Varför expanderar universum?

Be om vetenskapliga förklaringar till upplevelser, fenomen och anekdoter som du funderat på.
Skriv svar
efx
Inlägg: 5
Blev medlem: sön 04 maj 2008, 17:45

Varför expanderar universum?

Inlägg av efx » fre 06 jun 2008, 18:05

Hej VoF!

Det här är min första tråd här, säg till om jag missat nåt :)

Jag håller på att försöka sätta mig in i universums expansion och varför expansionen verkar accelerera, jag kommer hela tiden till hänvisningar till lambda kall mörk materia modellen, skulle någon kunna förklara mörk materia för mig? Jag har kunskaper upp till gymnasie matematik D nivå och Fysik A.

Det egentliga problemet är att jag inte förstår vad det gör riktigt, skulle den här mörka materian ha en negativ gravitations-inverkan som trycker isär materia istället för att dra åt sig den?

MvH EFX

Användarvisningsbild
rikard
Inlägg: 2750
Blev medlem: sön 04 jun 2006, 19:55

Inlägg av rikard » fre 06 jun 2008, 22:29

Välkommen hit!

Det är lite förvirrande eftersom fysikerna kallar två helt olika saker "mörka". Det ena är den mörka energin, som är det som gör att universum expanderar. Det andra är den mörka materian.

Mörk energi är nåt som man inte vet vad det är men som har samma effekt som en fluid (gas eller vätska) som finns överallt i universum. Det som är märkligt med den är att den har negativt tryck, vilket materia inte kan ha. Den mörka energin kan alltså inte vara vanlig materia. Och negativt tryck leder enligt allmänna relativitetsteorin till att rummet expanderar med accelererad hastighet.

Med matte (vet inte om differentialekvationer ingår i matematik D?): Universums expansion följer enligt allmänna relativitetsteorin och kosmologiska principen två ekvationer som kallas Friedmans ekvationer. Om man kombinerar dem får man

R'' / R = - (konstant) * (densitet + 3* tryck)

där R är den så kallade skalfaktorn som anger hur universum expanderar och R'' är andraderivatan map tiden. Acceleration av expansionen innebär att andraderivatan är positiv, så om trycket är negativt och tillräckligt stort för att högerledet ska vara positivt så har man acceleration.

Om man tänker sig att den mörka energin är en kosmologisk konstant Lambda så kan man räkna ut vad trycket och densiteten är, och om man sätter in det i ekvationen ovanför så får man

R'' / R = Lambda / 3.

Då har vi försummat all materia och strålning och det kan man inte göra i vårt universum, men det visar principen. (Om man tänker sig ett helt tomt universum med en kosmologisk konstant så får man ekvationen ovan. Det kallas ett de Sitter-universum och det expanderar exponentiellt med tiden. Det är också vad som händer i det väldigt tidiga universum under inflationen.)

Det är svårare att komma med en intuitiv förklaring utan matematik. Jag vet inte riktigt hur en sån skulle se ut.

(Om man ska vara petig så har jag inte svarat på frågan om acceleration av expansionen, bara om expansionen, men det kanske räcker till att börja med...)

Användarvisningsbild
rikard
Inlägg: 2750
Blev medlem: sön 04 jun 2006, 19:55

Inlägg av rikard » fre 06 jun 2008, 22:36

Jag kanske kan tillägga att accelerationen är intressant för det är något som finns i den allmänna relativitetsteorin som är helt annorlunda än gammaldags gravitation, nämligen repulsiv gravitation.

efx
Inlägg: 5
Blev medlem: sön 04 maj 2008, 17:45

Inlägg av efx » lör 07 jun 2008, 00:05

Hej rikard!

Gillar din avatar, dubstep ftw ;)

Tack för ett riktigt bra svar, differentialekvationer har jag läst så din formel gick fram. Det här med repulsiv gravitation, är det en sorts omvänd gravitation som mörk materia "har"? Om jag säger att gravitationskraften som gäller på mörk materia är likadan som den vanliga
F=G*m1*m2/r^2
men G istället är negativt, är jag inne på rätt spår då?

Mörk energi är alltså mer ett matematisk koncept/modell eller ett attribut av rymden än någon kraft som vi kan peka på i universum?

Kan tilläga att jag inte har så bra koll på relativitet och det verkar som ett grundkrav för att hänga med, borde jag fokusera på att förstå relativitet innan jag ger mig in på det här?

tonyf
Inlägg: 2440
Blev medlem: sön 05 nov 2006, 23:57

Inlägg av tonyf » lör 07 jun 2008, 02:30

efx skrev:Det här med repulsiv gravitation, är det en sorts omvänd gravitation som mörk materia "har"?
Nej, mörk energi. Mörk materia är (vad gäller gravitation) helt normal materia (attraktiv gravitation).

Enligt det lilla jag vet av vad man egentligen vet om detta, så är det ju dock så att det man nu vet är att man förmodligen har någon acceleration av expansionen? De data man har kan anpassas till någon kosmologisk konstant "lambda" eller till något "negativt tryck" som kan tolkas som denna mörka energi. Kopplingarna mellan dessa tolkningar är dock vad jag förstått än så länge hypoteser baserade på analogier till vad kvantfältteorier brukar förutsäga. Men någon sådan teori finns inte för gravitationen, den enda teori som faktiskt finns är Einsteins klassiska allmänna relativitetsteori.

rikard: Så detta med "mörk energi" skall väl än så länge betraktas som bara en hypotes??? (Rimlig hypotes, men inte någon teori.)


Sedan till frågan varför universum expanderar. Detta beror helt enkelt på att det expanderade från början (ett begynnelsevilkor). Med så inte alltför mycket materia som vi faktiskt har i unversum, skulle det t.o.m. expanderat idag även mörk energi förutan. I rikards ekvation ovan, om R' är positiv vid tiden noll, så kommer R' att vara positiv också för små positiva tider. Vad mörka energin gör är att expansionen inte bromsas upp, utan tvärtom accelereras.

Användarvisningsbild
calle555
Inlägg: 4269
Blev medlem: tor 03 feb 2005, 16:56

Inlägg av calle555 » lör 07 jun 2008, 11:02


Användarvisningsbild
Merko
Inlägg: 3359
Blev medlem: tor 25 okt 2007, 20:06
Ort: Stockholm

Inlägg av Merko » lör 07 jun 2008, 13:16

Varför refererar man till gravitation, snarare än krafter i allmänhet? För mig som inte vet något om ämnet verkar det ju snarast tyda på att det finns en "femte kraft", som är svagare än gravitationen men repulsiv precis som den elektromagnetiska kraften kan vara.

efx
Inlägg: 5
Blev medlem: sön 04 maj 2008, 17:45

Inlägg av efx » lör 07 jun 2008, 14:38

tonyf skrev:
efx skrev:Det här med repulsiv gravitation, är det en sorts omvänd gravitation som mörk materia "har"?
Nej, mörk energi. Mörk materia är (vad gäller gravitation) helt normal materia (attraktiv gravitation).

Enligt det lilla jag vet av vad man egentligen vet om detta, så är det ju dock så att det man nu vet är att man förmodligen har någon acceleration av expansionen? De data man har kan anpassas till någon kosmologisk konstant "lambda" eller till något "negativt tryck" som kan tolkas som denna mörka energi. Kopplingarna mellan dessa tolkningar är dock vad jag förstått än så länge hypoteser baserade på analogier till vad kvantfältteorier brukar förutsäga. Men någon sådan teori finns inte för gravitationen, den enda teori som faktiskt finns är Einsteins klassiska allmänna relativitetsteori.

rikard: Så detta med "mörk energi" skall väl än så länge betraktas som bara en hypotes??? (Rimlig hypotes, men inte någon teori.)


Sedan till frågan varför universum expanderar. Detta beror helt enkelt på att det expanderade från början (ett begynnelsevilkor). Med så inte alltför mycket materia som vi faktiskt har i unversum, skulle det t.o.m. expanderat idag även mörk energi förutan. I rikards ekvation ovan, om R' är positiv vid tiden noll, så kommer R' att vara positiv också för små positiva tider. Vad mörka energin gör är att expansionen inte bromsas upp, utan tvärtom accelereras.
Mörk materia bidrar alltså inte till att universums expansion accelererar, tvärtom då dess gravitation verkar för att dra ihop universum? Alltså något helt skilt från mörk energi?

Användarvisningsbild
pwm
Inlägg: 11378
Blev medlem: tis 30 nov 2004, 09:06
Ort: Göteborg
Kontakt:

Inlägg av pwm » lör 07 jun 2008, 15:12

efx skrev:Mörk materia bidrar alltså inte till att universums expansion accelererar, tvärtom då dess gravitation verkar för att dra ihop universum? Alltså något helt skilt från mörk energi?
Det är rätt uppfattat. Mörk materia förklarar varför (stjärnorna i) galaxerna rör sig som de gör. Mörk energi har införts för att förklara universums expansion.

tonyf
Inlägg: 2440
Blev medlem: sön 05 nov 2006, 23:57

Inlägg av tonyf » lör 07 jun 2008, 17:51

Merko skrev:Varför refererar man till gravitation, snarare än krafter i allmänhet? För mig som inte vet något om ämnet verkar det ju snarast tyda på att det finns en "femte kraft", som är svagare än gravitationen men repulsiv precis som den elektromagnetiska kraften kan vara.
I viss mening är det naturligtvis en konventisonsak. Man skulle kanske kunna konventionellt använda namnet "gravitation" för bara den attraktiva delen. Men olika konventioner är olika praktiska, hjälper oss olika mycket att "förstå" fenomenen.

I klassisk fysik, åtminstone, så är det utmärkande för gravitations-"kraften" att den påverkar olika kroppar på ett sådant sätt att de ges samma acceleration. (Olika kroppar som befinner sig mycket nära varandra i rum och tid ges mycket lika accelerationn av gravitationen, och accelerationsskillnaden går mot noll då avståndet går mot noll.) Detta innebär också att man (lokalt i rumtiden) kan byta till ett koordinatsystem där denna gemensamma acceleration får värdet noll, och gravitations-"kraften" försvinner. Denna egenskap kallas ekvivalensprincipen och är unikt för gravitations-"kraften", andra krafter (elektromagnetisk, starka kärnkraften, svaga kärnkraften) har inte denna egenskap. En rimlig konvention för vad som skall kallas gravitation skulle kunna vara just det som uppfyller ekvivalensprincipen.

Vidare, i den specifika klassiska teorin för gravitation så kommer denna repulsiva del in på ett matematiskt naturligt sätt (kosmologiska konstanten "lambda"). Att ta bort "lambda" ur Einsteins fältekvationer kan inte motiveras utifrån någon oberoende princip, så att en teori bör vara så enkel som möjligt talar för att kosmologiska konstanten ("repulsiv gravitation") bör finnas.

Användarvisningsbild
Merko
Inlägg: 3359
Blev medlem: tor 25 okt 2007, 20:06
Ort: Stockholm

Inlägg av Merko » lör 07 jun 2008, 18:21

tonyf skrev: I klassisk fysik, åtminstone, så är det utmärkande för gravitations-"kraften" att den påverkar olika kroppar på ett sådant sätt att de ges samma acceleration. (Olika kroppar som befinner sig mycket nära varandra i rum och tid ges mycket lika accelerationn av gravitationen, och accelerationsskillnaden går mot noll då avståndet går mot noll.) Detta innebär också att man (lokalt i rumtiden) kan byta till ett koordinatsystem där denna gemensamma acceleration får värdet noll, och gravitations-"kraften" försvinner. Denna egenskap kallas ekvivalensprincipen och är unikt för gravitations-"kraften", andra krafter (elektromagnetisk, starka kärnkraften, svaga kärnkraften) har inte denna egenskap.
Intressant. Men jag begriper inte riktigt. På långa avstånd är det ju gravitationen som dominerar, så då är ju inte de andra krafterna relevanta. Men menar du att även objekt som befinner sig extremt extremt nära varandra, och mycket nära andra objekt, skulle påverkas olika av exempelvis den elektromagnetiska kraften? Jag menar, om vi tänker oss ett par laddade partiklar, extremt nära varandra, i ett elektromagnetiskt fält, kan vi inte då på motsvarande vis byta till ett koordinatsystem där fältet inte finns, när vi behandlar just systemet med de här två partiklarna?

Användarvisningsbild
Merko
Inlägg: 3359
Blev medlem: tor 25 okt 2007, 20:06
Ort: Stockholm

Inlägg av Merko » lör 07 jun 2008, 18:25

En relevant skillnad är förstås att gravitationen är den enda kraft som är proportionell mot massan, och om massan skiljer sig mellan två objekt med samma laddning, så kommer ju accelerationen därmed att bli olika, även om de påverkas av samma kraft. Men det säger ju egentligen bara just att gravitationen påverkar massan, till skillnad från andra krafter, och att denna "negativa gravitation" då kanske också antas påverka objekt i förhållande till deras massa?

efx
Inlägg: 5
Blev medlem: sön 04 maj 2008, 17:45

Inlägg av efx » sön 08 jun 2008, 01:54

pwm skrev:
efx skrev:Mörk materia bidrar alltså inte till att universums expansion accelererar, tvärtom då dess gravitation verkar för att dra ihop universum? Alltså något helt skilt från mörk energi?
Det är rätt uppfattat. Mörk materia förklarar varför (stjärnorna i) galaxerna rör sig som de gör. Mörk energi har införts för att förklara universums expansion.
Ok, då är jag lite mer på det klara, tack för förtydligandet :) Dumma vetenskapsmän som döper saker så att jag blir förvirrad.

Det här med repulsiv gravitation som rikard nämde, jag hittar inga sidor som nämner något sådant, bara sci-fi saker om antigravitation. Är det någon som kan förklara repulsiv gravitation?

tonyf
Inlägg: 2440
Blev medlem: sön 05 nov 2006, 23:57

Inlägg av tonyf » sön 08 jun 2008, 03:26

efx skrev:Det här med repulsiv gravitation som rikard nämde, jag hittar inga sidor som nämner något sådant, bara sci-fi saker om antigravitation. Är det någon som kan förklara repulsiv gravitation?
rikards text ovan är väl på sätt och vis en förklaring. Du kan hitta ungefär liknande på många ställen på internet. Jag ger här bara snabbt en slumpvis utvald länk
http://math.ucr.edu/home/baez/einstein/node8.html
Observera att "kosmologiska konstanten" inte ger någon antigravitation i den newtonska gränsen och den kan inte ses som att två partiklar repellerar varandra istället för attraherar varandra. Den allmänna relativitetsteorin ger newtons teori i gränsen, svaga gravitationsfält, små farter, korta avstånd. Men kosmologiska konstanten bidrar till expansion av rummet som har betydelse främst över större avstånd.

Så tyvärr ser det nog litet mörkt ut vad gäller att använd den mörka energin för antigravitation så som i sci-fi.
Senast redigerad av 2 tonyf, redigerad totalt 0 gång.

tonyf
Inlägg: 2440
Blev medlem: sön 05 nov 2006, 23:57

Inlägg av tonyf » sön 08 jun 2008, 03:40

Merko skrev:En relevant skillnad är förstås att gravitationen är den enda kraft som är proportionell mot massan,
Precis, du har själv i stort sett svaret till din fråga. (Eller som man ofta formulerar ekvivalensprincipen inom Newtons teori, tung massa = trög massa -- den tekniska formuleringen av citatet från dig.)

Om vi t.ex. tänker oss newtonska gränsen och partiklarna A och B påverkas av gravitationskrafter från partikel C, så kommer A och B ha ungefär samma acceleration om avståndet mellan dem är litet. För vilka partiklar A och B som helst. Så genom att byta koordinatsystem kan alltid både A och B ges accelerationen noll.
Merko skrev:Jag menar, om vi tänker oss ett par laddade partiklar, extremt nära varandra, i ett elektromagnetiskt fält, kan vi inte då på motsvarande vis byta till ett koordinatsystem där fältet inte finns, när vi behandlar just systemet med de här två partiklarna?
Men om A och B påverkas av t.ex. elektrisk kraft från C, så behöver inte nödvändigtvis deras accelerationer vara lika. Om man då byter koordinatsystem så att A's acceleration blir noll, så blir inte nödvändigtvis B's acceleration noll.

Skriv svar