膨脹宇宙模型

本文旨在對膨脹宇宙模型的相關理論進行綜述整理。

膨脹宇宙模型是可觀測宇宙中兩個遙遠部分之間的距離隨時間的增加。它是空間本身變化的內在擴張。宇宙不會擴張 成"任何東西, 也不會任何空間存在於其之外。從技術角度上講, 空間和空間中的物體都不會移動。相反, 它是控制時空本身的大小和幾何的指標。儘管時空內的光和物體的傳播速度不能超過光速, 但這一限制並不限制度量本身。在觀察者看來, 空間在膨脹, 除了最近的星系外, 其他星系都在遠離。

在宇宙大爆炸後大約10⁻³²秒的膨脹時期, 宇宙突然膨脹, 其體積增加了至少10⁷⁸的係數 (三個維度中每個維度的至少增加10²⁶倍), 相當於膨脹物體1納米 (10⁻⁹M, 約DNA分子寬度的一半) 長到大約10.6光年(約10¹⁷M 或62萬億英里) 長。然後, 空間繼續緩慢而逐步擴大, 直到大爆炸 (40億年前) 之後98億年左右, 空間開始以更快的速度逐步擴大, 而且目前仍在逐步擴大。

空間的膨脹與日常生活中看到的 熱膨脹和爆炸完全不同。是 符合廣義相對論 的, 而不是只適用於宇宙的一部分或可以從外部觀測到的現象。

膨脹是 大爆炸宇宙學 的一個關鍵特徵, 是弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規數學模型, 是我們所居住的宇宙的一個通用屬性。然而, 該模型僅在大尺度上有效。

指標和組合坐標概述

公制定義了距離的概念, 用數學術語說明如何測量空間中兩個附近點之間的距離, 用坐標系表示。坐標系通過在網格上為每個點分配唯一位置 , 在空間中定位點。

表面上, 距離是用一條直線來衡量的, 但在很多情況下卻不是。例如,洲際客機沿着被稱為大圓圈 的曲線飛行, 而不是直線, 因為這是長途航空旅行的最優路線。(在地球儀一條直線會穿過地球)。

在宇宙學中, 我們不能用尺子來測量公制膨脹, 因為我們的尺子也會膨脹 (雖然極其緩慢)。另外還有, 我們可能測量的地球上或地球附近的任何物體都被幾種影響大得多的力量聚集在一起或推開。因此, 即使我們能夠衡量仍在發生的微小擴張, 我們也不會注意到小規模或日常生活中的變化。在一個大的星系間尺度上, 我們可以使用其他的距離測試, 這些 做表明太空正在膨脹, 即使地球上的統治者無法測量它。

空間的度量擴展是用度量張量的數學描述的。我們使用的坐標系稱為計算坐標, 這是一種坐標系, 它考慮到 時空 和 光速, 並還要我們納入 廣義相對論的影響和義相對論。

理解宇宙的膨脹

膨脹率的測量和變化

當一個物體遠離時, 它的光就會被拉伸 (紅移)。當物體接近時, 它的光被壓縮 (藍移）

原則上, 宇宙的膨脹可以通過取一個標準標尺和測量兩個宇宙遙遠點之間的距離來測量, 等待一定的時間, 然後再測量距離, 但實際上, 標準標尺不是在宇宙學尺度和可測量的擴展可以看到的時間尺度上很容易找到, 即使是N多代人類也無法觀察到。空間的擴展是間接測量的。相對論預測與膨脹相關的現象, 特別是被稱為 哈勃定律的 距離測量 (宇宙學) 的功能形式與空間不膨脹時的預期不同。

比例因子

宇宙的膨脹是我們宇宙中最大可測量尺度上空間測量的一個屬性。與宇宙相關的點之間的距離隨着時間的推移而增加。宇宙的這一特徵可以用一個被稱為 尺度因子的單一參數來描述, 它是時間的函數並且是任何瞬間所有空間的一個值 (如果尺度因子是空間的功能, 這將違反 宇宙學原理)。按照慣例, 尺度因素在目前是統一的, 由於宇宙在膨脹, 過去的尺度因素較小, 未來的規模也更大。用某些宇宙學模型進行時間推斷, 將產生尺度因子為零的時刻;我們目前對宇宙學的理解是 這次是13.79±0.021億年前的宇宙時代。如果宇宙繼續永遠膨脹, 比例因子將在未來接近無窮大。原則上, 宇宙的膨脹必須是 單調函數單調 是沒有理由的, 有一些模型, 在未來的某個時候, 尺度因子會隨着空間的收縮而不是膨脹而減小。

理論基礎

哈勃定律

從技術上講, 空間的度量擴展是 廣義相對論 愛因斯坦場方程 的許多解的一個特徵, 距離是使用 洛倫茲區間來測量的。這解釋了一些觀察結果, 就是與我們距離較遠的 星系 比離我們更近的星系要快 (見哈勃定律)。

外部鏈接

• 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.)