جهان در حال انبساط و مدلهای فریدمان
جهان در حال انبساط است: کهکشانهای دوردست با سرعتهایی متناسب با فاصله خود از ما دور میشوند، رفتاری که توسط مدلهای فریدمان از نسبیت عام توصیف میشود و کیهانی همگن و همسانگرد را شرح میدهد که مقیاس آن با زمان رشد میکند.
Definition
جهان در حال انبساط توسط یک فضا-زمان همگن و همسانگرد توصیف میشود که متریک فریدمان-لومتر-رابرتسون-واکر آن دارای یک عامل مقیاس وابسته به زمان است؛ معادلات فریدمان نرخ انبساط را به محتوای انرژی و انحنای فضایی مرتبط میکنند، و قانون هابل-لومتر تناسب مشاهده شده بین سرعت عقبنشینی و فاصله را بیان میکند.
Scope
این حوزه چارچوب دینامیکی کیهانشناسی مدرن را پوشش میدهد: قانون سرعت-فاصله هابل-لومتر و تفسیر انتقال به سرخ به عنوان انبساط کیهانی، متریک فریدمان-لومتر-رابرتسون-واکر و معادلات فریدمان که عامل مقیاس را برای دورههای تحت سلطه ماده، تابش و انرژی تاریک کنترل میکنند، هندسه فضایی و پارامترهای چگالی جهان، نردبان فاصله کیهانی که برای اندازهگیری ثابت هابل استفاده میشود، و نقش نسبیت عام به عنوان نظریه حاکم بر دینامیک کیهانی.
Sub-topics
Core questions
- چرا تقریباً همه کهکشانها از ما دور میشوند، و این چه چیزی درباره جهان به ما میگوید؟
- معادلات فریدمان چگونه نرخ انبساط را به محتویات کیهان مرتبط میکنند؟
- هندسه فضایی جهان چیست و چگونه اندازهگیری میشود؟
- ثابت هابل چگونه تعیین میشود و چرا روشهای مختلف با هم اختلاف دارند؟
Key concepts
- عامل مقیاس
- انتقال به سرخ
- ثابت هابل
- متریک FLRW
- چگالی بحرانی
- پارامتر چگالی
- انحنای فضایی
- فاصله همحرکت
Key theories
- مدلهای کیهانشناختی FLRW
- یک جهان همگن و همسانگرد توسط متریک فریدمان-لومتر-رابرتسون-واکر با یک عامل مقیاس وابسته به زمان و یک ثابت انحنا توصیف میشود که ستون فقرات هندسی برای تمام مدلهای استاندارد کیهانشناختی را فراهم میکند.
- معادلات فریدمان
- اعمال معادلات میدان اینشتین بر متریک FLRW منجر به معادلات فریدمان میشود که نرخ انبساط و شتاب عامل مقیاس را به چگالی انرژی، فشار و انحنای فضایی جهان مرتبط میکند.
- قانون هابل-لومتر
- سرعت عقبنشینی یک کهکشان دوردست متناسب با فاصله آن است، با ثابت تناسبی که پارامتر هابل است؛ این رابطه تجربی ثابت کرد که جهان در حال انبساط است نه ایستا.
Clinical relevance
چارچوب جهان در حال انبساط زیربنای کل مدل بیگ بنگ است: سن و اندازه جهان قابل مشاهده را تعیین میکند، رابطه بین انتقال به سرخ و زمان بازگشت به گذشته را که برای تفسیر هر مشاهده کیهانشناختی استفاده میشود، تثبیت میکند، و صحنه دینامیکی را فراهم میکند که بر روی آن هستهزایی، بازترکیب و تشکیل ساختارها آشکار میشوند.
History
فریدمان در سال ۱۹۲۲ راهحلهای انبساطی و انقباضی نسبیت عام را استخراج کرد، و لومتر به طور مستقل در سال ۱۹۲۷ آنها را به انتقال به سرخ کهکشانها مرتبط ساخت؛ رابطه فاصله-سرعت هابل در سال ۱۹۲۹ تأیید مشاهدهای را فراهم کرد، و متریک رابرتسون-واکر هندسه همگن همسانگرد را رسمی کرد، که همگی جهان در حال انبساط را به عنوان پایه و اساس کیهانشناسی مدرن تثبیت کردند.
Debates
- تنش هابل
- اندازهگیریهای ثابت هابل از نردبان فاصله محلی به طور سیستماتیک بالاتر از مقداری است که از پسزمینه مایکروویو کیهانی در مدل استاندارد استنباط میشود، یک اختلاف چندین انحراف معیار که ممکن است نشانهای از فیزیک جدید یا خطاهای سیستماتیک ناشناخته باشد.
Key figures
- Edwin Hubble
- Georges Lemaitre
- Alexander Friedmann
- Howard Robertson
- Arthur Walker
Related topics
Seminal works
- friedmann1922
- hubble1929
Frequently asked questions
- آیا جهان در حال انبساط به درون چیزی است؟
- خیر: انبساط به معنای کشیده شدن خود فضا است، بنابراین فواصل بین کهکشانهای دوردست با گذشت زمان افزایش مییابد. هیچ فضای خارجی وجود ندارد که جهان به درون آن منبسط شود؛ مدلهای فریدمان هندسه را به طور ذاتی و بدون ارجاع به هیچ چیز بیرونی توصیف میکنند.
- آیا انبساط کیهانی به این معنی است که کهکشانها سریعتر از نور حرکت میکنند؟
- کهکشانهای به اندازه کافی دوردست سریعتر از نور عقبنشینی میکنند، اما این مجاز است زیرا این انبساط فضا است نه حرکت در فضا؛ محدودیت سرعت نسبیت خاص فقط برای حرکت محلی اعمال میشود، نه برای رشد فواصل کیهانشناختی.