光や物質で満たされた宇宙に対するフリードマン方程式を解く(3)

3.2 ダスト流体で満たされた宇宙

次に中身がダスト流体だけの宇宙について考えてみよう。ダスト流体とは圧力が0の完全流体のことである。圧力 𝑝 が0だというのだからダスト流体の状態方程式(12)式𝑝=0 である。現実の物質では圧力が完全にぴったり0ということはありえないだろう。だが加速度方程式やエネルギー保存則の式の中で圧力 𝑝 はエネルギー密度 𝜀 とともに 𝜀 + 3𝑝 とか 𝜀 + 𝑝 という組み合わせで登場しているから、もし 𝑝 ≪ 𝜀 ならば 𝑝 ≈ 0 とみなしてよい。物質の(今考えている座標系に対する)速度が光速に比べてはるかに小さければ、それはダスト流体に近似することができる。この節のモデルはそのような物質で満たされた宇宙に対する近似である。前節と違って当節では状態方程式自体に近似の概念が入ってくるということだ。この状態方程式をエネルギー保存則の(11)式に代入すると、 𝜀˙+3𝑎˙𝑎𝜀 = 0 𝑎3𝜀˙ +3𝑎2𝑎˙𝜀 = 0 1𝑐dd𝑡 (𝑎3𝜀) = 0 𝑎3𝜀 = 𝐵 𝐵は積分定数) 𝜀=𝐵𝑎3 となり、ダスト流体のエネルギー密度はスケール因子の−3乗に比例する。これをフリードマン方程式(10)式に代入すると、 𝑎˙2𝑎2= 𝐾𝑚𝑎3 𝑘𝑎2 +𝛬3 (42) ただし 𝐾𝑚=8𝜋𝐺𝐵3𝑐4 となる。 𝐾𝑚 は正の定数であり、これが大きいほど宇宙に存在するダスト流体のエネルギーが大きくなる。(42)式を変形すると、 𝑎˙2 = 𝐾𝑚𝑎𝑘+𝛬3𝑎2 (43) 𝑎˙ = ± 𝐾𝑚𝑎𝑘+𝛬3𝑎2 1𝑐d𝑎d𝑡 = ± 𝐾𝑚𝑎𝑘+𝛬3𝑎2 (44) となり、両辺は恒等的に0でないから d𝑎 𝐾𝑚𝑎𝑘+𝛬3𝑎2 = ±𝑐d𝑡 𝑎d𝑎 𝐾𝑚𝑘𝑎+𝛬3𝑎3 = ±𝑐d𝑡 𝑎d𝑎 𝐾𝑚𝑘𝑎+𝛬3𝑎3 = ±𝑐d𝑡 (45) となる。この先は 𝛬 と 𝑘 の値によって次のように場合分けをして考える。 【1】 𝛬=𝑘=0のとき 【2】 𝛬=0𝑘のとき { 【2‐1】 𝛬=0,𝑘>0のとき 【2‐2】 𝛬=0,𝑘<0のとき 【3】 𝛬0=𝑘のとき { 【3‐1】 𝛬<0,𝑘=0のとき 【3‐2】 𝛬>0,𝑘=0のとき 【4】 9𝛬𝐾𝑚2=4𝑘30 のとき { 【4‐1】 9𝛬𝐾𝑚2=4𝑘3<0 のとき 【4‐2】 9𝛬𝐾𝑚2=4𝑘3>0 のとき 【5】 それ以外のとき { 【5‐1】 それ以外で𝛬<0のとき 【5‐2】 それ以外で𝛬>0のとき


【1】 𝛬 = 𝑘 = 0 のとき

(45)式 𝑎d𝑎 𝐾𝑚𝑘𝑎+𝛬3𝑎3 = ±𝑐d𝑡 (45)式 𝑎d𝑎𝐾𝑚 = ±𝑐d𝑡 𝛬=𝑘=0を代入した。 2𝑎323𝐾𝑚 = ±𝑐𝑡 (積分定数を0とした。) 𝑎 = 𝐾𝑚3 (±32𝑐𝑡)23 (46) となる。複号が+の解は、時刻 𝑡 = 0 に 𝑎 = 0 から始まって減速膨張し、無限の未来に 𝑎 → ∞ になる宇宙である。複号が−の解はその時間反転である。

この解で表される膨張宇宙を「アインシュタイン・ドジッター宇宙」と呼ぶ。これは第2章で出てきた「アインシュタイン宇宙」とは関係ないし、別の記事「真空の宇宙に対するフリードマン方程式を解く」で出てきた「ドジッター宇宙」とも関係ない。アインシュタイン先生とドジッター先生の共同研究で提案されたことに由来してそう呼ばれているだけだ。

【2】 𝛬 = 0 ≠ 𝑘 のとき

(45)式 𝑎d𝑎 𝐾𝑚𝑘𝑎+𝛬3𝑎3 = ±𝑐d𝑡 (45)式 𝑎d𝑎𝐾𝑚𝑘𝑎 = ±𝑐d𝑡 𝛬=0を代入した。 (47) となる。ここからさらに 𝑘 の符号によって場合分けをする。

【2‐1】 𝛬 = 0, 𝑘 > 0 のとき

𝑎d𝑎𝐾𝑚𝑘𝑎 =±𝑐d𝑡 (47)式 の左辺の被積分関数の分母の根号の中身は正でなければならないから、 𝑎 は 0𝑎<𝐾𝑚𝑘 を満たす範囲を動くことができる。そこで新しい変数を 𝑢 として 𝑎 = 𝐾𝑚𝑘cos2𝑢2 (48) = 𝐾𝑚𝑘cos𝑢+12 = 𝐾𝑚2𝑘(cos𝑢+1) (49) とおく。ただし 𝑢 は 0 < 𝑢 ≦ 𝜋 の範囲から選ぶこととする(したがって sin𝑢2>0 , cos𝑢20 )。(48)式の両辺を微分すると d𝑎= 𝐾𝑚𝑘 cos𝑢2sin𝑢2 d𝑢 (50) であるから、これらを(47)式に代入すると 𝑎d𝑎𝐾𝑚𝑘𝑎 = ±𝑐d𝑡 (47)式 𝐾𝑚𝑘cos2𝑢2 ( 𝐾𝑚𝑘cos𝑢2sin𝑢2 d𝑢 ) 𝐾𝑚𝐾𝑚cos2𝑢2 = ±𝑐d𝑡 (48)(50)式を代入した。 𝐾𝑚𝑘cos𝑢2 ( 𝐾𝑚𝑘cos𝑢2sin𝑢2 d𝑢 ) 𝐾𝑚1cos2𝑢2 = ±𝑐d𝑡 𝐾𝑚𝑘 𝐾𝑚𝑘 cos2𝑢2sin𝑢2 d𝑢 𝐾𝑚sin𝑢2 = ±𝑐d𝑡 𝐾𝑚𝑘𝑘 cos2𝑢2d𝑢 = ±𝑐d𝑡 𝐾𝑚𝑘32 cos𝑢+12d𝑢 = ±𝑐d𝑡 𝐾𝑚𝑘32 sin𝑢+𝑢2 = ±𝑐𝑡 (積分定数を0とした。) 𝐾𝑚2𝑐𝑘32 (sin𝑢+𝑢) = 𝑡 (51) のようになる。(51)(49)式が媒介変数表示による解である。ところでここまでは 𝑢 を正に限っていたが、(49)式は 𝑢 を符号反転しても何も変わらず、(51)式は 𝑢 の符号反転は複号を逆にすることと等価である。ということは 𝑢 が負でもよいことにする代わりに(51)式の左辺の複号を取り払っても同じことである。また、 𝑢 = 0 すなわち 𝑡 = 0 のときに(48)式を使うと(47)式の左辺の被積分関数の分母が0になってしまうので除外して考えてきたが、(44)式までさかのぼってみるとそのときも 0 = 0 となってちゃんと成り立っている。よって 𝑡 = 0 のときも(51)(49)式は解である。したがって解の媒介変数表示は { 𝑡= 𝐾𝑚2𝑐𝑘32 (sin𝑢+𝑢) (52) 𝑎= 𝐾𝑚2𝑘(cos𝑢+1) (53) (ただし𝜋𝑢𝜋 とすることができる。時間座標 𝑐𝑡 と曲率半径 𝑎𝑘 の関係をグラフに描けばサイクロイドになる。数学的には 𝑢 が取り得る範囲はすべての実数にまで広げて構わない。これは時刻 𝑡= 𝜋𝐾𝑚2𝑐𝑘32 に 𝑎 = 0 から始まって減速膨張し、時刻 𝑡 = 0 に最大値 𝑎=𝐾𝑚𝑘 になって加速収縮に転じ、時刻 𝑡= 𝜋𝐾𝑚2𝑐𝑘32 に 𝑎 = 0 になって終わる宇宙である。 −𝜋 < 𝑢 < 0 の範囲が膨張期であり、 0 < 𝑢 < 𝜋 の範囲が収縮期である。文献によっては sin 𝑢 と cos 𝑢 の符号が負になっているものもあるが、位相 𝑢 が 𝜋 ずれている(それに伴って時間座標 𝑡 の原点もずれている)だけで実体は同じである。どちらかが間違っているわけではない。そのような文献は媒介変数 𝑢 と時刻 𝑡 とスケール因子 𝑎 が同時に 0 になるように媒介変数と積分定数を調整しているのである。

媒介変数を使わずに1個の式で表したければ、(53)式より 𝑎 = 𝐾𝑚2𝑘(cos𝑢+1) (53)式 2𝑘𝑎𝐾𝑚 = cos𝑢+1 2𝑘𝑎𝐾𝑚1 = cos𝑢 2𝑘𝑎𝐾𝑚𝐾𝑚 = cos𝑢 ±arccos2𝑘𝑎𝐾𝑚𝐾𝑚 = 𝑢 (54) sin𝑢 = ±1cos2𝑢 = ± 1 (2𝑘𝑎𝐾𝑚1)2 = ± 4𝑘2𝑎2𝐾𝑚2 +4𝑘𝑎𝐾𝑚 = ±2𝑘𝐾𝑚 𝑘𝑎2+𝐾𝑚𝑎 (55) (54)式(55)式は複号同順) だから、これらを(52)式に代入すれば 𝑡 = 𝐾𝑚2𝑐𝑘32 (sin𝑢+𝑢) (52)式 = 𝐾𝑚2𝑐𝑘32 ( ±2𝑘𝐾𝑚 𝑘𝑎2+𝐾𝑚𝑎 ±arccos2𝑘𝑎𝐾𝑚𝐾𝑚 ) (複号同順) (54)(55)式を代入した。 = ±1𝑐𝑘 ( 𝑘𝑎2+𝐾𝑚𝑎𝑘 +𝐾𝑚2𝑘 arccos2𝑘𝑎𝐾𝑚𝐾𝑚 ) のように書くこともできる。複号の−が膨張期であり、複号の+が収縮期である。逆に 𝑎 を 𝑡 の初等関数で書くことはできないだろう。

【2‐2】 𝛬 = 0, 𝑘 < 0 のとき

𝑎d𝑎𝐾𝑚𝑘𝑎 =±𝑐d𝑡 (47)式 の左辺の被積分関数の分母の根号の中身は 𝑎 (≧ 0) の値にかかわらず正である。そこで新しい変数を 𝑢 として 𝑎 = 𝐾𝑚𝑘sinh2𝑢2 (56) = 𝐾𝑚𝑘 cosh𝑢12 = 𝐾𝑚2𝑘 (cosh𝑢1) (57) とおく。ただし 𝑢 は非負のものを選ぶこととする(したがって sinh𝑢20 )。(56)式の両辺を微分すると d𝑎= 𝐾𝑚𝑘 sinh𝑢2cosh𝑢2 d𝑢 (58) であるから、これらを(47)式に代入すると 𝑎d𝑎𝐾𝑚𝑘𝑎 = ±𝑐d𝑡 (47)式 𝐾𝑚𝑘sinh2𝑢2 𝐾𝑚𝑘 sinh𝑢2cosh𝑢2 d𝑢 𝐾𝑚+𝐾𝑚sinh2𝑢2 = ±𝑐d𝑡 (56)(58)式を代入した。 𝐾𝑚𝑘sinh𝑢2 𝐾𝑚𝑘 sinh𝑢2cosh𝑢2 d𝑢 𝐾𝑚1+sinh2𝑢2 = ±𝑐d𝑡 𝐾𝑚𝑘 𝐾𝑚𝑘 sinh2𝑢2cosh𝑢2 d𝑢 𝐾𝑚cosh𝑢2 = ±𝑐d𝑡 𝐾𝑚𝑘𝑘 sinh2𝑢2d𝑢 = ±𝑐d𝑡 𝐾𝑚(𝑘)32 cosh𝑢12d𝑢 = ±𝑐d𝑡 𝐾𝑚(𝑘)32 sinh𝑢𝑢2 = ±𝑐𝑡 (積分定数を0とした。) ± 𝐾𝑚 2𝑐(𝑘)32 (sinh𝑢𝑢) = 𝑡 (59) のようになる。(59)(57)式が媒介変数表示による解である。ところでここまでは 𝑢 を非負に限っていたが、(57)式は 𝑢 を符号反転しても何も変わらず、(59)式は 𝑢 の符号反転は複号を逆にすることと等価である。ということは 𝑢 が負でもよいことにする代わりに(59)式の左辺の複号を取り払っても同じことである。したがって解の媒介変数表示は { 𝑡= 𝐾𝑚 2𝑐(𝑘)32 (sinh𝑢𝑢) (60) 𝑎= 𝐾𝑚2𝑘 (cosh𝑢1) (61) (ただし<𝑢< とすることができる。時間座標 𝑐𝑡 と曲率半径 𝑎𝑘 の関係をグラフに描いた曲線は、サイクロイドの三角関数を双曲線関数に置き換えたようなものだが、この曲線に名前がついているかどうかは知らない。この解には物理的には2つの解が含まれている。 𝑢 ≧ 0 の部分は時刻 𝑡 = 0 に 𝑎 = 0 から始まって減速膨張し、無限の未来に等速膨張になり 𝑎 → ∞ になる宇宙である。 𝑢 ≦ 0 の部分はその時間反転である。

媒介変数を使わずに1個の式で表したければ、(61)式より 𝑎 = 𝐾𝑚2𝑘 (cosh𝑢1) (61)式 2𝑘𝑎𝐾𝑚 = cosh𝑢1 2𝑘𝑎𝐾𝑚+1 = cosh𝑢 2𝑘𝑎+𝐾𝑚𝐾𝑚 = cosh𝑢 ±arcosh 2𝑘𝑎+𝐾𝑚𝐾𝑚 = 𝑢 (62) sinh𝑢 = ±cosh2𝑢1 = ± (2𝑘𝑎𝐾𝑚+1)2 1 = ± 4𝑘2𝑎2𝐾𝑚2 +4𝑘𝑎𝐾𝑚 = ±2𝑘𝐾𝑚 𝑘𝑎2+𝐾𝑚𝑎 (63) (62)式(63)式は複号同順) だから、これらを(60)式に代入すれば 𝑡 = 𝐾𝑚 2𝑐(𝑘)32 (sinh𝑢𝑢) (60)式 = 𝐾𝑚 2𝑐(𝑘)32 ( ±2𝑘𝐾𝑚 𝑘𝑎2+𝐾𝑚𝑎 arcosh 2𝑘𝑎+𝐾𝑚𝐾𝑚 ) (複号同順) (62)(63)式を代入した。 = ±1𝑐𝑘 ( 𝑘𝑎2+𝐾𝑚𝑎 𝑘 +𝐾𝑚2𝑘 arcosh 2𝑘𝑎+𝐾𝑚𝐾𝑚 ) のように書くこともできる。複号が+の解は膨張宇宙、複号が−の解は収縮宇宙である。逆に 𝑎 を 𝑡 の初等関数で書くことはできないだろう。

【3】 𝛬 ≠ 0 = 𝑘  のとき

(45)式 𝑎d𝑎 𝐾𝑚𝑘𝑎+𝛬3𝑎3 = ±𝑐d𝑡 (45)式 𝑎d𝑎 𝐾𝑚+𝛬3𝑎3 = ±𝑐d𝑡 𝑘=0を代入した。 (64) となる。ここからさらに 𝛬 の符号によって場合分けをする。

【3‐1】 𝛬 < 0, 𝑘 = 0 のとき

𝑎d𝑎 𝐾𝑚+𝛬3𝑎3 =±𝑐d𝑡 (64)式 の左辺の被積分関数の分母の根号の中身は正でなければならないから、 𝑎 は 0𝛬3𝑎3<𝐾𝑚 すなわち 0 𝛬3𝑎32 <𝐾𝑚 を満たす範囲を動くことができる。そこで新しい変数を 𝑢 として 𝛬3𝑎32 = 𝐾𝑚cos𝑢 (65) とおく。ただし 𝑢 は 0<𝑢𝜋2 の範囲から選ぶこととする(したがって sin 𝑢 > 0)。すると 𝑎32 = 3𝛬𝐾𝑚cos𝑢 (66) 32𝑎d𝑎 = 3𝛬𝐾𝑚sin𝑢d𝑢 ←両辺を微分した。 𝑎d𝑎 = 23𝛬𝐾𝑚sin𝑢d𝑢 (67) であるから、これらを(64)式に代入すると 𝑎d𝑎 𝐾𝑚+𝛬3𝑎3 = ±𝑐d𝑡 (64)式 23𝛬𝐾𝑚sin𝑢d𝑢 𝐾𝑚𝐾𝑚cos2𝑢 = ±𝑐d𝑡 (65)(67)式を代入した。 23𝛬 𝐾𝑚sin𝑢d𝑢 𝐾𝑚1cos2𝑢 = ±𝑐d𝑡 23𝛬 𝐾𝑚sin𝑢d𝑢 𝐾𝑚sin𝑢 = ±𝑐d𝑡 23𝛬d𝑢 = ±𝑐d𝑡 23𝛬𝑢 = ±𝑐𝑡 (積分定数を0とした。) 𝑢 = 123𝛬𝑐𝑡 (68) のようになる。(65)式で 𝑢 の符号は正に限られていたので、(68)式の右辺の複号は 𝑡 < 0 のときは−を、 𝑡 > 0 のときは+を採用するべきである。(68)式(66)式に代入すれば 𝑎32 = 3𝛬𝐾𝑚 cos(123𝛬𝑐𝑡) 𝑎 = 3𝐾𝑚𝛬3 cos23 (123𝛬𝑐𝑡) (69) となる。 𝑢 = 0 すなわち 𝑡 = 0 のときに(65)式を使うと(64)式の左辺の被積分関数の分母が0になってしまうので除外して考えてきたが、(44)式までさかのぼってみると 0 = 0 となってちゃんと成り立っている。よって 𝑡 = 0 のときも(69)式は解である。これは時刻 𝑡=𝜋𝑐3𝛬 に 𝑎 = 0 から始まって減速膨張し、時刻 𝑡 = 0 に最大値 𝑎=3𝐾𝑚𝛬3 になって加速収縮に転じ、時刻 𝑡=𝜋𝑐3𝛬 に 𝑎 = 0 になって終わる宇宙である。

【3‐2】 𝛬 > 0, 𝑘 = 0 のとき

𝑎d𝑎 𝐾𝑚+𝛬3𝑎3 =±𝑐d𝑡 (64)式 の左辺の被積分関数の分母の根号の中身は 𝑎 (≧ 0) の値にかかわらず正である。そこで新しい変数を 𝑢 として 𝛬3𝑎32 = 𝐾𝑚sinh𝑢 (70) とおく。すると 𝑎32 = 3𝛬𝐾𝑚sinh𝑢 (71) 32𝑎d𝑎 = 3𝛬𝐾𝑚cosh𝑢d𝑢 ←両辺を微分した。 𝑎d𝑎 = 23𝛬𝐾𝑚cosh𝑢d𝑢 (72) であるから、これらを(64)式に代入すると 𝑎d𝑎 𝐾𝑚+𝛬3𝑎3 = ±𝑐d𝑡 (64)式 23𝛬𝐾𝑚cosh𝑢d𝑢 𝐾𝑚+𝐾𝑚sinh2𝑢 = ±𝑐d𝑡 (70)(72)式を代入した。 23𝛬 𝐾𝑚cosh𝑢d𝑢 𝐾𝑚1+sinh2𝑢 = ±𝑐d𝑡 23𝛬 𝐾𝑚cosh𝑢d𝑢 𝐾𝑚cosh𝑢 = ±𝑐d𝑡 23𝛬d𝑢 = ±𝑐d𝑡 23𝛬𝑢 = ±𝑐𝑡 (積分定数を0とした。) 𝑢 = ±123𝛬𝑐𝑡 (73) のようになる。(73)式(71)式に代入すれば 𝑎32 = 3𝛬𝐾𝑚 sinh(±123𝛬𝑐𝑡) 𝑎 = 3𝐾𝑚𝛬3 sinh23 (±123𝛬𝑐𝑡) となる。複号が+の解は、時刻 𝑡 = 0 に 𝑎 = 0 から始まって減速膨張し、時刻 𝑡 = 2𝑐3𝛬arsinh12 = 2𝑐3𝛬 ln1+32 𝑎=3𝐾𝑚2𝛬3 になって加速膨張に転じ、無限の未来に 𝑎 → ∞ になる宇宙である。複号が−の解はその時間反転である。


ここまでで 𝛬 = 0 または 𝑘 = 0 の場合についてはすべて片付いた。長くなってきたので、 𝛬 ≠ 0 かつ 𝑘 ≠ 0 の場合については次のページで扱うことにする。

⛭ 数式の表示設定 (S)