Kosmologisk princip

Det kosmologiske princip  er hovedpositionen i moderne kosmologi , ifølge hvilken hver observatør på samme tidspunkt , uanset observationssted og -retning, i gennemsnit opdager det samme billede i universet . Uafhængighed af observationsstedet , det vil sige ligheden af ​​alle punkter i rummet , kaldes homogenitet ; uafhængighed af observationsretningen , det vil sige fraværet af en fornem retning i rummet - isotropi (dets fravær er anisotropi ). Fraværet af homogenitet ville medføre anisotropi, mens fraværet af isotropi ikke nødvendigvis fører til inhomogenitet [1] . Samtidig fører tilstedeværelsen af ​​isotropi på alle punkter i rummet til automatisk homogenitet [2] .

Udtrykket kosmologisk princip blev første gang brugt i 1935 af den britiske kosmolog Edward Arthur Milne . Oprindeligt var antagelsen om universets homogenitet og isotropi grundlaget for de kosmologiske teorier af Albert Einstein , Willem de Sitter , Alexander Friedmann , og dens rødder går tilbage til de naturfilosofiske systemer hos Giordano Bruno , Rene Descartes og de kosmologiske udsigt over Isaac Newton .

Det kosmologiske princip gælder kun tilnærmelsesvis, på skalaer, der er meget større end størrelsen af ​​en galaksehob. Faktisk er tråde og vægge , hulrum , hobe og superhobe af galakser , galakser , stjerner , planeter afvigelser fra universets ensartethed , da deres eksistens betyder, at de fysiske forhold på forskellige punkter er forskellige. Afvigelser fra ensartethed og isotropi er dog ikke særlig vigtige, hvis vi går til meget store skalaer, over omkring et par hundrede millioner lysår . Det bedste bevis på universets isotropi på de største skalaer er den meget lille værdi af den observerede anisotropi af CMB  -ca .

Beskrivelse

Tidligere antog mange videnskabsmænd, at universet er hierarkisk : hvert materialesystem er en del af et system på højere niveau . Hvis dette var tilfældet, ville det betyde en krænkelse af det kosmologiske princip, da uanset hvor meget plads vi overvejer, ville der altid være en foretrukken retning - retningen mod centrum af det nærmeste system af et højere niveau.

Dette synspunkt synes dog at blive tilbagevist af observationsdata. Den vigtigste af disse er isotropien af ​​den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling . Derudover viser røntgenbaggrundsstrålingen udsendt af fjerne objekter såsom kvasarer , varm intergalaktisk gas osv. også en høj grad af isotropi. Endelig, selvom nærliggende galakser er koncentreret mod planet for den lokale superhob (og endnu tættere på galaksehoben i stjernebilledet Jomfruen ), viser fordelingen af ​​fjerne galakser en meget høj grad af isotropi.

Direkte beregninger af galakser indikerer, at jo større den karakteristiske størrelse af et system af galakser (grupper, hobe , superhobe ), jo svagere er dette system adskilt fra den omgivende baggrund. For eksempel har systemer større end 100 Mpc en tæthed, der kun er et par procent højere end universets gennemsnitlige tæthed. Dette siger bare, at når skalaen øges, har universet en tendens til ensartethed og isotropi, i fuld overensstemmelse med det kosmologiske princip.

Det antages normalt, at overgangen fra strukturerethed til ensartethed og isotropi sker på skalaer i størrelsesordenen en halv milliard lysår. Hvis vi tager en terning med en kant af denne størrelse, så vil antallet af stjerner og galakser inde i den være omtrent det samme, uanset hvilken del af universet vi placerer denne terning. Flere tusinde sådanne terninger kan passe i den synlige del af universet. Det betyder, at universet i stor skala er homogent og isotropt, i overensstemmelse med det kosmologiske princip. Den præcise skala, hvorpå overgangen fra småskala-inhomogenitet til storskalahomogenitet sker, er dog endnu ikke endeligt afklaret.

Nogle vigtige konklusioner vedrørende universets struktur følger direkte af det kosmologiske princip. For eksempel bør universet som helhed ikke rotere (da rotationsaksen ville være en foretrukken retning), det bør ikke have et centrum og en rumlig grænse (ellers ville universets ensartethedstilstand blive overtrådt).

Hubbles lov

Galaksernes bevægelseslov, der er kompatibel med det kosmologiske princip, er Hubbles lov : den radiale hastighed v for enhver galakse er proportional med afstanden r fra den:

,

hvor H  er en proportionalitetsfaktor kaldet Hubble-konstanten . Ved første øjekast ser det ud til, at Hubbles lov er i modstrid med det kosmologiske princip, fordi det ser ud til at følge af det, at det er vores placering, der er det centrum, hvorfra alle andre galakser spredes. Faktisk er denne opfattelse falsk. Hvis vi var placeret i et hvilket som helst andet stjernesystem, ville vi fastsætte nøjagtig den samme lov om galaksers recession.

Desuden er Hubbles lov den eneste lov om galakse recession, der ikke er i modstrid med det kosmologiske princip. Dette kan verificeres som følger. Overvej en geometrisk figur dannet af flere galakser. Med tiden skal denne figur stige på en sådan måde, at den altid forbliver lig sig selv (ellers ville afstande i den ene retning vokse hurtigere end i den anden, og dette er i modstrid med universets isotropi). Derfor bør afstanden til hver galakse stige med det samme antal gange i samme tid. Lad galakse A være placeret N gange længere fra et vilkårligt valgt centrum (for eksempel vores galakse) end en anden galakse B. Derfor skal den bevæge sig N gange hurtigere end galakse B. Med andre ord skal galaksens hastighed være proportional med afstanden til det, hvad Hubble-loven siger .

Den amerikanske astronom Allan Sandage bemærkede en selvmodsigelse: Hubbles lov er gyldig selv inde i "heterogenitetens celle", i afstande på omkring 2 Mpc, mens overgangen til universets homogenitet sker ved afstande, der er mindst 100 gange større. Dette paradoks løses med inddragelse af " mørk energi ", som bestemmer dynamikken allerede ved afstande på 1,5-2 Mpc og er fordelt med en meget større grad af ensartethed end stof [3] [4] . Dette synspunkt deles dog ikke af alle eksperter [5] .

Dipolanisotropi

Tilbage i 1970'erne blev dipolanisotropien af ​​den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling opdaget - i retning af Løven-konstellationen er temperaturen af ​​denne stråling 0,1 % højere end gennemsnittet, og i den modsatte retning er den samme mængde lavere [ 6] . Dipolanisotropi overtræder dog ikke det kosmologiske princip, da den ikke karakteriserer selve mikrobølgebaggrunden , men vores bevægelse i forhold til den. Faktum er, at ifølge Doppler-effekten , når strålingsmodtageren nærmer sig kilden, falder bølgelængden (blåt skift observeres), og når det fjernes, øges det (rødt skift). Men bølgelængden er relateret til strålingstemperaturen ved Wiens lov . Derfor indikerer relikviestrålingens dipolanisotropi, at Solen sammen med Jorden og planeterne bevæger sig i forhold til denne stråling mod stjernebilledet Løven. Hastigheden af ​​denne bevægelse er cirka 370 km/s. Da CMB er strålingen fra universet som helhed, kan vi sige, at disse 370 km/s er Solens hastighed i forhold til universet som helhed. Ved at kende størrelsen og retningen af ​​Solens rotationshastighed omkring galaksens centrum (220 km/s, retning mod stjernebilledet Cygnus), kan vi beregne galaksens hastighed som helhed i forhold til baggrundsstrålingen, som viser sig at være 620 km/s. Denne usædvanlige hastighed tages i betragtning, når vi kontrollerer nøjagtigheden af ​​Hubbles lov.

Problemer

På trods af succesen med teorien, der følger af det kosmologiske princip, er der observationsfakta, der tilsyneladende er i modstrid med det kosmologiske princip:

• T.n. " Ondskabens akse ", opdaget i 2006, er en svag, uforklarlig anisotropi af den kosmiske mikrobølgebaggrund [7] .
• Beregninger af galakser viser inhomogenitet selv på skalaer over 400 millioner lysår. år [8] .
• Tilstedeværelsen af ​​en foretrukken rotationsretning for galakser [9] [10] .
• Eksistensen af ​​ekstragalaktiske systemer af stor udstrækning (en enorm gruppe af kvasarer med den største længde på 4 milliarder lysår [11] , den galaktiske væg Hercules - Northern Corona med en længde på 10 milliarder lysår).
• Anisotropien af ​​røntgenintensiteten af ​​fjerne grupper af galakser, hvilket kan indikere inhomogeniteten af ​​universets udvidelse afhængigt af retningen [12] .

Imidlertid er den statistiske betydning af disse fænomener for kosmologi endnu ikke klar - det er hypotetisk antaget , at de ikke modsiger den globale isotropi og homogenitet, mest strengt bevist af de små CMB- udsving . Men i strukturen af ​​selve relikviestrålingen observeres fænomener, der formodentlig kan modsige princippet om isotropi. For eksempel Eridanis super-tomrum .

Se også

• Univers
• Univers ekspansion
• Kopernikansk princip
• Universets struktur i stor skala

Links

• Hjemmeside om moderne kosmologi .
• Kosmologisk princip .
• Ned Wrights Cosmology Tutorial .
• O. Lahav. Observationstest for det kosmologiske princip og verdensmodeller .
• K. Wu, O. Lahav, M. Rees. Universets glathed i stor skala .
• P. J. E. Peebles. Den kosmologiske standardmodel .
• D.W. Hogg et al. Kosmisk homogenitet demonstreret med lysende røde galakser .

Kilder

1. ↑ Weinberg S., De første tre minutter: et moderne syn på universets oprindelse, Moscow-Izhevsk, RHD Publishing House, 2000, s. 39.
2. ↑ Mizner C., Thorn K., Wheeler J. § 27.3. Geometrisk betydning af homogenitet og isotropi // Tyngdekraft . - M . : Mir, 1977. - T. 2. - S. 384.
3. ↑ A.D. Chernin: Fysisk vakuum og kosmisk anti-tyngdekraft . Hentet 7. februar 2006. Arkiveret fra originalen 29. april 2005. (ubestemt)
4. ↑ A.D. Chernin: Mørk energi er nær os . Hentet 7. februar 2006. Arkiveret fra originalen 17. februar 2006. (ubestemt)
5. ↑ Lukash V.N., Rubakov V.A. "Mørk energi: myter og virkelighed" UFN 178 301–308 (2008) . Hentet 28. april 2020. Arkiveret fra originalen 6. februar 2020. (ubestemt)
6. ↑ N. Wright, History of the CMB Dipole Anisotropy Arkiveret 25. juni 2010 på Wayback Machine .
7. ↑ Natalia Leskova, Andrey Vaganov. Universet er komplekst, men ikke kaotisk . Nezavisimaya Gazeta (12. april 2006). Hentet 3. september 2010. Arkiveret fra originalen 9. februar 2012. (ubestemt)
8. ↑ F. Sylos Labini, Yu. V. Baryshev , Test af de kopernikanske og kosmologiske principper i lokaluniverset med galakseundersøgelser Arkiveret 3. december 2021 på Wayback Machine .
9. ↑ Forskere har fundet et spor af universets rotation ved fødslen Arkiveret 18. februar 2012 på Wayback Machine .
10. ↑ Detektering af en dipol i spiralgalakser med rødforskydninger z  ~ 0,04  // Physics Letters B. - 2011. - Vol. 699 , no. 4 . - S. 224-229 . - doi : 10.1016/j.physletb.2011.04.008 .
11. ↑ Åben gruppe af kvasarer sætter spørgsmålstegn ved det kosmologiske princip .
12. ↑ K. Migkas, G. Schellenberger, T.H. Reiprich, F. Pacaud, M.E. Ramos-Ceja og L. Lovisari. Undersøgelse af kosmisk isotropi med en ny røntgengalakse-klyngeprøve gennem LX-T-skaleringsforholdet  // Astronomy and Astrophysics  . - EDP Sciences , 2020. - Nej. 636 . Arkiveret fra originalen den 29. september 2021.

Ordbøger og encyklopædier	Fantastisk catalansk stor kinesisk Fantastisk norsk Britannica (online)