Введение
Термин "космическая дисперсия" – это статистическая неопределенность, присущая наблюдениям Вселенной на экстремальных расстояниях. Он имеет три различных, но тесно связанных значения: иногда используется, ошибочно, для обозначения дисперсии выборки – разницы между различными конечными выборками одной и той же генеральной совокупности. Такие различия подчиняются распределению Пуассона, и в этом случае следует использовать термин "дисперсия выборки". Иногда он используется, преимущественно космологами, для обозначения неопределенности, связанной с тем, что мы можем наблюдать только одну реализацию из всех возможных наблюдаемых вселенных. Например, мы можем наблюдать только один космический микроволновый фон, поэтому измеренные положения пиков в спектре космического микроволнового фона, усредненные по видимому небу, ограничены тем фактом, что с Земли наблюдается только один спектр. Наблюдаемая Вселенная, рассматриваемая из другой галактики, будет иметь пики в немного иных местах, при этом оставаясь согласованной с теми же физическими законами, инфляцией и т.д. Это второе значение можно рассматривать как частный случай третьего. Наиболее распространенное использование, к которому относится остальная часть статьи, отражает тот факт, что измерения подвержены влиянию космической крупномасштабной структуры, поэтому измерение любой области неба (с Земли) может отличаться от измерения другой области неба (также с Земли) на величину, которая может быть значительно больше дисперсии выборки. Это наиболее распространенное использование термина основано на идее, что в один конкретный момент времени можно наблюдать лишь часть Вселенной, поэтому сложно делать статистические выводы о космологии в масштабе всей Вселенной, поскольку число наблюдений (размер выборки) не должно быть слишком малым.
The term cosmic variance is the statistical uncertainty inherent in observations of the universe at extreme distances. It has three different but closely related meanings:
It is sometimes used, incorrectly, to mean sample variance – the difference between different finite samples of the same parent population. Such differences follow a Poisson distribution, and in this case the term sample variance should be used instead. It is sometimes used, mainly by cosmologists, to mean the uncertainty because we can only observe one realization of all the possible observable universes. For example, we can only observe one Cosmic Microwave Background, so the measured positions of the peaks in the Cosmic Microwave Background spectrum, integrated over the visible sky, are limited by the fact that only one spectrum is observable from Earth. The observable universe viewed from another galaxy will have the peaks in slightly different places, while remaining consistent with the same physical laws, inflation, etc. This second meaning may be regarded as a special case of the third meaning. The most widespread use, to which the rest of this article refers, reflects the fact that measurements are affected by cosmic large scale structure, so a measurement of any region of sky (viewed from Earth) may differ from a measurement of a different region of sky (also viewed from Earth) by an amount that may be much greater than the sample variance. This most widespread use of the term is based on the idea that it is only possible to observe part of the universe at one particular time, so it is difficult to make statistical statements about cosmology on the scale of the entire universe, as the number of observations (sample size) must be not too small.
Предыстория
Стандартная модель Большого взрыва обычно дополняется космической инфляцией. В инфляционных моделях наблюдатель видит лишь крошечную долю всей Вселенной, значительно меньше, чем одна миллиардная (1/10⁹) объема Вселенной, постулируемой в теории инфляции. Таким образом, наблюдаемая Вселенная (так называемый горизонт частиц) является результатом процессов, подчиняющихся общим физическим законам, включая квантовую механику и общую теорию относительности. Некоторые из этих процессов носят случайный характер: например, распределение галактик во Вселенной можно описать только статистически и вывести из первых принципов невозможно.
Философские вопросы
Это поднимает философские проблемы: предположим, что случайные физические процессы происходят на масштабах, как меньших, так и больших, чем горизонт частиц. Физический процесс (например, амплитуда первичного возмущения плотности), происходящий на масштабе горизонта, дает нам только одну наблюдаемую реализацию. Физический процесс в большем масштабе дает нам ноль наблюдаемых реализаций. Физический процесс в несколько меньшем масштабе дает нам небольшое число реализаций. В случае единственной реализации трудно делать статистические выводы о её значимости. Например, если базовая модель физического процесса предполагает, что наблюдаемое свойство должно возникать лишь в 1% случаев, означает ли это действительно, что модель исключена? Рассмотрим физическую модель гражданства людей в начале XXI века, где около 30% являются гражданами Индии и Китая, около 5% – гражданами США, около 1% – гражданами Франции и так далее. Для наблюдателя, имеющего только одно наблюдение (собственного гражданства) и случайно являющегося французом, не имеющего возможности проводить внешние наблюдения, модель может быть отвергнута на уровне значимости 99%. Однако внешние наблюдатели, располагающие информацией, недоступной первому наблюдателю, знают, что модель верна. Иными словами, даже если наблюдаемая часть Вселенной является результатом статистического процесса, наблюдатель видит лишь одну реализацию этого процесса, поэтому наше наблюдение статистически незначимо для суждения о модели, если только наблюдатель не учтет дисперсию. Эта дисперсия называется космической дисперсией и отличается от других источников экспериментальной ошибки: очень точное измерение единственного значения, взятого из распределения, всё равно оставляет значительную неопределённость относительно базовой модели. Дисперсия обычно отображается отдельно от других источников неопределённости. Поскольку она неизбежно составляет значительную часть сигнала, исследователи должны быть очень осторожны при интерпретации статистической значимости измерений на масштабах, близких к горизонту частиц. В физической космологии общепринятый способ решения этой проблемы на масштабе горизонта и на немного субгоризонтальных масштабах (где число реализаций больше единицы, но всё ещё невелико) заключается в явном включении дисперсии очень малых статистических выборок (распределение Пуассона) при расчете неопределённостей. Это важно для описания низких мультиполей космического микроволнового фона и стало источником многих споров в космологическом сообществе с момента измерений COBE и WMAP.
Похожие проблемы
С подобной проблемой сталкиваются эволюционные биологи. Подобно тому, как у космологов есть только одна Вселенная для изучения, у биологов есть только одна летопись окаменелостей. Эта проблема тесно связана с антропным принципом. Еще одна проблема, связанная с ограниченным количеством образцов в астрономии, но здесь скорее практическая, чем фундаментальная, проявляется в законе Тициуса — Боде, описывающем закономерности в расположении спутников в орбитальной системе. Изначально этот закон был обнаружен для Солнечной системы, однако трудности в наблюдении других звездных систем ограничивают объем данных, необходимых для его проверки.