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宇宙学原理

/cosmological principle/
条目作者黄玉梅郜青龚云贵
条目作者黄玉梅

黄玉梅

郜青

郜青

龚云贵

龚云贵

最后更新 2022-01-20
浏览 415
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宇宙在大尺度(大于几亿光年的尺度)上是均匀各向同性的。即不管是何人身处何地,宇宙看起来都是一样的。

英文名称
cosmological principle
所属学科
物理学

宇宙学原理中的观测者是指和宇宙一起运动的共动观测者。从N.哥白尼时代开始到今天,宇宙中没有特殊的优越位置的思想逐渐在现代科学中占据主导地位。宇宙中的任何一个部分在本质上都是等价的,任何方向都是平权的,这个有关宇宙空间和物质分布均匀且各向同性的假设就是宇宙学原理的基本内容。为了纪念否定地球中心说的哥白尼,这个原理也称为哥白尼原理。

A.爱因斯坦于1917年首次提出宇宙空间均匀各向同性的假定,并利用广义相对论提出了静态宇宙学模型,开创了现代相对论宇宙学。20世纪20年代A.弗里德曼利用宇宙学原理找到爱因斯坦场方程的一个膨胀宇宙解,这个度规解的形式非常简单,后来H.P.罗伯逊与A.G.沃克基于均匀各向同性的假设推导出罗伯逊-沃克度规。它包含一个表示宇宙空间几何性质的参量k,以及一个描述宇宙时间演化的标度因子。现代宇宙学基本上都是建立在罗伯逊-沃克度规的基础上的。

宇宙学原理的两个可检验的结论是均匀性和各向同性。均匀性意味着空间每一点都相同;各向同性是指从任意方向上都看到相同的宇宙。这是指在典型星系邻域中以该星系平均速度运动的观测者,在可以通过空间坐标转动相联系的任意点上同时观察到相同的结果。由于空间中的任意两点都可以通过一系列的转动变换联系起来,如果宇宙中没有一个特殊的位置,则各向同性就意味着均匀性。

所有的天文观测表明,宇宙中的天体分布在大尺度上是均匀的,且不存在任何明显的不对称性。而对遥远星系和类星体的观测表明,这些天体存在红移,这些红移是均匀且各向同性的,也即在观测者看来,任意方向上的天体都会发生均匀分布的红移,这支持着宇宙在各个方向上看起来都相同这一宇宙学原理。

A.彭齐亚斯和R.W.威耳孙于1964年发现来自宇宙的波长为7.35厘米的3.5开微波背景噪声。宇宙背景探测器(COBE)卫星、威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)及普朗克卫星对微波背景辐射更加精确的测量表明其温度为2.725开,且温度分布是各向同性的。对微波背景辐射在不同波段上的大量测量结果表明,宇宙微波背景辐射在一个相当宽的波段范围内都很好地符合黑体辐射谱,且是高度各向同性的。这些结果都强有力地支持了宇宙学原理。

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