к Общей теории относительности.

Метод выделения небольшого набора релевантных чисел из всего набора динамических чисел заключается в использовании оператора проекции, а их взаимодействие со всеми другими переменными сводится к добавлению двух членов в уравнение эволюции соответствующих чисел, которые имеют вид случайного шума и эффекта памяти, связывающего значение в некотором определенном значении … момента времени с его значениями во все предыдущие моменты времени.

Чтобы применить формализм Мори-Цванцига к проблеме эволюции Вселенной, ученые сначала перешли к гамильтоновой формулировке общей теории относительности, также известной как формализм Арновитта-Дезера-Мизнера, которая четко разделяет пространство и время, независимо переменные устанавливаются в пространстве в момент времени, а затем их эволюция. В каждой точке пространства значения энергии задаются в каждой точке пространства.

В качестве релевантных переменных есть только три: постоянная Хаббла, ее квадрат и космологическая постоянная, выраженные через переменные из начального бесконечного множества.

Полученные уравнения все еще были слишком сложными для решения, и исследователи сделали два приближения — пренебрегли шумом и выбрали член памяти, который зависел только от двух параметров, которые были найдены путем сравнения прогнозов полученной модели с астрономическими данными.

Решение уравнений показало, что учет реакции неоднородностей на изменение геометрии практически не влияет на величину наблюдаемого масштабного фактора, логарифмическая производная которого по времени является параметром Хаббла, но в будущем он может привести к замедлению расширения Вселенной по сравнению с предсказаниями стандартной космологии Фридмана.

Ученые считают, что это привело к более точным результатам в космологии, как это произошло в теории твердого тела, гидродинамике и физике высоких энергий.

Физики предложили, как проверить общую теорию относительности.

Российские физики предложили эксперимент, чтобы проверить справедливость общей теории относительности. В отличие от других экспериментов, его можно многократно воспроизводить.

Общая теория относительности- самая успешная теория гравитации; он используется в астрономии и космонавтике. Существует ряд экспериментальных доказательств общей теории относительности, некоторые из них уникальны, единичны — есть редкие природные явления, которые в точности невозможны.

«Теория относительности Эйнштейна имеет своего рода эмпирическую основу, основанную на нескольких отдельных наблюдениях, прежде всего в других системах и галактиках. Это разрозненные наблюдения, которые не представляют собой серию повторяющихся экспериментов. Не существует «стандартного» эксперимента с повторяющимися результатами, который согласовывался бы с теорией относительности. Мы предлагаем такой эксперимент, основанный на гравитационном маневре зонда около Венеры», — сказал Александр Ефремов, доктор физико-математических наук, директор Учебно-научного института гравитации и космологии РУДН.

Физики используют модель с Солнцем, Венерой, Землей и космическим зондом. В нем планеты движутся вокруг Солнца по почти круговым орбитам, а зонд — по эллиптической траектории. Зонд представляет собой сферическое тело диаметром около 0,5 м и массой 100-200 кг. Он начинается с Земли по направлению к Венере. Он приближается к нему на критическое расстояние и выполняется гравитационный маневр, после чего он снова возвращается на орбиту Земли. Суть эксперимента заключается в том, что небольшие искажения траектории вносятся общей теорией относительности и значительно усиливаются после гравитационного маневра. Следовательно, эти отклонения легко измерить в конечной точке траектории. Физики провели теоретические расчеты, а затем проверили их числовые данные в эксперименте — компьютерном моделировании.

Расчеты и моделирование показывают, что поправки Общей теории относительности изменяют траекторию зонда перед приближением к Венере незначительно — отклонение в точке верхнего приближения к Венере составляет всего 35 км. Хотя это много по сравнению с самим зондом, в космическом масштабе это крошечное расстояние. Но после завершения гравитационного маневра это отклонение многократно увеличивается. Конечные точки траектории, рассчитанные с поправкой на ОТО и без нее, отличаются на 0,7–3,7 миллиона километров (в зависимости от дальности сближения зонда с Венерой). Это легко измерить с Земли с помощью имеющихся инструментов для наблюдения.

«Конечное положение зонда в один момент времени может заметно отличаться, и наблюдатель с Земли, безусловно, может измерить это различие. В эксперименте движение зонда, конечно, может быть не совсем таким, как в упрощенной модели, которую мы использовали для удобства. Однако нет никаких сомнений в том, что возможные космические технологии позволяют провести этот эксперимент, как описано в нашем исследовании », — пишет Александр Ефремов.

Как физика многих тел помогает нам понять динамику Вселенной.

Физики из Института теоретической физики Мюнстерского университета вместе с коллегами из Франкфуртского института перспективных исследований разработали новую модель для определения средней плотности энергии во Вселенной. Их отправной точкой является формализм Мори-Цванцига — метод описания большого количества частиц с помощью малых метров.

В космологических расчетах почти всегда материя во Вселенной распределена равномерно. Это связано со сложностью расчетов. На самом деле это не так.

Одно из наиболее важных приложений теории — описание расширения Вселенной после Большого взрыва. Скорость этого объявления определяется энергией Вселенной. Помимо видимой материи, здесь играют роль темная материя и темная энергия, по крайней мере, согласно модели, используемой в настоящее время в космологии. Из-за сложности расчетов и невозможности учета каждой звезды во Вселенной, в уравнениях общей теории относительности используется среднее значение энергии Вселенной. Но, строго говоря, это не так. Теперь вопрос в ошибке, насколько она «плохая».

Неравномерное распределение массы во Вселенной может повлиять на скорость космического расширения.

Получившаяся модель показала, что Вселенная гораздо более неоднородна, чем предполагает принятая в настоящее время теория. Однако в настоящее время астрономических данных недостаточно, чтобы точно измерить это отклонение.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.