我们的宇宙膨胀

宇宙大爆炸:我们相信到底发生了什么?有清晰的观测证据表明,原始爆炸确实发生了——从这整个宇宙,我们知道似乎是吗?,在第1部分中所提出的中心问题是一个问题:怎么能这样疯狂热暴力事件表示非常微小的熵的状态?

最初,相信爆炸的主要原因为宇宙起源来自具有说服力的由美国天文学家埃德温·哈勃观测,宇宙在膨胀。这是在1929年,虽然这一扩张的迹象在1917年之前注意到维斯托斯来福。哈勃的观测,而令人信服地证明遥远星系远离我们的速度基本上是与他们的距离成正比,所以,如果我们倒推,我们得出结论,一切都会有或多或少的在同一时间。事件将构成一个惊人的爆炸——我们现在称之为“大爆炸”——所有事似乎有其最终的起源。后续观察,其中有很多,详细具体的实验(其中一些我必不久),证实和极强的哈勃的初步结论。

哈勃的考虑是基于观测的谱线红移的遥远星系发出的光。“红移”的术语,指的是事实,即频谱的频率发出的不同种类的原子在一个遥远的星系,在地球上,是略有变化的红色的方向(图2.1),这是一个统一的减少频率一致的解释多普勒频移,121]即红由于观察对象以相当快的速度从我们后退。星系的红移大于似乎更加遥远,和相关性明显距离是一致的哈勃图片空间的统一宇宙的膨胀。

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蓝色红色

图2.1发出的光谱的红移的原子在一个遥远的星系是一致的解释多普勒频移。

很多细化的观察和解释发生在接下来的几年,它是公平地说,哈勃的原始观点被证实,不仅在一般条款,但最近的工作给了一个相当详细视图的宇宙的膨胀率已经随着时间的推移,给我们提供一幅现在很普遍接受的(虽然仍存在一些值得注意的异议,[22]时的一些详细的问题)。特别是,而公司普遍认为日期接近1.37 x 1010年前,已经建立的时刻,宇宙的物质会被一起在其起始点我们的确称为“大爆炸”。[23]

我们不应该认为大爆炸是本地化在某个特定的空间区域。在认为宇宙学家,爱因斯坦的广义相对论的观点,是当时发生大爆炸包含整个宇宙的空间传播,所以它包含的全部所有的物理空间,不仅仅是宇宙的物质内容。因此空间本身是,在一个适当的意义上,很小。理解这样的令人困惑的问题,需要有一些想法的爱因斯坦curved-space-time广义相对论是如何工作的。在§2.2,我将必须解决爱因斯坦的理论相当严重,但就目前而言,让我们满足于频繁使用的一个类比,即被炸毁的气球。宇宙,就像气球,表面膨胀随着时间的推移,但整个空间膨胀,宇宙中没有焦点的扩展。当然气球被描绘成的三维空间扩张,并在其内部包含一个点,这是中央气球表面,但这一点不是本身的一部分气球表面,表面是代表整个宇宙的空间几何。

实际的宇宙膨胀的时间依赖性,观察揭示,确实是惊人的按照爱因斯坦的广义相对论的方程,但显然只有两个有些意想不到的成分是纳入理论,现在通常被称为下(有些不幸的[24])的名字“暗物质”和“暗能量”。这两种成分的方案会有相当大的重要性我应适时引入读者(§3.1,§3.2)。他们现在现代宇宙学的标准图片的一部分,尽管它必须说,既不完全接受所有该领域的专家。[25]我的部分,我很高兴接受存在的一些无形的mate-rial-the“暗物质”——一个自然本质上是未知的,但构成大约70%的我们的宇宙的物质,同时,爱因斯坦的广义相对论方程必须采取他自己提出的修改形式在1917年(尽管他后来收回了),一个微小的积极的宇宙学常数(最合理的形式的“暗能量”)都必须注册。

应该指出,爱因斯坦的广义相对论

(有或没有小)现在非常好测试在太阳系的规模。即使是非常实用的全球定位装置,现在常用的,取决于广义相对论的非凡的操作精度。更令人印象深刻的是爱因斯坦的理论在其造型的非凡的精度的二进制脉冲星的行为[26]系统整体精度的一部分在1014年(在某种意义上,脉冲星信号的时机从二进制系统psr - 1913 + 16,在一段时间内的40年,是准确模拟精度大约每年10 - 6秒)。

最初的宇宙模型,根据爱因斯坦的理论,是那些俄罗斯数学家提出的亚历山大·弗里德曼在1922年和1924年。在图2.2中,我有了这些模型的时空历史,描绘时间演进的三个案例(= 0),在这宇宙的空间曲率,分别积极,零,负面的。[27]将我的惯例,几乎我所有的时空图,水平方向,垂直方向代表时间演化和空间。在所有三个案例中,假设空间几何的一部分是完全统一的(所谓的均匀和各向同性)。宇宙学模型这种对称性称为Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker (FLRW)模型。最初的弗里德曼模型是一个特定的情况下,物质的类型描述apressurelessfluid,或“灰尘”(参见§2.4)。

图2.2时空历史弗里德曼的宇宙学模型,宇宙的空间曲率为正,零,负(左到右)。

图2.3三种基本类型的统一的平面几何Maurits c·埃舍尔:(a)椭圆(积极、K > 0);(b)欧几里得(平坦,K = 0);(c)双曲线(负数,K < 0)。版权m·c·埃舍尔公司(2004)。

本质上,[28]只有这三种情况下考虑的空间几何,即积极的空间曲率的情况下K > 0,那里的空间几何形状的三维模拟球面(像我们的气球,称为上图),平面K = 0,空间几何的熟悉的三维欧几里得几何,和反向弯曲情况下双曲空间3-geometry K < 0。对我们来说是幸运的,荷兰艺术家Maurits c·埃舍尔已经说明这三种不同类型的几何漂亮的天使和魔鬼的镶嵌,见图2.3。我们必须记住这些简单的描述二维空间几何,但类似的三种几何也存在于三维空间。

所有这些模型与“大爆炸”奇异状态,发起“奇异”指的是材料的密度和曲率时空几何成为无限在这个最初的状态,爱因斯坦方程(物理,作为一个整体,我们知道它)就是“放弃”奇点(尽管见§3.2和附录B10)。它将指出这些模型的时间行为,而反映他们的空间行为。空间有限的情况下(K > 0;图2.3 (a))也暂时有限的情况下,在那里不仅有一个初始敏捷的奇点,但还有最后一步,通常被称为“大紧缩”。其他两种情况(K < 0;图2.3 (b) (c))不仅是无限的空间[29]但暂时无限的同时,他们的扩张势头将持续下去。

自1998年左右,然而,当两个观察组,一扫罗波尔马特为首,另由布莱恩·施密特一直分析他们的数据关于遥远的超新星爆炸,[210]安装这强烈的证据表明,宇宙的膨胀在其后期并不实际匹配的进化率预测标准弗里德曼宇宙论,见图2.2。相反,似乎我们的宇宙已经开始加速膨胀,速度将会解释说如果我们要包括爱因斯坦方程一个宇宙学常数,小的积极价值。后来各种观察,这些[2.11]提供了相当的令人信服的证据的开端弗里德曼模型的指数扩张特点> 0。这个指数扩张的发生不仅与病例K < 0,在任何情况下无限扩张的远程期货即使= 0,而且在空间封闭情况下K > 0,提供一个足够大来克服recollapse封闭弗里德曼模式具有的倾向。事实上,证据表明存在一个足够大的一个,所以K的值(迹象)已经成为或多或少与膨胀率无关,(积极)值的出现实际上在爱因斯坦方程将主导后期数据的行为,提供一个指数扩张独立价值的K在观测上可以接受的范围内。因此,我们似乎有一个宇宙的膨胀速度基本上是按照图2.4中所示的曲线,时空的照片似乎是按照图2.5。

图2.4宇宙的膨胀速度积极的一个,与最终的指数增长。

图2.5时空宇宙的膨胀。挑逗性的图片用积极(画,不被偏见为K的值)。

针对这一点,这里我不得特别关注这三者之间的差别可能宇宙的空间几何。事实上目前的观测表明宇宙的整体空间几何相当接近平面K = 0。从某种意义上说这是不幸的,因为它告诉我们,我们真的不知道这个问题的答案的宇宙的整体空间几何实际上很可能是宇宙是一定空间关闭,或可能是无限的空间,为例子,因为在缺乏有力的理论理由相信相反,将永远是有可能性的一个小整体曲率正面或负面。

另一方面,许多宇宙学家认为宇宙膨胀提供的观点确实提供了一个强有力的理由相信宇宙空间的几何空间必须(除了当地相对较小的偏差)平(K = 0),所以他们很高兴这个观察亲近平坦。宇宙膨胀的提议,在一个非常小的时段之间围绕10-36 10-32秒大爆炸后,宇宙经历了一个指数扩张,增加其线性尺寸的一个巨大的因素大约1030或1060(或10100)。我将有更多的关于宇宙膨胀后(见§2.6),但就目前而言,我应该警告读者,我并不热衷于这个提议,尽管很大程度上普遍接受现在的宇宙学家之一。在任何情况下,通胀阶段的早期宇宙的历史不会影响外观的无花果。2.2和2.5,由于通货膨胀的影响只会出现在非常早期的阶段,只是大爆炸后,将不会显示在无花果。2.2和2.5的规模。另一方面,应当提出想法,我后来在这本书中出现通货膨胀提供可靠的替代方案来解释这些观察到的现象似乎取决于它在当前流行的宇宙计划(见§3.5)。

除了这些考虑,我有一个完全不同的动机呈现图2.3 (c)的照片在这里,因为它演示了一个点,对我们具有根本性的意义。这个美丽艾雪版画是基于双曲平面上的一个特定的表示这是提出的一个非常巧妙的意大利尺蠖Eugenio贝尔特拉米1868年[212]。相同的表示是重新发现,大约14年后,法国数学家庞加莱领先,更常见的是谁的名字。避免增加这个术语感到困惑,我将在这里通常是指简单的保形变换双曲平面上,“适形”一词指的是事实,这个几何角度正确代表在欧氏平面上的描述。的思想保形几何更详细地将解决§2.3。

我们认为所有的恶魔几何是相互一致根据双曲几何表示,同样所有的天使被认为是相等的。显然他们的大小,根据背景欧几里得度量,表示为小接近圆形的边界我们检查他们,但是角度或无穷小形状的表示保持真实,尽可能靠近边界保健检查。圆形边界本身代表无穷几何,正是这种保形变换无穷是一个光滑的有限边界,我指出这里读者,因为它将发挥核心作用的想法,我们将会以后(尤其是§2.5和§3.2)。

继续阅读:时空空保形几何锥指标

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