Расширяющаяся Вселенная и модели Фридмана
Вселенная расширяется: далекие галактики удаляются со скоростями, пропорциональными их расстоянию, что описывается моделями Фридмана общей теории относительности, которые описывают однородный, изотропный космос, масштаб которого растет со временем.
Definition
Расширяющаяся Вселенная описывается однородным и изотропным пространством-временем, метрика Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера которого имеет зависящий от времени масштабный фактор; уравнения Фридмана связывают скорость расширения с содержанием энергии и пространственной кривизной, а закон Хаббла-Леметра выражает наблюдаемую пропорциональность между скоростью удаления и расстоянием.
Scope
Эта область охватывает динамическую основу современной космологии: закон скорости-расстояния Хаббла-Леметра и интерпретацию красного смещения как космического расширения, метрику Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера и уравнения Фридмана, которые управляют масштабным фактором для эпох, доминирующих материей, излучением и темной энергией, пространственную геометрию и параметры плотности Вселенной, космическую лестницу расстояний, используемую для измерения постоянной Хаббла, и роль общей теории относительности как управляющей теории космической динамики.
Sub-topics
Core questions
- Почему почти все галактики удаляются от нас, и что это говорит нам о Вселенной?
- Как уравнения Фридмана связывают скорость расширения с содержимым космоса?
- Какова пространственная геометрия Вселенной и как она измеряется?
- Как определяется постоянная Хаббла, и почему разные методы дают расхождения?
Key concepts
- Масштабный фактор
- Красное смещение
- Постоянная Хаббла
- Метрика FLRW
- Критическая плотность
- Параметр плотности
- Пространственная кривизна
- Сопутствующее расстояние
Key theories
- Космологические модели FLRW
- Однородная и изотропная Вселенная описывается метрикой Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера с единственным зависящим от времени масштабным фактором и постоянной кривизны, обеспечивая геометрическую основу для всех стандартных космологических моделей.
- Уравнения Фридмана
- Применение уравнений поля Эйнштейна к метрике FLRW дает уравнения Фридмана, которые связывают скорость расширения и ускорение масштабного фактора с плотностью энергии, давлением и пространственной кривизной Вселенной.
- Закон Хаббла-Леметра
- Скорость удаления далекой галактики пропорциональна ее расстоянию, причем постоянная пропорциональности является параметром Хаббла; это эмпирическое соотношение установило, что Вселенная расширяется, а не статична.
Clinical relevance
Концепция расширяющейся Вселенной лежит в основе всей модели Большого взрыва: она определяет возраст и размер наблюдаемой Вселенной, устанавливает связь между красным смещением и временем «взгляда в прошлое», используемую для интерпретации каждого космологического наблюдения, и обеспечивает динамическую основу, на которой разворачиваются нуклеосинтез, рекомбинация и формирование структур.
History
Фридман вывел расширяющиеся и сжимающиеся решения общей теории относительности в 1922 году, а Леметр независимо связал их с красными смещениями галактик в 1927 году; соотношение расстояния-скорости Хаббла 1929 года предоставило наблюдательное подтверждение, а метрика Робертсона-Уокера формализовала однородную изотропную геометрию, совместно утвердив расширяющуюся Вселенную как основу современной космологии.
Debates
- Проблема постоянной Хаббла
- Измерения постоянной Хаббла с помощью местной лестницы расстояний систематически выше значения, выведенного из космического микроволнового фона в рамках стандартной модели, что является расхождением в несколько стандартных отклонений, которое может указывать на новую физику или неучтенные систематические ошибки.
Key figures
- Edwin Hubble
- Georges Lemaitre
- Alexander Friedmann
- Howard Robertson
- Arthur Walker
Related topics
Seminal works
- friedmann1922
- hubble1929
Frequently asked questions
- Расширяется ли Вселенная во что-то?
- Нет: расширение описывает само растяжение пространства, поэтому расстояния между далекими галактиками со временем увеличиваются. Нет внешнего пространства, в которое расширяется Вселенная; модели Фридмана описывают геометрию внутренне, без ссылки на что-либо внешнее.
- Означает ли космическое расширение, что галактики движутся быстрее света?
- Достаточно далекие галактики действительно удаляются быстрее света, но это допустимо, потому что это расширение пространства, а не движение сквозь пространство; ограничение скорости специальной теории относительности применимо только к локальному движению, а не к росту космологических расстояний.