Уравнение Фридмана
Уравне́ние Фри́дмана — (в космологии) уравнение, описывающее развитие во времени однородной и изотропной Вселенной (Вселенной Фридмана) в рамках общей теории относительности[1].
Названо в честь Александра Александровича Фридмана, который первым вывел это уравнение в 1922 году[2].
Уравнение Фридмана
Уравнение Фридмана записывается для метрики Фридмана — синхронной метрики однородного изотропного пространства (пространства постоянной кривизны)[3]:
где — элемент длины в пространстве постоянной кривизны, — масштаб («размер») Вселенной.
Пространство постоянной кривизны может быть трёх видов — сфера (закрытое), псевдосфера (открытое), и плоское пространство.
Сферические координаты
Закрытая (конечная) вселенная с положительной кривизной пространства
Для закрытой вселенной метрика Фридмана равна^
где — фотометрическое расстояние, ; — сферические углы; — масштабированное время, .
Компоненты тензора Риччи для этой метрики равны:
где штрих означает дифференцирование по .
Для идеальной жидкости тензор энергии-импульса равен:
где — плотность энергии, —давление. В синхронных координатах материя находится в состоянии покоя, поэтому 4-скорость равна:
.
Временная компонента уравнения Эйнштейна:
с указанным тензором Риччи и тензором энергии-импульса и является уравнением Фридмана, которое можно записать в виде:
Если связь плотности энергии и давления (уравнение состояния) известна, то можно найти зависимость плотности энергии от масштаба Вселенной , используя уравнение сохранения энергии:
В этом случае можно выразить решение уравнения Фридмана в виде интеграла,
Открытая (бесконечная) вселенная с отрицательной кривизной пространства
Для открытой вселенной метрика Фридмана равна:
где , ; — сферические углы; — масштабированное время, .
Очевидно, эта метрика получается из метрики закрытой вселенной подстановкой .
Соответственно уравнение Фридмана для открытой вселенной есть
Открытая (бесконечная) и плоская вселенная
Для плоской вселенной метрика Фридмана равна
где , ; — сферические углы; — масштабированное время, .
Очевидно, эта метрика формально получается из метрики закрытой вселенной в пределе .
Замечая, что , где , уравнение Фридмана для плоской вселенной получается в указанном пределе как
Приведённые радиальные координаты
В этих координатах метрика пространства с постоянной кривизной равна
где — сферические угловые координаты;
- — приведённая радиальная координата, определяемая следующим образом: длина окружности радиуса с центром в начале координат равна
- — константа, принимающей значение 0 для плоского пространства, +1 для пространства с постоянной положительной кривизной, −1 для пространства с постоянной отрицательной кривизной;
Решения уравнения Фридмана
Уравнение Фридмана может быть проинтегрировано аналитически для двух важных предельных случаев — вселенной, заполненной пылью, и вселенной, заполненной излучением.
Примечания
- ↑ Большая советская энциклопедия в 50-ти томах. — Москва, 1954.
- ↑ Friedman, A. Über die Krümmung des Raumes (нем.) // Zeitschrift für Physik : magazin. — 1922. — Bd. 10, Nr. 1. — S. 377—386. — doi:10.1007/BF01332580. — . (English translation: Friedman, A. On the Curvature of Space (англ.) // General Relativity and Gravitation : journal. — 1999. — Vol. 31, no. 12. — P. 1991—2000. — doi:10.1023/A:1026751225741. — .). The original Russian manuscript of this paper is preserved in the Ehrenfest archive Архивная копия от 29 июля 2020 на Wayback Machine.
- ↑ Gerard 't Hooft, Introduction to General Relativity, ISBN 978-1589490000, ISBN 1589490002
Литература
- Новиков И. Д. Эволюция Вселенной. — Москва : Наука, 1990.
- Сажин М. В. Современная космология в популярном изложении. — Москва : Едиториал УРСС, 2002.
- Вайнберг С. Космология / пер. с англ.: К. Б. Алкалаев [и др.]. — Москва : URSS : ЛИБРОКОМ, 2013.
- Горбунов Д. С., Рубаков В. А. Введение в теорию ранней Вселенной : теория горячего Большого взрыва. — Москва : URSS, 2016.
- Горбунов Д. С., Рубаков В. А. Введение в теорию ранней Вселенной. Космологические возмущения. Инфляционная теория. — Москва : URSS, 2020.
Ссылки
- Liebscher, Dierck-Ekkehard. Expansion // Cosmology. — Berlin : Springer, 2005. — P. 53–77. — ISBN 3-540-23261-3.