ทฤษฎี การ ขยายตัว ของเอกภพ

การขยายตัวของเอกภพคือการเพิ่มขึ้นของระยะห่างระหว่างสองส่วนใดส่วนหนึ่งที่ไม่ถูกผูกมัดด้วยแรงโน้มถ่วงของเอกภพที่สังเกตได้ตามเวลา [1]เป็นการขยายตัวที่อยู่ภายในโดยที่ขนาดของพื้นที่จะเปลี่ยนไป เอกภพไม่ได้ขยาย "เป็น" อะไรและไม่ต้องการพื้นที่เพื่อดำรงอยู่ "ภายนอก" มัน ในทางเทคนิคทั้งพื้นที่หรือวัตถุในอวกาศไม่เคลื่อนที่ แต่กลับเป็นเมตริกที่ควบคุมขนาดและรูปทรงเรขาคณิตของกาลอวกาศที่เปลี่ยนแปลงขนาด ในฐานะที่เป็นส่วนเชิงพื้นที่ของเมตริกกาลอวกาศ ของจักรวาลเพิ่มขนาดวัตถุจะเคลื่อนที่ออกจากกันด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ การสังเกตการณ์ใด ๆ ในจักรวาลก็ปรากฏว่าทุกพื้นที่มีการขยายตัวในขณะที่ทุกคน แต่กาแลคซีที่ใกล้ที่สุดลดลงในความเร็วที่มีสัดส่วนกับระยะทางของพวกเขาจากผู้สังเกตการณ์ - ที่ระยะทางที่ดีพอที่ความเร็วเกินแม้แต่ความเร็วของแสง [หมายเหตุ 1]

ผลของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปการขยายตัวของเอกภพแตกต่างจากการขยายตัวและการระเบิดที่พบเห็นในชีวิตประจำวัน มันเป็นสมบัติของจักรวาลโดยรวมแทนที่จะเป็นปรากฏการณ์ที่ใช้กับส่วนหนึ่งของจักรวาลและไม่เหมือนกับการขยายและการระเบิดอื่น ๆ ไม่สามารถสังเกตได้จาก "ภายนอก" ของมัน

การขยายตัวของเมตริกเป็นลักษณะสำคัญของจักรวาลวิทยาของบิ๊กแบงซึ่งจำลองแบบทางคณิตศาสตร์ด้วยเมตริก Friedmann – Lemaître – Robertson – Walkerและเป็นคุณสมบัติทั่วไปของจักรวาลที่เราอาศัยอยู่ อย่างไรก็ตามแบบจำลองนี้ใช้ได้เฉพาะกับเกล็ดขนาดใหญ่เท่านั้น (โดยประมาณขนาดของกระจุกกาแลคซีขึ้นไป) เนื่องจากแรงโน้มถ่วงยึดสสารเข้าด้วยกันอย่างมากพอที่จะไม่สามารถสังเกตการขยายตัวของเมตริกในขนาดที่เล็กกว่าได้ในขณะนี้ ด้วยเหตุนี้กาแล็กซีเดียวที่ถอยห่างจากกันอันเป็นผลมาจากการขยายตัวของเมตริกคือกาแล็กซีที่แยกออกจากกันด้วยสเกลที่เกี่ยวข้องกับจักรวาลที่มีขนาดใหญ่กว่าสเกลความยาวที่เกี่ยวข้องกับการยุบตัวของแรงโน้มถ่วงซึ่งเป็นไปได้ในอายุของเอกภพโดยพิจารณาจากความหนาแน่นของสสารและอัตราการขยายตัวโดยเฉลี่ย . ในการถอดความตัวชี้วัดได้รับการคาดการณ์ว่าจะเริ่มแซงหน้าแรงโน้มถ่วงที่ร่างกายต้องการให้เกาะติดกันได้ในที่สุดหมายความว่ากลุ่มที่ถูกผูกมัดในพื้นที่ส่วนใหญ่ทั้งหมดจะถดถอยลง

ตามทฤษฎีอัตราเงินเฟ้อในช่วงยุคเงินเฟ้อประมาณ 10 −32ของวินาทีหลังจากบิ๊กแบงจักรวาลก็ขยายตัวอย่างกะทันหันและปริมาณของมันก็เพิ่มขึ้นอย่างน้อย 10 78 (การขยายระยะทางอย่างน้อย 10 เท่า26ในแต่ละสามมิติ) เทียบเท่ากับการขยายวัตถุ 1 นาโนเมตร (10 −9 ม. , ประมาณครึ่งหนึ่งของความกว้างของโมเลกุลของดีเอ็นเอ ) โดยมีความยาวประมาณ 10.6 ปีแสง (ประมาณ 10 17ม. หรือ 62 ล้านล้านไมล์) ยาว. การขยายพื้นที่ที่ช้าลงและค่อยเป็นค่อยไปดำเนินต่อไปหลังจากนี้จนถึงประมาณ 9.8 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง (4 พันล้านปีก่อน) มันเริ่มค่อยๆขยายออกไปอย่างรวดเร็วมากขึ้นและยังคงทำเช่นนั้น นักฟิสิกส์ได้ตั้งสมมติฐานการมีอยู่ของพลังงานมืดโดยปรากฏเป็นค่าคงที่ของจักรวาลในแบบจำลองความโน้มถ่วงที่ง่ายที่สุดเพื่อเป็นวิธีอธิบายความเร่งในช่วงปลายเวลานี้ จากการคาดคะเนที่ง่ายที่สุดของแบบจำลองจักรวาลวิทยาที่เป็นที่นิยมในปัจจุบันแบบจำลองLambda-CDMการเร่งความเร็วนี้จะมีความสำคัญมากขึ้นในอนาคต ในเดือนมิถุนายนปี 2016 นาซาและอีเอสเอนักวิทยาศาสตร์รายงานว่าจักรวาลที่ถูกพบว่ามีการขยายตัว 5% ถึง 9% เร็วกว่าที่คิดไว้ก่อนหน้านี้จากการศึกษาโดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล[2]

ในปี 1912, เวสโตสลิเฟอร์ค้นพบแสงจากกาแลคซี่ที่ห่างไกลที่redshifted , [3] [4]ซึ่งต่อมาตีความว่าเป็นกาแลคซีถอยห่างจากโลก ในปีพ. ศ. 2465 อเล็กซานเดอร์ฟรีดมันน์ใช้สมการสนามของไอน์สไตน์เพื่อเป็นหลักฐานทางทฤษฎีว่าเอกภพกำลังขยายตัว [5]ในปี 1927 จอร์ชสLemaîtreอิสระถึงข้อสรุปที่คล้ายกับ Friedmann บนพื้นฐานทางทฤษฎีและยังนำเสนอหลักฐานครั้งแรกสำหรับความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงระหว่างระยะทางที่จะกาแลคซีและความเร็วของพวกเขาหยุดพัก [6] Edwin Hubbleยืนยันการค้นพบของLemaîtreในสองปีต่อมา [7]จากหลักการทางจักรวาลวิทยาการค้นพบนี้บ่งบอกเป็นนัยว่ากาแลคซีทั้งหมดกำลังเคลื่อนที่ออกจากกัน

ขึ้นอยู่กับปริมาณมากของการสังเกตการทดลองและการทำงานตามทฤษฎีที่ฉันทามติทางวิทยาศาสตร์คือว่าพื้นที่ตัวเองมีการขยายตัวและมันขยายอย่างรวดเร็วในส่วนแรกของสองหลังจากที่บิ๊กแบง การขยายประเภทนี้เรียกว่า "การขยายเมตริก" ในวิชาคณิตศาสตร์และฟิสิกส์เป็น " ตัวชี้วัด " หมายถึงการวัดระยะทางและระยะที่มีความหมายว่าความรู้สึกของระยะทางในจักรวาลที่มีการเปลี่ยนแปลงตัวเอง

คำอธิบายที่ทันสมัยสำหรับการขยายตัวของพื้นที่ถูกเสนอโดยนักฟิสิกส์Alan Guthในปีพ. ศ. 2522 ในขณะที่ตรวจสอบปัญหาที่ว่าทำไมไม่เห็นโมโนโพลแม่เหล็กในปัจจุบัน Guth พบในการตรวจสอบของเขาว่าถ้าจักรวาลมีสนามที่มีสถานะสุญญากาศพลังงานบวกที่เป็นบวกดังนั้นตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมันจะสร้างการขยายตัวของพื้นที่แบบเอ็กซ์โพเนนเชียล มันตระหนักได้อย่างรวดเร็วว่าการขยายตัวดังกล่าวจะช่วยแก้ปัญหาอื่น ๆ ที่มีมาช้านานได้ ปัญหาเหล่านี้เกิดจากการสังเกตที่จะมองว่าเป็นอยู่ทุกวันนี้เอกภพจะต้องเริ่มต้นจากการปรับแต่งอย่างละเอียดหรือเงื่อนไขเริ่มต้นที่ "พิเศษ" ที่บิ๊กแบง ทฤษฎีเงินเฟ้อส่วนใหญ่จะช่วยแก้ปัญหาเหล่านี้ได้เป็นอย่างดีจึงทำให้จักรวาลเช่นเดียวกับเรามีโอกาสมากขึ้นในบริบทของทฤษฎีบิ๊กแบง ตามที่โรเจอร์เพนโรสอัตราเงินเฟ้อไม่ได้แก้ปัญหาหลักที่มันควรจะแก้คือเอนโทรปีต่ำอย่างเหลือเชื่อ (ที่มีความต่างกันของรัฐในการสั่งซื้อของเพียง 1/10 10 128 ⁠) ในช่วงต้นจักรวาลที่มีอยู่ในองศามาตราส่วนแรงโน้มถ่วง เสรีภาพ (ในทางตรงกันข้ามกับองศาอิสระเช่นพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาลที่ความเรียบสามารถอธิบายได้ด้วยอัตราเงินเฟ้อ) ดังนั้นเขาจึงนำสถานการณ์ของเขาเกี่ยวกับวิวัฒนาการของจักรวาล: จักรวาลวิทยาแบบวัฏจักรที่สอดคล้องกัน [8]

ไม่พบเขตข้อมูลที่รับผิดชอบต่อภาวะเงินเฟ้อของจักรวาล อย่างไรก็ตามข้อมูลดังกล่าวหากพบว่าในอนาคตจะเป็นสเกลา สนามสเกลาร์ที่คล้ายกันแห่งแรกที่พิสูจน์แล้วว่ามีอยู่จริงถูกค้นพบในปี 2555-2556 เท่านั้นและยังอยู่ในระหว่างการวิจัย ดังนั้นจึงไม่เห็นเป็นปัญหาที่สนามรับผิดชอบในการจักรวาลเงินเฟ้อและการขยายตัวชี้วัดของพื้นที่ยังไม่ได้รับการค้นพบ[ ต้องการอ้างอิง ]

ฟิลด์เสนอและควอนตั้ม (คนอนุภาคที่เกี่ยวข้องกับมัน) ได้รับการตั้งชื่อinflatonหากไม่มีสาขานี้นักวิทยาศาสตร์จะต้องเสนอคำอธิบายที่แตกต่างออกไปสำหรับข้อสังเกตทั้งหมดที่แนะนำอย่างยิ่งว่ามีการขยายตัวของพื้นที่เกิดขึ้นและยังคงเกิดขึ้นช้ากว่ามากในปัจจุบัน

เพื่อให้เข้าใจถึงการขยายเมตริกของจักรวาลการพูดคุยสั้น ๆ ว่าเมตริกคืออะไรและการขยายเมตริกทำงานอย่างไร

เมตริกกำหนดแนวคิดของระยะทางโดยระบุในแง่ทางคณิตศาสตร์ว่าระยะทางระหว่างสองจุดอยู่ในพื้นที่วัดในแง่ของระบบพิกัด ระบบพิกัดจะค้นหาจุดในช่องว่าง (ไม่ว่าจะกี่มิติก็ตาม) โดยการกำหนดตำแหน่งที่ไม่ซ้ำกันบนเส้นตารางหรือที่เรียกว่าพิกัดให้กับแต่ละจุด ละติจูดและลองจิจูดและกราฟ xyเป็นตัวอย่างของพิกัด เมตริกคือสูตรที่อธิบายถึงวิธีการวัดจำนวนที่เรียกว่า "ระยะทาง" ระหว่างจุดสองจุด

อาจดูเหมือนชัดเจนว่าระยะทางวัดด้วยเส้นตรง แต่ในหลาย ๆ กรณีก็ไม่ได้เป็นเช่นนั้น ตัวอย่างเช่นเครื่องบินระยะไกลจะเดินทางไปตามเส้นโค้งที่เรียกว่า " วงกลมใหญ่ " ไม่ใช่เส้นตรงเนื่องจากเป็นตัวชี้วัดที่ดีกว่าสำหรับการเดินทางทางอากาศ (เส้นตรงจะไหลผ่านพื้นโลก) อีกตัวอย่างหนึ่งคือการวางแผนการเดินทางด้วยรถยนต์โดยที่คน ๆ หนึ่งอาจต้องการการเดินทางที่สั้นที่สุดในแง่ของเวลาในการเดินทาง - ในกรณีนี้เส้นตรงเป็นทางเลือกที่ไม่ดีสำหรับเมตริกเนื่องจากระยะทางที่สั้นที่สุดตามถนนโดยปกติไม่ใช่เส้นตรงและแม้แต่เส้นทาง ใกล้เส้นตรงไม่จำเป็นต้องเร็วที่สุด ตัวอย่างสุดท้ายคืออินเทอร์เน็ตซึ่งแม้จะอยู่ในเมืองใกล้เคียง แต่เส้นทางที่เร็วที่สุดสำหรับการรับส่งข้อมูลสามารถผ่านการเชื่อมต่อหลักที่ไปทั่วประเทศและย้อนกลับมาอีกครั้ง ในกรณีนี้เมตริกที่ใช้จะเป็นเวลาที่สั้นที่สุดที่ข้อมูลใช้ในการเดินทางระหว่างสองจุดบนเครือข่าย

ในจักรวาลวิทยาเราไม่สามารถใช้ไม้บรรทัดเพื่อวัดการขยายตัวของเมตริกได้เนื่องจากแรงภายในของไม้บรรทัดเอาชนะการขยายตัวของพื้นที่ที่ช้ามากได้อย่างง่ายดายทำให้ไม้บรรทัดไม่เสียหาย นอกจากนี้วัตถุใด ๆ บนหรือใกล้โลกที่เราอาจวัดได้นั้นถูกยึดเข้าด้วยกันหรือถูกผลักออกจากกันด้วยแรงหลายอย่างซึ่งมีขนาดใหญ่กว่ามาก ดังนั้นแม้ว่าเราจะสามารถวัดการขยายตัวเล็ก ๆ ที่ยังคงเกิดขึ้นได้ แต่เราจะไม่สังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยหรือในชีวิตประจำวัน ในระดับอวกาศขนาดใหญ่เราสามารถใช้การทดสอบอื่น ๆ ของระยะทางและสิ่งเหล่านี้ทำแสดงพื้นที่ที่มีการขยายตัวถึงแม้ว่าผู้ปกครองที่อยู่ในแผ่นดินไม่สามารถวัดได้

การขยายตัวชี้วัดของพื้นที่มีการอธิบายโดยใช้คณิตศาสตร์ของตัวชี้วัด เทนเซอร์ ระบบพิกัดที่เราใช้เรียกว่า " พิกัดร่วม " ซึ่งเป็นระบบพิกัดประเภทหนึ่งที่คำนึงถึงเวลารวมทั้งพื้นที่และความเร็วของแสงและช่วยให้เราสามารถรวมผลของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและแบบพิเศษได้

ตัวอย่าง: เมตริก "วงกลมใหญ่" สำหรับพื้นผิวโลก

ตัวอย่างเช่นพิจารณาการวัดระยะห่างระหว่างสถานที่สองแห่งบนพื้นผิวโลก นี้เป็นง่ายตัวอย่างเช่นที่คุ้นเคยของรูปทรงเรขาคณิตทรงกลม เนื่องจากพื้นผิวโลกเป็นสองมิติจุดบนพื้นผิวโลกจึงสามารถระบุได้ด้วยสองพิกัดตัวอย่างเช่นละติจูดและลองจิจูด ข้อกำหนดของเมตริกกำหนดให้ต้องระบุพิกัดที่ใช้ก่อน ในตัวอย่างของเราง่ายของพื้นผิวของโลกที่เราสามารถเลือกชนิดของระบบการประสานงานใด ๆ ที่เราต้องการเช่นเส้นรุ้งและเส้นแวงหรือ XYZ พิกัดคาร์ทีเซียน เมื่อเราเลือกระบบพิกัดเฉพาะแล้วค่าตัวเลขของพิกัดของสองจุดใด ๆ จะถูกกำหนดโดยไม่ซ้ำกันและขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของช่องว่างที่กำลังกล่าวถึงเมตริกที่เหมาะสมจะถูกกำหนดทางคณิตศาสตร์ด้วย บนพื้นผิวโค้งของโลกเราสามารถเห็นเอฟเฟกต์นี้ได้ในเที่ยวบินระยะไกลของสายการบินที่ระยะห่างระหว่างจุดสองจุดถูกวัดตามวงกลมขนาดใหญ่แทนที่จะเป็นเส้นตรงที่เราจะพล็อตบนแผนที่สองมิติของโลก พื้นผิว โดยทั่วไปเส้นทางที่สั้นที่สุดดังกล่าวเรียกว่า " geodesics " ในเรขาคณิตแบบยุคลิดธรณีสัณฐานเป็นเส้นตรงในขณะที่เรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยูคลิดเช่นบนพื้นผิวโลกไม่เป็นเช่นนั้น อันที่จริงแม้เส้นทางวงกลมใหญ่ระยะทางสั้นที่สุดก็ยังยาวกว่าเส้นทางเส้นตรงแบบยุคลิดที่ผ่านภายในโลกเสมอ ความแตกต่างระหว่างเส้นทางเส้นตรงและเส้นทางวงกลมใหญ่ระยะทางสั้นที่สุดเกิดจากความโค้งของพื้นผิวโลก แม้ว่าจะมีผลกระทบอยู่เสมอเนื่องจากความโค้งนี้ แต่ในระยะทางสั้น ๆ เอฟเฟกต์ก็มีขนาดเล็กพอที่จะสังเกตไม่เห็น

บนแผนที่ระนาบวงกลมใหญ่ของโลกส่วนใหญ่ไม่แสดงเป็นเส้นตรง อันที่จริงมีการฉายแผนที่ที่แทบไม่ได้ใช้นั่นคือการฉายภาพแบบ gnomonicซึ่งวงกลมใหญ่ทั้งหมดจะแสดงเป็นเส้นตรง แต่ในการฉายภาพนี้มาตราส่วนระยะทางจะแตกต่างกันมากในพื้นที่ต่างๆ ไม่มีการฉายแผนที่ที่ระยะห่างระหว่างจุดสองจุดใด ๆ บนโลกซึ่งวัดตาม geodesics วงกลมใหญ่เป็นสัดส่วนโดยตรงกับระยะทางบนแผนที่ ความแม่นยำดังกล่าวเกิดขึ้นได้กับโลกเท่านั้น

เมตริกเทนเซอร์

ในเรขาคณิตต่างกัน , คณิตศาสตร์กระดูกสันหลังสำหรับพัทธภาพทั่วไปเป็นเมตริกซ์เมตริกสามารถกำหนดได้อย่างแม่นยำซึ่งเป็นลักษณะของพื้นที่ที่ถูกอธิบายโดยอธิบายระยะทางวิธีการที่ควรจะวัดในทิศทางที่เป็นไปได้ทุก สัมพัทธภาพทั่วไปจำเป็นต้องเรียกตัวชี้วัดในมิติที่สี่ (หนึ่งในเวลาสามของพื้นที่) เพราะโดยทั่วไปกรอบอ้างอิงที่แตกต่างกันจะได้สัมผัสที่แตกต่างกันตามช่วงเวลาของเวลาและพื้นที่ขึ้นอยู่กับกรอบเฉื่อย ซึ่งหมายความว่าเมตริกเทนเซอร์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสัมพันธ์กันอย่างแม่นยำว่าเหตุการณ์สองเหตุการณ์ในกาลอวกาศถูกแยกออกจากกันอย่างไร การขยายเมตริกเกิดขึ้นเมื่อเทนเซอร์ของเมตริกเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา (และโดยเฉพาะเมื่อใดก็ตามที่ส่วนเชิงพื้นที่ของเมตริกมีขนาดใหญ่ขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป) การขยายตัวในลักษณะนี้แตกต่างจากการขยายตัวและการระเบิดทุกชนิดที่พบเห็นได้ทั่วไปในธรรมชาติในส่วนเล็ก ๆ น้อย ๆ เนื่องจากเวลาและระยะทางไม่เหมือนกันในกรอบอ้างอิงทั้งหมด แต่อาจมีการเปลี่ยนแปลงได้ การแสดงภาพที่มีประโยชน์คือการเข้าใกล้วัตถุมากกว่าวัตถุใน "พื้นที่" คงที่ซึ่งเคลื่อนออกจากกันเป็น "ความว่างเปล่า" เนื่องจากช่องว่างระหว่างวัตถุนั้นเพิ่มขึ้นโดยไม่มีการเร่งความเร็วของวัตถุด้วยกันเอง ช่องว่างระหว่างวัตถุหดตัวหรือขยายตัวเมื่อgeodesicsต่างๆมาบรรจบกันหรือแตกต่างกัน

เนื่องจากการขยายตัวนี้จะเกิดจากการเปลี่ยนแปลงเมื่อเทียบกับในระยะทางที่กำหนดตัวชี้วัดการขยายตัวนี้ (และการเคลื่อนไหวผลออกจากกันของวัตถุ) ไม่ได้ถูก จำกัด โดยความเร็วของแสง ที่ถูกผูกไว้ด้านบนของสัมพัทธภาพพิเศษ กรอบอ้างอิงสองกรอบที่แยกจากกันทั่วโลกสามารถเคลื่อนออกจากกันได้เร็วกว่าแสงโดยไม่ละเมิดสัมพัทธภาพพิเศษแม้ว่าเมื่อใดก็ตามที่กรอบอ้างอิงสองกรอบแยกออกจากกันเร็วกว่าความเร็วแสงจะมีผลกระทบที่สังเกตได้ที่เกี่ยวข้องกับสถานการณ์ดังกล่าวรวมถึงการมีอยู่ของจักรวาลวิทยาต่างๆอันไกลโพ้น

ทฤษฎีและข้อสังเกตให้เห็นว่ามากในช่วงต้นในประวัติศาสตร์ของจักรวาลมีความเงินเฟ้อระยะที่ตัวชี้วัดที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วและที่เหลือเวลาพึ่งพาอาศัยกันของตัวชี้วัดนี้คือสิ่งที่เราสังเกตเห็นว่าเป็นสิ่งที่เรียกว่าการขยายตัวของฮับเบิล , การย้าย นอกเหนือจากวัตถุที่ไม่มีแรงโน้มถ่วงทั้งหมดในจักรวาล เอกภพที่ขยายตัวจึงเป็นลักษณะพื้นฐานของเอกภพที่เราอาศัยอยู่ซึ่งเป็นเอกภพที่แตกต่างจากจักรวาลคงที่ อัลเบิร์ตไอน์สไตน์ได้รับการพิจารณาครั้งแรกเมื่อเขาพัฒนาทฤษฎีความโน้มถ่วงของเขา

กำลังรวมพิกัด

ในการขยายพื้นที่ระยะทางที่เหมาะสมคือปริมาณไดนามิกซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา วิธีง่ายๆในการแก้ไขปัญหานี้คือการใช้พิกัดร่วมซึ่งลบคุณลักษณะนี้และอนุญาตให้มีการระบุลักษณะของสถานที่ต่างๆในจักรวาลโดยไม่ต้องกำหนดลักษณะทางฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการขยายตัวของเมตริก ใน comoving พิกัดระยะทางระหว่างวัตถุทั้งหมดได้รับการแก้ไขและทันทีพลวัตของเรื่องและแสงจะถูกกำหนดโดยปกติฟิสิกส์ของแรงโน้มถ่วงและรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เวลาใด ๆ วิวัฒนาการ แต่จะต้องคิดโดยคำนึงถึงกฎหมายฮับเบิลขยายตัวในสมการที่เหมาะสมนอกเหนือไปจากผลกระทบอื่น ๆ ที่อาจจะมีการดำเนินงาน ( แรงโน้มถ่วง , พลังงานมืดหรือโค้งเช่น) จำลองดาราศาสตร์ที่วิ่งผ่านเศษส่วนอย่างมีนัยสำคัญของประวัติศาสตร์ของเอกภพจึงต้องรวมถึงผลกระทบดังกล่าวเพื่อที่จะทำให้การคาดการณ์บังคับสำหรับจักรวาลสังเกตการณ์

การวัดการขยายตัวและการเปลี่ยนแปลงของอัตราการขยายตัว

เมื่อวัตถุถอยห่างแสงของมันจะยืดออก ( redshifted ) เมื่อวัตถุเข้าใกล้แสงของมันจะถูกบีบอัด ( blueshifted )

โดยหลักการแล้วการขยายตัวของเอกภพสามารถวัดได้โดยใช้ไม้บรรทัดมาตรฐานและวัดระยะห่างระหว่างจุดที่อยู่ห่างไกลจากจักรวาลสองจุดรอเวลาหนึ่งแล้ววัดระยะทางอีกครั้ง แต่ในทางปฏิบัติผู้ปกครองมาตรฐานหาได้ไม่ยาก ตาชั่งจักรวาลและช่วงเวลาที่สามารถมองเห็นการขยายตัวที่วัดได้นั้นยอดเยี่ยมเกินกว่าที่มนุษย์หลายชั่วอายุคนจะสังเกตเห็นได้ การขยายพื้นที่วัดโดยอ้อม ทฤษฎีสัมพัทธทำนายปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการขยายตัวสะดุดตาredshiftสัมพันธ์ -versus ทางที่รู้จักกันเป็นกฎของฮับเบิล ; รูปแบบการทำงานสำหรับการวัดระยะทางจักรวาลที่แตกต่างไปจากที่คาดไว้หากพื้นที่ไม่ขยายตัว และการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ในสสารและพลังงานความหนาแน่นของจักรวาลมองเห็นที่แตกต่างกันครั้งเวลามองย้อนกลับ

การวัดการขยายตัวของอวกาศครั้งแรกมาพร้อมกับการตระหนักถึงความสัมพันธ์ของความเร็วเทียบกับความสัมพันธ์ของการเปลี่ยนสีแดงของฮับเบิล เมื่อเร็ว ๆ นี้โดยการเปรียบเทียบความสว่างชัดเจนของไกลเทียนมาตรฐานเพื่อ redshift กาแลคซีโฮสต์ของพวกเขาที่อัตราการขยายตัวของจักรวาลได้รับการวัดจะเป็นH 0 = 73.24 ± 1.74 (กิโลเมตร [9]ซึ่งหมายความว่าสำหรับทุกๆล้านพาร์เซกของระยะห่างจากผู้สังเกตการณ์แสงที่ได้รับจากระยะนั้นจะเปลี่ยนเป็นสีแดงตามจักรวาลประมาณ 73 กิโลเมตรต่อวินาที (160,000 ไมล์ต่อชั่วโมง) บนมืออื่น ๆ โดยสมมติให้มีการดาราศาสตร์แบบเช่นแลมบ์ดา-CDM รูปแบบหนึ่งสามารถสรุปค่าคงที่ฮับเบิลจากขนาดของความผันผวนที่ใหญ่ที่สุดที่เห็นในพื้นหลังของจักรวาลไมโครเวฟ ค่าคงที่ของฮับเบิลที่สูงขึ้นจะบ่งบอกถึงขนาดลักษณะเฉพาะของความผันผวนของ CMB ที่น้อยลงและในทางกลับกัน การทำงานร่วมกันของพลังค์วัดอัตราการขยายตัวทางนี้และกำหนด H 0 = 67.4 ± 0.5 (กิโลเมตร [10]มีความไม่ลงรอยกันระหว่างการวัดทั้งสองแบบบันไดระยะห่างเป็นแบบจำลองและการวัดแบบ CMB ขึ้นอยู่กับแบบจำลองที่ติดตั้งซึ่งบ่งบอกถึงฟิสิกส์ใหม่นอกเหนือจากแบบจำลองจักรวาลวิทยามาตรฐานของเรา

ไม่คิดว่าพารามิเตอร์ของฮับเบิลจะคงที่ตลอดเวลา มีแรงพลวัตที่กระทำต่ออนุภาคในจักรวาลซึ่งส่งผลต่ออัตราการขยายตัว ก่อนหน้านี้คาดว่าพารามิเตอร์ของฮับเบิลจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไปเนื่องจากอิทธิพลของปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงในเอกภพจึงมีปริมาณที่สังเกตได้เพิ่มเติมในจักรวาลเรียกว่าพารามิเตอร์การชะลอตัวซึ่งนักจักรวาลวิทยาคาดว่าจะเกี่ยวข้องโดยตรงกับ ความหนาแน่นของสสารของจักรวาล น่าแปลกที่พารามิเตอร์การชะลอตัวถูกวัดโดยกลุ่มที่แตกต่างกันสองกลุ่มให้มีค่าน้อยกว่าศูนย์ (ที่จริงแล้วสอดคล้องกับ −1) ซึ่งบอกเป็นนัยว่าทุกวันนี้พารามิเตอร์ของฮับเบิลกำลังบรรจบกันเป็นค่าคงที่เมื่อเวลาผ่านไป นักจักรวาลวิทยาบางคนเรียกอย่างแปลก ๆ ว่าผลกระทบที่เกี่ยวข้องกับ "จักรวาลที่เร่งความเร็ว" ว่า "การกระตุกของจักรวาล" [11]รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2554 มอบให้สำหรับการค้นพบปรากฏการณ์นี้ [12]

ในเดือนตุลาคม 2018 นักวิทยาศาสตร์ได้นำเสนอวิธีที่สามใหม่ (สองวิธีก่อนหน้านี้วิธีหนึ่งขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนสีแดงและอีกวิธีหนึ่งบนบันไดระยะห่างของจักรวาลให้ผลลัพธ์ที่ไม่เห็นด้วย) โดยใช้ข้อมูลจากเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วง (โดยเฉพาะอย่างยิ่งวิธีที่เกี่ยวข้องกับการรวมตัวของดาวนิวตรอนเช่นGW170817 ) ในการกำหนดค่าคงที่ของฮับเบิลจำเป็นอย่างยิ่งในการกำหนดอัตราการขยายตัวของเอกภพ [13] [14]

การวัดระยะทางในการขยายพื้นที่

มุมมองสองมุมของการ ฝังภาพสามมิติของส่วนหนึ่งของ เอกภพที่มองเห็นได้ในประวัติศาสตร์ส่วนใหญ่แสดงให้เห็นว่าแสง (เส้นสีแดง) สามารถเดินทางในระยะทางที่มีประสิทธิผลถึง 28 พันล้าน ปีแสง (เส้นสีส้ม) ในเวลาเพียง 13 พันล้านปีของ จักรวาลได้อย่างไร ( รายละเอียดทางคณิตศาสตร์ )

ที่ตาชั่งจักรวาลจักรวาลปัจจุบันมีลักษณะแบนทางเรขาคณิตภายในข้อผิดพลาดจากการทดลอง[15]และด้วยเหตุนี้กฎของเรขาคณิตแบบยุคลิดที่เกี่ยวข้องกับการถือครองตำแหน่งที่ 5 ของยูคลิดแม้ว่าในกาลอวกาศที่ผ่านมาอาจมีความโค้งสูง ในส่วนที่จะรองรับรูปทรงเรขาคณิตที่แตกต่างกันเช่นการขยายตัวของจักรวาลเป็นอย่างโดยเนื้อแท้ความสัมพันธ์ทั่วไป ไม่สามารถจำลองแบบด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเพียงอย่างเดียวแม้ว่าแบบจำลองดังกล่าวจะมีอยู่จริง แต่ก็มีความขัดแย้งพื้นฐานกับปฏิสัมพันธ์ที่สังเกตได้ระหว่างสสารและกาลอวกาศที่เห็นในจักรวาลของเรา

ภาพทางด้านขวาแสดงสองมุมมองของแผนภาพกาลอวกาศที่แสดงรูปทรงเรขาคณิตขนาดใหญ่ของจักรวาลตามแบบจำลองจักรวาลวิทยาΛCDM มิติของช่องว่างสองมิติจะถูกละไว้โดยเหลือช่องว่างหนึ่งมิติ (มิติที่ขยายขึ้นเมื่อกรวยมีขนาดใหญ่ขึ้น) และหนึ่งครั้ง (มิติที่ทำให้พื้นผิวของกรวย "ขึ้น") ปลายวงกลมแคบ ๆ ตรงกับช่วงเวลาจักรวาลวิทยา 700 ล้านปีหลังบิกแบงในขณะที่ปลายด้านกว้างเป็นช่วงเวลาของจักรวาลที่ 18 พันล้านปีซึ่งเราสามารถเห็นจุดเริ่มต้นของการขยายตัวที่เร่งขึ้นเมื่อการขยายตัวออกไปด้านนอก กาลเวลาซึ่งเป็นคุณลักษณะที่ครอบงำในรุ่นนี้ในที่สุด เส้นตารางสีม่วงเป็นเครื่องหมายปิดช่วงเวลาของจักรวาลในช่วงเวลาหนึ่งพันล้านปีจากบิ๊กแบง เส้นกริดสีฟ้าเป็นเครื่องหมายปิดระยะทางในช่วงเวลาหนึ่งพันล้านปีแสงในยุคปัจจุบัน (น้อยกว่าในอดีตและมากขึ้นในอนาคต) โปรดทราบว่าการโค้งงอเป็นวงกลมของพื้นผิวเป็นสิ่งประดิษฐ์ของการฝังที่ไม่มีความสำคัญทางกายภาพและทำเพื่อวัตถุประสงค์ในการอธิบายเท่านั้น จักรวาลแบนไม่ขดกลับเข้าสู่ตัวเอง (ผลที่คล้ายกันนี้สามารถเห็นได้ในรูปท่อของpseudosphere )

เส้นสีน้ำตาลบนแผนภาพคือเส้นโลกของโลก (หรือระบุตำแหน่งของมันในอวกาศได้แม่นยำกว่าก่อนที่มันจะก่อตัวขึ้น) เส้นสีเหลืองคือ Worldline ที่รู้จักกันที่ห่างไกลที่สุดควาซาร์ เส้นสีแดงเป็นเส้นทางของลำแสงที่ควาซาร์ปล่อยออกมาเมื่อประมาณ 13 พันล้านปีก่อนและมาถึงโลกในปัจจุบัน สายสีส้มแสดงระยะปัจจุบันวันระหว่างควาซาร์และโลกประมาณ 28 พันล้านปีแสงซึ่งเป็นระยะทางที่มีขนาดใหญ่กว่าอายุของจักรวาลคูณด้วยความเร็วของแสงที่กะรัต

ตามหลักการความเท่าเทียมกันของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกฎของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษนั้นใช้ได้เฉพาะในพื้นที่เล็ก ๆ ของกาลอวกาศที่มีความแบนโดยประมาณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งแสงเดินทางในพื้นที่ด้วยความเร็วc ; ในแผนภาพหมายความว่าตามแบบแผนของการสร้างแผนภาพกาลอวกาศลำแสงนั้นจะทำมุม 45 °กับเส้นกริดในพื้นที่เสมอ อย่างไรก็ตามมันไม่เป็นไปตามนั้นแสงนั้นเดินทางเป็นระยะทางctในช่วงเวลาtดังที่โลกสีแดงแสดงให้เห็น ในขณะที่มันเคลื่อนที่ในพื้นที่ที่cเสมอเวลาในการขนส่ง (ประมาณ 13 พันล้านปี) ไม่เกี่ยวข้องกับระยะทางที่เดินทางด้วยวิธีง่ายๆใด ๆ เนื่องจากจักรวาลขยายตัวเมื่อลำแสงส่องผ่านอวกาศและเวลา ระยะทางที่เดินทางจึงมีความคลุมเครือโดยเนื้อแท้เนื่องจากขนาดที่เปลี่ยนแปลงไปของจักรวาล อย่างไรก็ตามมีระยะทางสองระยะที่ดูเหมือนว่ามีความหมายทางกายภาพ: ระยะห่างระหว่างโลกและควาซาร์เมื่อแสงถูกปล่อยออกมาและระยะห่างระหว่างพวกเขาในยุคปัจจุบัน (โดยใช้ชิ้นส่วนของกรวยตามมิติที่กำหนดให้เป็นมิติเชิงพื้นที่ ). ระยะทางในอดีตประมาณ 4 พันล้านปีแสงเล็กกว่ากะรัตมากในขณะที่ระยะหลัง (แสดงด้วยเส้นสีส้ม) คือประมาณ 28 พันล้านปีแสงใหญ่กว่ากะรัตมาก กล่าวอีกนัยหนึ่งถ้าอวกาศไม่ขยายตัวในวันนี้จะใช้เวลา 28 พันล้านปีแสงในการเดินทางระหว่างโลกกับควาซาร์ในขณะที่หากการขยายตัวหยุดลงในช่วงเวลาก่อนหน้านี้จะใช้เวลาเพียง 4 พันล้านปี

แสงนั้นใช้เวลานานกว่า 4 พันล้านปีกว่าจะมาถึงเราแม้ว่ามันจะเปล่งออกมาจากระยะทางเพียง 4 พันล้านปีแสงก็ตาม ในความเป็นจริงแสงที่เปล่งมายังโลกนั้นกำลังเคลื่อนตัวออกไปจากโลกจริงๆเมื่อมันถูกปล่อยออกมาครั้งแรก ระยะทางเมตริกถึงโลกเพิ่มขึ้นตามเวลาจักรวาลในช่วงสองสามพันล้านปีแรกของเวลาเดินทางซึ่งแสดงให้เห็นว่าการขยายตัวของอวกาศระหว่างโลกและควาซาร์ในช่วงแรกเร็วกว่าความเร็วแสง พฤติกรรมนี้ไม่ได้มาจากคุณสมบัติพิเศษของการขยายตัวของเมตริก แต่มาจากหลักการท้องถิ่นของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษที่รวมอยู่บนพื้นผิวโค้ง

โทโพโลยีของการขยายพื้นที่

การแสดงภาพกราฟิกของการขยายตัวของเอกภพจาก บิ๊กแบงจนถึงปัจจุบันโดยที่ยุคเงินเฟ้อแสดงเป็นการขยายตัวของ เมตริกที่เห็นทางด้านซ้ายอย่างมาก การแสดงภาพนี้อาจสร้างความสับสนได้เนื่องจากดูเหมือนว่าจักรวาลกำลังขยายตัวไปสู่พื้นที่ว่างที่มีอยู่แล้วเมื่อเวลาผ่านไป แต่การขยายตัวได้สร้างขึ้นและยังคงสร้างพื้นที่และเวลาที่ทราบทั้งหมด

กว่าเวลาที่พื้นที่ที่ทำให้ขึ้นจักรวาลกำลังขยายตัว คำว่า ' อวกาศ ' และ ' จักรวาล ' ซึ่งบางครั้งใช้แทนกันได้มีความหมายที่แตกต่างกันในบริบทนี้ ที่นี่ 'อวกาศ' เป็นแนวคิดทางคณิตศาสตร์ที่ย่อมาจากท่อร่วมสามมิติที่ตำแหน่งของเราฝังอยู่ในขณะที่ 'จักรวาล' หมายถึงทุกสิ่งที่มีอยู่รวมถึงสสารและพลังงานในอวกาศมิติพิเศษที่อาจรวมอยู่ในสตริงต่างๆและเวลาที่เหตุการณ์ต่างๆเกิดขึ้น การขยายพื้นที่อ้างอิงถึงท่อร่วม 3 มิตินี้เท่านั้น นั่นคือคำอธิบายไม่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างเช่นมิติพิเศษหรือจักรวาลภายนอก [16]

โทโพโลยีขั้นสูงสุดของอวกาศคือแบบหลังซึ่งโดยหลักการแล้วจะต้องปฏิบัติตาม - เนื่องจากไม่มีข้อ จำกัด ใด ๆ ที่สามารถให้เหตุผลได้ง่ายๆ (กล่าวอีกนัยหนึ่งคือไม่มีข้อ จำกัดเบื้องต้นใด ๆ) ว่าพื้นที่ที่เราอาศัยอยู่นั้นเป็นอย่างไรเชื่อมต่อหรือไม่ว่าจะล้อมรอบตัวเองเป็นพื้นที่ที่มีขนาดกะทัดรัด แม้ว่าแบบจำลองทางจักรวาลวิทยาบางอย่างเช่นเอกภพของGödelจะอนุญาตให้เกิดโลกที่แปลกประหลาดซึ่งตัดกับตัวเองในที่สุดคำถามที่ว่าเราอยู่ในสิ่งที่เหมือนกับ " จักรวาลPac-Man " หรือไม่ซึ่งหากเดินทางไปไกลพอในทิศทางเดียวจะทำให้คน ๆ หนึ่งจบลงได้ กลับมาอยู่ในสถานที่เดียวกันเหมือนไปทุกทางรอบพื้นผิวของบอลลูน (หรือดาวเคราะห์เหมือนโลกก) เป็นคำถามเชิงซึ่งเป็นข้อ จำกัด ในฐานะที่วัดได้หรือไม่สามารถวัดได้โดยเรขาคณิตระดับโลกของจักรวาล ในปัจจุบันการสังเกตมีความสอดคล้องกับอนันต์จักรวาลอยู่ในขอบเขตและเชื่อมต่อเพียง แต่เรามีข้อ จำกัด ในความแตกต่างระหว่างที่เรียบง่ายและข้อเสนอที่มีความซับซ้อนมากขึ้นโดยอันไกลโพ้นของดาราศาสตร์ เอกภพอาจมีขอบเขตไม่สิ้นสุดหรืออาจมีขอบเขต จำกัด แต่หลักฐานที่นำไปสู่แบบจำลองการพองตัวของเอกภพในยุคแรกยังบอกเป็นนัยว่า "เอกภพทั้งหมด" มีขนาดใหญ่กว่าเอกภพที่สังเกตได้มากดังนั้นขอบหรือรูปทรงเรขาคณิตหรือโทโพโลยีที่แปลกใหม่จะไม่สามารถสังเกตได้โดยตรงเนื่องจากแสงยังไม่ถึงตาชั่ง ซึ่งหากมีอยู่ในลักษณะดังกล่าวของจักรวาลยังคงได้รับอนุญาต สำหรับเจตนาและวัตถุประสงค์ทั้งหมดมันปลอดภัยที่จะถือว่าเอกภพไม่มีที่สิ้นสุดในขอบเขตเชิงพื้นที่โดยไม่มีขอบหรือการเชื่อมต่อที่แปลกประหลาด [17]

โดยไม่คำนึงถึงรูปร่างโดยรวมของจักรวาลคำถามเกี่ยวกับสิ่งที่จักรวาลกำลังขยายตัวเป็นสิ่งที่ไม่ต้องการคำตอบตามทฤษฎีที่อธิบายการขยายตัว วิธีที่เรากำหนดพื้นที่ในจักรวาลของเรานั้นไม่จำเป็นต้องมีพื้นที่ภายนอกเพิ่มเติมซึ่งจะสามารถขยายได้เนื่องจากการขยายขอบเขตที่ไม่มีที่สิ้นสุดสามารถเกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนขอบเขตที่ไม่มีที่สิ้นสุดของการขยาย สิ่งที่แน่นอนก็คือความหลากหลายของพื้นที่ที่เราอาศัยอยู่นั้นมีคุณสมบัติที่ระยะห่างระหว่างวัตถุมีขนาดใหญ่ขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป นี่เป็นเพียงนัยของผลที่ตามมาจากการสังเกตอย่างง่ายที่เกี่ยวข้องกับการขยายเมตริกที่สำรวจด้านล่าง ไม่จำเป็นต้องมีการ "ภายนอก" หรือการฝังในไฮเปอร์สเปซเพื่อให้เกิดการขยายตัว การแสดงภาพที่เห็นบ่อยครั้งเกี่ยวกับจักรวาลที่เติบโตเป็นฟองสบู่ไปสู่ความว่างเปล่าทำให้เข้าใจผิดในแง่นั้น ไม่มีเหตุผลที่จะเชื่อว่ามีสิ่งใด "ภายนอก" ของจักรวาลที่ขยายตัวซึ่งจักรวาลขยายออกไป

แม้ว่าขอบเขตเชิงพื้นที่โดยรวมจะไม่มีที่สิ้นสุดและด้วยเหตุนี้เอกภพจึงไม่สามารถ "ใหญ่ขึ้น" ได้เราก็ยังคงพูดได้ว่าอวกาศกำลังขยายตัวเนื่องจากในพื้นที่ระยะห่างระหว่างวัตถุมีมากขึ้น เมื่อพื้นที่ขยายออกไปอย่างไม่มีที่สิ้นสุดมันก็ยังคงไม่มีที่สิ้นสุด

ความหนาแน่นของจักรวาลระหว่างการขยายตัว

แม้ว่าจะมีความหนาแน่นสูงมากเมื่ออายุน้อยมากและในช่วงแรกของการขยายตัว แต่ก็หนาแน่นกว่าที่จำเป็นในการสร้างหลุมดำแต่เอกภพก็ไม่ได้ยุบตัวเป็นหลุมดำอีกครั้ง เนื่องจากการคำนวณที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วงมักจะขึ้นอยู่กับวัตถุที่มีขนาดค่อนข้างคงที่เช่นดวงดาวและไม่ได้ใช้กับอวกาศที่ขยายตัวอย่างรวดเร็วเช่นบิ๊กแบง

ผลของการขยายตัวต่อเกล็ดขนาดเล็ก

การขยายตัวของพื้นที่บางครั้งอธิบายว่าเป็นแรงที่ทำหน้าที่ผลักวัตถุออกจากกัน แม้ว่านี่จะเป็นคำอธิบายที่ถูกต้องเกี่ยวกับผลกระทบของค่าคงที่ของจักรวาลแต่ก็ไม่ใช่ภาพที่ถูกต้องของปรากฏการณ์การขยายตัวโดยทั่วไป [18]

ภาพเคลื่อนไหวของแบบจำลองขนมปังลูกเกดที่ขยายตัว เมื่อขนมปังมีความกว้างเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า (ความลึกและความยาว) ระยะห่างระหว่างลูกเกดก็เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า

นอกจากจะทำให้การขยายตัวโดยรวมช้าลงแล้วแรงโน้มถ่วงยังทำให้สสารในพื้นที่รวมตัวกันเป็นดาวและกาแล็กซี เมื่อวัตถุถูกสร้างขึ้นและถูกผูกมัดด้วยแรงโน้มถ่วงพวกมันจะ "หลุด" ของการขยายตัวและไม่ขยายในภายหลังภายใต้อิทธิพลของเมตริกจักรวาลไม่มีแรงใดที่บังคับให้พวกเขาทำเช่นนั้น

ไม่มีความแตกต่างระหว่างการขยายตัวเฉื่อยของเอกภพและการแยกวัตถุใกล้เคียงแบบเฉื่อยในสุญญากาศ อดีตเป็นเพียงการคาดการณ์ขนาดใหญ่ของยุคหลัง

เมื่อวัตถุถูกมัดด้วยแรงโน้มถ่วงพวกมันจะไม่ถอยห่างจากกันอีกต่อไป ดังนั้นกาแล็กซีแอนโดรเมดาซึ่งผูกพันกับกาแล็กซีทางช้างเผือกจึงตกลงมาหาเราและไม่ได้ขยายออกไป ภายในLocal Groupปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงได้เปลี่ยนรูปแบบเฉื่อยของวัตถุจนไม่มีการขยายตัวของจักรวาลเกิดขึ้น เมื่อสิ่งหนึ่งไปไกลกว่า Local Group การขยายตัวเฉื่อยนั้นสามารถวัดได้แม้ว่าผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงอย่างเป็นระบบจะบ่งบอกว่าในที่สุดส่วนที่ใหญ่ขึ้นและใหญ่ขึ้นจะหลุดออกจาก "การไหลของฮับเบิล " และลงเอยเป็นวัตถุที่มีขอบเขตและไม่ขยายตัวจนถึงตาชั่ง ของซุปเปอร์คลัสเตอร์ของกาแลคซี เราสามารถทำนายเหตุการณ์ในอนาคตดังกล่าวได้โดยการรู้วิธีที่แม่นยำของกระแสฮับเบิลกำลังเปลี่ยนแปลงตลอดจนมวลของวัตถุที่เราถูกดึงด้วยความโน้มถ่วง ขณะนี้ Local Group กำลังถูกดึงไปยังShapley Superclusterหรือ " Great Attractor " ด้วยความโน้มถ่วงซึ่งหากพลังด้านมืดไม่แสดงในที่สุดเราก็จะรวมเข้าด้วยกันและจะไม่เห็นการขยายตัวออกไปจากเราอีกต่อไปหลังจากช่วงเวลาดังกล่าว

ผลที่ตามมาของการขยายตัวของเมตริกเนื่องจากการเคลื่อนที่เฉื่อยคือ "การระเบิด" ของสสารในพื้นที่ที่สม่ำเสมอในสุญญากาศสามารถอธิบายได้เฉพาะในพื้นที่โดยใช้เรขาคณิต FLRWซึ่งเป็นรูปทรงเรขาคณิตเดียวกันที่อธิบายการขยายตัวของเอกภพโดยรวมและยังเป็นพื้นฐาน สำหรับจักรวาล Milne ที่เรียบง่ายกว่าซึ่งไม่สนใจผลของแรงโน้มถ่วง โดยเฉพาะอย่างยิ่งความสัมพันธ์ทั่วไปคาดการณ์แสงที่จะย้ายที่ความเร็วคที่เกี่ยวกับการเคลื่อนไหวของท้องถิ่นเรื่องระเบิดคล้ายปรากฏการณ์ที่จะกรอบลาก

สถานการณ์เปลี่ยนแปลงไปบ้างเมื่อมีการใช้พลังงานมืดหรือค่าคงที่ของจักรวาล ค่าคงที่ของจักรวาลเนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานสูญญากาศมีผลของการเพิ่มแรงผลักระหว่างวัตถุซึ่งเป็นสัดส่วน (ไม่ใช่สัดส่วนผกผัน) กับระยะทาง ซึ่งแตกต่างจากความเฉื่อยที่มันจะ "ดึง" วัตถุที่เกาะกลุ่มกันอย่างแข็งขันภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงและแม้กระทั่งกับอะตอมแต่ละตัว อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ไม่ได้ทำให้วัตถุเติบโตอย่างต่อเนื่องหรือสลายตัว เว้นแต่พวกเขาจะถูกผูกมัดอย่างอ่อนแอมากพวกเขาก็จะเข้าสู่สภาวะสมดุลซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าที่เคยเป็นมาเล็กน้อย (ไม่สามารถตรวจจับได้) เมื่อเอกภพขยายตัวและสสารในนั้นบางลงแรงดึงดูดจะลดลง (เนื่องจากเป็นสัดส่วนกับความหนาแน่น) ในขณะที่แรงขับไล่ของจักรวาลเพิ่มขึ้น ดังนั้นชะตากรรมสูงสุดของจักรวาลΛCDMคือสุญญากาศใกล้ขยายตัวในอัตราที่เพิ่มขึ้นตลอดเวลาภายใต้อิทธิพลของค่าคงที่ของจักรวาล อย่างไรก็ตามผลกระทบที่มองเห็นได้เฉพาะในพื้นที่ของการขยายตัวแบบเร่งความเร็วคือการหายไป (โดยการเปลี่ยนสีแดงที่หลบหนี) ของกาแลคซีที่อยู่ห่างไกล วัตถุที่ถูกผูกด้วยแรงโน้มถ่วงเช่นทางช้างเผือกจะไม่ขยายตัวและกาแล็กซีแอนโดรเมดากำลังเคลื่อนที่เร็วพอที่จะเข้าหาเราที่มันจะยังคงรวมเข้ากับทางช้างเผือกในเวลา 3 พันล้านปีและยังมีแนวโน้มว่า supergalaxy ที่รวมเข้าด้วยกันซึ่งก่อตัวจะตกลงไปในที่สุด และผสานกับบริเวณใกล้เคียงราศีกันย์คลัสเตอร์ อย่างไรก็ตามกาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปจากนี้จะถอยห่างออกไปด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ และถูกเปลี่ยนเป็นสีแดงออกจากระยะการมองเห็นของเรา

การขยายตัวของเมตริกและความเร็วของแสง

ในตอนท้ายของช่วง เวลาการขยายตัวของเอกภพในยุคแรกสสารและพลังงานทั้งหมดในเอกภพถูกกำหนดบนวิถีเฉื่อยที่สอดคล้องกับหลักการความเท่าเทียมกันและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ และนี่คือตอนที่รูปแบบการขยายตัวของเอกภพที่แม่นยำและสม่ำเสมอมี ต้นกำเนิด (นั่นคือเรื่องในจักรวาลจะแยกเพราะมันถูกแยกในอดีตที่ผ่านมาเนื่องจากการฟิลด์ inflaton ) [ ต้องการอ้างอิง ]

ในขณะที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษห้ามไม่ให้วัตถุเคลื่อนที่เร็วกว่าแสงเมื่อเทียบกับกรอบอ้างอิงเฉพาะที่ซึ่งกาลอวกาศสามารถถือว่าเป็นแบบแบนและไม่เปลี่ยนแปลงแต่ก็ไม่ได้ใช้กับสถานการณ์ที่ความโค้งของกาลอวกาศหรือวิวัฒนาการตามกาลเวลามีความสำคัญ สถานการณ์เหล่านี้อธิบายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปซึ่งช่วยให้การแยกระหว่างวัตถุสองชิ้นที่อยู่ห่างไกลเพิ่มขึ้นเร็วกว่าความเร็วแสงแม้ว่าคำจำกัดความของ "ระยะทาง" ในที่นี้จะแตกต่างจากที่ใช้ในกรอบเฉื่อยอยู่บ้าง คำจำกัดความของระยะทางที่ใช้ในที่นี้คือการหาผลรวมหรือการรวมระยะทางในท้องถิ่นซึ่งทำในเวลาที่เหมาะสมคงที่ในท้องถิ่น ยกตัวอย่างเช่นกาแลคซีที่มีมากขึ้นกว่ารัศมีฮับเบิลประมาณ 4.5  gigaparsecsหรือ 14700000000 ปีแสงห่างจากเรามีความเร็วภาวะเศรษฐกิจถดถอยที่เร็วกว่าความเร็วของแสง การมองเห็นวัตถุเหล่านี้ขึ้นอยู่กับประวัติการขยายตัวที่แน่นอนของจักรวาล วันนี้แสงที่ปล่อยออกมาจากกาแลคซีนอกเหนือจากขอบฟ้าเหตุการณ์จักรวาลที่ห่างไกลออกไปมากขึ้นประมาณ 5 กิกะพาร์เซกหรือ 16 พันล้านปีแสงจะไม่มีวันมาถึงเราแม้ว่าเราจะยังมองเห็นแสงที่กาแล็กซีเหล่านี้ปล่อยออกมาในอดีต เนื่องจากอัตราการขยายตัวสูงจึงเป็นไปได้ที่ระยะห่างระหว่างวัตถุสองชิ้นจะมากกว่าค่าที่คำนวณได้จากการคูณความเร็วแสงตามอายุของจักรวาล รายละเอียดเหล่านี้เป็นที่มาของความสับสนในหมู่มือสมัครเล่นและแม้แต่นักฟิสิกส์มืออาชีพ [19]เนื่องจากลักษณะที่ไม่ใช้งานง่ายของหัวเรื่องและสิ่งที่บางคนอธิบายว่าเป็นการเลือกใช้ถ้อยคำที่ "ประมาท" คำอธิบายบางประการเกี่ยวกับการขยายตัวชี้วัดของพื้นที่และความเข้าใจผิดที่คำอธิบายดังกล่าวอาจนำไปสู่จึงเป็นเรื่องต่อเนื่องของ การอภิปรายในสาขาการศึกษาและการสื่อสารแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ [20] [21] [22] [23]

สเกลแฟกเตอร์

ในระดับพื้นฐานการขยายตัวของจักรวาลเป็นคุณสมบัติของการวัดเชิงพื้นที่ในระดับที่วัดได้ที่ใหญ่ที่สุดในจักรวาลของเรา ระยะห่างระหว่างจุดที่เกี่ยวข้องกับจักรวาลจะเพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปนำไปสู่ผลกระทบที่สังเกตได้ตามที่ระบุไว้ด้านล่าง คุณลักษณะของจักรวาลนี้สามารถจำแนกได้ด้วยพารามิเตอร์เดียวที่เรียกว่าสเกลแฟคเตอร์ซึ่งเป็นฟังก์ชันของเวลาและค่าเดียวสำหรับพื้นที่ทั้งหมดในเวลาใดก็ได้ (หากสเกลแฟคเตอร์เป็นฟังก์ชันของอวกาศสิ่งนี้จะละเมิดหลักการจักรวาล ). ตามแบบแผนปัจจัยขนาดถูกกำหนดให้เป็นเอกภาพในเวลาปัจจุบันและเนื่องจากเอกภพกำลังขยายตัวจึงมีขนาดเล็กลงในอดีตและมีขนาดใหญ่ขึ้นในอนาคต การคาดการณ์ย้อนเวลาด้วยแบบจำลองจักรวาลวิทยาบางอย่างจะให้ผลช่วงเวลาที่สเกลแฟกเตอร์เป็นศูนย์ ความเข้าใจของเราในปัจจุบันจักรวาลชุดคราวนี้ 13.799 ± 0021000000 ปีที่ผ่านมา หากจักรวาลยังคงขยายตัวตลอดไปสเกลแฟคเตอร์จะเข้าใกล้อินฟินิตี้ในอนาคต ตามหลักการแล้วไม่มีเหตุผลใดที่การขยายตัวของเอกภพจะต้องเป็นแบบโมโนโทนิคและมีแบบจำลองที่ในบางครั้งในอนาคตปัจจัยขนาดจะลดลงเมื่อมีการหดตัวของพื้นที่มากกว่าการขยายตัว

แบบจำลองแนวคิดอื่น ๆ ของการขยายตัว

การขยายพื้นที่มักจะแสดงด้วยแบบจำลองแนวความคิดซึ่งแสดงเฉพาะขนาดของพื้นที่ในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่งโดยทิ้งมิติของเวลาไว้โดยปริยาย

ใน " มดบนเชือกยางแบบจำลอง" เราจินตนาการถึงมด (ในอุดมคติว่าเป็นเหมือน pointlike) กำลังคลานด้วยความเร็วคงที่บนเชือกที่ยืดหยุ่นอย่างสมบูรณ์ซึ่งยืดตัวอยู่ตลอดเวลา ถ้าเรายืดเชือกตามมาตราส่วนΛCDMและคิดว่าความเร็วของมดเป็นความเร็วแสงการเปรียบเทียบนี้จะมีความแม่นยำในเชิงตัวเลข - ตำแหน่งของมดเมื่อเวลาผ่านไปจะตรงกับเส้นทางของเส้นสีแดงบนแผนภาพการฝังด้านบน

ใน "แบบจำลองแผ่นยาง" หนึ่งแทนที่เชือกด้วยแผ่นยางแบนสองมิติซึ่งขยายออกอย่างสม่ำเสมอในทุกทิศทาง การเพิ่มมิติเชิงพื้นที่ที่สองทำให้เกิดความเป็นไปได้ในการแสดงความแปรปรวนของรูปทรงเรขาคณิตเชิงพื้นที่ตามความโค้งเฉพาะที่ในแผ่นงาน

ใน "แบบจำลองบอลลูน" แผ่นเรียบจะถูกแทนที่ด้วยบอลลูนทรงกลมซึ่งพองออกจากขนาดเริ่มต้นเป็นศูนย์ (แสดงถึงบิ๊กแบง) บอลลูนมีความโค้งแบบเกาส์เซียนเป็นบวกในขณะที่การสังเกตชี้ให้เห็นว่าเอกภพที่แท้จริงนั้นแบนราบ แต่ความไม่สอดคล้องกันนี้สามารถกำจัดได้โดยการทำให้บอลลูนมีขนาดใหญ่มากเพื่อให้แบนราบภายในขอบเขตของการสังเกต การเปรียบเทียบนี้อาจทำให้สับสนได้เนื่องจากเป็นการชี้ให้เห็นอย่างผิด ๆ ว่าบิ๊กแบงเกิดขึ้นที่ใจกลางบอลลูน ในความเป็นจริงการชี้จากพื้นผิวของบอลลูนไม่มีความหมายแม้ว่าบอลลูนจะถูกครอบครองในช่วงเวลาก่อนหน้านี้ก็ตาม

ใน "แบบจำลองขนมปังลูกเกด" เราจินตนาการถึงขนมปังลูกเกดที่ขยายตัวในเตาอบ ก้อน (ช่องว่าง) ขยายโดยรวม แต่ลูกเกด (วัตถุที่ถูกผูกด้วยแรงโน้มถ่วง) ไม่ขยายตัว พวกเขาเพียงแค่เติบโตห่างจากกัน

การขยายตัวของจักรวาลดำเนินการในทุกทิศทางที่กำหนดโดย คงที่ฮับเบิล อย่างไรก็ตามค่าคงที่ของฮับเบิลสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในอดีตและในอนาคตขึ้นอยู่กับค่าที่สังเกตได้ของพารามิเตอร์ความหนาแน่น (Ω) ก่อนการค้นพบ พลังงานมืดเชื่อกันว่าเอกภพถูกสสารครอบงำดังนั้นΩบนกราฟนี้จึงสอดคล้องกับอัตราส่วนของความหนาแน่นของสสารต่อความหนาแน่น วิกฤต ( ).

กฎของฮับเบิล

ในทางเทคนิคการขยายพื้นที่เมตริกเป็นคุณสมบัติของโซลูชันหลายอย่าง[ ไหน? ]กับสมการสนาม Einsteinของความสัมพันธ์ทั่วไปและระยะทางที่วัดได้โดยใช้ช่วงเวลาอเรนซ์ สิ่งนี้อธิบายถึงการสังเกตซึ่งบ่งชี้ว่ากาแลคซีที่อยู่ห่างไกลจากเรามากขึ้นนั้นถดถอยเร็วกว่ากาแลคซีที่อยู่ใกล้เรามากขึ้น (ดูกฎของฮับเบิล )

ค่าคงที่จักรวาลวิทยาและสมการฟรีดมันน์

แบบจำลองเชิงสัมพัทธภาพทั่วไปครั้งแรกทำนายว่าเอกภพซึ่งมีพลวัตและมีสสารโน้มถ่วงธรรมดาจะหดตัวแทนที่จะขยายตัว ข้อเสนอแรกของไอน์สไตน์สำหรับวิธีแก้ปัญหานี้เกี่ยวข้องกับการเพิ่มค่าคงที่ของจักรวาลเข้าไปในทฤษฎีของเขาเพื่อปรับสมดุลของการหดตัวเพื่อให้ได้คำตอบของจักรวาลคงที่ แต่ในปีพ. ศ. 2465 อเล็กซานเดอร์ฟรีดมันน์ได้ชุดของสมการที่เรียกว่าสมการฟรีดมันน์แสดงให้เห็นว่าเอกภพอาจขยายตัวและแสดงความเร็วในการขยายตัวในกรณีนี้ [24]การสังเกตของเอ็ดวินฮับเบิลในปี พ.ศ. 2472 ชี้ให้เห็นว่ากาแลคซีที่อยู่ห่างไกลทั้งหมดกำลังเคลื่อนตัวออกไปจากเราจนทำให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนยอมรับว่าเอกภพกำลังขยายตัว

ความกังวลของฮับเบิลเกี่ยวกับอัตราการขยายตัว

ในขณะที่การขยายตัวเมตริกของอวกาศดูเหมือนจะเป็นนัยโดยการสังเกตของฮับเบิลในปี 1929 แต่ฮับเบิลไม่เห็นด้วยกับการตีความข้อมูลแบบขยายจักรวาล:

[... ] ถ้า redshifts ไม่ได้เกิดจากการเลื่อนความเร็วเป็นหลัก [... ] ความสัมพันธ์ระยะทางความเร็วเป็นเชิงเส้น; การกระจายของเนบิวลามีความสม่ำเสมอ ไม่มีหลักฐานของการขยายตัวไม่มีร่องรอยของความโค้งไม่มีข้อ จำกัด ของมาตราส่วนเวลา [... ] และเราพบว่าตัวเองอยู่ในหลักการของธรรมชาติที่ยังไม่เป็นที่รู้จักสำหรับเราในปัจจุบัน [... ] ในขณะที่ ถ้าการเปลี่ยนสีแดงเป็นการเปลี่ยนแปลงความเร็วซึ่งวัดอัตราการขยายตัวแบบจำลองที่ขยายออกไปนั้นไม่สอดคล้องกับข้อสังเกตที่เกิดขึ้น [... ] แบบจำลองการขยายเป็นการบังคับตีความผลการสังเกตการณ์

- E. Hubble, Ap. ญ. 84, 517, 2479 [25]

[ถ้า redshifts เป็น Doppler shift ... ] การสังเกตในขณะที่พวกเขายืนอยู่นำไปสู่ความผิดปกติของจักรวาลปิดซึ่งมีขนาดเล็กและหนาแน่นอย่างน่าสงสัยและอาจมีการเพิ่มเข้ามาอย่างน่าสงสัย ในทางกลับกันถ้าการเปลี่ยนสีแดงไม่ใช่เอฟเฟกต์ Doppler ความผิดปกติเหล่านี้จะหายไปและพื้นที่ที่สังเกตได้จะปรากฏเป็นส่วนเล็ก ๆ ที่เป็นเนื้อเดียวกัน แต่ไม่มีนัยสำคัญของเอกภพที่ขยายออกไปเรื่อย ๆ ทั้งในอวกาศและเวลา

- E. ฮับเบิลประกาศรายเดือนของ Royal Astronomical Society , 97, 506, 1937 [26]

ความสงสัยของฮับเบิลเกี่ยวกับเอกภพที่มีขนาดเล็กหนาแน่นและอายุน้อยเกินไปกลายเป็นว่ามีพื้นฐานมาจากข้อผิดพลาดจากการสังเกต หลังจากการสืบสวนปรากฏแสดงให้เห็นว่าฮับเบิลได้สับสนไกลภูมิภาค H IIสำหรับCepheid ตัวแปรและตัวแปร Cepheid ตัวเองได้รับการล้างโลกไม่เหมาะสมร่วมกับต่ำผ่องใสRR Lyraeดาวก่อให้เกิดข้อผิดพลาดในการสอบเทียบที่นำไปสู่ค่าของค่าคงที่ฮับเบิลประมาณ 500 กม. / s / Mpcแทนค่าที่แท้จริงประมาณ 70 กม. / วินาที / Mpc ค่าที่สูงขึ้นหมายความว่าเอกภพที่กำลังขยายตัวจะมีอายุ 2 พันล้านปี (อายุน้อยกว่าโลก ) และการคาดคะเนจำนวนความหนาแน่นของกาแลคซีที่สังเกตได้ไปยังเอกภพที่ขยายตัวอย่างรวดเร็วบ่งบอกถึงความหนาแน่นของมวลที่สูงเกินไปจากปัจจัยที่คล้ายคลึงกัน เพียงพอที่จะบังคับให้จักรวาลกลายเป็นรูปทรงเรขาคณิตปิดที่แปลกประหลาดซึ่งบ่งบอกถึงBig Crunchที่กำลังจะเกิดขึ้นซึ่งจะเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่ใกล้เคียงกัน หลังจากแก้ไขข้อผิดพลาดเหล่านี้ในทศวรรษ 1950 ค่าที่ต่ำกว่าใหม่สำหรับค่าคงที่ของฮับเบิลคงสอดคล้องกับความคาดหวังของเอกภพที่เก่ากว่าและพบว่าพารามิเตอร์ความหนาแน่นนั้นค่อนข้างใกล้เคียงกับเอกภพแบนทางเรขาคณิต [27]

อย่างไรก็ตามการวัดระยะทางและความเร็วของกาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปเมื่อเร็ว ๆ นี้เผยให้เห็นความคลาดเคลื่อนของค่าคงที่ของฮับเบิลร้อยละ 9 ซึ่งบ่งบอกถึงเอกภพที่ดูเหมือนจะขยายตัวเร็วเกินไปเมื่อเทียบกับการวัดก่อนหน้านี้ [28]ในปี 2001 เวนดี้ฟรีดแมนได้กำหนดให้พื้นที่ขยายตัวที่ 72 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะเฮิรตซ์ - ประมาณ 3.3 ล้านปีแสง - หมายความว่าทุกๆ 3.3 ล้านปีแสงไกลออกไปจากพื้นโลกคุณไม่ว่าคุณจะอยู่ที่ไหนกำลังเคลื่อนที่ ห่างจากพื้นโลกเร็วขึ้น 72 กิโลเมตรวินาที [28]ในฤดูร้อนปี 2016 การวัดอีกค่าหนึ่งรายงานค่าคงที่ 73 ดังนั้นจึงขัดแย้งกับการวัดในปี 2013 จากภารกิจพลังพลังค์ยุโรปที่มีค่าการขยายตัวช้าลงที่ 67 ความคลาดเคลื่อนได้เปิดคำถามใหม่เกี่ยวกับธรรมชาติของพลังงานมืดหรือของ นิวตริโน [28]

อัตราเงินเฟ้อเป็นคำอธิบายสำหรับการขยายตัว

จนกว่าจะมีการพัฒนาทฤษฎีในปี 1980 ไม่มีใครมีคำอธิบายว่าทำไมนี้ดูเหมือนจะเป็นกรณีที่ แต่มีการพัฒนารูปแบบของจักรวาลเงินเฟ้อขยายตัวของจักรวาลกลายเป็นคุณลักษณะทั่วไปที่เกิดจากการสลายตัวของสูญญากาศ ดังนั้นคำถาม "ทำไมเอกภพจึงขยายตัว?" ตอนนี้ได้รับคำตอบจากการทำความเข้าใจรายละเอียดของกระบวนการสลายตัวของเงินเฟ้อซึ่งเกิดขึ้นใน10 −32วินาทีแรกของการดำรงอยู่ของจักรวาลของเรา [29]ในช่วงเงินเฟ้อเมตริกได้เปลี่ยนไปแบบทวีคูณทำให้ปริมาตรของพื้นที่ใด ๆ ที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอมเติบโตขึ้นเป็นประมาณ 100 ล้านปีแสงในช่วงเวลาที่ใกล้เคียงกับเวลาที่เกิดเงินเฟ้อ (10 −32วินาที)

การวัดระยะทางในพื้นที่เมตริก

แผนภาพแสดงการขยายตัวของเอกภพและปรากฏการณ์ผู้สังเกตการณ์แบบสัมพัทธ์ กาแล็กซีสีน้ำเงินมีการขยายตัวออกไปไกลกว่ากาแลคซีสีขาว เมื่อเลือกจุดอ้างอิงตามอำเภอใจเช่นดาราจักรทองหรือกาแล็กซีสีแดงระยะทางที่เพิ่มขึ้นไปยังกาแล็กซีอื่น ๆ ยิ่งไกลออกไปก็จะเท่ากัน ปรากฏการณ์การขยายตัวนี้บ่งบอกถึงปัจจัย 2 ประการคือไม่มีจุดรวมศูนย์ในจักรวาลและกาแล็กซีทางช้างเผือกไม่ใช่ศูนย์กลางของจักรวาล การปรากฏตัวของศูนย์กลางเกิดจากอคติของผู้สังเกตการณ์ที่เทียบเท่าไม่ว่าผู้สังเกตการณ์จะอยู่ในตำแหน่งใดก็ตาม

ในการขยายพื้นที่ระยะทางคือปริมาณไดนามิกซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา มีวิธีการที่แตกต่างกันของการกำหนดระยะทางในจักรวาลที่รู้จักกันว่าเป็นมาตรการระยะแต่วิธีการทั่วไปที่ใช้ในหมู่นักดาราศาสตร์ที่ทันสมัยเป็นcomoving ระยะ

เมตริกจะกำหนดระยะห่างระหว่างจุดใกล้เคียง (ที่เรียกว่า "ในพื้นที่") เท่านั้น ในการกำหนดระยะห่างระหว่างจุดที่อยู่ห่างไกลโดยพลการต้องระบุทั้งจุดและเส้นโค้งเฉพาะ (เรียกว่า " ช่วงเวลาเว้นวรรค ") ที่เชื่อมต่อกัน จากนั้นสามารถหาระยะห่างระหว่างจุดได้โดยการหาความยาวของเส้นโค้งเชื่อมต่อนี้ผ่านช่องว่างทั้งสามมิติ comoving กำหนดระยะนี้เส้นโค้งการเชื่อมต่อจะเป็นเส้นโค้งคงเวลาดาราศาสตร์ ในทางปฏิบัติไม่สามารถวัดระยะทางที่เคลื่อนที่ได้โดยตรงโดยผู้สังเกตการณ์ที่มีขอบเขตโลกเพียงคนเดียว เพื่อตรวจสอบระยะทางของวัตถุที่อยู่ไกลนักดาราศาสตร์ทั่วไปวัดความสว่างของเทียนมาตรฐานหรือปัจจัย redshift 'Z' กาแล็กซี่ที่ห่างไกลแล้วแปลงวัดเหล่านี้เป็นระยะทางที่ไกลขึ้นอยู่กับรูปแบบเฉพาะบางส่วนของกาลอวกาศเช่นรูปแบบแลมบ์ดา-CDM แท้จริงแล้วจากการตั้งข้อสังเกตดังกล่าวได้พิจารณาแล้วว่าไม่มีหลักฐานใด ๆ สำหรับการ 'ชะลอตัว' ของการขยายตัวในยุคปัจจุบัน

นักจักรวาลวิทยาเชิงทฤษฎีที่พัฒนาแบบจำลองของจักรวาลได้ใช้สมมติฐานที่สมเหตุสมผลจำนวนเล็กน้อยในงานของพวกเขา ผลงานเหล่านี้นำไปสู่แบบจำลองที่การขยายตัวของพื้นที่เป็นตัวชี้วัดที่เป็นไปได้ของจักรวาล หลักในหลักการพื้นฐานที่ส่งผลให้โมเดลรวมถึงการขยายเมตริกเป็นคุณสมบัติ ได้แก่ :

• หลักการทางจักรวาลวิทยาที่เรียกร้องให้เอกภพมีลักษณะเหมือนกันในทุกทิศทาง ( ไอโซโทรปิก ) และมีส่วนผสมของวัสดุที่เรียบเท่ากัน (เป็นเนื้อเดียวกัน )
• โคเปอร์นิคัหลักการที่เรียกร้องให้เกิดขึ้นในจักรวาลไม่เป็นที่ต้องการ (นั่นคือจักรวาลไม่มี "จุดเริ่มต้น")

นักวิทยาศาสตร์ได้ทดสอบอย่างรอบคอบว่าสมมติฐานเหล่านี้ถูกต้องหรือไม่และเกิดจากการสังเกต นักจักรวาลวิทยาเชิงสังเกตการณ์ได้ค้นพบหลักฐานที่แข็งแกร่งมากในบางกรณีซึ่งสนับสนุนสมมติฐานเหล่านี้และด้วยเหตุนี้นักจักรวาลวิทยาจึงถือว่าการขยายตัวของพื้นที่เป็นเมตริกเป็นลักษณะที่สังเกตได้บนพื้นฐานที่แม้ว่าเราจะไม่สามารถมองเห็นได้โดยตรง แต่นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดสอบ คุณสมบัติของจักรวาลและการสังเกตให้การยืนยันที่น่าสนใจ [30]แหล่งที่มาของความเชื่อมั่นและการยืนยันนี้ ได้แก่ :

• ฮับเบิลแสดงให้เห็นว่ากาแลคซีและวัตถุทางดาราศาสตร์ที่อยู่ห่างไกลทั้งหมดกำลังเคลื่อนที่ออกไปจากเราตามที่คาดการณ์ไว้โดยการขยายตัวแบบสากล [31]การใช้การเปลี่ยนสีแดงของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อกำหนดระยะทางและความเร็วของวัตถุระยะไกลในอวกาศเขาแสดงให้เห็นว่าวัตถุทั้งหมดกำลังเคลื่อนที่ออกจากเราและความเร็วของพวกมันเป็นสัดส่วนกับระยะทางซึ่งเป็นคุณลักษณะของการขยายตัวของเมตริก จากการศึกษาเพิ่มเติมได้แสดงให้เห็นว่าการขยายตัวมีความเป็นไอโซทรอปิกสูงและเป็นเนื้อเดียวกันนั่นคือดูเหมือนว่าจะไม่มีจุดพิเศษเป็น "ศูนย์กลาง" แต่ดูเหมือนจะเป็นสากลและไม่ขึ้นกับจุดศูนย์กลางคงที่ใด ๆ
• ในการศึกษาโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาลที่นำมาจากการสำรวจด้วยการเปลี่ยนสีแดงพบสิ่งที่เรียกว่า " จุดจบของความยิ่งใหญ่ " ที่เกล็ดที่ใหญ่ที่สุดของจักรวาล จนกระทั่งเครื่องชั่งน้ำหนักเหล่านี้ได้ทำการสำรวจจักรวาลปรากฏ "ก้อน" กับกลุ่มก้อนของกลุ่มกาแลคซี , ซุปเปอร์และเส้นใยซึ่งเป็นอะไร แต่ isotropic และเป็นเนื้อเดียวกัน ความเป็นก้อนนี้หายไปในการกระจายตัวของดาราจักรอย่างราบรื่นในระดับที่ใหญ่ที่สุด
• การกระจายแบบไอโซทรอปิกบนท้องฟ้าของการระเบิดของรังสีแกมมาที่อยู่ห่างไกลและซูเปอร์โนวาเป็นการยืนยันอีกประการหนึ่งของหลักการจักรวาลวิทยา
• หลักการโคเปอร์นิกันไม่ได้รับการทดสอบอย่างแท้จริงในระดับจักรวาลจนกว่าจะมีการวัดผลกระทบของการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลที่มีต่อพลวัตของระบบฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่อยู่ห่างไกล นักดาราศาสตร์กลุ่มหนึ่งที่หอสังเกตการณ์ทางใต้ของยุโรปสังเกตเห็นโดยการวัดอุณหภูมิของเมฆอวกาศที่อยู่ห่างไกลในสภาวะสมดุลทางความร้อนด้วยพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลว่าการแผ่รังสีจากบิ๊กแบงอุ่นขึ้นอย่างเห็นได้ชัดในช่วงเวลาก่อนหน้านี้ [32] การทำให้พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลเย็นลงอย่างสม่ำเสมอในช่วงหลายพันล้านปีเป็นหลักฐานเชิงสังเกตที่แข็งแกร่งและเป็นหลักฐานโดยตรงสำหรับการขยายตัวของเมตริก

เมื่อรวมกันแล้วปรากฏการณ์เหล่านี้สนับสนุนแบบจำลองที่อาศัยพื้นที่ขยายตัวผ่านการเปลี่ยนแปลงเมตริกอย่างท่วมท้น จนกระทั่งมีการค้นพบหลักฐานเชิงสังเกตโดยตรงในปี 2000 สำหรับอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงของพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลที่สามารถตัดสิ่งก่อสร้างที่แปลกประหลาดออกไปได้ จนถึงเวลานั้นมันตั้งอยู่บนสมมติฐานล้วนๆที่ว่าเอกภพไม่ได้ทำงานเป็นหนึ่งเดียวกับทางช้างเผือกซึ่งนั่งอยู่ตรงกลางของตัวชี้วัดคงที่พร้อมกับการระเบิดของกาแลคซีสากลในทุกทิศทาง (ดังที่เห็นในตัวอย่างเช่นรุ่นแรกที่เสนอโดย Milne ) แต่ก่อนที่จะมีหลักฐานนี้หลายปฏิเสธมุมมอง Milne อยู่บนพื้นฐานของหลักการธรรมดา

ยังไม่พบผลลัพธ์โดยตรงของการขยายตัวเช่นการเปลี่ยนแปลงของการเปลี่ยนสีแดงระยะทางฟลักซ์ตำแหน่งเชิงมุมและขนาดเชิงมุมของวัตถุทางดาราศาสตร์เนื่องจากเอฟเฟกต์เหล่านี้มีขนาดเล็ก การเปลี่ยนแปลงของการเปลี่ยนสีแดงหรือฟลักซ์สามารถสังเกตได้จากSquare Kilometer Arrayหรือกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่มากในช่วงกลางทศวรรษที่ 2030 [33]

• ระยะทางที่เหมาะสมและเหมาะสม

• เอ็ดดิงตันอาเธอร์ ขยายจักรวาลดาราศาสตร์ของ 'ขัดแย้ง' 1900-1931 สำนักพิมพ์แห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ พ.ศ. 2476
• Liddle, Andrew R. และ David H. Lyth อัตราเงินเฟ้อดาราศาสตร์และโครงสร้างขนาดใหญ่สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์, 2543
• Lineweaver, Charles H. และ Tamara M. Davis, " Misconceptions about the Big Bang ", Scientific American , มีนาคม 2548 (เนื้อหาไม่เสรี)
• Mook, Delo E. และ Thomas Vargish ภายในสัมพัทธภาพสำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน, 1991

• Swenson, Jim ตอบคำถามเกี่ยวกับจักรวาลที่กำลังขยายตัว
• เฟลเดอร์แกรี่ " จักรวาลที่ขยายตัว "
• ทีมWMAPของNASAเสนอ " คำอธิบายของการขยายตัวสากล " ในระดับประถมศึกษา
• การสอนฮับเบิลจากภาควิชาฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน
• การขยายขนมปังลูกเกดจากมหาวิทยาลัยวินนิเพก: ภาพประกอบ แต่ไม่มีคำอธิบาย
• การเปรียบเทียบ "มดบนบอลลูน" เพื่ออธิบายการขยายจักรวาลที่ "Ask an Astronomer" (ไม่ได้ระบุนักดาราศาสตร์ที่ให้คำอธิบายนี้)