膨胀宇宙模型

本文旨在对膨胀宇宙模型的相关理论进行综述整理。

膨胀宇宙模型是可观测宇宙中两个遥远部分之间的距离随时间的增加。它是空间本身变化的内在扩张。宇宙不会扩张 成"任何东西, 也不会任何空间存在于其之外。从技术角度上讲, 空间和空间中的物体都不会移动。相反, 它是控制时空本身的大小和几何的指标。尽管时空内的光和物体的传播速度不能超过光速, 但这一限制并不限制度量本身。在观察者看来, 空间在膨胀, 除了最近的星系外, 其他星系都在远离。

在宇宙大爆炸后大约10⁻³²秒的膨胀时期, 宇宙突然膨胀, 其体积增加了至少10⁷⁸的系数 (三个维度中每个维度的至少增加10²⁶倍), 相当于膨胀物体1纳米 (10⁻⁹M, 约DNA分子宽度的一半) 长到大约10.6光年(约10¹⁷M 或62万亿英里) 长。然后, 空间继续缓慢而逐步扩大, 直到大爆炸 (40亿年前) 之后98亿年左右, 空间开始以更快的速度逐步扩大, 而且目前仍在逐步扩大。

空间的膨胀与日常生活中看到的 热膨胀和爆炸完全不同。是 符合广义相对论 的, 而不是只适用于宇宙的一部分或可以从外部观测到的现象。

膨胀是 大爆炸宇宙学 的一个关键特征, 是弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规数学模型, 是我们所居住的宇宙的一个通用属性。然而, 该模型仅在大尺度上有效。

指标和组合坐标概述

公制定义了距离的概念, 用数学术语说明如何测量空间中两个附近点之间的距离, 用坐标系表示。坐标系通过在网格上为每个点分配唯一位置 , 在空间中定位点。

表面上, 距离是用一条直线来衡量的, 但在很多情况下却不是。例如,洲际客机沿着被称为大圆圈 的曲线飞行, 而不是直线, 因为这是长途航空旅行的最优路线。(在地球仪一条直线会穿过地球)。

在宇宙学中, 我们不能用尺子来测量公制膨胀, 因为我们的尺子也会膨胀 (虽然极其缓慢)。另外还有, 我们可能测量的地球上或地球附近的任何物体都被几种影响大得多的力量聚集在一起或推开。因此, 即使我们能够衡量仍在发生的微小扩张, 我们也不会注意到小规模或日常生活中的变化。在一个大的星系间尺度上, 我们可以使用其他的距离测试, 这些 做表明太空正在膨胀, 即使地球上的统治者无法测量它。

空间的度量扩展是用度量张量的数学描述的。我们使用的坐标系称为计算坐标, 这是一种坐标系, 它考虑到 时空 和 光速, 并还要我们纳入 广义相对论的影响和义相对论。

理解宇宙的膨胀

膨胀率的测量和变化

当一个物体远离时, 它的光就会被拉伸 (红移)。当物体接近时, 它的光被压缩 (蓝移）

原则上, 宇宙的膨胀可以通过取一个标准标尺和测量两个宇宙遥远点之间的距离来测量, 等待一定的时间, 然后再测量距离, 但实际上, 标准标尺不是在宇宙学尺度和可测量的扩展可以看到的时间尺度上很容易找到, 即使是N多代人类也无法观察到。空间的扩展是间接测量的。相对论预测与膨胀相关的现象, 特别是被称为 哈勃定律的 距离测量 (宇宙学) 的功能形式与空间不膨胀时的预期不同。

比例因子

宇宙的膨胀是我们宇宙中最大可测量尺度上空间测量的一个属性。与宇宙相关的点之间的距离随着时间的推移而增加。宇宙的这一特征可以用一个被称为 尺度因子的单一参数来描述, 它是时间的函数并且是任何瞬间所有空间的一个值 (如果尺度因子是空间的功能, 这将违反 宇宙学原理)。按照惯例, 尺度因素在目前是统一的, 由于宇宙在膨胀, 过去的尺度因素较小, 未来的规模也更大。用某些宇宙学模型进行时间推断, 将产生尺度因子为零的时刻;我们目前对宇宙学的理解是 这次是13.79±0.021亿年前的宇宙时代。如果宇宙继续永远膨胀, 比例因子将在未来接近无穷大。原则上, 宇宙的膨胀必须是 单调函数单调 是没有理由的, 有一些模型, 在未来的某个时候, 尺度因子会随着空间的收缩而不是膨胀而减小。

理论基础

哈勃定律

从技术上讲, 空间的度量扩展是 广义相对论 爱因斯坦场方程 的许多解的一个特征, 距离是使用 洛伦兹区间来测量的。这解释了一些观察结果, 就是与我们距离较远的 星系 比离我们更近的星系要快 (见哈勃定律)。

外部链接

• Swenson, Jim Answer to a question about the expanding universe
• Felder, Gary, "The Expanding universe".
• NASA's WMAP team offers an "Explanation of the universal expansion" at a very elementary level
• Hubble Tutorial from the University of Wisconsin Physics Department
• Expanding raisin bread from the University of Winnipeg: an illustration, but no explanation
• "Ant on a balloon" analogy to explain the expanding universe at "Ask an Astronomer". (The astronomer who provides this explanation is not specified.)