Оглавление
- 1 Расширение Вселенной
- 1.1 Расширение Вселенной
- 1.2 История открытия
- 1.3 Структура и динамика
- 1.4 Математическое описание
- 1.5 Будущее Вселенной
- 1.6 Эволюция структуры Вселенной
- 1.7 Форма Вселенной
- 1.8 Космологические горизонты
- 1.9 Последствия космической экспансии
- 1.10 История расширения
- 1.11 Измерение скорости расширения
- 1.12 Измерение скорости расширения Вселенной
- 1.13 Геометрия расширяющегося пространства
- 1.14 Пространственно-временные диаграммы
- 1.15 Топология расширяющегося пространства
- 1.16 Плотность Вселенной во время расширения
- 1.17 Расширение пространства и гравитация
- 1.18 Инерционное расширение и гравитационные эффекты
- 1.19 Темная энергия и космологическая постоянная
- 1.20 Метрическое расширение и скорость света
- 1.21 Общие аналогии с космическим расширением
- 1.22 Полный текст статьи:
- 2 Расширение Вселенной
Расширение Вселенной
-
Расширение Вселенной
- Вселенная расширяется со временем, что видно по удалению галактик.
- Расширение не означает, что пространство существует вне Вселенной.
- Объекты удаляются со скоростью, пропорциональной их расстоянию от наблюдателя.
-
История открытия
- Весто Слайфер обнаружил красное смещение света от удаленных галактик в 1912-1914 годах.
- Александр Фридман и Жорж Леметр теоретически доказали расширение Вселенной в 1922 и 1927 годах соответственно.
- Эдвин Хаббл подтвердил расширение в 1929 году.
-
Структура и динамика
- Вселенная однородна и изотропна в больших масштабах.
- Расширение подчиняется закону Хаббла, где скорость удаления пропорциональна расстоянию.
- Расширение вызвано первоначальным импульсом и гравитационным притяжением.
-
Математическое описание
- Расширение определяется масштабным коэффициентом a, который пропорционален среднему расстоянию между объектами.
- Уравнения Фридмана описывают эволюцию масштабного коэффициента во времени.
- Положительная плотность энергии замедляет расширение, а отрицательное давление ускоряет его.
-
Будущее Вселенной
- Вселенная продолжает расширяться, и масштабный коэффициент приближается к бесконечности.
- В будущем расширение может замедлиться или остановиться, что соответствует уменьшению масштабного коэффициента.
- Темная энергия и инфляция ускоряют расширение, что подтверждается астрономическими наблюдениями.
-
Эволюция структуры Вселенной
- Изучение структуры Вселенной с учетом расширения мотивирует использование сопутствующих координат.
- Сопутствующие координаты увеличиваются пропорционально масштабному коэффициенту.
- Объект, движущийся только с хаббловским потоком, остается неподвижным в сопутствующих координатах.
-
Форма Вселенной
- Вселенная представляет собой четырехмерное пространство-время.
- Внутри Вселенной существует естественный выбор трехмерной пространственной поверхности.
- В рамках общей теории относительности эти поверхности являются геометрически плоскими.
-
Космологические горизонты
- Возраст расширяющейся Вселенной ограничен.
- Свет и другие частицы могут распространяться только на конечное расстояние.
- Сопутствующее расстояние, которое частицы могли преодолеть за время существования Вселенной, называется горизонтом частиц.
- Если темная энергия является космологической постоянной, горизонт частиц в бесконечном будущем достигнет конечного значения.
-
Последствия космической экспансии
- Скорости и красные смещения уменьшаются по мере расширения Вселенной.
- Температура Вселенной охлаждается по мере расширения.
- Плотность Вселенной уменьшается по мере расширения.
-
История расширения
- Космическая инфляция происходила в течение примерно 10-32 секунд.
- Инфляция объясняет отсутствие экзотических реликтов и решает проблемы горизонта и плоскостности.
- Эпоха радиации длилась около 1 секунды, затем наступила эпоха материи.
- Темная энергия начала доминировать около 3 миллиардов лет назад.
-
Измерение скорости расширения
- Скорость расширения измеряется по скорости уменьшения и расстоянию до удаленных объектов.
- Хаббл использовал переменные звезды-цефеиды и сверхновые типа Ia для измерения скорости расширения.
- Современные измерения скорости расширения включают данные о сверхновых и флуктуациях космического микроволнового фона.
-
Измерение скорости расширения Вселенной
- Использование гравитационных волн для измерения скорости расширения
- Недостаточная точность для определения напряженности Хаббла
- Изучение изменений в красных смещениях и потоках для будущих измерений
-
Геометрия расширяющегося пространства
- Вселенная соответствует евклидову пространству с точностью до экспериментальной ошибки
- Пространство-время имеет четыре измерения и не является плоским
- Расширение Вселенной является общерелятивистским
-
Пространственно-временные диаграммы
- Диаграммы показывают геометрию Вселенной в соответствии с моделью ΛCDM
- Свет движется локально со скоростью c, но время его прохождения неоднозначно из-за расширения Вселенной
-
Топология расширяющегося пространства
- Пространство расширяется, но топология остается апостериорной
- Вселенная может быть бесконечной или конечной, но наблюдения согласуются с бесконечностью
- Расширение не требует внешнего пространства, так как пространство остается бесконечным
-
Плотность Вселенной во время расширения
- Вселенная была чрезвычайно плотной в раннем возрасте, но не превратилась в черную дыру
- Расчеты гравитационного коллапса не применимы к быстро расширяющемуся пространству
-
Расширение пространства и гравитация
- Расширение пространства описывается как сила, раздвигающая объекты.
- Гравитация вызывает локальное сгущение вещества в звезды и галактики.
- Объекты, связанные гравитацией, не расширяются под влиянием космологической метрики.
-
Инерционное расширение и гравитационные эффекты
- Инерционное расширение Вселенной аналогично инерционному разделению объектов в вакууме.
- Внутри Локальной группы гравитационные взаимодействия изменяют инерционные структуры объектов.
- За пределами Локальной группы инерционное расширение поддается измерению, но гравитационные эффекты уменьшают его.
-
Темная энергия и космологическая постоянная
- Темная энергия увеличивает силу отталкивания между объектами.
- Космологическая постоянная активно «притягивает» объекты, но не приводит к их постоянному росту или распаду.
- Конечная судьба Вселенной — состояние, близкое к вакууму, расширяющееся под влиянием космологической постоянной.
-
Метрическое расширение и скорость света
- В конце ранней инфляции Вселенной возникло регулярное расширение.
- Специальная теория относительности запрещает движение быстрее света, но общая теория относительности позволяет расстоянию увеличиваться быстрее скорости света.
- Галактики, удаленные на расстояние, превышающее радиус Хаббла, имеют скорость удаления, превышающую скорость света.
-
Общие аналогии с космическим расширением
- Расширение Вселенной часто иллюстрируется моделями, которые могут вводить в заблуждение.
- В модели «муравей на резиновой веревке» расширение соответствует инерционному движению объектов.
- В «модели резинового листа» добавляется второе пространственное измерение для отображения локальных возмущений.
- В «модели воздушного шара» воздушный шар надувается с начального нулевого размера, что может привести к ошибочному предположению о центре взрыва.
- В «модели хлеба с изюмом» буханка хлеба расширяется, но изюминки не расширяются, а удаляются друг от друга.