Kosmoloģiskais princips: Visuma homogenitāte, izotropija un nozīme
Kosmoloģiskais princips: skaidrojums par Visuma homogenitāti, izotropiju un to nozīmi kosmoloģijā, pierādījumiem un filozofiskajām sekām.
Mūsdienu fizikālajā kosmoloģijā kosmoloģiskais princips ir pareģojums, kas balstās uz ideju, ka, skatoties lielā mērogā, Visums visās vietās ir aptuveni vienāds.
Paredzams, ka spēki visā Visumā darbojas vienmērīgi. Tāpēc liela mēroga struktūrā nevajadzētu būt novērojamiem pārkāpumiem. Struktūra ir vielas lauka evolūcijas rezultāts pēc Lielā sprādziena.
Astronoms Viljams Kīls skaidro:
Kosmoloģiskais princips formāli parasti tiek formulēts šādi: "Skatoties pietiekami lielā mērogā, Visuma īpašības ir vienādas visiem novērotājiem. Tas nozīmē izteikti filozofisku apgalvojumu, ka tā Visuma daļa, kuru mēs varam redzēt, ir taisnīgs paraugs un ka visā Visumā ir spēkā vienādi fizikas likumi.
Divas pārbaudāmas kosmoloģiskā principa sekas ir homogenitāte un izotropija. Viendabīgums nozīmē, ka novērotājiem dažādās Visuma vietās ir pieejami vienādi novērojumu pierādījumi ("Visuma daļa, ko mēs varam redzēt, ir taisnīgs paraugs"). Izotropija nozīmē, ka vienādi novērojumu pierādījumi ir pieejami, skatoties jebkurā virzienā Visumā ("visā Visumā ir spēkā vienādi fizikas likumi"). Šie principi ir cieši saistīti, jo Visumam, kas šķiet izotrops no jebkurām divām (sfēriskās ģeometrijas gadījumā - trim) vietām, jābūt arī viendabīgam.
Novērojumu pierādījumi
- Kosmiskā mikroviļņu fonā radiācija (CMB): CMB ir ārkārtīgi izotropa ar temperatūras svārstībām aptuveni 1 daļa no 100 000 (~10-5). Pēc kustības efektu (dipola) atskaitīšanas radiācijas pārējais stāvoklis norāda uz ļoti vienmērīgu visu debess loku.
- Galaktiku sadalījums un sarkanais nobīde: lielie gala skaitļu pētījumi (piem., SDSS, 2dF) rāda, ka virs mēroga aptuveni 100–300 megaparseku (Mpc) vielas sadalījums kļūst viendabīgs — lokālās sakritības (sistēmas, kopas, miglāji) nerada ilgtermiņa fractālās struktūras.
- Baryonu akustiskās oscilācijas (BAO): BAO novērojumi sniedz standardu garumu, kas ir saskaņojams ar homogēnu un izotropu kosmoloģisko modeli.
- Hubble plūsma un radio/ķermeņu fonā starojums: plaša mēroga Hubble paplašināšanās un citu starojumu laukumu izotropija papildus atbalsta kosmoloģiskā principa spēkā esamību.
Matemātiskais pamatojums un sekas
Pieņemot homogenitāti un izotropiju, ģeometrija un gravitācija Visumā tiek aprakstīta ar Friedmana–Lemaître–Robertsona–Walker (FLRW) metriku. Šī metriskā pieņēmuma rezultātā Atvasināmas Friedmana vienādojumi, kas apraksta telpas izplešanos, enerģijas sadalījumu un laika evolūciju. Kosmoloģiskais princips tādējādi būtiski vienkāršo Einšteina vispārīgās relativitātes vienādojumus un ļauj izveidot kvantitatīvi salīdzināmas kosmoloģiskās modeļus (piem., ΛCDM).
Fiziskais mehānisms — kā radās viendabīgums un izotropija
Viena no galvenajām skaidrojumu līnijām ir inflācija — ļoti īss un straujš izplešanās periods agrīnā Visuma vēsturē. Inflācija spēj izlīdzināt sākotnējās anizotropijas un neviendabības, izstāstot, kā liela mērogā izveidojās vienmērīga un izotropa telpa. Tomēr inflācija pati par sevi balstās uz fizikas modeļiem, kurus novērojumi palīdz pārbaudīt.
Tests, ierobežojumi un alternatīvas
- Mērogi un lokālās inhomogenitātes: kosmoloģiskais princips attiecas uz pietiekami lieliem mērogiem. Vietējās struktūras — galaktikas, kopas, šķērskarnes un tukšumi — skaidri ir neviendabīgas, un tās nerada pretrunu vispārīgai homogenitātei lielākos mērogos.
- Horisonta ierobežojums: mēs varam pārbaudīt tikai novērojamo Visumu. Kosmoloģiskais princips attiecas uz to Visuma daļu, kuru mēs varam novērot; tas nepierāda, ka visa Visuma ārpuse ir identiska ar novērojamo daļu.
- Alternatīvi modeļi: ir izstrādāti modeļi, kas pamatojas uz anizotropiem vai neviendabīgiem risinājumiem (piem., Lemaître–Tolman–Bondi modeļi, Bianchi ģimenes metrikas). Lielākā daļa novērojumu tomēr ierobežo šādu anizotropiju iespēju, un šie modeļi nerada labāku saskaņojumu ar datiem nekā FLRW/ΛCDM.
- Diskusijas un filozofiskais aspekts: kosmoloģiskais princips bieži tiek saistīts ar Kopernika principu — ideju, ka Zeme (vai cilvēks) nav novietots īpašā kosmiskā vietā. Tas ir gan novērojumu rezultāts, gan filozofisks pamatpieņēmums, kas atvieglo modeļu formulēšanu.
Nozīme kosmoloģijā
Kosmoloģiskais princips ir centrāls pīlārs mūsdienu kosmoloģijas — tas ļauj izveidot salīdzinoši vienkāršus un spēcīgus modeļus Visuma evolūcijai, paredzēt CMB raksturu, Hubble izplešanos, struktūru veidošanos un kosmoloģiskos parametru vērtības. Tā pārbaude ar novērojumiem (CMB, galaktiku aptaujas, supernovu zvaigznes, BAO u.c.) ir viens no galvenajiem veidiem, kā pārbaudīt un precizēt mūsu izpratni par Visuma vēsturi un sastāvu.
Kopumā kosmoloģiskais princips nav absolūts likums, bet gan novērojumu un loģikas virzīts pieņēmums. Tas izrādījies ārkārtīgi veiksmīgs, lai aprakstītu lielu daļu kosmoloģisko fenomenu, tomēr zinātne saglabā vaļas ceļu alternatīvām un turpmākiem testiem, jo jaunie novērojumi un precizētie dati var prasīt teoriju uzlabošanu vai paplašināšanu.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir kosmoloģiskais princips?
A: Kosmoloģiskais princips ir ideja, ka Visums ir vienāds visās vietās, skatoties plašā mērogā, un spēki visā Visumā darbojas vienādi, kā rezultātā nav novērojamu nevienmērību plaša mēroga struktūrā.
J: Kāda ir matērijas lauka evolūcija pēc Lielā sprādziena?
A: Visuma liela mēroga struktūra ir rezultāts, ko radījusi matērijas lauka evolūcija pēc Lielā sprādziena.
J: Kas ir Viljams Kīls un ko viņš skaidro par kosmoloģisko principu?
A: Viljams Kīls ir astronoms, kurš skaidro, ka kosmoloģisko principu parasti formāli formulē šādi: "Skatoties pietiekami lielā mērogā, Visuma īpašības ir vienādas visiem novērotājiem." Viņš arī apgalvo, ka šis princips ir stingri filozofisks apgalvojums, ka tā Visuma daļa, kuru mēs varam redzēt, ir taisnīgs paraugs un ka visā Visumā ir spēkā vienādi fizikas likumi.
Kādas ir divas pārbaudāmas kosmoloģiskā principa sekas?
A: Divas pārbaudāmas kosmoloģiskā principa sekas ir homogenitāte un izotropija.
J: Ko homogenitāte nozīmē saistībā ar kosmoloģisko principu?
A: Homogenitāte nozīmē, ka novērotājiem dažādās Visuma vietās ir pieejami vienādi novērojumu pierādījumi.
J: Ko kosmoloģiskā principa kontekstā nozīmē izotropija?
Atbilde: Izotropija nozīmē to, ka vienādi novērojumu pierādījumi ir pieejami, skatoties jebkurā virzienā Visumā.
J: Kā homogenitāte un izotropija ir saistītas ar kosmoloģisko principu?
A: Homogenitāte un izotropija ir cieši saistītas, jo Visumam, kas šķiet izotrops no jebkurām divām (sfēriskās ģeometrijas gadījumā trim) vietām, jābūt arī homogēnam.
Meklēt