¿El universo necesitaba la presencia de materia y radiación para comenzar a expandirse?

La expansión del universo es el movimiento relativo de las cosas que hay en él. No tiene sentido hablar de la expansión de un vacío.

Hay soluciones FLRW de vacío: son el espacio de Minkowski (por$Λ=0$), el espacio de Sitter ($Λ>0$) y espacio anti de Sitter ($Λ<0$). Todos ellos son máximamente simétricos (cada punto del espaciotiempo tiene el mismo aspecto que los demás) y, por lo tanto, no existe una forma covariante general de definir un factor de escala variable en el tiempo, o cualquier otra cantidad que varíe con la posición del espaciotiempo. Hay muchas parametrizaciones FLRW diferentes de esos espacio-tiempos, o porciones de ellos, que asignan diferentes tiempos cosmológicos y factores de escala a cada punto. Son solo sistemas de coordenadas, ninguno más correcto que otro, como marcos de referencia inerciales en la relatividad especial.

Durante la inflación, el espacio-tiempo no es en realidad de Sitter. El campo inflatón tiene una densidad de energía variable en el tiempo (el giro lento) que puede usar para definir una coordenada de tiempo y un factor de escala. Si no cuentas eso como materia, entonces el universo no necesita materia para expandirse. Lo que necesita, independientemente de la nomenclatura, es algo que se asemeje a un flujo de Hubble, es decir, algo que tenga la simetría definitoria de las geometrías FLRW y no una simetría mayor. Un espacio-tiempo aleatorio no es lo suficientemente simétrico, y un vacío FLRW es demasiado simétrico para expandirse sin ambigüedades.

Veamos los datos que describe el modelo de la relatividad general (GR). GR es una teoría en lo que respecta a las matemáticas. Para ser relevante para la física, tiene que modelar los datos del universo (en este caso).

Los datos del universo consisten en números y observaciones de radiación y materia, si estos no están ahí, no hay universo, solo matemáticas y ciencia ficción.

Veamos la relación matemática básica de la relatividad GR

En el lado izquierdo tenemos las variables espaciales que definen un tensor, en el lado derecho está el tensor de momento de energía. Para un problema específico con energía y radiación en el lado derecho, es una ecuación complicada que debe calcularse para el problema específico de materia y radiación. Debido a la igualdad matemática entre espacio y energía/momento, las soluciones matemáticas crean lo que se llama curvatura del espacio.

Si el lado derecho es cero, no puede haber soluciones que muestren la curvatura de las coordenadas del espacio. Aquí se menciona esto

En relatividad general, el tensor tensión-energía simétrico actúa como la fuente de la curvatura del espacio-tiempo.

Encontré esta respuesta elaborada en Quora que puede interesarle.

En mi opinión, las ecuaciones matemáticas pueden tener cualquier cantidad de soluciones, el trabajo del análisis físico es establecer dónde describen esas soluciones los datos y las observaciones y, lo que es más importante, son predictivas. Cuando no hay materia y energía, se deben elegir para describir la situación física aquellas soluciones que son compatibles con eso, que no tienen curvatura.

Podría ser que los campos de materia virtual iniciales estuvieran restringidos a nuestro espacio 3d, mientras que nuestro espacio estaba incrustado en un espacio 4d altamente curvado negativamente (algo así como se describe en los enfoques pirotécnicos). El carácter virtual podría inducir esta curvatura negativa. Sacó (o empujó) las cosas virtuales a la existencia real en una explosión. Por lo tanto, imparte una curvatura positiva y detiene la aceleración. Vemos el universo expandiéndose en el espacio tridimensional al que está confinada la materia, pero este espacio tridimensional se expande en un espacio tridimensional. Así que solo tomó materia virtual.

Si la materia en nuestro universo, todas las distancias entre las partículas cargadas se expandieran al mismo ritmo, el alejamiento entre sí no sería perceptible. Todos los fotones mantendrían su longitud de onda, cuando se miden las distancias entre las partículas que interactúan. Pero las partículas interactúan . Así que gracias a esta interacción notamos expansión . Pero para el impulso inicial de velocidad, la inflación, solo se necesitaba materia virtual.

Su pregunta aborda cuestiones profundas sobre el comienzo del universo como lo describe la 'Cosmología de concordancia' y tiene razón en que hay contradicciones.

La respuesta es que la Cosmología de Concordancia está equivocada.

La Relatividad General y el Big Bang son correctos, pero las adiciones adicionales que se han agregado desde alrededor de 1990, la inflación y la energía oscura, son incorrectas.

Sería demasiado larga y subjetiva la respuesta para entrar en más detalles sobre cómo se podría mejorar la cosmología actual.