Расширение Вселенной

Часть серии по
Физическая космология
Большой взрыв  · Вселенная Возраст вселенной Хронология Вселенной
Ранняя вселенная Эпоха Планка Эпоха великого объединения Электрослабая эпоха Кварковая эпоха Адронная эпоха Лептонная эпоха Фотонная эпоха Нуклеосинтез Большого взрыва Инфляция Темные времена Звездная эра Фоны Космический фоновый радиационный фон (CBR) Фон гравитационных волн (ФГВ) Космический микроволновый фон (CMB)  · Космический нейтринный фон (CNB) Космический инфракрасный фон (ИНБ)
Расширение  · Будущее Закон Хаббла  · Красное смещение Расширение Вселенной Ускоряющееся расширение Вселенной Сопутствующие и правильные расстояния Метрика FLRW  · Уравнения Фридмана Неоднородная космология Хронология далекого будущего Будущее расширяющейся Вселенной Конечная судьба вселенной Тепловая смерть вселенной Большой разрыв Большой хруст Большой отскок Распад ложного вакуума
Компоненты  · Структура Составные части Лямбда-CDM модель Барионная материя Экзотическая материя Вырожденная материя Нейтроний Вопрос КХД Странное дело Отрицательное вещество Энергия Отрицательная энергия Нулевая энергия Энергия вакуума Радиация Фоновое излучение Темная энергия Квинтэссенция Фантомная энергия Темная материя Холодная темная материя Теплая темная материя Смешанная темная материя Горячая темная материя Светлая темная материя Самовзаимодействующая темная материя Скалярное поле темная материя Темное излучение Темная жидкость Темный поток Зеркальное дело Структура Форма вселенной Реионизация  · Формирование структуры Формирование галактики Мультивселенная Вселенная Наблюдаемая Вселенная Объем Хаббла Крупномасштабная конструкция Большая группа квазаров Нить галактики Сверхскопление Скопление галактик Группа галактик Местная группа Галактика Ореол темной материи Звездное скопление Солнечная система Планетная система Пустота
Эксперименты Бумеранг Исследователь космического фона (COBE) Обзор темной энергии Евклид Проект Illustris Обсерватория Веры К. Рубин Космическая обсерватория Планка Слоан цифровой обзор неба (SDSS) Обзор красного смещения галактики 2dF ("2dF") ВселеннаяМашина Микроволновый датчик анизотропии Wilkinson (WMAP)
Ученые Ааронсон Альфвен Альфер Бхарадвадж Коперник де Ситтер Дике Эддингтон Элерс Эйнштейн Эллис Фридман Галилео Гамов Guth Хаббл Лемэтр Linde Mather Ньютон Penzias Вбивать в голову Шмидт Шварцшильд Гладкий Старобинский Steinhardt Suntzeff Сюняев Толман Уилсон Зельдович
История темы Открытие космического микроволнового фонового излучения История теории большого взрыва Религиозные интерпретации теории большого взрыва Хронология космологических теорий
Категория  Астрономический портал
v т е

Расширение Вселенной является увеличением расстояния между любыми двумя заданными гравитационно несвязанными частями наблюдаемой Вселенной со временем. ^[1] Это внутреннее расширение, в результате которого изменяется масштаб самого пространства . Вселенная не расширяется «ни во что» и не требует пространства для существования «вне». Технически ни пространство, ни объекты в космосе не движутся. Вместо этого изменяется в масштабе метрика, определяющая размер и геометрию самого пространства-времени. Как пространственная часть метрики пространства-времени Вселеннойувеличивается в масштабе, объекты перемещаются друг от друга с постоянно увеличивающейся скоростью. Любому наблюдателю во Вселенной кажется, что все пространство расширяется, в то время как все галактики, кроме ближайших, удаляются со скоростью, пропорциональной их расстоянию от наблюдателя - на достаточно больших расстояниях скорости превышают даже скорость света . ^{[примечания 1]}

Как следствие общей теории относительности , расширение Вселенной отличается от расширений и взрывов, наблюдаемых в повседневной жизни. Это свойство Вселенной в целом, а не явление, которое применимо только к одной части Вселенной и, в отличие от других расширений и взрывов, не может наблюдаться "извне".

Метрическое расширение - ключевая особенность космологии Большого взрыва , математически моделируется с помощью метрики Фридмана – Лемэтра – Робертсона – Уокера и является общим свойством вселенной, в которой мы живем. Однако эта модель действительна только в больших масштабах (примерно в масштабе скоплений галактик и выше), потому что гравитация связывает материю достаточно сильно, что в настоящее время невозможно наблюдать расширение метрики в меньшем масштабе. Таким образом, единственные галактики, удаляющиеся друг от друга в результате метрического расширения, - это те, которые разделены космологически значимыми масштабами, большими, чем масштабы длины, связанные с гравитационным коллапсом, которые возможны в эпоху Вселенной с учетом возраста Вселенной.плотность вещества и средняя скорость расширения. Перефразируя, прогнозируется, что в конечном итоге метрика начнет опережать гравитацию, необходимую телам, чтобы оставаться связанными вместе, что означает, что все группы, кроме самых локальных, будут отступать.

Согласно теории инфляции , во время инфляционной эпохи примерно через 10 ^-32 секунды после Большого взрыва Вселенная внезапно расширилась, и ее объем увеличился как минимум в 10 ^{78 раз} (расширение расстояния как минимум в 10 раз). ²⁶ в каждом из трех измерений), что эквивалентно расширению объекта 1 нанометр (10 ^-9 м , около половины ширины молекулы из ДНК ) в длину на один приблизительно 10,6 световых лет (около 10 ¹⁷м или 62 триллиона миль) в длину. После этого продолжалось гораздо более медленное и постепенное расширение пространства, пока примерно через 9,8 миллиардов лет после Большого взрыва (4 миллиарда лет назад) оно не начало постепенно расширяться более быстро , и продолжает это делать. Физики постулировали существование темной энергии , появляющейся как космологическая постоянная в простейших гравитационных моделях, как способ объяснить это ускорение в последнее время. Согласно простейшей экстраполяции популярной в настоящее время космологической модели, модели лямбда-CDM , это ускорение станет более доминирующим в будущем. В июне 2016 года НАСА и ЕКАУченые сообщили, что Вселенная расширяется на 5–9% быстрее, чем предполагалось ранее, на основе исследований с использованием космического телескопа Хаббла . ^[2]

История [ править ]

В 1912 годе Слайферы обнаружили , что свет от удаленных галактик красного смещения , ^{[3] [4]} , который был позже интерпретирован как галактики отступающих от Земли. В 1922 году Александр Фридман использовал уравнения поля Эйнштейна, чтобы получить теоретические доказательства того, что Вселенная расширяется. ^[5] В 1927 году Жорж Лемэтр независимо от Фридмана пришел к такому же выводу на теоретической основе, а также представил первые наблюдательные доказательства линейной зависимости между расстоянием до галактик и их скоростью удаления . ^[6] Эдвин Хабблдва года спустя экспериментально подтвердил выводы Лемэтра. ^[7] Если исходить из космологического принципа , эти открытия означают, что все галактики удаляются друг от друга.

Основываясь на большом количестве экспериментальных наблюдений и теоретических работ, научный консенсус состоит в том, что само пространство расширяется , и что оно расширяется очень быстро в течение первой доли секунды после Большого взрыва . Такой вид расширения известен как «метрическое расширение». В математике и физике « метрика » означает меру расстояния, и этот термин подразумевает, что само ощущение расстояния во Вселенной меняется .

Космическая инфляция [ править ]

Современное объяснение метрического расширения пространства было предложено физиком Аланом Гутом в 1979 году, когда он исследовал проблему того, почему сегодня магнитные монополи не наблюдаются. Гут обнаружил в своем исследовании, что если во Вселенной есть поле, которое имеет состояние ложного вакуума с положительной энергией , то, согласно общей теории относительности, это приведет к экспоненциальному расширению пространства . Очень быстро стало понятно, что такое расширение решит многие другие давние проблемы. Эти проблемы возникают из-за наблюдения, что для того, чтобы Вселенная выглядела так, как она выглядит сегодня, должна была начаться с очень тонкой настройки., или «особые» начальные условия при Большом взрыве. Теория инфляции в значительной степени решает и эти проблемы, что делает вселенную, подобную нашей, гораздо более вероятной в контексте теории Большого взрыва . По словам Роджера Пенроуза , инфляция не решает главную проблему, которую она должна была решить, а именно невероятно низкую энтропию (с маловероятностью состояния порядка 1/10 ^{10 128}  ⁠) ранней Вселенной, содержащейся в гравитационных конформных степенях. свободы (в отличие от степеней свободы полей, таких как космический микроволновый фон , гладкость которого можно объяснить инфляцией). Таким образом, он выдвигает свой сценарий эволюции Вселенной:конформная циклическая космология . ^[8]

Поле, ответственное за космическую инфляцию, не обнаружено. Однако такое поле, если оно будет найдено в будущем, будет скалярным . Первое подобное скалярное поле, существование которого было доказано, было обнаружено только в 2012–2013 годах и все еще исследуется. Так что не считается проблемным то, что поле, ответственное за космическую инфляцию и метрическое расширение пространства, еще не было обнаружено ^{[ цитата ]} .

Предлагаемое поле и его кванты ( связанные с ним субатомные частицы ) получили название инфлатон . Если бы этого поля не существовало, ученым пришлось бы предложить другое объяснение для всех наблюдений, которые убедительно свидетельствуют о том, что метрическое расширение пространства произошло и все еще происходит намного медленнее сегодня.

Обзор показателей и сопутствующих координат [ править ]

Чтобы понять метрическое расширение Вселенной, полезно кратко обсудить, что такое метрика и как работает метрическое расширение.

А метрика определяет понятие расстояния , заявив в математических терминах , как расстояния между двумя ближайшими точками в пространстве измеряется в терминах системы координат . Системы координат определяют местоположение точек в пространстве (любого количества измерений ), назначая каждой точке уникальные позиции на сетке, известные как координаты . Графики широты и долготы , а также графики xy являются типичными примерами координат. Метрика - это формула, которая описывает, как число, известное как «расстояние», должно быть измерено между двумя точками.

Может показаться очевидным, что расстояние измеряется прямой линией, но во многих случаях это не так. Например, дальнемагистральный самолет движется по кривой, известной как « большой круг », а не по прямой линии, потому что это лучший показатель для авиаперелетов. (Прямая линия прошла бы через землю). Другой пример - планирование автомобильной поездки, при которой может потребоваться самый короткий путь с точки зрения времени в пути - в этом случае прямая линия - плохой выбор метрики, потому что кратчайшее расстояние по дороге обычно не является прямой линией, и даже путем ближайший к прямой линии не обязательно будет самым быстрым. Последний пример - Интернет, где даже для близлежащих городов самый быстрый маршрут для данных может лежать через основные соединения, которые проходят через всю страну и обратно. В этом случае используемая метрика будет наименьшим временем, за которое данные перемещаются между двумя точками в сети.

В космологии мы не можем использовать линейку для измерения метрического расширения, потому что внутренние силы нашей линейки легко преодолевают чрезвычайно медленное расширение пространства, оставляя линейку нетронутой. Кроме того, любые объекты на Земле или около Земли, которые мы можем измерить, удерживаются вместе или раздвигаются несколькими силами, которые намного сильнее по своему действию. Таким образом, даже если бы мы могли измерить крошечное расширение, которое все еще происходит, мы бы не заметили изменений в мелком масштабе или в повседневной жизни. В большом межгалактическом масштабе мы можем использовать другие тесты расстояния, и они действительно показывают, что пространство расширяется, даже если правитель на Земле не мог его измерить.

Метрическое расширение пространства описывается с помощью математики метрических тензоров . Система координат, которую мы используем, называется « сопутствующими координатами », тип системы координат, которая учитывает время, а также пространство и скорость света , и позволяет нам учитывать эффекты как общей, так и специальной теории относительности .

Пример: метрика "Большой круг" для поверхности Земли [ править ]

Например, рассмотрим измерение расстояния между двумя точками на поверхности Земли. Это простой, знакомый пример сферической геометрии . Поскольку поверхность Земли двумерна, точки на поверхности Земли могут быть заданы двумя координатами - например, широтой и долготой. Для спецификации метрики необходимо сначала указать используемые координаты. В нашем простом примере поверхности Земли мы могли бы выбрать любую систему координат, какую захотим, например, широту и долготу или декартовы координаты XYZ.. После того, как мы выбрали конкретную систему координат, числовые значения координат любых двух точек определяются однозначно, и на основе свойств обсуждаемого пространства математически устанавливается и соответствующая метрика. На изогнутой поверхности Земли мы можем наблюдать этот эффект в дальнемагистральных рейсах авиакомпаний, где расстояние между двумя точками измеряется по большому кругу , а не по прямой линии, которую можно было бы нанести на двумерную карту Земли. поверхность. В общем, такие кратчайшие пути называются « геодезическими ». В евклидовой геометрии геодезическая - это прямая линия, а в неевклидовой геометриинапример, на поверхности Земли, это не так. Действительно, даже самый короткий путь по большому кругу всегда длиннее, чем евклидова прямая линия, проходящая через недра Земли. Разница между прямой линией и кратчайшим путем по большому кругу связана с кривизной поверхности Земли. Хотя эта кривизна всегда дает эффект, на коротких расстояниях эффект достаточно мал, чтобы быть незаметным.

На плоских картах большие круги Земли чаще всего не показаны прямыми линиями. Действительно, есть редко используемая картографическая проекция , а именно гномоническая проекция , где все большие круги показаны прямыми линиями, но в этой проекции масштаб расстояний очень сильно варьируется в разных областях. Не существует картографической проекции, в которой расстояние между любыми двумя точками на Земле, измеренное по геодезической большой окружности, прямо пропорционально их расстоянию на карте; такая точность возможна только с глобусом.

Метрические тензоры [ править ]

В дифференциальной геометрии , основной математике общей теории относительности , можно определить метрический тензор , который точно характеризует описываемое пространство, объясняя, как следует измерять расстояния во всех возможных направлениях. Общая теория относительности обязательно использует метрику в четырех измерениях (одно во времени, три в пространстве), потому что, как правило, разные системы отсчета будут испытывать разные интервалы времени и пространства в зависимости от инерциальной системы отсчета . Это означает, что метрический тензор в общей теории относительности точно связывает два события в пространстве-времени . Расширение метрики происходит, когда метрический тензор изменяется свремя (и, в частности, всякий раз, когда пространственная часть метрики становится больше с течением времени). Этот вид расширения в немалой степени отличается от всех видов расширений и взрывов, обычно наблюдаемых в природе, потому что времена и расстояния не одинаковы во всех системах отсчета, а, напротив, могут изменяться. Полезная визуализация состоит в приближении к субъекту, а не к объектам в фиксированном «пространстве», расходящимся в «пустоту», как само пространство, растущее между объектами без какого-либо ускорения самих объектов. Пространство между объектами сужается или увеличивается по мере того, как различные геодезические сходятся или расходятся.

Поскольку это расширение обусловлено относительным изменением расстояния определяющей метрики, это расширение (и в результате движение обособлены объекты) не ограничены скоростью света верхней границы из специальной теории относительности . Две системы отсчета, которые глобально разделены, могут перемещаться друг от друга быстрее света, не нарушая специальной теории относительности, хотя всякий раз, когда две системы отсчета расходятся друг от друга быстрее скорости света, с такими ситуациями будут наблюдаться наблюдаемые эффекты, включая существование различных космологических горизонты .

Теория и наблюдения предполагают, что очень рано в истории Вселенной была инфляционная фаза, когда метрика менялась очень быстро, и что оставшаяся временная зависимость этой метрики - это то, что мы наблюдаем как так называемое расширение Хаббла , движущееся помимо всех гравитационно несвязанных объектов во Вселенной. Таким образом, расширяющаяся Вселенная является фундаментальной особенностью Вселенной, в которой мы живем, - Вселенной, фундаментально отличной от статической Вселенной, которую впервые рассмотрел Альберт Эйнштейн, когда разработал свою теорию гравитации.

Сопутствующие координаты [ править ]

В расширяющемся пространстве правильные расстояния - это динамические величины, которые меняются со временем. Легкий способ исправить это - использовать сопутствующие координаты, которые удаляют эту особенность и позволяют характеризовать различные места во вселенной без необходимости характеризовать физику, связанную с метрическим расширением. В сопутствующей координате, расстояние между всеми объектами являются фиксированными и мгновенной динамикой по материи и света определяется нормальной физикой в гравитации и электромагнитного излучения . Однако любую эволюцию во времени необходимо учитывать, принимая во внимание закон Хаббла.в соответствующие уравнения в дополнение к любым другим эффектам, которые могут действовать (например, гравитация , темная энергия или кривизна ). Космологические симуляции, которые проходят через значительную часть истории Вселенной, поэтому должны включать такие эффекты, чтобы делать применимые предсказания для наблюдательной космологии .

Понимание расширения Вселенной [ править ]

Измерение расширения и изменение скорости расширения [ править ]

В принципе, расширение Вселенной можно измерить, если взять стандартную линейку и измерить расстояние между двумя космологически удаленными точками, подождать определенное время, а затем снова измерить расстояние, но на практике стандартные линейки нелегко найти на космологические масштабы и временные шкалы, в которых можно было бы увидеть измеримое расширение, слишком велики, чтобы их могли наблюдать даже несколько поколений людей. Косвенно измеряется расширение пространства. Теория относительности предсказывает явления , связанные с расширением, в частности красное смещение отношений -versus расстояния , известного как закон Хаббла ; функциональные формы для измерения космологических расстоянийкоторые отличаются от того, что можно было бы ожидать, если бы пространство не расширялось; и наблюдаемое изменение материи и плотности энергии Вселенной в разное время ретроспективного анализа .

Первое измерение расширения пространства пришло с осознанием Хабблом зависимости скорости от красного смещения. Совсем недавно, сравнивая видимую яркость далеких стандартных свечей с красным смещением их родительских галактик, было измерено, что скорость расширения Вселенной составляет H 0 = 73,24 ± 1,74 (км / с) / Мпк . ^[9] Это означает, что на каждый миллион парсеков расстояния от наблюдателя свет, полученный с этого расстояния, имеет космологическое красное смещение примерно на 73 километра в секунду (160 000 миль в час). С другой стороны, принимая космологическую модель, например, модель Лямбда-CDM, можно вывести постоянную Хаббла из размера самых больших флуктуаций, наблюдаемых в космическом микроволновом фоне . Более высокая постоянная Хаббла будет означать меньший характерный размер флуктуаций реликтового излучения, и наоборот. Коллаборация Planck измерила таким образом скорость расширения и определила H ₀ = 67,4 ± 0,5 (км / с) / Мпк . ^[10] Существует разногласие между двумя измерениями: лестница расстояний не зависит от модели, а измерение реликтового излучения зависит от подобранной модели, что намекает на новую физику, выходящую за рамки наших стандартных космологических моделей.

Параметр Хаббла не считается постоянным во времени. На частицы во Вселенной действуют динамические силы, влияющие на скорость расширения. Ранее ожидалось, что параметр Хаббла будет уменьшаться с течением времени из-за влияния гравитационных взаимодействий во Вселенной, и, таким образом, во Вселенной существует дополнительная наблюдаемая величина, называемая параметром замедления.космологи ожидали, что они будут напрямую связаны с плотностью материи Вселенной. Удивительно, но параметр замедления был измерен двумя разными группами и оказался меньше нуля (фактически, соответствует -1), что означает, что сегодня параметр Хаббла с течением времени стремится к постоянному значению. Некоторые космологи причудливо назвали эффект, связанный с «ускоряющейся Вселенной», «космическим рывком ». ^[11] За открытие этого явления была присуждена Нобелевская премия по физике 2011 года . ^[12]

В октябре 2018 года ученые представили новый третий способ (два более ранних метода, один из которых основан на красных смещениях, а другой - на лестнице космических расстояний , дали результаты, которые не совпадают), с использованием информации о гравитационно-волновых событиях (особенно тех, которые связаны с слиянием нейтронных звезд. , как GW170817 ), определения постоянной Хаббла , необходимой для определения скорости расширения Вселенной. ^{[13] [14]}

Измерение расстояний в расширяющемся пространстве [ править ]

Этот раздел написан как личное размышление, личное эссе или аргументированное эссе , в котором излагаются личные чувства редактора Википедии или представлены оригинальные аргументы по теме. Пожалуйста, помогите улучшить его , переписав в энциклопедическом стиле . ( Август 2015 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

В космологических масштабах нынешняя Вселенная геометрически плоская ^{[15], то} есть соблюдаются правила евклидовой геометрии, связанные с пятым постулатом Евклида , хотя в прошлом пространство-время могло быть сильно искривленным. Отчасти для того, чтобы приспособиться к таким разным геометриям, расширение Вселенной по своей сути является общерелятивистским ; его нельзя смоделировать с помощью одной только специальной теории относительности , хотя такие модели существуют, они фундаментально расходятся с наблюдаемым взаимодействием между материей и пространством-временем, наблюдаемым в нашей Вселенной.

Изображения справа показывают два вида пространственно-временных диаграмм, которые показывают крупномасштабную геометрию Вселенной в соответствии с космологической моделью ΛCDM . Два измерения пространства опускаются, оставляя одно измерение пространства (измерение, которое увеличивается по мере увеличения конуса) и одно измерение времени (измерение, которое движется «вверх» по поверхности конуса). Узкий круговой конец диаграммы соответствует космологическому времени 700 миллионов лет после Большого взрыва, а широкий конец - космологическому времени 18 миллиардов лет, когда можно увидеть начало ускоряющегося расширения.как расширение пространства-времени вовне, что в конечном итоге доминирует в этой модели. Пурпурные линии сетки отмечают космологическое время с интервалом в один миллиард лет после Большого взрыва. Голубые линии сетки отмечают сопутствующие расстояния с интервалом в один миллиард световых лет в нынешнюю эпоху (меньше в прошлом и больше в будущем). Обратите внимание, что круговое скручивание поверхности является артефактом встраивания, не имеющим физического значения, и сделано исключительно для того, чтобы сделать иллюстрацию видимой; пространство на самом деле не скручивается само по себе. (Аналогичный эффект можно увидеть в трубчатой ​​форме псевдосферы .)

Коричневая линия на диаграмме - это мировая линия Земли (или, в более ранние времена, материи, которая конденсировалась, чтобы сформировать Землю). Желтая линия - это мировая линия самого далекого известного квазара . Красная линия - это путь светового луча, испущенного квазаром около 13 миллиардов лет назад и достигшего Земли в наши дни. Оранжевая линия показывает современное расстояние между квазаром и Землей, около 28 миллиардов световых лет, что, в частности, больше, чем возраст Вселенной, помноженный на скорость света: ct .

Согласно принципу эквивалентности общей теории относительности, правила специальной теории относительности локально действительны в небольших областях пространства-времени, которые являются приблизительно плоскими. В частности, свет всегда локально распространяется со скоростью c ; в нашей диаграмме это означает, что согласно соглашению построения пространственно-временных диаграмм, световые лучи всегда составляют угол 45 ° с линиями локальной сетки. Однако из этого не следует, что свет проходит расстояние ct за время t , как показывает красная мировая линия. Хотя он всегда движется локально в точке c, время его прохождения (около 13 миллиардов лет) никак не связано с пройденным расстоянием, поскольку Вселенная расширяется, когда луч света пересекает пространство и время. На самом деле пройденное расстояние по своей сути неоднозначно из-за меняющегося масштаба Вселенной. Тем не менее, мы можем выделить два расстояния, которые кажутся физически значимыми: расстояние между Землей и квазаром, когда излучался свет, и расстояние между ними в нынешнюю эпоху (если взять срез конуса по измерению, которое мы объявил пространственным измерением). Первое расстояние составляет около 4 миллиардов световых лет, что намного меньше ct.поскольку Вселенная расширялась по мере прохождения света, свет должен был «бежать против беговой дорожки» и, следовательно, идти дальше, чем первоначальное разделение между Землей и квазаром. Последнее расстояние (показано оранжевой линией) составляет около 28 миллиардов световых лет, что намного больше, чем ct . Если бы расширение можно было мгновенно остановить сегодня, свету потребовалось бы 28 миллиардов лет, чтобы пройти между Землей и квазаром, а если бы расширение остановилось в более раннее время, это заняло бы всего 4 миллиарда лет.

Свету потребовалось гораздо больше, чем 4 миллиарда лет, чтобы добраться до нас, хотя он был испущен всего в 4 миллиардах световых лет от нас, и, фактически, свет, излучаемый в сторону Земли, на самом деле удалялся от Земли, когда он был впервые испущен, в Ощущение, что метрическое расстояние до Земли увеличивалось с космологическим временем в течение первых нескольких миллиардов лет времени ее путешествия, а также указывает на то, что расширение пространства между Землей и квазаром в ранние времена было быстрее скорости света. Ничего из этого удивительного поведения происходит не из-за особого свойства метрического расширения, а просто из-за локальных принципов специальной теории относительности, интегрированных по искривленной поверхности.

Топология расширяющегося пространства [ править ]

Со времени , то пространство , которое составляет от Вселенной расширяется. Слова « пространство » и « вселенная », которые иногда используются как синонимы, имеют разные значения в этом контексте. Здесь «пространство» - это математическое понятие, обозначающее трехмерное многообразие, в которое заключены наши соответствующие положения, в то время как «вселенная» относится ко всему, что существует, включая материю и энергию в пространстве, дополнительные измерения, которые могут быть заключены в различные струны, и время, в течение которого происходят различные события. Расширение пространства относится только к этому трехмерному многообразию; то есть описание не включает никаких структур, таких как дополнительные измерения или внешняя вселенная. ^[16]

Конечная топология пространства является апостериорной - то, что в принципе необходимо соблюдать, - поскольку нет ограничений, которые можно было бы просто аргументировать (другими словами, не может быть никаких априорных ограничений) на то, как пространство, в котором мы живем, устроено. связан или оборачивается вокруг себя как компактное пространство . Хотя некоторые космологические модели, такие как вселенная Гёделя, даже допускают причудливые мировые линии, которые пересекаются сами с собой, в конечном итоге вопрос о том, находимся ли мы в чем-то вроде " Pac-Man"Вселенная ", где, если путешествие на достаточно большое расстояние в одном направлении позволит человеку просто оказаться в том же месте, как полный путь вокруг поверхности воздушного шара (или планеты, подобной Земле), - это вопрос наблюдения, который ограничен как измеримый или не поддаются измерению глобальной геометрией Вселенной . В настоящее время наблюдения согласуются с тем, что Вселенная бесконечна по протяженности и односвязна, хотя мы ограничены в различении простых и более сложных предложений космологическими горизонтами . Вселенная может быть бесконечной по протяженности или он может быть конечным, но свидетельства, которые приводят к инфляционной модели ранней Вселенной, также подразумевают, что «вся Вселенная»намного больше наблюдаемой Вселенной, и поэтому любые ребра, экзотические геометрии или топологии нельзя было бы наблюдать напрямую, поскольку свет не достиг масштабов, на которых такие аспекты Вселенной, если они существуют, все еще разрешены. Во всех смыслах и целях можно с уверенностью предположить, что Вселенная бесконечна в пространственной протяженности, без границ или странной связи. ^[17]

Независимо от общей формы Вселенной, вопрос о том, во что Вселенная расширяется, не требует ответа в соответствии с теориями, описывающими расширение; То, как мы определяем пространство в нашей вселенной, никоим образом не требует дополнительного внешнего пространства, в которое оно может расширяться, поскольку расширение бесконечного пространства может происходить без изменения бесконечного объема пространства. Все, что можно сказать наверняка, это то, что многообразие пространства, в котором мы живем, просто обладает тем свойством, что расстояния между объектами со временем становятся больше. Это подразумевает только простые наблюдательные следствия, связанные с описанным ниже метрическим расширением. Для того, чтобы расширение произошло, не требуется никакого "внешнего" или погружения в гиперпространство.Часто представляемые визуализации вселенной, превращающейся в пузырь в ничто, вводят в заблуждение в этом отношении. Нет оснований полагать, что есть что-то «вне» расширяющейся Вселенной, в которую она расширяется.

Даже если общая пространственная протяженность бесконечна и, таким образом, Вселенная не может стать «больше», мы все равно говорим, что пространство расширяется, потому что локально характерное расстояние между объектами увеличивается. Когда бесконечное пространство растет, оно остается бесконечным.

Плотность Вселенной во время расширения [ править ]

Несмотря на то, что Вселенная была чрезвычайно плотной в очень молодом возрасте и во время части своего раннего расширения - гораздо более плотной, чем обычно требуется для образования черной дыры, - Вселенная не коллапсировала повторно в черную дыру. Это связано с тем, что обычно используемые вычисления гравитационного коллапса обычно основаны на объектах относительно постоянного размера, таких как звезды , и не применяются к быстро расширяющемуся пространству, например Большому взрыву.

Эффекты расширения на малых масштабах [ править ]

Расширение пространства иногда описывают как силу, которая раздвигает предметы. Хотя это точное описание влияния космологической постоянной , это не точная картина явления расширения в целом. ^[18]

Помимо замедления общего расширения, гравитация вызывает локальное скопление вещества в звезды и галактики. Как только объекты сформированы и связаны гравитацией, они «выпадают» из расширения и не расширяются впоследствии под влиянием космологической метрики, поскольку не существует силы, заставляющей их это делать.

Нет разницы между инерционным расширением Вселенной и инерционным разделением близлежащих объектов в вакууме; первое - это просто крупномасштабная экстраполяция второго.

Как только объекты связаны гравитацией, они больше не удаляются друг от друга. Таким образом, галактика Андромеды, которая связана с галактикой Млечный Путь, на самом деле падает к нам, а не расширяется. Внутри Местной группы гравитационные взаимодействия изменили инерционные паттерны объектов, так что космологического расширения не происходит. Как только кто-то выходит за пределы Местной группы, инерционное расширение становится измеримым, хотя систематические гравитационные эффекты подразумевают, что все большие и большие части пространства в конечном итоге выпадут из « потока Хаббла » и окажутся связанными, нерасширяющимися объектами вплоть до масштабов. из сверхскопленияхгалактик. Мы можем предсказать такие будущие события, зная точно, как меняется Хаббловский поток, а также массы объектов, к которым нас притягивает гравитация. В настоящее время Местная группа гравитационно притягивается либо к сверхскоплению Шепли, либо к « Великому аттрактору », с которым, если бы темная энергия не действовала, мы в конечном итоге слились бы и больше не увидели бы расширения от нас по прошествии такого времени.

Следствием метрического расширения, происходящего из-за движения по инерции, является то, что равномерный локальный «взрыв» материи в вакуум может быть локально описан геометрией FLRW , той же геометрией, которая описывает расширение Вселенной в целом и также является основой для более простой вселенной Милна, которая игнорирует эффекты гравитации. В частности, общая теория относительности предсказывает, что свет будет двигаться со скоростью c относительно локального движения взрывающейся материи - явление, аналогичное перетаскиванию кадра .

Ситуация несколько меняется с введением темной энергии или космологической постоянной. Космологическая постоянная, обусловленная энергией вакуумаПлотность имеет эффект добавления силы отталкивания между объектами, которая пропорциональна (а не обратно пропорциональна) расстоянию. В отличие от инерции он активно «тянет» объекты, которые слиплись под действием силы тяжести, и даже отдельные атомы. Однако это не приводит к тому, что объекты постоянно растут или распадаются; если они не связаны очень слабо, они просто придут в состояние равновесия, которое немного (необнаружимо) больше, чем могло бы быть в противном случае. Когда Вселенная расширяется и материя в ней истончается, гравитационное притяжение уменьшается (так как оно пропорционально плотности), а космологическое отталкивание увеличивается; таким образом, окончательная судьба вселенной ΛCDM - это почти вакуум, расширяющийся со все возрастающей скоростью под влиянием космологической постоянной. Тем не мение,единственный видимый локально эффектускоряющееся расширение - это исчезновение (за счет убегающего красного смещения ) далеких галактик; гравитационно связанные объекты, такие как Млечный Путь, не расширяются, а галактика Андромеды движется к нам достаточно быстро, чтобы через 3 миллиарда лет все еще слиться с Млечным путем, и также вероятно, что объединенная сверхгалактика, которая образуется, в конечном итоге упадет в и слиться с ближайшим скоплением Девы . Однако галактики, находящиеся дальше от этого, будут удаляться со все возрастающей скоростью и смещаться в красную область за пределы нашего диапазона видимости.

Расширение метрики и скорость света [ править ]

В конце ранней Вселенной в инфляционной период , всей материи и энергии во Вселенной была установлена на инерционной траектории последовательно с принципом эквивалентности и Эйнштейна общей теории относительности , и это , когда точная и регулярная форма расширения Вселенной была его происхождение (то есть материя во Вселенной разделяется, потому что она разделялась в прошлом из-за поля инфлатона ) ^{[ необходима цитата ]} .

Хотя специальная теория относительности запрещает объектам двигаться со скоростью, превышающей скорость света, относительно локальной системы отсчета, где пространство-время можно рассматривать как плоское и неизменное , она не применяется к ситуациям, когда кривизна пространства-времени или эволюция во времени становятся важными. Эти ситуации описываются общей теорией относительности , которая позволяет разделению между двумя удаленными объектами увеличиваться быстрее, чем скорость света, хотя определение «расстояния» здесь несколько отличается от того, что используется в инерциальной системе отсчета. Используемое здесь определение расстояния является суммированием или интегрированием локальных сопутствующих расстояний., все делается в постоянное местное надлежащее время. Например, галактики, которые находятся от нас больше радиуса Хаббла , примерно на 4,5  гигапарсека или 14,7 миллиарда световых лет , имеют скорость удаления, превышающую скорость света . Видимость этих объектов зависит от точной истории расширения Вселенной. Свет, излучаемый сегодня галактиками за более далеким космологическим горизонтом событий, около 5 гигапарсеков или 16 миллиардов световых лет, никогда не достигнут нас, хотя мы все еще можем видеть свет, который эти галактики излучали в прошлом. Из-за высокой скорости расширения расстояние между двумя объектами также может быть больше, чем значение, вычисленное путем умножения скорости света на возраст Вселенной. Эти детали часто вызывают недоумение у любителей и даже у профессиональных физиков. ^[19] Из-за неинтуитивной природы предмета и того, что некоторые описывают как «неосторожный» выбор формулировок, определенные описания метрического расширения пространства и неправильные представления, к которым такие описания могут привести, являются постоянной темой обсуждение в области образования и передачи научных концепций.^{[20] [21] [22] [23]}

Коэффициент масштабирования [ править ]

На фундаментальном уровне расширение Вселенной - это свойство пространственного измерения в самых больших измеримых масштабах нашей Вселенной. Расстояния между космологически релевантными точками со временем увеличиваются, что приводит к наблюдаемым эффектам, описанным ниже. Эта особенность Вселенной может быть охарактеризована одним параметром, который называется масштабным коэффициентом, который является функцией времени и единым значением для всего пространства в любой момент (если бы масштабный коэффициент был функцией пространства, это нарушило бы космологический принцип). По соглашению, масштабный коэффициент устанавливается равным единице в настоящее время и, поскольку Вселенная расширяется, он меньше в прошлом и больше в будущем. Экстраполяция назад во времени с помощью определенных космологических моделей даст момент, когда масштабный коэффициент равен нулю; согласно нашему нынешнему пониманию космологии, это время было 13,799 ± 0,021 миллиарда лет назад . Если Вселенная будет продолжать расширяться бесконечно, масштабный коэффициент в будущем приблизится к бесконечности. В принципе, нет причин, по которым расширение Вселенной должно быть монотонным, и есть модели, в которых в какой-то момент в будущем масштабный коэффициент уменьшается с сопутствующим сжатием пространства, а не с расширением.

Другие концептуальные модели расширения [ править ]

Расширение пространства часто иллюстрируется концептуальными моделями, которые показывают только размер пространства в конкретное время, оставляя измерение времени неявным.

В модели « муравей на резиновой веревке » можно представить себе муравья (идеализированного точечным), ползущего с постоянной скоростью по идеально эластичной веревке, которая постоянно растягивается. Если мы растянем веревку в соответствии с масштабным коэффициентом ΛCDM и подумаем о скорости муравья как о скорости света, то эта аналогия будет точной численно - положение муравья во времени будет соответствовать пути красной линии на приведенной выше диаграмме встраивания.

В «модели резинового листа» веревку заменяют плоским двухмерным резиновым листом, который равномерно расширяется во всех направлениях. Добавление второго пространственного измерения повышает возможность отображения локальных возмущений пространственной геометрии за счет локальной кривизны в листе.

В «модели воздушного шара» плоский лист заменяется сферическим воздушным шаром, который надувается с начального размера, равного нулю (представляющего большой взрыв). Воздушный шар имеет положительную гауссову кривизну, в то время как наблюдения показывают, что реальная Вселенная является пространственно плоской, но это несоответствие можно устранить, сделав воздушный шар очень большим, чтобы он был локально плоским в пределах наблюдаемых. Эта аналогия потенциально сбивает с толку, поскольку она ошибочно предполагает, что большой взрыв произошел в центре воздушного шара. На самом деле точки на поверхности шара не имеют значения, даже если они были заняты воздушным шаром в более раннее время.

В «модели хлеба с изюмом» можно представить буханку хлеба с изюмом, расширяющуюся в духовке. Буханка (пространство) расширяется как целое, но изюм (гравитационно связанные объекты) не расширяются; они просто отдаляются друг от друга.

Теоретическая основа и первые свидетельства [ править ]

Расширение Вселенной происходит во всех направлениях, определяемых постоянной Хаббла . Однако постоянная Хаббла может изменяться в прошлом и в будущем в зависимости от наблюдаемого значения параметров плотности (Ω). До открытия темной энергии считалось, что во Вселенной преобладает материя, и поэтому Ω на этом графике соответствует отношению плотности материи к критической плотности ( ).${\ displaystyle \ Omega _ {m}}$

Закон Хаббла [ править ]

Технически метрическое расширение пространства - особенность многих решений ^{[ какие? ]} В полевых уравнений Эйнштейна в ОТО , и расстояние измеряется с помощью интервала Лоренца . Это объясняет наблюдения, которые показывают, что галактики , которые более далеки от нас, удаляются быстрее, чем галактики, которые ближе к нам (см . Закон Хаббла ).

Космологическая постоянная и уравнения Фридмана [ править ]

Первые общие релятивистские модели предсказывали, что Вселенная, которая была динамической и содержала обычную гравитационную материю, будет сжиматься, а не расширяться. Первое предложение Эйнштейна по решению этой проблемы включало добавление космологической постоянной в его теории, чтобы уравновесить сжатие, чтобы получить решение статической Вселенной. Но в 1922 году Александр Фридман вывел систему уравнений, известных как уравнения Фридмана , показав, что Вселенная может расширяться, и указав скорость расширения в этом случае. ^[24] Наблюдения Эдвина Хаббла. в 1929 году предположил, что все далекие галактики явно удаляются от нас, поэтому многие ученые пришли к выводу, что Вселенная расширяется.

Обеспокоенность Хаббла по поводу скорости расширения [ править ]

В то время как метрическое расширение пространства, казалось, подразумевалось наблюдениями Хаббла 1929 года, Хаббл не согласился с интерпретацией данных о расширяющейся Вселенной:

[...] если красные смещения не происходят в первую очередь из-за сдвига скорости [...], соотношение скорость-расстояние линейно; распределение туманности равномерное; нет никаких доказательств расширения, никаких следов кривизны, никаких ограничений временной шкалы [...] и мы находимся в присутствии одного из принципов природы, который все еще неизвестен нам сегодня [...] тогда как , если красные смещения - это сдвиги скорости, которые измеряют скорость расширения, расширяющиеся модели определенно несовместимы с наблюдениями, которые были сделаны [...] расширяющиеся модели являются вынужденной интерпретацией результатов наблюдений.

-  Э. Хаббл, Ап. J. , 84, 517, 1936 ^[25]

[Если красные смещения - это доплеровский сдвиг ...] наблюдения в их нынешнем виде приводят к аномалии замкнутой вселенной, удивительно маленькой и плотной, и, можно добавить, подозрительно молодой. С другой стороны, если красные смещения не являются эффектами Доплера, эти аномалии исчезают, и наблюдаемая область выглядит как небольшая, однородная, но незначительная часть Вселенной, бесконечно протяженная как в пространстве, так и во времени.

-  Э. Хаббл, Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества , 97, 506, 1937 ^[26]

Скептицизм Хаббла по поводу того, что Вселенная слишком мала, плотна и молода, оказался основан на ошибке наблюдения. Более поздние исследования показали, что Хаббл спутал далекие области H II с переменными цефеид, а сами переменные цефеид были неправильно объединены вместе со звездами типа RR Лиры низкой светимости, что привело к ошибкам калибровки, которые привели к значению Константы Хаббла примерно 500 км / с / Мпк вместо истинного значения примерно 70 км / с / Мпк. Более высокое значение означало, что возраст расширяющейся Вселенной будет 2 миллиарда лет (моложе возраста Земли.) и экстраполяция наблюдаемой плотности числа галактик на быстро расширяющуюся Вселенную предполагала плотность массы, которая была слишком высока в аналогичном факторе, достаточном, чтобы заставить Вселенную принять своеобразную замкнутую геометрию, которая также подразумевала надвигающееся Большое сжатие , которое произойдет на аналогичном шкала времени. После исправления этих ошибок в 1950-х годах новые более низкие значения постоянной Хаббла соответствовали ожиданиям более старой Вселенной, а параметр плотности оказался довольно близким к геометрически плоской Вселенной. ^[27]

Однако недавние измерения расстояний и скоростей далеких галактик выявили 9-процентное несоответствие в значении постоянной Хаббла, подразумевая, что Вселенная расширяется слишком быстро по сравнению с предыдущими измерениями. ^[28] В 2001 году Венди Фридман определила, что пространство будет расширяться со скоростью 72 километра в секунду на мегапарсек - примерно 3,3 миллиона световых лет - это означает, что на каждые 3,3 миллиона световых лет дальше от Земли, где вы находитесь, материя, где вы находитесь, перемещается. вдали от земли на 72 километра в секунду быстрее. ^[28]Летом 2016 года другое измерение сообщило о значении константы 73, что противоречит измерениям, полученным в 2013 году европейской миссией Planck о более медленном расширении, равном 67. Несоответствие открыло новые вопросы, касающиеся природы темной энергии или нейтрино. ^[28]

Инфляция как объяснение расширения [ править ]

До теоретических разработок в 1980-х годах ни у кого не было объяснения, почему это так, но с развитием моделей космической инфляции расширение Вселенной стало общей чертой, являющейся результатом распада вакуума . Соответственно, вопрос «почему Вселенная расширяется?» теперь отвечает понимание деталей процесса распада инфляции , которое произошло в первые 10 -32 секунд существования нашей Вселенной. ^[29] Во время инфляции метрика изменялась экспоненциально , в результате чего любой объем пространства, который был меньше атома, увеличивался примерно до 100 миллионов световых лет.в масштабе времени, аналогичном времени инфляции (10 ^-32 секунды).

Измерение расстояния в метрическом пространстве [ править ]

В расширяющемся пространстве расстояние - это динамическая величина, которая меняется со временем. В космологии существует несколько различных способов определения расстояния, известных как меры расстояния , но наиболее распространенным методом, используемым современными астрономами, является определение расстояния .

Метрика определяет только расстояние между ближайшими (так называемыми «локальными») точками. Чтобы определить расстояние между произвольно удаленными точками, необходимо указать как точки, так и определенную кривую (известную как « пространственно-временной интервал »), соединяющую их. Затем можно найти расстояние между точками, определив длину этой соединительной кривой в трех измерениях пространства. Сопутствующее расстояние определяет эту соединяющую кривую как кривую постоянного космологического времени . С практической точки зрения сопутствующие расстояния не могут быть непосредственно измерены одним наблюдателем, находящимся на Земле. Чтобы определить расстояние до далеких объектов, астрономы обычно измеряют светимость стандартных свечей.или коэффициент красного смещения z далеких галактик, а затем преобразовать эти измерения в расстояния на основе какой-то конкретной модели пространства-времени, такой как модель Lambda-CDM . Действительно, именно благодаря таким наблюдениям было определено, что нет никаких доказательств какого-либо «замедления» расширения в текущую эпоху.

Наблюдательные доказательства [ править ]

Теоретические космологи, разрабатывающие модели Вселенной , сделали в своей работе небольшое количество разумных предположений. Эти работы привели к созданию моделей, в которых метрическое расширение пространства - вероятная характеристика Вселенной. Основными принципами, лежащими в основе моделей, включающих расширение метрики как функцию, являются:

• принцип Космологического , который требует , чтобы Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях ( изотропных ) и имеет примерно такую же гладкую смесь материала ( однородный ).
• Коперниканская принцип , который требует , чтобы никакое место во вселенной не является предпочтительным (то есть, вселенная не имеет «исходную точку»).

Ученые тщательно проверили, верны ли эти предположения и подтверждаются ли они наблюдениями. Космологи- наблюдатели обнаружили доказательства - в некоторых случаях очень веские - которые подтверждают эти предположения, и в результате космологи считают метрическое расширение пространства наблюдаемой особенностью на том основании, что, хотя мы не можем видеть это напрямую, ученые проверили свойства Вселенной и наблюдения дают убедительное подтверждение. ^[30] Источники этой уверенности и подтверждения включают:

• Хаббл продемонстрировал, что все галактики и далекие астрономические объекты удаляются от нас, как и было предсказано универсальным расширением. ^[31] Используя красное смещение их электромагнитных спектров для определения расстояния и скорости удаленных объектов в космосе, он показал, что все объекты удаляются от нас, и что их скорость пропорциональна их расстоянию, что является признаком метрического расширения. Дальнейшие исследования с тех пор показали, что расширение является в высшей степени изотропным и однородным , то есть, кажется, что оно не имеет особой точки в качестве «центра», но кажется универсальным и независимым от какой-либо фиксированной центральной точки.
• В исследованиях крупномасштабной структуры космоса, взятых из обзоров красного смещения, так называемый « конец величия » был обнаружен в самых больших масштабах Вселенной. До тех пор, пока эти масштабы не были исследованы, Вселенная казалась "комковатой" с скоплениями галактических скоплений , сверхскоплений и нитей, которые не были изотропными и однородными. Эта комковатость исчезает в плавном распределении галактик в самых больших масштабах.
• Изотропное распределение по небу далеких всплесков гамма-излучения и сверхновых - еще одно подтверждение космологического принципа.
• Принцип Коперника не был полностью проверен в космологическом масштабе до тех пор, пока не были проведены измерения влияния космического микроволнового фонового излучения на динамику далеких астрофизических систем. Группа астрономов из Европейской южной обсерватории , измеряя температуру далекого межгалактического облака, находящегося в тепловом равновесии с космическим микроволновым фоном, заметила, что излучение Большого взрыва в прежние времена было явно более теплым. ^[32] Равномерное охлаждение космического микроволнового фона в течение миллиардов лет является сильным и прямым наблюдательным свидетельством расширения метрики.

Взятые вместе, эти явления в подавляющем большинстве поддерживают модели, которые полагаются на расширение пространства за счет изменения метрики. Только после открытия в 2000 году прямых наблюдательных доказательств изменения температуры космического микроволнового фона можно было исключить более причудливые конструкции. До этого времени он основывался исключительно на предположении, что Вселенная не вела себя как единое целое с Млечным путем, находящимся в центре фиксированной метрики с универсальным взрывом галактик во всех направлениях (как видно, например, на ранняя модель, предложенная Милном ). Однако до этого доказательства многие отвергли точку зрения Милна, основанную на принципе посредственности .

Более прямые результаты расширения, такие как изменение красного смещения, расстояния, потока, углового положения и углового размера астрономических объектов, пока не обнаружены из-за малости этих эффектов. Изменение красного смещения или потока можно было бы наблюдать с помощью решетки квадратных километров или чрезвычайно большого телескопа в середине 2030-х годов. ^[33]

См. Также [ править ]

• Сопутствующие и правильные расстояния

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

Печатные ссылки [ править ]

• Эддингтон, Артур. Расширяющаяся Вселенная: «Великие дебаты» астрономии, 1900-1931 гг . Синдикат прессы Кембриджского университета, 1933.
• Лиддл, Эндрю Р. и Дэвид Х. Лит. Космологическая инфляция и крупномасштабная структура . Издательство Кембриджского университета, 2000.
• Лайнуивер, Чарльз Х. и Тамара М. Дэвис, « Заблуждения о Большом взрыве », Scientific American , март 2005 г. (платный контент).
• Мук, Дело Э. и Томас Варгиш. Внутри теории относительности . Издательство Принстонского университета, 1991.

Внешние ссылки [ править ]

• Свенсон, Джим Ответить на вопрос о расширяющейся Вселенной
• Фелдер, Гэри, « Расширяющаяся вселенная ».
• НАСА «s WMAP команда предлагает„ Объяснение универсального расширения “на очень элементарном уровне
• Учебник Хаббла от факультета физики Висконсинского университета
• Хлеб с изюмом от Университета Виннипега: иллюстрация, но без объяснения
• Аналогия «Муравей на воздушном шаре» для объяснения расширяющейся Вселенной в «Спросите астронома». (Астроном, который дает это объяснение, не указан.)