Войти
расширение вселенной равно увеличение расстояния между любыми двумя заданными гравитационно несвязанными частями наблюдаемой вселенной с временем. Это внутреннее расширение. Вселенная не расширяется «ни во что» и не требует пространства для существования «вне». Технически ни пространство, ни объекты вкосмосе не движутся. Вместо этого это метрика, управляющая размером и геометрией самого пространства-времени, которая имеет размеры в масштабе. Хотя свет и движущиеся объекты не ограничивают скорость скорость света, это ограничение не ограничивает саму метрику. Наблюдателю кажется, что пространство расширяется, и все галактики, кроме , удаляются вдаль.
Согласно сторонникам теории инфляции, во время инфляционной эпохи примерно через 10 секунд после Большого взрыва Вселенная внезапно расширилась, и его объем увеличился по крайней мере в 10 раз (по крайней мере в 10 раз в каждом из трех измерений), что эквивалентно расширению объекта на 1 нанометр (10 м, примерно половина ширины молекулы из ДНК ) в длину до примерно одного 10,6 световых лет (примерно 10 м или 62 триллиона миль) в длину. После этого продолжалось намного более медленное ибольшее расширение пространства, пока примерно через 9,8 миллиардов лет после этого не начало постепенно расширяться более быстро, и это продолжается до сих пор.
Метрическое расширение пространства полностью отличается от расширений и взрывов, наблюдаемых в повседневной жизни. Также кажется, что это свойство вселенной в целом, а не явление, применимо только к одной части вселенной или может наблюдаться "извне".
Метрическое расширение -ключевая особенность космологии Большого взрыва, математически моделируется с помощью метрики Фридмана-Лемэтра-Робертсона-Уокера и общей своей Вселенной. мы живем. Однако модель действительна только в больших масштабах (примерно в масштабе галактики галактики и выше), потому что гравитационное притяжение связывает материю достаточно сильно, чтобы метрическое расширение не наблюдалось в меньших масштабах в это время. Таким образом, единственные галактики,удаляющиеся друг от друга в результате метрического расширения, - это галактики, разделенные космологически релевантными масштабами, большими, чем шкалы длины, связанные с гравитационным коллапсом, которые возможны в эпохе Вселенная с учетом плотности материи и средней скорости расширения.
Физики постулировали существование темной энергии, проявляющейся как косологическая постоянная В простейших гравитационных моделях, как способобъяснения ускорения. Согласно простейшей экстраполяции популярной в настоящее время космологической модели, Лямбда-CDM-модели, это ускорение станет более доминирующим в будущем. В июне 2016 года ученые NASA и ESA сообщили, что было обнаружено вселенная, расширяется на 5–9% быстрее, чем предполагалось ранее, на основе исследований с использованием Космический телескоп Хаббла.
В то время как специальная теория относительности запрещаетобъектм двигаться быстрее света по отношению к системе отсчета, где пространство-время можно рассматривать как плоское и неизменное, это не относится к ситуации, когда кривизна пространства-времени или эволюция во времени становятся важными. Эти ситуации описываются общей теорией относительности, которая позволяет разделить между двумя удаленными объектами увеличиваться, чем скорость света, определение «разделения» отличается от, что используется винерциальной системе отсчета. Это можно увидеть при наблюдении далеких галактик на расстоянии более радиуса Хаббла от нас (примерно 4,5 гигапарсек или 14,7 миллиарда световых лет ); эти галактики имеют скорость удаления, превышающую скорость. Свет, который излучается сегодня галактиками за пределами космологического горизонта событий, около 5 гигапарсек или 16 миллиардов световых лет, никогда не достигнет нас, хотя мы все еще можем видеть свет,который эти галактики излучали в прошлом. Из-за высокой скорости расширения между двумя объектами также может быть больше, чем значение скорости, вычисленное путем умножения света на возраст Вселенной. Эти детали часто вызывают недоумение у любителей и даже у профессиональных физиков. Описание модели метрического расширения пространств и описания, являющиеся постоянным предметом обсуждения в рамках образования и передачи, являются постоянными предметом обсуждения в рамках образования и передачи научных концепций.
В 1912 году Весто Слайфер обнаружил этот свет из удаленных галактик было смещено в красную область, что было позже интерпретировано как галактики, удаляющиеся от Земли. В 1922 году Александр Фридман использовал уравнения поля Эйнштейна, чтобы предоставить теоретические доказательства того, чтоВселенная расширяется.В 1927 году Жорж Лемэтр независимо пришел к выводу, аналогичному Фридману на теоретической основе, а также представил первые наблюдения доказательства линейной зависимости между расстояниями до галактик и их скорости удаления. Эдвин Хаббл двумя годами позже наблюдениями подтвердил открытия Лемэтра. Если исходить из космологического принципа, эти исходят означают, что все галактики удаляются друг от друга.
Основываясь набольшом количествеэкспериментальных наблюдений и теоретических работ, научный консенсус состоит в том, что само пространство расширяется, и что оно расширяется очень быстро в пределах первой доли через секунду 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.
Современное объяснение метрического расширения пространства было предложено физиком Аланом Гутом в 1979 году при исследовании вопроса о том, почему нет магнитных монополей видны сегодня. Гут обнаружил в своем исследовании, что если бы Вселенная содержала поле, которое имеет состояние с положительной энергией ложного вакуума, то согласно общей теории относительности оно генерировало бы экспоненциальную расширение пространства.Очень быстро сталопонятно, что такое расширение решит многие другие давние проблемы. Эти проблемы возникают из-за наблюдения, что для того, чтобы выглядеть так, как сейчас, Вселенная должна начаться с очень точно настроенных или «особых» начальных условий во время Большого взрыва. Теория инфляции в степени решает и эти проблемы, что делает вселенную, подобную нашу, гораздо более вероятной в контексте теории Большого взрыва. Согласно Роджеру Пенроузу, инфляция нерешает главнуюпроблему состояния, она должна решить, очень низкую энтропию (с маловероятностью порядка 1/10) ранней Вселенной, содержащейся в гравитационные конформные степени 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.
Не обнаружено ни одного поля, ответственного за космическую инфляцию.Однако такоеполе, если оно будет найдено в будущем, будет скалярным. Первое подобное скалярное поле, существование которого доказано, было обнаружено только в 2012–2013 годах и все еще исследуется. Таким образом, не считается проблемой то, что поле, ответственное за космическую инфляцию и метрическое расширение пространства, еще не было обнаружено.
Предлагаемое поле и его кванты (связанные с ним субатомные частицы ) получилиназвание инфлатон. Когда бы этого не существовало, ученым пришлось предложить другое для всех наблюдений, которые убедительно свидетельствуют о том, что до сих пор происходит намного медленнее.
Чтобы понять метрическое расширение вселенной, полезно кратко обсудить, что такое метрика и как работает метрическое расширение.
A метрика определяет концепцию расстояния, указав в математических терминах, какизмеряются расстояниямеждудвумя соседними точками в пространстве в терминах расстояния системы. Системы определения местоположения точки в пространстве (любого количества измерений ) путем определения каждой точки уникальных позиций на известных координатах. Широта и долгота и графики x-y являются типичными примерами системы координат. Метрика - это формула , которая представляет, как число, известное как «расстояние»,должно быть измереномеждудвумяточками.
Может показаться очевидным, что расстояние измеряется прямым линией. 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 точки времени в пути - в этом случаепрямая линия - плохойвыборметрики,что кратчайшее расстояние по обычно не прямой линией, даже путем ближайшей к прямой линии не обязательно будет самой быстрой. Последний пример - Интернет, где даже для близлежащих городов самый быстрый маршрут для данных может быть через основные соединения, которые проходят через всю страну и обратно. В этом случае используемая метрика будет наименьшим временем, за которое перемещаются между двумя точками в сети.
В космологии мы неможем использоватьлинейноерасширениепространства метрического расширения, потому что внутренние силы нашего правителя легко преодолевают расширенное пространство, оставляя линейку нетронутой. Кроме того, любые объекты на Земле или около того, которые мы можем измерить, удерживаются вместе силами, которые намного сильнее по своему действию. Таким образом, даже если бы мы могли измерить крошечное расширение, которое еще происходит, мы бы не заметили изменений в малом масштабе в повседневнойжизни. В большоммежгалактическом масштабемы можем использовать другие тесты расстояния, и они действительно показывают, что пространство расширяется, даже если правительство на Земле не может его измерить.
Метрическое расширение пространства описывается с использованием математики метрических тензоров. Система координат, которую мы используем, называется «сопутствующие координаты », тип системы координат, которая учитывает время, а такжепространство и скорость света, ипозволяет нам объединить эффекты как общей, так и специальной теории относительности.
Например, рассмотрим измерение расстояния между двумя местами на поверхности Земли. Это простой, знакомый пример сферической геометрии. Поверхность Земли двумерна, точки на поверхности Земли могут быть заданы двумя координатами - например, широтой и долготой. Дляопределения метрики сначалауказать необходимо координаты.В нашем простом примере поверхности Земли мы можем выбрать любую систему координат, какую захотим, например, широта и долгота или XYZ декартовы координаты. После того, как мы выбрали конкретную систему определения, численные значения координат двух точек определения однозначно, и на основе свойств рассматриваемого пространства определяется и соответствующая метрика. На изогнутой поверхности Земли мы ведемэтот эффект надальнемагистральных рейсах авиакомпания, где расстояние между двумя точками измеряется по большому кругу, а не по прямому. можно нанести двумерную карту поверхности Земли. В общем, такие кратчайшие пути называются «геодезическими ». В евклидовой геометрии геодезическая - это прямая линия, тогда как в неевклидовой геометрии, например, на поверхности Земли, это не так. В самом деле, даже самый короткий путь по большому кругувсегда длиннее, чемевклидова прямая линия, проходящая черезвнутреннюю часть Земли. Разница между прямой линией и самой короткой траекторией по дуге большого круга занимается 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, существует редко используемая картографическая проекция, аименно гномоническая проекция, где все большие кругипоказаны прямы линиями, но в этой проекции масштаб расстояний очень сильно меняется в зависимости от разных областей. Измеренное по геодезической большой окружности, прямо пропорционально их расстояниям между любыми точками на Земле, измеренное по геодезической окружности; такая точность возможна только с глобусом.
В дифференциальной геометрии, математике для основной теорииотносительности, можно определить метрический тензор, который точно соответствует описываемое пространство, объясняя, как следует измерять область во всех направленийх. Общая теория относительности обязательно использует метрику в четырех измерениях (одно временное, три пространства), потому что, в общем, разные системы отсчета будут испытывать разные интервалы времени и пространства в зависимости от инерциальной системы оценки. Это означает, что означаетметрическийтензор в общей теории относительности точно связывает двасобытия в пространстве-времени. Расширение метрики происходит, когда тензор метрики изменяется с time (и, в частности, всякий раз, когда пространственная часть метрики увеличивается с течением времени). Этот вид расширения отличается от всех видов расширений и взрывов, обычно наблюдаемых в природе, в немалой степени, потому что времена и расстояния неодинаковы во всехсистем отсчета. Полезная визуализация заключается вприближении к субъекту, а не к объекту в фиксированном «пространстве», перемещающимся в «пустоту», как само пространство, растущее между объектом без какого-либо ускорения самих объектов. Пространство между объектами сжимается или увеличивается по мере того, как различные геодезические сходятся или расходятся.
Расширенное определяющее расстояние, используемое для расширения не ограничивает скорость света верхний граница из специальной теорииотносительности. Две системы отсчета, глобально разделены, перемещаются друг от друга по другим параметрам скорости света, когда две системы отсчета расходятся друг от друга, наблюдаются такие ситуации, которые наблюдаются, включая существование различных космологические горизонты.
Теория и наблюдения предполагают, что очень рано в истории Вселенной была инфляционная фаза, когда метрика меняласьочень быстро, чтооставшаяся временная зависимость этой метрики то, что мынаблюдаем как так называемое расширение Хаббла, разделение всех гравитационно несвязанных объектов во Вселенной. Таким образом, расширяющаяся Вселенная является фундаментальной особенностью вселенной, в которой мы живем, - вселенной, фундаментально отличной от статической вселенной Альберт Эйнштейн, впервые рассмотренный при разработке своей теории гравитации.
Врасширяющемся пространстве правильные расстояния являются динамическими величинами, которые меняются со временем. Легкий способ исправить это - использовать сопутствующие координаты, которые удаляют эту функцию и позволяют характеризовать различные места во Вселенной без необходимости описать физику, связанную с метрическим расширением. В сопутствующих координатах между всеми объектами фиксированы, и мгновенная динамика материи исвета определяется обычная физикой гравитация и электромагнитное излучение. В соответствующих уравнениях в дополнение к любым другим эффектам, которые могут действовать (гравитация, темнота энергия, любую эволюцию во времени необходимо учитывать в соответствующих уравнениях или кривизна, например). Космологические процессы, которые проходят через значительную часть истории Вселенной, обеспечивают такие эффекты, чтобысделать применимыепрогнозы для наблюдательной космологии.
удаляется, его свет растягивается (красное смещение ). Когда объект приближается, его свет сжимается (с синим смещением ).В принципе, расширение Вселенной можно измерить, взявную линейку и измерив расстояние между двумя космологически удаленными точками, подождав определенное время, и снова измерить расстояние, нона практике Расширениепространства измеряется Теория даже относительности предсказывает явления, связанные с расширением, предсказывает явления, связанные с расширением, линейными измерениями стандартных масштабов, а шкалы времени, которые можно было бы измерить расширение, слишком велики, чтобы они могли наблюдать несколько поколений людей. в частности, связь красное смещение -по сравнению с расстояниями, известную как закон Хаббла ; функциональные формы дляизмерениякосмологических расстояний, которые отличаются от того, чтоможно было бы ожидать, если бы пространство не расширилось; и наблюдаемое изменение плотности вещества и энергии Вселенная, наблюдаемое в разные времена рет роспективного обзора.
Первое измерение расширения пространства пришло с помощью Хабблом зависимости скорости от красного с нарушением. Совсем недавно, сравнив видимую яркость далеких стандартных свечей с красным смещениемродительских галактик,было измерено, что скорость расширения Вселенной составляет H0 =73,24 ± 1,74 (км / с) / Мпк. Это означает, что на каждый миллион парсек расстояние от наблюдателя свет, полученный с этого расстояния, космолог красное смещение примерно на 73 километра в секунду (160 000 миль в час). С другой стороны, космологическую модель, например Лямбда-CDM модель, можно вывести постоянную Хаббла из размера самых больших флуктуаций, наблюдаемых в космическом микроволновомфоне. Более высокая постоянная Хаббла означала бы меньшийхарактерный размер флуктуаций реликтового излучения, и наоборот. Коллаборация Planck измерила таким образом скорость роста и определила H 0 = 67,4 ± 0,5 (км / с) / Мпк. Между этими двумя измерениями существует разногласие: лестничные расстояния не зависят от моделей, а измерение зависит от подобранной модели, намекает на новую физику, выходящую за наши стандартные космологические модели.
Параметр Хаббла несчитается постоянным во времени. На частицы во Вселенной динамическиесилы, влияющие на скорость расширения. Ранее ожидалось, что параметр Хаббла будет уменьшаться с течением времени из-за влияния гравитационных взаимодействий во Вселенной, таким образом, во Вселенной существует дополнительная наблюдаемая величина, называемая параметрами замедления, которую ожидали космологи. быть напрямую связано с плотностью материи Вселенной. Удивительно, но параметрзамедления был измерен двумягруппами и оказался меньше нуля (фактически, соответствует -1), чтопараметр "Хаббла с течением времени" стремится к постоянному значению. Некоторые космологи причудливо назвали эффект, связанный с «ускоряющейся вселенной», «космическим рывком ». За открытие этого явления была присуждена Нобелевская премия по физике 2011 года.
В октябре 2018 года ученые представили новый третий способ (два более ранних метода, один из которых основан накрасных смещениях идругой на лестнице космических расстояний, далирезультаты, которые не согласуются), используя информацию из событий гравитационных волн (особенно тех, которые связаны с слиянием нейтронных звезд, как и GW170817 ), определения постоянной Хаббла, необходимой для определения скорости расширения Вселенной.
Два виды изометрического вложения части видимой вселенной на протяжении большей части ее истории, демонстрирующие, каксветовой луч (красная линия) может пройти эффективное расстояние в 28 миллиардов света лет (оранжевая линия) всего за 13 миллиардов лет космологического времени. (Математические детали )В космологических масштабах нынешняя Вселенная геометрически плоская, то есть правила евклидовой геометрии, связанные с пятым постулатом Евклида, остаются в силе,хотя в прошлое пространство-время могло быть сильно искривленным. Отчасти для того, чтобыприспособиться к такой разной геометрии, расширение Вселенной по своей сути общерелятивистское ; его нельзя смоделировать с помощью специальной теории относительности, хотя такие модели существуют, они находятся в фундаментальном противоречии с наблюдаемым взаимодействием между материей и пространством-временем, наблюдаемым в нашей Вселенной.
Наизображениях справа показаны два изображения диаграммы пространства-времени, которые показываюткрупномасштабную геометрию Вселенной в соответствии с космологической моделью ΛCDM. Два измерения пространства опущены, остается одно измерение пространства (измерение, которое увеличивается по мере увеличения конус становится больше) и время (измерение, которое движется «вверх» по поверхности конуса). Круглый конец диаграммы соответствует космологическому времени в700 миллионов лет после Большого взрыва, а широкийконец - космологическому времени в 18 миллиардов лет, гдеможно увидеть начало ускоряющегося расширение как расширение пространства-времени наружу, свойство, которое в конечном итоге доминирует в этой модели. Пурпурные линии сетки отмечают космологическое время с интервалом в один миллиард лет от Большого взрыва. Голубые линии сетки отмечают сопутствующее расстояние с интервалами в один миллиард световых лет в нынешнююэпоху (меньше в прошлом и больше в будущем). Обратитевнимание, что круговое скручивание поверхности являетсяартефактом встраивания, не имеющим физического значения, и сделано исключительно для того, чтобы сделать иллюстрацию видимой; пространство на самом деле не скручивается само по себе. (Подобный эффект можно увидеть в трубчатой форме псевдосферы .)
Коричневая линия на диаграмме - мировая линия Земли (или, на в прежние времена материи, котораяконденсировалась, чтобы сформировать Землю). Желтая линия - мироваялиния 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 общейтеории относительности, правила специальной теории относительностилокально действительны в небольших областяхпространства-времени, которые приблизительно плоские. В частности, свет всегда локально распространяется со скоростью c; в нашей диаграмме это означает, что согласно правилам 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 краснаямировая линия. Хотя он всегда движется локально в точке c, время егопрохождения (около 13 миллиардов лет) никакне связано с пройденным расстоянием, поскольку Вселенная расширяется по мере того, как 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, ирасстояние 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, чем ct, потому что Вселенная расширялась по мере прохождения света, свет должен был «бежать против беговой дорожки» и, следовательно, идти дальше, чем первоначальное расстояние между Землей и квазаром. Последнее расстояние (показано оранжевой линией) составляет около 28 миллиардовсветовых лет, что намного больше, чем ct. Если бы расширение могло быть мгновенноостановлено сегодня, свету потребовалось бы 28миллиардов лет, чтобы пройти между Землей и квазаром, а если бы расширение прекратилось в более раннее время, это заняло бы всего 4 миллиарда лет.
Свету потребовалось гораздо больше времени, 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, фактическиудалялся от Земли, когда он был впервые испущен в том смысле, что метрическоерасстояние до Земли увеличивалось с космологическимвременем в течение первых нескольких миллиардов лет времени его путешествия, а также указывает на то, что расширение пространства между Землей и квазаром в раннее время было быстрее, чем скорость света. Ничего из этого удивительного поведения происходит не из-за особого свойства метрического расширения, а просто из-за локальных принципов специальной теорииотносительности , интегрированных по изогнутой поверхности.
Графическоеизображение расширения Вселенной от Большого взрыва до наших дней, с инфляционной эпохой, представленной как резкое расширение метрика отображается слева. Эта визуализация может сбивать с толку, поскольку кажется, что Вселенная со временем расширяется в уже существующее пустое пространство. Вместо этого расширение создало и продолжаетсоздавать все известное пространство и время. За время пространство,составляющее вселенную, являетсярасширение. Слова «пробел » и «вселенная », иногда используемые как синонимы, имеют в этом контексте разные значения. Здесь «пространство» - это математическое понятие, обозначающее трехмерное многообразие, в которое заключены наши соответствующие положения, в то время как «вселенная» относится ко всему, что существует, включаяматерию и энергию в пространстве, дополнительные измерения. которые могут быть заключены в различные строки и время, в течениекоторого 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.
Конечная топология пространства - это апостериори - то, что в принципе должно быть наблюдается - поскольку нетограничений, которые можно было бы просто обосновать (другими словами, не может быть никаких априорных ограничений) относительнотого, как пространство, в котором мы живем, связано или он 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 возникает вопрос, находимся ли мы в чем-товроде "Pac-Man <311">Вселенная ", где, если путешествие на достаточно большое расстояние водном направлении позволило бы человекупросто оказаться в том же месте, как полный путь вокруг поверхности воздушного шара (или планеты, подобной Земле), является вопросом наблюдений, который ограничен как измеримый или неизмеримый глобальной геометрией вселенной. В настоящее время наблюдения согласуются с тем, что Вселенная бесконечна по протяженности и просто связана, хотя мыограничены в различении простых и более сложных предложений из-за космологических горизонтов.Вселенная может быть бесконечной по своимразмерам или конечной; но свидетельства, которые приводят к инфляционной модели ранней вселенной, также подразумевают, что «полн ая вселенная» намного больше, чем наблюдаемая вселенная, и поэтому любые края, экзотические геометрии или топологии не будет непосредственно наблюдаемым, поскольку свет не достиг масштабов, на которыхтакие аспекты вселенной, если они существуют, все еще разрешены. Для всех намерений и целей можно сing«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.
Несмотря на то, что она была чрезвычайно плотной в очень молодом возрасте и во время части ее раннего расширения - гораздо плотнее t Хан обычно требуется для образования черной дыры - Вселенная не коллапсировала повторно в черную дыру. Это связано с тем, что обычно используемые вычисления для гравитационного коллапса обычно основаны на объектах относительно постоянного размера, таких как звезды, и не применяются кбыстро расширяющемуся пространству, например Большому взрыву.
Расширение пространства иногда описывают как силу, которая раздвигает объекты. Хотя это ion of an expanding raisin bread model. As thebread doubles in width (depth and length), the distances between raisins also double.
In addition to slowing the overall expansion, gravity causes local clumping of matter into stars and galaxies. Once objects are formed and bound by gravity,они «выпадают» из расширения и не расширяются впоследствии под влиянием космологической метрики, поскольку нет силы, заставляющей их это делать.
Нет разницы между инерционным расширением Вселенной и инерционным разделением близлежащих объектов в вакууме; первое - это просто крупномасштабная экстраполяция второго.
Когда объекты связаны гравитацией, они больше не удаляются друг от друга. Таким образом, Галактика Андромеды, которая занимается 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 расширенияне происходит. Как только кто-то выходит за пределыМестной группы, инерционное расширение становится измеримым, хотя систематические гравитационные эффекты подразумевают, что все большие и большие части пространства в конечном итоге выпадут из «Хаббловского потока » и окажутсясвязанными, не- расширяющиеся объекты до масштабов сверхскоплений галактик. Мы можем предсказать такие будущие события, зная точно, как изменяется Хаббловский поток, а также массы объектов, к которымнас притягивает гравитация. В настоящее время Местнаягруппа 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 видели расширяться от наспосле такого времени.
Следствием расширения метрики, вызванного инерционным движением, является то, что равномерный локальный «взрыв» материи в вакуум может быть локально описан геометрией FLRW, той же геометрией, которая оказывается расширениеВселенной в целом, а также используется для более простой вселенной Милна, которая игнорирует эффекты гравитации. В частности, общая теория относительности предсказывает, что свет будет двигаться со скоростью cотносительно локального движения взрывающейся материи, явление, подобное перетаскиванию.
. Ситуация несколько меняется с введением темной энергии или космологической энергии. постоянный. Космологическая постояннаяиз-за плотности энергии вакуума имеет эффектдобавления силы отталкивания между объектами, которая измена (а не обратно пропорциональна) расстоянию. В отличие от инерции он активно «тянет» объекты, слипшиеся под силой тяжести, и даже отдельные атомы. Однако это неприводит 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 состоянии равновесия. Помере, как Вселенная расширяется и материя в нейистончается, гравитационное притяжение уменьшается (как оно мерео плотности), а космологическое отталкивание увеличивается; таким образом, окончательная судьба вселенной ΛCDM - почти в вакууме, расширяющаяся со все возрастающейскоростью под постоянной космологической постоянной. Однако единственный видимый локально эффект ускоряя расширение - это исчезновение (из-за убегающего красного смещения ) далеких галактик; Через 3миллиарда лет все еще слиться с Млечным путем, итакже вероятно, что объединенная сверхгалактика, которая образует, в конечном итоге упадет в и слиться с ближайшим скоплением Девы. Однако галактики, расположенные дальше от этого места, удаляются со все возрастающейскоростью и смещаются в пределы нашего диапазона видимости.
В конце раннего периода инфляции в ранней вселенной все материя и энергия воВселенной были установлены на инерциальнойтраектории в соответствии с принципом эквивалентности и общей теорией относительности Эйнштейна, и это когда точная и регулярная форма расширения вселенной свое происхождение (тоесть материя во вселенной разделяется, потому что она разделяется в прошлом из-за инфлатонного поля ).
В то время как специальная теория относительности запрещает объектм двигаться по отношению кв данной системе отсчета, гдепространство-время можно рассматривать как плоское и неизменное, это не относится к ситуации, когда кривизна пространства-времени или эволюция во времени становятся важными. Эти ситуации описываются общейтеорией относительности, которая позволяет разделить между двумя удаленными объектами увеличиваться быстрее, чем скорость света, определение «расстояния» здесь несколько отличается от того, что используется в инерциальнойсистеме отсчета. Используемое здесьопределение расстояния является суммированием или интегрированием локальных сопутствующих расстояний, и все это выполняется в постоянное местное собственное время. Например, галактики, расстояние от которых больше радиуса Хаббла, примерно на 4,5 гигапарсека или 14,7 миллиарда световых лет от нас, имеют более высокую скорость удаления. чем скорость света. Видимость этих объектов зависит от точной историирасширения Вселенной. Свет, которыйизлучается сегодня галактиками за пределами космологического горизонта событий, около 5 гигапарсек или 16 миллиардов световых лет, никогда не достигнет нас, хотя мы все еще можем видеть свет, который эти галактикиизлучали в прошлом.
На фундаментальном уровне расширения Вселенной пространственного измерения в самых больших измеримых масштабах нашей Вселенной. Расстояния между космологически релевантными точкамисо временем увеличиваются, чтоприводит к наблюдаемым эффектам, описанным ниже. Эту особенность вселенной охарактеризовать одним параметром, который называется масштабным коэффициентом, который представляет собой функцию времени иединственное значение для всего пространства в любой момент (если масштабный коэффициент был функцией, это нарушило бы космологический принцип ). Согласно масштабному коэффициенту, расширяется, как в прошлом, так и в прошлом.Экстраполяция назад во времени с помощьюопределенных космологических моделей даст, когда масштабный коэффициент равенства нулю; наше нынешнее понимание космологии устанавливает на этот раз в 13,799 ± 0,021 миллиарда лет назад. В будущем приблизитсяк бесконечности. В принципе, нет причин, по которым должно быть увеличено пространство, которое должно быть монотонным, и есть модели, в будущем масштабный коэффициент с сопутствующим уменьшением пространства, а не срасширением.
Расширение пространства часто демонстрируется концептуальными моделями, которые показывают размер пространства в конкретное время, оставляя измерение времени неявным.
В модели « муравей на резиновой веревке » можно представить себе муравья (идеализированного как точечный), ползущего с постоянной скоростью по идеально эластичной веревке, которая постоянно растягивается. Если мы растянем веревку всоответствии с масштабным коэффициентом ΛCDM и подумаем оскорости муравья как о скорости света, то это аналогия будет точной численно - положение муравья во времени будет соответствовать красной линии на приведенной выше диаграмме встраивания.
«моделирезинового листа» веревку заменяют двумерным резиновым листом, который равномерно расширяется во всех направлениях. Добавление второго пространственного увеличения возможности отображения пространственных пространственной геометрии засчет кривизны в листе.
В «модели воздушного шара»плоский лист заменен сферическим воздушным шаром, который надувается с начального размера, равного нулю (представляющего большой взрыв). Воздушный шар имеет положительную гауссову кривизну, в то времякак наблюдения показывают, что реальная вселенная является пространственно плоской, но это несоответствие можно устранить, сделав воздушный шар очень большим, чтобы он был локально в пределах наблюдений. Эта аналогия сбивает с толку,поскольку она ошибочно предполагает, что большой взрыв произошелв центре воздушного шара. На самом деле точки на поверхности воздушного шара не имеют значения, даже если они заняты воздушным шаром в более раннее время.
В «модели хлеба с изюмом» можнопредставить 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.
Расширение Вселенной происходит во всехнаправлениях, как определено Постоянная Хаббла. Однако постоянная Хаббла может изменяться в будущем в зависимости от наблюдаемого значения плотности (Ω). До открытия темной энергии считалось, что во вселенной преобладает материя, поэтому Ω на этом графике соответствует плотности материи к критической плотности (
).Техническое,метрическое расширение пространства особенностями многих решений Использование поля Эйнштейна общая теория относительности, и расстояние измеряется с интервала Лоренца. Это объясняет наблюдения, которые показывают, что галактики, которые более далеки от нас, удаляются быстрее, чем галактики, которые к нам (см. ) закон Хаббла ).
Первые общие релятивистские моделипредсказали, что Вселенная, которая была динамическая и существее обычнуюгравитационную материю будет сжиматься, а не расширяться. Эйнштейна по решению этой проблемы включение добавление кос мологической постоянной в свою теорию, чтобы уравить грузить и получитьрешение статической вселенной. Но в 1922 году Александр Фридман вывел набор уравнений, известных как уравнения Фридмана, которые показали, что Вселенная может расширяться, и описать скорость расширения вэтом случае. Наблюдения Эдвина Хаббла в 1929 году показалось, чтовсе далекие галактики явно удалялись от нас, поэтому многие ученые пришли к выводу, что Вселенная расширяется.
В то время какметрическое расширение пространства, предполагался наблюдался наблюдениями Хаббла 1929 года, Хаббл не согласился с интерпретацией данных как расширяющаяся Вселенная:
[...] если красные с нарушением не возникают в первую очередьиз-за сдвига скорости [...], соотношение скорость-расстояние линейно;распределение туманности равномерное; никаких временных шкал [...], которые еще неизвестны нам сегодня [...]. [...] которые измеряют скорость распространения.
— Э. Хаббл, Ап. J.,84, 517, 1936[Если красные смещения - это доплеровское смещение...] наблюдения в их нынешнем виде приводят к аномалии замкнутой атмосферы, удивительно маленькой и плотной, и, возможно, добавил, подозрительно молодой. С другойстороны, если красные пятна не являются эффектами Доплера, эти аномалииисчезают, наблюдаемая область выглядит как небольшая, однородная, но незначительная часть Вселенной, бесконечно расширяющаяся как в пространстве, так и во времени.
— Э. Хаббл, Ежемесячный извещения Королевского астрономического общества, 97, 506, 1937Скептицизм Хаббла относительно того, что Вселенная слишком мала, плотна и молода, оказался на ошибке наблюдений. Более поздние исследования показали, чтоХаббл спутал далекие области H II с переменными цефеид, а сами переменные цефеид были неправильно объединены с низкой светимостью RR Lyrae звезды, вызывающие ошибки калибровки которые приводят к значению постоянная Хаббла приблизительно 500 km /s /Мпк вместо истинного значения приблизительно 70 км / с / Мпк. Более высокое значение означало, что возраст расширяющейся Вселенной будет 2 года (моложе Возраст Земли ), и экстраполяция наблюдаемойплотности числа галактик на быстро расширяющуюся Вселенную подразумевающуюплотность массы, которая была слишком высоко в аналогичном коэффициенте, достаточно, чтобы заставить Вселенную принять своеобразную замкнутую геометрию, которая такжеподразумевала надвигающийся Большой хруст, который мог бы произойти в аналогичных условияхбе времени. После исправления этих ошибок в 1950-х годах новые более низкие значения Хаббла соответствовали ожиданиям более старой Вселенной.
Показания 9-процентное несоответствие в величине постоянной Хаббла,подразумевая, что Вселенная расширяется слишком быстро по сравнению с предыдущими измерениями. В 2001 году Венди Фридман определила, пространство будет расширяться со скоростью72 километра в секунду на мегапарсек - примерно 3,3 миллиона световых лет - это означает, что на каждые 3,3 миллиона световых лет дальше от Земли вы находитесь, и то, где вы находитесь, удаляется от Земли. На 72 километра в секунду быстрее. Летом2016 года другое измерение показало значение константы 73, что противоречитизмерениям, полученным в 2013 году европейской миссией Planck о более медленном расширении, равном 67. Несоответствие открыло новые вопросы, касающиеся природы темной энергииили нейтрино. 29>
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 общейчертой в результате распада вакуума. Соответственно, вопрос «почемувселенная расширяется?» теперь ответ заключается в понимании деталей процесса затухания инфляции, произошел в первые 10 секунд существования нашей Вселенной. Вовремя инфляции показатель изменялся на экспоненциально, в результате чего любой объем пространства, который был атома, увеличился примерно до 100 миллионов световых лет в масштабе времени. аналогично времени, когдапроизошло надувание (10 секунд).
На диаграмме расширение Вселенной и относительное явление наблюдателя. Голубые галактики расширились дальше друг от друга, чем белые галактики. При выборепроизвольной точки отсчета, как они выглядят одинаково, увеличение расстояния до других галактик. Это явление расширения вызывает на два фактора: во Вселенной централизованной точки. Появление центральности происходит из-за предвзятости наблюдателя,которое равнозначно независимо от того, в каком месте находится наблюдатель.В расширяющемся пространстве - это динамическая величина, которая изменяется со временем. Самыми распространенными методами, используемыми современными астрономами,являются сопутствующее расстояние .
Метрика определяет расстояние между ближайшими (так называемыми «локальными»)ками.. Чтобы установить расстояние между произвольно удаленными точками, указать как точки, так и определенную кривую (известнуюкак «пространственно-временной интервал »), соединяющую их. Длинаэтой соединительной кривой в трех измерениях пространства. Сопутствующее расстояние определяет эту соединительную кривую как кривую постоянного космологическоговремени. С практической точки зрения сопутствующие лица не могут быть непосредственными наблюдателем, находящимся на Земле. Чтобы определить расстояние до далеких объектов, астрономы обычно измеряют светимость стандартных свечей иликоэффициент красного смещения z далеких галактик, а преобразуют эти измерения врасстояниях на основе какой-то конкретной модели пространства-времени, например Лямбда -CDM модель. Действительно, благодаря таким наблюдениям былоопределено, что нет никаких доказательств какого-либо «замедления» расширения в нынешнюю эпоху.
Теоретические космологи, разрабатывающие модели Вселенной, в своей работе сделали небольшое количестворазумных предположений. Эти работы приводят к созданию метрического расширенияпространства - вероятная характеристика Вселенной. Основными среди основополагающих принципов, которые приводят к моделям, включающим метрическое расширение каксвойство, являются:
Ученые тщательно проверили, верны ли эти предположения и подтверждаются ли они наблюдениями. Космологи-наблюдатели обнаружили доказательства - в некоторых случаях очень сильные - которые подтверждают эти предположения, и, как следствие, метрическое расширение пространства космологи считают наблюдаемой особенностью на том основании, что, хотя мы неможем видеть это напрямую, ученые проверили свойства Вселенной, и наблюдение даетубедительное подтверждение. Источники этой уверенности и подтверждения включают:
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 космическогомикроволнового фона можно было исключить более причудливые конструкции. До этого времени оносновывался исключительно на предположении, что Вселенная не вела себя как единое целое с Млечным Пути, находящимся в центрефиксированной метрики с универсальным взрывом галактик во всех направлениях (как показано в, например, ранней модели , предложенной Милном ). Тем не менее, 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, не имели пока не обнаружены из-за малости этих эффектов.Изменение красного смещения или магнитного потока можно было наблюдать с помощью массива квадратных километров или чрезвычайно большого телескопа в середине 2030-х годов.
