Расширение Вселенной

Расширение Вселенной — это увеличение расстояния между гравитационно несвязанными частями наблюдаемой Вселенной . со временем Это внутреннее расширение, поэтому оно не означает, что Вселенная расширяется «во что-либо» или что пространство существует «вне» ее. Любому наблюдателю во Вселенной кажется, что все галактики, кроме ближайших (которые связаны друг с другом гравитацией), удаляются со скоростью, пропорциональной их расстоянию от наблюдателя в среднем . Хотя объекты не могут двигаться быстрее света , это ограничение применяется только в отношении локальных систем отсчета и не ограничивает скорость удаления космологически далеких объектов.

Космическое расширение является ключевой особенностью космологии Большого взрыва . Его можно смоделировать математически с помощью метрики Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера (FLRW), где он соответствует увеличению масштаба пространственной части пространства-времени метрического тензора Вселенной (который управляет размером и геометрией пространства-времени). В этих рамках разделение объектов во времени связано с расширением самого пространства. Однако это не общековариантное описание, а лишь выбор координат . Вопреки распространенному заблуждению, столь же справедливо принять описание, в котором пространство не расширяется, а объекты просто раздвигаются, находясь под действием взаимной гравитации. Хотя космическое расширение часто рассматривают как следствие общей теории относительности , оно также предсказывается ньютоновской гравитацией .

Согласно теории инфляции , в инфляционную эпоху около 10 ⁻³² Через секунду после Большого взрыва Вселенная внезапно расширилась, и ее объем увеличился как минимум в 10 раз. ⁷⁸ (увеличение расстояния не менее чем в 10 раз) ²⁶ в каждом из трех измерений). Это было бы эквивалентно расширению объекта на 1 нанометр в поперечнике ( 10 ⁻⁹ м , примерно половина ширины молекулы ДНК ) световых до одной примерно 10,6 лет в поперечнике (около 10 ¹⁷ м , или 62 триллиона миль). Впоследствии космическое расширение замедлилось до гораздо более медленных темпов, пока примерно через 9,8 миллиардов лет после Большого взрыва (4 миллиарда лет назад) оно не начало постепенно расширяться быстрее , и продолжает это делать до сих пор. Физики постулировали существование темной энергии , появляющейся как космологическая константа в простейших гравитационных моделях, как способ объяснить это ускорение позднего времени. Согласно простейшей экстраполяции предпочитаемой в настоящее время космологической модели, модели Lambda-CDM , это ускорение станет доминирующим в будущем.

История

В 1912–1914 годах Весто М. Слайфер обнаружил, что свет от далеких галактик имеет красное смещение . явление , позже интерпретированное как удаление галактик от Земли. В 1922 году Александр Фридман использовал уравнения поля Эйнштейна , чтобы предоставить теоретические доказательства того, что Вселенная расширяется.

Шведский астроном Кнут Лундмарк был первым человеком, который нашел наблюдательные доказательства расширения в 1924 году. По словам Яна Стира из внегалактической базы данных расстояний галактик НАСА/IPAC, «оценки внегалактического расстояния Лундмарка были гораздо более точными, чем оценки Хаббла, и соответствовали скорости расширения. (постоянная Хаббла), что было в пределах 1% от лучших сегодняшних измерений».

В 1927 году Жорж Лемэтр независимо пришел к такому же выводу, что и Фридман, на теоретической основе, а также представил наблюдательные доказательства линейной зависимости между расстоянием до галактик и скоростью их удаления . Эдвин Хаббл путем наблюдений подтвердил открытия Лундмарка и Леметра в 1929 году. Если исходить из космологического принципа , то эти открытия подразумевают, что все галактики удаляются друг от друга.

Астроном Уолтер Бааде пересчитал размер известной Вселенной в 1940-х годах, удвоив предыдущий расчет, сделанный Хабблом в 1929 году. Он объявил об этом открытии к немалому удивлению на заседании Международного астрономического союза в Риме в 1952 году. На протяжении большей части второй половины 20-го века значение постоянной Хаббла оценивалось в пределах от 50 до 90 км⋅с. ⁻¹ ⋅ Mpc ⁻¹ .

13 января 1994 года НАСА официально объявило о завершении ремонта главного зеркала космического телескопа Хаббл , что позволило получить более четкие изображения и, следовательно, более точный анализ наблюдений. Вскоре после того, как ремонт был произведен, Венди Фридман в рамках Ключевого проекта 1994 года проанализировала скорость удаления M100 от ядра скопления Девы , предложив постоянной Хаббла измерение 80 ± 17 км с. ⁻¹ ⋅Mpc ⁻¹ . Позже в том же году Адам Рисс и др. использовал эмпирический метод определения в визуальных диапазонах, формы кривой блеска чтобы более точно оценить светимость сверхновых типа Ia . Это дополнительно минимизировало систематические ошибки измерения постоянной Хаббла до 67 ± 7 км⋅с. ⁻¹ ⋅Mpc ⁻¹ . Измерения Рейсса скорости удаления близлежащего скопления Девы более точно согласуются с последующими и независимыми анализами переменных цефеид калибровок сверхновой типа Ia , которые оценивают постоянную Хаббла в 73 ± 7 км⋅с. ⁻¹ ⋅Mpc ⁻¹ . В 2003 году проведенный Дэвидом Спергелем анализ космического микроволнового фона, в течение первого года наблюдений спутника Зонд микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP), дополнительно подтвердил оценочные скорости расширения местных галактик, 72 ± 5 км с. ⁻¹ ⋅Mpc ⁻¹ .

Структура космического расширения

Вселенная в самых больших масштабах оказывается однородной (одинаковой везде) и изотропной (одинаковой во всех направлениях), что соответствует космологическому принципу . Эти ограничения требуют, чтобы любое расширение Вселенной соответствовало закону Хаббла , согласно которому объекты удаляются от каждого наблюдателя со скоростями, пропорциональными их положениям относительно этого наблюдателя. То есть скорость спада ${\vec {v}}$ масштабировать с (ориентированными на наблюдателя) позициями ${\vec {x}}$ в соответствии с

${\vec {v}}=H{\vec {x}},$

где скорость Хаббла $H$ количественно определяет скорость расширения. $H$ является функцией космического времени .

Динамика космического расширения

История расширения зависит от плотности Вселенной. Ω на этом графике соответствует отношению плотности материи к критической плотности для Вселенной, в которой доминирует материя. Кривая «ускорения» показывает траекторию масштабного фактора Вселенной с темной энергией.

Расширение Вселенной можно понимать как следствие первоначального импульса (возможно, вызванного инфляцией ), который разлетел содержимое Вселенной. Взаимное гравитационное притяжение материи и излучения внутри Вселенной постепенно замедляет это расширение с течением времени, но расширение, тем не менее, продолжается за счет импульса, оставшегося от первоначального импульса. Кроме того, некоторые экзотические релятивистские жидкости , такие как темная энергия и инфляция, в космологическом контексте оказывают гравитационное отталкивание, что ускоряет расширение Вселенной. Космологическая постоянная также имеет этот эффект.

Математически расширение Вселенной количественно выражается масштабным коэффициентом : $a$, что пропорционально среднему расстоянию между объектами, например галактиками. Масштабный коэффициент является функцией времени и обычно принимается равным $a=1$ в настоящее время. Поскольку Вселенная расширяется, $a$ меньше в прошлом и больше в будущем. Экстраполяция назад во времени с помощью определенных космологических моделей даст момент, когда масштабный коэффициент был равен нулю; наше нынешнее понимание космологии устанавливает это время как 13,787 ± 0,020 миллиарда лет назад . Если Вселенная будет продолжать расширяться вечно, в будущем масштабный фактор приблизится к бесконечности. Также в принципе возможно, что Вселенная перестанет расширяться и начнет сжиматься, что соответствует уменьшению масштабного фактора во времени.

Масштабный коэффициент $a$ является параметром метрики FLRW , и его эволюция во времени определяется уравнениями Фридмана . Второе уравнение Фридмана,

${\frac {\ddot {a}}{a}}=-{\frac {4\pi G}{3}}\left(\rho +{\frac {3p}{c^{2}}}\right)+{\frac {\Lambda c^{2}}{3}},$

показывает, как содержимое Вселенной влияет на скорость ее расширения. Здесь, $G$ гравитационная постоянная , $\rho$ плотность энергии во Вселенной, $p$ это давление , $c$ это скорость света , а $\Lambda$ – космологическая постоянная. Положительная плотность энергии приводит к замедлению расширения, ${\ddot {a}}<0$, а положительное давление еще больше замедляет расширение. С другой стороны, достаточно отрицательное давление с $p<-\rho c^{2}/3$ приводит к ускоренному расширению, и космологическая постоянная также ускоряет расширение. Нерелятивистская материя по существу не имеет давления, т.е. $|p|\ll \rho c^{2}$, а газ ультрарелятивистских частиц (например, фотонный газ ) имеет положительное давление $p=\rho c^{2}/3$. Жидкости отрицательного давления, как и темная энергия, не подтверждены экспериментально, но существование темной энергии предполагается из астрономических наблюдений.

Расстояния в расширяющейся Вселенной

Сопутствующие координаты

Основная статья: Сопутствующие координаты

В расширяющейся Вселенной часто бывает полезно изучать эволюцию структуры без учета расширения Вселенной. Это мотивирует использование сопутствующих координат , которые должны расти пропорционально масштабному коэффициенту. Если объект движется только с хаббловским потоком расширяющейся Вселенной, без какого-либо другого движения, то он остается неподвижным в сопутствующих координатах. Сопутствующие координаты — это пространственные координаты в метрике FLRW .

Форма Вселенной

Основная статья: Форма Вселенной

Вселенная представляет собой четырехмерное пространство-время, но внутри вселенной, подчиняющейся космологическому принципу, существует естественный выбор трехмерной пространственной поверхности. Это поверхности, на которых наблюдатели, неподвижные в сопутствующих координатах, договариваются о возрасте Вселенной . Во Вселенной, управляемой специальной теорией относительности , такие поверхности были бы гиперболоидами , поскольку релятивистское замедление времени означает, что часы быстро удаляющихся далеких наблюдателей замедляются, так что пространственные поверхности должны изгибаться «в будущее» на больших расстояниях. Однако в рамках общей теории относительности на форму этих сопутствующих синхронных пространственных поверхностей влияет гравитация. Текущие наблюдения согласуются с тем, что эти пространственные поверхности являются геометрически плоскими (так что, например, сумма углов треугольника составляет 180 градусов).

Космологические горизонты

Основная статья: Космологический горизонт

Расширяющаяся Вселенная обычно имеет конечный возраст. Свет и другие частицы могут распространяться только на конечное расстояние. Сопутствующее расстояние, которое такие частицы могли преодолеть за время существования Вселенной, известно как горизонт частиц , а область Вселенной, лежащая внутри горизонта наших частиц, известна как наблюдаемая Вселенная .

Если темная энергия, которая, как предполагается, сегодня доминирует во Вселенной, является космологической константой, то в бесконечном будущем горизонт частиц сходится к конечному значению. Это означает, что объем Вселенной, которую мы когда-либо сможем наблюдать, ограничен. Существует множество систем, свет которых никогда не сможет достичь нас, потому что существует космический горизонт событий, созданный отталкивающей гравитацией темной энергии.

В ходе изучения эволюции структуры Вселенной возникает естественная шкала, известная как горизонт Хаббла . Космологические возмущения, намного большие, чем горизонт Хаббла, не являются динамическими, поскольку гравитационные воздействия не успевают распространиться по ним, в то время как возмущения, намного меньшие, чем горизонт Хаббла, напрямую определяются ньютоновской гравитационной динамикой .

Последствия космического расширения

Скорости и красные смещения

объекта Своеобразная скорость — это его скорость относительно сопутствующей координатной сетки, т. е. относительно среднего движения окружающего материала, связанного с расширением. Это мера того, насколько движение частицы отклоняется от хаббловского потока расширяющейся Вселенной. Пекулярные скорости нерелятивистских частиц уменьшаются по мере расширения Вселенной обратно пропорционально космическому масштабному коэффициенту . Это можно понимать как эффект самосортировки. Частица, движущаяся в каком-то направлении, постепенно догоняет хаббловский поток космического расширения в этом направлении, асимптотически приближаясь к материалу с той же скоростью, что и ее собственная.

В более общем смысле, пекулярные импульсы как релятивистских, так и нерелятивистских частиц затухают обратно пропорционально масштабному фактору. Для фотонов это приводит к космологическому красному смещению . Хотя космологическое красное смещение часто объясняют растяжением длин волн фотонов из-за «расширения пространства», его более естественно рассматривать как следствие эффекта Доплера .

Температура

Вселенная охлаждается по мере расширения. Это следует из распада пекулярных импульсов частиц, как обсуждалось выше. Это также можно понимать как адиабатическое охлаждение . Температура ультрарелятивистских жидкостей, часто называемая «излучением» и включающая космический микроволновый фон , масштабируется обратно пропорционально масштабному коэффициенту (т.е. $T\propto a^{-1}$). Температура нерелятивистской материи падает более резко, масштабируясь как обратный квадрат масштабного коэффициента (т.е. $T\propto a^{-2}$).

Плотность

Содержимое Вселенной разжижается по мере ее расширения. Число частиц в движущемся объеме остается фиксированным (в среднем), а объем расширяется. Для нерелятивистской материи это означает, что плотность энергии падает как $\rho \propto a^{-3}$, где $a$ это масштабный коэффициент .

Для ультрарелятивистских частиц («излучения») плотность энергии падает резче, так как $\rho \propto a^{-4}$. Это связано с тем, что помимо объемного разбавления количества частиц, энергия каждой частицы (включая энергию остальной массы ) также значительно падает из-за распада пекулярных импульсов.

В общем случае можно рассматривать идеальную жидкость с давлением $p=w\rho$, где $\rho$ это плотность энергии. Параметр $w$ – уравнение параметра состояния . Плотность энергии такой жидкости падает как

$\rho \propto a^{-3(1+w)}.$

Нерелятивистская материя имеет $w=0$ в то время как радиация имеет $w=1/3$. Для экзотической жидкости с отрицательным давлением, такой как темная энергия, плотность энергии падает медленнее; если $w=-1$ оно остается постоянным во времени. Если $w<-1$, что соответствует фантомной энергии , плотность энергии растет по мере расширения Вселенной.

История расширения

Графическое изображение расширения Вселенной от Большого взрыва до наших дней, с инфляционной эпохой, представленной как драматическое расширение, видное слева. Эта визуализация показывает только часть Вселенной; пустое пространство за пределами диаграммы не следует воспринимать как пустое пространство за пределами Вселенной (которая не обязательно существует).

Космическая инфляция

Основные статьи: инфляция (космология) и инфлатон

Инфляция – это период ускоренного роста, который, предположительно, произошел примерно в 10 ⁻³² секунды. Его приводил бы в движение инфлатон — поле , имеющее состояние ложного вакуума с положительной энергией . Первоначально предполагалось, что инфляция объясняет отсутствие экзотических реликвий, предсказанных теориями великого объединения , таких как магнитные монополи , поскольку быстрое расширение привело бы к разбавлению таких реликвий. Впоследствии стало понятно, что ускоренное расширение также решит проблему горизонта и проблему плоскостности . Кроме того, квантовые флуктуации во время инфляции создали бы первоначальные изменения плотности Вселенной, которые гравитация позже усилила, чтобы получить наблюдаемый спектр изменений плотности материи .

Во время инфляции фактор космического масштаба рос экспоненциально во времени. Чтобы решить проблемы горизонта и неравномерности, инфляция должна была длиться достаточно долго, чтобы масштабный коэффициент вырос по крайней мере в e раз. ⁶⁰ (около 10 ²⁶ ).

Радиационная эпоха

История Вселенной после инфляции, но до момента времени около 1 секунды, в значительной степени неизвестна. во Вселенной доминируют ультрарелятивистские частицы Стандартной модели , условно называемые излучением . Однако известно, что к моменту отделения нейтрино , равному примерно 1 секунде, Во время доминирования радиации космическое расширение замедлялось, при этом масштабный фактор рос пропорционально квадратному корню из времени.

Эпоха материи

Поскольку излучение смещается в красную сторону по мере расширения Вселенной, в конечном итоге нерелятивистская материя стала доминировать в плотности энергии Вселенной. Этот переход произошел примерно через 50 тысяч лет после Большого взрыва. В эпоху доминирования материи космическое расширение также замедлялось, при этом масштабный фактор рос как 2/3 степени времени ( $a\propto t^{2/3}$). Кроме того, формирование гравитационной структуры наиболее эффективно, когда доминирует нерелятивистская материя, и эта эпоха ответственна за формирование галактик и крупномасштабной структуры Вселенной .

Темная энергия

Основная статья: Темная энергия

Считается, что около 3 миллиардов лет назад, примерно 11 миллиардов лет назад, темная энергия начала доминировать в плотности энергии Вселенной. Этот переход произошел потому, что темная энергия не разжижается по мере расширения Вселенной, а поддерживает постоянную плотность энергии. Подобно инфляции, темная энергия приводит к ускоренному расширению, так что масштабный фактор растет экспоненциально во времени.

Измерение скорости расширения

Когда объект удаляется, его свет растягивается (смещается в красную сторону). Когда объект приближается, его свет сжимается ( смещается в синий цвет ).

Самый прямой способ измерить скорость расширения — это независимо измерить скорости удаления и расстояния до далеких объектов, таких как галактики. Отношение этих величин дает скорость Хаббла в соответствии с законом Хаббла. Обычно расстояние измеряется с помощью стандартной свечи , представляющей собой объект или событие, для которого собственная яркость известна . Расстояние до объекта можно затем определить по наблюдаемой видимой яркости . Между тем, скорость рецессии измеряется через красное смещение. Хаббл использовал этот подход для своего первоначального измерения скорости расширения, измеряя яркость переменных звезд цефеид и красное смещение родительских галактик. Совсем недавно, используя сверхновые типа Ia , скорость расширения была измерена как H ₀   =   73,24 ± 1,74 (км/с)/Мпк . Это означает, что на каждый миллион парсеков расстояния от наблюдателя скорость удаления объектов на этом расстоянии увеличивается примерно на 73 километра в секунду (160 000 миль в час).

Сверхновые можно наблюдать на таких больших расстояниях, что время прохождения света от них может приближаться к возрасту Вселенной. Следовательно, их можно использовать для измерения не только нынешних темпов расширения, но и истории расширения. В работе, которая была удостоена Нобелевской премии по физике 2011 года , наблюдения сверхновых были использованы для определения того, что космическое расширение ускоряется в современную эпоху.

Приняв космологическую модель, например, модель Lambda-CDM , другая возможность состоит в том, чтобы сделать вывод о современной скорости расширения на основе размеров крупнейших флуктуаций, наблюдаемых в космическом микроволновом фоне . Более высокая скорость расширения будет означать меньший характерный размер флуктуаций реликтового излучения, и наоборот. таким Коллаборация Планк образом измерила скорость расширения и определила H ₀ = 67,4 ± 0,5 (км/с)/Мпк . Существует расхождение между этим измерением и измерениями, основанными на сверхновых, известное как напряжение Хаббла .

Третий вариант, предложенный недавно, — использовать информацию о гравитационно-волновых событиях (особенно тех, которые связаны со слиянием нейтронных звезд , таких как GW170817 ), для измерения скорости расширения. Такие измерения еще не обладают той точностью, которая позволила бы определить напряжение Хаббла.

В принципе, историю космического расширения можно также измерить, изучая, как красные смещения, расстояния, потоки, угловые положения и угловые размеры астрономических объектов изменяются с течением времени, пока они наблюдаются. Эти эффекты слишком малы, чтобы их еще можно было обнаружить. Однако изменения в красном смещении или потоке можно было наблюдать с помощью массива квадратных километров или чрезвычайно большого телескопа в середине 2030-х годов.

Концептуальные соображения и заблуждения

Измерение расстояний в расширяющемся пространстве

Два вида изометрического встраивания части видимой Вселенной на протяжении большей части ее истории, показывающие, как луч света (красная линия) может преодолевать эффективное расстояние в 28 миллиардов световых лет (оранжевая линия) всего за 13,8 миллиардов лет космологического времени . ( Математические детали )

В космологических масштабах нынешняя Вселенная соответствует евклидову пространству , которое космологи называют геометрически плоским , с точностью до экспериментальной ошибки.

Следовательно, правила евклидовой геометрии, связанные с пятым постулатом Евклида, действуют и в нынешней вселенной в трехмерном пространстве. Однако возможно, что геометрия прошлого трехмерного пространства могла быть сильно искривленной. Кривизна пространства часто моделируется с использованием ненулевого тензора кривизны Римана в кривизне римановых многообразий . Евклидово «геометрически плоское» пространство имеет нулевой тензор кривизны Римана.

«Геометрически плоское» пространство имеет три измерения и соответствует евклидову пространству. Однако пространство-время имеет четыре измерения; согласно общей теории относительности Эйнштейна, он не плоский. Теория Эйнштейна постулирует, что «материя и энергия искривляют пространство-время, и материи и энергии достаточно, чтобы обеспечить искривление».

Отчасти из-за таких различий в геометрии расширение Вселенной по своей сути является общерелятивистским. Его невозможно смоделировать только с помощью специальной теории относительности : хотя такие модели существуют, они могут фундаментально противоречить наблюдаемому взаимодействию между материей и пространством-временем, наблюдаемому во Вселенной.

Изображения справа показывают два вида диаграмм пространства-времени , которые показывают крупномасштабную геометрию Вселенной в соответствии с космологической моделью ΛCDM . Два измерения пространства опущены, оставлено одно измерение пространства (измерение, которое растет по мере увеличения конуса) и одно измерение времени (измерение, которое продвигается «вверх» по поверхности конуса). Узкий круглый конец диаграммы соответствует космологическому времени в 700 миллионов лет после Большого взрыва, а широкий конец — космологическому времени в 18 миллиардов лет, где можно увидеть начало ускоряющегося расширения как расширение наружу. пространство-время — особенность, которая в конечном итоге доминирует в этой модели. Фиолетовые линии сетки отмечают космологическое время с интервалом в один миллиард лет после Большого взрыва. Голубые линии сетки отмечают приближающееся расстояние с интервалом в один миллиард световых лет в нынешнюю эпоху (меньше в прошлом и больше в будущем). Круговое скручивание поверхности является результатом встраивания, не имеющим физического значения и выполнено в иллюстративных целях; плоская вселенная не сворачивается сама в себя. (Аналогичный эффект можно увидеть в трубчатой ​​форме псевдосфера .)

Коричневая линия на схеме — мировая линия Земли (точнее, ее расположение в космосе, еще до ее образования). Желтая линия — это мировая линия самого далекого из известных квазаров . Красная линия — это путь луча света, 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 больше расстояния, чем возраст Вселенной, умноженный на скорость света, ct .

Согласно принципу эквивалентности общей теории относительности, правила специальной теории относительности локально действительны в небольших областях пространства-времени, которые примерно плоские. В частности, свет всегда распространяется локально со скоростью c ; на диаграмме это означает, согласно правилам построения пространственно-временных диаграмм, что лучи света всегда составляют угол 45° с локальными линиями сетки. Однако из этого не следует, что свет проходит расстояние ct за время t , как это иллюстрирует красная мировая линия. Хотя он всегда движется локально со скоростью c , время его пути (около 13 миллиардов лет) не связано с пройденным расстоянием каким-либо простым образом, поскольку Вселенная расширяется по мере того, как луч света пересекает пространство и время. Таким образом, пройденное расстояние по своей сути неоднозначно из-за меняющегося масштаба Вселенной. Тем не менее, есть два расстояния, которые кажутся физически значимыми: расстояние между Землей и квазаром, когда испускался свет, и расстояние между ними в современную эпоху (срез конуса вдоль измерения, определяемого как пространственное измерение). ). Первое расстояние составляет около 4 миллиардов световых лет, что намного меньше, чем ct , тогда как последнее расстояние (показано оранжевой линией) составляет около 28 миллиардов световых лет, что намного больше, чем ct . Другими словами, если бы пространство не расширялось 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 времени, чем 4 миллиарда лет, чтобы достичь нас, хотя он излучался всего на расстоянии 4 миллиардов световых лет. Фактически, свет, излучаемый в сторону Земли, на самом деле удалялся от Земли, когда он был впервые испущен; метрическое расстояние до Земли увеличивалось с космологическим временем в течение первых нескольких миллиардов лет времени ее путешествия, что также указывает на то, что расширение пространства между Землей и квазаром в ранние времена было быстрее, чем скорость света. Ничто из этого поведения не происходит из-за особого свойства метрического расширения, а скорее из-за локальных принципов специальной теории относительности, интегрированных по искривленной поверхности.

Топология расширяющегося пространства

Со временем пространство , составляющее Вселенную , расширяется. Слова « пространство » и « вселенная », иногда используемые как синонимы, имеют в этом контексте разные значения. Здесь «пространство» — это математическое понятие, обозначающее трехмерное многообразие , в которое включены наши соответствующие позиции, тогда как «вселенная» относится ко всему, что существует, включая материю и энергию в пространстве, дополнительные измерения, которые могут быть обернуты. в различных строках и времени, в течение которого происходят различные события. Расширение пространства относится только к этому трехмерному многообразию; то есть описание не включает в себя никаких структур, таких как дополнительные измерения или внешняя вселенная.

Конечная топология пространства является апостериорной – то, что в принципе необходимо соблюдать – поскольку не существует ограничений, которые можно было бы просто обосновать (другими словами, не может быть никаких априорных пространство, в котором мы живем. ограничений) на то, как связано или же оно заворачивается в 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-то вроде « вселенной Pac-Man », где, если путешествовать достаточно далеко в одном направлении, можно просто закончить Вернуться обратно в то же место, как и пройти весь путь вокруг поверхности воздушного шара (или планеты, такой как Земля), — это вопрос наблюдения, который ограничен глобальной геометрией Вселенной как измеримый или неизмеримый . В настоящее время наблюдения согласуются с тем, что Вселенная имеет бесконечную протяженность и представляет собой односвязное пространство , хотя космологические горизонты ограничивают нашу способность различать простые и более сложные предположения. Вселенная могла быть бесконечной или конечной; но доказательства, которые приводят к Инфляционная модель ранней Вселенной также подразумевает, что «общая Вселенная» намного больше наблюдаемой Вселенной. Таким образом, любые края, экзотические геометрии или топологии не будут непосредственно наблюдаемы, поскольку свет не достиг масштабов, в которых такие аспекты Вселенной, если они существуют, все еще разрешены. По сути, можно с уверенностью предположить, что Вселенная бесконечна в пространстве, без границ или странных связей.

Независимо от общей формы Вселенной, вопрос о том, во что расширяется Вселенная, согласно теориям, описывающим расширение, не требует ответа; 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 его бесконечной протяженности. Единственное, 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 следствия наблюдения, связанные с метрическим расширением, рассматриваемым ниже. Для расширения не требуется никакого «внешнего» или погружения в гиперпространство. Представления о том, как Вселенная превращается в пузырь, превращающийся в ничто, в этом отношении вводят в заблуждение. Нет никаких оснований полагать, что существует что-то «вне» расширяющейся Вселенной, куда она расширяется.

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

Плотность Вселенной во время расширения

Несмотря на то, что Вселенная была чрезвычайно плотной в очень молодом возрасте и во время части своего раннего расширения – намного плотнее, чем обычно требуется для образования черной дыры – Вселенная не схлопнулась повторно в черную дыру. Это связано с тем, что обычно используемые расчеты гравитационного коллапса обычно основаны на объектах относительно постоянного размера, таких как звезды , и не применимы к быстро расширяющемуся пространству, такому как Большой взрыв.

Эффекты расширения в малых масштабах

Расширение пространства иногда описывается как сила, которая раздвигает объекты. Хотя это точное описание эффекта космологической постоянной, оно не дает точной картины явления расширения в целом.

Анимация расширяющейся модели хлеба с изюмом. По мере увеличения ширины хлеба (глубины и длины) расстояние между изюминками также увеличивается вдвое.

Помимо замедления общего расширения, гравитация вызывает локальное слипание материи в звезды и галактики. Как только объекты сформированы и связаны гравитацией, они «выпадают» из расширения и впоследствии не расширяются под влиянием космологической метрики, поскольку не существует силы, вынуждающей их к этому.

Нет никакой разницы между инерционным расширением Вселенной и инерционным разделением близлежащих объектов в вакууме; первое является просто крупномасштабной экстраполяцией второго.

Когда объекты связаны гравитацией, они больше не удаляются друг от друга. Таким образом, Галактика Андромеды , связанная с Галактикой Млечный Путь , на самом деле падает к нам, а не расширяется. Внутри Местной группы гравитационные взаимодействия изменили структуру инерции объектов так, что космологическое расширение не происходит. За пределами Местной группы инерционное расширение измеримо, хотя систематические гравитационные эффекты предполагают, что все большие и большие части пространства в конечном итоге выпадают из « Потока Хаббла » и в конечном итоге превращаются в связанные, нерасширяющиеся объекты вплоть до масштабов сверхскоплений Земли. галактики. Такие будущие события можно предсказать, зная точный способ изменения Потока Хаббла, 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 мы в конечном итоге слились бы, если бы не действовала темная энергия.

Следствием метрического расширения, обусловленного инерционным движением, является то, что однородный локальный «взрыв» материи в вакуум может быть локально описан геометрией FLRW , той самой геометрией, которая описывает расширение Вселенной в целом и также была 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 взрывающегося вещества — явление, аналогичное перетаскиванию системы координат .

Ситуация несколько меняется с введением темной энергии или космологической постоянной. Космологическая постоянная, обусловленная плотностью энергии вакуума , приводит к добавлению силы отталкивания между объектами, которая пропорциональна (а не обратно пропорциональна) расстоянию. В отличие от инерции он активно «тянет» объекты, слипшиеся под действием гравитации, и даже отдельные атомы. Однако это не приводит к постоянному росту или распаду объектов; если они не очень слабо связаны, они просто придут в равновесное состояние, которое немного (необнаружимо) больше, чем было бы в противном случае. По мере расширения Вселенной и утончения вещества в ней гравитационное притяжение уменьшается (поскольку оно пропорционально плотности), а космологическое отталкивание возрастает. Таким образом, окончательная судьба вселенной ΛCDM — это почти вакуумное расширение со все возрастающей скоростью под влиянием космологической постоянной. Однако гравитационно-связанные объекты, такие как Млечный Путь, не расширяются, а Галактика Андромеды движется к нам достаточно быстро, поэтому она все равно сольется с Млечным Путем примерно через 3 миллиарда лет.

Метрическое расширение и скорость света

В конце периода инфляции ранней Вселенной вся материя и энергия во Вселенной находились на инерциальной траектории, соответствующей принципу эквивалентности и Эйнштейна общей теории относительности . Именно тогда точная и правильная форма расширения Вселенной возникла (то есть, материя во Вселенной разделяется, потому что она разделялась в прошлом из-за поля инфлатона ).

Хотя специальная теория относительности запрещает объектам двигаться быстрее скорости света относительно локальной системы отсчета , где пространство-время можно рассматривать как плоское и неизменное , она не применима к ситуациям, когда кривизна пространства-времени или эволюция во времени становятся важными. Эти ситуации описываются общей теорией относительности, которая позволяет расстоянию между двумя удаленными объектами увеличиваться быстрее скорости света, хотя определение «расстояния» здесь несколько отличается от того, которое используется в инерциальной системе отсчета. Определение расстояния, используемое здесь, представляет собой суммирование или интегрирование локальных сопутствующих расстояний , выполняемых в постоянное местное собственное время. Например, галактики, находящиеся дальше радиуса Хаббла , примерно на 4,5 гигапарсека или 14,7 миллиарда световых лет , от нас, имеют скорость удаления, превышающую скорость света . Видимость этих объектов зависит от точной истории расширения Вселенной. Свет, излучаемый сегодня галактиками за пределами более далеких Космологический горизонт событий , около 5 гигапарсеков 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 расстояние между двумя объектами также может оказаться больше, чем значение, рассчитанное путем умножения скорости света на возраст Вселенной. Эти детали часто вызывают путаницу среди любителей и даже профессиональных физиков. Из-за неинтуитивного характера предмета и того, что некоторые называют «неосторожным» выбором формулировок, некоторые описания метрического расширения пространства и неправильные представления, к которым такие описания могут привести, являются постоянным предметом дискуссий в рамках области образования и передачи научных концепций.

Общие аналогии космического расширения

Расширение Вселенной часто иллюстрируется концептуальными моделями, в которых расширяющийся объект представляет собой расширяющееся пространство. Эти модели могут вводить в заблуждение до такой степени, что создают ложное впечатление, что расширяющееся пространство должно нести с собой объекты. В действительности расширение Вселенной можно альтернативно рассматривать как соответствующее только инерционному движению объектов друг от друга.

В « модели муравья на резиновой веревке » можно представить муравья (идеализированного как точечный), ползущего с постоянной скоростью по совершенно эластичной веревке, которая постоянно растягивается. Если мы растянем веревку в соответствии с масштабным коэффициентом ΛCDM и представим скорость муравья как скорость света, то эта аналогия концептуально точна — положение муравья во времени будет соответствовать пути красной линии на диаграмме вложения выше.

В «модели резинового листа» веревку заменяют плоским двумерным резиновым листом, который равномерно расширяется во всех направлениях. Добавление второго пространственного измерения позволяет показать локальные возмущения пространственной геометрии посредством локальной кривизны листа.

В «модели воздушного шара» плоский лист заменяется сферическим воздушным шаром, который надувается с начального нулевого размера (что представляет собой Большой взрыв). Воздушный шар имеет положительную гауссову кривизну , хотя наблюдения показывают, что реальная Вселенная пространственно плоская, но это несоответствие можно устранить, сделав воздушный шар очень большим, чтобы он был локально плоским в пределах наблюдения. Эта аналогия потенциально может сбить с толку, поскольку она может ошибочно предположить, что Большой взрыв произошел в центре воздушного шара. Фактически точки на поверхности воздушного шара не имеют никакого значения, даже если они были заняты воздушным шаром раньше или будут заняты позже.

В «модели хлеба с изюмом» можно представить буханку хлеба с изюмом, расширяющуюся в духовке. Каравай (пространство) расширяется как целое, а изюм (гравитационно-связанные объекты) не расширяется; они просто отодвигаются дальше друг от друга. Недостаток этой аналогии состоит в том, что ошибочно предполагается, что расширение имеет центр и край.

См. также

• Сопутствующие и правильные расстояния

Печатные ссылки

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

Внешние ссылки

• Свенсон, Джим, Ответ на вопрос о расширяющейся Вселенной. Архивировано 11 января 2009 г. в Wayback Machine.
• Фелдер, Гэри, « Расширяющаяся вселенная ».
• НАСА Команда WMAP предлагает « Объяснение вселенского расширения » на элементарном уровне.
• Учебное пособие по Хабблу от физического факультета Университета Висконсина. Архивировано 9 июня 2014 г. в Wayback Machine.
• Расширяющийся хлеб с изюмом от Виннипегского университета: иллюстрация, но без объяснений
• Аналогия «Муравей на воздушном шаре» для объяснения расширяющейся Вселенной в «Спроси астронома» (астроном, давший это объяснение, не указан).