Kosmologinis principas: visatos homogenumas ir izotropija

Kosmologinis principas: sužinokite, kaip visatos homogenumas ir izotropija paaiškina didelio masto struktūras, eksperimentinius patikrinimus ir reikšmę kosmologijai.

Šiuolaikinėje fizikinėje kosmologijoje kosmologinis principas – tai pagrindinis dėsningumas, teigiantis, kad žvelgiant pakankamai dideliu masteliu visata visose vietose elgiasi panašiai ir neturi išskirtinių regionų. Kitaip tariant, nebūdinga, kad egzistuotų centrinė ar privilegijuota vieta ir kad fundamentiniai fizikos dėsniai priklausytų nuo vietos. Šis principas yra glaudžiai susijęs su Koperniko principu, pagal kurį žmogus/ar mūsų planeta nėra kosminis centras.

Tikimasi, kad jėgos ir fizikiniai procesai visoje visatoje veikia vienodai, todėl didelio mastelio struktūroje neturėtų būti pastebimų sisteminių nelygumų. Dauguma matomoje Visatos struktūroje esančių formacijų – žvaigždžių, galaktikų, skersinių grandinių ir tuštumų – yra materijos ir tam tikrų laukų evoliucijos po Didžiojo sprogimo rezultatas.

Astronomas Williamas Keelas paaiškina:

Kosmologinis principas paprastai formaliai formuluojamas taip: "Žvelgiant į pakankamai didelį mastą, visatos savybės yra vienodos visiems stebėtojams". Tai reiškia filosofinį teiginį, kad ta visatos dalis, kurią matome, yra teisingas pavyzdys ir kad visur galioja tie patys fizikiniai dėsniai.

Homogeniškumas ir izotropija — ką tai reiškia

Kosmologinio principo dvi testuojamos pasekmės yra homogeniškumas ir izotropija:

• Homogeniškumas reiškia, kad fizinės savybės (pvz., vidutinė materijos tankis) yra vienodos įvairiuose Visatos regionuose, jei žiūrima pakankamai dideliu masteliu. Todėl stebėtojai, esantys skirtingose Visatos vietose, turėtų matyti panašias vidutines charakteristikas.
• Izotropija reiškia, kad stebėjimai iš bet kurios konkrečios vietos neturi priklausyti nuo žiūrėjimo krypties – t. y. visata atrodo ta pati visomis kryptimis iš to paties taško.

Šie principai yra tarpusavyje susiję: matematiškai, jei visata yra izotropinė aplink kiekvieną tašką (arba aplink pakankamai daug skirtingų taškų), iš to seka homogeniškumas (ypač erdvėse su sferine geometrija reikia izotropijos iš trijų taškų). Praktikoje dažniausiai nagrinėjama izotropija aplink mūsų stebėjimo tašką ir statistinis homogenumas dideliuose masteliuose.

Observacinė parama

• Kosminis mikrobanginis fonas (CMB): CMB yra vienas svarbiausių įrodymų už izotropiją ir mišriškumą. Matuojant COBE, WMAP ir Planck misijomis, CMB temperatūros svyravimai siekia tik apie 10^-5 santykinio lygio, o bendras fonas yra labai vienodas. Mažiausios nuokrypos suteikia informaciją apie ankstyvosios Visatos tankio svyravimus, tačiau negriauna bendros izotropijos idėjos.
• Galaktikų raidos ir dangų apžiūros: dideli raštų projektai (pvz., SDSS, 2dF ir kiti raudonųjų poslinkių tyrimai) rodo, kad nors visata lokaliai turi struktūras (klasterius, sienas, filamenus ir tuštumas), vidutinė medžiagos pasiskirstymo statistika tampa vienodesnė didesniuose nei ~100–300 Mpc (megaparsekų) masteliuose.
• Baryoninės akustinės oscilacijos (BAO): BAO signalo radimas galaktikų pasiskirstyme suteikia standartiškai mastelio ilgį ir patvirtina, kad vidutinis materijos pasiskirstymas atitinka homogenumo lūkesčius tam tikruose masteliuose.
• Kiti testai: radijo šaltinių skaičiai, rentgeno fonas, Sunyaev–Zeldovič efektas ir poliarizacijos matavimai – visi naudojami izotropijos ir homogenumo tyrimams.

Teorinis pagrindas ir reikšmė

Iš kosmologinio principo seka, kad erdvės metrika, apibūdinanti visatos erdvėlaikį, gali būti aprašyta Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker (FLRW) metrika. Ši metrika supaprastina Einšteino lauko lygtis iki Friedmann lygčių, kurios sudaro standartinės kosmologijos (pvz., ΛCDM) branduolį. Taigi kosmologinis principas leidžia suformuluoti vienodus evoliucijos modelius ir skaičiuoti Visatos plėtimąsi, tankius, energijos dalis ir amžių.

Be to, kosmologinio principo homogenumas ir izotropija paaiškinami fizikiniais mechanizmais, ypač kosminės infliacijos: trumpas ir greitas plėtimosi etapas ankstyvoje Visatoje galėtų išlyginti erdvę ir labai apriboti pradinės netolygumų reikšmes, todėl stebima izotropija ir homogenumas yra natūrali infliacijos pasekmė.

Ribotumai ir atviros problemos

• Stebimos Visatos dalis: kosmologinis principas taikomas daugiausia mūsų stebimam visatai. Tai nereiškia, kad už horizontų ar visatoje toliau galioja tas pats — mes to negalime tiesiogiai patikrinti.
• Maži ir vidutiniai masteliai: vietinės struktūros (planetos, žvaigždės, galaktikos, klasteriai, filamenai) aiškiai yra nehomogeniškos. Kosmologinis principas galioja tik pakankamai dideliems masteliams, kuriuose lokalinės netolygumos susilygina.
• Kosminis variatyvumas ir statistika: dėl riboto stebimo tūrio egzistuoja kosminis variatyvumas, todėl statistiniai įvertinimai turi būti interpretuojami atsargiai. Kartais kalbama apie „statistinį kosmologinį principą“ – t. y. medžiagos pasiskirstymas yra vienas ir tas pats vidutiniškai.
• Anomalijos: kai kurie pastebėjimai, pvz., keli galimi CMB didelių kampų anomalijos („axis of evil“), labai dideli kvazarų dariniai ar kiti neįprasti radiniai, kartais interpretuojami kaip iššūkiai kosmologiniam principui. Tačiau iki šiol dauguma tokių atvejų neturi pakankamai įtikinamų įrodymų, kad reikėtų atšaukti principą — dažnai jos paaiškinamos statistika arba sisteminės klaidos.

Praktinės pasekmės ir santrauka

Kosmologinis principas yra paprasta, bet galinga prielaida, leidžianti kurti ir spręsti kosmologinius modelius. Jo pagrindinės pasekmės:

• Visata izotropinė ir homogeniška pakankamai dideliuose masteliuose.
• Leidžia naudoti FLRW metriką ir Friedmann lygčių sistemą kosminių parametrų nustatymui.
• Patvirtinta daugeliu stebėjimų (CMB, galaktikų apžiūros, BAO), tačiau taikoma tik stebimajai Visatai ir turi mastelių ribotumus.

Apibendrinant, kosmologinis principas suteikia pagrindinę prielaidą stambioms Visatos modelių aproksimacijoms: nors lokaliai Visata yra labai nelygi, vidutiniškai ir dideliu masteliu ši nelygybė pranyksta ir leidžia tiksliai apibrėžti Visatos plėtimąsi bei struktūrų formavimąsi.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra kosmologinis principas?

K: Koks yra materijos lauko evoliucijos po Didžiojo sprogimo rezultatas?

K: Kas yra Viljamas Kelis ir ką jis aiškina apie kosmologinį principą?

Klausimas: Kokias dvi kosmologinio principo pasekmes galima patikrinti?

K: Ką reiškia homogeniškumas, kai kalbama apie kosmologinį principą?

K: Ką reiškia izotropija, kai kalbama apie kosmologinį principą?

K: Kaip homogeniškumas ir izotropija susiję su kosmologiniu principu?

Paieška pagal raidę