Jump to content

Уравнения Фридмана

(Перенаправлен из уравнения Фридмана )
Александр Фридманн

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 ]

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:

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 ]

Расчетное относительное распределение для компонентов плотности энергии вселенной. Темная энергия доминирует в общей энергии (74%), в то время как темная материя (22%) составляет большую часть массы. Из оставшегося барионического вещества (4%) только одна десятая - компактная. В феврале 2015 года исследовательская группа, возглавляемая европейской, за космологическим зондом Planck, выпустила новые данные, переработанные эти значения до 4,9% обычного вещества, 25,9% темной материи и 69,1% темной энергии.

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:

(где H = H 0 /(100 км/с/MPC) . Для H O = 67,4 км/с/MPC , то есть H = 0,674 , ρ C = 8,5 × 10 −27 кг/м 3 ).

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 .

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.

[ 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 ]
  1. ^ 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 .
  2. ^ 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 . )
  3. ^ D'Inverno, Ray (2008). Введение относительности Эйнштейна (репр.). Оксфорд: Clarendon Press. ISBN  978-0-19-859686-8 .
  4. ^ 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 ]
  5. ^ «Вселенная 101» . НАСА . Получено 9 сентября 2015 года . Фактическая плотность атомов эквивалентна примерно 1 протону на 4 кубических метра.
  6. ^ 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 .
  7. ^ Мерфи, Мэтт (28 ноября 2022 г.). «Протесты Китая: пустая бумага становится символом редких демонстраций» . BBC News .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: f95f9212b32f4cfdca37147d96e64ea5__1725312900
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/f9/a5/f95f9212b32f4cfdca37147d96e64ea5.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Friedmann equations - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)