a tágulás és a tágulási sebesség változásának Méréseszerkesztés
amikor egy tárgy visszahúzódik, fénye megnyúlik (redshifted). Amikor az objektum közeledik, fénye összenyomódik (blueshifted).,
Az elv, a bővítés az univerzum lehetett mérni azáltal, hogy egy standard uralkodó, valamint a mérési távolság a két cosmologically távoli pontot, várnak egy bizonyos időt, majd a mérési távolság újra, de a gyakorlatban standard uralkodók nem könnyű megtalálni a kozmológiai mérleg, valamint az időn át, amely mérhető bővítése lenne látható vagy túl nagy lesz megfigyelhető még több generáció az emberek. A tér tágulását közvetett módon mérik., A relativitáselmélet szerint a jelenségek kapcsolódó bővítése, különösen a vöröseltolódás-szemben a távkapcsolat ismert, mint a Hubble-Törvény; funkcionális formája a kozmológiai távolság mérések, amelyek különböznek, hogy mi lenne várható, ha a tér nem voltak bővülő; valamint egy megfigyelhető változás az anyag, vagy energia sűrűsége az univerzumban láttam a különböző visszatekintési alkalommal.
a tér tágulásának első mérése a Hubble sebesség vs. redshift reláció megvalósításával jött létre., Legutóbb, ha összehasonlítjuk a távoli standard gyertyák látszólagos fényerejét a gazdagalaxisok vöröseltolódásával, az univerzum tágulási sebességét H0 = 73,24 ± 1,74 (km/s)/Mpc-nek mértük. Ez azt jelenti, hogy minden millió parszek távolságra a megfigyelő, a fény kapott, hogy a távolság kozmológiailag vöröselt körülbelül 73 km / másodperc (160.000 mph). Másrészt egy kozmológiai modell, például Lambda-CDM modell feltételezésével a Hubble-állandót a kozmikus mikrohullámú háttér legnagyobb ingadozásainak méretéből lehet következtetni., Egy magasabb Hubble-állandó kisebb jellemző CMB-ingadozást jelentene, és fordítva. A Planck-együttműködés így méri a tágulási sebességet, és meghatározza a H0 = 67,4 ± 0,5 (km/s)/Mpc értéket. A két mérés között nézeteltérés van, a távolságmérő modellfüggetlen, a CMB mérés pedig a felszerelt modelltől függően, ami a standard kozmológiai modelleken túlmutató új fizikára utal.
A Hubble paraméter nem tekinthető állandónak az idő múlásával. Az univerzum részecskéire dinamikus erők hatnak, amelyek befolyásolják a tágulási sebességet., Korábban azt várták, hogy a Hubble paraméter csökken az idő múlásával a gravitációs kölcsönhatások hatása miatt az univerzumban, és így van egy további megfigyelhető mennyiség az univerzumban, az úgynevezett lassulási paraméter, amelyet a kozmológusok várhatóan közvetlenül kapcsolódnak az univerzum anyagsűrűségéhez. Meglepő módon a lassulási paramétert két különböző csoport mérte, hogy kevesebb legyen, mint nulla (valójában -1-nek felel meg), ami azt jelentette, hogy ma a Hubble paraméter az idő múlásával állandó értékre konvergál., Néhány kozmológus szeszélyesen nevezte a “gyorsító univerzumhoz” kapcsolódó hatást a “kozmikus bunkónak”. A 2011-es fizikai Nobel-díjat ennek a jelenségnek a felfedezéséért adták.
október 2018, a tudósok bemutatott egy új, harmadik út (két korábbi módszerek, az egyik alapján a vöröseltolódása, a másik a kozmikus távolság létra, eredményeink nem ért egyet), információk segítségével, a gravitációs hullám események (különösen azoknál is, amelyek az egyesülés neutron csillagok, mint GW170817), a meghatározására, hogy a Hubble Állandó, alapvető intézményei-a mértékű bővítése az univerzum.,
távolságmérés a spaceEdit bővítésében
a kozmológiai skálákon a jelenlegi univerzum geometriailag lapos, vagyis az euklideszi geometria szabályai az euklideszi ötödik posztulátum tartásához kapcsolódnak, bár a múltban a téridő nagyon ívelt lehetett. Részben az ilyen különböző geometriák befogadására, az univerzum tágulása eredendően általános relativisztikus; önmagában nem lehet speciális relativitással modellezni, bár léteznek ilyen modellek, alapvető ellentmond az anyag és a világegyetemünkben látott téridő közötti megfigyelt kölcsönhatásnak.,
A jobb oldali képek a ΛCDM kozmológiai modell szerint a világegyetem nagyméretű geometriáját bemutató téridő-diagramok két nézetét mutatják. A tér két dimenziója elhagyható, így a tér egyik dimenziója (a kúp növekedésével növekvő dimenzió) és az egyik (a kúp felszínét “felfelé” haladó dimenzió)., A diagram keskeny kör alakú vége 700 millió évvel az ősrobbanás után kozmológiai időnek felel meg, míg a széles vég 18 milliárd éves kozmológiai idő, ahol a gyorsuló terjeszkedés kezdetét a téridő kifelé történő szétterjedésének tekinthetjük, amely funkció végül dominál ebben a modellben. A lila rácsvonalak a kozmológiai időt a nagyrobbanástól számított egymilliárd éves időközönként jelzik. A cián-rács vonalai a jelenlegi korszakban (a múltban kevésbé, a jövőben pedig inkább) egymilliárd fényévnyi időközökkel jelzik a comoving távolságot., Vegye figyelembe, hogy a felület kör alakú curlingje a beágyazódás tárgyának fizikai jelentősége nincs, és pusztán azért történik, hogy az illusztráció megtekinthető legyen; a tér valójában nem hajlik körül önmagában. (Hasonló hatás látható a pszeudoszféra cső alakú alakjában.)
a diagram barna vonala a Föld világvonala (vagy korábbi időkben a föld képződéséhez kondenzált anyag). A sárga vonal a legtávolabbi ismert kvazár világvonala., A vörös vonal egy olyan fénysugár útja, amelyet a kvazár körülbelül 13 milliárd évvel ezelőtt bocsátott ki, és amely a mai napig eléri a Földet. A narancssárga vonal a kvazár és a Föld közötti mai távolságot mutatja, körülbelül 28 milliárd fényévet, ami nagyobb távolság, mint az univerzum kora, szorozva a fénysebességgel: ct.
az általános relativitáselmélet egyenértékűségi elve szerint a speciális relativitáselmélet szabályai helyileg érvényesek a téridő kis régióiban, amelyek megközelítőleg laposak., Különösen a fény mindig utazik helyben sebességgel c; a diagram, ez azt jelenti, hogy az egyezmény szerint építésének téridő diagramok, hogy a fénysugarak mindig egy 45° a helyi rácsvonalak. Nem követi azonban, hogy a fény T-idő alatt halad el egy távolságot, amint azt a vörös világvonal szemlélteti. Míg C-nél mindig helyben mozog ,a tranzitidő (körülbelül 13 milliárd év) nem kapcsolódik a megtett távolsághoz, mivel az univerzum tágul, ahogy a fénysugár áthalad a térben és az időben., Valójában a megtett távolság eredendően kétértelmű az univerzum változó skálája miatt. Ennek ellenére két, fizikailag értelmezhetőnek tűnő távolságot különböztethetünk meg: a föld és a kvazár közötti távolságot, amikor a fényt kibocsátották, valamint a köztük lévő távolságot a jelen korszakban (a kúp egy szeletét a dimenzió mentén, amelyet térbeli dimenziónak nyilvánítottunk)., Az előbbi távolság körülbelül 4 milliárd fényév, sokkal kisebb, mint a ct, mert az univerzum kibővült, amikor a fény megtett a távolságot, a fénynek “futnia kellett a futópad ellen”, ezért tovább ment, mint a Föld és a kvazár közötti kezdeti elválasztás. Az utóbbi távolság (a narancssárga vonal mutatja) körülbelül 28 milliárd fényév, sokkal nagyobb, mint a ct., Ha a terjeszkedést ma azonnal le lehetne állítani, akkor 28 milliárd évbe telne, amíg a fény a Föld és a kvazár között halad, míg ha a terjeszkedés korábban megállt volna, akkor csak 4 milliárd évbe telt volna.,
a fény sokkal tovább tartott, mint 4 milliárd év, hogy elérjen minket, bár csak 4 milliárd fényévnyire bocsátották ki, és valójában a Föld felé kibocsátott fény valójában távolodott a Földtől, amikor először bocsátották ki, abban az értelemben, hogy a Föld metrikus távolsága kozmológiai idővel nőtt az utazási idő első néhány milliárd évében, és azt is jelzi, hogy a föld és a kvazár közötti tér tágulása korai időben gyorsabb volt, mint a fénysebesség., E meglepő viselkedés egyike sem a metrikus terjeszkedés különleges tulajdonságából származik, hanem egyszerűen az ívelt felületre integrált speciális relativitás helyi elveiből.
Topológia, bővülő spaceEdit
grafikus ábrázolása a bővítés az univerzum az ősrobbanás, hogy a mai napig, az inflációs korszak képviselteti magát, mint a drámai bővítése a metrikus láttam a bal oldalon. Ez a vizualizáció zavaró lehet, mert úgy tűnik, mintha az univerzum idővel egy már létező üres térré bővül., Helyette, a terjeszkedés létre, és továbbra is létrehozni, az összes ismert tér és idő.
idővel az univerzumot alkotó tér bővül. A ” tér “és az” univerzum ” szavak, amelyeket néha felcserélhetően használnak, különböző jelentéssel bírnak ebben az összefüggésben., Itt a ‘hely’ egy matematikai fogalom, azt jelenti, hogy a három-dimenziós sokrétű, amelybe a megfelelő pozíciók beágyazott míg a ‘universe’ utal, hogy minden, ami létezik, beleértve az anyag, vagy energia a térben, az extra dimenziók, hogy lehet csomagolva különböző szálat, majd az idő, amelyen keresztül különböző események zajlanak. A tér tágulása csak erre a 3D-s elosztóra vonatkozik; vagyis a leírás nem tartalmaz olyan struktúrákat, mint az extra dimenziók vagy a külső univerzum.,
a tér végső topológiája utólagos-amit elvileg be kell tartani–, mivel nincsenek olyan korlátok, amelyeket egyszerűen meg lehet indokolni (más szóval nem lehet a priori korlátozás) arról, hogy a hely, amelyben élünk, hogyan kapcsolódik össze, vagy hogy kompakt térként körbeveszi-e magát., Bár bizonyos kozmológiai modell, mint a Gödel az univerzum is lehetővé bizarr worldlines, amelyek metszik magukat, végső soron az a kérdés, hogy vagyunk-e valami, mint a “Pac-Man univerzum”, ahol, ha messzire utazik elég egy irányba lehetővé tenné, hogy egyszerűen csak a végén vissza ugyanazon a helyen, mintha körbe a felszínen egy lufi (vagy egy bolygó, mint a Föld), egy megfigyeléses kérdés, amely korlátozza, mint mérhető, vagy nem mérhető az univerzum globális geometria., Jelenleg a megfigyelések összhangban vannak azzal, hogy az Univerzum végtelen kiterjedésű és egyszerűen összekapcsolt, bár korlátozottan különböztetjük meg a kozmológiai horizontok egyszerű és bonyolultabb javaslatait., Az univerzum végtelen kiterjedésű, vagy lehet, hogy véges, de a bizonyíték arra, hogy vezet, hogy az inflációs modell a korai univerzum azt is jelenti, hogy a “teljes univerzum” sokkal nagyobb, mint a megfigyelhető univerzumban, így bármelyik széle vagy egzotikus geometriák vagy topologies nem lenne közvetlenül megfigyelhető, mint a fény nem jutott mérleg, mely ilyen szempontból a világegyetem, ha vannak ilyenek, még nem szabad. Minden szándék és cél szempontjából nyugodtan feltételezhetjük, hogy az univerzum térbeli kiterjedésben végtelen, él vagy furcsa kapcsolat nélkül.,
Az univerzum általános alakjától függetlenül az a kérdés, hogy mibe terjeszkedik az univerzum, nem igényel választ a tágulást leíró elméletek szerint; a világegyetemben a tér meghatározásának módja semmilyen módon nem igényel további külső teret, amelybe kibővülhet, mivel egy végtelen kiterjedés kiterjedése megtörténhet anélkül, hogy megváltoztatná a kiterjedés végtelen mértékét. Minden, ami biztos, hogy a sokrétű tér, amelyben élünk, egyszerűen az a tulajdonsága,hogy a távolságok tárgyak egyre nagyobb az idő múlásával., Ez csak az alábbiakban feltárt metrikus terjeszkedéshez kapcsolódó egyszerű megfigyelési következményeket vonja maga után. Nem” külső ” vagy beágyazása a hipertérben van szükség a bővítés fordul elő. E tekintetben félrevezetőek azok a vizualizációk, amelyeket gyakran úgy látnak, hogy az univerzum buborékként növekszik a semmibe. Nincs ok azt hinni, hogy van valami “kívül” a táguló univerzumban, amelybe az univerzum kibővül.,
még akkor is, ha a teljes térbeli kiterjedés végtelen, így az univerzum nem tud “nagyobbat” kapni, még mindig azt mondjuk, hogy a tér bővül, mert helyileg az objektumok közötti jellemző távolság növekszik. Ahogy egy végtelen tér nő, végtelen marad.
Sűrűsége az univerzumban során expansionEdit
annak Ellenére, hogy rendkívül sűrű, amikor nagyon fiatal, egy része alatt a korai terjeszkedés – sokkal sűrűbb, mint általában szükséges nyomtatvány egy fekete lyuk – az univerzum nem újra összeomlott egy fekete lyuk., Ennek oka az, hogy a gravitációs összeomlás általánosan használt számításai általában viszonylag állandó méretű tárgyakon, például csillagokon alapulnak, és nem vonatkoznak a gyorsan bővülő térre, például az Ősrobbanásra.
A terjeszkedés hatása a kis méretekreszerkesztés
a tér terjeszkedését néha olyan erőnek írják le, amely az objektumokat egymástól eltolja. Bár ez a kozmológiai állandó hatásának pontos leírása, általában nem pontos kép a terjeszkedés jelenségéről.,
egy bővülő mazsola kenyér modell animációja. Mivel a kenyér szélessége (mélysége és hossza) megduplázódik, a mazsola közötti távolság is megduplázódik.
amellett, hogy lassítja a teljes tágulást, a gravitáció az anyag lokális összetapadását okozza csillagokba és galaxisokba. Amint a tárgyak kialakulnak és a gravitáció megköti őket, “kiesnek” a tágulásból, és ezt követően nem tágulnak a kozmológiai metrika hatása alatt, nincs olyan erő, amely erre kényszerítené őket.,
nincs különbség a világegyetem inerciális tágulása és a közeli objektumok inerciális szétválasztása között vákuumban; az előbbi egyszerűen az utóbbi nagyszabású extrapolációja.
miután az objektumokat gravitáció köti össze, már nem térnek el egymástól. Így az Androméda-Galaxis, amely a Tejút-galaxishoz kötődik, valójában felénk esik, és nem tágul el. A helyi csoporton belül a gravitációs kölcsönhatások megváltoztatták az objektumok inerciális mintáit, így nincs kozmológiai terjeszkedés., Egyszer egy túlmutat a Helyi Csoport, a tehetetlenségi a terjeszkedés mérhető, bár szisztematikus gravitációs hatás azt jelenti, hogy egyre nagyobb részeket tér végül kiesik a “Hubble Flow”, s a végén, mint a kötött, nem bővül tárgyakat, akár a mérleg szuperklasztereket a galaxisok. Megjósolhatjuk az ilyen jövőbeli eseményeket azáltal, hogy tudjuk, hogy a Hubble-áramlás pontosan hogyan változik, valamint azoknak a tárgyaknak a tömegeit, amelyekre gravitációsan húzunk., Jelenleg a helyi csoportot gravitációsan húzzák a Shapley Supercluster vagy a “nagy Attraktor” felé, amellyel, ha a sötét energia nem működne, végül összeolvadnánk, és ilyen idő után már nem látnánk terjeszkedni tőlünk.
a metrikus tágulás inerciális mozgás miatti következménye az, hogy az anyag vákuumba történő egyenletes helyi “robbanása” lokálisan leírható az FLRW geometriával, ugyanazzal a geometriával, amely leírja az univerzum egészének kiterjedését, és az egyszerűbb Milne univerzum alapja is volt, amely figyelmen kívül hagyja a gravitáció hatásait., Különösen az általános relativitáselmélet azt jósolja, hogy a fény a C sebességgel mozog a felrobbanó anyag helyi mozgásához képest, ez a jelenség hasonló a keret húzásához.
a helyzet kissé megváltozik a sötét energia vagy a kozmológiai állandó bevezetésével. A vákuum energiasűrűség miatti kozmológiai állandónak az a hatása, hogy visszataszító erőt ad az objektumok között, amely arányos (nem fordítottan arányos) a távolsággal. A tehetetlenséggel ellentétben aktívan “húzza” azokat a tárgyakat, amelyek a gravitáció hatására, sőt az egyes atomokra is összetapadtak., Ez azonban nem okozza a tárgyak folyamatos növekedését vagy szétesését; hacsak nem nagyon gyengén kötődnek, egyszerűen egyensúlyi állapotba kerülnek, amely kissé (észrevétlenül) nagyobb, mint egyébként. Mivel a világegyetem tágul, de az ügy a thins, a gravitációs vonzás csökken (mivel arányos a sűrűség), míg a kozmológiai taszítás növeli; így a végső sorsa a ΛCDM univerzum egy közel vákuum bővülő egy egyre növekvő aránya hatása alatt a kozmológiai állandó., Azonban a csak helyben látható hatása a gyorsuló tágulás eltűnése (a szökevény vöröseltolódás) a távoli galaxisok; gravitációsan kötött tárgyak, mint a Tejút ne bontsa ki, majd az Androméda-galaxis mozog elég gyorsan felénk, hogy még mindig összeolvad a Tejút a 3 milliárd év múlva, de az is valószínű, hogy az egyesített supergalaxy, hogy a formák, előbb-utóbb bele, s összeolvad a közeli Virgo-Halmaz. Az ettől távolabb fekvő galaxisok azonban egyre nagyobb sebességgel visszahúzódnak,és a látótávolságunkból kikerülnek.,
metrikus tágulás és fénysebességszerkesztés
a korai Univerzum inflációs periódusának végén az univerzum összes anyagát és energiáját az ekvivalencia elvével és Einstein általános relativitáselméletével összhangban álló inerciális pályára állították, és ekkor jött létre az univerzum tágulásának pontos és szabályos formája (vagyis az anyag az univerzumban elkülönül, mert a múltban az inflációs mező miatt szétvált).,
Míg a speciális relativitás tiltja tárgyak gyorsabban, mint a fény tekintetében a helyi referencia keret, ahol a téridő lehet kezelni, mint lapos, változatlan, nem vonatkozik olyan esetekre, ahol a téridő görbülete, vagy evolúció idő lesz fontos. Ezeket a helyzeteket az általános relativitás jellemzi, amely lehetővé teszi, hogy a két távoli objektum elválasztása gyorsabban növekedjen, mint a fénysebesség, bár a “távolság” meghatározása itt némileg eltér a tehetetlenségi keretben használt értéktől., Az itt használt távolság meghatározása a helyi comoving távolságok összegzése vagy integrálása, mindezt állandó helyi megfelelő időben. Például a Hubble sugárnál nagyobb, körülbelül 4, 5 gigaparsec vagy 14, 7 milliárd fényév távolságra lévő galaxisok recessziós sebességgel rendelkeznek, amely gyorsabb, mint a fénysebesség. Ezeknek a tárgyaknak a láthatósága az univerzum pontos tágulási történetétől függ., A távolabbi kozmológiai eseményhorizonton túli Galaxisokból ma kibocsátott fény, körülbelül 5 gigaparsec vagy 16 milliárd fényév, soha nem fog elérni minket, bár még mindig láthatjuk a fényt, amelyet ezek a galaxisok a múltban bocsátottak ki. A nagy tágulási sebesség miatt lehetséges, hogy a két objektum közötti távolság nagyobb legyen, mint a fénysebességnek az univerzum korával való szorzásával kiszámított érték. Ezek a részletek gyakori zavart okoznak az amatőrök, sőt a hivatásos fizikusok körében., A tantárgy nem intuitív jellege miatt, és amit egyesek “gondatlan” megfogalmazási lehetőségként írtak le, a tér metrikus terjeszkedésének bizonyos leírása, valamint az ilyen leírások által előidézett téveszmék folyamatos vita tárgyát képezik az oktatás és a tudományos fogalmak kommunikációja területén.
Scale factorredit
alapvető szinten az univerzum tágulása a világegyetem legnagyobb mérhető skáláján végzett térbeli mérés tulajdonsága., A kozmológiailag releváns pontok közötti távolság növekszik az idő múlásával, ami az alábbiakban ismertetett megfigyelhető hatásokhoz vezet. Az univerzum ezen tulajdonságát egyetlen paraméter jellemezheti, amelyet skála tényezőnek neveznek, amely az idő függvénye és az összes tér egyetlen értéke bármely pillanatban (ha a skála tényező a tér függvénye lenne, ez sértené a kozmológiai elvet). Konvenció szerint a léptéktényező a jelen pillanatban egységesnek van beállítva, és mivel az univerzum tágul, a múltban kisebb, a jövőben pedig nagyobb., Az időben történő extrapolálás bizonyos kozmológiai modellekkel egy olyan pillanatot eredményez,amikor a skála tényezője nulla volt; a kozmológia jelenlegi megértése ezúttal 13.799 ± 0.021 milliárd évvel ezelőtt állítja be. Ha az univerzum továbbra is örökké bővül, a skála tényező a jövőben megközelíti a végtelenséget. Elvileg nincs ok arra, hogy a bővítés az univerzumban kell lennie, monoton, illetve vannak olyan típusok, ahol valamikor a jövőben a léptéktényező csökken egy kísérő összehúzódása tér helyett a terjeszkedés.,
az expanzió más fogalmi modelljeszerkesztés
a tér terjeszkedését gyakran olyan fogalmi modellekkel illusztrálják, amelyek csak a tér méretét mutatják egy adott időben, így az idő dimenziója implicit.
az “ant on a rubber rope model” – ben egy hangyát (idealizált pontszerű) képzelünk el, amely állandó sebességgel mászik egy tökéletesen rugalmas kötélen, amely folyamatosan nyújt., Ha a kötelet a ΛCDM skálatényezőnek megfelelően nyújtjuk, és úgy tekintünk a hangya sebességére, mint a fény sebességére, akkor ez az analógia számszerűen pontos – a hangya helyzete idővel megegyezik a fenti beágyazási diagram piros vonalának útjával.
a “gumilap modellben” a kötelet egy lapos, kétdimenziós gumilap helyettesíti, amely minden irányban egyenletesen bővül. Egy második térbeli dimenzió hozzáadása felveti annak lehetőségét, hogy a térbeli geometria helyi perturbációit a lap helyi görbületével mutassa be.,
a “ballonmodellben” a lapos lapot egy gömb alakú ballon váltja fel, amely nulla kezdeti méretből felfújódik (ami az ősrobbanást jelenti). A léggömb pozitív Gauss-görbülettel rendelkezik, míg a megfigyelések azt sugallják, hogy az igazi univerzum térben lapos, de ez az ellentmondás kiküszöbölhető úgy, hogy a ballont nagyon nagy méretűvé teszi, hogy helyileg sík legyen a megfigyelés határain belül. Ez az analógia potenciálisan zavaró, mivel tévesen azt sugallja, hogy az ősrobbanás a ballon közepén történt., Valójában rámutat a felszínen a ballon nincs értelme, akkor is, ha elfoglalták a ballon egy korábbi időpontban.
a “mazsola kenyér modellben” egy kenyér mazsola kenyeret képzel el, amely a sütőben bővül. A kenyér (tér) egésze tágul, de a mazsola (gravitációsan kötött tárgyak) nem tágul; csak távolabb nőnek egymástól.