膨胀的宇宙和弗里德曼模型

宇宙正在膨胀：遥远的星系以与距离成正比的速度退行，这种行为由广义相对论的弗里德曼模型捕捉，该模型描述了一个随时间尺度增长的均匀、各向同性的宇宙。

Definition

膨胀的宇宙由一个均匀且各向同性的时空描述，其弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃克度规具有一个随时间变化的尺度因子；弗里德曼方程将膨胀速率与能量含量和空间曲率联系起来，哈勃-勒梅特定律表达了观测到的退行速度与距离之间的比例关系。

Scope

该领域涵盖了现代宇宙学的动力学框架：哈勃-勒梅特定律（速度-距离关系）以及将红移解释为宇宙膨胀，弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃克度规和弗里德曼方程，它们控制着物质主导、辐射主导和暗能量主导时代的尺度因子，宇宙的空间几何和密度参数，用于测量哈勃常数的宇宙距离阶梯，以及广义相对论作为宇宙动力学主导理论的作用。

Sub-topics

• 宇宙距离阶梯与哈勃常数
• 弗里德曼方程与宇宙学模型
• 宇宙学中的广义相对论
• 哈勃-勒梅特定律与宇宙膨胀

Core questions

• 为什么几乎所有星系都离我们远去，这告诉我们关于宇宙什么？
• 弗里德曼方程如何将膨胀速率与宇宙的组成联系起来？
• 宇宙的空间几何是什么，它是如何测量的？
• 哈勃常数是如何确定的，为什么不同的方法存在分歧？

Key concepts

• 尺度因子
• 红移
• 哈勃常数
• FLRW度规
• 临界密度
• 密度参数
• 空间曲率
• 共动距离

Key theories

FLRW宇宙学模型

一个均匀且各向同性的宇宙由弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃克度规描述，该度规具有一个单一的随时间变化的尺度因子和一个曲率常数，为所有标准宇宙学模型提供了几何骨架。

弗里德曼方程

将爱因斯坦场方程应用于FLRW度规，得到弗里德曼方程，这些方程将尺度因子的膨胀速率和加速度与宇宙的能量密度、压力和空间曲率联系起来。

哈勃-勒梅特定律

遥远星系的退行速度与其距离成正比，比例常数为哈勃参数；这一经验关系确立了宇宙正在膨胀而非静态。

Clinical relevance

膨胀宇宙框架是整个大爆炸模型的基础：它确定了可观测宇宙的年龄和大小，固定了红移与回溯时间之间的关系，用于解释每一次宇宙学观测，并提供了核合成、复合和结构形成展开的动力学舞台。

History

弗里德曼在1922年推导出了广义相对论的膨胀和收缩解，勒梅特在1927年独立地将它们与星系红移联系起来；哈勃1929年的距离-速度关系提供了观测证实，罗伯逊-沃克度规形式化了均匀各向同性几何，共同确立了膨胀宇宙作为现代宇宙学的基础。

Debates

哈勃张力

通过局部距离阶梯测量的哈勃常数系统性地高于标准模型中从宇宙微波背景推断出的值，这一差异达到几个标准差，可能预示着新的物理学或未被识别的系统误差。

Key figures

• Edwin Hubble
• Georges Lemaitre
• Alexander Friedmann
• Howard Robertson
• Arthur Walker

Seminal works

• friedmann1922
• hubble1929

Frequently asked questions

宇宙是否正在膨胀到某个东西中？

不：膨胀描述的是空间本身的伸展，因此遥远星系之间的距离随时间增长。宇宙没有膨胀到任何外部空间中；弗里德曼模型内在描述了几何，没有提及任何外部参照物。

宇宙膨胀是否意味着星系运动速度超过光速？

足够远的星系确实以超过光速的速度退行，但这被允许，因为这是空间的膨胀而不是穿过空间的运动；狭义相对论的速度限制仅适用于局部运动，而不适用于宇宙距离的增长。