遥感教程第20-1a节¶
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This supplemental page presents ideas that describe a General Model for the SpaceTime expansion of the Universe following the first eras of the Big Bang. This and related subjects are considered in more detail on page 20-8, 20-9, and 20-10 .
The model described below, using spheres to characterize expansion phenomena, is not necessarily the "correct" or "valid" depiction, as several space geometries are possible, each of which must also integrate time. We are using the "expanding sphere" concepts because this geometry is easy to visualize. In fact, most textbooks that cover Universe expansion rely on an "expanding balloon" analogy to help the student to grasp some of the properties of the enlargement of space. A balloon surface is a two-dimensional (2-D) topology whereas in fact space is three-dimentional spatially, with then the added attribute of time as another dimension (4-D).
我们先从 non-space （以下脚注中定义了空格） page 20-1 ）或者说，在导致大爆炸的奇点突然出现之前的“空虚”。奇点作为一个“真实”的实体而存在（去问哪里是无意义的，因为在B.B.之后的扩展为这个宇宙创造空间之前，不能指定任何几何或尺寸参数）。在这一刻，宇宙的时间开始了。第20-1页描述的事件（包括通货膨胀）贯穿辐射时代。我们现在可以想象宇宙经历了一个膨胀的时间序列，在这个时间序列中，物质和能量成分从奇点径向向上移动，就好像它们形成了一个膨胀前沿，在这个扩展前沿，随着一个不断增长的“球体”的发展，“爆炸”在这个球体上不断地产生埃赛德。在任何给定的时间，这个不断扩大的球体不仅通过空间维度（仅限于球体）连接到奇点，而且通过时间维度连接到奇点，这样它就充当球体的延长半径。球体——以及它所表示的空间——一直在增长（就像气球膨胀一样），直到现在。在球体内部，大爆炸本身没有留下任何东西。然而，我们可以想象，现在的宇宙中有一个由越来越小的球体组成的“巢”，每一个都代表着在过去一个成长阶段，在特定时间膨胀的宇宙的形状。
让我们花点时间来研究这个数字，它使用两个膨胀的气球来说明空间膨胀的两个方面。
左气球表示过去某个时候空间的“大小”（作为二维曲面）。右边的气球显示的是稍后的时间，如现在。黄点每次代表星系。我们可以清楚地看到，在以后的时间情况下，这些点相距更远。事实上，它们正在互相后退。左边晃动的蓝线表示波长位于可见蓝色的光波（正弦波型）。右边的红线表示波峰到波峰距离较大的波，即表示波长向较长波长的移动。这就是所谓的 宇宙红移 （通过检查来自星系的辐射光谱来确定：随着向最远星系的距离的增加，随着隐性速度的增加，谱线向更长的波长移动；见第20-9页）。（注：黄点的大小在正确的球体中并没有增加；这反映了当空间本身膨胀时，星系本身很少或没有膨胀，因为它们的局部引力或多或少地保持了它们的尺寸不变，从而抵消了一般的空间膨胀。NT。
因此，在这幅图像中，我们的模型球体只有两倍的倍数，在大爆炸以来的任何选定时间，都会有一个球体，其大小由时间半径决定。随着时间从过去到现在有系统地移动，这个范围扩大了。占据宇宙的物理实体（恒星、星系、分散的物质和能量）都位于时空球上（在某些模型中，用圆锥体代替（见本页第一部分），以帮助我们地球人构建空间增长的框架，这些地球人习惯于用欧几里得的地球物理学来思考。但是我们会坚持球体，因为它很容易帮助人们想象正在发生的事情）。在如此不同的时间，球体的表面（可以想象为具有有限厚度来代表空间的三维）总是包含着我们每次通过望远镜看到可见宇宙最远部分时所看到的一切。我们所能观察到的这个极限被称为宇宙的“地平线”。
我们现在将分两次研究这个球面：今天（假设目前对宇宙历史的最佳估计是从大爆炸开始的，大约140亿年前），过去是50亿年。
首先，当前时间案例。任意地，我们选择球上的某个点，即地球。我们通过我们最好的望远镜哈勃太空望远镜向外看去，看到了一系列离地球不同距离的星系，其中一些靠近宇宙的明显边缘，大约有130亿光年远。另一些则靠得更近，在不同的距离上，通过将它们的光年距离转换成更熟悉的空间参数（例如公里）来确定。记住，我们将这些星系视为躺在一个非常巨大的球面上，为了方便起见，我们选择用光年来测量这些距离。靠近我们任意观测点的星系在几十亿光年内，并且在空间上靠近观测点。在地球上，那些离我们越远的人就离我们越远。在某个光年的距离上，我们看不到更多的星系或其他物质/能量的证据，这些物质/能量从奇点投射到一个（中空的）球形几何体中，定义了一个自那时以来一直在膨胀的表面。我们已经到达了地平线，但我们不能说什么，如果有什么事情发生。人们普遍认为，实际的宇宙比可观测的宇宙要大（取决于还有多少未知）。随着时间继续进入未来的物体（主要是星系），我们的ken将逐渐进入视野，因为膨胀前沿向外移动。
另一个值得一提的事实是，膨胀宇宙的理论模型认为空间的增长（在膨胀前沿）以光速发生。最外层的星系移动速度最快（有些接近光速），但那些离我们更近的星系以相对较慢和较慢的速度移动。
现在，对于这个模型的一个奇怪的特性来说，它实际上是广义相对论预言的一个现实。当我们从地球点看到的东西越来越远地延伸到球体上时，我们注意到星系——我们在记录我们能在更远的距离上探测到的东西时要参考的主要物体——似乎越来越不进化了。令人惊讶的是，我们能分解成表示进化阶段的形状的最远的似乎是最年轻的。（预览一下你将在20-8到20-10页学到的知识，通过一些涉及银河系或爆炸星光的技术，距离可以相当好地估计到约40-50亿光年）。我们在离地球越来越近的地方工作，逐渐地经过并观察那些看起来越来越老的星系，直到近地和它的星系，即银河系，与我们的星系相比，附近的星系似乎处于相似的发展阶段。这个悖论可以简单地用以下假设来解释：1）大多数星系大约在同一时间（大爆炸后的10-20亿年）开始；2）一些星系以不断增加的速度远离我们（由红移的空间扩展模式决定） [与氢等元素谱线相关的特定波长向逐渐变长的波长移动] . 最远的有最大的位移；3）那些现在离我们最远的人有他们的光或其他类型的辐射以最长的（假设为恒定光速）传播，因此，4）他们的光在宇宙早期的历史中有时离开他们的附近，当这些遥远的星系是年轻的，距离较近的星系发出的光波没有经过那么远和那么长的距离，因此在它们进化的后期和后期被发射出来，并显示出系统性的较小红移。
同样的一般关系也会在一个半径为50亿光年的球体上发现（这是地球形成之前的一段时间）。最远的星系仍将以最快的速度移动，并将出现最年轻的星系。然而，与现在相比，最近的物种进化得更少。星系之间的距离会更近（更大的星系密度），因为空间本身只扩张了90亿年。
所以，在这个概念模型中，时间扮演了两个角色。首先，它在不断扩大的球体的任何给定时刻测量“半径”。其次，它控制着在球体上不同位置观测到的星系的年龄关系（发展程度）。任何星系的“回望时间”决定了它与我们之间的距离、我们看到它时的宇宙年龄以及它的发展（进化）阶段。
另一个有趣的概念是：人在球体上的位置并不重要——例如，如果银河系的恒星行星距离我们的银河系有数十亿光年，而有智力的人分析宇宙，他们会看到一个与上面描述的行为完全相同的宇宙。由此，我们得出结论，宇宙中没有空间中心——从宇宙中任何一个点的观测都将导致对其一般性质的相同解释。此外，这个球形模型的特点是没有内部边界——人们可以从球体上的任何一点开始，在球体周围移动，而不会越过某个边缘，如果沿着一个方向前进（但由于球体具有曲率，所以不是直线），旅行者将最后回到起点。
宇宙的形状很可能不是像气球一样膨胀的球面。它可能是平的（但有一定的深度），并且正在向外扩展到空隙中。然而，如果球形宇宙比我们从地球上观测到的那个部分要大得多，那么这个区域的曲率就会很小，看起来几乎是平的。如下图所示，其他展开形状（如双曲线）是可能的：
第一个是一个封闭的宇宙，它有着有限的膨胀历史，可以以球半径的减小而结束，回到一个点（一个新的奇点）；另外两个宇宙有着有限的开始，但会随着时间和空间无限地膨胀；没有开始或结束的宇宙是一种自负。可能，但不可能。（注意在这些几何图形表面绘制的三个三角形的性质：对于闭合空间，角度之和大于180°；对于开放空间双曲线情况，角度之和小于180°；对于平坦空间，角度之和（我们熟悉的）正好为180°。）
这张图（过于简单化）显示了1998年前最受欢迎的三种扩张模式。圆切片表示在不同宇宙时间观测到的宇宙的相对大小。
目前，大多数宇宙增长模型导致 flat 几何图形和开放式展开。扁平宇宙的一个特点是它是如此平衡，既不倒塌也不必永远膨胀。
1998年，一组令人震惊的新观测结果宣布，事实上，在公元前一分钟的一小部分时间里，在大通胀爆发后的宇宙，显然在其扩张历史的前半段时间减速，然后是在S自加速以来（用锥形图表示这一点，很像是将第二个左数字作为底部，然后用类似于右侧数字上部的东西替换顶部）。下一张图表显示了这样一个圆锥体；它将在第20-10页上再次显示。
这种新模式的起因是一种排斥能量的形式（很像爱因斯坦的宇宙学常数或“精华”或其他形式的“暗能量”），它被认为构成了宇宙的大部分能量。自最早的扩张历史以来，重力起到了减缓作用。但是，随着重力的影响随着空间的膨胀而减弱，而空间的膨胀使星系逐渐远离星系，从而削弱了减速力，排斥能量成为更强的力，导致初始膨胀后加速的恢复。这些想法将在20-9和20-10页上深入讨论。
在我们离开这个特殊的页面扩展之前，让我来介绍一个更重要的“心理图片”类比，它可能有助于可视化扩展。记住，正是空间本身在膨胀：星系从任何观察点后退时都会分开，不是因为它们是从奇点的“爆炸”中被驱赶出来的，而是因为它们似乎是空间几何学一般的、完全均匀的扩大的一部分（whatev呃，事实证明是的），也许是由于上面的暗能量。想象一下，宇宙学上富有想象力的作家要求你想象一小块面包面团（里面装满了酵母），里面有散落的葡萄干。（这种类比有几种变体）。当面包烘烤时，它会均匀上升。所有的葡萄干都保持在最初的相对位置，但随着面包的生长，它们会彼此分开。这可能有助于你想象宇宙的膨胀——最大的区别是面包最终会达到它的最终生长阶段，并且有一个有限的边界，而宇宙可能只是不断膨胀到无限的时间和空间。
当天文学家从地球上的任何地方观察宇宙时，他们测量到（当时）宇宙感知极限（而不是边缘）的距离将是相同的，就像其他可能生活在某个遥远星系的行星上的天文学家一样。但是，这里有一个难题要介绍：今天的宇宙实际上更大——大约有280亿光年的大小。要了解此声明，请链接到由 Sloan Digital Sky Survey . 它有助于使宇宙既神秘又迷人的观念具体化。
我们可以用上一段来考虑最后一个想法：在页面的第一部分和上面多次提到我们定义为的宇宙 可观察的 几乎可以肯定的是，它比实际宇宙的大小还要小。从上面看，它可能至少有280亿光年宽。现在假设你位于这个更大的宇宙中的某个点上，你朝几个方向看。你将看到不同年龄/阶段的星系。在任何方向上，如果你的望远镜能够捕捉到光子，这些光子可以用来制作时空中最远的物体的图像（在重组/再电离后的最早时刻），那么你所确定的年龄将永远接近目前可接受的140亿年，作为最佳估计值。宇宙大爆炸的开始。现在，想象你搬到了宇宙的另一个地方。如果你从那里往任何方向看，结果都会和刚才描述的一样。但是，如果第一点和第二点彼此相距超过140亿光年，那么它们现在都看不到对方。这是地平线限制的结果。
现在，如果这两个（有人居住的）点在280亿光年的宇宙中相距180亿光年，那么两个点中的任何一个都不可能与另一个点通信，因为只有140亿年可用于光速旅行。但是，如果还有某种物质（不一定是组成星系的物质）超出了140亿光年的可观测地平线极限，又会怎样呢？如果膨胀速度不能超过光速，那么在任何试图解释“超越”物质和/或能量的尝试中似乎都存在一个谜。两种可能的解释立刻浮现在脑海中。其一，由通胀提供的“跳跃式启动”可能以某种方式能够将宇宙延伸到未观察到的范围。第二，在某些阶段（可能是早期），膨胀可能已经超过光速；已经“构想”（即，提出但未证实）了几个论点（超出了本综述的范围），以定义允许光速大于当前值的物理。所有这些推测都表明宇宙学还有很多东西要学。
我们相信这个页面将为您提供一个几何框架和一个时间框架，供您在后面的页面中参考。在您通过阅读第20-8、20-9和20-10页（等到您阅读中间的页面）了解了更多的细节之后，请回到这个页面，看看它是否具有更好的含义。