Космологичен принцип — дефиниция, хомогенност и изотропия

В съвременната физическа космология космологичният принцип е идея и практическо допускане, според което Вселената, разглеждана в достатъчно голям мащаб, е приблизително еднаква във всички свои части. Това не означава, че във всеки малък регион няма различия (например галактики, звезди и планети), а че средните свойства на пространството и разпределението на материята стават еднакви при приближаване към големи обеми.

Очаква се физичните закони и основните сили да действат еднакво навсякъде и по този начин да не се наблюдават систематични нередности в мащабната структура на Вселената. Видимата структура — галактични групи, клъстери, нишки и празноти — е резултат от гравитационната еволюция на първичното разпределение на материята след Големия взрив, но при още по-големи мащаби тези вариации се изглаждат.

Астрономът Уилям Кийл обяснява:

Космологичният принцип обикновено се формулира по следния начин: "Погледнато в достатъчно голям мащаб, свойствата на Вселената са еднакви за всички наблюдатели. Това е силно философско твърдение, че частта от Вселената, която можем да видим, е подходяща извадка и че в нея важат едни и същи физични закони.

Хомогенност и изотропия — какво означават

Хомогенност означава, че средните физични свойства (плътност на материята, енергийна плътност, статистически разпределения на галактиките и т.н.) са еднакви за различни места във Вселената, когато се разглеждат в достатъчно големи обеми. Практически това означава: ако вземем няколко области с обем от порядъка на стотици мегапарсекове (Mpc), статистиките на разпределението на материята ще са сходни.

Изотропия означава, че наблюденията, направени от един и същ място, изглеждат еднакви във всички посоки — няма предпочитана посока в пространството. Например фонът на космическото микровълново излъчване (КМИ) е почти еднакъв във всички посоки, което е ключово наблюдение, подкрепящо изотропията.

Тези два свойства са тясно свързани: Вселена, която изглежда изотропна от всички възможни места, трябва по необходимост да бъде и хомогенна. Обратно, изотропия само от един наблюдател не гарантира хомогенност; за да бъде хомогенна, изотропията трябва да важи централно за множество (например две или три, в зависимост от геометрията) различни места.

Наблюдателни доказателства

• Космическо микровълново излъчване (КМИ): Температурата на КМИ е изключително равномерна — флуктуациите са от порядъка на 10^-5. Тази изотропност е едно от най-силните доказателства в полза на космологичния принцип. Наблюдаваната диполна анизотропия обаче е обяснима чрез нашето движение спрямо космическия покой и не противоречи на принципа.
• Галактически червенически проучвания: Големи картографирания като 2dF и SDSS показват, че на мащаби над ~100 Mpc разпределението на галактиките става статистически хомогенно — т.н. „преход към хомогенност”.
• Барионни акустични осцилации (BAO) и Хъбълово разширение: Измерванията на космологични параметри от BAO, супернови тип Ia и други наблюдения са последователни с моделите, които приемат космологичния принцип (напр. моделът ΛCDM).

Математическо и физическо значение

Космологичният принцип е основно упрощение, което прави възможно моделирането на Вселената с помощта на арнитметично-симетрични метрики. Прилагането му води до фамилията на Фридман–Робертсън–Уолкър (FRW) метрики и до уравненията на Фридман, които описват разширяването на Вселената и нейното еволюционно поведение.

Физически, космологичният принцип често се разглежда като усложнение на по-общото философско допускане — Коперниковия принцип — че няма „особено” място или посока във Вселената, т.е. Земята/Слънчевата система не заемат централен или специален статус.

Ограничения, малки анизотропии и алтернативи

Космологичният принцип не твърди, че Вселената е напълно равномерна на всички мащаби. Съществуват ясно изразени локални неоднородности — галактики, клъстери, нишки и големи празноти. Те са предвидими резултати от растежа на малки първични флуктуации. Някои наблюдавани анизотропии (напр. локални потоци на галактики, големи празноти) се изучават, но към днешна дата не са в противоречие с космологичния принцип на мащаби, където той се прилага.

Съществуват и теоретични модели, които нарушават пълната хомогенност (например Lemaître–Tolman–Bondi решения), но те са строго ограничени от наблюденията и обикновено изискват специални условия, за да заместят успешния ΛCDM модел без да въвеждат противоречия с данните.

Заключение

Космологичният принцип е централно предположение в съвременната космология: той опростява моделите на Вселената и е силно подкрепен от данни като изотропията на КМИ и статистическата хомогенност на разпределението на галактиките на големи мащаби. В същото време той допуска локални отклонения и се подлага на постоянно проверяване чрез все по-прецизни астрономически наблюдения.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява космологичният принцип?

В: Какъв е резултатът от еволюцията на полето на материята след Големия взрив?

В: Кой е Уилям Кийл и какво обяснява той за космологичния принцип?

Въпрос: Кои са двете проверими последствия от космологичния принцип?

В: Какво означава хомогенност в контекста на космологичния принцип?

В: Какво означава изотропност в контекста на космологичния принцип?

В: Как са свързани хомогенността и изотропията в контекста на космологичния принцип?

Търсене по буква