理论教育 时空学概论:宇宙学原理与基本模型

时空学概论:宇宙学原理与基本模型

时间:2023-11-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:宇宙学认为下述原理成立。这一结论与宇宙大爆炸模型相符。宇宙学原理的这三点结论,事实上提出了宇宙的基本模型是一个在大尺度上物质分布均匀的球状结构。需要强调说明,“宇宙学原理”事实上是宇宙学的公理,所有宇宙学的结论必须与其相容。除了上述宇宙学原理得到的宇宙模型的三条性质,根据第十三章的结论,还可以得到一条性质:宇宙空间是各向同性的,与宇宙的空间类型无关。

时空学概论:宇宙学原理与基本模型

在现代的天文观测中,随着观察距离的拓展,发现越来越多与银河系同一个等级的星系。它们有大有小,最小的矮星系由约百万颗恒星组成,最大的超巨星系中恒星多达几万亿颗,星系的线度平均约为105光年。相邻的星系,可以根据其紧密程度联合为星系团,其线度约为107光年。银河系与周围星系构成的星系团称作本星系团。有些星系团还可以联合组成超星系团,其线度约为108光年。现代的天文观测表明星系内的物质分布不均匀,宇宙中星系的分布却比较均匀。星系团的分布更均匀。如果以108光年作为宇观尺度,宇宙中的物质分布完全是均匀的。宇宙学认为下述原理成立。

宇宙学原理:在宇观尺度上任何时刻,三维宇宙空间的物质分布都是均匀的。

根据宇宙学原理可以得到三点结论。

第一,在宇观尺度上可以将宇宙看作物质密度相同的一个理想球体,其引力场是理想引力场(对称的球型引力场)。这一结论与宇宙大爆炸模型相符。

第二,假设宇宙物质的平均密度为ρ0、宇宙的半径为r,则与宇宙中心距离为R的地方,质量为m的物体,受到宇宙总的引力为即宇宙存在质量中心,并且物质受宇宙总物质的引力和到宇宙质量中心的距离成正比。

第三,在任何时刻,宇观尺度上三维宇宙空间的物质分布是均匀的。这里强调的是“在任何时刻”。由于光速的有限性,我们在任何时刻观测到的宇宙都是不同时期宇宙中部分天体的集合。因此只能概指“在任何时刻”“宇宙空间的物质分布都是均匀的”,而不能说仅在某一时期宇宙空间的物质分布是均匀的。(www.daowen.com)

宇宙学原理的这三点结论,事实上提出了宇宙的基本模型是一个在大尺度上物质分布均匀的球状结构。需要强调说明,“宇宙学原理”事实上是宇宙学的公理,所有宇宙学的结论必须与其相容。

除了上述宇宙学原理得到的宇宙模型的三条性质,根据第十三章的结论,还可以得到一条性质:宇宙空间是各向同性的,与宇宙的空间类型无关。

有的学者,根据宇宙物质在大尺度上分布均匀,认为宇宙各向同性,这一观点不成立。不能根据宇宙物质在大尺度上分布均匀得到宇宙是各向同性的结论。各向同性是指空间中不同位置的点的光速各向同性。不是指宇宙空间中星系团的密度相同,按照广义相对论,只要空间存在引力,例如星系内部,光线是弯曲的,空间就不是各向同性的。

还有学者认为,宇宙是各向同性的,没有中心,宇宙物质分布均匀,并且目前宇宙正在加速膨胀。膨胀的宇宙就好比一个正在膨胀的气球,由于各向同性,宇宙气球的每一点都可以认为是中心,因此宇宙没有中心。这个比喻不正确,结论也是错的。其实对正在膨胀的气球而言,理论上我们在任何时候都可以找到它的中心,无论是几何中心还是质量中心。逻辑而言,该命题的前提条件和结论没有必然联系,没有因果关系

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