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大爆炸和弗里德曼方程

快捷方式: 差异相似杰卡德相似系数参考

大爆炸和弗里德曼方程之间的区别

大爆炸 vs. 弗里德曼方程

--又稱大--靂(Big Bang),是描述宇宙的源起與演化的宇宙學模型,这一模型得到了当今科学研究和觀測最廣泛且最精確的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为:宇宙是在过去有限的时间之前,由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的。根据2015年普朗克卫星所得到的最佳观测结果,宇宙大爆炸距今137.99 ± 0.21亿年,并经过不断的到达今天的状态。 大爆炸这一模型的框架基于爱因斯坦的广义相对论,又在场方程的求解上作出了一定的简化(例如宇宙學原理假设空间的和各向同性)。1922年,苏联物理学家亚历山大·弗里德曼用广义相对论描述了流体,从而给出了这一模型的场方程。1929年,美国物理学家埃德温·哈勃通过观测发现,从地球到达遥远星系的距离正比于这些星系的红移,从而推导出宇宙膨胀的观点。1927年时勒梅特通过求解弗里德曼方程已经在理论上提出了同样的观点,这个解后来被称作弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规。哈勃的观测表明,所有遥远的星系和星系团在视線速度上都在远离我们这一观察点,并且距离越远退行视速度越大 。如果当前星系和星团间彼此的距离在不断增大,则说明它们在过去曾经距离很近。从这一观点物理学家进一步推测:在过去宇宙曾经处于一个密度极高且温度极高的状态,大型粒子加速器在类似条件下所进行的实验结果则有力地支持了这一理论。然而,由于当前技术原因,粒子加速器所能达到的高能范围还十分有限,因而到目前为止,还没有证据能够直接或间接描述膨胀初始的极短时间内的宇宙状态。从而,大爆炸理论还无法对宇宙的初始状态作出任何描述和解释,事实上它所能描述并解释的是宇宙在初始状态之后的演化图景。当前所观测到的宇宙中氢元素的丰度,和理论所预言的宇宙早期快速膨胀并冷却过程中,最初的几分钟内通过核反应所形成的这些元素的理论丰度值非常接近,定性并定量描述宇宙早期形成的氢元素丰度的理论被称作太初核合成。 大爆炸一词首先是由英国天文学家弗雷德·霍伊尔所采用的。霍伊尔是与大爆炸对立的宇宙学模型——穩態學說的倡导者,他在1949年3月BBC的一次广播节目中将勒梅特等人的理论称作“这个大爆炸的观点”。虽然有很多通俗轶事记录霍伊尔这样讲是出于讽刺,但霍伊尔本人明确否认了这一点,他声称这只是为了着重说明这两个模型的显著不同之处。霍伊尔后来为恒星核合成的研究做出了重要贡献,这是恒星内部通过核反应利用氢元素制造出某些重元素的途径。1964年发现的宇宙微波背景辐射是支持大爆炸确实发生的重要证据,特别是当测得其频谱从而绘制出它的黑体辐射曲线之后,大多数科学家都开始相信大爆炸理论了。. 弗里德曼方程(英文:Friedmann equations)是广义相对论框架下描述空间上均一且各向同性的的一组方程。它们最早由亚历山大·弗里德曼在1922年得出 (English translation in),他通过在弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规下对具有给定质量密度\rho\,和压力p\,的流体的能量-动量张量应用爱因斯坦引力场方程而得到。而具有负的空间曲率的方程则由弗里德曼在1924年得到 (English translation in)。.

之间大爆炸和弗里德曼方程相似

大爆炸和弗里德曼方程有(在联盟百科)17共同点: 各向同性威尔金森微波各向异性探测器宇宙学宇宙學常數宇宙標度因子密度亞歷山大·弗里德曼廣義相對論哈勃定律冷暗物质状态方程 (宇宙学)秒差距爱因斯坦场方程重子ΛCDM模型暗物质暗能量

各向同性

各向同性(isotropy),是指物体的物理、化学性质不因方向而有所变化的特性,即在不同方向所测得的性能数值是相同的。如所有的气体、液体以及非晶体都显示各向同性,多晶体(如一块金属)表现的各向同性称为“准各向同性”。各向同性的物体称为均质体。 各向同性与各向异性相反。确切的定义,取决于其使用的领域。各向同性的辐射在各向上有等同的强度,并且一个各向同性的场对测试粒子有同样的作用,无论其初始方向。以波动的传播为例,波源于此种介质中,发出的振动,于各个方向,速度一致。也即,波的传播速度与方向无关。于此种介质中,波面与波线正交。.

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威尔金森微波各向异性探测器

威爾金森微波各向異性探測器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,簡稱WMAP)是美國國家航空暨太空總署的人造衛星,目的是探測宇宙中大爆炸後殘留的輻射熱,2001年6月30日,WMAP搭载德尔塔II型火箭在佛羅里達州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心發射升空。 由於宇宙間殘存著大霹靂的熱輻射(即為宇宙微波背景輻射),而WMAP的目的就是測量這些熱輻射的極小差異。這計畫由查爾斯·本內特教授及約翰·霍普金斯大學所領導,與美國太空總署戈達德太空飛行中心及普林斯頓大學合作。WMAP太空船在2001六月30日七點46分46秒於佛羅里達升空,是COBE太空任務的繼承者之一,也是中級探索者系列衛星的一員。2003年,為了紀念曾為研究計畫一員的宇宙學家大衛·威爾金森,MAP更名為WMAP。WMAP在圍繞日-地系統的L2點運行,離地球1.5×106公里。2012年十二月20日,研究團隊發佈了WMAP九年數據及相關影像。 WMAP的測量在建立最近的宇宙標準模型(宇宙常數-冷暗物質模型,或稱ΛCDM模型)中扮演了關鍵的角色。宇宙常數-冷暗物質模型是是一種以宇宙常數型態表示的暗能量為主導的宇宙模型,這模型與WMAP數據及其他宇宙學數據吻合,並且緊密的相互趨近。在宇宙常數-冷暗物質模型中,宇宙年齡為137.72 ± 0.059億年。由金氏世界記錄鑑定,WMAP的任務使宇宙的年齡精確度優於1%。現在的宇宙膨脹速率(見哈伯常數)為69.32 ± 0.80 (公里/秒)/百萬秒差距。宇宙的組成中有 4.628 ± 0.093%的一般重子物質,有24.02+0.88−0.87%既不吸收也不放射光的的冷暗物質(CDM),有71.35+0.95−0.96% 使宇宙加速膨脹的的暗能量。而微中子在宇宙含量中佔不到1%,但WMAP的測量發現其存在。該團隊於2008年首次發現,證實了宇宙微中子背景輻射的存在,微中子的有效種類為3.26 ± 0.35。尤拉平面幾何的曲率(Ωk)為-0.0027+0.0039−0.0038。WMAP的測量在很多方面也支持宇宙是平坦的,包括平坦測量。 根據「科學」雜誌,WMAP在2003年有重大突破。這任務的成果論文榮登2003年後超熱門科學文章排行榜的第一及第二名。在 INSPIRE-HEP數據庫中,物理與天文學引用最多次的論文只有三篇是在2000年以後發表的,而這三篇皆由WMAP發佈。在2010年三月27日,貝內特、來曼、大衛榮獲2010年的邵逸夫獎,以褒揚他們WMAP對天文界的貢獻。 2010年十月,WMAP太空船經過九年的運作,終於功成身退,安息在日心軌道上。天文學及物理高級審查小組在2010年九月於美國太空總署核准了總共九年的WMAP作業,所有WMAP的數據都會仔細檢查並公諸於世。 有些宇宙標準模型的數據型態不同於一般的統計。例如極大角度的測量中,四極矩的數據可能小於模型所預測的,但此不一致性並不顯著。比較小的角度,如大的冷班點及其他數據特徵等,在統計數據上反而較為明顯,而研究將會繼續往這些方面進行。.

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宇宙学

宇宙學(英文:Cosmology)或宇宙論,這個詞源自於希臘文的κοσμολογία(cosmologia, κόσμος (cosmos) order + λογια (logia) discourse)。宇宙學是對宇宙整體的研究,並且延伸探討至人類在宇宙中的地位。雖然宇宙學這個詞是最近才有的,人們對宇宙的研究已經有很長的一段歷史,牽涉到科學、哲學、神秘学以及宗教。.

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宇宙學常數

宇宙學常數(cosmological constant)或宇宙常數由阿爾伯特·愛因斯坦首先提出,現前常標為希臘文「Λ」,與度規張量相乘後成為宇宙常數項\Lambda g_而添加在愛因斯坦方程式中,使方程式能有靜態宇宙的解。若不加上此項,則廣義相對論所得原版本的愛因斯坦方程式會得到動態宇宙的結果。 這是出於愛因斯坦對靜態宇宙的哲學信念。在哈伯提出膨脹宇宙的天文觀測結果哈伯紅移後,愛因斯坦放棄宇宙學常數,認為是他「一生中最大的錯誤」。 但是1998年天文物理與宇宙學對宇宙加速膨脹的研究則讓宇宙學常數死而復生,認為雖然其值很小,但可能不為零。宇宙常數項的貢獻被認為與暗能量有關。.

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宇宙標度因子

在物理宇宙學裏,宇宙標度因子(cosmological scale factor)是弗里德曼方程式的一個參數,是表現宇宙相對膨脹的時間函數。宇宙標度因子又稱為罗伯逊-沃尔克標度因子,在這篇文章內,簡稱為「標度因子」。在膨脹或收縮中的罗伯逊-沃尔克宇宙裏,設定跟著哈伯流體移動的兩個物體,則對於兩個物體(例如,兩個星系)之間的固有距離(proper distance),可以用則標度因子來給出這固有距離隨著時間演進而發生的變化,以方程式定義, 其中,d_0 、d(t) 分別是在參考時間 t_0 、時間 t 的固有距離,a(t) 是在時間 t 的標度因子。 設定 t_0 為現今時期,那麼,按照定義,a(t_0).

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密度

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亞歷山大·弗里德曼

亚历山大·亚历山大洛维奇·弗里德曼(Александр Александрович Фридман,),蘇聯數學家、气象学家、宇宙学家。.

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廣義相對論

广义相对论是現代物理中基于相对性原理利用几何语言描述的引力理论。该理论由阿尔伯特·爱因斯坦等人自1907年开始发展,最终在1915年基本完成。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律與狭义相对论加以推廣。在广义相对论中,引力被描述为时空的一种几何属性(曲率),而时空的曲率则通过爱因斯坦场方程和处于其中的物质及辐射的能量與动量联系在一起。 从广义相对论得到的部分预言和经典物理中的对应预言非常不同,尤其是有关时间流易、空间几何、自由落体的运动以及光的传播等问题,例如引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应。广义相对论的预言至今为止已经通过了所有观测和实验的验证——广义相对论虽然并非当今描述引力的唯一理论,但却是能够与实验数据相符合的最简洁的理论。不过仍然有一些问题至今未能解决。最为基础的即是广义相对论和量子物理的定律应如何统一以形成完备并且自洽的量子引力理论。 爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着非常重要的应用。比如它预言了某些大质量恒星终结后,会形成时空极度扭曲以至于所有物质(包括光)都无法逸出的区域,黑洞。有证据表明恒星质量黑洞以及超大质量黑洞是某些天体例如活动星系核和微类星体发射高强度辐射的直接成因。光线在引力场中的偏折会形成引力透镜现象,这使得人们可能观察到处于遥远位置的同一个天体形成的多个像。广义相对论还预言了引力波的存在。引力波已经由激光干涉引力波天文台在2015年9月直接观测到。此外,广义相对论还是现代宇宙学中的的理论基础。.

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哈勃定律

在物理宇宙學裏,哈伯定律(Hubble's law)表明,來自遙遠星系光線的紅移與它們的距離成正比。這條定律是因證實者哈伯而命名。它被認為是的第一個觀察依據,和今天經常被援引作為支持大爆炸的一個重要證據。 在宇宙学研究中,哈伯定律成为宇宙膨胀理论的基础,以方程式表示 其中,v 是由紅移現象測得的星系遠離速率,H_0 是哈伯常數,D是星系與觀察者之間的距離。 2012年12月20日,美國國家航空暨太空總署的威爾金森微波各向異性探測器實驗團隊宣布,哈伯常數為69.32 ± 0.80 (km/s)/Mpc。 2013年3月21日,從普朗克卫星觀測獲得的数据,哈伯常數為67.80 ± 0.77 千米每秒每百万秒差距(67.80 ± 0.77 km/s/Mpc)。,table 9.

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冷暗物质

冷暗物質(英语:Cold Dark Matter,简称CDM)是大爆炸理論在改善的過程中加入的新材料,這種物質在宇宙中不能用電磁輻射來觀測,因此是暗的;同時這種微粒的移動是緩慢的,因此是冷的。在2006年,多數的宇宙學家熱衷於描述冷暗物質如何在早期宇宙仍是平滑的初始狀態下(如宇宙微波背景辐射所示),如何形成如同我們今日所見的星系和星系團的結構-宇宙的大尺度結構。 在冷暗物質的理論中,結構依層級增長,在連續和逐級增長的過程中,少量的物質先塌縮和合併在一起,逐漸形成越來越巨大的結構。在流行在80年代的熱暗物質的事例中,結構不依層級增長(由下而上),而是以斷裂的方式發展(由上而下),最巨大的超星系團先形成像船艙甲板似的,像薄煎餅的層狀結構,然後斷裂形成,像星系-我們的銀河系-這樣的小碎片。熱暗物質預測的與觀察到的大尺度結構大相逕庭,而冷暗物質的事例卻總能與觀測的現象契合。 有兩個重要的矛盾出現在冷暗物質理論的預測和觀測的事例之間:星系和星系團在空間中的出現和形成,為冷暗物質的拼圖製造了潛在的危機。.

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状态方程 (宇宙学)

在宇宙学中,宇宙的状态方程(英文:Equation of state,EOS)被描述为一个理想流体的状态方程。这个状态方程的特征参数是一个无量纲参数w\,,它等于宇宙的能量-动量张量中压力p\,和能量密度\rho\,的比值: w.

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秒差距

差距(parsec,符號為pc)是一個宇宙距離尺度,用以測量太陽系以外天體的長度單位。1秒差距定義為某一天體與1天文單位的為1時的距離,但於2015年時被重新定義為一個精確值,為天文單位。1秒差距的距離等同於3.26光年(31兆公里或19兆英里)。離太陽最近的恆星比鄰星,距離大約為。絕大多數位於距太陽500秒差距內的恆星,可以在夜空中以肉眼看見。 秒差距最早於1913年,由英國天文學家提出。其英語名稱為一個混成詞,由「1角秒(arcsecond)的視差(parallax)」組合而來,使天文學家可以只從原始觀測數據,就能夠進行天文距離的快速計算。由於上述部分原因,即使光年在科普文字與日常上維持優勢地位,秒差距仍受到天文學與天體物理學的喜愛。秒差距適用於銀河系內的短距離表述,但在描述宇宙大尺度的用途上,會將其加上詞頭來應用,如千秒差距(kpc)表示銀河系內與周圍物體的距離,百萬秒差距(Mpc)描述銀河系附近所有星系的距離,吉秒差距(Gpc)則是描述極為遙遠的星系與眾多類星體。 2015年8月,國際天文學聯合會通過B2決議文,將絕對星等與進行標準定義,也包含將秒差距定義為一個精確值,即天文單位,或大約公尺(基於2012年國際天文學聯合會對於天文單位的精確國際單位制定義)。此定義對應於眾多當代天文學文獻中對於秒差距的小角度定義。.

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爱因斯坦场方程

愛因斯坦重力場方程是一組含有十個方程式的方程組,由愛因斯坦於1915年在廣義相對論中提出。此方程組描述了重力是由物質與能量所產生的時空彎曲所造成。也就是說,如同牛頓的萬有引力理論中質量作為重力的來源,亦即有質量就可以產生重力,愛氏的相對論理論更進一步的指出,動量與能量皆可做為重力的來源,並且將「重力場」詮釋成「時空彎曲」。所以當我們知道物質與能量在時空中是如何分布的,就可以計算出時空的曲率,而時空彎曲的結果即是重力。 愛因斯坦重力場方程是用來計算動量與能量所造成的時空曲率,再搭配測地線方程,就可以求出物體在重力場中的運動軌跡。這個想法與電磁學的想法是類似的:當我們知道了空間中的電荷與電流(電磁場的來源)是如何分布的,藉由馬克士威方程組,我們可以計算出電場與磁場,再藉由勞倫茲力方程,即可求出帶電粒子在電磁場中的軌跡。 僅在一些簡化的假設下,例如:假設時空是球對稱,此方程組才具有精確解。這些精確解常常被用來模擬許多宇宙中的重力現象,像是黑洞、膨脹宇宙、重力波。.

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重子

重子(Baryon)是一個現代粒子物理學名詞,在標準模型理論中,「重子」這一名詞是指由三个夸克(或者三个反夸克组成的「反重子」)组成的複合粒子。在這理論中它是強子的一類。值得注意的是,因為重子屬於複合粒子,所以「不是」基本粒子。最常见的重子有組成日常物質原子核的质子和中子,合称为核子。其它重子中,有比这两種粒子更重的粒子,所谓的超子。重子这个称呼是指其质量相对重于轻子和介于两者之间的介子起的。 重子是强相互作用的费米子,也就是说它们遵守费米-狄拉克统计和泡利不相容原理,它们通过组成它们的夸克参加强相互作用。同时它们也参加弱相互作用和引力。带电荷的重子也参加电磁力作用。 重子与由一个夸克和一个反夸克组成的介子一起被合称为强子。强子是所有强相互作用的粒子的总称。 质子是唯一独立稳定的重子。中子假如不与其它中子或者质子一起组成原子核的话就不會稳定,並產生衰变。.

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ΛCDM模型

ΛCDM模型(英语:ΛCDM Model或Lambda-CDM Model)是所谓Λ-冷暗物质(Cold Dark Matter)模型的简称。它在大爆炸宇宙学中经常被称作索引模型,这是因为它尝试解释了对宇宙微波背景辐射、宇宙大尺度结构以及宇宙加速膨胀的超新星观测。它是当前能够对这些现象提供融洽合理解释的最简单模型。.

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暗物质

在宇宙学中,暗物质(Dark matter),是指無法通過电磁波的觀測進行研究,也就是不與电磁力產生作用的物质。人们目前只能透过重力产生的效应得知,而且已經發现宇宙中有大量暗物质的存在。 现代天文学經由引力透镜、宇宙中大尺度结构的形成、微波背景辐射等方法和理论来探测暗物质。而根据ΛCDM模型,由普朗克卫星探测的数据得到:整个宇宙的构成中,常規物質(即重子物質)占4.9%,而暗物质則占26.8%,还有68.3%是暗能量(质能等价)。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性(inconsistency),对结构形成也非常关键。暗物质很有可能是一种(或几种)粒子物理标准模型以外的新粒子所構成。对暗物质(和暗能量)的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。 2015年11月,NASA噴射推進實驗室的科學家蓋瑞‧普里茲奧(Gary Prézeau)以ΛCDM模型模擬銀河系內暗物質流過地球與木星等行星的情形,發現這會使該暗物質流的密度明顯上升(地球:10^7倍、木星:10^8倍),並呈現毛髮狀的向外輻射分佈結構。.

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暗能量

在物理宇宙學中,暗能量是一種充溢空間的、增加宇宙膨脹速度的難以察覺的能量形式。暗能量假說是當今對宇宙加速膨脹的觀測結果的解釋中最為流行的一種。在宇宙標準模型中,暗能量佔據宇宙68.3%的質能。 Sean Carroll, Ph.D., Cal Tech, 2007, The Teaching Company, Dark Matter, Dark Energy: The Dark Side of the Universe, Guidebook Part 2 page 46, Accessed Oct.

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大爆炸和弗里德曼方程之间的比较

大爆炸有177个关系,而弗里德曼方程有29个。由于它们的共同之处17,杰卡德指数为8.25% = 17 / (177 + 29)。

参考

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