Уравнения Фридмана
Часть серии на |
Физическая космология |
---|
![]() |

Уравнения Фридмана , также известные как Фридманн -Слематр ( FL ) уравнения , представляют собой набор уравнений в физической космологии , которые регулируют расширение пространства в однородных и изотропных моделях Вселенной в контексте общей теоритарной активности . Сначала они были получены Александром Фридманом в 1922 году из Эйнштейна полевых уравнений гравитации для метрики Фридмана -Лемаитра -Робертсон -Уокер и идеальной жидкости с данной плотностью массовой и давлением p . [ 1 ] Уравнения для отрицательной пространственной кривизны были даны Фридманом в 1924 году. [ 2 ]
Предположения
[ редактировать ]Уравнения Фридмана начинаются с упрощения предположения о том, что вселенная является пространственно однородной и изотропной , то есть космологическим принципом ; Эмпирически, это оправдано на масштабах, превышающих порядок 100 MPC . Космологический принцип подразумевает, что метрика вселенной должна иметь форму где d s 3 2 является трехмерной метрикой, которая должна быть одной из (а) плоского пространства, (б) сферы постоянной положительной кривизны или (в) гиперболического пространства с постоянной негативной кривизны. Этот показатель называется метрикой Friedmann -Lemaître -Robertson -Walker (FLRW). Параметр K , обсуждаемый ниже, принимает значение 0, 1, −1 или гауссовой кривизны , в этих трех случаях соответственно. Именно этот факт позволяет нам разумно говорить о « масштабном факторе » a ( t ) .
Уравнения Эйнштейна в настоящее время связывают эволюцию этого масштабного фактора с давлением и энергией вопроса во вселенной. Из метрики FLRW мы вычисляем символы Кристоффеля , затем тензор Риччи . При тензоре стресса -энергии для идеальной жидкости мы заменим их в полевые уравнения Эйнштейна, и полученные уравнения описаны ниже.
Уравнения
[ редактировать ]Общая относительность |
---|
![]() |
Есть два независимых уравнения Фридмана для моделирования однородной изотропной вселенной. Первое: который получен из 00 -компонента уравнений полевого поля Эйнштейна . Второе: который происходит от первого вместе с следами полевых уравнений Эйнштейна (измерение двух уравнений - время −2 ).
a - масштабная коэффициент , G , λ и C - универсальные константы ( G - ньютоновская константа гравитации , λ - космологическая постоянная с длиной размерности −2 и C - скорость света в вакууме ). ρ и P являются плотностью объемной массы (а не объемной плотности энергии) и давление, соответственно. K постоянна на протяжении конкретного решения, но может варьироваться от одного решения к другому.
В предыдущих уравнениях A , ρ и P являются функциями времени. K / A 2 -это пространственная кривизна в любом временном положении вселенной; равен одной шестой из пространственной кривизны рикчи скалаляр он в модели Фридманн. H ≡ ȧ / A - параметр Хаббла .
Мы видим, что в уравнениях Фридмана A ( T ) не зависит от того, какую систему координат мы выбрали для пространственных срезов. Есть два общепринятых варианта для A и K , которые описывают ту же физику:
- k = +1, 0 или −1 в зависимости от того, является ли форма вселенной закрытым 3-х сфером , плоским ( евклидовым пространством ) или открытым 3- гиперболоидом , соответственно. [ 3 ] Если k = +1 , то A - радиус кривизны вселенной. Если k = 0 , то A может быть исправлен на любое произвольное положительное число в одно конкретное время. Если k = −1 , то (свободно говорить) можно сказать, что i · A - радиус кривизны вселенной.
- A - фактор масштаба , который принимается в 1 в настоящее время. K - текущая пространственная кривизна (когда a = 1 ). Если форма вселенной является гиперсферической , а R T - радиус кривизны ( R 0 в настоящее время), то a = r t / r 0 . Если K положительный, то вселенная гиперсферическая. Если k = 0 , то вселенная плоская . Если k отрицательный, то вселенная гиперболическая .
Используя первое уравнение, второе уравнение может быть повторно экспрессировано как который устраняет λ и выражает сохранение массовой энергии :
Эти уравнения иногда упрощаются путем замены дать:
Упрощенная форма второго уравнения является инвариантной при этом преобразовании.
Параметр Хаббла может измениться с течением времени, если другие части уравнения зависят от времени (в частности, массовая плотность, вакуумная энергия или пространственная кривизна). Оценка параметра Хаббла в настоящее время дает константу Хаббла, которая является постоянной пропорциональностью закона Хаббла . Применяемые к жидкости с данным уравнением состояния , уравнения Фридмана дают эволюцию времени и геометрию вселенной в зависимости от плотности жидкости.
Некоторые космологи называют второе из этих двух уравнений уравнением ускорения Фридмана и оставляют уравнение термина только для первого уравнения.
Параметр плотности
[ редактировать ]Параметр плотности ω определяется как отношение фактической (или наблюдаемой) плотности ρ к критической плотности ρ C вселенной Фридманн. Соотношение между фактической плотностью и критической плотностью определяет общую геометрию вселенной; Когда они равны, геометрия вселенной плоская (евклидова). В более ранних моделях, которые не включали космологический постоянный термин, критическая плотность первоначально определялась как точка водосбора между расширяющейся и досадной вселенной.
На сегодняшний день критическая плотность, по оценкам, составляет приблизительно пять атомов ( монатомного водорода ) на кубический метр, тогда как средняя плотность обычных веществ во вселенной, как полагают, составляет 0,2–0,25 атомов на кубический метр. [ 4 ] [ 5 ]

Гораздо большая плотность исходит от неопознанной темной материи , хотя как обычная, так и мрачная материя способствуют сокращению вселенной. Тем не менее, самая большая часть состоит из так называемой темной энергии , которая учитывает космологический постоянный термин. Хотя общая плотность равна критической плотности (точно, вплоть до ошибки измерения), темная энергия не приводит к сокращению вселенной, а может ускорить его расширение.
Выражение для критической плотности обнаруживается, если предположить, что λ равна нулю (как и для всех основных вселенных Фридманн) и установления нормализованной пространственной кривизны, k , равной нулю. Когда замены применяются к первым из уравнений Фридманн, которые мы находим:
Параметр плотности (полезный для сравнения различных космологических моделей) затем определяется как:
Этот термин первоначально использовался в качестве средства для определения пространственной геометрии вселенной, где ρ c является критической плотностью, для которой пространственная геометрия является плоской (или евклидова). Предполагая, что нулевая плотность энергии вакуума, если ω больше, чем единство, пространственные секции вселенной закрыты; Вселенная в конечном итоге перестанет расширяться, а затем рухнет. Если ω меньше единства, они открыты; И вселенная расширяется навсегда. Тем не менее, можно также включить пространственную кривизну и термины вакуумной энергии в более общее выражение для ω, в этом случае этот параметр плотности равна точно единичности. Тогда это вопрос измерения различных компонентов, обычно обозначаемых подписками. Согласно модели λCDM , существуют важные компоненты ω из -за барионов , холодной темной материи и темной энергии . Пространственная геометрия вселенной была измерена космическим кораблем WMAP , чтобы быть почти плоским. Это означает, что вселенная может быть хорошо аппроксимирована моделью, где параметр пространственной кривизны k равна нулю; Тем не менее, это не обязательно подразумевает, что вселенная бесконечна: может быть просто то, что вселенная намного больше, чем часть, которую мы видим.
Первое уравнение Фридмана часто наблюдается в терминах нынешних значений параметров плотности, то есть [ 6 ] Здесь ω 0, r - это плотность излучения сегодня (когда A = 1 ), ω 0, m - это вещество ( темная плюс барионическая ) плотность сегодня, ω 0, k = 1 - ω 0 - это «пространственная плотность кривизну сегодня», а ω 0, λ - космологическая контента или вакуумная плотность сегодня.
Полезные решения
[ редактировать ]Уравнения Фридмана могут быть решены точно в присутствии идеальной жидкости с уравнением состояния Где P - давление , ρ - это массовая плотность жидкости в проводной раме, а W - некоторая постоянная.
В пространственно плоском случае ( k = 0 ) решение для масштабного коэффициента является где 0 - какая -то константа интеграции , которая будет фиксироваться путем выбора начальных условий. Это семейство решений, помеченных W , чрезвычайно важно для космологии. Например, W = 0 описывает вселенную, в которой преобладает материя , где давление незначительное относительно плотности массы. Из общего раствора можно легко увидеть, что во вселенной, в которой доминирует, масштабной коэффициент идет как с доминированием Другим важным примером является случай вселенной , преобладающей радиацию , а именно, когда w = 1/3 . Это приводит к Радиация доминирует
Обратите внимание, что это решение недопустимо для доминирования космологической постоянной, которая соответствует w = −1 . В этом случае плотность энергии постоянна, а фактор масштаба растет в геометрической прогрессии.
Решения для других значений K можно найти на Терсик, бальза. «Лекционные заметки об астрофизике» . Получено 24 февраля 2022 года .
Смеси
[ редактировать ]Если вопрос представляет собой смесь из двух или более не вмешательных жидкостей, каждая из которых с таким уравнением состояния, тогда удерживается отдельно для каждой такой жидкости f . В каждом случае, от которого мы получаем
Например, можно сформировать линейную комбинацию таких терминов где a - плотность «пыли» (обычное вещество, w = 0 ), когда a = 1 ; B - плотность излучения ( w = 1/3 ; ) Когда a = 1 и C - плотность «темной энергии» ( W = -1 ). Один тогда заменяет это в и решает для функции времени.
Подробный вывод
[ редактировать ]Чтобы сделать решения более явными, мы можем получить полные отношения из первого уравнения Фридманна: с
Перестройка и изменение для использования переменных a ′ и t ' для интеграции
Можно найти решения для зависимости масштабного коэффициента в отношении времени для вселенных, в которых преобладает каждый компонент. В каждом мы также предполагали, что ω 0, k ≈ 0 , что такое же, что и предполагает, что доминирующий источник плотности энергии составляет приблизительно 1.
Для вселенных, в которых доминируют материи, где ω 0, m ≫ ω 0, r и ω 0, λ , а также ω 0, m ≈ 1 : который вышеупомянутое восстанавливает 2/3
Для вселенных излучений, где ω 0, r ≫ ω 0, m и ω 0, λ , а также ω 0, r ≈ 1 :
Для λ -доминируемых вселенных, где ω 0, λ ≫ ω 0, r и ω 0, m , а также ω 0, λ ≈ 1 , и где мы теперь изменим наши границы интеграции с T i на T , а также A I на A : A: A: A: A: A: A: A: A: A: A:
Раствор вселенной λ -домятения представляет особый интерес, потому что вторая производная по времени положительно, ненулевая; Другими словами, подразумевая ускоряющее расширение вселенной, что делает ρ λ кандидатом на темную энергию :
Где по конструкции A i > 0 наши предположения были ω 0, λ ≈ 1 , а H 0 измерялись как положительные, заставляя ускорение превышать нулю.
Повреждено уравнение Фридмана
[ редактировать ]Набор где 0 0 и H являются отдельно масштабным коэффициентом и параметром Хаббла сегодня. Тогда мы можем иметь где
Для любой формы эффективного потенциала u eff ( ã ) существует уравнение состояния p = p ( ρ ) , которое будет создавать его.
В популярной культуре
[ редактировать ]Несколько студентов Университета Цинхуа ( КПК лидер XI Цзиньпин Алма -Матер ), участвующих в протестах COVID-19 2022 года в Китае, несли плакаты с уравнениями Фридманна, наполненных им, интерпретированными как пьеса на словах «Свободный человек». Другие интерпретировали использование уравнений как призыв «открыть» Китай и остановить свою нулевую политику Covid, поскольку уравнения Фридмана связаны с расширением или «открытием» вселенной. [ 7 ]
Смотрите также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Фридман, А (1922). «О кривизе комнаты». Z. Phys. (на немецком языке). 10 (1): 377–386. Bibcode : 1922zphy ... 10..377f . Doi : 10.1007/bf01332580 . S2CID 125190902 . (Английский перевод: Фридман, А (1999). «На кривизны космоса». Общая относительность и гравитация . 31 (12): 1991–2000. Bibcode : 1999gregr..31.1991f . doi : 10.1023/A: 1026751225741 . S2CID 122950995 . ) Первоначальная русская рукопись этой статьи сохранилась в архиве Ehrenfest .
- ^ Фридманн, А (1924). «О возможности мира с постоянной негативной кривистью комнаты». Z. Phys. (на немецком языке). 21 (1): 326–332. Bibcode : 1924zphy ... 21..326f . Doi : 10.1007/bf01328280 . S2CID 120551579 . (Английский перевод: Фридманн, А (1999). «О возможности мира с постоянной негативной кривизны космоса». Общая относительность и гравитация . 31 (12): 2001–2008. Bibcode : 1999gregr..31.2001f . doi : 10.1023/a: 1026755309811 . S2CID 123512351 . )
- ^ D'Inverno, Ray (2008). Введение относительности Эйнштейна (репр.). Оксфорд: Clarendon Press. ISBN 978-0-19-859686-8 .
- ^ Рис, Мартин (2001). Всего шесть чисел: глубокие силы, которые формируют вселенную . Астрономия/наука (реп. Изд.). Нью -Йорк, Нью -Йорк: Основные книги. ISBN 978-0-465-03673-8 . [ нужно разъяснения ]
- ^ «Вселенная 101» . НАСА . Получено 9 сентября 2015 года .
Фактическая плотность атомов эквивалентна примерно 1 протону на 4 кубических метра.
- ^ Немирофф, Роберт Дж .; Патла, Биджунатх (2008). «Приключения в космологии Фридмана: подробное расширение космологических уравнений Фридманн». Американский журнал физики . 76 (3): 265–276. Arxiv : Astro-ph/0703739 . BIBCODE : 2008AMJPH..76..265N . doi : 10.1119/1.2830536 . S2CID 51782808 .
- ^ Мерфи, Мэтт (28 ноября 2022 г.). «Протесты Китая: пустая бумага становится символом редких демонстраций» . BBC News .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Слушание, дверь-эекхард (2005). "Расширение" . Космология . Берлин: Springr. стр. 53-77. ISBN 3-540-23261-3 .