Введение
Теория о том, что Вселенная одинакова во всех направлениях.
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.
Неразрешенная проблема физики: однородна и изотропна ли Вселенная в достаточно больших масштабах, как утверждает космологический принцип и предполагается всеми моделями, использующими метрику Фридмана — Лемайтры — Робертсона — Уокера, включая текущую версию модели ΛCDM, или Вселенная неоднородна или анизотропна? Космологический принцип зависит от определения "наблюдателя" и содержит неявное условие и два проверяемых следствия. "Наблюдатель" означает любого наблюдателя в любом месте Вселенной, а не только человека на Земле: как выразился Эндрю Лиддл, "космологический принцип означает, что Вселенная выглядит одинаково, кто бы вы ни были и где бы вы ни находились". Условие заключается в том, что различия в физических структурах могут быть проигнорированы, если это не ставит под угрозу единообразие выводов, сделанных на основе наблюдений: Солнце отличается от Земли, наша галактика отличается от черной дыры, некоторые галактики движутся к нам, а не удаляются, и Вселенная имеет "пенообразную" структуру из скоплений галактик и пустот, но ни одна из этих структур, по-видимому, не нарушает фундаментальные законы физики. Два проверяемых структурных следствия космологического принципа — однородность и изотропия. Однородность означает, что наблюдателям в разных точках Вселенной доступны одинаковые наблюдательные данные ("наблюдаемая часть Вселенной является репрезентативной выборкой"). Изотропия означает, что одинаковые наблюдательные данные доступны при наблюдении в любом направлении во Вселенной ("одни и те же физические законы действуют везде"). Принципы различны, но тесно связаны, поскольку Вселенная, которая выглядит изотропной из любых двух (или трех, для сферической геометрии) точек, также должна быть однородной.
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.
Происхождение
Космологический принцип впервые четко сформулирован в «Математических началах натуральной философии» (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, 1687) Исаака Ньютона. В отличие от некоторых более ранних классических или средневековых космологий, в которых Земля считалась неподвижным центром Вселенной, Ньютон представил Землю как сферу, движущуюся по орбите вокруг Солнца в пустом пространстве, которое равномерно простиралось во всех направлениях на невообразимо большие расстояния. Затем, опираясь на ряд математических доказательств, основанных на детальных наблюдениях за движением планет и комет, он показал, что их движение можно объяснить единым принципом "всеобщего тяготения", который действовал и в отношении орбит галилеевых спутников вокруг Юпитера, Луны вокруг Земли, Земли вокруг Солнца, а также падения тел на Земле. Иными словами, он постулировал одинаковую материальную природу всех тел в Солнечной системе, тождественность природы Солнца и далеких звезд, и, следовательно, равномерное распространение физических законов движения на огромные расстояния за пределы наблюдаемой окрестности Земли.
Последствия
С 1990-х годов наблюдения, основанные на космологическом принципе, показали, что около 68% плотности массы-энергии Вселенной приходится на темную энергию, что привело к разработке ΛCDM-модели. Наблюдения демонстрируют, что более далекие галактики расположены ближе друг к другу и содержат меньше химических элементов тяжелее лития. Применяя космологический принцип, можно заключить, что более тяжелые элементы не образовались во время Большого взрыва, а были синтезированы в недрах гигантских звезд и рассеяны в ходе серии взрывов сверхновых и последующего звездообразования из остатков сверхновых, что означает их постепенное накопление с течением времени. Кроме того, самые далекие галактики (соответствующие более ранним эпохам) часто выглядят более фрагментированными, взаимодействующими и имеют необычную форму по сравнению с близкими галактиками (соответствующими более поздним эпохам), что указывает на эволюцию галактических структур. Важным следствием космологического принципа является предположение о механическом равновесии крупнейших дискретных структур во Вселенной. Однородность и изотропия материи в самых больших масштабах позволяют предположить, что эти структуры являются частями единой недискретной формы, подобно крошкам, составляющим мякиш пирога. Свойство механического равновесия поверхностей, расположенных перпендикулярно лучу зрения, может быть эмпирически проверено на экстремальных космологических расстояниях; однако, при условии справедливости космологического принципа, его невозможно обнаружить вдоль луча зрения (см. временную шкалу Вселенной). Космологи сходятся во мнении, что, согласно наблюдениям далеких галактик, Вселенная должна быть нестатичной, если она подчиняется космологическому принципу. В 1923 году Александр Фридман предложил вариант уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, описывающий динамику однородной и изотропной Вселенной. Независимо от него, в 1927 году Жорж Леметр вывел уравнения расширяющейся Вселенной из уравнений общей теории относительности. Таким образом, нестатичность Вселенной также вытекает из применения космологического принципа к общей теории относительности, независимо от наблюдений далеких галактик.
Критика
Карл Поппер критиковал космологический принцип, утверждая, что он превращает "наше незнание в принцип познания". Он суммировал свою позицию следующим образом: "космологические принципы" были, боюсь, догмами, которые не следовало выдвигать.
the "cosmological principles" were, I fear, dogmas that should not have been proposed.
Замечания
Хотя Вселенная неоднородна в малых масштабах, согласно ΛCDM-модели, она должна быть изотропной и статистически однородной в масштабах, превышающих 250 миллионов световых лет. Однако недавние результаты наблюдений (например, «ось зла») указывают на то, что во Вселенной существуют отклонения от космологического принципа, что ставит под вопрос ΛCDM-модель. Некоторые авторы полагают, что космологический принцип устарел, а метрика Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера перестает быть применимой в поздней Вселенной.
Нарушения изотропии
Космический микроволновой фон (КМФ) в рамках ΛCDM-модели предсказывается изотропным, то есть его интенсивность примерно одинакова в любом направлении наблюдения. Данные миссии "Планк" демонстрируют полушарийное смещение в двух аспектах: относительно средней температуры (то есть флуктуаций температуры) и относительно больших изменений в амплитуде возмущений (то есть в плотности). Коллектив исследователей отметил, что эти особенности статистически не противоречат изотропии. Некоторые авторы утверждают, что Вселенная в окрестностях Земли является изотропной с высокой степенью достоверности, основываясь на анализе карт температуры КМФ. Однако существуют сообщения о нарушениях изотропии, полученные на основе наблюдений скоплений галактик, квазаров и сверхновых типа Ia.
Дипол CMB
Неразрешенная проблема физики. Является ли диполь CMB чисто кинематическим, или он свидетельствует об анизотропии Вселенной, приводящей к нарушению метрики FLRW и космологического принципа? Подобный диполь наблюдается в данных о радиогалактиках, однако амплитуда диполя зависит от частоты наблюдения, что указывает на то, что эти аномальные особенности не могут быть чисто кинематическими. Другие авторы обнаружили радиодиполи, согласующиеся с предсказаниями CMB. Дальнейшие утверждения об анизотропии вдоль оси диполя CMB были сделаны относительно диаграммы Хаббла сверхновых типа Ia и квазаров. Кроме того, направление диполя CMB стало предпочтительным направлением в некоторых исследованиях выравнивания поляризации квазаров, временной задержки сильного гравитационного линзирования, сверхновых типа Ia и стандартных свечей. Некоторые авторы утверждают, что корреляция далёких эффектов с направлением диполя может указывать на некинематическую природу его происхождения. В качестве альтернативы, данные Planck были использованы для оценки скорости относительно CMB независимо от диполя, путём измерения незначительных аберраций и искажений флуктуаций, вызванных релятивистским усилением, и отдельно с использованием эффекта Сюняева — Зельдовича. Эти исследования показали скорость, согласующуюся со значением, полученным из диполя, что указывает на его полную кинематическую природу. Измерения поля скоростей галактик в локальной Вселенной показывают, что на малых масштабах галактики движутся вместе с Местной группой, и что средняя скорость уменьшается с увеличением расстояния. Это соответствует ожиданию, что если диполь CMB обусловлен локальным особенным полем скоростей, то он становится более однородным на больших масштабах. Обзоры локального объема позволили выявить область низкой плотности в направлении, противоположном диполю CMB, что потенциально объясняет происхождение локального крупномасштабного потока.
Идеальный космологический принцип
Идеальный космологический принцип является расширением космологического принципа и утверждает, что Вселенная однородна и изотропна в пространстве и времени. Согласно этому принципу, Вселенная выглядит одинаково во всех точках (в крупном масштабе), как в прошлом, так и в будущем. Идеальный космологический принцип является основой теории стационарной Вселенной и вытекает из теории хаотической инфляции.