Кіріспе
Барлық бағытта ғаламның бірдей екендігі туралы теория – физикада шешілмеген мәселе. Ғалам космологиялық принциппен айқындалғандай, жеткілікті үлкен масштабта біртекті және изотропты ма, әлде Фридманн-Лемайтр-Робертсон-Уокер метрикасын қолданатын, соның ішінде ΛCDM моделінің қазіргі нұсқасын қамтитын барлық модельдерде болжалғандай, біртекті емес немесе анизотропты ма? Космологиялық принцип "бақылаушы" анықтамасына және оның жасырын талабына, сондай-ақ екі тексерілетін салдарына байланысты. "Бақылаушы" дегеніміз – ғаламның кез келген жеріндегі кез келген бақылаушы, Жердегі кез келген адам емес: Эндрю Лиддл айтқандай, "космологиялық принцип [мынаны білдіреді] ғалам сіз кім болсаңыз да, қайда болсаңыз да бірдей көрінеді". Талап бойынша физикалық құрылымдардың өзгеруін ескермеуге болады, егер бұл байқаулардан алынған қорытындылардың біркелкілігіне қауіп төндірмесе: Күн Жерден өзгеше, біздің галактикамыз қара тесіктен өзгеше, кейбір галактикалар бізге қарай жылжудың орнына бізден алыстайды, ал ғаламда галактикалар шоғыры мен бос кеңістіктердің "көбікті" құрылымы бар, бірақ бұл әртүрлі құрылымдардың ешқайсысы физиканың негізгі заңдарын бұзған сияқты емес. Космологиялық принциптің екі тексерілетін құрылымдық салдары – біртектілік және изотропия. Біртектілік дегеніміз – ғаламның әртүрлі жерлеріндегі бақылаушыларға бірдей байқау деректері қол жетімді ("біз көре алатын ғалам бөлігі әділ үлгі"). Изотропия – ғаламның кез келген бағытына қарап бірдей байқау деректерінің болуы ("барлық жерде бірдей физикалық заңдар қолданылады"). Принциптер ерекшеленеді, бірақ тығыз байланысты, себебі екі (сфералық геометрия үшін үш) нүктеден изотропты көрінетін ғалам да біртекті болуы керек.
unsolved|physics|Is the universe homogeneous and isotropic at large enough scales, as claimed by the cosmological principle and assumed by all models that use the Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker metric, including the current version of the ΛCDM model, or is the universe inhomogeneous or anisotropic?</blockquote>
The cosmological principle depends on a definition of "observer", and contains an implicit qualification and two testable consequences. "Observers" means any observer at any location in the universe, not simply any human observer at any location on Earth: as Andrew Liddle puts it, "the cosmological principle [means that] the universe looks the same whoever and wherever you are." The qualification is that variation in physical structures can be overlooked, provided this does not imperil the uniformity of conclusions drawn from observation: the Sun is different from the Earth, our galaxy is different from a black hole, some galaxies advance toward rather than recede from us, and the universe has a "foamy" texture of galaxy clusters and voids, but none of these different structures appears to violate the basic laws of physics. The two testable structural consequences of the cosmological principle are homogeneity and isotropy. Homogeneity means that the same observational evidence is available to observers at different locations in the universe ("the part of the universe which we can see is a fair sample"). Isotropy means that the same observational evidence is available by looking in any direction in the universe ("the same physical laws apply throughout"). The principles are distinct but closely related, because a universe that appears isotropic from any two (for a spherical geometry, three) locations must also be homogeneous.
Шығу тегі
Космологиялық принцип алғаш рет Исаак Ньютонның "Табиғат философиясының математикалық принциптері" (1687) еңбегінде анық тұжырымдалған. Алдыңғы кейбір классикалық немесе ортағасырлық космологиялардың еңбегінде Жер ғаламның ортасында орналасқан болатын, ал Ньютон Жерді Күнді айналып орбиталық қозғалыс жасаған шар ретінде қарастырды. Бұл шар барлық бағытта біркелкі созылған, шексіз кеңістікте орналасқан. Одан кейін, планеталар мен кометалардың қозғалысы туралы толыққанды бақылау деректеріне негіделген математикалық дәлелдер арқылы, олардың қозғалысын түсіндіруге болатынын көрсетті. Бұл түсіндірме "жалпы тартылыс" принципіне негізделген, ол Юпитердің айналасындағы Галилей айларының орбиталарына, Жердің айналасындағы Айға, Жердің Күннің айналасындағы қозғалысына және Жердегі құлайтын денелерге де қатысты. Яғни, ол Күн жүйесіндегі барлық денелердің бірдей материалдық табиғаты, Күн мен алыс жұлдыздардың ұқсас табиғаты және физикалық қозғалыс заңдарының Жердің байқау орнынан тыс, ұзақ қашықтыққа біркелкі таралуын айтты.
Салдары
1990 жылдан бері космологиялық принципті негізге ала отырып жасалған бақылаулар, ғаламның масса-энергия тығыздығының шамамен 68%-ын қара энергияға жатқызуға болатынын көрсетті, бұл ΛCDM моделінің жасалуына әкелді. Бақылаулар бойынша, алыстағы галактикалар бір-біріне жақын орналасқан және литийден ауыр химиялық элементтердің мөлшері аз. Космологиялық принципті қолдану арқылы, ауыр элементтердің Үлкен жарылыста пайда болмағаны, ал алып жұлдыздардағы ядролық синтез процесі арқылы түзілгені және бірнеше суперновалардың нәтижесінде таралып, супернова қалдықтарынан жаңа жұлдыздардың пайда болуы арқылы жинақталғаны анықталды. Яғни, ауыр элементтер уақыт өте келе қалыптасады. Тағы бір бақылау – ең алыстағы галактикалар (көне заманғы) көбінесе жергілікті галактикаларға (қазіргі заманғы) қарағанда фрагментті, өзара әрекеттесетін және ерекше пішіндес болып келеді, бұл галактика құрылымының эволюциясын көрсетеді. Космологиялық принциптің тағы бір салдары – ғаламдағы ең ірі дискретті құрылымдар механикалық тепе-теңдікте болады. Материяның ірі масштабтағы біртектілігі мен изотропиясы, ең ірі дискретті құрылымдардың біртұтас, үздірілмейтін форманың бөліктері екенін көрсетеді, мысалы, торттың ішін құрайтын кесектер сияқты. Өте алыс космологиялық қашықтықта, көру сызығына перпендикуляр беттердегі механикалық тепе-теңдік қасиетін тәжірибелік жолмен тексеруге болады; алайда, космологиялық принциптің болжамы бойынша, оны көру сызығына параллель бағытта анықтау мүмкін емес (ғаламның уақыт шкаласына қараңыз). Космологтар, алыстағы галактикаларды бақылау нәтижелеріне сәйкес, ғалам космологиялық принципке бас сүйсе, статикалық болмауы керек екеніне келіседі. 1923 жылы Александр Фридманн, Альберт Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясының теңдеулерінің, біртекті және изотропты ғаламның динамикасын сипаттайтын түрін ұсынды. 1927 жылы Жорж Леметр, жалпы салыстырмалылық теңдеулерінен кеңейіп жатқан ғаламның теңдеулерін тәуелсіз түрде шығарды. Осылайша, космологиялық принципті жалпы салыстырмалылық теориясына қолдану нәтижесінде, алыстағы галактикаларды бақылаудан тәуелсіз, статикалық емес ғалам да бар екені анықталды.
Сын
Карл Поппер космологиялық принципті "біздің білмеушілігімізді бір нәрсені білу принципі ретінде қабылдау" себебімен сынады. Ол өз ұстанымын былай түйіндеді: "космологиялық принциптер", менің ойымша, ұсынылмауы тиіс догмалар еді.
the "cosmological principles" were, I fear, dogmas that should not have been proposed.
Байқаулар
Әлем кіші масштабтарда біртекті болмаса да, ΛCDM моделі бойынша ол 250 миллион жарық жылынан асатын масштабтарда изотропты және статистикалық біртекті болуға тиіс. Дегенмен, жақындағы зерттеулер (мысалы, «Зұлымдық осьі») ғаламда космологиялық принциптің бұзылуын көрсетіп, ΛCDM моделін күмәндандырды. Кейбір авторлар космологиялық принцип қазір ескіргенін және Фридманн-Лемастр-Робертсон-Уокер метрикасы кейінгі ғаламда қолданылмайтынын алға тартады.
Изотропияның бұзылуы
Космикалық микротолқындық фон (КМФ) ΛCDM моделі бойынша изотропты болуы керек, яғни оның қарқындылығы біз қай бағытқа қарасақ та шамамен бірдей болады. Планк миссиясының деректері екі жағынан жарты шарлық қиылысты көрсетеді: бірі орташа температураға қатысты (яғни температура өзгерістері), екіншісі perturbation дәрежесінің үлкен өзгерістеріне қатысты (яғни тығыздықтар). Ғылыми топ осы ерекшеліктердің изотроптыққа қарсы күшті статистикалық дәлелдеме еместігін атап өтті. Кейбір авторлар космостық микротолқындық фон температура карталарын зерттеу арқылы Жер төңірегіндегі ғаламның жоғары дәрежеде изотропты екенін айтады. Дегенмен, галактикалар шоғыры, квазарлар және Ia типіндегі супеновалардан изотроптылықтың бұзылуы туралы да мәлімдемелер бар.
CMB диполы
CMB диполі тек кинематикалық па, әлде ол ғаламның анизотропиясын көрсете ме, нәтижесінде FLRW метрикасы мен космологиялық принцип бұзыла ма? Осыған ұқсас диполь радиогалактикалардың деректерінде де байқалады, бірақ дипольдің амплитудасы байқау жиілігіне байланысты өзгереді, бұл осы аномалиялық белгілердің таза кинематикалық еместігін көрсетеді. Басқа авторлар радиодипольдерді КМБ болжамымен сәйкес деп тапты. CMB диполь осі бойындағы анизотропияға қатысты қосымша талаптар Ia типіндегі суперновалар мен квазарлардың Хаббл диаграммасы бойынша жасалды. CMB диполь бағыты квазар поляризацияларындағы сәйкестіктерді, күшті гравитациялық линзалардың уақыт кешігуін, Ia типіндегі суперноваларды және стандартты шамдарды зерттеуде басым бағыт ретінде пайда болды. Кейбір авторлар алыстағы эффектілердің диполь бағытымен байланысы оның кинематикалық еместігін көрсететінін айтады. Сонымен қатар, Планк деректері дипольге тәуелсіз КМБ-ға қатысты жылдамдықты бағалау үшін релятивистік эффектілерден туындаған ұсақ аберрациялар мен бұрмалауларды өлшеу және Суняев-Зельдович эффектін жеке пайдалану үшін қолданылды. Бұл зерттеулер дипольден алынған мәнге сәйкес келетін жылдамдықты тапты, бұл оның толыққанды кинематикалық екенін көрсетеді. Жергілікті ғаламдағы галактикалардың жылдамдық өрісінің өлшеулері көрсетіп тұр, қысқа масштабта галактикалар жергілікті топпен бірге қозғалады, ал орташа жылдамдық қашықтық артқан сайын төмендейді. Егер CMB диполі жергілікті ерекше жылдамдық өрісіне байланысты болса, онда үлкен масштабта біртекті болуы күтіледі. Жергілікті көлемді зерттеулер CMB диполіне қарама-қарсы бағыттағы төмен тығыздықты аймақты анықтауға мүмкіндік берді, бұл жергілікті ірі ағынның себебін түсіндіруге көмектеседі.
Кемел космологиялық принцип
Кемел космологиялық принцип – космологиялық принциптің кеңейтілген түрі және ғаламның кеңістікте де, уақытта да біртекті және изотропты екенін көрсетеді. Осы көзқарас бойынша, ғалам кез келген жерде бірдей (ірі масштабта), қашан да сондай болып келген және бола беретіндей көрінеді. Кемел космологиялық принцип – тұрақты күй теориясының негізі және хаотикалық инфляция теориясынан шығады.