Det kosmologiske princip – definition og betydning: homogenitet og isotropi
Forstå det kosmologiske princip: hvorfor homogenitet og isotropi fra Big Bang sikrer, at universet opfører sig ens overalt — afgørende for moderne kosmologi.
I moderne fysisk kosmologi er det kosmologiske princip en forudsigelse baseret på ideen om, at universet er omtrent det samme alle steder, når man ser på en stor skala.
Kræfterne forventes at virke ensartet i hele universet. Der burde derfor ikke være nogen observerbare uregelmæssigheder i den store struktur. Strukturen er et resultat af udviklingen af stoffeltet efter Big Bang.
Astronomen William Keel forklarer:
Det kosmologiske princip er normalt formelt formuleret således: "Set på en tilstrækkelig stor skala er universets egenskaber de samme for alle observatører". Dette er en stærkt filosofisk erklæring om, at den del af universet, som vi kan se, er et rimeligt eksempel, og at de samme fysiske love gælder overalt.
De to kontrollerbare konsekvenser af det kosmologiske princip er homogenitet og isotropi. Homogenitet betyder, at observatører på forskellige steder i universet har adgang til de samme observationsresultater ("den del af universet, som vi kan se, er et retvisende eksempel"). Isotropi betyder, at de samme observationsresultater er tilgængelige, når man ser i alle retninger i universet ("de samme fysiske love gælder overalt"). Principperne er nært beslægtede, fordi et univers, der forekommer isotropisk fra to (for en sfærisk geometri tre) steder, også må være homogent.
Hvad menes konkret med homogenitet og isotropi?
Homogenitet betyder, at tætheden af stof og energi, og de statistiske egenskaber ved struktur (fx fordelingen af galakser), er de samme når man gennemsnitligt betragter store rumvolumener rundt omkring i universet. Det udelukker ikke lokale variationer — galakser, stjernesystemer og klynger findes stadig — men disse er små i forhold til den samlede, gennemsnitlige fordeling, når man ser på tilstrækkeligt store skalaer (hundreder af millioner af lysår).
Isotropi betyder, at universet ser samme ud i alle retninger fra et givet observationspunkt. Hvis himlen og rummets egenskaber er de samme uanset hvilken retning man kigger, siger man, at det er isotropt. Isotropi er en retning- eller synsvinkelbaseret symmetri, mens homogenitet handler om rumlige variationer mellem forskellige steder.
Observationsbeviser
- Den mest overbevisende observation er den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling (CMB), som er ekstremt jævn med temperaturvariationer på størrelsesordenen én del i 100.000. Denne jævnhed støtter isotropi og dermed – under visse antagelser – homogenitet.
- Galaksefordelinger fra store rødforskydningsundersøgelser (f.eks. SDSS og andre store surveys) viser, at på skalaer over ~100–300 Mpc bliver fordelingen statistisk ensartet, hvilket peger mod homogenitet på store skalaer.
- Baryon acoustic oscillations (BAO) i den store struktur giver en standardlængdeskala (~150 Mpc) og bruges til at kortlægge den gennemsnitlige struktur, hvilket også er konsistent med det kosmologiske princip.
- Andre målinger som den diffuse røntgenbaggrund, distribution af kvasarer og isotropien i fordelinger af fjerne objekter bidrager til billedet af et statistisk ensartet univers på store skalaer.
Teoretisk betydning
Det kosmologiske princip er grundlaget for de mest anvendte kosmologiske modeller, især de såkaldte Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker (FLRW/FRW) metrikker, som antager homogenitet og isotropi. Disse symmetrier fører til Friedmann-ligningerne, der beskriver universets ekspansion via skalarfaktoren a(t) og de kosmologiske parametre (densitetsparametre, rumlig krumning, kosmologisk konstant).
Varianter og præciseringer
Man skelner ofte mellem en svag og en stærk form af princippet. I den svage (eller statistiske) form er universet kun antaget at være homogent og isotropt i gennemsnit (statistisk homogen/isotrop). Den stærke form påstår, at det er nøjagtigt ens overalt til enhver tid. I praksis anvendes som regel den statistiske fortolkning, da vi tydeligt observerer lokale inhomogeniteter.
Copernicus-princippet (idéen om, at Jorden/vores position ikke er særlig) er nært beslægtet med det kosmologiske princip: antagelsen om, at vi ikke befinder os i et meget specielt sted i universet, ligger implicit i mange anvendelser af princippet.
Begrænsninger og aktuelle problemstillinger
- Det kosmologiske princip gælder kun på store skalaer. Lokalt (galakser, klynger, filamenter og tomrum) er universet tydeligt inhomogent.
- Der findes observerede "anomalier" i CMB (f.eks. hemisfærisk asymmetri eller den såkaldte Cold Spot), men disse er på nuværende tidspunkt ikke klart nok signifikante til at afvise princippet. De kan skyldes kosmisk variation, systematiske fejl eller ny fysik.
- Nogle alternative modeller har forsøgt at erstatte det kosmologiske princip med mere komplekse strukturer (fx fractal-lignende fordelinger), men de fleste sådanne modeller er enten uforenelige med CMB-data eller kræver unaturlige antagelser.
Konsekvenser hvis princippet brydes
Hvis man fandt pålidelige, storskalede brud på homogenitet eller isotropi, ville det få vidtrækkende konsekvenser: den nuværende standardkosmologi (ΛCDM-modellen med FLRW-metrikken) ville skulle revideres, parametre som mørkt stof og mørk energi kunne få andre tolkninger, og vores fortolkning af fysiske målinger (f.eks. afstandsskalaer og ekspansionshastighed) ville blive mere kompliceret, idet de kunne afhænge af observationssted eller retning.
Sammenfatning
Det kosmologiske princip — at universet er omtrent det samme overalt og i alle retninger på store skalaer — er et simpelt, men meget frugtbart antagelsesgrundlag. Det er godt understøttet af observationer som CMB og store rødforskydningsundersøgelser, og det ligger til grund for de matematiske modeller, vi bruger til at beskrive universets historie og udvikling. Samtidig anerkender princippet lokale undtagelser og står åben for fortsatte tests, efterhånden som observationerne bliver mere præcise.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er det kosmologiske princip?
A: Det kosmologiske princip er ideen om, at universet er det samme alle steder, når det ses i stor skala, og at kræfter virker ensartet i hele universet, hvilket resulterer i, at der ikke kan observeres uregelmæssigheder i strukturen i stor skala.
Spørgsmål: Hvad er resultatet af udviklingen af stoffeltet efter Big Bang?
Svar: Universets storskala-struktur er resultatet af udviklingen af stoffeltet efter Big Bang.
Spørgsmål: Hvem er William Keel, og hvad forklarer han om det kosmologiske princip?
Svar: William Keel er en astronom, der forklarer, at det kosmologiske princip normalt formelt set er formuleret således: "Set på en tilstrækkelig stor skala er universets egenskaber de samme for alle observatører". Han fortæller også, at princippet er en stærkt filosofisk erklæring om, at den del af universet, som vi kan se, er et rimeligt udsnit, og at de samme fysiske love gælder overalt.
Spørgsmål: Hvilke to konsekvenser af det kosmologiske princip kan afprøves?
Svar: De to kontrollerbare konsekvenser af det kosmologiske princip er homogenitet og isotropi.
Spørgsmål: Hvad betyder homogenitet i forbindelse med det kosmologiske princip?
A: Homogenitet betyder, at observatører, der befinder sig forskellige steder i universet, har adgang til de samme observationsbeviser.
Spørgsmål: Hvad betyder isotropi i forbindelse med det kosmologiske princip?
A: Isotropi betyder, at de samme observationsresultater er tilgængelige, når man ser i alle retninger i universet.
Spørgsmål: Hvordan hænger homogenitet og isotropi sammen i forbindelse med det kosmologiske princip?
Svar: Homogenitet og isotropi er tæt forbundet, fordi et univers, der forekommer isotropisk fra to (for en sfærisk geometri tre) steder, også må være homogent.
Søge