В современной физической космологии , то космологический принцип является понятие о том , что пространственное распределение материи во Вселенной является однородным и изотропным , если смотреть на достаточно большом масштабе, так как силы должны действовать равномерно по всей вселенной, и, следовательно, должно производить никаких наблюдаемых нарушений в крупномасштабной структуризации в ходе эволюции поля материи, изначально заложенной в результате Большого взрыва .
Определение
Астроном Уильям Кил объясняет:
Космологический принцип обычно формулируется формально: «В достаточно большом масштабе свойства Вселенной одинаковы для всех наблюдателей». Это составляет строго философское утверждение о том, что та часть Вселенной, которую мы видим, представляет собой хороший образец, и что одни и те же физические законы применяются повсюду. По сути, это в некотором смысле говорит о том, что Вселенная познаваема и что с учеными ведутся честные игры. [1]
Космологический принцип зависит от определения «наблюдателя» и содержит неявную квалификацию и два проверяемых следствия.
«Наблюдатели» означают любого наблюдателя в любом месте Вселенной, а не просто любого человека-наблюдателя в любом месте на Земле: как выразился Эндрю Лиддл, «космологический принцип [означает, что] Вселенная выглядит одинаково, независимо от того, где бы вы ни находились». [2]
Уточнение состоит в том, что вариации в физических структурах можно не замечать, при условии, что это не ставит под угрозу единообразие выводов, сделанных в результате наблюдений: Солнце отличается от Земли, наша галактика отличается от черной дыры, некоторые галактики движутся вперед, а не удаляются от нее. нас, и Вселенная имеет «пенистую» структуру скоплений галактик и пустот, но ни одна из этих различных структур, похоже, не нарушает основные законы физики.
Два проверяемых структурных следствия космологического принципа - это однородность и изотропия . Однородность означает, что одни и те же данные наблюдений доступны наблюдателям в разных местах Вселенной («та часть Вселенной, которую мы видим, является хорошей выборкой»). Изотропия означает, что одно и то же свидетельство наблюдений доступно при взгляде в любом направлении во Вселенной («одни и те же физические законы применяются повсюду» [ сомнительно ] ). Принципы различны, но тесно связаны, потому что вселенная, которая кажется изотропной из любых двух (для сферической геометрии, трех) мест, также должна быть однородной.
Источник
Космологический принцип впервые четко заявлен в « Философских естественных принципах математики» (1687 г.) Исаака Ньютона. [ сомнительно ] В отличие от более ранних классических или средневековых космологий, в которых Земля покоилась в центре Вселенной, Ньютон концептуализировал Землю как сферу, вращающуюся по орбите вокруг Солнца в пустом пространстве, которое равномерно простирается во всех направлениях до неизмеримо больших размеров. расстояния. Затем он показал с помощью серии математических доказательств на основе подробных данных наблюдений за движениями планет и комет, что их движения могут быть объяснены одним принципом « всемирного тяготения », который также применим к орбитам галилеевых спутников вокруг Юпитера. , Луна вокруг Земли, Земля вокруг Солнца и падающим телам на Земле. То есть он утверждал эквивалентную материальную природу всех тел в Солнечной системе, идентичную природу Солнца и далеких звезд и, таким образом, единообразное распространение физических законов движения на большие расстояния за пределы наблюдаемого местоположения самой Земли.
Подразумеваемое
Наблюдения показывают, что более далекие галактики расположены ближе друг к другу и имеют меньшее содержание химических элементов, более тяжелых, чем литий. [3] Применяя космологический принцип, это предполагает, что более тяжелые элементы не были созданы в результате Большого взрыва, а были произведены нуклеосинтезом в гигантских звездах и выброшены в результате серии взрывов сверхновых и нового звездообразования из остатков сверхновых, что означает, что более тяжелые элементы будут накапливаются с течением времени. Другое наблюдение заключается в том, что самые далекие галактики (более раннее время) часто более фрагментарны, взаимодействуют и имеют необычную форму, чем местные галактики (недавнее время), что также предполагает эволюцию структуры галактик.
Связанное с этим следствие космологического принципа состоит в том, что самые большие дискретные структуры во Вселенной находятся в механическом равновесии . Однородность и изотропность вещества в самых больших масштабах предполагает, что самые большие дискретные структуры являются частями единой недискретной формы, как крошки, составляющие внутреннюю часть торта. На экстремальных космологических расстояниях свойство механического равновесия на поверхностях, расположенных сбоку от луча зрения, может быть проверено эмпирически; однако, исходя из космологического принципа, его нельзя обнаружить параллельно лучу зрения (см. временную шкалу Вселенной ).
Космологи соглашаются, что в соответствии с наблюдениями далеких галактик, Вселенная должна быть нестатической, если она следует космологическому принципу. В 1923 году Александр Фридман изложил вариант уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которые описывают динамику однородной изотропной Вселенной. [4] [5] Независимо, Жорж Лемэтр вывел в 1927 году уравнения расширяющейся Вселенной из уравнений общей теории относительности. [6] Таким образом, нестатическая Вселенная также подразумевается, независимо от наблюдений далеких галактик, как результат применения космологического принципа к общей теории относительности .
Критика
Карл Поппер критиковал космологический принцип на том основании, что он делает «наше незнание принципом знания чего-либо ». Он резюмировал свою позицию следующим образом:
- «космологические принципы», я боюсь, были догмами, которые не следовало предлагать. [7]
Наблюдения
Хотя Вселенная неоднородна в меньших масштабах, он является статистически однородным по масштабам больше , чем 250 миллионов световых лет. Реликтовое изотропно, то есть сказать , что его интенсивность примерно такое же в каком бы направлении мы смотрим. [8]
Однако недавние открытия поставили эту точку зрения под сомнение. Данные миссии Planck демонстрируют смещение полушария в двух отношениях: первое - в отношении средней температуры (т.е. колебания температуры), второе - в отношении больших вариаций степени возмущений (т.е. плотности). Европейское космическое агентство (руководящий орган Миссии Planck) пришло к выводу , что эта анизотропия, на самом деле, статистически значим и больше не может быть проигнорирована. [9]
Несоответствия
Космологический принцип подразумевает , что при достаточно большой масштаб, Вселенная однородна . Основываясь на моделировании N-тел во вселенной ΛCDM , Ядав и его коллеги показали, что пространственное распределение галактик статистически однородно при усреднении по масштабам 260 / ч Мпк или более. [10]
Сообщается, что ряд наблюдений противоречит прогнозам максимальных размеров структуры:
- Клауэс-Campusano LQG , открытый в 1991 году, имеет длину 580 Мпк, и незначительно больше , чем в последовательной шкале.
- Sloan Great Wall , открытый в 2003 году, имеет длину 423 Мпк, [11] , который только в соответствии с космологическим принципом.
- U1.11 , большая группа квазаров, открытая в 2011 году, имеет длину 780 Мпк и в два раза превышает верхний предел шкалы однородности.
- Огромный-LQG , открытый в 2012 году, в три раза больше , чем, и в два раза шире , как предсказывается возможно в соответствии с этими текущими моделями, и поэтому проблемы нашего понимания Вселенной на больших масштабах.
- В ноябре 2013 года была открыта новая структура на расстоянии 10 миллиардов световых лет от нас с размером 2000–3000 Мпк (более чем в семь раз больше, чем у SGW), Великая стена Геркулеса – Бореалиса , что поставило под сомнение справедливость космологического принципа. [12]
Однако, как указал Сешадри Надатур в 2013 году [13], существование структур больше однородного масштаба (260 / ч Мпк по оценке Ядава [10] ) не обязательно нарушает космологический принцип (см. Huge-LQG # Dispute ) .
В то время как изотропия Вселенной вокруг Земли подтверждена с высокой значимостью исследованиями карт температуры космического микроволнового фона [14], ее однородность в космологических масштабах все еще остается предметом споров. [15]
Совершенный космологический принцип
Совершенный космологический принцип является продолжением космологического принципа, и утверждает , что вселенная является однородным и изотропным в пространстве и времени. С этой точки зрения Вселенная везде выглядит одинаково (в большом масштабе), такой же, как всегда и всегда будет. Совершенный космологический принцип лежит в основе теории устойчивого состояния и вытекает [ требуется пояснение ] из теории хаотической инфляции . [16] [17] [18]
Смотрите также
- Фоновая независимость
- Принцип Коперника
- Конец величия
- Метрика Фридмана – Лемэтра – Робертсона – Уолкера.
- Крупномасштабная структура космоса
- Метрическое расширение пространства
- Красное смещение
Рекомендации
- ^ Уильям К. Кил (2007). Дорога к формированию галактики (2-е изд.). Springer-Praxis. п. 2. ISBN 978-3-540-72534-3.
- ^ Эндрю Лиддл (2003). Введение в современную космологию (2-е изд.). Джон Вили и сыновья . п. 2 . ISBN 978-0-470-84835-7.
- ^ Изображение: CMB Timeline75.jpg - НАСА (изображение в общественном достоянии)
- ^ Александр Фридман (1923). Die Welt как Raum und Zeit (Мир как пространство и время) . Ostwalds Klassiker der exakten Wissenschaften. ISBN 978-3-8171-3287-4. OCLC 248202523 ..
- ^ Эдуард Абрамович Тропп; Виктор Я. Френкель; Артур Давидович Чернин (1993). Александр А. Фридман: Человек, благодаря которому Вселенная расширилась . Издательство Кембриджского университета . п. 219. ISBN 978-0-521-38470-4.
- ^ Лемэтр, Жорж (1927). "Un Universe homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques". Annales de la Société Scientifique de Bruxelles . A47 (5): 49–56. Полномочный код : 1927ASSB ... 47 ... 49L . перевод А.С. Эддингтона : Лемэтр, Жорж (1931). «Расширение Вселенной, Однородная Вселенная постоянной массы и увеличивающегося радиуса с учетом радиальной скорости внегалактической туманности» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 91 (5): 483–490. Полномочный код : 1931MNRAS..91..483L . DOI : 10.1093 / MNRAS / 91.5.483 .
- ^ Helge Краги: «Наиболее философский все науки»: Карл Поппер и физическая космология архивация 2013-07-20 в Wayback Machine (2012)
- ^ «Австралийские исследования подтверждают основные положения космологии» . 17 сентября 2012 г.
- ^ «Просто, но сложно: Вселенная по Планку» . ЕКА Наука и технологии . 5 октября 2016 г. [21 марта 2013 г.] . Проверено 29 октября, 2016 .
- ^ а б Ядав, Джасвант; JS Bagla; Нишиканта Кхандаи (25 февраля 2010 г.). «Фрактальное измерение как мера шкалы однородности». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 405 (3): 2009–2015. arXiv : 1001.0617 . Bibcode : 2010MNRAS.405.2009Y . DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2010.16612.x . S2CID 118603499 .
- ^ Готт, Дж. Ричард, III; и другие. (Май 2005 г.). «Карта Вселенной». Астрофизический журнал . 624 (2): 463–484. arXiv : astro-ph / 0310571 . Bibcode : 2005ApJ ... 624..463G . DOI : 10.1086 / 428890 . S2CID 9654355 .
- ^ Хорват, I .; Hakkila, J .; Баголы З. (2013). «Самая большая структура Вселенной, определенная гамма-всплесками». arXiv : 1311.1104 [ astro-ph.CO ].
- ^ Надатур, Сешадри (2013). «Видение закономерностей в шуме:« структуры »гигапарсекового масштаба, не нарушающие однородности». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 434 (1): 398–406. arXiv : 1306.1700 . Bibcode : 2013MNRAS.434..398N . DOI : 10.1093 / MNRAS / stt1028 . S2CID 119220579 .
- ^ Сааде Д., Фини С. М., Понцен А., Пейрис Х. В., МакИвен, Д. Д. (2016). «Насколько изотропна Вселенная?». Письма с физическим обзором . 117 (13): 131302. arXiv : 1605.07178 . Bibcode : 2016PhRvL.117m1302S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.117.131302 . PMID 27715088 . S2CID 453412 .
- ^ Силос-Лабини Ф, Теханович Д, Барышев Ю (2014). «Флуктуации пространственной плотности и эффекты отбора в обзорах красного смещения галактик». Журнал космологии и физики астрономических частиц . 7 (13): 35. arXiv : 1406.5899 . Bibcode : 2014JCAP ... 07..035S . DOI : 10.1088 / 1475-7516 / 2014/07/035 . S2CID 118393719 .
- ^ Агирре, Энтони и Граттон, Стивен (2003). «Инфляция без начала: предложение о нулевой границе». Phys. Rev. D . 67 (8): 083515. arXiv : gr-qc / 0301042 . Bibcode : 2003PhRvD..67h3515A . DOI : 10.1103 / PhysRevD.67.083515 . S2CID 37260723 .
- ^ Агирре, Энтони и Граттон, Стивен (2002). «Устойчивая вечная инфляция». Phys. Rev. D . 65 (8): 083507. arXiv : astro-ph / 0111191 . Bibcode : 2002PhRvD..65h3507A . DOI : 10.1103 / PhysRevD.65.083507 . S2CID 118974302 .
- ^ Гриббин, Джон . «Инфляция для начинающих» .