เอกภพขยายตัวและแบบจำลองฟรีดมันน์
เอกภพกำลังขยายตัว: ดาราจักรที่อยู่ห่างไกลเคลื่อนที่ออกห่างจากเราด้วยความเร็วที่เป็นสัดส่วนกับระยะทาง ซึ่งเป็นพฤติกรรมที่อธิบายได้ด้วยแบบจำลองฟรีดมันน์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ที่อธิบายเอกภพที่เป็นเนื้อเดียวกันและมีสมบัติเหมือนกันทุกทิศทาง ซึ่งขนาดของเอกภพเพิ่มขึ้นตามเวลา
Definition
เอกภพที่กำลังขยายตัวถูกอธิบายด้วยปริภูมิ-เวลาที่เป็นเนื้อเดียวกันและมีสมบัติเหมือนกันทุกทิศทาง ซึ่งเมตริกฟรีดมันน์-เลอแมตร์-โรเบิร์ตสัน-วอล์กเกอร์ มีตัวประกอบมาตราส่วนที่ขึ้นกับเวลา; สมการฟรีดมันน์เชื่อมโยงอัตราการขยายตัวกับปริมาณพลังงานและความโค้งเชิงพื้นที่ และกฎของฮับเบิล-เลอแมตร์แสดงถึงสัดส่วนที่สังเกตได้ระหว่างความเร็วการถอยห่างและระยะทาง
Scope
ขอบเขตนี้ครอบคลุมกรอบการทำงานเชิงพลวัตของจักรวาลวิทยาปัจจุบัน: กฎความเร็ว-ระยะทางของฮับเบิล-เลอแมตร์และการตีความการเคลื่อนที่ไปทางแดง (redshift) ว่าเป็นการขยายตัวของเอกภพ, เมตริกฟรีดมันน์-เลอแมตร์-โรเบิร์ตสัน-วอล์กเกอร์ และสมการฟรีดมันน์ที่ควบคุมตัวประกอบมาตราส่วน (scale factor) สำหรับยุคที่สสาร, การแผ่รังสี และพลังงานมืดมีอิทธิพล, เรขาคณิตเชิงพื้นที่และพารามิเตอร์ความหนาแน่นของเอกภพ, บันไดระยะทางจักรวาล (cosmic distance ladder) ที่ใช้ในการวัดค่าคงที่ฮับเบิล, และบทบาทของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในฐานะทฤษฎีหลักที่ควบคุมพลวัตของเอกภพ
Sub-topics
Core questions
- ทำไมดาราจักรเกือบทั้งหมดจึงเคลื่อนที่ถอยห่างจากเรา และสิ่งนี้บอกอะไรเราเกี่ยวกับเอกภพ?
- สมการฟรีดมันน์เชื่อมโยงอัตราการขยายตัวกับองค์ประกอบของเอกภพได้อย่างไร?
- เรขาคณิตเชิงพื้นที่ของเอกภพเป็นอย่างไร และวัดได้อย่างไร?
- ค่าคงที่ฮับเบิลถูกกำหนดได้อย่างไร และทำไมวิธีการที่แตกต่างกันจึงให้ผลที่ไม่ตรงกัน?
Key concepts
- ตัวประกอบมาตราส่วน
- การเคลื่อนที่ไปทางแดง
- ค่าคงที่ฮับเบิล
- เมตริก FLRW
- ความหนาแน่นวิกฤต
- พารามิเตอร์ความหนาแน่น
- ความโค้งเชิงพื้นที่
- ระยะทางโคโมฟวิง
Key theories
- แบบจำลองจักรวาลวิทยา FLRW
- เอกภพที่เป็นเนื้อเดียวกันและมีสมบัติเหมือนกันทุกทิศทางถูกอธิบายด้วยเมตริกฟรีดมันน์-เลอแมตร์-โรเบิร์ตสัน-วอล์กเกอร์ โดยมีตัวประกอบมาตราส่วนที่ขึ้นกับเวลาเพียงตัวเดียวและค่าคงที่ความโค้ง ซึ่งเป็นแกนหลักทางเรขาคณิตสำหรับแบบจำลองจักรวาลวิทยาทุกแบบที่เป็นมาตรฐาน
- สมการฟรีดมันน์
- การประยุกต์ใช้สมการสนามของไอน์สไตน์กับเมตริก FLRW ทำให้ได้สมการฟรีดมันน์ ซึ่งเชื่อมโยงอัตราการขยายตัวและการเร่งของตัวประกอบมาตราส่วนกับความหนาแน่นพลังงาน ความดัน และความโค้งเชิงพื้นที่ของเอกภพ
- กฎของฮับเบิล-เลอแมตร์
- ความเร็วการถอยห่างของดาราจักรที่อยู่ห่างไกลเป็นสัดส่วนกับระยะทาง โดยมีค่าคงที่สัดส่วนคือพารามิเตอร์ฮับเบิล; ความสัมพันธ์เชิงประจักษ์นี้ได้ยืนยันว่าเอกภพกำลังขยายตัวแทนที่จะคงที่
Clinical relevance
กรอบแนวคิดเอกภพขยายตัวเป็นรากฐานของแบบจำลองบิกแบงทั้งหมด: กำหนดอายุและขนาดของเอกภพที่สังเกตได้, กำหนดความสัมพันธ์ระหว่างการเคลื่อนที่ไปทางแดงและเวลาย้อนหลัง (look-back time) ที่ใช้ในการตีความการสังเกตการณ์ทางจักรวาลวิทยาทุกครั้ง, และเป็นเวทีพลวัตที่นิวคลีโอสังเคราะห์ (nucleosynthesis), การรวมตัวใหม่ (recombination) และการก่อตัวของโครงสร้างเกิดขึ้น
History
ฟรีดมันน์ได้มาจากคำตอบของการขยายตัวและการหดตัวของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในปี 1922 และเลอแมตร์ได้เชื่อมโยงคำตอบเหล่านี้กับการเคลื่อนที่ไปทางแดงของดาราจักรอย่างอิสระในปี 1927; ความสัมพันธ์ระยะทาง-ความเร็วของฮับเบิลในปี 1929 ได้ให้การยืนยันจากการสังเกตการณ์ และเมตริกโรเบิร์ตสัน-วอล์กเกอร์ได้ทำให้เรขาคณิตที่เป็นเนื้อเดียวกันและมีสมบัติเหมือนกันทุกทิศทางเป็นทางการ ซึ่งทั้งหมดนี้ได้สร้างเอกภพที่กำลังขยายตัวให้เป็นรากฐานของจักรวาลวิทยาปัจจุบัน
Debates
- ความตึงเครียดของฮับเบิล
- การวัดค่าคงที่ฮับเบิลจากบันไดระยะทางในท้องถิ่นมีค่าสูงกว่าค่าที่อนุมานได้จากพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลภายในแบบจำลองมาตรฐานอย่างเป็นระบบ ซึ่งเป็นความคลาดเคลื่อนหลายส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานที่อาจบ่งชี้ถึงฟิสิกส์ใหม่หรือความผิดพลาดเชิงระบบที่ยังไม่ได้รับการรับรู้
Key figures
- Edwin Hubble
- Georges Lemaitre
- Alexander Friedmann
- Howard Robertson
- Arthur Walker
Related topics
Seminal works
- friedmann1922
- hubble1929
Frequently asked questions
- เอกภพกำลังขยายตัวเข้าไปในบางสิ่งหรือไม่?
- ไม่: การขยายตัวอธิบายถึงการยืดออกของอวกาศเอง ดังนั้นระยะห่างระหว่างดาราจักรที่อยู่ห่างไกลจึงเพิ่มขึ้นตามเวลา ไม่มีอวกาศภายนอกที่เอกภพขยายตัวเข้าไป; แบบจำลองฟรีดมันน์อธิบายเรขาคณิตโดยเนื้อแท้โดยไม่ต้องอ้างอิงถึงสิ่งภายนอกใดๆ
- การขยายตัวของเอกภพหมายความว่าดาราจักรเคลื่อนที่เร็วกว่าแสงหรือไม่?
- ดาราจักรที่อยู่ห่างไกลเพียงพอจะเคลื่อนที่ถอยห่างเร็วกว่าแสงได้ แต่สิ่งนี้เป็นไปได้เพราะเป็นการขยายตัวของอวกาศ ไม่ใช่การเคลื่อนที่ผ่านอวกาศ; ขีดจำกัดความเร็วของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษใช้ได้กับการเคลื่อนที่ในท้องถิ่นเท่านั้น ไม่ใช่กับการเพิ่มขึ้นของระยะทางทางจักรวาลวิทยา