de Măsurare de extindere și schimbare de rata de expansionEdit
atunci Când un obiect este în scădere, lumina ei devine întins (redshifted). Când obiectul se apropie, lumina sa devine comprimat (blueshifted).,în principiu, expansiunea universului ar putea fi măsurată luând o riglă standard și măsurând distanța dintre două puncte cosmologic îndepărtate, așteptând un anumit timp și apoi măsurând din nou Distanța, dar în practică, riglele standard nu sunt ușor de găsit pe scări cosmologice, iar intervalele de timp peste care o expansiune măsurabilă ar fi vizibilă sunt prea mari pentru a fi observabile chiar și de mai multe generații de oameni. Extinderea spațiului este măsurată indirect., Teoria relativității prezice fenomene asociate expansiunii, în special relația redshift-versus-distanță cunoscută sub numele de legea lui Hubble; forme funcționale pentru măsurători cosmologice ale distanței care diferă de ceea ce s-ar fi așteptat dacă spațiul nu s-ar extinde; și o schimbare observabilă în densitatea materiei și a energiei universului văzută la momente diferite de retrospectivă.prima măsurare a expansiunii spațiului a venit odată cu realizarea de către Hubble a relației viteză vs. redshift., Cel mai recent, prin compararea luminozitatea aparentă a îndepărtat standard lumânări la deplasarea spre roșu de gazda lor galaxii, rata de expansiune a universului a fost măsurată să fie H0 = 73.24 ± 1.74 (km/s)/Mpc. Aceasta înseamnă că pentru fiecare milion de parseci de distanță față de observator, lumina primită de la acea distanță este redshifted cosmologic cu aproximativ 73 kilometri pe secundă (160.000 mph). Pe de altă parte, prin asumarea unui model cosmologic, de exemplu modelul Lambda-CDM, se poate deduce Constanta Hubble din dimensiunea celor mai mari fluctuații observate în fundalul microundelor cosmice., O constantă Hubble mai mare ar implica o dimensiune caracteristică mai mică a fluctuațiilor CMB și invers. Colaborarea Planck măsoară rata de expansiune în acest fel și determină H0 = 67.4 ± 0.5 (km/s)/MPC. Există un dezacord între cele două măsurători, scara de distanță fiind independentă de model și măsurarea CMB în funcție de modelul montat, ceea ce indică o nouă fizică dincolo de modelele noastre cosmologice standard.
parametrul Hubble nu este considerat a fi constant în timp. Există forțe dinamice care acționează asupra particulelor din univers care afectează rata de expansiune., A fost mai devreme de așteptat ca Hubble parametru ar fi în scădere pe măsură ce trecea timpul, datorită influenței interacțiunilor gravitaționale din univers, și, astfel, există o suplimentare observabile cantitatea în univers numit decelerare parametru care cosmologii de așteptat să fie direct legate de densitatea materiei din univers. În mod surprinzător, parametrul de decelerare a fost măsurat de două grupuri diferite pentru a fi mai mic decât zero (de fapt, în concordanță cu -1), ceea ce a presupus că astăzi parametrul Hubble converge la o valoare constantă pe măsură ce timpul trece., Unii cosmologi au numit capricios efectul asociat cu „universul accelerator” „Smucitura cosmică”. Premiul Nobel pentru Fizică din 2011 a fost acordat pentru descoperirea acestui fenomen.
În octombrie 2018, oamenii de stiinta au prezentat o nouă treia cale (primele două metode, una bazată pe redshifts și altul pe scara distanțelor cosmice, a dat rezultate care nu sunt de acord), folosind informații de la gravitațională val de evenimente (mai ales cele care implică fuziunea dintre stelele neutronice, ca GW170817), de a determina Constanta Hubble, esențiale în stabilirea ratei de expansiune a universului.,această secțiune este scrisă ca o reflecție personală, eseu personal sau eseu argumentativ care afirmă sentimentele personale ale unui editor Wikipedia sau prezintă un argument original despre un subiect. Vă rugăm să ajutați la îmbunătățirea acesteia rescriind-o într-un stil enciclopedic., (August 2015) (a Învăța cum și când să elimina acest șablon de mesaj)
la scară cosmologică universul prezent este Geometric plat, ceea ce înseamnă că regulile geometriei euclidiene asociate cu al cincilea postulat al lui Euclid, deși în trecut spațiul-timp ar fi putut fi foarte curbat. În parte pentru a se adapta unor astfel de geometrii diferite, expansiunea universului este în mod inerent relativistă generală; nu poate fi modelată doar cu relativitatea specială, deși astfel de modele există, ele sunt în contradicție fundamentală cu interacțiunea observată între materie și spațiu-timp văzută în universul nostru.,imaginile din dreapta arată două vederi ale diagramelor spațiu-timp care arată geometria la scară largă a universului conform modelului cosmologic ΛCDM. Două dintre dimensiunile spațiului sunt omise, lăsând o dimensiune a spațiului (dimensiunea care crește pe măsură ce conul se mărește) și una a timpului (dimensiunea care urcă „în sus” pe suprafața conului)., Înguste circulară end din diagramă corespunde unui cosmologice timp de 700 de milioane de ani după big bang, în timp ce la sfârșitul largă este un cosmologice timp de 18 miliarde de ani, unde se poate vedea începutul de expansiune accelerată ca o splaying exterior de spațiu-timp, o caracteristică care în cele din urmă domină în acest model. Liniile de grilă purpurie marchează timpul cosmologic la intervale de un miliard de ani de la big bang. Liniile de rețea cyan marchează distanța de comoving la intervale de un miliard de ani lumină în epoca actuală (mai puțin în trecut și mai mult în viitor)., Rețineți că ondularea circulară a suprafeței este un artefact al încorporării fără semnificație fizică și se face pur și simplu pentru a face ilustrația vizibilă; spațiul nu se învârte de fapt pe sine. (Un efect similar poate fi observat în forma tubulară a pseudosferei.)
linia maro din diagramă este linia Mondială a Pământului (sau, la vremuri anterioare, a materiei care s-a condensat pentru a forma Pământul). Linia galbenă este lumealinia celui mai îndepărtat quasar cunoscut., Linia roșie este calea unui fascicul de lumină emis de quasar în urmă cu aproximativ 13 miliarde de ani și care ajunge pe Pământ în zilele noastre. Linia portocalie arată distanța actuală dintre quasar și Pământ, aproximativ 28 de miliarde de ani lumină, care este, în special, o distanță mai mare decât vârsta universului înmulțită cu viteza luminii: ct.conform principiului echivalenței relativității generale, Regulile relativității speciale sunt valabile local în regiuni mici de spațiu-timp care sunt aproximativ plate., În special, lumina călătorește întotdeauna local cu viteza c; în diagrama noastră, aceasta înseamnă, conform Convenției de construire a diagramelor spațiu-timp, că fasciculele de lumină fac întotdeauna un unghi de 45° cu liniile rețelei locale. Cu toate acestea, nu rezultă că lumina parcurge o distanță ct într-un timp t, așa cum ilustrează red worldline. În timp ce se mișcă întotdeauna local la c, timpul său în tranzit (aproximativ 13 miliarde de ani) nu este legat de distanța parcursă în niciun mod simplu, deoarece universul se extinde pe măsură ce fasciculul de lumină traversează spațiul și timpul., De fapt, distanța parcursă este în mod inerent ambiguă din cauza scării schimbătoare a universului. Cu toate acestea, putem individualiza două distanțe care par a fi fizic semnificativ: distanța între Pământ și quasar, atunci când lumina a fost emisă, iar distanța dintre ele în epoca actuală (luând o felie de conul de-a lungul dimensiune care ne-am declarat a fi dimensiunea spațială)., Fostul distanța este de aproximativ 4 miliarde de ani-lumină, mult mai mică decât ct pentru că universul s-a extins ca lumina a parcurs distanța, lumina avut de a „rula pe banda de alergat” și, prin urmare, a mers mai departe decât inițial de separare între Pământ și quasar. Ultima distanță (indicată de linia portocalie) este de aproximativ 28 de miliarde de ani lumină, mult mai mare decât ct., Dacă expansiunea ar putea fi oprită instantaneu astăzi, ar fi durat 28 de miliarde de ani pentru ca lumina să călătorească între Pământ și quasar, în timp ce dacă expansiunea s-ar fi oprit la momentul anterior, ar fi durat doar 4 miliarde de ani.,
lumina durat mai mult de 4 miliarde de ani pentru a ajunge la noi, deși a fost emisă la doar 4 miliarde de ani-lumină distanță, și, în fapt, lumina emisă spre Pământ a fost de fapt trecerea de la Pământ când acesta a fost emis, în sensul că valoarea distanta de la Pamant a crescut cu cosmologice timp pentru primele câteva miliarde de ani de timp de călătorie, și, de asemenea, indică faptul că extinderea spațiului între Pământ și quasar de la începutul de timp a fost mai rapid decât viteza luminii., Nimic din acest comportament surprinzător nu provine dintr-o proprietate specială a expansiunii metrice, ci pur și simplu din principiile locale ale relativității speciale integrate pe o suprafață curbată.
Topologie de expansiune spaceEdit
O reprezentare grafică a expansiunii universului de la Big Bang până în prezent, cu inflaționiste epoca reprezentat ca expansiunea dramatică a metric vazut pe stânga. Această vizualizare poate fi confuză, deoarece pare ca și cum universul se extinde într-un spațiu gol preexistent în timp., În schimb, expansiunea a creat și continuă să creeze tot spațiul și timpul cunoscute.în timp, spațiul care formează universul se extinde. Cuvintele „spațiu” și „univers”, uneori folosite interschimbabil, au semnificații distincte în acest context., Aici „spațiul” este un concept matematic care reprezintă Galeria tridimensională în care sunt încorporate pozițiile noastre respective, în timp ce „universul” se referă la tot ceea ce există, inclusiv Materia și energia din spațiu, extra-dimensiunile care pot fi înfășurate în diferite șiruri și timpul prin care au loc diverse evenimente. Expansiunea spațiului se referă doar la această galerie 3-D; adică descrierea nu implică structuri precum dimensiuni suplimentare sau un univers exterior.,topologia finală a spațiului este a posteriori – ceva care în principiu trebuie respectat-deoarece nu există constrângeri care pot fi pur și simplu argumentate (cu alte cuvinte nu pot exista constrângeri a priori) cu privire la modul în care spațiul în care trăim este conectat sau dacă se înfășoară pe sine ca un spațiu compact., Deși anumite modele cosmologice, cum ar fi Gödel universul chiar permis bizar worldlines care se intersectează cu ei înșiși, în cele din urmă la întrebarea dacă suntem în ceva ca un „Pac-Man univers” în cazul în care în cazul în care călătoresc destul de departe într-o direcție ar permite o pentru a termina pur și simplu înapoi în același loc ca merge tot drumul în jurul valorii de suprafața unui balon (sau o planetă ca Pământul) este o observatie întrebare care este limitată ca și măsurabile sau nemăsurabile de universul global de geometrie., În prezent, observațiile sunt în concordanță cu faptul că universul este infinit în măsură și pur și simplu conectat, deși suntem limitați în a distinge între propunerile simple și cele mai complicate de orizonturile cosmologice., Universul ar fi infinit în măsură sau ar putea fi finit; dar dovezile care duce la inflaționiste model al universului timpuriu, de asemenea, implică faptul că „întregul univers” este mult mai mare decât universul observabil, și astfel orice margini sau exotice geometrii sau topologii să nu fie direct observabil ca lumina nu a ajuns la cântare pe care astfel de aspecte ale universului, dacă acestea există, sunt încă permise. Din toate punctele de vedere, este sigur să presupunem că universul este infinit în spațiu, fără margini sau conexiuni ciudate.,
indiferent de forma generală a universului, întrebarea în ce se extinde universul este una care nu necesită un răspuns conform teoriilor care descriu expansiunea; modul în care definim spațiul în universul nostru nu necesită în niciun fel spațiu exterior suplimentar în care se poate extinde, deoarece o expansiune a unei întinderi infinite se poate întâmpla fără a schimba întinderea infinită a întinderii. Tot ceea ce este sigur este că spațiul variat în care trăim are pur și simplu proprietatea că distanțele dintre obiecte devin mai mari pe măsură ce timpul trece., Aceasta implică doar consecințele observaționale simple asociate expansiunii metrice explorate mai jos. Nu este necesară nicio” afară ” sau încorporare în hiperspațiu pentru ca o extindere să aibă loc. Vizualizările adesea văzute ale universului crescând ca o bulă în nimic sunt înșelătoare în această privință. Nu există niciun motiv să credem că există ceva „în afara” universului în expansiune în care universul se extinde.,chiar dacă întinderea spațială globală este infinită și astfel universul nu poate fi „mai mare”, tot spunem că spațiul se extinde deoarece, local, distanța caracteristică dintre obiecte este în creștere. Pe măsură ce un spațiu infinit crește, rămâne infinit.în ciuda faptului că era extrem de densă când era foarte tânără și în timpul expansiunii sale timpurii – mult mai densă decât este de obicei necesară pentru a forma o gaură neagră – universul nu s-a re-prăbușit într-o gaură neagră., Acest lucru se datorează faptului că calculele utilizate în mod obișnuit pentru colapsul gravitațional se bazează, de obicei, pe obiecte de dimensiuni relativ constante, cum ar fi stelele, și nu se aplică spațiului care se extinde rapid, cum ar fi Big Bang-ul.
efectele expansiunii la scară micăedit
expansiunea spațiului este uneori descrisă ca o forță care acționează pentru a împinge obiectele în afară. Deși aceasta este o descriere exactă a efectului Constantei cosmologice, nu este o imagine exactă a fenomenului de expansiune în general.,
animație a unui model de pâine stafide în expansiune. Pe măsură ce pâinea se dublează în lățime (adâncime și lungime), distanțele dintre stafide se dublează.pe lângă încetinirea expansiunii globale, gravitația determină aglomerarea locală a materiei în stele și galaxii. Odată ce obiectele sunt formate și legate de gravitație, ele „renunță” la expansiune și nu se extind ulterior sub influența metricii cosmologice, nu există nicio forță care să le oblige să facă acest lucru.,nu există nicio diferență între expansiunea inerțială a universului și separarea inerțială a obiectelor din apropiere într-un vid; prima este pur și simplu o extrapolare pe scară largă a acesteia din urmă.odată ce obiectele sunt legate de gravitație, ele nu se mai retrag unul de celălalt. Astfel, galaxia Andromeda, care este legată de galaxia Calea Lactee, cade de fapt spre noi și nu se extinde. În cadrul Grupului Local, interacțiunile gravitaționale au schimbat modelele inerțiale ale obiectelor, astfel încât nu are loc o expansiune cosmologică., Odată ce unul merge dincolo de Grupul Local, inerțiale de expansiune este măsurabilă, deși sistematică efecte gravitaționale care implică mai mari și mai mari părți a spațiului în cele din urmă va cădea din „Hubble Flux” și sfârșesc prin a fi legat, non-extinde obiectele până la balanța de superroiuri de galaxii. Putem prezice astfel de evenimente viitoare cunoscând modul precis în care se schimbă fluxul Hubble, precum și masele obiectelor către care suntem trași gravitațional., În prezent, grupul Local este tras gravitațional fie spre Superclusterul Shapley, fie spre „marele atractor” cu care, dacă energia întunecată nu ar acționa, în cele din urmă ne-am contopi și nu mai vedem să ne extindem departe de noi după un astfel de timp.o consecință a expansiunii metrice datorată mișcării inerțiale este că o „explozie” locală uniformă a materiei într-un vid poate fi descrisă local de geometria FLRW, aceeași geometrie care descrie expansiunea universului în ansamblu și a fost, de asemenea, baza pentru universul Milne mai simplu care ignoră efectele gravitației., În special, relativitatea generală prezice că lumina se va deplasa cu viteza c în raport cu mișcarea locală a materiei care explodează, un fenomen analog cu glisarea cadrelor.situația se schimbă oarecum odată cu introducerea energiei întunecate sau a unei constante cosmologice. O constantă cosmologică datorată unei densități de energie în vid are ca efect adăugarea unei forțe respingătoare între obiecte care este proporțională (nu invers proporțională) cu distanța. Spre deosebire de inerție, ea „trage” în mod activ asupra obiectelor care s-au strâns împreună sub influența gravitației și chiar asupra atomilor individuali., Totuși, acest lucru nu face ca obiectele să crească constant sau să se dezintegreze; cu excepția cazului în care sunt foarte slab legate, ele se vor așeza pur și simplu într-o stare de echilibru care este ușor (nedetectabil) mai mare decât ar fi fost altfel. Pe măsură ce universul se extinde și materia se subtiaza, atracția gravitațională scade (deoarece este proporțională cu densitatea), în timp ce cosmologice repulsie crește; astfel, soarta finală a ΛCDM universul este un vid lângă extinderea la o rată de creștere sub influența constanta cosmologică., Cu toate acestea, numai la nivel local, efect vizibil de expansiune accelerată este dispariția (de fuga redshift) din galaxii îndepărtate; gravitational legat de obiecte cum ar fi Calea Lactee nu se extindă și galaxia Andromeda se mișcă destul de repede spre noi că va fuziona cu Calea Lactee, 3 miliarde de ani în timp, și este, de asemenea, probabil că a fuzionat supergalaxy care formează în cele din urmă va cădea în și fuziona cu apropiere Virgo. Cu toate acestea, galaxiile situate mai departe de aceasta se vor retrage cu o viteză din ce în ce mai mare și vor fi scoase din raza noastră de vizibilitate.,la sfârșitul perioadei inflaționiste a Universului timpuriu, toată materia și energia din Univers a fost stabilită pe o traiectorie inerțială în concordanță cu principiul echivalenței și cu teoria generală a relativității a lui Einstein și atunci când forma precisă și regulată a expansiunii universului și-a avut originea (adică materia din univers se separă pentru că se separa în trecut datorită câmpului inflaton).,în timp ce relativitatea specială interzice obiectelor să se miște mai repede decât lumina în raport cu un cadru de referință local în care spațiul-timp poate fi tratat ca plat și neschimbat, nu se aplică situațiilor în care curbura spațiu-timp sau evoluția în timp devin importante. Aceste situații sunt descrise de relativitatea generală, care permite separarea dintre două obiecte îndepărtate să crească mai repede decât viteza luminii, deși definiția „distanței” aici este oarecum diferită de cea utilizată într-un cadru inerțial., Definiția distanței utilizate aici este însumarea sau integrarea distanțelor de comoving locale, toate realizate la timp local constant. De exemplu, galaxii, care sunt mai mult decât Hubble rază de aproximativ 4,5 gigaparsecs sau 14,7 miliarde de ani-lumină, departe de noi au o recesiune de viteză care este mai rapid decât viteza luminii. Vizibilitatea acestor obiecte depinde de istoria exactă a expansiunii universului., De lumină care este emisă astăzi de la galaxii dincolo de cel mai îndepărtat cosmologice event horizon, aproximativ 5 gigaparsecs sau 16 miliarde de ani-lumină, nu vor ajunge la noi, deși încă mai putem vedea lumina care aceste galaxii emise în trecut. Datorită ratei mari de expansiune, este posibil ca o distanță între două obiecte să fie mai mare decât valoarea calculată prin înmulțirea vitezei luminii cu vârsta universului. Aceste detalii sunt o sursă frecventă de confuzie între amatori și chiar fizicieni profesioniști., Datorită naturii non-intuitive a subiectului și a ceea ce a fost descris de unii drept alegeri de formulare „nepăsătoare”, anumite descrieri ale expansiunii metrice a spațiului și concepțiile greșite la care pot conduce astfel de descrieri sunt un subiect continuu de discuție în domeniile educației și comunicării conceptelor științifice.la un nivel fundamental, expansiunea universului este o proprietate a măsurării spațiale pe cele mai mari scale măsurabile ale universului nostru., Distanțele între cosmologically relevante puncte crește pe măsură ce trece timpul, conducând la efecte observabile prezentate mai jos. Această caracteristică a universului poate fi caracterizată printr-un singur parametru care se numește factorul de scară care este o funcție a timpului și o singură valoare pentru tot spațiul în orice moment (dacă factorul de scară ar fi o funcție a spațiului, acest lucru ar încălca principiul cosmologic). Prin convenție, factorul de scară este setat să fie unitatea în prezent și, deoarece universul se extinde, este mai mic în trecut și mai mare în viitor., Extrapolând înapoi în timp cu anumite modele cosmologice va produce un moment când factorul de scară a fost zero; înțelegerea noastră actuală a cosmologiei seturi de data asta la 13.799 ± 0.021 miliarde de ani în urmă. Dacă universul continuă să se extindă pentru totdeauna, factorul de scară se va apropia de infinit în viitor. În principiu, nu există niciun motiv pentru care expansiunea universului trebuie să fie monotonă și există modele în care, la un moment dat în viitor, factorul de scară scade cu o contracție însoțitoare a spațiului, mai degrabă decât cu o expansiune.,extinderea spațiului este adesea ilustrată cu modele conceptuale care arată doar dimensiunea spațiului într-un anumit moment, lăsând dimensiunea timpului implicită.
în „ant on a rubber rope model” se imaginează o furnică (idealizată ca punctuală) care se târăște cu o viteză constantă pe o frânghie perfect elastică care se întinde constant., Dacă întindem frânghia în conformitate cu factorul de scară ΛCDM și ne gândim la viteza furnicii ca la viteza luminii, atunci această analogie este exactă din punct de vedere numeric – poziția furnicii în timp se va potrivi cu calea liniei roșii din diagrama de încorporare de mai sus.în „modelul foii de cauciuc” se înlocuiește frânghia cu o foaie de cauciuc bidimensională plană care se extinde uniform în toate direcțiile. Adăugarea unei a doua dimensiuni spațiale ridică posibilitatea de a arăta perturbații locale ale geometriei spațiale prin curbură locală în foaie.,
în „modelul balonului” foaia plată este înlocuită cu un balon sferic care este umflat de la o dimensiune inițială de zero (reprezentând big bang-ul). Un balon are curbură Gaussiană pozitivă, în timp ce observațiile sugerează că universul real este plat spațial, dar această inconsecvență poate fi eliminată făcând balonul foarte mare, astfel încât să fie plat local în limitele observației. Această analogie este potențial confuză, deoarece sugerează în mod greșit că big bang-ul a avut loc în centrul balonului., De fapt, punctele de pe suprafața balonului nu au nici un sens, chiar dacă acestea au fost ocupate de balon la un moment mai devreme.
în „modelul de pâine cu stafide” se imaginează o pâine de stafide care se extinde în cuptor. Pâinea (spațiul) se extinde în ansamblu, dar stafidele (obiectele legate gravitațional) nu se extind; ele cresc doar mai departe unul de celălalt.