¿La intuición de por qué la expansión dominada por la materia es más rápida que la dominación por la radiación?

En un universo dominado por la materia a metro a t . ( t ) t 2 / 3 , mientras que en un universo dominado por la radiación, a ( t ) r a d . t 1 / 2 . Por lo tanto, un universo dominado por la materia se expande más rápidamente, en el sentido de que

H metro a t . ( t ) H r a d . ( t ) = 4 3   ,
donde estamos comparando en el mismo tiempo cosmológico desde el Big Bang.

¿Cuál es una explicación intuitiva para este hecho?

La intuición ingenua indicaría lo contrario: la radiación tiene presión, mientras que la materia no, por lo que de alguna manera la radiación debería empujar al universo a expandirse más rápidamente. Claramente, esto es incorrecto, ya que la ecuación de aceleración muestra que más presión desacelera el universo:

a ¨ a ( ρ + 3 pag )

Nunca he tenido una buena idea de por qué esto es así.

Respuestas (2)

Tanto un universo plano dominado por la materia como uno dominado por la radiación sin energía oscura se expanden, pero se desaceleran. La relación de los respectivos parámetros de Hubble muestra que la tasa de expansión es más rápida en un universo dominado por la materia.
H metro a t t mi r ( t ) / H r a d i a t i o norte ( t ) = 4 / 3

Aparente contradicción:
La El signo en la segunda ecuación de Friedmann hace que un fluido cosmológico con presión (radiación) sea más efectivo para desacelerar el universo que un fluido sin presión (materia).

Explicación:
La presión no ayuda a contrarrestar la desaceleración debida a la gravedad, como cabría esperar intuitivamente. La razón es que solo un gradiente de presión puede inducir una fuerza. Dado que no existe un gradiente de presión en un universo homogéneo, la presión no puede ayudar a expandir el universo.

Claro, pero ¿hay alguna razón intuitiva por la cual tener presión debería aumentar la desaceleración?
¿Es intuitivo que la velocidad de la luz es constante en todos los sistemas de coordenadas inerciales según la relatividad especial? La intuición no es un referente si buscamos una comprensión más profunda de la naturaleza.
Ciertamente hay una intuición de por qué la densidad de energía contribuye a la expansión de la forma en que lo hace, ¿por qué no también a la presión? La intuición es una gran parte de la física, a pesar de los muchos resultados no intuitivos en el tema.

De manera no relativista, una presión uniforme no causa aceleración o desaceleración, porque no hay gradientes de presión. De hecho, al igual que la energía, el valor absoluto de la presión no está definido en absoluto, en el sentido de que puedes agregar una constante a la presión en todas partes y nada cambiará.

En la relatividad general, la energía y la presión se definen de forma absoluta, y ambas contribuyen a la gravedad. Una forma de ver esto es con la ecuación de desviación geodésica, que establece que la aceleración de las geodésicas separadas por X m es

a m = R     0 0 v m X v .
Suponiendo isotropía y promediando en todas las direcciones, la tasa de expansión del volumen V de una bola de geodésicas es
d 2 V d t 2 = R     0 0 m m = R 00 .
Por otro lado, las ecuaciones de Einstein dan el tensor de Ricci en términos del tensor de tensión-energía y establecen que
R 00 = 4 π GRAMO ( ρ + pag X + pag y + pag z ) .
Por tanto, tanto la presión como la energía contribuyen por igual a la atracción gravitatoria. Este es el contenido físico central de la ecuación de campo de Einstein; la ecuación completa se puede recuperar solo de esta declaración. Así que no puedo dar una explicación intuitiva de por qué la presión aparece con un signo positivo, como tampoco puedo explicar intuitivamente por qué la ley de Faraday es cierta: es nuestro punto de partida. Pero dado esto, es sencillo ver que la radiación provoca más atracción que la materia, y que la energía del vacío hace lo contrario.