擴展宇宙

宇宙的膨脹是隨著時間的推移,可觀察到的宇宙重力不綁定部分之間的距離增加。這是一個內在的擴展;宇宙不會將“任何東西”擴展到“任何東西,也不需要空間“外部”。對於宇宙中的任何觀察者來說,似乎除了最近的星系(彼此通過重力綁定)以平均與其與觀察者距離成正比的速度下降。儘管對象的移動速度不能比光快,但此限制僅適用於本地參考框架,並且不會限制宇宙學上遙遠的對象的經濟衰退率。

宇宙擴展是大爆炸宇宙學的關鍵特徵。它可以用Friedmann -Lema -Robertson -Robertson – Walker Metric (FLRW)進行數學建模,在那裡它與宇宙時空度量張量的空間部分的尺度增加(控制太空時期的大小和幾何形狀)。在此框架內,隨著時間的推移,對象的分離與空間本身的擴展有關。但是,這不是一個通常的協變說明,而是坐標的選擇。與共同的誤解相反,採用一個不擴展空間的描述同樣有效,並且在其相互重力的影響下,對像只是分開。儘管宇宙擴張通常是由於一般相對性而構建的,但它也由牛頓重力預測。

根據通貨膨脹理論,在通貨膨脹時期大爆炸後約10-32秒,宇宙突然擴大,其體積增加至少10 78 (距離的距離擴大至少為10倍在三個維度中的每個維度中有26個)。這將等同於將1納米(10 -9 m ,大約是DNA分子的寬度的一半)擴展到長度約1.6光年(約10 17 m或62億英里)的長度。宇宙擴張隨後減速到速度較慢,直到大爆炸(40億年前)大約98億年,它開始逐漸擴大,並且仍在這樣做。物理學家假設存在黑暗能量,在最簡單的引力模型中是宇宙學常數,以解釋這種延遲加速。根據當前偏愛的宇宙學模型的最簡單推斷, Lambda-CDM模型,這種加速度在未來變得更加占主導地位。

歷史

1912年, Vesto M. Slipher發現,來自偏遠星系的光線被紅移後來被解釋為從地球恢復的星系。 1922年,亞歷山大·弗里德曼(Alexander Friedmann)使用愛因斯坦田地方程式提供了理論上的證據,表明宇宙正在擴展。

瑞典天文學家Knut Lundmark是第一個發現1924年觀察性擴張的證據的人。根據NASA/IPAC星系距離的NASA/IPAC外層次數據庫的Ian Steer的說法,Lundmark的外層距離距離估計比Hubble更準確(Hubble)(一致)(一致)(一致)(一致)(一致)(一致)哈勃常數)在當今最佳測量值的1%以內。”

1927年,喬治·萊瑪特(GeorgesLemaître)在理論的基礎上獨立得出了與弗里德曼(Friedmann)相似的結論,並提供了觀察性證據,證明了與星系距離及其衰變速度之間的線性關係埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)在觀察中證實了倫德馬克(Lundmark)和萊瑪特(Lemaître)在1929年的發現。假設宇宙學原理,這些發現將暗示所有星係都在彼此移開。

天文學家沃爾特·巴德(Walter Baade)在1940年代重新計算了已知宇宙的規模,使哈勃( Hubble)1929年的先前計算增加了一倍。在20世紀下半葉的大部分時間裡,哈勃常數的價值估計在50至90 km s -1 mpc -1 (Mega Parsec )之間。

1994年1月13日,美國國家航空航天局(NASA)正式宣布完成與哈勃太空望遠鏡的主鏡相關的維修,從而允許更清晰的圖像,因此對其觀察結果進行了更準確的分析。修理後短暫,溫迪·弗里德曼(Wendy Freedman )的1994年關鍵項目分析了M100從處女座群集的衰退速度,提供了一個哈勃恆定的恆定測量,為80±17 km s -1 mpc -1 。同年晚些時候,亞當·里斯(Adam Riess )等人。使用了一種視覺帶光形曲線的經驗方法來更細節估計IA型超新星的光度。這進一步將哈勃常數的全身測量誤差降至67±7 km s -1 mpc -1 。 Reiss對附近處女座群集的衰退速度的測量更與1A超新星的CepheID可變校準的隨後和獨立分析,該分析估計的Hubble常數為73±7 km S -1 -1 -1 MPC -1 。在2003年,戴維·斯普格爾(David Spergel )對威爾金森微波各向異性探針衛星(WMAP)的第一年觀察中對宇宙微波背景的分析進一步與局部星系的估計膨脹速率( 72±5 km s -1 mpc -1)一致。

宇宙擴張的結構

觀察到最大尺度的宇宙是均勻的(到處都是相同的)和各向同性的(在所有方向上相同),與宇宙學原理一致。這些限制要求,宇宙的任何擴展都符合哈勃定律,其中對像從每個觀察者那裡退出,其速度與該觀察者相對於其位置成正比的速度。也就是說,衰退速度比例(以觀察者為中心)的位置根據

哈勃速率量化擴展速率。 宇宙時間的函數。

宇宙擴展的動力

擴展歷史取決於宇宙的密度。該圖上的ω對應於物質密度與臨界密度的比率,因為物質主導的宇宙。 “加速度”曲線顯示了具有暗能量的宇宙的比例因子的軌跡。

宇宙的擴展可以理解是由於初始衝動(可能是由於通貨膨脹而引起的),這使宇宙的內容分開了。宇宙內物質和輻射的相互引力吸引力逐漸隨著時間的流逝而減慢了這種擴展,但是由於初始脈衝剩下的動量,擴張仍在繼續。同樣,某些異國情調的相對論流體,例如暗能量和通貨膨脹,在宇宙學環境中發揮了重力排斥,這加速了宇宙的擴張。宇宙常數也具有這種效果。

從數學上講,宇宙的擴展是通過比例因子來量化的這與對象之間的平均分離(例如星系)成正比。比例因素是時間的函數,通常設置為在目前的時間。因為宇宙正在擴展,所以過去和將來較小。用某些宇宙學模型推遲推斷,將產生尺度因子為零的時刻。我們目前對宇宙學的理解定為13.787±0.2億年前。如果宇宙繼續永遠擴展,那麼將來的規模因素將接近無限。宇宙原則上也有可能停止擴展並開始收縮,這對應於時間的尺度因子降低。

比例因素FLRW度量的參數,其時間演變受弗里德曼方程的控制。第二個弗里德曼方程,

顯示宇宙的內容如何影響其膨脹率。這裡, 重力常數是宇宙中的能量密度壓力光速是宇宙常數。正能密度導致擴展減速, ,正壓進一步減速了擴張。另一方面,與導致膨脹加速,宇宙常數也加速了擴展。非宗派的問題本質上是無壓力的, ,雖然超層析顆粒的氣體(例如光子氣體)具有正壓 。像暗能量這樣的負壓流體沒有在實驗上得到證實,但是從天文觀測中推斷出暗能量的存在。

擴展宇宙的距離

共坐標

在不斷擴展的宇宙中,隨著宇宙的擴展研究結構的演變通常是有用的。這激發了共同坐標的使用,這些坐標被定義為與規模因子成比例地生長。如果一個物體僅隨著擴展的宇宙的哈勃流動而移動,而沒有其他運動,則它仍然固定在坐標中。共同坐標是FLRW指標中的空間坐標。

宇宙的形狀

宇宙是一個四維時空,但在遵守宇宙學原理的宇宙中,自然選擇了三維空間表面。這些是靜止在共同坐標的觀察者就宇宙時代一致的表面。在由特殊相對論控制的宇宙中,這種表面將是倍曲面,因為相對論的時間擴張意味著快速恢復的遙遠觀察者的時鐘會放慢,因此空間表面必須在長距離內“向未來彎曲”。但是,在一般相對論中,這些共同的同步空間表面的形狀受重力的影響。當前的觀察結果與這些空間表面是幾何平坦的(例如,三角形的角度累加至180度)。

宇宙學的視野

擴展的宇宙通常具有有限的年齡。光和其他顆粒只能傳播有限的距離。這種顆粒可以在宇宙年代覆蓋的合併距離被稱為粒子範圍,而位於我們粒子範圍內的宇宙區域被稱為可觀察到的宇宙

如果今天推斷出主導宇宙的暗能量是宇宙常數,則粒子範圍在無限的未來中會收斂為有限的值。這意味著我們將能夠觀察到的宇宙數量有限。許多系統的光線永遠無法到達我們,因為黑暗能量的排斥力引起了宇宙事件的地平線

在研究宇宙內結構的演變時,出現了自然量表,稱為哈勃地平線宇宙學的擾動比哈勃高度的擾動大得多,因為引力影響沒有時間在它們之間傳播,而擾動的擾動比哈勃高度的擾動要直接受牛頓重力動力學的直接控制。

宇宙擴張的後果

速度和紅移

物體的奇特速度是相對於周圍材料的平均運動的共同坐標網格的速度。它是衡量粒子運動如何偏離擴展宇宙的哈勃流動的方法。隨著宇宙的擴展,非偏移主義顆粒衰變的特殊速度與宇宙尺度因子的比例相反。這可以理解為一種自我分級效果。朝某個方向移動的粒子逐漸超過了宇宙膨脹在該方向上的哈勃流動,漸近地以與自身相同的速度接近材料。

更籠統地,相對論和非偏移主義粒子的特殊動量與比例因子的反比例衰減。對於光子,這會導致宇宙的紅移。雖然宇宙學的紅移通常被解釋為由於“空間的擴展”而導致的光子波長的拉伸,但由於多普勒效應而更自然地被視為。

溫度

宇宙隨著擴展而冷卻。如上所述,這是從顆粒奇特的動量的衰減中進行的。它也可以理解為絕熱冷卻超層析流體的溫度,通常稱為“輻射”,包括宇宙微波背景,與尺度因子呈相反(即 )。非依賴性物質的溫度更加急劇下降,比例比例因子的反平方(即 )。

密度

宇宙的內容隨著擴展而稀釋。同時量的粒子數量保持固定(平均),而體積則膨脹。對於非依賴主義問題,這意味著能量密度下降為 , 在哪裡比例因素

對於超層析粒子(“輻射”),能量密度降低了,因為 。這是因為除了粒子計數的體積稀釋外,每個粒子的能量(包括剩餘的質量能)也由於特殊動量的衰減而大大下降。

通常,我們可以考慮帶壓力的完美液體 , 在哪裡是能量密度。參數狀態參數的方程。這樣的流體滴劑的能量密度為

非宗派事物已經存在而輻射有 。對於具有負壓的外來流體,例如暗能量,能量密度下降的速度較慢。如果它在時間上保持恆定。如果 ,與幻影能量相對應,隨著宇宙的擴展,能量密度會增長。

擴展歷史

宇宙從大爆炸到當今的膨脹的圖形表示,通貨膨脹時期表示為在左側看到的戲劇性擴張。這種可視化僅顯示宇宙的一部分。圖表外的空白空間不應佔據宇宙之外的空白(不一定存在)。

宇宙通貨膨脹

通貨膨脹是假設在10 -32秒的時間發生的加速膨脹時期。它本來是由Eftraton驅動的,該領域具有陽性的虛假真空狀態。最初提出通貨膨脹來解釋大統一理論(例如磁性單孔)預測的外來文物,因為快速擴張將稀釋這種遺物。隨後,人們意識到加速的擴展也將解決地平線問題平整性問題。另外,通貨膨脹期間的量子波動將在宇宙的密度上產生初始變化,該重力隨後放大以產生觀察到的物質密度變化的光譜

在通貨膨脹期間,宇宙量表因子隨著時間的推移成倍增長。為了解決地平線和平穩性問題,通貨膨脹必須持續足夠長的時間,以至於比例因素至少增長了E 60倍(約10 26 )。

輻射時期

通貨膨脹後的宇宙歷史,但在大約1秒之前,宇宙的歷史在很大程度上是未知的。然而,已知宇宙已由超層次的標準模型顆粒(常規稱為輻射)主導,到大約1秒鐘的中微子解耦時。在輻射統治期間,宇宙膨脹減速,比例因子與時間的平方根成比例地生長。

物質時代

由於輻射紅移隨著宇宙的擴展,最終非依賴的物質就會主導宇宙的能量密度。這種過渡發生在大爆炸後約50千年的時間。在以物質為主導的時期期間,宇宙擴張也減速,比例因素隨著時間的2/3功率而增長( )。同樣,當非依賴性物質主導時,引力結構的形成是最有效的,並且該時期負責星系的形成和宇宙的大規模結構

暗能量

大約30億年前,在大約110億年的時間,據信,黑暗能量已經開始主導宇宙的能量密度。這種過渡之所以出現,是因為隨著宇宙的擴展,黑能沒有稀釋,而是保持恆定的能量密度。與通貨膨脹相似,黑暗能量驅動器加速膨脹,因此量表因子隨著時間的及時增長。

測量擴展率

當物體退縮時,其燈會伸展(紅移)。當對象接近時,其燈被壓縮( Blueshifted )。

測量擴展率的最直接方法是獨立測量衰退速度和遠處對象(例如星系)的距離。根據哈勃定律,這些數量之間的比率給出了哈勃速率。通常,使用標準蠟燭測量距離,該標準蠟燭是已知內在亮度的對像或事件。然後可以從觀察到的明顯亮度中推斷物體的距離。同時,經濟衰退速度是通過紅移測量的。哈勃通過測量頭恆星的亮度及其宿主星系的紅移來使用這種方法來對擴展率的原始測量。最近,使用IA型超新星,測量膨脹速率為H 0 = 73.24±1.74(km/s)/MPC 。這意味著,對於距觀察者的距離每百萬個parsecs ,該距離處的物體以每秒73公里(160,000英里 /小時)的速度退縮。

可以在如此巨大的距離上觀察到超新星,以至於那裡的輕度旅行時間可以接近宇宙的時代。因此,它們不僅可以用來衡量當今的擴展率,還可以用來衡量擴展歷史記錄。在獲得2011年諾貝爾物理獎的工作中,使用超新星觀察來確定宇宙擴張在當前時期正在加速。

通過假設宇宙學模型,例如Lambda-CDM模型,另一種可能性是從宇宙微波背景中最大的波動的大小來推斷當今的膨脹速率。較高的膨脹率將意味著CMB波動的特徵大小較小,反之亦然。普朗克協作以這種方式測量了擴展率,並確定H 0 = 67.4±0.5(km/s)/MPC 。這種測量和基於超新星的測量值(稱為哈勃張力)之間存在分歧。

最近提出的第三種選擇是使用重力波事件中的信息(尤其是涉及中子恆星合併的信息,例如GW170817 )來測量膨脹速率。此類測量值尚無解決哈勃張力的精確度。

原則上,宇宙擴展歷史也可以通過研究天文對象的紅移,距離,磁通,角度,角度位置和角度大小如何在觀察到的時間內變化。這些效果太小,無法檢測到。但是,在2030年代中期,平方公里陣列極大的望遠鏡可以觀察到紅移或通量的變化。

概念上的考慮和誤解

測量擴展空間的距離

在其大部分歷史上,一部分可見宇宙的等距嵌入的兩種視圖,表明了光線(紅線)如何在僅138億年的宇宙學時間內傳播280億光年(橙色線)的有效距離。 (數學細節)

在宇宙學量表上,當前的宇宙符合歐幾里得空間,宇宙學家所說的是平坦的,在實驗誤差中。

因此,歐幾里得幾何形狀歐幾里得在3D空間中的宇宙中的第五個假設相​​關的規則。但是,過去3D空間的幾何形狀可能是高度彎曲的。空間的曲率通常是使用riemannian歧管曲率中的非零riemann曲率張量進行建模的。歐幾里得“幾何平坦”空間的riemann曲率張量為零。

“幾何平面”空間具有三個維度,並且與歐幾里得空間一致。但是,時空有四個維度。根據愛因斯坦的相對論一般理論,它不是平坦的。愛因斯坦的理論假定“物質和能量曲線的時空,並且有足夠的物質和能量來提供曲率”。

在某種程度上,為了適應這種不同的幾何形狀,宇宙的擴展本質上是一般的相對論。它不能僅僅以特殊的相對論進行建模:儘管存在這樣的模型,但它們可能與觀察到的物質與宇宙中的時空之間的相互作用的基本賠率。

右圖的圖像顯示了時空圖的兩個視圖,這些圖顯示了根據λCDM宇宙學模型顯示宇宙的大規模幾何形狀。省略了空間的兩個維度,留下一個空間維度(隨著圓錐體變大的尺寸)和一段時間(圓錐形表面“向上”進行的尺寸)。圖表的狹窄圓形末端對應於大爆炸後7億年的宇宙學時代,而寬端是180億年的宇宙學時代,在這裡,人們可以看到加速膨脹的開始,因為時空,最終在該模型中占主導地位的功能。紫色網格線以大爆炸的10億年間隔標誌著宇宙學的時間。在當今時代(過去少,將來更少),青色的網格線以10億光年的間隔標記了距離的距離。請注意,表面的圓形捲曲是嵌入的偽影,沒有物理意義,是出於說明目的而完成的;平坦的宇宙不會卷回自身。 (在偽層的管狀形狀中可以看到類似的效果。)

圖表上的棕色線是地球的世界線(或更確切地說是它在太空中的位置,甚至在形成之前)。黃線是最遙遠的類星體的世界線。紅線是大約130億年前排出的光束的路徑,目前到達地球。橙色線顯示了類星體和地球之間的當今距離,約有280億光年,這比宇宙年齡越多,乘以光速, CT的速度。

根據一般相對性的等效原則,特殊相對論規則在近似平坦的時空小區域中在局部有效。特別是,光總是以速度C在本地旅行;在圖中,根據構造時空圖的慣例,這意味著光束總是與局部網格線呈45°角。但是,正如紅色全球所示的那樣,它並沒有遵循光線t的距離CT 。儘管它總是在C上本地移動,但其在運輸速度(約130億年)與以任何簡單的方式行進的距離無關,因為宇宙隨著光束橫穿空間和時間而擴展。因此,由於宇宙的規模變化,行進的距離本質上是模棱兩可的。然而,有兩個距離似乎具有物理意義:發出光線時地球與類星體之間的距離,以及當今時代之間的距離(沿圓錐形沿圓錐形沿尺寸劃分為空間維度)。前距離約為40億光年,比CT小得多,而後者的距離(由橙色線顯示)約為280億光年,比CT大得多。換句話說,如果今天的空間沒有膨脹,那麼光線在地球和類星體之間旅行將需要280億年,而如果擴張在較早的時候停止,那將只花費40億年。

儘管只有40億光年就能發出,但它花了超過40億年才能到達我們。實際上,朝向地球發出的光實際上是在散發出來時遠離地球的。在旅行時間的頭幾十億年中,到達地球的度量距離隨著宇宙學的時間而增加,這也表明,早期地球和果醬之間的空間擴展比光速更快。這些行為都不是源於度量擴展的特殊特性,而是源於在彎曲表面上集成的特殊相對論的局部原理。

擴大空間的拓撲

隨著時間的流逝,構成宇宙空間正在擴大。在這種情況下,有時可以互換使用的“空間”和“宇宙”一詞具有不同的含義。這裡的“空間”是一個數學概念,代表了三維流,我們各自的位置被嵌入到“宇宙”時,是指存在的一切,包括太空中的物質和能量,可能包裹在太空中的額外維度各種字符串,以及各種事件發生的時間。空間的擴展僅參考此3-D歧管。也就是說,描述不涉及諸如額外維度或外部宇宙之類的結構。

空間的最終拓撲後驗- 原則上必須觀察到的東西 - 因為沒有任何約束可以簡單地推斷出(換句話說,沒有任何先驗約束)就我們所生活的空間是如何的連接還是將其自身纏繞為緊湊的空間。儘管諸如戈德爾的宇宙之類的某些宇宙學模型甚至允許與自己相交的奇異世界線,最終是關於我們是否處於“ Pac-Man Universe”之類的問題,如果朝一個方向旅行,那麼如果一個方向旅行,那麼一個人都可以簡單地結束一個人最終。回到同一位置,例如一路繞過氣球的表面(或像地球這樣的行星),是一個觀察性問題,被宇宙的全球幾何形狀限制為可測量或不計量的觀察問題。目前,觀察結果與宇宙在範圍內是無限的,僅僅連接的,儘管我們限制了通過宇宙學範圍區分簡單和更複雜的建議。宇宙的程度可能是無限的,也可能是有限的;但是導致早期宇宙通貨膨脹模型的證據也意味著“總宇宙”比可觀察到的宇宙大得多,因此,由於光未達到光度,因此任何邊緣或異國情調的幾何形狀或拓撲都無法直接觀察到。仍然允許宇宙的這些方面(如果存在)。出於所有目的和目的,可以肯定地假設宇宙在空間範圍內是無限的,沒有邊緣或奇怪的聯繫。

不管宇宙的整體形狀如何,宇宙正在擴展到的問題是不需要根據描述擴展的理論答案的問題。我們在宇宙中定義空間的方式絕不需要額外的外部空間可以擴展,因為無限擴張的擴展可能會在不改變無限範圍的無限範圍的情況下發生。所有可以肯定的是,我們所居住的空間的多數具有隨著時間的流逝而越大的距離越大的屬性。這僅意味著與下面探討的度量擴展相關的簡單觀察後果。不需要“外部”或嵌入超空間中的膨脹。在這方面,經常看到的宇宙經常看到的宇宙成長為泡沫。沒有理由相信宇宙擴展的宇宙中有任何“外部”。

即使整個空間範圍是無限的,因此宇宙無法獲得任何“更大”,我們仍然說空間正在擴大,因為在本地,物體之間的特徵距離正在增加。隨著無限空間的增長,它仍然是無限的。

擴展過程中的宇宙密度

儘管很年輕,並且在其早期膨脹的一部分中非常稠密- 比通常形成黑洞所需的範圍很密集,但宇宙並沒有重新爆發到黑洞中。這是因為重力崩潰的常用計算通常基於相對恆定大小的對象,例如恆星,並且不適用於諸如大爆炸之類的迅速擴展的空間。

擴展對小尺度的影響

空間的膨脹有時被描述為將物體拆開的力量。儘管這是對宇宙常數效應的準確描述,但它並不是一般膨脹現象的準確圖片。

擴展的葡萄乾麵包模型的動畫。隨著麵包的寬度(深度和長度)加倍,葡萄乾之間的距離也加倍。

除了減慢整體膨脹之外,重力還會導致物質局部團結成恆星和星系。一旦形成物體並被重力束縛,它們就會“退出”膨脹,隨後不會在宇宙學指標的影響下擴展,沒有力量迫使他們這樣做。

宇宙的慣性擴張與真空中附近物體的慣性分離之間沒有區別。前者只是後者的大規模推斷。

一旦物體被重力束縛,它們將不再彼此退縮。因此,綁定到銀河系的仙女座星系實際上落在我們身上,並沒有擴大。在本地組中,引力相互作用改變了物體的慣性模式,因此沒有發生宇宙學的擴張。除了本地群體之外,慣性膨脹是可以衡量的,儘管系統的引力效應表明,空間的越來越大的部分最終將從“哈勃流動”中掉出來,最終以綁定的,不擴展的對象,直到到達超級範圍的範圍星系。通過了解哈勃流動的精確方式以及我們正在重力拉動的對象的質量,可以預測這種未來的事件。目前,當地團體正在重力朝著沙普利超級群落或“偉大的吸引者”朝向,如果黑暗能量沒有表現,我們最終將合併,並且在這樣的時期之後,我們將不再看到遠離我們。

公制擴展的結果是慣性運動引起的,即物質統一的局部“爆炸”可以通過FLRW幾何形狀在本地描述,這是描述整個宇宙擴展的相同幾何形狀,也是基礎的。對於更簡單的米爾恩宇宙,它忽略了重力的影響。特別是,一般相對性預測,相對於爆炸物質的局部運動,光將以速度C移動,這是一種類似於框架拖動的現象。

情況隨著暗能量或宇宙常數的引入而有所變化。由於真空能量密度而引起的宇宙常數具有在物體之間添加排斥力,而物體之間的排斥力與距離成比例(不相反)。與慣性不同,它會積極地“拉”在重力的影響下甚至在個體原子的影響下聚集在一起的物體。但是,這不會導致對象穩定生長或分解。除非它們非常弱,否則它們將簡單地固定在比以前稍大的(不可發現的)的平衡狀態。隨著宇宙的擴展和物質的變化,引力吸引力減少(因為它與密度成正比),而宇宙學排斥增加。因此,λCDM宇宙的最終命運是在宇宙常數的影響下以不斷增長的速度擴展的幾乎真空。但是,像銀河系這樣的重力綁定的物體不會擴展,而仙女座銀河正在向我們移動足夠快,以至於它仍將與大約30億年的銀河系合併。

度量膨脹和光速

宇宙早期通貨膨脹時期結束時,宇宙中的所有問題和能量都置於慣性軌跡上,這與等效原理愛因斯坦的相對論一般理論一致。這是宇宙擴展的精確和規則形式的起源(也就是說,宇宙中的物質正在分離,因為它由於流動性領域而在過去分開)。

儘管特殊的相對論禁止對象相對於可以將時空視為平坦且不變的局部參考框架,但它的移動速度比光更快,但它不適用於及時的時空曲率或演變變得重要的情況。這些情況是通過一般相對性描述的,這使兩個遙遠的對象之間的分離比光速更快,儘管此處的“距離”的定義與慣性框架中使用的定義有所不同。此處使用的距離的定義是在局部穩定距離的求和或集成,全部在恆定的局部適當時間內完成。例如,與哈勃半徑更遠的星系,約4.5吉帕爾塞克或147億光年,距我們的衰退速度比光速快。這些對象的可見性取決於宇宙的確切擴展歷史。如今,除了更遠的宇宙事件範圍之外的星系,大約5吉帕爾塞克或160億光年的光線發出的光線永遠不會到達我們,儘管我們仍然可以看到這些星系過去發出的光線。由於膨脹率很高,因此兩個對象之間的距離也可能大於通過將光速乘以宇宙年齡來計算的值。這些細節是業餘愛好者,甚至是專業物理學家的經常混亂的根源。由於主題的非直覺性質以及某些人所描述的“粗心”措辭選擇,對空間的度量擴展的某些描述以及這種描述可以引起的誤解是內部討論的持續討論主題教育領域和科學概念的交流。

宇宙擴展的常見類比

通常用概念模型來說明宇宙的擴展,其中採用擴展對象來表示擴展的空間。請注意,這些模型可能會產生誤導,以至於它們給出了一個錯誤的印象,即擴大空間可以隨身攜帶對象。實際上,宇宙的擴展僅對應於對象的慣性運動。

在“橡膠繩模型上的螞蟻”中,人們想像著一個螞蟻(理想化為指尖)以恆定的速度爬行,這是在不斷伸展的完美彈性繩索上。如果我們根據λCDM量表因子拉伸繩索,並將螞蟻的速度視為光速,那麼這種類比在數字上是準確的- 隨著時間的推移,螞蟻的位置將與上面嵌入圖上的紅線路徑匹配。

在“橡膠板型號”中,一個人用平坦的二維橡皮紙代替繩索,該橡膠板在各個方向均勻膨脹。添加第二個空間維度增加了通過片段中局部曲率顯示出空間幾何形狀的局部擾動的可能性。

在“氣球型號”中,平面板被球形氣球所取代,該球形氣球是從最初尺寸為零(代表大爆炸)膨脹的。氣球具有正高斯曲率,而觀察結果表明真實的宇宙在空間上是平坦的,但是可以通過使氣球非常大,從而消除這種不一致性,從而使其在局部平坦至觀察範圍內。這種類比有可能令人困惑,因為它錯誤地表明大爆炸發生在氣球的中心。實際上,即使在早些時候被氣球佔據,也沒有氣球表面的指向。

在“葡萄乾麵包模型”中,人們想像著在烤箱中膨脹的一條葡萄乾麵包。麵包(空間)整體擴展,但是葡萄乾(重力綁定的物體)不會擴展;他們只是彼此越來越遠。

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